TWI716255B

TWI716255B - 探針卡及其空間轉換器

Info

Publication number: TWI716255B
Application number: TW109100608A
Authority: TW
Inventors: 魏紹倫; 徐火剛; 蔡易琛; 陳榮俊; 許育禎; 周裕文; 胡玉山
Original assignee: 旺矽科技股份有限公司
Priority date: 2019-01-08
Filing date: 2020-01-08
Publication date: 2021-01-11
Also published as: TW202026646A

Abstract

本創作提出一種探針卡及其空間轉換器。所述空間轉換器包含主空間轉換單元與至少一副空間轉換單元。主空間轉換單元之上表面包含第一與第二測試區，第一測試區形成有多個第一上接觸點，第二測試區形成有至少一凹槽，凹槽之底面形成有多個第一中介接觸點。主空間轉換單元之下表面形成有多個第一下接觸點與多個第二下接觸點，第一下接觸點電連接第一上接觸點，第二下接觸點電連接第一中介接觸點。副空間轉換單元設置於凹槽中，其上表面與下表面分別形成有多個第二上接觸點與多個第二中介接觸點。第二上接觸點電連接第二中介接觸點，且第二中介接觸點電連接第一中介接觸點。其中，第一上接觸點之接觸間距大於第二上接觸點之接觸間距。

Description

探針卡及其空間轉換器

本創作是關於一種探針卡及其空間轉換器。

傳統的積體電路晶片的製造方法是先在晶圓上形成多個晶粒，然後將晶圓進行切割而形成多個獨立的晶粒，各個獨立的晶粒再分別予以封裝而成。晶粒本身依據功能的不同而可以有不同的尺寸，功能複雜的晶粒的尺寸通常比較大，晶粒上的接觸點的數量也較多，因此接觸點的間距通常甚窄。功能較簡單的晶粒上的接觸點雖然較少，但因為晶粒的尺寸也比較小，因此接觸點的間距也同樣甚窄。因此，一般的晶粒難以與測試機直接進行電連接。

晶粒與測試機之間需要藉由一中間介面的機制進行檢測程序，中間介面例如是探針卡，以將測試機的接觸點轉換成晶粒的接觸點。探針卡本身主要包含測試電路板、空間轉換器以及探針頭等三個元件，其中用來和待測裝置直接進行物理接觸的探針係設置於探針頭上。為了能夠對晶圓上的晶粒進行探測，探針頭上的探針分布也必須與晶粒上之接觸點分布相同，因此探針同樣也會有緊湊的分布。如同前面所述，晶粒上之接觸點因為緊湊分布所以難以直接與電路板電連接，同樣地，緊湊分布的探針也會有難以直接與測試電路板進行電連接的問題，因此探針同樣也必須經過「空間轉換器」進行空間轉換始能與測試電路板電連接。

空間轉換器具有二表面，其中與探針頭相連接的表面具有與探針分布相同的緊湊的接觸點分布，另外一表面係朝向測試電路板，且具有較寬裕的接觸點分布。

當前的空間轉換器均只能針對具有單一接觸間距之待測半導體裝置進行空間轉換，也就是空間轉換器朝向探針頭之表面的接觸點的間距與尺寸在同一平面上必須維持一致。

本創作提出一種具有截然不同於當前之空間轉換器的探針卡。於一實施例中，探針卡包含測試電路板、空間轉換器以及探針頭。空間轉換器包含主空間轉換單元與副空間轉換單元。主空間轉換單元包含一上表面與一下表面，主空間轉換單元以其下表面電性連接於測試電路板。主空間轉換單元之上表面包含一第一測試區與一第二測試區，第一測試區形成有多個第一上接觸點，第二測試區形成有一凹槽，凹槽之底面形成有多個第一中介接觸點。主空間轉換單元之下表面形成有多個第一下接觸點與多個第二下接觸點，第一下接觸點個別電連接於第一上接觸點，第二下接觸點個別電連接於第一中介接觸點。副空間轉換單元設置於主空間轉換單元之凹槽中，其包含一上表面與一下表面，且副空間轉換單元以其下表面電性連接於測試電路板。副空間轉換單元之上表面形成有複數第二上接觸點，副空間轉換單元之下表面形成有複數第二中介接觸點。副空間轉換單元之第二上接觸點個別電連接於第二中介接觸點，第二中介接觸點與第一中介接觸點具有相同之接觸間距，且第二中介接觸點個別電連接於第一中介接觸點。探針頭係電性連接於主空間轉換單元之上表面之第一上接觸點與第二上接觸點。其中，主空間轉換單元之第一上接觸點與第二上接觸點共平面且分別具有第一接觸間距與第二接觸間距，且第一接觸間距大於第二接觸間距。

本創作還提出一種例示的空間轉換器，適用於一探針卡，其包含主空間轉換單元與副空間轉換單元。主空間轉換單元包含一上表面與一下表面。主空間轉換單元之上表面包含一第一測試區與一第二測試區，第一測試區形成有多個第一上接觸點，第二測試區形成有一凹槽，凹槽之底面形成有多個第一中介接觸點。主空間轉換單元之下表面形成有多個第一下接觸點與多個第二下接觸點，第一下接觸點個別電連接於第一上接觸點，第二下接觸點個別電連接於第一中介接觸點。副空間轉換單元設置於主空間轉換單元之凹槽中，其包含一上表面與一下表面。副空間轉換單元之上表面形成有複數第二上接觸點，副空間轉換單元之下表面形成有複數第二中介接觸點。副空間轉換單元之第二上接觸點個別電連接於第二中介接觸點，第二中介接觸點與第一中介接觸點具有相同之接觸間距，且第二中介接觸點個別電連接於第一中介接觸點。其中，主空間轉換單元之第一上接觸點與第二上接觸點共平面且分別具有第一接觸間距與第二接觸間距，且第一接觸間距係大於第二接觸間距。

本創作之空間轉換器之上表面係定義為與探針頭連接的表面，也就是在工作狀態時係朝向晶圓的表面。空間轉換器之上表面的電接觸點係共平面且包含有二種以上的接觸間距。

以下各實施例中，「上」或「下」僅僅是用來說明其在圖式中所呈現的方位，並非限制其實際位向。例如各實施例中的空間轉換器的「上」表面所指的是朝向探針頭的表面，實務上稱為「wafer side」，在實際執行針測時將會朝向下方而面向晶圓。

以下各實施例中，「接觸間距」係定義為相鄰二接觸點（錫球或銲墊）之中心點之間的距離。本創作之重點在於提出一種全新設計的空間轉換器，因此以下係揭露各種空間轉換器的實施例，至於空間轉換器與測試電路板之間的結合手段以及空間轉換器與探針頭之間的結合手段則僅需配合空間轉換器的接觸點分布情況對應調整即可完成，於此不再贅述。

第一實施例

請參照圖1與圖2，分別為本創作之第一實施例之空間轉換器的上表面示意圖以及沿AA剖面線之剖面示意圖，其繪示出一空間轉換器10。本實施例之空間轉換器10包含一個主空間轉換單元11以及分布於主空間轉換單元11周緣的六個副空間轉換單元12A~12F。於此需特別說明，副空間轉換單元的數量僅為例示，其可以是單一個也可以是多個，本創作並不以此為限。

主空間轉換單元11包含上表面111與下表面112，上表面111包含第一測試區111A與第二測試區111B。圖1中的虛線方框內部相當於第一測試區111A，虛線方框的外部相當於第二測試區111B，需特別說明的是，虛線方框於圖1中僅是用來概略區分出第一測試區111A與第二測試區111B的一個虛擬方框，並非是實際存在於空間轉換器10上。

第一測試區111A形成有多個第一上接觸點C1，第二測試區111B形成有六個凹槽118A~118F，各凹槽118A~118F的底面形成有多個第一中介接觸點C2。下表面112形成有多個第一下接觸點C3與多個第二下接觸點C4。第一下接觸點C3個別電連接於第一上接觸點C1，第二下接觸點C4個別電連接於第一中介接觸點C2。

副空間轉換單元12A~12F個別設置於凹槽118A~118F中。各個副空間轉換單元的結構類似，故以副空間轉換單元12B為例進行說明，且以下說明可類推適用於其他副空間轉換單元。副空間轉換單元12B設置於凹槽118B中且包含上表面12B1與下表面12B2。副空間轉換單元12B之上表面12B1形成有多個第二上接觸點C5，下表面12B2形成有多個第二中介接觸點C6，其中第二上接觸點C5個別電連接於第二中介接觸點C6，第二中介接觸點C6與第一中介接觸點C2具有相同之接觸間距，且第二中介接觸點C6個別電連接於第一中介接觸點C2。此外，在本實施例中，主空間轉換單元11之相鄰二個第一上接觸點C1之間具有一第一接觸間距，副空間轉換單元12A~12F之相鄰二個第二上接觸點C5之間具有一第二接觸間距，且第一接觸間距係大於第二接觸間距。

請參照圖3，為本創作之第一實施例之空間轉換器10的製造流程示意圖。如圖3(A)所示，首先依照現有的多層有機製程技術（Multi-layer Organic, MLO）或者是多層陶瓷技術（Multi-layer Ceramics, MLC）製造出主空間轉換單元基板11A。主空間轉換單元基板11A的下表面已經形成有多個第一下接觸點C3與多個第二下接觸點C4。然後，如圖3(B)所示，在主空間轉換單元基板11A的上表面沉積或者貼附多層薄膜TF。然後透過微影製程在多層薄膜TF上形成多個第一上接觸點C1，以及形成多個凹槽118A~118F（圖中僅繪示118B與118D）。各凹槽118A~118F的底面還必須形成多個第一中介接觸點C2。主空間轉換單元基板11A與多層薄膜TF的集合即為主空間轉換單元11。然後，如圖3(C)所示，依照多層有機製程技術或者是多層陶瓷技術製造出多個副空間轉換單元12A~12F（圖中僅繪示12B與12D），並將副空間轉換單元12A~12F個別嵌入對應的凹槽118A~118F中，然後透過焊錫迴焊（solder reflow）、異方性導電膠或者是印刷電路板製程常使用的熱壓合的方式與主空間轉換單元11電性連接，而形成如圖3(D)所示的空間轉換器10。

承上，當上述實施例適用於接觸點間距較小的產品時，例如副空間轉換單元12A~12F的第二上接觸點C5的接觸間距小於150 μm時，傳統焊錫迴焊的難度將會提高，因而可以改使用銅柱凸塊（copper pillar）製程來進行副空間轉換單元12A~12F與主空間轉換單元11之間的電性連接。如圖7所示，相較於傳統焊錫迴焊，銅柱凸塊製程係利用電鍍的方式在主空間轉換單元11之各個第一中介接觸點C2上沉積出銅柱C7B以及在銅柱C7B頂端沉積出焊錫C7A，然後讓副空間轉換單元12A~12F與主空間轉換單元11相互壓合後進行熱處理即可完成副空間轉換單元12A~12F與主空間轉換單元11之間的電性連接。

本實施例的其中一個特點在於主空間轉換單元11之上表面111形成有多個可以用來容置副空間轉換單元12A~12F的凹槽118A~118F，各副空間轉換單元12A~12F係透過各凹槽118A~118F中的第一中介接觸點C2而電性連接於主空間轉換單元11之下表面112之第二下接觸點C4。此外，主空間轉換單元11之相鄰二個第一上接觸點C1之間距大於相鄰二個第二上接觸點C5之間距。換言之，副空間轉換單元12A~12F的第二上接觸點C5與主空間轉換單元11的第一上接觸點C1具有相異之接觸間距。此外，副空間轉換單元12A~12F之第二上接觸點C5與主空間轉換單元11之第一上接觸點C1係共平面。

在一些實施例中，主空間轉換單元11之第一下接觸點C3與第二下接觸點C4具有相同之接觸間距。

承上，倘若副空間轉換單元12A~12F與主空間轉換單元11相互組合之後，因為製造公差導致第二上接觸點C5與第一上接觸點C1沒有共平面，例如副空間轉換單元12B的厚度略為偏小，則可以透過在副空間轉換單元12B的下表面12B2上或者是主空間轉換單元11的凹槽118B的底部貼設尺寸補償膜片來補償厚度偏差（Z軸方向偏差）。須留意的是，尺寸補償膜片本身也必須要具有對應第二中介接觸點C6以及對應第一中介接觸點C2的開口。同理，倘若是副空間轉換單元12B與主空間轉換單元11之間存在水平偏差（X軸/Y軸方向偏差），亦可以在副空間轉換單元12B的側面或者是主空間轉換單元11的凹槽118B的側面貼設尺寸補償膜片來補償水平偏差。上述偏差補償方式亦適用於本創作其餘的實施例，以下不再重複贅述。

第二實施例

請參照圖4與圖5，分別為本創作之第二實施例之空間轉換器的上表面示意圖以及沿CC剖面線之剖面示意圖，其繪示出一空間轉換器30。本實施例與第一實施例的主要差異在於本實施例是採用無邊框設計，也就是各凹槽318A~318F的其中一邊緣會和主空間轉換單元31的外緣齊平，茲詳細說明如下。

空間轉換器30包含一個主空間轉換單元31以及分布於主空間轉換單元31周緣的六個副空間轉換單元32A~32F。主空間轉換單元31包含上表面311與下表面312，上表面311包含第一測試區311A與第二測試區311B。圖4中的虛線方框的內部區域相當於第一測試區311A，虛線方框的外部區域相當於第二測試區311B。在此需特別說明，圖4中的虛線方框僅是用來概略區分出第一測試區311A與第二測試區311B的一個虛擬的方框，並非是實際存在於空間轉換器30上。

第一測試區311A形成有多個第一上接觸點C1，第二測試區311B形成有六個凹槽318A~318F，各個凹槽318A~318F的外緣與主空間轉換單元31的外緣齊平。各凹槽318A~318F的底面形成有多個第一中介接觸點C2。主空間轉換單元31之下表面312形成有多個第一下接觸點C3與多個第二下接觸點C4。第一下接觸點C3個別電連接於第一上接觸點C1，第二下接觸點C4個別電連接於第一中介接觸點C2。

副空間轉換單元32A~32F個別設置於主空間轉換單元31的凹槽318A~318F中。各個副空間轉換單元的結構類似，故以副空間轉換單元32B為例進行說明，且以下說明同樣可類推適用於其他副空間轉換單元。副空間轉換單元32B設置於凹槽318B中且包含上表面32B1與下表面32B2。副空間轉換單元32B之上表面32B1形成有多個第二上接觸點C5，下表面32B2形成有多個第二中介接觸點C6，其中第二上接觸點C5個別電連接於第二中介接觸點C6，第二中介接觸點C6與第一中介接觸點C2具有相同之接觸間距，且第二中介接觸點C6個別電連接於第一中介接觸點C2。

請參照圖6，為本創作之第二實施例之空間轉換器30的製造流程示意圖。如圖6(A)所示，首先依照現有的多層有機製程技術（Multi-layer Organic, MLO）或者是多層陶瓷技術（Multi-layer Ceramics, MLC）製造出主空間轉換單元基板31A。主空間轉換單元基板31A的下表面已經形成有多個第一下接觸點C3與多個第二下接觸點C4。然後，如圖6(B)所示，在主空間轉換單元基板31A的上表面沉積或者貼附多層薄膜TF。然後透過微影製程在多層薄膜TF上形成多個第一上接觸點C1，以及形成多個凹槽318A~318F（圖中僅繪示318B與318D）。各凹槽318A~318F的其中一邊緣會和主空間轉換單元31的邊緣齊平，且各凹槽318A~318F的底面還形成有多個第一中介接觸點C2。主空間轉換單元基板31A與多層薄膜TF的集合即為主空間轉換單元31。然後，如圖6(C)所示，依照多層有機製程技術或者是多層陶瓷技術製造出多個副空間轉換單元32A~32F（圖中僅繪示32B與32D），並將副空間轉換單元32A~32F個別嵌入對應的凹槽318A~318F中，然後透過焊錫迴焊（solder reflow）的方式與主空間轉換單元31電性連接，而形成如圖6(D)所示的空間轉換器30。

承上，當上述實施例適用於接觸點間距較小的產品時，例如副空間轉換單元32A~32F的第二上接觸點C5的接觸間距小於150 μm時，傳統焊錫迴焊的難度將會提高，因而可以改使用銅柱凸塊（copper pillar）製程來進行副空間轉換單元32A~32F與主空間轉換單元31之間的電性連接。

本實施例相較於第一實施例的空間轉換器10的主要差異在於，本實施例的空間轉換器30的各凹槽318A~318F的外緣會和主空間轉換單元31的邊緣齊平，因此空間轉換器30的整體尺寸會比空間轉換器10來的更小。同樣地，本實施例之主空間轉換單元31之第一上接觸點C1之間距大於第二上接觸點C5之間距。換言之，主空間轉換單元31之第一上接觸點C1與第二上接觸C5具有相異之接觸間距。例如主空間轉換單元31之相鄰二個第一上接觸點C1的間距定義為第一接觸間距，副空間轉換單元32A~32F之相鄰二個第二上接觸點C5的間距定義為第二接觸間距，則第一接觸間距會大於第二接觸間距。此外，副空間轉換單元32A~32F之第二上接觸點C5與主空間轉換單元31之第一上接觸點C1係共平面。

在一些實施例中，主空間轉換單元31之第一下接觸點C3與第二下接觸點C4具有相同之接觸間距。

上述實施例的其中一個主要共同特點在於提出一種全新的空間轉換器的設計思維，讓空間轉換器之朝向晶圓的表面（wafer side）的接觸間距可以有二種以上的變化。例如第一測試區的接觸點的接觸間距可以設計得較寬，第二測試區的接觸點的接觸間距則可以設計的較窄。

在部分實施例中，第一測試區的接觸點的接觸間距可以是100微米以上，第二測試區的接觸點的接觸間距則可以是80微米以下，且二者之間的差異係在20微米至80微米之範圍間。

於上述各實施例的空間轉換器中，空間轉換器之上表面的接觸間距可以有二種以上。例如可以根據所欲測試產品的類型，而利用上述實施例所揭示的概念將空間轉換器之上表面（wafer side）設計成具有三種甚至更多種接觸間距。

需特別說明的是，為方便呈現空間轉換器之上下表面的接觸間距，本申請案所附的圖式中，各個元件並未完全按實際比例繪製。

雖然本創作已以實施例揭露如上然其並非用以限定本創作，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本創作之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本創作之保護範圍當視後附之專利申請範圍所界定者為準。

10、30:空間轉換器 11、31:主空間轉換單元 11A、31A:主空間轉換單元基板 111、311:上表面 111A、311A:第一測試區 111B、311B:第二測試區 112、312:下表面 118A~118F、318A~318F:凹槽 12A~12F、32A~32F:副空間轉換單元 12B1、32B1:上表面 12B2、32B2:下表面 AA、CC:剖面線 C1:第一上接觸點 C2:第一中介接觸點 C3:第一下接觸點 C4:第二下接觸點 C5:第二上接觸點 C6:第二中介接觸點 C7A:焊錫 C7B:銅柱 TF:多層薄膜

[圖1] 為本創作之第一實施例之空間轉換器的上表面示意圖； [圖2] 為沿圖1之AA剖面線的剖面示意圖； [圖3] 分別為本創作之第一實施例之空間轉換器的製造流程示意圖； [圖4] 為本創作之第二實施例之空間轉換器的上表面示意圖； [圖5] 為沿圖4之CC剖面線的剖面示意圖； [圖6] 為本創作之第二實施例之空間轉換器的製造流程示意圖； [圖7] 為銅柱凸塊製程應用於本創作之實施例之示意圖。

10:空間轉換器

11:主空間轉換單元

11A:主空間轉換單元基板

111:上表面

112:下表面

118A~118F:凹槽

12A~12F:副空間轉換單元

12B1:上表面

12B2:下表面

AA:剖面線

C1:第一上接觸點

C2:第一中介接觸點

C3:第一下接觸點

C4:第二下接觸點

C5:第二上接觸點

C6:第二中介接觸點

TF:多層薄膜

Claims

一種探針卡，包含：一測試電路板；一空間轉換器，包含：一主空間轉換單元，包含一上表面與一下表面，該主空間轉換單元以其下表面電性連接於該測試電路板，該上表面包含一第一測試區與一第二測試區，該第一測試區形成有複數第一上接觸點，該第二測試區形成有一凹槽，該凹槽之底面形成有複數第一中介接觸點，該下表面形成有複數第一下接觸點與複數第二下接觸點，該些第一下接觸點個別電連接於該些第一上接觸點，該些第二下接觸點個別電連接於該些第一中介接觸點；及一副空間轉換單元，設置於該凹槽中，包含一上表面與一下表面，該副空間轉換單元以其下表面電性連接於該測試電路板，該副空間轉換單元之上表面形成有複數第二上接觸點，該副空間轉換單元之下表面形成有複數第二中介接觸點，該些第二上接觸點個別電連接於該些第二中介接觸點，該些第二中介接觸點與該些第一中介接觸點具有相同之接觸間距，且該些第二中介接觸點個別電連接於該些第一中介接觸點；及一探針頭，電性連接於該主空間轉換單元之上表面之該些第一上接觸點與該些第二上接觸點；其中，該些第一上接觸點具有一第一接觸間距，該些第二上接觸點具有一第二接觸間距，該第一接觸間距大於該第二接觸間距。
如請求項1所述之探針卡，其中該第一接觸間距與該第二接觸間距的差異在20微米至80微米之範圍間。
如請求項1所述之探針卡，其中該主空間轉換單元係為矩形，該第一測試區域位於該上表面的中央，該第二測試區位於該上表面的周緣，該第二測試區形成有多個該凹槽。
如請求項1所述之探針卡，更包含至少一尺寸補償膜片，設置於該副空間轉換單元之下表面或該主空間轉換單元之凹槽之底部，用以補償該副空間轉換單元與該主空間轉換單元之間沿Z軸方向的偏差，該至少一尺寸補償膜片具有對應於該些第一中介接觸點與該些第二中介接觸點的開口。
如請求項1所述之探針卡，更包含至少一尺寸補償膜片，設置於該副空間轉換單元之側面或該主空間轉換單元之凹槽之側面，用以補償該副空間轉換單元與該主空間轉換單元之間沿X軸方向或Y軸方向的偏差。
一種空間轉換器，適用於一探針卡，該空間轉換器包含：一主空間轉換單元，包含一上表面與一下表面，該主空間轉換單元以其下表面電性連接於一測試電路板，該上表面包含一第一測試區與一第二測試區，該第一測試區形成有複數第一上接觸點，該第二測試區形成有一凹槽，該凹槽之底面形成有複數第一中介接觸點，該下表面形成有複數第一下接觸點與複數第二下接觸點，該些第一下接觸點個別電連接於該些第一上接觸點，該些第二下接觸點個別電連接於該些第一中介接觸點；及一副空間轉換單元，設置於該凹槽中，包含一上表面與一下表面，該副空間轉換單元以其下表面電性連接於該測試電路板，該副空間轉換單元之上表面形成有複數第二上接觸點，該副空間轉換單元之下表面形成有複數第二中介接觸點，該些第二上接觸點個別電連接於該些第二中介接觸點，該些第二中介接觸點與該些第一中介接觸點具有相同之接觸間距，且該些第二中介接觸點個別電連接於該些第一中介接觸點；其中，該些第一上接觸點具有一第一接觸間距，該些第二上接觸點具有一第二接觸間距，該第一接觸間距大於該第二接觸間距。