TWI792528B - 探針卡及其晶圓測試組件 - Google Patents

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TWI792528B
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徐火剛
周裕文
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Abstract

本發明提出一種探針卡及其晶圓測試組件。所述晶圓測試組件包含印刷電路板、空間轉換器、複數銅柱與複數強化結構單元。印刷電路板包含一下表面與設置於下表面之多個第一接觸點。空間轉換器包含一上表面與設置於上表面且對應於第一接觸點之多個第二接觸點。複數銅柱個別地設置於相對應之第一接觸點與第二接觸點之間，且各銅柱之兩端分別電性連接於第一接觸點與第二接觸點。複數強化結構單元設置於印刷電路板之下表面且個別地環繞各銅柱。

Description

探針卡及其晶圓測試組件
本發明是關於一種探針卡及其晶圓測試組件。
晶圓測試是半導體製造程序中的一環，其中針測(probing)是眾多半導體測試方式中的其中一種，用以對晶圓上的多個晶粒進行測試。針測的其中一種方式係透過探針卡來執行，探針卡通常可區分為三個部件，分別為印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)、空間轉換器(Space Transformer)以及探針頭(Probe Head)，其中印刷電路板與空間轉換器之間一般是透過回焊(reflow)的方式進行電性連接。
在對晶圓中的晶粒進行針測的過程中，探針頭的探針會直接碰觸待測半導體元件的訊號出入端口(例如焊墊或凸塊)，印刷電路板則電性連接至測試機。藉由測試機經由印刷電路板、空間轉換器、探針輸入測試訊號到待測半導體元件，再將待測半導體元件的測試結果訊號經由探針、空間轉換器、印刷電路板回傳到測試機。藉此評估待測半導體元件的運作是否正常以及性能是否符合標準。在測試過程中，由於空間轉換器本身的材質(例如採用多層有機材質(Multilayer Organic，MLO))、空間轉換器的厚度以及探針頭中探針的數量等問題，使得空間轉換器可能是可撓的。因此當探針頭的探針施加壓力於待測半導體元件的焊墊時，空間 轉換器可能發生扭曲變形。進一步來說，空間轉換器受到探針壓力的部分會朝向印刷電路板變形。當探針頭的探針離開待測半導體元件的焊墊時，空間轉換器又回復原狀。因此，在探針卡反覆執行多次測試之後，空間轉換器與探針卡之間的部分接點可能發生疲勞破壞甚或直接斷裂。
有鑑於此，本發明提出一種晶圓測試組件，包含印刷電路板、空間轉換器、複數銅柱與複數強化結構單元。印刷電路板包含一上表面、一下表面與設置於下表面之多個第一接觸點。空間轉換器包含一上表面、一下表面與設置於其上表面且對應於印刷電路板之第一接觸點之多個第二接觸點。複數銅柱個別地設置於相對應之第一接觸點與第二接觸點之間，且各銅柱之兩端分別電性連接於第一接觸點與第二接觸點。複數強化結構單元設置於印刷電路板之下表面且個別地環繞各銅柱。
本發明還提出一種探針卡，除包含上述晶圓測試組件外，還進一步包含一金屬補強件與一探針頭，其中金屬補強件設置於印刷電路板之上表面，探針頭則是設置於空間轉換器之下表面。
本發明在各銅柱的周圍設置強化結構單元，當探針頭的探針施加壓力於待測半導體元件的焊墊時，此些強化結構單元會支撐在空間轉換器的上表面與印刷電路板的下表面之間。因此本發明可避免空間轉換器發生嚴重的扭曲變形，進而解決探針卡經受多次晶圓測試製程之後，空間轉換器與探針卡之間的接點發生疲勞破壞或斷裂的問題。
10:探針卡
11:印刷電路板
11a:上表面
11b:下表面
111:第一接觸點
112:第一焊料
119:金屬補強件
13:空間轉換器
13a:上表面
13b:下表面
131:第二接觸點
132:第二焊料
14:銅柱
15:探針頭
151:探針
182:溢氣槽
19:強化結構層體
191、192、193:強化結構單元
194A、195A:強化結構單元
194、195:強化結構區塊
20:探針卡
29:強化結構層體
291:強化結構單元
30:探針卡
37:綠漆層
372:第一凹槽
379:開口
40:探針卡
49:強化結構層體
491:強化結構單元
492:第二凹槽
50:探針卡
56:邊膠
59:強化結構層體
60:探針卡
66:邊膠
69:強化結構層體
69b:下表面
d:間隙
[圖1]為本發明之第一實施例的示意圖(一)；[圖2]為本發明之第一實施例的示意圖(二)；[圖3]為本發明之第一實施例之印刷電路板的下表面的局部仰視示意圖(一)；[圖4]為本發明之第一實施例之印刷電路板的下表面的局部仰視示意圖(二)；[圖5]為本發明之第一實施例之印刷電路板的下表面的局部仰視示意圖(三)；[圖6]為本發明之第二實施例的示意圖(一)；[圖7]為本發明之第二實施例的示意圖(二)；[圖8]為本發明之第二實施例之印刷電路板的下表面的局部仰視示意圖；[圖9]為本發明之第三實施例的示意圖(一)；[圖10]為本發明之第三實施例的示意圖(二)；[圖11]為本發明之第四實施例的示意圖(一)；[圖12]為本發明之第四實施例的示意圖(二)；[圖13]為本發明之第五實施例的示意圖；[圖14]為本發明之第六實施例的示意圖。
請參照圖1、圖2與圖3，分別為本發明之第一實施例的示意圖(一)、第一實施例的示意圖(二)以及第一實施例之印刷電路板的下表面的局部仰視示意圖(一)，其繪示出一探針卡10。探針卡10主要包含 印刷電路板11、空間轉換器13以及探針頭15。為方便於圖式中凸顯本發明的技術特徵，探針卡10之各元件並未按實際的比例繪製，其餘各個實施例的圖式亦然。在真實情況下，印刷電路板11的寬度係遠大於空間轉換器13。此外，印刷電路板11的厚度亦大於空間轉換器13的厚度，例如印刷電路板11的厚度可以是但不限於6mm，空間轉換器13的厚度可以是但不限於2mm。此外，說明書中使用的「上方」或「下方」一詞僅用以說明各元件在圖式中所呈現的位向以便於理解，並非用以限制本發明。
探針卡10主要包含印刷電路板11、空間轉換器13以及探針頭15。在執行晶圓測試的過程中，探針頭15之探針151用於接觸晶圓上的晶粒的焊墊，並將測試機發送的測試訊號傳送到待測晶粒以及將待測晶粒產生的測試結果回傳至測試機進行分析。
印刷電路板11包含上表面11a與下表面11b，上表面11a用於電性連接至測試機，下表面11b用於電性連接至待測晶粒。印刷電路板11的上表面11a通常會進一步設置業界俗稱為鋁框的金屬補強件119，其係用以補強印刷電路板11的抗撓性，材質通常為鋁合金。印刷電路板11的上表面11a設置有多個接觸點(圖未繪示)，上表面11a的接觸點設置在沒有金屬補強件119的區域，以用於電性連接至測試機、擺放電子元件等。印刷電路板11的下表面11b則設置有多個第一接觸點111，這些第一接觸點111的材質可以是銅，或者是在銅的表面進一步依序鍍上鎳層與金層。
空間轉換器13設置在印刷電路板11的下方，其包含上表面13a與下表面13b，其中上表面13a設置有多個第二接觸點131。空間轉換器13的第二接觸點131係個別地對應於印刷電路板11的第一接觸點111， 且相對應的第一接觸點111與第二接觸點131之間透過銅柱14電性連接。在一些實施例中，第一接觸點111與第二接觸點131的表面分別設置有第一焊料112與第二焊料132，且銅柱14的兩端經由第一焊料112與第二焊料132而分別電性連接於第一接觸點111與第二接觸點131。此外，多個如圖3所示之強化結構單元191設置於印刷電路板11之下表面11b。這些強化結構單元191係個別地環繞各個銅柱14且未接觸銅柱14的側表面，而與銅柱14側表面界定出一溢氣槽182。
印刷電路板11的結構通常會包含銅箔層以及強化層，其中強化層的常見材質為玻璃纖維複合材料，而空間轉換器13的其中一種結構是由多層有機材質(Multilayer Organic，MLO)層疊而成，因此其強度遠低於印刷電路板11。對於板材而言，撓度的公式為
Figure 110132362-A0305-02-0008-1
，其中H為撓度，F為作用力，Y為楊氏係數，L為支點長度，B為試片寬度，t為試片厚度。根據撓度公式，由於空間轉換器13的楊氏係數遠小於印刷電路板11的楊氏係數，因此在同樣測試條件下，空間轉換器13的撓度會大於印刷電路板11的撓度，亦即同樣受力條件下，空間轉換器13的變形量會大於印刷電路板11的變形量。尤其在實際產品上，空間轉換器13本身的厚度更是大約僅有印刷電路板11的三分之一，因此在晶圓測試過程中，空間轉換器13本身相當容易變形。而透過強化結構單元191的設置，可以大幅減少空間轉換器13在晶圓測試過程中的變形量。
復參照圖3，在一些實施例中，各個強化結構單元191並非相互分離的個體，而是在印刷電路板11的下表面11b上共同構成單一個強化結構層體19。此外，在一些實施例中，銅柱14朝向空間轉換器13之上 表面13a之端面係與強化結構層體19之表面共平面。在此需特別說明，由於空間轉換器13本身具有可撓性，且銅柱14的長短存在製程公差，因此此處所稱的共平面係指銅柱14之端面與強化結構層體19之表面間的高低落差落在製程公差範圍內。
參照圖4，在一些實施例中，多個強化結構單元192與多個強化結構單元193彼此相互分離，且各自環繞在所對應的銅柱14的周圍。在一些實施例中，銅柱14朝向空間轉換器13之上表面13a之端面係與強化結構單元192以及強化結構單元193之表面共平面。此處所稱的共平面係指銅柱14之端面與強化結構單元192以及強化結構單元193之表面間的高低落差落在製程公差範圍內。此外，強化結構單元192的尺寸與強化結構單元193的尺寸並不相同，而是依照所需強化的程度而有不同的尺寸大小。原則上強化結構單元192與強化結構單元193的尺寸愈大，愈能減少空間轉換器13在晶圓測試過程中的變形量。
參照圖5，在一些實施例中，二個強化結構單元194A係彼此相互連接而構成一個強化結構區塊194。但強化結構區塊194並不限於僅包含二個強化結構單元194A，也可以視第一接觸點111的布局以及所需強化的程度而可以包含二個以上的強化結構單元194A。此外，四個強化結構單元195A也彼此相互連接而構成一個強化結構區塊195。同樣地，強化結構區塊195並不限於包含四個強化結構單元195A，也可以視第一接觸點111的布局以及所需強化的程度而可以包含二個、三個或者四個以上的強化結構單元195A。在一些實施例中，銅柱14朝向空間轉換器13之上表面13a之端面係與強化結構區塊194以及強化結構區塊195之表面共平面。此 處所稱的共平面係指銅柱14之端面與強化結構區塊194以及強化結構區塊195之表面間的高低落差落在製程公差範圍內。在此需特別說明，圖5中的虛線僅用來區分出相鄰兩個強化結構單元194A或者相鄰兩個強化結構單元195A，以方便說明本發明的發明概念，其並非表示相鄰兩個強化結構單元194A或者相鄰兩個強化結構單元195A之間存在一個實體介面。
復參照圖2與圖3，在一些實施例中，各強化結構單元191的端面與空間轉換器13的上表面13a具有一間隙d。此外，這些強化結構單元191係個別地環繞各個銅柱14且未接觸銅柱14的側表面，而在每個銅柱14的周圍界定出溢氣槽182。由於第一焊料112與第二焊料132是透過錫膏印刷形成在第一接觸點111與第二接觸點131的表面，而錫膏本身含有大量的助焊劑，因此在回焊過程中會產生氣體。間隙d與溢氣槽182的存在可以作為這些氣體在回焊過程溢出至外界的通道。在一些實施例中，間隙d的大小係小於或等於20微米，例如間隙d的大小可以是20微米、15微米或10微米。間隙d不宜過大，倘若間隙d的大小超過20微米甚多，例如間隙d的大小為30微米，則探針卡10在執行晶圓測試過程中所引致的空間轉換器13的變形量較大，將無助於解決銅柱14與第一接觸點111或與第二接觸點131之間發生疲勞破壞或斷裂的問題。
參照圖6、圖7與圖8，分別為本發明之第二實施例的示意圖(一)、第二實施例的示意圖(二)以及第二實施例之印刷電路板的下表面的局部仰視示意圖，其繪示出一探針卡20。在本實施例中，各個強化結構單元291在印刷電路板11的下表面11b上共同構成單一個強化結構層體29，且各個強化結構單元291係個別地環繞銅柱14且直接接觸銅柱14的側 表面。因此本實施例並沒有如同第一實施例般在每個銅柱14的周圍形成溢氣槽182。這是因為在形成強化結構單元291前，銅柱14可以先焊接到第一接觸點111上，因此第一接觸點111的回焊係發生在形成強化結構單元291之前，故後續進行銅柱14與第二接觸點131的回焊時，第一接觸點111不會再產生的氣體。
參照圖9與圖10，分別為本發明之第三實施例的示意圖(一)與示意圖(二)，其繪示出一探針卡30。本實施例與第二實施例的其中一個主要差異在於空間轉換器13的上表面13a進一步形成有一綠漆層37。綠漆層37包含對應於各個第二接觸點131之多個開口379。各個開口379的尺寸係大於第二接觸點131的尺寸，藉此使各個第二接觸點131裸露，同時令綠漆層37與各個第二接觸點131之間形成一第一凹槽372。在本實施例中，綠漆層37係局部占據強化結構單元291的端面(或強化結構層體29的表面)與空間轉換器13之上表面13a之間的間隙d中，因此在執行晶圓測試時，強化結構單元191的端面(或強化結構層體29的表面)會受到綠漆層37的限制而使得空間轉換器13的抗撓性進一步提高。
在第三實施例中，強化結構單元291(或強化結構層體29)也可以是不接觸銅柱14的側表面，而在每個銅柱14的周圍形成溢氣槽182，如圖2所示。此外，第三實施例之綠漆層37也可以改用光阻層來取代。
參照圖11與圖12，分別為本發明之第四實施例的示意圖(一)與示意圖(二)，其繪示出一探針卡40。本實施例與第二實施例的其中一個主要差異在於各強化結構單元491朝向空間轉換器13之表面具有 一第二凹槽492。各個第二凹槽492環繞銅柱14，且銅柱14之側表面局部地裸露於第二凹槽492中。第二凹槽492的功用在於讓第一焊料112與第二焊料132在回焊過程中所產生的氣體更容易溢至外界。
在第四實施例中，強化結構單元491(或強化結構層體49)也可以是不接觸銅柱14的側表面，而在每個銅柱14的周圍形成溢氣槽182，如圖2所示。此外，第三實施例之綠漆層37(或光阻層)也可以應用在第四實施例中。
參照圖13，為本發明之第五實施例的示意圖，其繪示出一探針卡50，本實施例之強化結構單元係彼此相連而構成一強化結構層體59。本實施例與第二實施例的其中一個主要差異在於更包含有一邊膠56。邊膠56係沿著空間轉換器13之周緣而塗設於印刷電路板11之下表面11b上且進一步覆蓋空間轉換器13之側表面。在一些實施例中，邊膠56並不一定要完全佈滿空間轉換器13之周緣，亦即允許印刷電路板11之下表面11b與空間轉換器13之上表面13a之間的空間與外界聯通。由於空間轉換器13的可撓性較高，透過邊膠56將空間轉換器13的周緣固著於剛性較高的印刷電路板11上，可進一步提高空間轉換器13的抗變形能力。
參照圖14，為本發明之第六實施例的示意圖，其繪示出一探針卡60，本實施例之強化結構單元係彼此相連而構成一強化結構層體69。本實施例與第五實施例的其中一個主要差異在於邊膠66係沿著空間轉換器13之周緣而塗設於強化結構層體69之下表面69b上且進一步覆蓋空間轉換器13之側表面。在一些實施例中，邊膠66並不一定要完全塗滿空間轉換器13之周緣，亦即可以留有一或多個開口而允許強化結構層體69之下表 面69b與空間轉換器13之上表面13a之間的空間與外界聯通。同樣地，由於空間轉換器13的可撓性較高，透過邊膠66將空間轉換器13的周緣固著於剛性較高的強化結構層體69上，可進一步提高空間轉換器13的抗變形能力。
綜上所述，本發明藉由在印刷電路板11與空間轉換器13之間的銅柱周圍設置強化結構單元，可大幅減少空間轉換器13在晶圓測試過程中的變形量，從而避免空間轉換器與探針卡之間的接點發生疲勞破壞或斷裂的問題。此外，本發明的部分實施例還具有以下特點：(一)重工(rework)的可靠度高。由於空間轉換器與印刷電路板上的焊墊是透過焊料與銅柱進行電性連接，因此當需要重工而進行解焊時，是將銅柱與空間轉換器進行分離，印刷電路板上的焊墊不會被破壞。而在先前技術架構底下，解焊過程則可能傷害到空間轉換器或印刷電路板上的焊墊。(二)強化結構單元是設置在印刷電路板上。由於印刷電路板的剛性大於空間轉換器，印刷電路板甚至還可以設置金屬補強件來進一步提高整體剛性，因此將強化結構單元設置在印刷電路板的支撐效果會比強化結構單元設置在空間轉換器上來得更好。(三)平整度佳。由於PCB的材料及製程問題，會使得PCB的平整度差，而經由增強結構及銅柱所定義出的平整面(平整度<50um)的平整度小於PCB的平整度，因而同步使得空間轉換器及探針的平整度獲得改善。
雖然本發明已以實施例揭露如上然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之專利申請 範圍所界定者為準。
11:印刷電路板
11a:上表面
11b:下表面
111:第一接觸點
112:第一焊料
119:金屬補強件
13:空間轉換器
13a:上表面
13b:下表面
131:第二接觸點
132:第二焊料
14:銅柱
15:探針頭
151:探針
20:探針卡
29:強化結構層體
d:間隙

Claims (18)

  1. 一種晶圓測試組件，包含：一印刷電路板，包含一下表面與複數第一接觸點，該些第一接觸點設置於該下表面；一空間轉換器，包含一上表面與複數第二接觸點，該些第二接觸點設置於該上表面且對應於該些第一接觸點；複數銅柱，個別地設置於相對應之該些第一接觸點與該些第二接觸點之間，各該銅柱之兩端分別電性連接於該第一接觸點與該第二接觸點；及複數強化結構單元，設置於該印刷電路板之下表面且個別地環繞各該銅柱，其中該些強化結構單元之端面與該空間轉換器之上表面之間具有一間隙。
  2. 如請求項1所述之晶圓測試組件，其中該些銅柱朝向該空間轉換器之上表面之端面係與該些強化結構單元之端面共平面。
  3. 如請求項1所述之晶圓測試組件，更包含：複數第一焊料，個別地形成於該些第一接觸點上，其中各該銅柱之一端經由該第一焊料電性連接於該第一接觸點；以及複數第二焊料，個別地形成於該些銅柱之另一端；其中各該銅柱之兩端經由該第一焊料與該第二焊料而分別電性連接於該第一接觸點與該第二接觸點。
  4. 如請求項3所述之晶圓測試組件，其中該間隙小於或等於20微米。
  5. 如請求項4所述之晶圓測試組件，其中該間隙小於或等於15微米。
  6. 如請求項3所述之晶圓測試組件，其中該些強化結構單元未接觸該些銅柱之側表面。
  7. 如請求項6所述之晶圓測試組件，更包含一綠漆層，形成於該空間轉換器之上表面，該綠漆層包含對應於該些第二接觸點之複數開口，各該開口的尺寸大於該第二接觸點的尺寸使各該第二接觸點與該綠漆層之間形成一第一凹槽。
  8. 如請求項6所述之晶圓測試組件，更包含一光阻層，形成於該空間轉換器之上表面，該光阻層包含對應於該些第二接觸點之複數開口，各該開口的尺寸大於該第二接觸點的尺寸使各該第二接觸點與該光阻層之間形成一第一凹槽。
  9. 如請求項6所述之晶圓測試組件，其中各該強化結構單元朝向該空間轉換器之表面具有一第二凹槽，該第二凹槽環繞該銅柱且該銅柱之側表面局部地裸露於該第二凹槽中。
  10. 如請求項3所述之晶圓測試組件，其中該些強化結構單元接觸該些銅柱之側表面。
  11. 如請求項10所述之晶圓測試組件，更包含一綠漆層，形成於該空間轉換器之上表面，該綠漆層包含對應於該些第二接觸點之複數開口，各該開口的尺寸大於該第二接觸點的尺寸使各該第二接觸點與該綠漆層之間形成一第一凹槽。
  12. 如請求項10所述之晶圓測試組件，更包含一光阻層，形成於該空間轉換器之上表面，該光阻層包含對應於該些第二接觸點之複數開口，各該開口的尺寸大於該第二接觸點的尺寸使各該第二接觸點與該光阻層之間形成一第一凹槽。
  13. 如請求項10所述之晶圓測試組件，其中各該強化結構單元朝向該空間轉換器之表面具有一第二凹槽，該第二凹槽環繞該銅柱且該銅柱之側表面局部地裸露於該第二凹槽中。
  14. 如請求項1所述之晶圓測試組件，更包含一邊膠，沿該空間轉換器之周緣而設置於該印刷電路板之下表面且覆蓋該空間轉換器之側表面。
  15. 如請求項1所述之晶圓測試組件，更包含一邊膠，該些強化結構單元彼此相連而構成一強化結構層體，該邊膠沿該空間轉換器之周緣而設置於該強化結構層體上且覆蓋該空間轉換器之側表面。
  16. 如請求項1所述之晶圓測試組件，其中該些強化結構單元彼此連接而構成一強化結構層體。
  17. 如請求項16所述之晶圓測試組件，其中該些銅柱朝向該空間轉換器之上表面之端面係與該些強化結構層體之表面共平面。
  18. 一種探針卡，包含：如請求項1至17任一項所述之晶圓測試組件；一金屬補強件，設置於該印刷電路板之上表面；及一探針頭，設置於該空間轉換器之下表面。
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