半導(dǎo)體晶圓測(cè)試中的關(guān)鍵之“手”，看陶瓷基板作用何處？

近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體制程技術(shù)的不斷提升，工藝節(jié)點(diǎn)不斷縮小，單個(gè)芯片上有超過(guò)十億個(gè)晶體管。先進(jìn)制程的發(fā)展伴隨著半導(dǎo)體工業(yè)對(duì)于良品率(Yield) 和成本的追求。

晶圓分揀過(guò)程

在半導(dǎo)體制造行業(yè)中，可將集成電路（IC）生產(chǎn)過(guò)程分為設(shè)計(jì)驗(yàn)證 (ProductDesign)、前端制造 (Front End)、后端封測(cè)(Back End)以及后續(xù)的板級(jí)裝配(BoardAssembly) 四個(gè)過(guò)程。通過(guò)設(shè)計(jì)驗(yàn)證的電路在晶圓廠(Wafer Fab)中被批量制作在晶圓上。負(fù)責(zé)前端制造的晶圓廠要保證擁有如此龐大數(shù)量晶體管的芯片的質(zhì)量，進(jìn)行測(cè)試和分析是非常有必要的。

晶圓檢測(cè)設(shè)備的“指尖”——探針卡

晶圓測(cè)試的方式主要是通過(guò)測(cè)試機(jī)和探針臺(tái)的聯(lián)動(dòng)，在晶圓測(cè)試時(shí)，被測(cè)對(duì)象安置于探針臺(tái)之上，然后用探針卡上的探針與芯片上的pad(焊墊)或Bump (凸塊)直接接觸，使得測(cè)試機(jī)和芯片直接進(jìn)行信號(hào)通訊，再將經(jīng)由探針?biāo)鶞y(cè)得的測(cè)試信號(hào)送往自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(ATE)做分析與判斷，因此可取得晶圓上的每顆晶粒的電性特性測(cè)試結(jié)果。

晶圓測(cè)試設(shè)備示意圖

探針卡是晶圓功能驗(yàn)證測(cè)試和產(chǎn)業(yè)化測(cè)試的關(guān)鍵工具，可以幫助工程師更好地理解芯片的性能和工作原理，從而更好地進(jìn)行設(shè)計(jì)和改進(jìn)。同時(shí)，探針卡還能夠幫助工程師快速確認(rèn)芯片是否符合規(guī)格要求，以便在研發(fā)過(guò)程中及時(shí)調(diào)整。此外其應(yīng)用于芯片的中測(cè)，可以減低芯片封裝所占成本，也被認(rèn)為是晶圓測(cè)試設(shè)備的“指尖”。

探針卡屬于定制器件，不具備通用性，但使用壽命相對(duì)較長(zhǎng)，因而具備設(shè)備和耗材的雙重屬性。每一種芯片的引腳排列、尺寸、間距變化、頻率變化、測(cè)試電流、測(cè)試機(jī)臺(tái)有所不同，都需要供應(yīng)商根據(jù)芯片設(shè)計(jì)公司提供的輸入信息進(jìn)行探針卡的定制化設(shè)計(jì)，以滿足特定產(chǎn)品的測(cè)試需求。所以隨著芯片產(chǎn)品型號(hào)增加、產(chǎn)量增長(zhǎng)，晶圓測(cè)試需求增加，對(duì)探針卡的消耗量也將成倍增長(zhǎng)。

隨著技術(shù)的迭代發(fā)展，探針卡已從懸臂式探針卡、垂直式探針卡發(fā)展進(jìn)入MEMS探針卡時(shí)代，MEMS探針卡憑借高密度細(xì)間距的陣列排布、滿足整個(gè)晶圓同測(cè)、可測(cè)試超高頻、吞吐量大、測(cè)試可靠性高等優(yōu)勢(shì)，逐漸成為探針卡的主流應(yīng)用。

探針卡中潛在的陶瓷材料應(yīng)用市場(chǎng)

在整個(gè)探針卡中，空間轉(zhuǎn)換基體（STF substrates）是其中的核心組件?？臻g轉(zhuǎn)換基體在整個(gè)探針卡中起到了電子連接間距轉(zhuǎn)換和電信號(hào)傳輸?shù)墓δ?，同時(shí)提供足夠的機(jī)械/力學(xué)強(qiáng)度，以支撐測(cè)試過(guò)程中施加的幾百至上千牛頓的作用力。

隨著我國(guó)集成電路制造業(yè)的不斷深入發(fā)展，考慮到工藝優(yōu)化、質(zhì)量控制以及成本，越來(lái)越多的晶圓測(cè)試引入了升溫和高溫測(cè)試。相對(duì)于常溫測(cè)試而言，這類探針卡會(huì)受到基板材料的影響，特別是在多溫區(qū)，在高、低溫時(shí)會(huì)生形變。探針卡的形變會(huì)導(dǎo)致探針針跡的偏移。而針跡的偏移通常會(huì)使探針卡上的探針與晶圓的PAD(焊盤)接觸不良，導(dǎo)致測(cè)試的不穩(wěn)定，影響測(cè)試時(shí)間和品質(zhì)。針跡偏移過(guò)大，會(huì)使探針與晶圓PAD的接觸時(shí)破壞晶圓內(nèi)部電路，導(dǎo)致報(bào)廢并帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失。同時(shí)探針卡也會(huì)因?yàn)椴荒苓M(jìn)行晶圓測(cè)試而報(bào)廢。

高端探針卡中的轉(zhuǎn)接板多使用的是陶瓷基板。精密陶瓷基板具有優(yōu)良的電絕緣性、高導(dǎo)熱性、高附著強(qiáng)度和大的載流能力。且強(qiáng)度高，硬度大，使用溫度范圍寬，可以達(dá)到-55℃～850℃，熱膨脹系數(shù)接近于硅芯片。在多溫區(qū)測(cè)試環(huán)境下，是解決形變的有效方案之一。

探針卡用陶瓷基板

探針卡用陶瓷基板一般為帶金屬化的單層薄膜或多層薄膜的多層陶瓷基板，多層陶瓷基板是由高溫或者低溫共燒陶瓷經(jīng)過(guò)多層層壓，經(jīng)過(guò)共燒制作而成，通常被稱為多層陶瓷空間轉(zhuǎn)換基體（MLC）。

在裝配過(guò)程中，有帶有數(shù)萬(wàn)個(gè)微型接觸針的測(cè)量頭，這些接觸針被引導(dǎo)穿過(guò)氮化硅板。針與芯片表面接觸，它用于與測(cè)試系統(tǒng)交換信號(hào)，然后測(cè)試系統(tǒng)檢查芯片的功能。氮化硅板將針固定在正確的位置，以確保無(wú)誤差測(cè)量。同時(shí)，接觸針必須能夠沿其縱軸彈回，以確保與硅表面的軟接觸。氮化硅必須具有優(yōu)異的強(qiáng)度和高電阻，以確保面板穩(wěn)定并避免干擾信號(hào)傳輸。此外，需要使用激光工藝在材料中轉(zhuǎn)出導(dǎo)孔，氮化硅板必須要求薄。緊湊開(kāi)發(fā)的Starceram N3000 P 高性能陶瓷結(jié)合了必要的強(qiáng)度、低磨損以及在導(dǎo)孔中來(lái)回滑動(dòng)所需的能力；材料厚度的測(cè)量公差僅為±1μm，最大尺寸可達(dá)190 mm x 190 mm，而不會(huì)損壞邊緣。

除了氮化硅之外，還有高鋁瓷。高鋁瓷是一種以氧化鋁主要成分的陶瓷材料，其具有優(yōu)良的電氣性能和高溫穩(wěn)定性，因此在探針卡中得到了廣泛應(yīng)用。雖高鋁瓷的硬度和強(qiáng)度很高，但它脆性太大。另外還有氮化硼、碳化硅、氧化鎂等陶瓷材料均能應(yīng)用于探針卡，需要根據(jù)具體使用環(huán)境的性能要求選擇應(yīng)用.