Probe Card for IC Testing
探針卡（probe card）是應用在積體電路（IC）尚未封裝前，對裸晶以探針（probe）做功能測試，篩選出不良品、再進行之後的封裝工程。因此，是積體電路製造中對製造成本影響相當大的重要製程；此探針卡可使成品的良率由原來的70％提升至90％，20％的良率貢獻度對1％良率差異都錙銖必較的半導體廠而言，影響甚巨，其流程示意如(圖一)。
簡言之，探針卡是一測試機台與晶圓間之介面，每一種IC至少需一片相對應之探針卡，而測試的目的是使晶圓切割後使良品進入下一封裝製程並避免不良品繼續加工造成浪費，如(圖二)所示。因此，高可靠度（high reliability）是判斷探針卡製造商競爭力相當重要的指標。
 | 《圖二 晶圓針測（Wafer Probing）說明》 | |
然隨著應用產品之不同，探針卡應用在IC測試領域可區分為Epoxy ring probe card、Vertical probe card及MEMS probe card，技術發展趨勢如(圖三)所示。下文將針對Epoxy ring probe card及MEMS probe card作進一步之技術分析。
Epoxy Ring Probe Card技術分析
Epoxy ring probe card於1970年代已被提出，因其具有少量、多樣及彈性製造的優點，至今仍是業界廣泛能接受的技術。這類探針卡的製作流程如(圖四)所示，首先依據廠商提供之pad assignment設計Mylar鑽孔的位置及相關治具，如圖四(a)；之後以人工逐根擺放的方式組裝探針，如圖四(b)、再上膠固定完成Epoxy ring probe head，如圖四(c)；將這probe head上之探針逐根以焊錫的方式與印刷電路板（PCB）接合，如圖四(d)；之後將這組裝好的探針卡置於磨針機上加工，使得所有探針的共平面度控制在數(m以內，並進行探針位置的檢查及調整，如圖四(e)。
 | 《圖四 Epoxy ring probe card製造流程說明》 | |
這類探針卡目前製造技術最先進是日本MJC，其最小間距可達35(m，如(圖五)所示。然這類Epoxy ring probe card雖具有製造時間短、少量、多樣及彈性製造等優勢，但仍有一些基本設計的缺點、限制其應用領域。(圖六)說明探針卡製造商以三度空間擺放的方式有效降低探針間距，但其造成每層探針受力狀況是不同的、破壞也不同，這限制探針數不能再成長、也不適合應用在multi-dut testing如DARM測試，僅適用在Logic IC測試。有鑑於此，美國FFI瞭解這技術趨勢、生產MicroSpring probe card滿足目前Memory IC testing的需求，並獨佔記憶體IC測試的市場（參考全球探針卡產業分析）。
 | 《圖五 35(m pitch probe card》 | |
MicroSpring Probe Card技術分析
美國FFI為克服傳統Epoxy ring probe card應用在DARM測試的技術限制提出MicroSpring probe card，這類探針卡具有每支探針受力狀況幾乎相同的特性及一組水平調整機構，如此建立其獨特之multi-dut testing技術，詳細的結構剖面圖如(圖七)。詳細說明如下：MicroSpring probes以brazing、soldering及welding等方式固定在Space transformer上；而Space transformer一般為多層陶瓷基板（Multi-Layer Ceramic substrate；MLC），其具有提供良好水平基準面及線路重佈的功能；再透過一組調整機構、依據MLC的水平基準面，使得MicroSpring probes具有相當好的共平面度。
依上述分析，可清楚瞭解這類探針卡的核心技術在MicroSpring probes的製造技術，因其決定這技術未來是否有潛力滿足半導體針測的需求，也決定其可應用的產品類別。本文舉T1 Probe array之製程技術作說明，首先以wire bonding技術在固定的位置逐根焊接上金線（gold wire）並繞成特定的probes形狀，如圖八(a)、(b)所示，然因金線太軟無法提供足夠的材料強度，因此在其外表批覆一層較硬的材料（如鎳或鎳合金）形成MicroSpring probe以滿足測試所需之強度，如圖8(c)。然這技術目前最小間距（pitch）約90(m（實驗室技術約可達60(m），雖仍可滿足目前所需，但因MicroSpring製程限制其生產速度也使得其售價居高不下、並限制僅可應用在DARM testing。有鑑於此，工研院機械所提出一『積體化探針卡（Integrated probe card）』技術將可克服上述技術缺點，並滿足未來需求，如下文說明。
 | 《圖七 MicroSpring probe card》 | |
 | 《圖八 MicroSpring probe fabrication process》 | |
Integrated Probe Card技術分析
為突破美國FFI獨佔全球DARM測試市場、提高throughput及發展更細微間距（fine pitch）、更高針數（high pincounts）之探針卡技術，工研院機械所提出微機電式（Micro-Electrical-Mechanical Systems；MEMS）之積體化探針卡（Integrated probe card）克服上述問題。
積體化探針卡之Integrated probes結構圖，如(圖九)所示，這探針結構結合高深寬比光刻技術（high aspect ratio lithography technology）、乾/溼蝕刻技術（dry/wet etching technology）、高硬度電鑄技術（high hardness electroforming technology）及平坦化技術等相關微機電製程技術，一體成型所有的探針，突破Epoxy ring probe card以人工一根根組裝探針之製造方式及MicroSpring probe card逐根焊接的技術限制，自動化程度高，突破製作成本與pin counts數成正比的限制，有利於高腳數探針卡之製作。
且因採積體化製程技術無論探針的位置精度（position accuracy）及最小間距（min. pitch）等技術指標皆領先現有技術，如(圖十)針對Epoxy ring probe card、MicroSpring probe card及Integrated probe card依據最大針數（max. pincounts）及最小間距（min. pitch）作圖比較分析，清楚說明Integrated probe card最小間距可達40(m、最高針數目前可達8000，已領先國際水準，並可擴大應用在更多產品，如LCD驅動IC、LCD panel lighting inspection等。
又傳統的鎢針，因探針表面粗糙度高極易沾粘氧化鋁造成電性降低，如(圖十一)，經多次使用後需下線清針，如此將大幅度降低針測之throughput，而當接觸次數過多、清針無法使良率提升時，則須送回原廠維修，因此測試廠通常同一產品一次採購2～3片探針卡以避免生產線中斷時間過長，當然同一產品探針卡採購預算也增加2～3倍。然積體化探針之尖端的微接觸結構（micro contact structure）之表面粗糙度低，如圖九所示、氧化鋁不易沾粘，如此僅需在線上以氮氣、或沾粘方式清除氧化物，可大幅度降低維修的時間、及成本。
 | 《圖十一 鎢針尖端結構圖/the specks on the pad》 | |
另再依針測（probing）所需之硬度、電性進一步比較分析。(圖十二)將傳統之鎢（W）針、鈹銅（BeCu）針、鉛（Pd）針、錸鎢（ReW）針與積體化探針（Integrated probe）依硬度比較分析，圖中說明傳統探針最大Rockwell Hardness約57～60、積體化探針約在55，如此應可滿足針測（probing）所需。(圖十三)說明積體化探針之volume resistivity與傳統鎢針、鈹銅針相當。這些足已證明積體化探針卡（Integrated probe card）可滿足針測所需之規格，同時量測積體化探針之接觸力（contact force）約2～5gf、允許最大撓度（deflection、overdrive）約75(m，滿足探針卡標準規格，且其機械特性（Mechanical characteristics、Slope＝Force/Deflection）與MicroSpring probe card相當，如(圖十四)所示。簡言之，積體化探針卡（Integrated probe card）可滿足針測所需之標準規格，並突破現有之技術瓶頸。
全球/台灣探針卡產業現況分析
根據VLSI Reasearch之調查分析，全球探針卡產業2000年市場產值達4億8480萬美元；2001年因受全球半導體景氣衰退的影響下降至3億9250萬美元，然2002年仍維持在4億180萬美元。換言之，每年全球市場規模約維持在4～5億美元。(圖十五)更進一步分析2002年前十大廠商、及其相對應的技術與應用產品。全球第一大廠FFI之市佔率約20％，主要應用產品在Memory IC，其它有八家廠商具有製造Epoxy ring probe card的能力，六家廠商有Vertical probe card製造能力，然隨著Flip Chip應用越來越廣泛之下，Bumping產能約以每年複合成長率大於25％成長速度擴充，如(圖十六)所示，預計Vertical probe card需求將逐年快速成長，這趨勢將重新改寫探針卡前十大供應商的排名。
台灣目前探針卡市場規模尚無公證機構統計，依據旺矽的公開資料及業界調查，整理如(圖十七)。每年台灣探針卡市場規模約台幣20～30億元，其中應用在Memory IC測試約10～15億元完全依賴進口；其它10億元的市場幾乎是Epoxy ring probe card的市場，其中旺矽約佔38％、K&S佔20％。然由於全球Bumping產能大幅度成長，預估明、後年Vertical probe card的需求將快速成長，台灣目前探針卡廠商除旺矽於2003年10月發表Vertical probe card雛型產品外，其它廠商仍在研發中。
 | 《圖十五 2002 Top 10 Probe Card Vendors》 | |
結語
目前我國探針卡產業的技術能力僅限應用在邏輯IC及部份LCD驅動IC，且已到達製程技術極限外，更因完全依賴人工組裝，使得製造成本難以降低，利潤空間約壓縮至20％左右，實屬勞力密集產業。而其它高階、高腳數之探針卡，如MicroSpring probe card，幾乎完全依賴進口，約佔我國探針卡市場50％左右。為突破這窘境，工研院機械所於2002年投入微機電式、積體化探針卡技術開發，目前已接近成熟階段，並且積極擴大應用領域，期待能為國內產業升級盡一份心力。（本文作者目前任職於工研院機械所微機電系統技術組LIGA技術部）
文章出處https://www.ctimes.com.tw/DispArt/tw/Probe-card/%E6%B8%AC%E8%A9%A6%E7%B3%BB%E7%B5%B1%E8%88%87%E7%A0%94%E7%99%BC%E5%B7%A5%E5%85%B7/0408041659L5.shtml
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