机械与航太工程研究所

機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室1發明名稱:垂直式彈性探針及附壓力感測器之晶圓級垂直式針測卡(專利發明第I231371號)中華大學機械系林君明教授機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室ChungHuaGraduateSchoolofMechanicalandAerospaceEngineeringKaiyiChuangMicroSystemLaboratory2大綱(1)簡介(2)技術回顧(3)本發明之結構(4)本發明之特點(5)模擬分析(6)結論(7)權利金預估機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室ChungHuaGraduateSchoolofMechanicalandAerospaceEngineeringKaiyiChuangMicroSystemLaboratory31.簡介IC晶圓在製造完成後，無論是邏輯IC或記憶體IC的DRAM/SRAM/FLASH等，都會立即進行裸晶測試或預燒(Burn-in)的製程。將不良品(Baddie)在封裝前即予以剔除，避免不良品進入封裝，造成不必要的成本增加。因此裸晶測試，在半導體產業扮演著重要角色。機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室ChungHuaGraduateSchoolofMechanicalandAerospaceEngineeringKaiyiChuangMicroSystemLaboratory42.技術回顧(1)Epoxyring水平式針測卡探針金屬常採用具高韌性之鈹銅合金，探針被Epoxy支撐著，探針間最小距離可達125um，多為邊緣式排列而不易做成矩陣排列。機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室ChungHuaGraduateSchoolofMechanicalandAerospaceEngineeringKaiyiChuangMicroSystemLaboratory52.技術回顧(2)雙壓電加熱驅動陣列式微懸臂探針微懸臂以矽基材為座，由金屬層、SiO2及加熱層組成，加熱時因金屬層熱膨脹係數大於SiO2，使得微懸臂向SiO2層彎曲機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室ChungHuaGraduateSchoolofMechanicalandAerospaceEngineeringKaiyiChuangMicroSystemLaboratory6傳統針測卡實際操作時有幾個缺點:(1)針尖隨懸臂彎曲產生縱向變形外，也會發生橫向位移而造成接觸不穩定。(2)有橫向位移，無法測試小尺寸鋁墊或金/錫凸塊。(3)針尖容易黏附雜物，不易清潔，容易造成功能喪失。(4)測試過的鋁墊，有刮痕後續打線或長凸塊會有問題。(5)懸臂長度達400~600um，佔據空間大，無法測試高密度鋁墊，也不適於2排或3排鋁墊之晶片。機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室ChungHuaGraduateSchoolofMechanicalandAerospaceEngineeringKaiyiChuangMicroSystemLaboratory73.本發明之結構(1)：側視圖機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室ChungHuaGraduateSchoolofMechanicalandAerospaceEngineeringKaiyiChuangMicroSystemLaboratory83.本發明之結構(2)：立體圖機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室ChungHuaGraduateSchoolofMechanicalandAerospaceEngineeringKaiyiChuangMicroSystemLaboratory93.本發明之結構(3)：分解圖機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室ChungHuaGraduateSchoolofMechanicalandAerospaceEngineeringKaiyiChuangMicroSystemLaboratory103.本發明之結構(4)：探針與壓力感測器整合圖機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室ChungHuaGraduateSchoolofMechanicalandAerospaceEngineeringKaiyiChuangMicroSystemLaboratory113.本發明之結構(5):壓力感測器示意圖機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室ChungHuaGraduateSchoolofMechanicalandAerospaceEngineeringKaiyiChuangMicroSystemLaboratory123.本發明之結構(6):探針分布在晶粒外圍機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室ChungHuaGraduateSchoolofMechanicalandAerospaceEngineeringKaiyiChuangMicroSystemLaboratory133.本發明之結構(7):探針為陣列式機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室ChungHuaGraduateSchoolofMechanicalandAerospaceEngineeringKaiyiChuangMicroSystemLaboratory143.本發明之結構(8):探針為直線式分佈機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室ChungHuaGraduateSchoolofMechanicalandAerospaceEngineeringKaiyiChuangMicroSystemLaboratory153.本發明之結構(9):針測卡探針及壓力感測器分佈圖機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室ChungHuaGraduateSchoolofMechanicalandAerospaceEngineeringKaiyiChuangMicroSystemLaboratory164.本發明之特點(1)垂直式探針空間較小,晶圓級一次測完(2)每根探針都有隔離地線設計,串音交連信號小(3)有壓力感測器,可測探針接觸晶片之壓力(5)垂直式探針接線短,寄生電感小,適用於高頻(6)微機電製程容易製作,品質易控制(7)基板膨脹係數與晶片相同可用於燒入測試(8)針頭有錐狀設計,可測試焊墊及凸塊(9)探針只接觸焊墊周圍,不會影響後續打線製程機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室ChungHuaGraduateSchoolofMechanicalandAerospaceEngineeringKaiyiChuangMicroSystemLaboratory175.模擬分析(1):探針的變形量與應力運用模擬軟體ANSYS分析，當探針承受外加負荷時，計算探針內產生的應力與彈性層變形量。不同的探針結構，承受不同負荷，作用在不同厚度之彈性緩衝層(聚亞醯氨，Polyimide)，有不同的應力與變形量。測試溫度對探針結構應力之熱耦合效應，也納入分析研究。機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室ChungHuaGraduateSchoolofMechanicalandAerospaceEngineeringKaiyiChuangMicroSystemLaboratory185.模擬分析(2):探針結構簡化成四個部分:1.探針突出尖端，由鎢、鎳及鋁材組成。2.探針彈性層，由聚亞醯氨(Polyimide)組成。3.矽基材導通層，由鋁、鎳及金披覆，再用錫鉛合金以表面接著技術接合組成。4.印刷電路板層，由銅、鎳、金及FR-4組成。機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室ChungHuaGraduateSchoolofMechanicalandAerospaceEngineeringKaiyiChuangMicroSystemLaboratory195.模擬分析(3):探針各部材料之物性表3-1材料特性機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室ChungHuaGraduateSchoolofMechanicalandAerospaceEngineeringKaiyiChuangMicroSystemLaboratory205.模擬分析(4):模擬條件(1)作用力:4~10(g)(2)上層彈性層厚:8~28(um)(3)下層彈性層厚:8,16,24(um)(4)探針截面:20(um)x20(um)(5)以ANSYS模擬變形與主應力之情況(6)探針為左右對稱，故模型只取半邊。機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室ChungHuaGraduateSchoolofMechanicalandAerospaceEngineeringKaiyiChuangMicroSystemLaboratory215.模擬分析(5):針軸方向變形量與應力曲線機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室ChungHuaGraduateSchoolofMechanicalandAerospaceEngineeringKaiyiChuangMicroSystemLaboratory225.模擬分析(6):不同負載作用於不同彈性層厚度之結果機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室ChungHuaGraduateSchoolofMechanicalandAerospaceEngineeringKaiyiChuangMicroSystemLaboratory235.模擬分析(7):鎳鎢針截面積尺寸改變分析結果探針之針尖尺寸變化，由10(um)增加到30(um)，作用力為10(g)。而上層彈性層厚度與下層彈性層厚度維持為28(um)及16(um)。針尖底部鋁層厚度為1(um)。則模擬變形量與主應力的變化，最大針軸變形量可達5.58(um)。機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室ChungHuaGraduateSchoolofMechanicalandAerospaceEngineeringKaiyiChuangMicroSystemLaboratory245.模擬分析(8):鎳鎢針截面積尺寸改變變形量與主應力的變化分析結果機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室ChungHuaGraduateSchoolofMechanicalandAerospaceEngineeringKaiyiChuangMicroSystemLaboratory255.模擬分析(9)：彈性層材料性質改變對變形量與主應力的影響設計時是以聚亞醯氨(Polyimide)當作彈性層之材料。現將楊氏係數列為最主要因素，比較變形量與主應力的表現。探針的變形量可達7.02(um)，主壓縮應力也不高。機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室ChungHuaGraduateSchoolofMechanicalandAerospaceEngineeringKaiyiChuangMicroSystemLaboratory265.模擬分析(10)：彈性層材料性質改變對變形量與主應力的影響機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室ChungHuaGraduateSchoolofMechanicalandAerospaceEngineeringKaiyiChuangMicroSystemLaboratory275.模擬分析(11)：探針之熱耦合應力溫度梯度分佈晶圓及針尖溫度為150℃，散熱面為矽基材背面與錫鉛共晶球採自然對流散熱(對流係數為20W/m2K)，外界溫度設定為80℃機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室ChungHuaGraduateSchoolofMechanicalandAerospaceEngineeringKaiyiChuangMicroSystemLaboratory285.模擬分析(12)：穩態時矽基材溫度（124.4℃~124.9℃）機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室ChungHuaGraduateSchoolofMechanicalandAerospaceEngineeringKaiyiChuangMicroSystemLabor