探針測(cè)試卡（即探針卡）是將探針卡上的測(cè)試探針與芯片上的焊區(qū)（pad）或凸點(diǎn)（bump）直接接觸（圖1），引出芯片信號(hào)，再配合周邊測(cè)試儀器與軟件控制達(dá)到自動(dòng)化量測(cè)的目的。探針卡（prober card）是晶圓測(cè)試（wafer test）中被測(cè)芯片和測(cè)試機(jī)之間的接口。探針卡對(duì)前期測(cè)試的開發(fā)及后期量產(chǎn)測(cè)試的良品率的保證都非常重要。

圖1 探針卡測(cè)試示意圖

(1)探針卡種類

最 早的探針卡開發(fā)于1969年，被稱為Needles/Epoxy ring探針卡即懸臂梁式探針卡（如圖2所示），而至今此型的探針卡仍然被使用著，此型的探針卡乃是以環(huán)氣樹脂環(huán)技術(shù)，把數(shù)十根至數(shù)百根的測(cè)試探針以手工 的方式且須依據(jù)測(cè)試的芯片焊區(qū)的位置，將測(cè)試探針安置于探針卡上。兩測(cè)試探針間的最小距離可做到125um，而最大的測(cè)試焊區(qū)數(shù)可髙達(dá)500個(gè)。

圖2 水平式環(huán)氧樹脂環(huán)探針卡剖面圖

A.懸臂梁式探針卡

懸 臂梁式探針卡的主要材料是環(huán)氧樹脂環(huán)，此種材料仍沿用至今。當(dāng)時(shí)的測(cè)試探針是用人工擺放的方式，擺放在懸臂粱上，用環(huán)氧樹脂環(huán)來加以固定。隨著技術(shù)的不斷 進(jìn)步，懸臂梁式探針卡已逐漸被其他探針卡所取代。但它曾是過去數(shù)十年來半導(dǎo)體業(yè)界最主要的測(cè)試技術(shù)，可稱為探針卡的先驅(qū)。

B.刀片式探針卡

刀 片式探針卡（圖3）大約是20世紀(jì)70年代開發(fā)的，當(dāng)時(shí)應(yīng)用在80支探針以下的中低密度測(cè)試探針數(shù)的測(cè)試中。它也有與懸臂梁式探針卡相同的低電流、耐髙溫 等優(yōu)點(diǎn)，且兩者的設(shè)計(jì)參數(shù)也接近。但刀片式探針卡的結(jié)構(gòu)卻不同于懸臂梁式探針卡。刀片式探針卡探針的制造過程是由每一個(gè)各自分離且很薄的L形陶瓷，面定在 印刷線路板（PCB）的上方，且是先做出適當(dāng)?shù)尼橀L(zhǎng)，之后再根據(jù)針的材料和特性加工出滿足客戶要求的針形，例如彎曲長(zhǎng)度、針梁（beam）及針尖的長(zhǎng)度 等。

圖3 刀片式探針卡

隨著探針卡測(cè)試技術(shù)的不斷成熟和芯片測(cè)試要 求的逐步提高，測(cè)試探針排列方式便相應(yīng)固定為水平式與垂直式。水平式依測(cè)試探針排序叉可區(qū)分為數(shù)組式[如圖4(a)所示]與邊緣式[如圖4(b)所示]; 至于第三種樣式的垂直式探針卡[如圖4(c)所示]類似數(shù)組式探針卡，區(qū)別在于垂直式探針卡具有更密的測(cè)試探針排列， 容許更多的焊區(qū)或凸點(diǎn)的使用場(chǎng)合，垂直式排列可擁有更高的測(cè)試探針排列密度，同時(shí)可以進(jìn)行多組芯片測(cè)試等。

圖4 各種方式排列的探針卡

C.垂直式探針卡（vertical probe card）

垂直式探針卡是在一塊電路板上經(jīng)鉆孔、組裝、貼合、焊接及調(diào)整等階段組合而成的。這種類型的探針卡，是以裝配的方式來完成的，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 垂直式探針卡結(jié)構(gòu)

測(cè) 試探針完全筆直，其變形的來源是測(cè)試探針受力之后，超過結(jié)構(gòu)的臨界荷重，因而產(chǎn)生挫屈（buckling）的現(xiàn)象（如圖6所示），需要多層的硅基板堆棧 （silicon plate stack）—起來支撐測(cè)試探針，以避免測(cè)試探針因受力過大，產(chǎn)生挫屈而破壞測(cè)試探針，測(cè)試探針材質(zhì)使用鈹銅合金抽拉之后再進(jìn)行熱處理。在測(cè)試時(shí)，由測(cè)試 探針的尺寸大小，決定行程、接觸力及接觸電阻值。此類型探針卡技術(shù)層次非常高，需要髙技術(shù)的裝配人才，以致造成整個(gè)探針卡制造成本過高。

圖6 測(cè)試探針受力變形

由于存儲(chǔ)器件持續(xù)不斷的降價(jià)壓力，要求降低器件的測(cè)試成本。因此，很多公司通過同時(shí)測(cè)試更多的器件來提高效率。測(cè)試探針卡的發(fā)展可以允許平行測(cè)試更多的器件，一次同時(shí)可測(cè)的待測(cè)器件（DUT）數(shù)量從32到64到128不斷上升，從而減少了瀕試平臺(tái)的數(shù)目。這樣，通過在300mm晶圓上一次完成測(cè)試，而不需要四次觸底（TD）測(cè)試，提高了測(cè)試的效率。

通常在更換晶圓之前測(cè)試一個(gè)flash芯片（閃存芯片）需要10min，更換晶圓還另外需要2min，此外還需要3min時(shí)間更換晶圓盒；這樣，只有約80%的時(shí)間是測(cè)試設(shè)備真正在測(cè)試晶圓。測(cè)試設(shè)備在并非測(cè)試晶圓的閑置時(shí)間中，約有60%與測(cè)試探針或芯片測(cè)試儀的狀態(tài)相關(guān)；40%與探針卡相關(guān)。由于探針卡非常昂貴，使用廠商在購(gòu)進(jìn)額外探針卡時(shí)都非常謹(jǐn)慎；因此，可實(shí)現(xiàn)重用性好和易于維護(hù)的系統(tǒng)方法就變得非常重要。

調(diào) 諧橋式結(jié)構(gòu)預(yù)制在測(cè)試頭中，該結(jié)構(gòu)連接測(cè)試探針、測(cè)試機(jī)和探針卡，通過系統(tǒng)對(duì)加載力進(jìn)行控制，探針卡位于橋式結(jié)構(gòu)和晶圃之間，消除了很多測(cè)試頭和測(cè)試探針 的誤差容限，讓兩個(gè)平面可以共同工作（即橋平面和卡盤上的晶圓、由于探針卡按照晶圓進(jìn)行了傾斜調(diào)整，因此，可以采用同一個(gè)測(cè)試頭。

圖7 垂直式探針卡

D.薄膜（水平）式探針卡

薄 膜式探針卡是在20世紀(jì)80年代開發(fā)應(yīng)用的，當(dāng)前主要應(yīng)用于RF IC器件的測(cè)量，最髙可測(cè)器件頻率為20GHz。傳統(tǒng)上是使用硅基板為主。它是使用微光刻技術(shù)將預(yù)測(cè)試焊凸的傳輸線路制作在以陣列方式排列的彈性薄膜上， 以陣列方式來排列。通過機(jī)械加工，使薄膜上探針的共面度達(dá)到一致。雖然薄膜式探針卡可以測(cè)量很高頻率的IC，但由于技術(shù)上的關(guān)系，測(cè)試探針的密度很低，因此薄膜式測(cè)試探針仍然有繼續(xù)開發(fā)的空間。

隨 著芯片設(shè)計(jì)越來越小，傳統(tǒng)的環(huán)氧組裝技術(shù)必須依賴人工，并且共面度與精度無法與薄膜式探針卡匹配。最早引人微光刻技術(shù)制作探針卡發(fā)展于1988年， 配合測(cè)試芯片焊區(qū)的位置，設(shè)計(jì)凸點(diǎn)與傳輸線路于薄胰上，此形式仍然以數(shù)組的方式排列，測(cè)試探針間的距離可以做到近100um左右。應(yīng)用微光刻技術(shù)代替機(jī)械 加工制造的薄膜式探針卡（如圖8所示），可以使薄膜上的測(cè)試探針共面度達(dá)到良好—致。

圖8 薄膜（水平）式探針卡

E. 微熱制動(dòng)探針卡

測(cè)試探針本 體為復(fù)合材料雙壓電結(jié)構(gòu)[如圖9 (a)所示]，像是三明治一樣，是由兩種膨脹系數(shù)材料所構(gòu)成，中間一層為加熱層。此測(cè)試探針主要的作用是當(dāng)加熱時(shí)， 透過加熱層熱傳導(dǎo)，材料就有熱膨脹的效應(yīng)，結(jié)構(gòu)就會(huì)產(chǎn)生上下的動(dòng)作，并且產(chǎn)生作用力，而壓在晶圓上芯片的焊區(qū)上[如圖9(b)所示]。圖9 (c)是此型探針卡的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)為懸臂式的探針，懸臂長(zhǎng)通常約為200~500um，寬通常約為30~60um，中間加熱層(heater)的寬度通常約為7~20um之間。

圖9 微熱制動(dòng)探針卡