Probe Card for IC Testing

探针卡（probe card）是应用在积体电路（IC）尚未封装前，对裸晶以探针（probe）做功能测试，筛选出不良品、再进行之后的封装工程。因此，是积体电路制造中对制造成本影响相当大的重要制程；此探针卡可使成品的良率由原来的70％提升至90％，20％的良率贡献度对1％良率差异都锱铢必较的半导体厂而言，影响甚巨，其流程示意如(图一)。

《图一 探针卡产品定位说明》

简言之，探针卡是一测试机台与晶圆间之介面，每一种IC至少需一片相对应之探针卡，而测试的目的是使晶圆切割后使良品进入下一封装制程并避免不良品继续加工造成浪费，如(图二)所示。因此，高可靠度（high reliability）是判断探针卡制造商竞争力相当重要的指标。

《图二 晶圆针测（Wafer Probing）说明》

然随着应用产品之不同，探针卡应用在IC测试领域可区分为Epoxy ring probe card、Vertical probe card及MEMS probe card，技术发展趋势如(图三)所示。下文将针对Epoxy ring probe card及MEMS probe card作进一步之技术分析。

《图三 IC探针卡技术发展趋势》

Epoxy Ring Probe Card技术分析

Epoxy ring probe card于1970年代已被提出，因其具有少量、多样及弹性制造的优点，至今仍是业界广泛能接受的技术。这类探针卡的制作流程如(图四)所示，首先依据厂商提供之pad assignment设计Mylar钻孔的位置及相关治具，如图四(a)；之后以人工逐根摆放的方式组装探针，如图四(b)、再上胶固定完成Epoxy ring probe head，如图四(c)；将这probe head上之探针逐根以焊锡的方式与印刷电路板（PCB）接合，如图四(d)；之后将这组装好的探针卡置于磨针机上加工，使得所有探针的共平面度控制在数(m以内，并进行探针位置的检查及调整，如图四(e)。

《图四 Epoxy ring probe card制造流程说明》

这类探针卡目前制造技术最先进是日本MJC，其最小间距可达35(m，如(图五)所示。然这类Epoxy ring probe card虽具有制造时间短、少量、多样及弹性制造等优势，但仍有一些基本设计的缺点、限制其应用领域。(图六)说明探针卡制造商以三度空间摆放的方式有效降低探针间距，但其造成每层探针受力状况是不同的、破坏也不同，这限制探针数不能再成长、也不适合应用在multi-dut testing如DARM测试，仅适用在Logic IC测试。有鉴于此，美国FFI了解这技术趋势、生产MicroSpring probe card满足目前Memory IC testing的需求，并独占记忆体IC测试的市场（参考全球探针卡产业分析）。

《图五 35(m pitch probe card》

《图六 Probe layout》

Micro Spring Probe Card技术分析

美国FFI为克服传统Epoxy ring probe card应用在DARM测试的技术限制提出MicroSpring probe card，这类探针卡具有每支探针受力状况几乎相同的特性及一组水平调整机构，如此建立其独特之multi-dut testing技术，详细的结构剖面图如(图七)。详细说明如下：MicroSpring probes以brazing、soldering及welding等方式固定在Space transformer上；而Space transformer一般为多层陶瓷基板（Multi-Layer Ceramic substrate；MLC），其具有提供良好水平基准面及线路重布的功能；再透过一组调整机构、依据MLC的水平基准面，使得MicroSpring probes具有相当好的共平面度。

依上述分析，可清楚了解这类探针卡的核心技术在MicroSpring probes的制造技术，因其决定这技术未来是否有潜力满足半导体针测的需求，也决定其可应用的产品类别。本文举T1 Probe array之制程技术作说明，首先以wire bonding技术在固定的位置逐根焊接上金线（gold wire）并绕成特定的probes形状，如图八(a)、(b)所示，然因金线太软无法提供足够的材料强度，因此在其外表批覆一层较硬的材料（如镍或镍合金）形成MicroSpring probe以满足测试所需之强度，如图8(c)。然这技术目前最小间距（pitch）约90(m（实验室技术约可达60(m），虽仍可满足目前所需，但因MicroSpring制程限制其生产速度也使得其售价居高不下、并限制仅可应用在DARM testing。有鉴于此，工研院机械所提出一『积体化探针卡（Integrated probe card）』技术将可克服上述技术缺点，并满足未来需求，如下文说明。

《图七 MicroSpring probe card》

《图八 MicroSpring probe fabrication process》

Integrated Probe Card技术分析

为突破美国FFI独占全球DARM测试市场、提高throughput及发展更细微间距（fine pitch）、更高针数（high pincounts）之探针卡技术，工研院机械所提出微机电式（Micro-Electrical-Mechanical Systems；MEMS）之积体化探针卡（Integrated probe card）克服上述问题。

积体化探针卡之Integrated probes结构图，如(图九)所示，这探针结构结合高深宽比光刻技术（high aspect ratio lithography technology）、干/湿蚀刻技术（dry/wet etching technology）、高硬度电铸技术（high hardness electroforming technology ）及平坦化技术等相关微机电制程技术，一体成型所有的探针，突破Epoxy ring probe card以人工一根根组装探针之制造方式及MicroSpring probe card逐根焊接的技术限制，自动化程度高，突破制作成本与pin counts数成正比的限制，有利于高脚数探针卡之制作。

《图九 积体化探针卡》

且因采积体化制程技术无论探针的位置精度（position accuracy）及最小间距（min. pitch）等技术指标皆领先现​​有技术，如(图十)针对Epoxy ring probe card、MicroSpring probe card及Integrated probe card依据最大针数（max. pincounts）及最小间距（min. pitch）作图比较分析，清楚说明Integrated probe card最小间距可达40(m、最高针数目前可达8000，已领先国际水准​​，并可扩大应用在更多产品，如LCD驱动IC、LCD panel lighting inspection等。

又传统的钨针，因探针表面粗糙度高极易沾粘氧化铝造成电性降低，如(图十一)，经多次使用后需下线清针，如此将大幅度降低针测之throughput ，而当接触次数过多、清针无法使良率提升时，则须送回原厂维修，因此测试厂通常同一产品一次采购2～3片探针卡以避免生产线中断时间过长，当然同一产品探针卡采购预算也增加2～3倍。然积体化探针之尖端的微接触结构（micro contact structure）之表面粗糙度低，如图九所示、氧化铝不易沾粘，如此仅需在线上以氮气、或沾粘方式清除氧化物，可大幅度降低维修的时间、及成本。

《图十 积体化探针卡技术能力分析》

《图十一 钨针尖端结构图/the specks on the pad》

另再依针测（probing）所需之硬度、电性进一步比较分析。 (图十二)将传统之钨（W）针、铍铜（BeCu）针、铅（Pd）针、铼钨（ReW）针与积体化探针（Integrated probe）依硬度比较分析，图中说明传统探针最大Rockwell Hardness约57～60、积体化探针约在55，如此应可满足针测（probing）所需。 (图十三)说明积体化探针之volume resistivity与传统钨针、铍铜针相当。这些足已证明积体化探针卡（Integrated probe card）可满足针测所需之规格，同时量测积体化探针之接触力（contact force）约2～5gf、允许最大挠度（deflection、 overdrive）约75(m，满足探针卡标准规格，且其机械特性（Mechanical characteristics、Slope＝Force/Deflection）与MicroSpring probe card相当，如(图十四)所示。简言之，积体化探针卡（Integrated probe card）可满足针测所需之标准规格，并突破现有之技术瓶颈。

《图十二 积体化探针硬度比较分析》

《图十三 积体化探针电性比较分析》

《图十四积体化探针机械特性比较分析》

全球/台湾探针卡产业现况分析

根据VLSI Reasearch之调查分析，全球探针卡产业2000年市场产值达4亿8480万美元；2001年因受全球半导体景气衰退的影响下降至3亿9250万美元，然2002年仍维持在4亿180万美元。换言之，每年全球市场规模约维持在4～5亿美元。 (图十五)更进一步分析2002年前十大厂商、及其相对应的技术与应用产品。全球第一大厂FFI之市占率约20％，主要应用产品在Memory IC，其它有八家厂商具有制造Epoxy ring probe card的能力，六家厂商有Vertical probe card制造能力，然随着Flip Chip应用越来越广泛之下，Bumping产能约以每年复合成长率大于25％成长速度扩充，如(图十六)所示，预计Vertical probe card需求将逐年快速成长，这趋势将重新改写探针卡前十大供应商的排名。

台湾目前探针卡市场规模尚无公证机构统计，依据旺矽的公开资料及业界调查，整理如(图十七)。每年台湾探针卡市场规模约台币20～30亿元，其中应用在Memory IC测试约10～15亿元完全依赖进口；其它10亿元的市场几乎是Epoxy ring probe card的市场，其中旺矽约占38％、K&S占20％。然由于全球Bumping产能大幅度成长，预估明、后年Vertical probe card的需求将快速成长，台湾目前探针卡厂商除旺矽于2003年10月发表Vertical probe card雏型产品外，其它厂商仍在研发中。

《图十五 2002 Top 10 Probe Card Vendors》

《图十六 全球Flip chip需求/成长率》

《图十七 台湾探针卡市场规模调查》

结语

目前我国探针卡产业的技术能力仅限应用在逻辑IC及部份LCD驱动IC，且已到​​达制程技术极限外，更因完全依赖人工组装，使得制造成本难以降低，利润空间约压缩至20％左右，实属劳力密集产业。而其它高阶、高脚数之探针卡，如MicroSpring probe card，几乎完全依赖进口，约占我国探针卡市场50％左右。为突破这窘境，工研院机械所于2002年投入微机电式、积体化探针卡技术开发，目前已接近成熟阶段，并且积极扩大应用领域，期待能为国内产业升级尽一份心力。 （本文作者目前任职于工研院机械所微机电系统技术组LIGA技术部）