发明名称垂直式弹性探针及附压力感测器之晶圆级垂直式针.ppt

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1、機械與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精密構裝與量测實驗室驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 发明名称垂直式弹性探针及附压力感测器之晶圆级垂直式针 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望機械與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精密構裝與量测實驗室驗室

2、Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 大綱大綱n(1)(1)簡介簡介n(2)(2)技術回顧技術回顧n(3)(3)本發明之結構本發明之結構n(4)(4)本發明之特點本發明之特點n(5)(5)模擬分析模擬分析n(6)(6)結論結論n(7)(7)權利金預估權利金預估2機械與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精密構裝與量测實驗室驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and A

3、erospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 1.1.簡介簡介n IC IC 晶圓在製造完成後晶圓在製造完成後，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進行裸晶測試或預燒(Burn-in)(Burn-in)的製程。n將不良品將不良品(Bad die)(Bad die)在封裝前即予以剔除在封裝前即予以剔除，避免不良品進入封裝避免不良品進入封裝，造成不必要的成本造成不必要的成本增加增加。因此裸晶測試裸晶測試，在半導體產業扮演扮演著重要角色著重要角色。3機械與航太工程研究所機械

4、與航太工程研究所精密構裝與量测實精密構裝與量测實驗室驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 2.2.技術回顧技術回顧 (1)(1)nEpoxy ring Epoxy ring 水平式針測卡水平式針測卡n探針金屬探針金屬常採用具高韌性之鈹銅合金高韌性之鈹銅合金，探針被Epoxy 支撐著，探針間最小距離探針間最小距離可達可達125um125um，多為邊緣式排列邊緣式排列而不易做成矩陣排列不易做成矩陣排列。4機械與航太工程研究所機械

5、與航太工程研究所精密構裝與量测實精密構裝與量测實驗室驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 2.2.技術回顧技術回顧 (2)(2)雙壓電加熱驅動雙壓電加熱驅動陣列式微懸臂探針陣列式微懸臂探針n微懸臂以矽基材為座，微懸臂以矽基材為座，由金屬層、由金屬層、SiOSiO2 2 及加及加熱層組成熱層組成，加熱時加熱時因金屬層熱膨脹係數因金屬層熱膨脹係數大於大於SiOSiO2 2，使得微懸臂向使得微懸臂向SiOSiO2 2 層彎曲層彎曲

6、 5機械與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精密構裝與量测實驗室驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 傳統針測卡傳統針測卡實際操作時實際操作時有幾個缺點有幾個缺點:(1)(1)針尖隨懸臂彎曲針尖隨懸臂彎曲產生產生縱向變形外縱向變形外，也會發生也會發生橫向位移橫向位移 而造成而造成接觸不穩定接觸不穩定。(2)(2)有橫向位移有橫向位移，無法測試無法測試小尺寸鋁墊小尺寸鋁墊或或金金/錫凸塊錫凸塊。(3)(3)針尖

7、容易黏附雜物針尖容易黏附雜物，不易清潔不易清潔，容易造成功能喪失容易造成功能喪失。(4)(4)測試過的鋁墊測試過的鋁墊，有刮痕有刮痕後續打線後續打線或長凸塊或長凸塊會有問題會有問題。(5)(5)懸臂長度懸臂長度達達400600um400600um，佔據空間大佔據空間大，無法測試高密度無法測試高密度 鋁墊鋁墊，也不適於也不適於2 2 排排或或3 3 排鋁墊排鋁墊之晶片。之晶片。6機械與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精密構裝與量测實驗室驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiy

8、i Chuang Micro System Laboratory 3.3.本發明之結構本發明之結構 (1)(1)：側視圖側視圖7機械與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精密構裝與量测實驗室驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 3.3.本發明之結構本發明之結構 (2)(2)：立體圖立體圖n 8機械與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精密構裝與量测實驗室驗室 Chung Hua Graduate

9、School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 3.3.本發明之結構本發明之結構 (3)(3)：分解圖分解圖9機械與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精密構裝與量测實驗室驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 3 3.本發明之結構本發明之結構 (4)(4)：探針探針與壓力感測器與壓力感測器整合圖

10、整合圖10機械與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精密構裝與量测實驗室驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 3 3.本發明之結構本發明之結構 (5):(5):壓力感測器壓力感測器示意圖示意圖11機械與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精密構裝與量测實驗室驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKai

11、yi Chuang Micro System Laboratory 3 3.本發明之結構本發明之結構 (6):(6):探針探針分布在分布在晶粒外圍晶粒外圍12機械與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精密構裝與量测實驗室驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 3 3.本發明之結構本發明之結構 (7):(7):探針為探針為陣列式陣列式13機械與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精密構裝與量测實驗室驗

12、室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 3 3.本發明之結構本發明之結構 (8):(8):探針為探針為直線式分佈直線式分佈14機械與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精密構裝與量测實驗室驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 3 3.本發明之結構

13、本發明之結構 (9):(9):針測卡探針針測卡探針及及壓力感測器壓力感測器分佈圖分佈圖15機械與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精密構裝與量测實驗室驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 4.4.本發明之特點本發明之特點n(1)(1)垂直式探針空間較小垂直式探針空間較小,晶圓級一次測完晶圓級一次測完n(2)(2)每根探針都每根探針都有隔離地線設計有隔離地線設計,串音交連信號小串音交連信號小n(3)(3)有壓力

14、感測器有壓力感測器,可測探針接觸晶片之可測探針接觸晶片之壓力壓力n(5)(5)垂直式探針接線短垂直式探針接線短,寄生電感小寄生電感小,適用於高頻適用於高頻n(6)(6)微機電製程容易製作微機電製程容易製作,品質易控制品質易控制n(7)(7)基板膨脹係數基板膨脹係數與與晶片相同晶片相同可用於燒入測試可用於燒入測試n(8)(8)針頭有錐狀設計針頭有錐狀設計,可測試可測試焊墊及凸塊焊墊及凸塊n(9)(9)探針只接觸焊墊周圍探針只接觸焊墊周圍,不會影響後續打線製程不會影響後續打線製程16機械與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精密構裝與量测實驗室驗室 Chung Hua Graduat

15、e School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 5.5.模擬分析模擬分析(1):(1):探針的變形量探針的變形量與應力與應力n運用模擬軟體模擬軟體ANSYSANSYS 分析，當探針承受外探針承受外加負荷時加負荷時，計算探針內計算探針內產生的應力產生的應力與彈性彈性層變形量層變形量。n不同的探針結構不同的探針結構，承受不同負荷承受不同負荷，作用在不同厚度不同厚度之彈性緩衝層彈性緩衝層(聚亞醯氨，聚亞醯氨，Polyimide)Polyimide)，有不同的應力不同的應力與變形量

16、變形量。n測試溫度測試溫度對探針結構應力探針結構應力之熱耦合效應熱耦合效應，也納入分析研究納入分析研究。17機械與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精密構裝與量测實驗室驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 5.5.模擬分析模擬分析(2):(2):探針結構探針結構n簡化成四個部分簡化成四個部分:n1.探針突出尖端探針突出尖端，由鎢、鎳及鋁材組成由鎢、鎳及鋁材組成。n2.探針彈性層探針彈性層，由聚亞醯氨由聚亞醯氨

17、(Polyimide)(Polyimide)組成組成。n3.矽基材導通層矽基材導通層，由鋁、鎳及金披覆由鋁、鎳及金披覆，再用錫再用錫 鉛合金鉛合金以表面接著技術表面接著技術接合組成接合組成。n4.印刷電路板層印刷電路板層，由銅、鎳、金及由銅、鎳、金及FR-4 FR-4 組成組成。18機械與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精密構裝與量测實驗室驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 5.5.模擬分析模擬分析(3)

18、:(3):探針各部材料之物性探針各部材料之物性表3-1 材料特性19機械與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精密構裝與量测實驗室驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 5.5.模擬分析模擬分析(4):(4):模擬條件模擬條件(1)(1)作用力作用力:410(g)410(g)(2)(2)上層彈性層厚上層彈性層厚:828(um)828(um)(3)(3)下層彈性層厚下層彈性層厚:8,16,24(um)8,16,24

19、(um)(4)(4)探針截面探針截面:20(um)x 20(um)20(um)x 20(um)(5)(5)以以ANSYS ANSYS 模擬模擬變形變形與主應力主應力之情況(6)(6)探針為左右對稱探針為左右對稱，故模型只取半邊故模型只取半邊。20機械與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精密構裝與量测實驗室驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 5.5.模擬分析模擬分析(5):(5):針軸方向針軸方向變形量變形量

20、與與應力曲線應力曲線 21機械與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精密構裝與量测實驗室驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 5.5.模擬分析模擬分析(6):(6):不同負載不同負載作用於作用於不同彈性層厚度不同彈性層厚度之結果之結果22機械與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精密構裝與量测實驗室驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aer

21、ospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 5.5.模擬分析模擬分析(7):(7):鎳鎢針截面積尺寸改變鎳鎢針截面積尺寸改變分析結果分析結果n探針之針尖尺寸變化探針之針尖尺寸變化，由由10(um)10(um)增加到增加到30(um)30(um)，作用力為作用力為10(g)10(g)。n 而上層彈性層厚度上層彈性層厚度與下層彈性層厚度下層彈性層厚度維持為為28(um)28(um)及16(um)16(um)。n 針尖底部針尖底部鋁層厚度為鋁層厚度為1(um)1(um)。n 則模擬變形量模擬變形量與主應力主應力的變化，最大針最大針軸變

22、形量軸變形量可達5.58(um)5.58(um)。23機械與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精密構裝與量测實驗室驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 5.5.模擬分析模擬分析(8):(8):鎳鎢針截面積尺寸改變鎳鎢針截面積尺寸改變變形量變形量與與主應力的變化主應力的變化分析結果分析結果24機械與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精密構裝與量测實驗室驗室 Chung Hua Graduate

23、School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 5.5.模擬分析模擬分析(9)(9)：彈性層材料彈性層材料性質改變性質改變對對變形量變形量與與主應力主應力的影響的影響n設計時是以聚亞醯氨設計時是以聚亞醯氨(Polyimide)(Polyimide)當作彈性彈性層之材料。層之材料。n現將楊氏係數楊氏係數列為最主要因素列為最主要因素，比較變形變形量量與主應力主應力的表現。n探針的變形量探針的變形量可達達7.02(um)7.02(um)，主壓縮應力主壓縮應力也不高也不高。25機械與航

24、太工程研究所機械與航太工程研究所精密構裝與量测實精密構裝與量测實驗室驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 5.5.模擬分析模擬分析(10)(10)：彈性層材料彈性層材料性質改變性質改變對對變形量變形量與與主應力主應力的影響的影響26機械與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精密構裝與量测實驗室驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace Eng

25、ineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 5.5.模擬分析模擬分析(11)(11)：探針之熱耦合探針之熱耦合應力溫度梯度分佈應力溫度梯度分佈n晶圓晶圓及及針尖針尖溫度為溫度為150150，散熱面為散熱面為矽基材背面矽基材背面與錫鉛共晶球與錫鉛共晶球n採自然對流散熱採自然對流散熱(對流係數為對流係數為20W/m2K)20W/m2K)，外界溫度設定為外界溫度設定為8080 27機械與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精密構裝與量测實驗室驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aer

26、ospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 5.5.模擬分析模擬分析(12)(12)：穩態時穩態時矽基材溫度矽基材溫度（124.4 124.9124.4 124.9）28機械與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精密構裝與量测實驗室驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 5.5.模擬分析模擬分析(3)3)：150 150 時時與矽基材接合的與矽基材

27、接合的鋁金屬層鋁金屬層 主壓縮應力為主壓縮應力為0.74(GPa)0.74(GPa)而主伸張應力為而主伸張應力為0.51(GPa)0.51(GPa)29機械與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精密構裝與量测實驗室驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 6.6.結論結論 n本發明之探針本發明之探針克服懸臂式探針多項缺點克服懸臂式探針多項缺點，優點優點有:(1)(1)測試時探針測試時探針無側向位移無側向位移，接觸穩

28、定接觸穩定適合傳統焊墊適合傳統焊墊 及及凸塊的測試凸塊的測試。(2)(2)探針尺寸小探針尺寸小，可為全區域矩陣排列全區域矩陣排列，適合高密度適合高密度 及細小間距接腳細小間距接腳之晶片測試。(3)(3)探針底部探針底部之矽基材挖導通孔矽基材挖導通孔，測試訊號測試訊號可直接傳可直接傳 至至針測介面模組及測試機針測介面模組及測試機，傳遞路徑縮短傳遞路徑縮短，適合適合 高頻測試高頻測試。(4)(4)針尖接觸針尖接觸傳統焊墊傳統焊墊及及凸塊凸塊無刮痕無刮痕，排除微小雜物排除微小雜物 的黏附干擾的黏附干擾，不必擔心無法清針的問題不必擔心無法清針的問題。30機械與航太工程研究所機械與航太工程研究所精密構裝

29、與量测實精密構裝與量测實驗室驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 台積電明年將推出台積電明年將推出MEMSMEMS平台平台 n上網時間：上網時間：20052005年年0909月月2323日日(電子工程專輯網站資訊速遞電子工程專輯網站資訊速遞)(1)(1)經過三年的研發經過三年的研發，晶圓代工廠商，晶圓代工廠商台積電台積電(TSMC)(TSMC)表示，把表示，把ICIC製程技術與微電機系統相結合製程技術與微電機系統相結合，將可

30、在將可在20062006年開始有所成效年開始有所成效。(2)(2)受到受到德州儀器德州儀器(TI)(TI)數位光處理數位光處理(DLP)(DLP)技術技術成功之成功之鼓舞鼓舞，因此許多人對該領域非常感興趣。，因此許多人對該領域非常感興趣。台積電台積電認為認為MEMSMEMS領域的機會增加了領域的機會增加了。(3)(3)據市調公司據市調公司In-StatIn-Stat的資料的資料，20092009年年MEMSMEMS市場市場將將從今年的從今年的 8080億美元億美元左右左右成長到成長到140140億美元億美元。(4)(4)台積電的主流技術行銷經理台積電的主流技術行銷經理Claire ChenCl

31、aire Chen表示表示:一旦一旦ICIC代工廠商進入這個領域代工廠商進入這個領域，將使將使MEMSMEMS設計廠設計廠商更有利可圖商更有利可圖，並能提供更有吸引力的產品功能並能提供更有吸引力的產品功能。31機械與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精密構裝與量测實驗室驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 7.7.權利金預估權利金預估n傳統針測卡傳統針測卡:5050萬萬/組組(32(32顆裸晶顆裸晶,DRAM

32、 100 MHz),DRAM 100 MHz)n本項專利本項專利:晶圓級晶圓級 (1)DDR (1)DDR 或或 DDR II 533 DDR II 533 或或 667 667 (2)(2)SRAMSRAM (3)(3)RF ICRF IC(少腳數少腳數,高頻高頻)(4)(4)LCD DRIVERLCD DRIVER (高腳數高腳數,細間距細間距)n本項專利效益本項專利效益:(1)(1)測試速度至少快測試速度至少快1010倍倍2020倍倍,(2)(2)工作頻率可至工作頻率可至6 GHz6 GHz,(3)(3)各測試接腳各測試接腳都有隔離接地設計都有隔離接地設計,互相干擾雜訊小互相干擾雜訊小.

33、n運用本項專利針測卡售價運用本項專利針測卡售價:500500萬萬/組組n權利金權利金:5%/5%/組組 (25(25萬萬/組組)32機械與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精密構裝與量测實驗室驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 誌謝誌謝n希望將來能希望將來能進步合作進步合作。33機械與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精密構裝與量测實驗室驗室 Chung Hua Graduate Schoo

34、l of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory Probe FB manufacturing process(1)34機械與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精密構裝與量测實驗室驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory Probe FB manufacturing process(2)35機械與航太工程研究

35、所機械與航太工程研究所精密構裝與量测實精密構裝與量测實驗室驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory Probe FB manufacturing process(3)36機械與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精密構裝與量测實驗室驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System

36、 Laboratory Probe FB manufacturing process(4)37機械與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精密構裝與量测實驗室驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory Probe FB manufacturing process(5)38機械與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精密構裝與量测實驗室驗室 Chung Hua Graduate School of Mecha

37、nical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory Probe FB manufacturing process(6)39機械與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精密構裝與量测實驗室驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory Probe FB manufacturing process(7)40機械與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精密構裝與量测實驗室驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory Probe FB manufacturing process(8)41