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1、機械與航太工程研究機械與航太工程研究 所所 精密構裝與量测實精密構裝與量测實驗驗 室室 發明名稱發明名稱 : 垂直式彈性探針及附壓力感測器垂直式彈性探針及附壓力感測器 之晶圓級垂直式針測卡之晶圓級垂直式針測卡 (專利發明第專利發明第 I 231371號號) 中華大學中華大學 機械系機械系 林君明林君明 教授教授 1 機械與航太工程研究機械與航太工程研究 所所 精密構裝與量测實精密構裝與量测實驗驗 室室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace Engineering Kaiyi Chuang Micro System Labor
2、atory 大綱 n(1)簡介簡介 n(2)技術回顧技術回顧 n(3)本發明之結構本發明之結構 n(4)本發明之特點本發明之特點 n(5)模擬分析模擬分析 n(6)結論結論 n(7)權利金預估權利金預估 2 機械與航太工程研究機械與航太工程研究 所所 精密構裝與量测實精密構裝與量测實驗驗 室室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace Engineering Kaiyi Chuang Micro System Laboratory 1. 簡介 n 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 D
3、RAM / 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) 的製程。 n將不良品將不良品 (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， 造成不必要的造成不必要的 成本增加成本增加 。 因此 裸晶測試裸晶測試 ，在半導體產 業扮演著重要角色扮演著重要角色 。 3 機械與航太工程研究機械與航太工程研究 所所 精密構裝與量测實精密構裝與量测實驗驗 室室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace Engineering Kaiyi Ch
4、uang Micro System Laboratory 2.技術回顧 (1) nEpoxy 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 125um， 多為邊緣式排列邊緣式排列 而不易做成矩陣排不易做成矩陣排 列列。 4 機械與航太工程研究機械與航太工程研究 所所 精密構裝與量测實精密構裝與量测實驗驗 室室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace Engineering Kaiyi Chuang Mi
5、cro System Laboratory 2.技術回顧 (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、 SiO2 及及 加熱層組成加熱層組成 ，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 SiO2，使得微懸臂向使得微懸臂向 SiO2 層彎曲層彎曲 5 機械與航太工程研究機械與航太工程研究 所所 精密構裝與量测實精密構裝與量测實驗驗 室室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace Engineering Kaiyi Chua
6、ng Micro System Laboratory 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) 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 橫向位橫向位 移移 而造成而造成 接觸不穩定接觸不穩定 。 (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) 針尖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) 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) 懸臂長度懸臂長度
7、 達達400600um，佔據空間大佔據空間大 ，無法測試高無法測試高 密度密度 鋁墊鋁墊 ， 也不適於也不適於 2 排排或或3 排鋁墊排鋁墊 之晶片。之晶片。 6 機械與航太工程研究機械與航太工程研究 所所 精密構裝與量测實精密構裝與量测實驗驗 室室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace Engineering Kaiyi Chuang Micro System Laboratory 3.本發明之結構 (1)：側視圖 7 機械與航太工程研究機械與航太工程研究 所所 精密構裝與量测實精密構裝與量测實驗驗 室室 Chung Hu
8、a Graduate School of Mechanical and Aerospace Engineering Kaiyi Chuang Micro System Laboratory 3.本發明之結構 (2)：立體圖 n 8 機械與航太工程研究機械與航太工程研究 所所 精密構裝與量测實精密構裝與量测實驗驗 室室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace Engineering Kaiyi Chuang Micro System Laboratory 3.本發明之結構 (3)：分解圖 9 機械與航太工程研究機械與航太工程研究
9、 所所 精密構裝與量测實精密構裝與量测實驗驗 室室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace Engineering Kaiyi Chuang Micro System Laboratory 3.本發明之結構本發明之結構 (4)：探針探針 與壓力感測器與壓力感測器 整合圖整合圖 10 機械與航太工程研究機械與航太工程研究 所所 精密構裝與量测實精密構裝與量测實驗驗 室室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace Engineering Kaiyi Chuang M
10、icro System Laboratory 3.本發明之結構本發明之結構 (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機械與航太工程研究 所所 精密構裝與量测實精密構裝與量测實驗驗 室室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace Engineering Kaiyi Chuang Micro System Laboratory 3.本發明之結構本發明之結構 (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機械與航太工程研究 所所 精密構裝與量测實精密構裝與量测實驗驗 室室 Chu
11、ng Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace Engineering Kaiyi Chuang Micro System Laboratory 3.本發明之結構本發明之結構 (7):探針為探針為 陣列式陣列式 13 機械與航太工程研究機械與航太工程研究 所所 精密構裝與量测實精密構裝與量测實驗驗 室室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace Engineering Kaiyi Chuang Micro System Laboratory 3.本發明之結構本發明之結構 (8
12、):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機械與航太工程研究 所所 精密構裝與量测實精密構裝與量测實驗驗 室室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace Engineering Kaiyi Chuang Micro System Laboratory 3.本發明之結構本發明之結構 (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機械與航太工程研究 所所 精密構裝與量测實精密構裝與量测實驗驗 室室 Chung Hua Graduate School of Mech
13、anical and Aerospace Engineering Kaiyi Chuang Micro System Laboratory 4.本發明之特點 n(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)每根探針都每根探針都 有隔離地線設計有隔離地線設計 ,串音交連信號串音交連信號 小小 n(3)有壓力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)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 ,適用於高適用於高 頻頻 n(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)基板膨脹係數基板膨脹係數
14、 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)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)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不會影響後續打線製 程程 16 機械與航太工程研究機械與航太工程研究 所所 精密構裝與量测實精密構裝與量测實驗驗 室室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace Engineering Kaiyi Chuang Micro System Laboratory 5.模擬分析(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
15、軟體 ANSYS 分析， 當探針承受探針承受 外加負荷時外加負荷時 ， 計算探針內計算探針內 產生的應力產生的應力 與彈性層變形量彈性層變形量 。 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)，有不同的應力不同的應力 與變形量變形量 。 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機械與航太工程研究 所所 精密構裝與量测實精密構裝與量测實驗驗 室室 Chung Hua Graduate Sc
16、hool of Mechanical and Aerospace Engineering Kaiyi Chuang Micro System Laboratory 5.模擬分析(2):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 (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， 再用再用 錫錫 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
17、、金及由銅、鎳、金及 FR-4 組成組成 。 18 機械與航太工程研究機械與航太工程研究 所所 精密構裝與量测實精密構裝與量测實驗驗 室室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace Engineering Kaiyi Chuang Micro System Laboratory 5.模擬分析(3):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機械與航太工程研究 所所 精密構裝與量测實精密構裝與量测實驗驗 室室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerosp
18、ace Engineering Kaiyi Chuang Micro System Laboratory 5.模擬分析(4):模擬條件 (1)作用力作用力 :410(g) (2)上層彈性層厚上層彈性層厚 :828(um) (3)下層彈性層厚下層彈性層厚 :8,16,24(um) (4)探針截面探針截面 :20(um) x 20(um) (5)以以ANSYS 模擬模擬 變形變形 與主應力主應力 之情況 (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機械與航太工程研究 所所 精密構裝與量测實精密構裝與量测實驗驗 室室 Chung Hua Grad
19、uate School of Mechanical and Aerospace Engineering Kaiyi Chuang Micro System Laboratory 5.模擬分析(5):針軸方向針軸方向 變形量變形量 與與應力曲線應力曲線 21 機械與航太工程研究機械與航太工程研究 所所 精密構裝與量测實精密構裝與量测實驗驗 室室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace Engineering Kaiyi Chuang Micro System Laboratory 5.模擬分析(6): 不同負載不同負載 作用於作
20、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機械與航太工程研究 所所 精密構裝與量测實精密構裝與量测實驗驗 室室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace Engineering Kaiyi Chuang Micro System Laboratory 5.模擬分析(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 n探針之針尖尺寸變化探針之針尖尺寸變化， 由由10(um)增加增加 到到30(um) ，作用力為作用力為 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
21、彈性層厚度 維持 為為28(um)及16(um) 。 n 針尖底部針尖底部 鋁層厚度為鋁層厚度為 1(um) 。 n 則模擬變形量模擬變形量 與主應力主應力 的變化， 最大最大 針軸變形量針軸變形量 可達 5.58(um)。 23 機械與航太工程研究機械與航太工程研究 所所 精密構裝與量测實精密構裝與量测實驗驗 室室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace Engineering Kaiyi Chuang Micro System Laboratory 5.模擬分析(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
22、 與與主應力的變化主應力的變化 分析結果 24 機械與航太工程研究機械與航太工程研究 所所 精密構裝與量测實精密構裝與量测實驗驗 室室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace Engineering Kaiyi Chuang Micro System Laboratory 5.模擬分析(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)當作 彈彈 性層之材料。性層之材料。 n現將 楊氏係數楊氏係數 列為最主要因素列為最主要
23、因素 ， 比較 變形量變形量 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)，主壓縮應主壓縮應 力力也不高也不高 。 25 機械與航太工程研究機械與航太工程研究 所所 精密構裝與量测實精密構裝與量测實驗驗 室室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace Engineering Kaiyi Chuang Micro System Laboratory 5.模擬分析(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機械與航太工程
24、研究 所所 精密構裝與量测實精密構裝與量测實驗驗 室室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace Engineering Kaiyi Chuang Micro System Laboratory 5.模擬分析(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 150，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)，外界溫度設定為外界溫度設定為 80 27 機械與航太工程研究機械與航
25、太工程研究 所所 精密構裝與量测實精密構裝與量测實驗驗 室室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace Engineering Kaiyi Chuang Micro System Laboratory 5.模擬分析(12)：穩態時穩態時 矽基材溫度矽基材溫度 （124.4 124.9 ） 28 機械與航太工程研究機械與航太工程研究 所所 精密構裝與量测實精密構裝與量测實驗驗 室室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace Engineering Kaiyi Chu
26、ang Micro System Laboratory 5.模擬分析(3)：150 時時與矽基材接合的與矽基材接合的 鋁金屬層鋁金屬層 主壓縮應力為主壓縮應力為 0.74(GPa)而主伸張應力為而主伸張應力為 0.51(GPa) 29 機械與航太工程研究機械與航太工程研究 所所 精密構裝與量测實精密構裝與量测實驗驗 室室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace Engineering Kaiyi Chuang Micro System Laboratory 6.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
27、探針多項缺點，優優 點點有: (1)測試時探針測試時探針 無側向位移無側向位移 ，接觸穩定接觸穩定 適合傳統適合傳統 焊墊焊墊 及及凸塊的測試凸塊的測試 。 (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 ，適合高適合高 密度密度 及細小間距接腳細小間距接腳 之晶片測試。 (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 可直可直 接傳接傳 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)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 ，排除微小排除微小 雜物雜物 的黏
28、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機械與航太工程研究 所所 精密構裝與量测實精密構裝與量测實驗驗 室室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace Engineering Kaiyi Chuang Micro System Laboratory 台積電明年將推出台積電明年將推出MEMS平台平台 n上網時間：上網時間： 2005年年09月月23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)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
29、台積電 (TSMC) 表示，把表示，把 IC製程技術與微電機系統相製程技術與微電機系統相 結合結合 ， 將可在將可在 2006年開始有所成效年開始有所成效 。 (2)受到受到 德州儀器德州儀器 (TI)數位光處理數位光處理 (DLP)技術技術 成功成功 之鼓舞之鼓舞 ，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。 台積電認為台積電認為 MEMS領域的機會增加了領域的機會增加了。 (3)據市調公司據市調公司 In-Stat的資料的資料 ，2009年年MEMS市市 場場將從今年的將從今年的 80億美元億美元 左右左右 成長到成長到 140億美億美 元元。 (4)台積電的主流技術行
30、銷經理台積電的主流技術行銷經理Claire Chen表示表示 : 一旦一旦 IC代工廠商進入這個領域代工廠商進入這個領域，將使將使 MEMS 設計廠商更有利可圖設計廠商更有利可圖，並能提供更有吸引力並能提供更有吸引力 的產品功能的產品功能 。 31 機械與航太工程研究機械與航太工程研究 所所 精密構裝與量测實精密構裝與量测實驗驗 室室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace Engineering Kaiyi Chuang Micro System Laboratory 7. 權利金預估權利金預估 n傳統針測卡傳統針測卡 :5
31、0萬萬/組組(32顆裸晶顆裸晶 ,DRAM 100 MHz) n本項專利本項專利 :晶圓級晶圓級 (1) DDR 或或 DDR II 533 或或 667 (2) SRAM (3) RF IC(少腳數少腳數 ,高頻高頻 ) (4) LCD 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) 測試速度至少快測試速度至少快 10倍倍20倍倍, (2) 工作頻率可至工作頻率可至 6 GHz, (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 . n運用本項專利針測卡售價運用本項專利針測卡售價: 500萬萬/組組 n權利
32、金權利金 : 5 % /組組 (25萬萬/組組) 32 機械與航太工程研究機械與航太工程研究 所所 精密構裝與量测實精密構裝與量测實驗驗 室室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace Engineering Kaiyi Chuang Micro System Laboratory 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機械與航太工程研究 所所 精密構裝與量测實精密構裝與量测實驗驗 室室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospac
33、e Engineering Kaiyi Chuang Micro System Laboratory Probe FB manufacturing process (1) 34 機械與航太工程研究機械與航太工程研究 所所 精密構裝與量测實精密構裝與量测實驗驗 室室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace Engineering Kaiyi Chuang Micro System Laboratory Probe FB manufacturing process (2) 35 機械與航太工程研究機械與航太工程研究 所所 精密構裝
34、與量测實精密構裝與量测實驗驗 室室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace Engineering Kaiyi Chuang Micro System Laboratory Probe FB manufacturing process (3) 36 機械與航太工程研究機械與航太工程研究 所所 精密構裝與量测實精密構裝與量测實驗驗 室室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace Engineering Kaiyi Chuang Micro System Labor
35、atory Probe FB manufacturing process (4) 37 機械與航太工程研究機械與航太工程研究 所所 精密構裝與量测實精密構裝與量测實驗驗 室室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace Engineering Kaiyi Chuang Micro System Laboratory Probe FB manufacturing process (5) 38 機械與航太工程研究機械與航太工程研究 所所 精密構裝與量测實精密構裝與量测實驗驗 室室 Chung Hua Graduate School o
36、f Mechanical and Aerospace Engineering Kaiyi Chuang Micro System Laboratory Probe FB manufacturing process (6) 39 機械與航太工程研究機械與航太工程研究 所所 精密構裝與量测實精密構裝與量测實驗驗 室室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace Engineering Kaiyi Chuang Micro System Laboratory Probe FB manufacturing process (7) 40 機械與航太工程研究機械與航太工程研究 所所 精密構裝與量测實精密構裝與量测實驗驗 室室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace Engineering Kaiyi Chuang Micro System Laboratory Probe FB manufacturing process (8) 41