專利名稱：基于電鍍工藝的微機(jī)械測試探卡及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于微機(jī)械方法實現(xiàn)的圓片級芯片測試探卡及制作方 法，尤其涉及基于電鍍工藝的微機(jī)械芯片測試探卡及其制作方法，屬于微電 子機(jī)械系統(tǒng)領(lǐng)域。
技術(shù)背景近年來，隨著微電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，集成電路制造產(chǎn)業(yè)得到迅猛發(fā)展。 集成電路芯片生產(chǎn)的過程中主要包括前端加工工藝與后端封裝測試工藝。其 中，后端封裝測試工藝已經(jīng)占據(jù)了整個生產(chǎn)過程的大部分成本。所以，在前 端加工工藝與后端封裝測試工藝之間加入圓片級芯片測試，已經(jīng)成為降低芯 片成本的一個必要手段。探卡是圓片級芯片測試的核心元件之一。然而，隨 著芯片復(fù)雜程度越來越高，芯片上的管腳排布越來越密集。同時，芯片工作 頻率不斷提高，測試信號速度越來越快。傳統(tǒng)芯片測試探卡由于自身局限， 比如裝配精度低、制作成本高、制作周期長等原因，漸漸難以適應(yīng)這一發(fā)展 趨勢，并必將在不久的未來被取代。從20世紀(jì)90年代起，國內(nèi)外許多大學(xué)及研究機(jī)構(gòu)積極探索，逐步尋找到利用微機(jī)械加工技術(shù)設(shè)計制造圓片級芯片測試探卡的方法。然而，大部分研 究工作存在不同程度的不足。例如，Yanwei Zhang等人曾在"Thermally actuated microprobes for a new wafer probe card " (IEEE Journal of Microelectromechanical System, vol.8, No.l, pp. 43-49， March 1999)中提出一種利用熱驅(qū)動探針制作的芯片測試探卡。但是，這種熱驅(qū)動的懸臂梁探針只 能提供45pN的壓力，難以應(yīng)用在現(xiàn)在廣為使用的鋁測試管腳。又如，B. H. Kim等人為了使探針能夠提供足夠大的壓力，采用了硅懸臂梁的結(jié)構(gòu)(B.H.Kim et. al., "A vertical guided MEMS probe card with deeply recessed trench-type cantilever," in Proc.正EE MEMS，05， pp. 271-274, 2005)。但是，這種硅懸臂梁 式的探針由于設(shè)計要求的限制，為了使針尖產(chǎn)生足夠的位移，必需保證相當(dāng) 大的長度。這就限定了探針陣列只能在一個方向上密集排布，大大限制了其 應(yīng)用范圍。如何設(shè)計制造一種既可以使探針提供足夠大的壓力和針尖位移，又能夠 在兩個方向都密集排布的探針結(jié)構(gòu)，成為了探卡設(shè)計中的一大難點，也恰恰 是本發(fā)明所要解決的關(guān)鍵技術(shù)。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的之一在于提供一種基于電鍍工藝的微機(jī)械圓片級芯片測試 探卡。如附圖1所示，所述的測試探卡采用了基于電鍍工藝的微機(jī)械制作方法， 在輔助硅片上利用電鍍金屬鎳制作形成懸臂梁和探針針尖，并通過封裝焊球 與基板形成鏈接，因而便于同時制作大批量探針陣列。如附圖2所示，本發(fā)明 提供的探卡中的探針針尖可以采用單懸臂梁或者雙懸臂梁與基板形成鏈接， 因而本發(fā)明探卡中的懸臂梁可以實現(xiàn)不同量程范圍的彈性系數(shù)，以便應(yīng)用于 不同測試要求。在本發(fā)明提供的測試探卡中，所有鎳懸臂梁厚度一致，但是 懸臂梁的長度、寬度可以根據(jù)待測芯片管腳位置以及測試要求設(shè)定，所有鎳 探針針尖的厚度一致，但其形狀及尺寸也可以根據(jù)不同需求來設(shè)計。本發(fā)明 所提供的測試探卡的基板采用低溫共燒陶瓷，如DuPont(951,943)， Ferro (A6M， A6S)， Heraeus (CT700，CT800和CT2000)等。這些低溫共燒陶瓷的 介電常數(shù)在3.9 8.5之間，燒結(jié)溫度通常在850。C 1050。C之間，能夠有效隔 離相鄰探針之間的信號干擾，避免產(chǎn)生寄生效應(yīng)，因而可以應(yīng)用于未來高頻 測試領(lǐng)域中。同時，如果選擇與硅材料熱膨脹系數(shù)相匹配的低溫共燒陶瓷材 料，還可以避免高溫測試時的熱應(yīng)力問題。本發(fā)明所提供的測試探卡的封裝 焊球采用錫銀或者鉛錫制作完成，回流溫度在80。C 260。C之間。本發(fā)明所提供的測試探卡提出了一種等應(yīng)力懸臂梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。與 傳統(tǒng)的等截面懸臂梁相比較，可以在不增加內(nèi)應(yīng)力的情況下，提供更大的探 針針尖位移。如圖3所示，對于懸臂梁上的任一點，可以根據(jù)材料力學(xué)的知識 計算出該點應(yīng)力如下
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其中，a是懸臂梁上距離探針針尖或探針處的內(nèi)應(yīng)力，P是加載在探針針尖上的載荷力，6是懸臂梁上距離探針針尖或探針處的寬度，/2是懸臂梁的厚度(以 下公式中各符號物理意義相同)。若62為懸臂梁根部的寬度，^為懸臂梁根自 由端部的寬度，丄為懸臂梁的總長度，則由幾何關(guān)系6 = +^-^ + ^，可以 得到，
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上式在&較小時可以近似為cra^，即梁上任意點的應(yīng)力與梁根部相等<所以，采用這種等應(yīng)力梁設(shè)計后，不會對梁自身的強度與可靠性產(chǎn)生影響< 而另一方面，梁自由端部分的位移可以由下面的計算公式得出
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其中(5是懸臂梁自由端的位移，^r是懸臂梁上任意點的彎矩，五/:
雄3 a12為梁的抗彎剛度，對于等截面梁是一個常量，而對于等應(yīng)力梁，￡/是一個逐步減小 的量。因此，在同樣外加載荷的情況下，等應(yīng)力梁的自由端位移要比等截面梁的大。可以計算出在& = 0的近似情況下，所得到的等應(yīng)力梁自由端位移相對于等截面梁提高了50%;本發(fā)明的另一目的在于提供了所述微機(jī)械圓片級芯片測試探卡的制作方法，其特征在于首先利用(100)硅片的上表面作為電鍍工作面，電鍍形成低應(yīng)力鎳層的探針懸臂，隨后利用各向異性腐蝕產(chǎn)生的深槽(lll)斜面作為工作 面，電鍍形成低應(yīng)力鎳層的探針針尖，再采用倒裝焊的工藝將探針鏈接到封裝基板上，最后采用將硅片腐蝕去除的方法釋放探針結(jié)構(gòu)，具體制作步驟是: 具體制作步驟是a在(100)硅片上表面淀積或氧化0.5 2.5pm厚度的氧化層，隨后淀積一層 金屬種子層；b利用一層25 35(xm厚光刻膠光刻形成第一次電鍍掩膜；c進(jìn)行第一次電鍍，制作出上層平面鎳探針懸臂；隨后，光刻出氧化層圖形以便進(jìn)行腐蝕；c利用氧化層作為腐蝕掩膜，進(jìn)行硅各向異性腐蝕；并在整個硅片上表 面以及腐蝕出的深槽(lll)斜面、底面上淀積一層金屬種子層； e利用噴膠工藝光刻形成5 20pm的光刻膠電鍍掩膜； f進(jìn)行第二次電鍍，制作出深槽斜面鎳探針針尖；g在陶瓷基板上電鍍、回流出封裝焊球，并光刻、腐蝕出金屬布線；將 完成探針制作的硅片倒裝焊到陶瓷基板上，并利用TMAH(四甲基氫氧化 銨)腐蝕液橫向溝空的方法將硅片腐蝕掉，從而完成探針的釋放。 在所述制作工藝中，采用的金屬種子層為濺射或蒸發(fā)形成的0.1 0.5pm鈦 銅或鉻銅；金屬布線采用濺射形成的0.5 2pm鈦銅或鉻銅；探針針尖與探針 懸臂采用電鍍形成的10 30^im低應(yīng)力鎳鍍層，探針懸臂的形狀可以相同或不 同。所有探針針尖厚度相同且在5iim—20iim之間，探針針尖的形狀可以相同 或不同。且針尖頂端大小相等或不等，尺寸在5 25pm之間；封裝焊球為電鍍、 回流形成的直徑50 100pm鉛錫或錫銀。由此可見，本發(fā)明提供的微機(jī)械圓片級芯片測試探卡包括封裝基板、封裝焊球、金屬布線、探針懸臂和探針針尖，其特征在于① 探針懸臂與探針針尖制作在一塊輔助硅片上，且通過將該硅片腐蝕去 除來完成結(jié)構(gòu)的最終釋放；② 利用輔助硅片的平面制作出探針懸臂結(jié)構(gòu)，利用在輔助硅片上腐蝕出 的(lll)斜面制作出探針針尖結(jié)構(gòu)，且每個探針針尖可以由一個或兩個探針懸 臂與基板相鏈接；③ 探針懸臂與探針針尖的形狀均采用等應(yīng)力梁結(jié)構(gòu)設(shè)計； 通過倒裝焊到基板上的探針(包括探針懸臂與探針針尖)可以在兩個 方向上進(jìn)行密集排布。綜上所述，利用本發(fā)明的方法制作出的微機(jī)械圓片級芯片測試探卡具有 以下優(yōu)點(1) 采用了探針懸臂與探針針尖相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，可以在承受一定探測壓力的同時產(chǎn)生一定的針尖位移；(2) 探針懸臂與探針針尖采用等應(yīng)力梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得在同樣探測壓力 的情況下針尖位移相對等截面梁提高了近50%;(3) 采用單懸臂與雙懸臂兩種結(jié)構(gòu)，可以制作出多種彈性系數(shù)的探針，擴(kuò) 大了應(yīng)用范圍；(4) 有效利用了硅片腐蝕斜面作為電鍍工作面，減小了探針的橫向尺寸， 從而可以使探針在兩個方向都能密集排布；(5) 采用了倒裝焊的鏈接方式，便于大批量低成本生產(chǎn)；(6) 采用低溫共燒陶瓷作為基板，能夠有效隔離相鄰探針之間的信號干 擾，避免產(chǎn)生寄生效應(yīng)，可以應(yīng)用于未來高頻測試領(lǐng)域中。


圖l是本發(fā)明提供的微機(jī)械圓片級芯片測試探卡的三維結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是兩種不同結(jié)構(gòu)的探針照片，其中(a)是單懸臂探針，(b)是雙懸臂探針；圖3是等應(yīng)力梁應(yīng)力與位移計算分析示意圖；圖4是實施例1的制作工藝流程(a)硅片氧化與濺射種子層；(b)厚膠光刻； (c)第一次電鍍與氧化層掩膜制作；(d)KOH腐蝕與濺射種子層；(e)噴膠厚膠 光刻；(f)第二次電鍍；(g)陶瓷板焊球與信號線制作；(h)倒裝焊與硅片腐蝕、 結(jié)構(gòu)釋放。圖中數(shù)字分別表示l一陶瓷基板；2—探針懸臂；3—探針針尖；4一封裝焊球；5—金屬布線。
具體實施方式
下面通過具體實施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明提供的微機(jī)械圓片級芯片測試探 卡及其制造方法的實質(zhì)性特點和顯著進(jìn)步。但本發(fā)明絕非僅局限于實施例。 實施例la在(100)硅片上表面淀積或氧化一層0.5 2.5pm的氧化層，隨后，在氧 化層上面濺射或蒸發(fā)一層0.1 0.5,鈦銅金屬種子層(如附圖4-a所示)；6利用一層25 35(im厚光刻膠進(jìn)行光刻，形成用于第一次電鍍的圖形掩膜(如附圖4-b所示)； c進(jìn)行第一次鎳電鍍，制作出上層平面懸臂結(jié)構(gòu)，去除光刻膠和金屬種子層；隨后，利用噴膠光刻出氧化層圖形，以便進(jìn)行后面的腐蝕(如附圖4-c所示)；d利用氧化層作為掩膜，采用50。C、 40。/。氫氧化鉀溶液(KOH)進(jìn)行硅各 向異性腐蝕；并在整個硅片上表面以及腐蝕出的深槽斜面、底面上第 二次淀積0.1 0.5pm鈦銅金屬種子層(如附圖4-d所示)；e利用噴膠工藝光刻形成第二次電鍍掩膜，光刻膠厚度約10 15iam(如附 圖4-e戶萬示)；/進(jìn)行第二次鎳電鍍，在硅腐蝕斜面上電鍍制作出探針針尖結(jié)構(gòu)，隨后 去除光刻膠及金屬種子層(如附圖4-f所示)；g在陶瓷基板上濺射一層0.5 2)im鈦銅金屬層，利用30pm厚的光刻膠圖 形作掩膜，電鍍、回流出錫銀焊球，并噴膠光刻、腐蝕出鈦銅金屬布 線(如附圖4-g所示)；將完成探針制作的硅片倒裝焊到陶瓷基板上，并利用四甲基氫氧化銨 腐蝕液(TMAH)將硅片腐蝕掉，進(jìn)而完成探針的釋放(如附圖4-h所示)。 經(jīng)過以上制作過程，便可以完成本發(fā)明提供的微機(jī)械圓片級芯片測試探卡。如附圖1所示，鎳金屬探針及懸臂梁通過封裝焊球與陶瓷基板鏈接，并可進(jìn)一步與外部設(shè)備連接用于芯片測試。
權(quán)利要求
1、基于電鍍工藝的微機(jī)械測試探卡，包括封裝基板、封裝焊球、探針懸臂和探針針尖、金屬布線，其特征在于①在硅片上，利用電鍍金屬鎳制作形成懸臂與探針針尖；②探針針尖制作在硅片的(111)斜面上，且每個探針針尖由一個或兩個探針懸臂與陶瓷基板相鏈接；③探針懸臂與探針針尖采用等應(yīng)力梁結(jié)構(gòu)；④倒裝焊到基板上的探針在兩個方向密集排布。
2、 按權(quán)利要求1所述的基于電鍍工藝的微機(jī)械測試探卡，其特征在于所 述的懸臂的等應(yīng)力梁上任意點的應(yīng)力與梁根部相等；且等應(yīng)力梁的自由端位 移相對于等截面梁提高50% 。
3、 按權(quán)利要求1所述的基于電鍍工藝的微機(jī)械測試探卡，其特征在于所 述的陶瓷基板為介電常數(shù)在3.9—8.5之間，且膨脹系數(shù)與硅相匹配的低溫共 燒陶瓷，燒結(jié)溫度為850—105(TC。
4、 按權(quán)利要求1所述的基于電鍍工藝的微機(jī)械測試探卡，其特征在于所 述的探卡中所有探針懸臂的厚度相同，厚度為10pm—30iam。
5、 按權(quán)利要求1或2所述的基于電鍍工藝的微機(jī)械測試探卡，其特征在 于所述的探針懸臂的形狀相同或不相同。
6、 按權(quán)利要求1所述的基于電鍍工藝的微機(jī)械測試探卡，其特征在于所 述的探針針尖厚度相同，且在5pm—2(^m之間。
7、 按權(quán)利要求1或6所述的基于電鍍工藝的微機(jī)械測試探卡，其特征在 于所述的探針針尖的形狀相同或不同。
8、 按權(quán)利要求1或6所述的基于電鍍工藝的微機(jī)械測試探卡，其特征在 于所述的探針針尖頂端尺寸為5^rni—35)im。
9、 按權(quán)利要求1所述的基于電鍍工藝的微機(jī)械測試探卡，其特征在于金屬布線采用0.5^im—2pm鈦銅或鉻銅金屬層。
10、 制作如權(quán)利要求l所述的微機(jī)械圓片級芯片測試探卡的方法，其特征 在于首先利用(100)硅片的上表面作為電鍍工作面，電鍍形成低應(yīng)力鎳層的探 針懸臂，隨后利用各向異性腐蝕產(chǎn)生的深槽(lll)斜面作為工作面，電鍍形成 低應(yīng)力鎳層的探針針尖，再采用倒裝焊的工藝將探針鏈接到封裝基板上，最 后采用將硅片腐蝕去除的方法釋放探針結(jié)構(gòu)，具體制作步驟是"在(100)硅片上表面淀積或氧化0.5 2.5pm厚度的氧化層，隨后淀積一層金屬種子層； 6利用一層25 35pm厚光刻膠光刻形成第一次電鍍掩膜； c進(jìn)行第一次電鍍，制作出上層平面鎳探針懸臂；隨后，光刻出氧化層圖形以便進(jìn)行腐蝕； "利用氧化層作為腐蝕掩膜，進(jìn)行硅各向異性腐蝕；并在整個硅片上表面以及腐蝕出的深槽(lll)斜面、底面上淀積一層金屬種子層； e利用噴膠工藝光刻形成5 20pm的光刻膠電鍍掩膜； /進(jìn)行第二次電鍍，制作出深槽斜面鎳探針針尖；g在陶瓷基板上電鍍、回流出封裝焊球，并光刻、腐蝕出金屬布線；將 完成探針制作的硅片倒裝焊到陶瓷基板上，并利用腐蝕液將硅片腐蝕 掉，從而完成探針的釋放。
11、 按權(quán)利要求10所述的基于電鍍工藝的微機(jī)械圓片級芯片測試探卡的 制作方法，其特征在于步驟a和d中所述的金屬種子層為濺射或蒸發(fā)形成的 0.1 0.5pm鈦銅或鉻銅；步驟g中所述的封裝焊球為電鍍、回流形成的直徑 50 100pm鉛錫或錫銀。
12、 按權(quán)利要求10所述的電鍍工藝的微機(jī)械圓片級芯片測試探卡的制作 方法，其特征在于步驟g中所述的將硅片腐蝕掉時采用了四甲基氫氧化銨腐 蝕液橫向淘空的方法。全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于電鍍工藝的微機(jī)械測試探卡及制作方法。其特征在于在硅片上，利用電鍍金屬鎳制作形成懸臂與探針針尖；探針針尖制作在硅片的(111)斜面上，且每個探針針尖由一個或兩個探針懸臂與陶瓷基板相鏈接；探針懸臂與探針針尖采用等應(yīng)力梁結(jié)構(gòu)；倒裝焊列基板上的探針在兩個方向密集排布。制作特征在于首先利用(100)硅片的上表面作為電鍍工作面，電鍍形成低應(yīng)力鎳層的探針懸臂，隨后利用各向異性腐蝕產(chǎn)生的深槽(111)斜面作為工作面，電鍍形成低應(yīng)力鎳層的探針針尖，再采用倒裝焊的工藝將探針鏈接到封裝基板上，最后采用將硅片腐蝕去除的方法釋放探針結(jié)構(gòu)。
文檔編號B81B3/00GK101214916SQ200710173680
公開日2008年7月9日 申請日期2007年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月28日
發(fā)明者封松林, 李昕欣, 飛 汪 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所