【產業脈動】工研院以三大創新技術打造密度倍增複合材料探針卡

張貼日期:2024/08/30

探針卡身負晶片測試的重責大任,隨著晶片電極密度愈來愈高,探針的密度也要愈來愈高。工研院以三大創新技術,研發出「密度倍增複合材料探針卡」,以「玻璃+金屬」的複合材料,成功打造最小針寬、最小間距的探針卡,榮獲工研院傑出研究獎金牌獎。

在半導體製程中,當晶片製作完成,進入後段切割封裝之前,都要經過探針卡的電氣性能測試,藉此揪出不良品,小小的探針卡扮演重要角色。根據晶片電極數量的不同,1組探針卡的針數,從數百根針到1、2萬根針都有。

隨著半導體技術不斷推進,晶片上的電極密度也愈來愈高,需要更細微、密度更高的探針卡,才能滿足測試需求。工研院機械與機電系統研究所組長黃萌祺指出,目前探針的針寬極限是40微米,間距則為80微米,為此工研院投入開發「密度倍增複合材料探針卡」,成功製造出針寬只有10微米、間距20微米的極細探針。

以可撓式玻璃取代金屬 克服變形關卡
為了製造細微探針,第一個創新從材質下手。由於探針卡需要通電,現行探針皆採用金屬製作,以目前的技術,要製造10微米的探針不是問題,關鍵在於「彈性」。

黃萌祺表示,探針在測試時,1根針至少要來回彈50萬次以上,但金屬受限於「降伏強度」不足,導致材料受力後產生永久變形,不管業界如何改變金屬配方,走向多元合金,仍無法克服這一大硬傷,「我們技術最大的特色就是,用玻璃取代金屬。」

在過去長期與康寧合作的過程中,團隊發現對方有款獨家研發的超薄可撓式玻璃,不僅厚度僅100微米,而且還能彎曲不斷裂。由於玻璃的降伏強度是金屬的15倍以上,這給團隊靈感,用玻璃取代探針的金屬結構體,應付變形;同時在玻璃底下再鍍1個金屬的薄膜探針,負責導電,兩者各司其職。

但要把玻璃變成極細探針又是另一道關卡。團隊跨單位合作,運用雷射改質玻璃蝕刻技術,將一整塊玻璃蝕刻成根根分明的細針結構,黃萌祺比喻,就像梳子,整體是一個完整結構,而前端的梳齒就是10微米的細針,「一次就能大量製造很多細微探針。」由於探針需要多次回彈,在蝕刻過程中只要出現些微裂痕,就容易在測試晶片時斷裂,為此花了1年時間,不斷優化雷射製程和配方,才達到要求。

模組化組裝機台 大幅節省時間人力
第二大創新,來自開發全新自製的組裝機台。過去探針卡的組裝方式,大多用人工或機器人一根根組裝而成,每人1天大約只能組裝3,000至5,000根針,費時又費力,為此工研院研發模組化的組裝機台,取代傳統人工作業,提升精度與效率。

黃萌祺指出,過去探針的機械加工方式,成品就是一根根的獨立細針,因此組裝時也只能逐一分開組裝;但團隊採用微機電的方式製作探針,成品已具有模組化結構,就像梳子一樣是1個「set」,因此非常適合模組化的組裝方式。

但模組化組裝是個全新概念,探針又非常要求平整度和精準度,只要組裝時稍有歪斜,就會產生誤差,無法測試正確的電極位置,團隊花了1年半時間,不斷調整機台,才大功告成。目前機台一次就能組裝100根探針以上,所需時間大約5分鐘,若同樣以5,000根針來計算,只需大約4小時就能完成,比起以前人工要組裝一整天,大幅節省時間與人力。

黃萌祺指出,這套機台不只用在工研院的玻璃探針,只要是微機電方式製作的探針就能使用。目前大約有30%至40%的金屬探針,採用微機電的方式製作,在未來探針密度愈來愈高的趨勢下,預期這個比例將不斷增加,也因此未來這套組裝機台的市場很大。

研發3D電路板 滿足少量多樣彈性製造
第三大創新則是研發3D陶瓷電路板。黃萌祺指出,「每張探針卡都對應測試不同晶片,因此探針卡有一大特性是『少量多樣』。」過去探針卡使用層層堆疊的多層電路板,每一層都需要獨立光罩曝光顯影,在少量多樣的製造特性下,成本高昂。因此團隊研發3D陶瓷電路板技術,以雷射圖案化和金屬沉積方式,直接在電路板3D外表面上製作金屬線路,不再需要光罩,製造彈性更大,成功將成本大幅降為原來的五分之一至十分之一。

目前這三大創新技術,都已陸續導入業界,全新的玻璃探針,已和IC設計公司合作驗證,預計1、2年後可望投入實際產線;而組裝機台和3D陶瓷電路板皆已實際落地,與國內廠商共同開發5,000萬畫素以上的CIS晶片測試探針卡,一次可測30個晶粒。

黃萌祺也看好未來高密度探針卡可解決目前Micro LED沒有合適探針卡可進行量產測試的痛點。密度極高的Micro LED,間距大約只有15至20微米,正是目前金屬探針無法滿足的缺口;不只Micro LED,對臺灣的封測產業來說,也能以更大的競爭優勢,搶先布局更加先進的IC測試,持續在半導體產業中贏得先機。


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