【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。

資料來源：https://www.automan.tw/news/newsContent.aspx?id=8681