探針卡依發展順序可分為傳統環氧樹酯環(Epoxy ring)探針卡、刀 片式(Blade)探針卡、垂直式（Vertical）探針卡、薄膜式（Membrane）
探 針 卡 、 微 彈 簧 式 (Microspring) 探 針 卡 與 微 機 電 式 (Micro electromechanical system, 簡稱 MEMS)探針卡等類型，如圖 2-1 所示。
其中，目前大量使用中的產品主要是環氧樹酯環探針卡、垂直式探針 卡、微彈簧式探針卡。
圖2-1 探針卡發展歷程[2]
整體而言，探針卡技術的演進主要是隨著半導體元件不斷地高密 度化而發展。IC 的銲墊尺寸及間距不停地微細化，使得探針卡針距 不得不持續微小化。同時，為了提高產能及降低測試成本，多晶粒測 試(Multi dies under test，Multi-DUT)，甚至是一次下針就將全晶圓測 試完成，己經是探針卡技術必然的走向。此外，隨著通訊產業的蓬勃 發展，可進行高頻(6~40 GHz) RF IC 測試的探針卡也是重要的需求之
一。當然，隨著系統單晶片（SoC）的發展，未來探針卡必須具備可 (Ceramic ring)上。探針尖端若成一直線排列(Inline)時，尖端相鄰最小
Vertical Probe Card
min. pitch (2012) max. DUTs
適用的 Pad Layout
Epoxy Ring Vertical MicroSpring/
(MEMS)
組裝 設計
35 µm (inline) 20 µm (stagger)
1
min. pitch (2012) max. DUTs
適用的 Pad Layout
Epoxy Ring Vertical MicroSpring/
(MEMS)
組裝 設計
35 µm (inline) 20 µm (stagger)
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Cermaic Ring Cermaic Ring Epoxy Ring Probe Card
MicroSpring (MEMS) Probe Card
T1 Probe Array (MicroSpring) T2 Probe Array (MEMS) T2.1 Probe Array (MEMS) T1 Probe Array (MicroSpring) T2 Probe Array (MEMS) T2.1 Probe Array (MEMS)
Epoxy Ring Probe Card
MicroSpring (MEMS) Probe Card Epoxy Ring Probe Card
MicroSpring (MEMS) Probe Card
間距目前可達 35 µm，未來 25 µm 是其極限。另一方面，如果懸臂探 針採交錯排列(Stagger)方式擺放時，相鄰探針尖端(亦即相鄰銲墊)等 效於直線排列的最小間距可達 20 µm。使用環氧樹酯環探針卡時最大 的限制是，受測 IC 之銲墊必須為周邊(Peripheral)方式排列，例如 ASIC、Microprocessor、Memory(SDRAM、SRAM 及 Flash)、LCD driver IC 等。其中較特別的是，LCD driver IC 所使用的探針尖端較細長，
直徑小至 9 µm，因此銲墊呈一直線排列時，探針尖端相鄰最小間距 可以較小；若銲墊呈交錯排列時，相鄰探針尖端等效於直線排列的最 小間距將可以更小。但也由於針尖端較細長，探針約進行 3000 次的 測試即必須進行維護修整，比一般的 3~10 萬次短少許多。後者，每 一針在細心地維護整修下，可提供的最大測試數平均約在 70~100 萬 次。環氧樹酯環探針卡由於使用的探針長度相當長，採交錯方式擺針 時，各探針長度並不一致，導致各探針從針尖到 PCB 板之間的阻抗 並不一樣，易造成高頻訊號的相位延遲不同，因此並不適用於測試訊 號頻率超過 1.5 G 的 IC。
第二種市面常用的探針卡是『垂直式探針卡』，也是本研究『單 軸向導電膜片探針卡』主要比較的對象。它源起於 1977 年 IBM 公 司為了其所發展的 C4(Controlled collapse chip connection)製程晶片之 測試，而研發出來的 Cobra 探針卡。目前的垂直式探針卡一般是由電
路板、多層基板(Multi-layer substrate，MLS)、以及探針頭(含上、下 導孔板及探針) 等三個部分所構成，如圖 2-3 所示[4]。其中，多層基 板的作用是將原本做緊密排列的探針頂端，藉由多層基板上電路線的 設計，將其距離拉大，以利於與 PCB 板連接，因此也被稱為擴距板 (Space transformer)。目前，垂直式探針卡多用於銲墊呈陣列方式排列 之覆晶封裝 IC，如 Graphic、Chipsets 及 CSP 封裝型態 IC 產品之晶 圓級測試，最小探針間距約為 110 µm。然而，隨著微細探針製造、
微小孔鑽孔技術的進步，使用針徑 50 µm 之探針，已有探針間距 70~80 µm 之垂直式探針卡被開發出來，以應用於銲墊呈周邊排列之 記憶體 IC 的測試。垂直式探針卡具有針尖位置準確性高、在銲墊上 造成刮痕較小等優點。其每一針的壽命較環氧樹酯環探針卡短，最高 可測的次數約在 30~50 萬次。如果多層基板和探針頭的上、下導孔板 (Upper/lower die)都是用陶瓷基板製造時，針測環境溫度可從 0~125
℃。垂直式探針卡最大的缺點是和環氧樹酯環探針卡類似，是將組裝 探針頭時，必須以人工方式進行逐一裝針，導致高針數、小間距的探 針卡價格較昂貴。此外不易製成多晶粒測試模組。
圖 2-3 垂直式探針卡及其探針[4]
第三種商品化探針卡是微機電化的『微彈簧式探針卡』。它是由 美國 FormFactor 公司於 1995 年推出，目的在克服傳統 Epoxy ring probe card 應用在 DARM 測試時一次最多僅能同時測試數顆~數十顆 晶粒的技術限制。其結構基本上是由五大部分所構成：印刷電路板、
微彈簧轉接板(Interposer)、多層陶瓷擴距板、微彈簧探針及水平調整 機構(Planarizer)。第一代的微彈簧式探針(圖 2-2 中 T1)是用打線技術 在擴距板上特定位置逐根銲上金線(Gold wire)，並彎成特定的探針形 狀，再於其外表批覆一層較硬的鎳合金，形成 Micro spring probe。目 前第二代的探針(圖 2-2 中 T2 及 T2.1)都是改以微機電技術來製作成 微型懸臂探針，也因此極適合用於銲墊僅呈雙側排列的記憶體 IC 之 測試，探針腳數也可高達 2 萬針，可以一次測 300 多顆 IC，甚至可
Multi-Layer Substrate, MLS
Printed Circuit Board(PCB)
以做全晶圓(Full wafer) 檢測，是記憶體 IC 量產最常用的高階探針 卡。唯，以目前微機電製程技術水準而言，當探針間距小於 60 μm 時 困難度就增大許多，咸信 40 μm 將是其極限；此外，此種探針卡適用 的銲墊排列受限，加上 FormFactor 公司又有 70 多項專利保護，形成 壟斷，因此其他公司想要切入的機會並不大。
事實上，半導體元件不斷地朝高密度化、銲墊間距極微細化、測 試高頻化、乃至希望能一次下針就能將全晶圓測試完的方向發展。環 氧樹酯環及垂直式探針卡由於必須要用人工一根根製造及組裝探 針，不可避免地面臨針距不易縮減、針數不易超過 3000 根、人工耗 時等技術瓶頸。HP 公司即於 1988 年以類似於軟性電路板的製程，
導入微影(Photolithography)技術發展出免人工裝針的『薄膜式探針卡』
[6]。加上 FormFactor 公司之 MicroSpring 探針卡的問市，並以 MEMS 技術予以轉型提昇成功，以批次製造探針陣列，來突破相關技術瓶 頸，讓半導體測試業意識到應用 MEMS 技術的探針卡(MEMS-base probe card)或許是最可行，也是最具前瞻性的解決方法。因此，國際 上各大半導體測試業者及研究機構皆積極投入各種『微機電探針卡』
的研發。圖 2-4 即為六種代表性的微機電探針結構[5]，其中日本 JEM 發表的微機電探針卡已可將探針間距縮小至 25 μm。雖然微機電探針 卡極具發展潛力，但由於製程複雜，且並非標準化製程，而探針卡一
般又是量少樣多，因此不易獲得微機電代工廠的支援；探針卡製造業 者若要自行投資設備來製造時，又容易遭遇設備利用率偏低，製程穩 定性不易達成的瓶頸，因此真正能商品化的產品不多，大量生產的更 是只有前述 FormFactor 一家公司。
圖 2-4 六種代表性微機電探針結構[5]
表 2-1 則為各類型探針卡的優缺點之綜合比較，其中，也包括了 結構類似環氧樹酯環探針卡，但更適用於高頻 IC 測試的刀片式探針 卡。最重要的是，截至目前為止市面上所有的探針卡的探針與晶圓上 的銲墊的關係都是『1 根探針對應 1 個銲墊』。
FormFactor Phicom
AMST
Microfabrica
NanoSpring JEM
表2-1 各類型探針卡之優缺點
2-2 探針卡的設計要求
由於探針卡是用來對完成前段製程的晶圓進行基本的功能測 試，因此在設計、製造探針卡時，一些會影響到測試結果的因素就必 須 被 考 慮 進 去 。 在 機 械 設 計 方 面 必 須 考 慮 的 有 對 位 精 度 (Probe alignment accuracy)、接觸力(Contact force)、銲墊尺寸/間距/排列 (Layout)、探針針尖共平面度(Planarity)等。在電性測試方面則必須考 慮到接觸電阻(Contact resistance，CR)、訊號路徑電阻 (Signal path resistance)、漏電量(Leakage)、探針耐電流(Probe current capacity)等。
如 果 要 測 高 頻 IC ， 則 必 須 再 多 考 慮 到 頻 寬 (Bandwidth) 、 電 容 (Capacitance)、串音(Crosstalk)等等[7]。以下針對與研究目的相關的幾 項要求進行說明。
探針針尖共平面度(Planarity)
由於受到製造技能的限制，探針卡上的探針尖端並無法完全落在 同一平面上，會有些許的高低落差。位於最高點的探針尖端和最低點 的探針尖端其高低差距即為『共平面度』，也就是第一根探針接觸到 銲墊到最後一根探針接觸到銲墊之間的垂直距離。大多數的探針卡都 要求共平面度要小於 25.4 μm (千分之一英吋，1 mil)
過壓行程(Overdrive, OD)
進行 IC 測試時，當探針卡上的所有探針接觸到銲墊之後，會再
加一點往下壓的距離，以確保每根探針都能刺穿銲墊氧化層，與銲墊 做 良 好 的 接 觸 。 這 段 距 離 稱 為 『 過 壓 行 程 』 ( 亦 稱 『 過 載 行 程』)(Overdrive)，一般會控制在 25~76 μm(1~3 mil)之內。
接觸電阻與訊號路徑電阻
『接觸電阻』是指當探針尖端與 IC 上的銲墊接觸時，由於接觸 不良所引起的電流流通的阻力。造成接觸不良的可能原因則包括有：
界面的表面粗造度及薄膜物(例如氧化膜、油污等)的阻絕。接觸電阻 的大小受到探針材質、探針尖端直徑/形狀、銲墊材質以及接觸力大 小而影響。一般而言探針與銲墊的接觸電阻值平均約在 100~250 μΩ。由於確切的接觸電阻值相當不容易量測，因此一般探針卡在規 格上並不規定接觸電阻值，而改要求『訊號路徑電阻』。『訊號路徑 電阻』指的是從銲墊一路經探針、擴距板、PCB 到測試機之間的總電 阻值。
接觸力與平衡接觸力(Balanced contact force, BCF)
『接觸力』指的是測試時，探針尖端施加於接觸面的力量，一般 約在數公克到數十公克。接觸力大小受探針材料、直徑及“過壓行程”
影響。基本上，當探針一開始接觸銲點後，即開始刺穿銲墊表面的污 漬及氧化層。隨著後續探針的下壓，接觸力變大，探針尖端與銲墊金 屬的接觸面積也變大，並在銲墊表面留下針痕(Probe mark)。此時，
電流會隨著接觸面積的變大而快速增加，形成接觸電阻隨著接觸力增 加而降低的現象。
一般探針卡的規格並不是指定接觸力的大小，而是要求『平衡接 觸力』，也就是每增加 25.4 μm (1 mil) “過壓行程”時增加的接觸力。
對於環氧樹脂環探針卡常用的鎢針或錸鎢針，其平衡接觸力約為 1~2.5 gf/25.4 μm (1~2.5 gf/mil)。垂直式探針卡之鈹銅針或 Paliney®7 針的平衡接觸力則約為 0.5~1.6 gf/25.4 μm (0.5~1.6 gf/mil)。接觸力過 大時探針尖端可能會將銲墊破壞掉，甚至導致銲墊下的元件因形成微 裂而損壞；同時，接觸力愈大探針的磨耗也愈大。反之，接觸力太小 時，探針無法刺破銲墊氧化層，得到不可靠的測試結果。
2-3 單軸向導電膜片探針卡
如前所述，現有的探針卡技術全部都是使用『一探針對應一銲墊』
如前所述，現有的探針卡技術全部都是使用『一探針對應一銲墊』