單軸向導電膜片探針卡之研究

大華科技大學

機電工程研究所

碩士論文

單軸向導電膜片探針卡之研究

Study of Anisotropic Conductive

Film Probe Card

研 究 生：徐 文 月

指導教授：曾 慶 祺 博士

中華民國一〇三年七月

單軸向導電膜片探針卡之研究

Study of Anisotropic Conductive Film Probe Card

研 究 生：徐文月 Student：Wen-Yueh Hsu

指導教授：曾慶祺 博士 Advisor：Dr. Ching-Chi Tseng

大華科技大學 機電工程研究所

碩士論文

A Thesis

Submitted to Institute of Mechatronics Engineering Ta Hwa University of Science and Technology

in partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of

Master of Science in

Mechatronics Engineering July 2014

Hsinchu, Taiwan, Republic of China

誌 謝

對於本論文的完成，首先感謝指導教授曾慶祺博士對於學生諄諄 教誨與耐心指導，並給予學生在研究上自由，亦感謝工研院機械所給 予實驗的協助，感謝在這段期間一起成長的每位同學給予的關心及照 顧，更感謝兩年學習上課期間老公的接送。 最後要感謝始終關懷、鼓勵我的老公、家人，有你們當我的後盾， 讓我得以無憂無慮的完成學業，讓我有機會能在這學習、成長。僅以 這份論文獻給所有曾經協助與關心我的家人及朋友們。

單軸向導電膜片探針卡之研究

研究生：徐文月 指導教授：曾慶祺 博士 大華科技大學機電工程研究所

摘 要

本研究提出一種結合以微細金屬銅線、精密繞線及層疊技術的製 程方法，用以製作『單軸向導電膜片（Anisotropic conductive film， 簡稱 ACF）』，同時量測其接觸力與電阻值。並嘗試建立有限元素分 析模型，以模擬量測過程解釋量測值變異現象。此外，本研究亦嘗試 將導電膜片組裝成探針卡，對 Echo IC 進行測試，以驗證可行性。研 究顯示，本法可以成功地製作出長 30 mm，寬 30 mm，厚 1 mm 的單 軸向導電膜片，其中微細金屬銅線直徑 25 µm，呈現週期 50 µm 平行 排列。過壓行程低於 50 µm 時，其『平衡接觸力』為 5.2~15.7 gf/25 µm。 過壓行程大於 50 µm 時，接觸力呈現飽合，飽合值約 12.5~25 gf。由 有限元素模擬結果可推論量測結果的變異來自於“針尖落點相對於導 電膜上微細銅線之間的偏移”。導電膜片的穩定『訊號路徑電阻』值 約為 23.5~26 mΩ。導電膜片組裝成探針卡後，可成功地對 Echo IC 進 行 9 項功能測試，測試 500 顆之測試良率可以達 90%。 關鍵字：單軸向導電膜、過壓行程、平衡接觸力、有限元素分析。

Study of Anisotropic Conductive Film Probe Card

Student：Wen-Yueh Hsu Advisor：Dr. Ching-Chi Tseng Institute of Mechatronics Engineering

Ta Hwa University of Science and Technology

Abstract

This study proposes an ACF (Anisotropic conductive film) manufacturing process combining fine-metal-wire precision winding with laminating technology. The contact force and resistance of the ACF are measured. A finite element analysis model was established to simulate the measurement, and was used to explain the variation of measured values. In addition, this study also assembled an ACF probe card for Echo IC testing to verify the feasibility. Results show that an ACF with 30 mm(Length) × 30 mm(Width) × 1 mm(Thick) could be successfully produced, in which the diameter of fine metal wire is 25 μm, pitch is 50 μm. While the overdrive is less than 50 μm, the "balanced contact force" of the ACF is 5.2 ~ 15.7 gf / mil. If the overdrive is greater than 50 μm, the contact force is saturated. The saturation value is about 12.5 ~ 25 gf. From the finite element simulation, it could be deduced that the variation of measured values results from the "needle tip offset relative to fine copper wire." The stable "signal path resistance" of the ACF is about 23.5 ~ 26 mΩ. The assembled ACF probe card could successfully carry out functional testing on Echo IC, test yield was up to 90% out from 500 tests.

Keywords : Anisotropic conductive film; Overdrive;

目錄 誌謝... I 中文摘要...II 英文摘要...III 目錄...V 圖目錄...VII 表目錄...IX 第一章 緒論...1 1-1 前言...1 1-2 研究動機...4 第二章 文獻回顧...5 2-1 探針卡簡介...5 2-2 探針卡的設計要求...13 2-3 單軸向導電膜片探針卡...16 第三章 實驗方法與步驟…...20 3-1 單軸向導電膜片製程...20 3-2 單軸向導電膜片量測...23 3-3 有限元素模擬分析…...26 3-3-1 有限元素法…...26

3-3-2 ANSYS 軟體簡介...27 3-3-3 單軸向導電膜片有限元素模型...28 第四章 結果與討論...39 4-1 單軸向導電膜片製作...39 4-2 單軸向導電膜片平衡接觸力及路徑電阻值...41 4-3 平衡接觸力之有限元素分析...43 4-3-1 模擬模型修改...44 4-3-2 針尖落點對接觸力的影響...48 4-4 單軸向導電膜片探針卡與實測...49 第五章 結論………...52 參考文獻…..………...53

圖目錄 圖 1-1 半導體技術發展里程...2 圖 1-2 單軸向導電膜片探針卡示意圖...3 圖 2-1 探針卡發展歷程...5 圖 2-2 商品化使用中的探針卡產品類型...6 圖 2-3 垂直式探針卡及其探針...9 圖 2-4 六種代表性微機電探針結構...11 圖 2-5 以 LIGA 堆疊法製作單軸向導電膜片的流程示意...17 圖 2-6 繞線法製作單軸向導電膜片製程...17 圖 3-1 單軸向導電膜片示意圖...20 圖 3-2 『精密繞線層疊法』製作單軸向導電膜片製程...21 圖 3-3 繞線用精密車床(型號: OKUMA LR10-M)...21 圖 3-4 微細銅線架設示意圖...22 圖 3-5 單軸向導電膜片探針卡結構示意圖...24 圖 3-6 量測之接觸力及『訊號路徑電阻』所使用的荷重試驗機...25 圖 3-7 單軸向導電膜片模擬分析幾何模型...30 圖 3-8 網格劃分後的導電膜片分析模型...32 圖 4-1 繞線後上膠固化結果...39 圖 4-2 單層導電膜片...40

圖 4-3 堆疊與加壓後之導電膜塊...40 圖 4-4 切片後導電膜片...41 圖 4-5 導電膜片之『接觸力』與『訊號路徑電阻』量測結果………....42 圖 4-6 探針針尖(半球形凸塊)落點與微細銅線的相對位置...44 圖 4-7 探針針尖(半球形凸塊)落點 25 µm 時之等效應力分布圖...45 圖 4-8 探針針尖(半球形凸塊)落點與微細銅線的相對位置...45 圖 4-9 “接觸力 vs.過壓行程”之線性模擬結果...46 圖 4-10 “接觸力-過壓行程”之大位移非線性模擬...47 圖 4-11 針尖落點偏移量對接觸力之影響...48 圖 4-12 單軸向導電膜片探針卡測試載具─Echo IC...50 圖 4-13 單軸向導電膜片探針卡雛型...50 圖 4-14 測試後 Echo IC 的銲墊及微細銅線在其上留下之針痕...51 圖 4-15 Echo IC 以單軸向導電膜片探針卡進行功能測試之結果...51

表目錄

表 2-1 各類型探針卡之優缺點...12

表 3-1 有限元素模擬材料性質表...29

表 3-2 不同網格密度下凸塊反作用力的運算結果...31

第一章 緒論

1-1 前言 半導體產業中 IC 的發展關係著我們日常生活中的通訊、資訊或 消費性等產品之品質與性能至鉅，因此如何提升半導體 IC 產業的產 能是很重要的課題，檢測 IC 元件是否正常的探針卡(Probe card)能否 符合發展需求也就十分重要。 在半導體製程中，晶圓在前端製程完成但尚未進行後段切割封裝 之前，必須先以測試機(Tester)及探針卡對晶圓階段的 IC 進行電氣特 性測試，除了可以將結果回饋給前段製程，進行微調，以確保晶圓的 良率；同時，也可以先將不良品淘汰，避免後段封裝製程的浪費，達 到降低成本與增加產能的目的。測試時，則是測試機通過探針卡上的 探針與 IC 晶片上的銲墊（Pad）或凸塊（Bump）接觸，構成測試迴 路。測試機發出的訊號藉由探針的傳遞，送入晶片，再將晶片回饋資 料傳送回測試機進行分析與判斷，據以檢測晶圓上每一顆晶粒的功能 是否正常。 根 據 2012 年 國 際 半 導 體 技 術 藍 圖 （ International technology roadmap for semiconductors，簡稱 ITRS）的調查指出[1]：2012 年 IC 最小線寬為 32 nm，打線(Wire bond)封裝之 I/O 銲墊間距（Pitch）最 小為 35 μm，覆晶(Flip-chip)封裝之 I/O 銲墊間距最小為 110 μm。未

來 2015 年 IC 最小線寬將降到 21 nm，打線封裝 I/O 銲墊間距最小為 25 μm，覆晶封裝之 I/O 銲墊間距最小為 80 μm，如圖 1-1 所示。 21 nm 32 nm 80 µm 110 µm 25 µm 35 µm 0 50 100 150 200 250 300 350 400 2005 2010 2015 2020 Lin e 1/ 2 Pit ch , n m 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Pa d Pi tc h, u m IC Line1/2 Pitch

Flip-chip pad pitch

Wire bond pad pitch

圖 1-1 半導體技術發展里程[1,2]

實事上，造成銲墊間距很難持續縮小的瓶頸之一正是來自於半導 體測試所需的探針卡的探針密度無法提高。這是因為目前的探針卡都 是以『一根探針對應一個 I/O 銲墊』的概念來進行設計，受“探針過 細時強度會不足的”限制，導致探針間距不易小於 80 μm(for flip-chip) / 25 μm(for wire-bond)。如果探針卡無法突破此一瓶頸，未來 IC 之 I/O 銲墊以及晶粒面積將無法繼續縮小，不利於 IC 產率的提昇，也無法 滿足未來 3D IC 銲墊間距小於 20 μm 的需求。因此半導體業者無不 全力開發新的探針卡技術，以求突破此一瓶頸，唯至今仍尚未獲得有 效解決方案。

探針卡的構想，如圖 1-2 所示[3]。其想法係在彈性的絕緣高分子材料 內植入許多直徑約 2~10 µm 且呈平行排列的微細金屬絲，並使金屬絲 的排列方向垂直於膜片，構成高密度單軸向導電膜片。由於金屬絲微 線很細，因此一個銲墊可對應數根超微細金屬絲，顛覆傳統探針卡“一 探針對應一銲墊”的設計。可以預見，未來如果金屬絲微線真的可以 細至 2 µm，即使銲墊間距縮小至 20 µm 以下，「高密度單軸向導電 膜片」探針卡仍可滿足針測的需求。 銲墊(Pad) 待測晶片(wafer) 單軸向導 電膜片 電路板 電路板銲墊 電路板銲墊 銲墊(Pad) 待測晶片(wafer) 單軸向導 電膜片 電路板 電路板銲墊 電路板銲墊 圖 1-2 單軸向導電膜片探針卡示意圖[3]

1-2 研究動機 『單軸向導電膜片探針卡』構想要能成功的最主要的關鍵在於是 否能製造出耐溫、高彈性、耐疲勞，且機械及電性皆能符合針測需求 的單軸向導電膜片。本論文的目的即在提出一種以結合超精密車床、 精密滾輪繞線與層疊法的全新「高密度單軸向導電膜片」製程，量測 其平衡接觸力及電阻等性能，並嘗試以有限元素法進行模擬分析，與 實驗值比較，解釋接觸力量測現象。

第二章 文獻回顧

2-1 探針卡簡介

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 以同步測試邏輯、記憶體、類比 IC 的功能。

圖2-2 商品化使用中的探針卡產品類型[2,4,5,7]

由圖 2-2 可知，『環氧樹酯環探針卡』為一種懸臂樑式探針卡 (Cantilever probe card) 。 主 要 由 印 刷 電 路 板 (Printed circuit board, PCB)、探針(Needle)、環氧樹酯和環型基座等四部分所構成。其懸臂 探針的製作一般是以線徑 125 µm 的錸鎢合金(97%W-3%Re)線經過蝕 刻製程將針尖削銳後，再予以折彎成型。組裝時，必須以人工方式逐 一將數十根至上千根探針針尖與待測晶片上的銲墊位置一一對準，探 針針尾則以扇形散開(Fan out)，並以環氧樹脂黏合在環型陶瓷基座 (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 手工 一針對應一銲墊， 每當銲墊位置改變時，探針卡都要重新設計製造 110 µm 1 手工 60 µm 256 Bonding 16 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 手工 一針對應一銲墊， 每當銲墊位置改變時，探針卡都要重新設計製造 110 µm 1 手工 60 µm 256 Bonding 16 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

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

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 銲墊排列型式 探針卡架構類型 優點 缺點 邊緣式排列 懸臂式（環氧樹脂） 價格便宜、製作週 期短比較快捷。 需人工組裝、應用 於低頻市場。 刀片式 易加工、易修理、 結構穩定與抗干 擾性好。 低電流低密度測 試。 陣列式排列 垂直式 針角數多、探針定 位精確與接觸效 果好。 價格昂貴。 薄膜式 可做多晶測試、可 測高頻、探針與凸 快可以隨意擺 置、探針卡維護容 易。 探針不具彈性、針 數多的話平坦度 很難控制、價格昂 貴。 微彈簧式 探針具有彈性。 價格昂貴、製作不 易。 微機電式 製程容易、可製作 大面積。 探針結構強度與 施力不足。

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』 的架構來設計，探針過細時強度會不足，因此，探針有效間距不能無 限縮小，導致測試覆晶封裝 IC 之垂直式探針卡的探針間距不易小於 80 μm，而一般打線封裝 IC 之環氧樹酯環探針卡的探針間距也不易小 於25 μm。探針腳數(Pin counts) 也不易多於 3,000 pins。而且，每一 客製化探針卡僅適用於一種 IC 銲墊排列；不同的 IC 元件所需要的探 針卡，其探針模組往往必須因其銲墊位置排列改變而必須重新設計、 製造及組裝。如果探針卡無法突破此一瓶頸，未來 IC 之 I/O 銲墊以 及晶粒面積將無法繼續縮小，不利於 IC 產率的提昇，也無法滿足未 來 3D IC 銲墊間距小於 20 μm 的需求。 因此，工研院機械所提出了一種「高密度單軸向導電膜片」探針 卡的構想，如圖 1-2 所示。並提出多種製作「高密度單軸向導電膜片」 可能的製程，包括 LIGA 堆疊法(如圖 2-5 所示)、繞線(如圖 2-6 所示)、 雷射光刻捲繞法、奈米碳管法等。以這些方法在彈性的絕緣高分子材 料內植入許多微細金屬絲(直徑約 2~25 µm)，並使金屬絲呈平行排 列，且排列方向垂直於膜片，構成高密度單軸向導電膜片。 吳建儒[8]以 LIGA 堆疊法(如圖 2-5 所示)製作線徑 10 µm、 線距 35.8 µm、厚 5.8 mm 的單軸向導電膜片。其中，平行的微細金屬線的

圖 2-5 以 LIGA 堆疊法製作單軸向導電膜片的流程示意[2,8] 圖 2-6 繞線法製作單軸向導電膜片製程(a)繞線方式示意圖，(b)繞線 而得的方形線圈(虛線為裁切線)，(c)單軸向導電膜片，(d)導 電膜片之表面顯微結構[2,9]。 (a) (b) (c) (d) (一)製膜 (二)濺鍍導電膜 及光阻 (三)曝光、顯影 (四)電鍍微線 Si PI薄膜 7.5um 導電膜 0.1um 光阻 7 um 微線寬 5um (五)去光阻 (六)蝕刻去除導電膜 (七)上膠 (八)剝膜、堆疊 及裁切

屬線的材質為鎳鈷合合。當單軸向導電膜片面積為 100 × 100 µm2 時，含有 25 根鎳鈷微細線，膜片的實測平衡接觸力約為 0.0063 gf/mil OD，較一般的 1 gf/mil OD 小很多。另以探針量測儀測得的電阻值約 為 4.15 Ω。該研究並將單軸向導電膜片視為 PE 基材、AB 膠及鎳鈷 微細線的複合材料，以等效面積法計算出「複合楊氏係數」和「複合 慣性矩」，再輔以挫曲理論之尤拉公式計算出，面積為 100 × 100 µm2 時，要造成挫曲的臨界負載為 2.57 gf。惟該研究並未對於“改變金屬 線的直徑、長度、排列方式及排列密集度會對平衡接觸力造成什麼樣 的影響”做出研究。此外，由於 LIGA 技術必須運用到曝光、顯影、 電鍍等多道製程(如圖 2-5 所示)，耗工耗時，非常不利於這項技術的 商品化應用。 陳明良[9]則運用線圈繞線機，以繞線法製作厚度為 0.6 mm 及 1 mm 單軸向導電膜片，如圖 2-6 所示。其中，平行的微細金屬線的材 質則為純銅，在導電膜片横截面中呈隨機分佈，平均線距為 38 µm， 如圖 2-6(d)所示。該研究並以有限元素分析軟體 ANSYS 對製作而成 的單軸向導電膜建立有限元素模型，並使用此有限元素模型進行針測 過程的模擬分析。唯，該研究之探針分布為隨機分布，平均線距小， 因此，平衡接觸力約為 10.4 gf/25 µm，較一般探針卡的規格要求 1～ 3 g/25 µm 略大。此外，該研究也尚未將單軸向導電膜片實際組裝成

探針卡進行 IC 功能測試，以驗證『單軸向導電膜片探針卡』的可行 性。 本研究提出一改良型的精密繞線層疊法，可以用來製作單軸向導 電膜片，不但可以使其中的平行微細金屬銅線在導電膜片横截面中呈 現近似週期排列，而且可以拉大線間距離，以降低平衡接觸力。並將 導電膜片組裝成探針卡，對 Echo IC 進行測試，以驗證可行性。此外， 本研究亦嘗試以有限元素分析軟體 ANSYS 進行單軸向導電膜片的接 觸力模擬，與實驗值比較，解釋接觸力量測現象。

第三章 實驗方法與步驟

3-1 單軸向導電膜片製程 如前所述，本研究的目的之一是提出一改良型的精密繞線層疊法 用以製作單軸向導電膜片(如圖 3-1 所示)，並製作成探針卡，以驗證 其可行性。單軸向導電膜片的製程簡述如下(參考圖 3-2) ： (1) 準備不鏽鋼滾筒，其上電鍍 2 mm 厚純銅，以超精密加工機，將 銅表面加工鏡面。將加工後之精密滾筒表面鍍上厚度 1 µm 之無 電解鎳(化學鎳)以延長精密滾筒的壽命。將完成之精密滾筒架設 於 CNC 精密車床(型號: OKUMA LR10-M，如圖 3-3)之旋轉軸上。 (2) 取直徑 25 µm 的微細銅線(ELEKTRISOLA, Type: FSP18)，依圖 3-4 方法架設於精密車床上。設定車床轉速 20~100 rpm、每轉進 給量 0.05 mm，在精密滾筒上進行繞線。繞線區幅寬 280 mm。 1 mm 30 mm 30 mm 25 µm 25 µm微細銅線 絕緣膠 25 µm 25 µm微細銅線 絕緣膠 1 mm 30 mm 30 mm 1 mm 30 mm 30 mm 25 µm 25 µm微細銅線 絕緣膠 25 µm 25 µm微細銅線 絕緣膠

圖 3-2 『精密繞線層疊法』製作單軸向導電膜片製程 圖 3-3 繞線用精密車床(型號: OKUMA LR10-M) 銅線φ25 um (a)精密繞線 (b)上UV膠及固化 (c)單層導電膜片 片 (d) 層疊、切片 UV膠 不鏽鋼滾筒

圖 3-4 微細銅線架設示意圖 (3) 完成單層繞線後，於銅線區塗上矽膠基紫外光硬化膠(UV 膠)， 再用 100W UV 光源照射 UV 膠，令其固化。如圖 3-2(b)所示。 (4) 將繞線膜片拆下後，形成單層導電膜片。如圖 3-2(c)所示。 (5) 並在單層導電膜片膜片上塗佈液態 RTV Silicone rubber 黏著劑 後，依次堆疊加壓，形成導電膜塊。 (6) 將堆疊形成之導電膜塊沿著與微細銅線垂直的面，以水刀進行切 片，如圖 3-2(d)所示，形成厚度為 1mm 的單軸向導電膜片。 280 mm

3-2 單軸向導電膜片量測 本研究探討的完整單軸向導電膜片探針卡是由電路板、擴距板、 以及單軸向導電膜片等三個部分所構成，如圖 3-5 所示。其中，擴距 板與單軸向導電膜片接觸點為半球形凸塊，其作用為在探針卡下壓 時，提供導電膜片與晶圓上 I/O 銲墊(Pad)有更好的導通接觸。因此在 設計、製造導電膜片時，在機械性質方面必須考慮平衡接觸力。在電 性方面則必須考慮到接觸電阻；但是，由於確切的接觸電阻值相當不 容易量測，因此本研究以量測導電膜片的『訊號路徑電阻』來取代接 觸電阻。這裡的『訊號路徑電阻』指的是從銲墊經微細銅線到測試探 頭之間的電阻值。 本實驗量測不同“過壓行程”之接觸力及『訊號路徑電阻』所使用 的實驗設備為順瑩公司(SE Testsystems) 型號 Model:715A 的荷重試 驗機，如圖 3-6(a)所示。量測時，如圖 3-6(b)所示，導電膜片放置於 鍍金平台(模擬待測晶圓)上，上方則以針尖呈半球狀(球半徑 50 µm，模擬凸塊)的探針直接施壓於導電膜片上，以此來模擬凸塊-導 電膜-銲墊之間的接觸關係。量測前，先不放導電膜片，直接空測探 針之“平衡力- 探針下壓行程”的關係，並同步量測“探針及鍍金平台 之路徑電阻值”。正式量測時，放上導電膜片後，量得“平衡力- 總 下壓行程”及“總路徑電阻值”(含探針、導電膜片及鍍金平台)。將“平

衡力- 總下壓行程”扣除“平衡力- 探針下壓行程”即可得到“平衡力- 導電膜片下壓行程”。將“總路徑電阻值”扣除“探針及鍍金平台之路 徑電阻值” 即可得到“導電膜片路徑電阻值”。

待測晶圓 銲墊

單軸向導電膜片探針卡(ACF probe card)

導電膜 (~1 mm thick) 多層擴距板 PCB板 凸塊 待測晶圓 待測晶圓 銲墊

單軸向導電膜片探針卡(ACF probe card)

導電膜 (~1 mm thick) 多層擴距板 PCB板 凸塊 導電膜 (~1 mm thick) 多層擴距板 PCB板 凸塊 圖 3-5 單軸向導電膜片探針卡結構示意圖 (a)

(b)

圖 3-6 量測之接觸力及『訊號路徑電阻』所使用的荷重試驗機 (a) SE Testsystems Model:715A 荷重試驗機，(b)平衡接觸力實驗設置。

3-3 有限元素模擬分析 本研究的目的之一即在針對所製作的「單軸向導電膜片」以及 3-2 節 之 平 衡 接 觸 力 量 測 結 果 ， 嘗 試 以 有 限 元 素 軟 體 ANSYS Workbench 建立一個模擬分析模型，並與量測結果加以比較驗證。希 望未來在設計製造不同厚度、不同微金屬線徑/間距的導電膜片探針 卡前，即可藉由此一分析模型，事先預估導電膜片與 I/O 銲墊的平衡 接觸力。 3-3-1 有限元素法[10,11] 有限元素法是一種數值的程序，可以用來求解像是包含應力分 析、熱傳、電磁及流體流動等廣泛的工程問題。現代有限元素法的起 源，可回溯 1900 年的早期，當時一些研究者用相同的不連續彈性桿 來模擬和塑造連續性，而 Courant（1943）被認定為是第一個發展出 有限元素的人，在 1940 年早期 Courant 所發表的文件中，使用連續 的多項式內插三角形區塊，來研究扭曲的問題。其次比較重大發現是 在 1950 年時，波音公司也採用了有限元素法，利用三角形應力元素 來模擬機翼，隨後也有很多家公司跟進。直到 1960 年 Clough 定名有 限元素才廣為流傳。1960 年代期間，研究的學者開始將有限元素應 用 到 其 他 的 工 程 領 域 ， 像 是 熱 傳 遞 和 滲 透 問 題 。 在 1967 年 ，

Zienkiewicz 和 Cheung 寫了第一本完全是介紹有限元素的書，1971 年 ANSYS 第一次發表。 3-3-2 ANSYS 軟體簡介[10,12,13] ANSYS 是一種普遍性高且功能強大且令人印象深刻的工程用之 有限元素工具分析軟體，已成功地帶領 FEA 程式已超過 20 年之久。 現今 ANSYS Workbench 版本則是以一個全新的面貌呈現，結合使用 者圖形介面的多層視窗，下拉式選單，對話框和工具列。 ANSYS 它能同時分析結構物受到靜力、動力、熱傳遞及流體流 動等多重物理現象影響時的變化，也可處理穩態、暫態、線性與非線 性問題。因此它可應用於航空太空、汽車工業、生物醫學、橋樑、建 築、電子產品、重型機械、微機電系統、運動器械等工業領域。 以 ANSYS 進行有限元素分析的步驟主要包括三個部分：前處理 模組、分析計算模組、後處理模組。 前處理模組提供了一個強大的實體建模（選定分析型態、設定元 素、給予材料參數）及網格劃分工具並給定邊界與負載條件，使用者 可以方便地構造有限元模型。 分析計算模組包括結構分析（可進行線性分析、非線性分析和高 度非線性分析）、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分

析以及多物理場的耦合分析，可類比多種物理介質的相互作用，具有 靈敏度分析及最佳化分析能力。 後處理模組可將計算結果以彩色等值線顯示、梯度顯示、向量顯 示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結構 內部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結果以圖表、曲線形式顯示 或輸出。 ANSYS 軟體提供了 100 種以上的單元型別，用來類比工程中的 各種結構和材料。該軟體有多種不同版本，可以執行在從個人機到大 型電腦的多種電腦裝置上，如 PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM， CRAY 等。 3-3-3 單軸向導電膜片有限元素模型 以 ANSYS Workbench 進行有限元素分析的步驟如下：

1. 建立專案(Project)：開啓 ANSYS Workbench 後，首先於 Toolbox 中 分 析 系 統 (Analysis system) 裡 ， 點 選 靜 態 結 構 分 析 (Static structural)，並將其拖曳至專案管理視窗(Project schematic)，形成 Static Structural 分析流程模組。

2. 材料性質：點選 Static Structural 分析流程模組中的 工程數據 (Engineering data)，輸入需要用到的材料性質，如表 3-1 所示。

表 3-1 有限元素模擬材料性質表 部位 材質 密度 (g/cm3) 楊氏系數 (MPa) 蒲松比 抗拉強度 (MPa) 細銅線 銅 8.9 124,000 0.34 200 絕緣膠 矽膠 1.37 6.49 0.49 48.3~72.4 凸塊 鋼 7.87 211,000 0.28 444

3. 幾何模型建立：點選 Static Structural 分析流程模組中的 Geometry (幾何)，進入 Design Modeler，建立有限元素分析所需要的幾何模 型，如圖 3-7 所示。然而在模擬分析所需的幾何模型尺寸上，如果 依照實際的導電膜片進行建模，後續進行模擬分析時，將會因單 元(Element，或稱“元素”)與節點(Node)的數量過大，導致需要 巨量的運算時間，所以本研究建立的導電膜片幾何模型中，絕緣 矽膠之長寬各為 0.2 mm (200 μm)，高為 1 mm。其中的微細銅線直 徑 0.025 mm (25 μm)，微細銅線長 1 mm，數量為 9 根，呈 3×3 陣 列排列，其長、寬方向上中心間距皆為 50 μm。導電膜片上方的半 球形凸塊之球半徑為 50 µm。

(a) (b)

圖 3-7 單軸向導電膜片模擬分析幾何模型 (a)等視角圖(b)上視圖 4. 材料指定：建完幾何模型並儲存後，回到 ANSYS Workbench 專案

管理視窗，點選 Static Structural 分析流程模組中的模型(Model)， 進入 ANSYS Mechanical 操作界面後，點選左側樹狀結構(Outline) 中 Project→Model→→Geometry。此時，ANSYS 會自動展開所有 的零件。使用者必須為所有的零件，依步驟 2 所建立的材料性質， 逐一指定其所對應的材料。 5. 網格劃分(Meshing)： 網格劃分的設定是在進入 ANSYS Mechanical 操作界面後，點 選樹狀結構中 Project→Model→Mesh。網格劃分的目的是將幾何 模型予以分割離散，形成單元。軟體在運算時，只會針對網格的 1 mm 200 μ m 200μ m 100μ m 50μ m 25μ m 200 μ m 200μ m 100μ m 100μ m 50μ m 25μ m 25μ m

自動生成網格。使用者亦可以自行調整設定，進行網格的劃分。 網格的疏密程度直接影響到計算結果的精度。原則上網格愈 密，運算結果精度愈高，但會增加 CPU 計算時間和儲存資料所需 空間。合理的做法是，當運算結果不再隨網格密度提高而有明顯 改變時，以該網格密度為最有效率的網格劃分。 本研究在網格劃分上，先採用 Workbench 自動生成的網格， 其後調整網格設定內的 Relevance 及 Relevance Center 形成不同的 網格劃分，並檢驗過壓行程 30 μm 時，半球形凸塊球殼(針尖)所承 受的反作用力運算結果，如表 3-2 所示。結果顯示，以 Workbench 自動生成的網格劃分(包括 16,839 個元素、86,535 個節點，如圖 3-8 所示)進行運算時，其反作用力已趨穩定，因此實際模擬時即採用 此網格劃分進行運算。其中，所有的單元(元素)類型，皆為三維實 體單元 Solid 186 或 Solid 187。Solid 186 為 20 節點的六面體單元， Solid 187 則為 10 節點的四面體單元。

表 3-2 不同網格密度下凸塊反作用力的運算結果

Element 數目 14118 16839 19498 20928 Node 數目 70772 86535 97344 104474 Force@OD30 μm 254.03 274.34 274.38 274.72

圖 3-8 網格劃分後的導電膜片分析模型 6. 接觸條件設定：由於導電膜片平衡接觸力的模擬分析牽涉到微細 銅線、絕緣矽膠、半球狀凸塊等多個零件，因此，本分析屬於接 觸狀態改變的非線性問題。在進行這類問題的分析之前，需要設 定各個零件表面之間的接觸關係，讓程式知道模型中哪些表面是 接觸的，哪些部分可能會相互接觸。同時也要在成對的 2 接觸面 中定義出何者為目標面(Target surface)，何者為接觸面(Contact surface)。原則上，目標面是不可被穿透的面，而接觸面是允許被 穿透。一般情況下，軟質材料與硬質材料接觸時，硬質材料(剛體) 之表面被當作目標面，軟質材料(柔體)之表面被當作接觸面。 接觸條件的設定，必須點選樹狀結構中 Project→Model→

接觸對，並將其接觸類型內定定義為 Bonded。使用者必須將分析 過程中可能發生的接觸對逐一加入，並對所有接觸對的接觸類型 進行必要的修改。對於面與面的接觸，ANSYS Workbench 中有種 可以用的接觸類型：Bonded、No Separation、Frictionless、Frictional 及 Rough。前 2 種是線性分析；後 3 者是非線性分析，允許接觸 對的 2 個面之間可以在分析過成中產生分離間隙。對於 3D 物件的 模擬，ANSYS Workbench 會在求解開始時自動在目標面上使用 TARGET 170 目標單元，而在接觸面上使用 CONTA173(4 節點四 邊形)單元，或 CONTA174(8 節點四邊形)單元。 由於本分析之導電膜片是由微細銅線與絕緣矽膠所構成，因 此我們設定所有銅線與矽膠之接觸對皆為 Bonded，且以銅線表面 為目標面，矽膠面為接觸面。另一方面，半球狀凸塊由於是由材 質是鋼，硬度都遠大於銅和矽膠，而且是緩慢壓入導電膜片，因 此 我 們 設 定 半 球形 凸 塊 -銅 、 半 球形 凸 塊 -矽 膠 的 接觸 類 型 為 Rough，而且皆以半球狀凸塊為目標面，銅和矽膠為接觸面。 雖然在 ANSYS 程式的設計上，一個接觸對中的目標面是不 可被穿透的面，而接觸面是允許被穿透。但在實際的物理現象中， 處於接觸狀態下的兩個面基本上是不互相穿透的；而且，過度的 穿透亦會導致精度的降低；因此，程式必須在這兩個面之間建立

一種關係式，防止它們在有限元分析中相互穿透。這種程式以一 種 接 觸 方 程 式 來 阻 止 相 互 穿 透 被 稱 為 強 制 接 觸 協 調 (Enforce contact compatibility)。ANSYS 提供了 4 種接觸方程式來進行強制 接觸協調： (1) 穿透函數(Pure Penalty，又稱罰函數)：在兩個面上的節點之間 用一個接觸“彈簧”來聯結。當兩個面分開時，彈簧不起作用； 當面開始穿透時，彈簧起作用以減緩穿透，亦即FN = kNormal×δP。

FN為接觸力，kNormal為接觸剛度(Contact stiffness)，δP為穿透量。

此法對於接觸剛度設定值的大小很敏感。接觸剛度設定得愈大 穿透愈少，精度愈高。但剛度太高時，一個微小的穿透可能會 產生一個過大的接觸力，導致在下一次疊代運算中可能會將接 觸面推開，引起收斂振盪，並且常會發散，不易收斂。反之， 接觸剛度太低則接觸物體彼此穿透太深而產生誤差。如果接觸 的 2 物體都是剛體(Rigid body)時，則 ANSYS Workbench 內定 Pure Penalty 來進行強制接觸協調。

(2) 拉格朗日(Normal Lagrange)：此法，在接觸面的切線方向

(Tangential direction)上，仍採用 Penalty 彈簧；但是在接觸面的 法向上，直接增加一個自由度--接觸壓力(Contact pressure)，直 接迫使穿透為零。因為是零穿透，所以精度很高。因為不使用

法向接觸剛度，因此對接觸剛度不敏感。但因為增加一個自由 度，造成計算量大增。選用這個方法時，不能使用求解法(Solver type)選項裡的疊代法(Iterative)。此法適用於：(a)精度要求很 高，(b)材料非線性主導，(c)滑移量大(Large sliding)的穩定邊/ 角接觸(Stable contact at corner/edge)，(d)多次嘗試調整接觸剛度 後仍無法使結果收歛的情況。此法因為不允許穿透存在，因此 在 運 算 過 程 中 ， 接 觸 點 的 狀 態 經 常 是 在 非 接 觸 / 接 觸 (Open/closed)的狀態之間來回振盪，導致收歛不易。

(3) 增廣拉格朗日(Augmented Lagrange)：此法是將 Penalty 與 Normal Lagrange 法結合在一起；亦即 FN = kNormal×δP + λ，λ為

增加的一個自由度--接觸壓力。相對於 Penalty 法，本法因為增 加了一個自由度(λ)，不但使得運算對接觸剛度變得較不敏 感，穿透量也得以變小，提高精度。相對於 Normal Lagrange 法，本法因為允許一微量的穿透存在，使得非接觸/接觸的狀態 振盪現象得以被消弭，使得收歛更容易。實作上，是讓使用者 可以自訂接觸剛度和穿透容差(TOLN)後，程式自動給定一接觸 壓力，反覆運算達到平衡後，檢查穿透量是否小於穿透容差。 若穿透量大於穿透容差，程式會增加接觸壓力，繼續反覆運算。 使用者在設定接觸剛度及穿透容差的原則為：先使用較小的接

觸剛度及較大的穿透容差進行模擬運算，再逐步加大接觸剛 度，降低穿透容差，使得運算結果量值(如最大等效應力值 SEQV) 趨於穩定。如果運算時，無法收歛是由“過大的穿透”所引起的， 其改善的方法是將法向接觸剛度因子(FKN)值或穿透容差因子 (FTOLN)調大。如果運算時，無法收歛是由“不平衡力和位移增 量要達到收歛需要更多的迭代次數”，其改善的方法是降低 FKN 值。除了剛體-剛體接觸外，ANSYS Workbench"對其他接觸對 皆內定 Normal Lagrange 來進行強制接觸協調。

(4) 多點拘束 (Multi-point constraint，MPC)：此法適用於 Bonded 以及 No Separation 接觸型態。基本上是直接而有效地在接觸的 兩個面上的節點之間加上限制式(Constraint equations)，將節點 其予以束縛住，防止產生相對運動。對於小位移(Small deflection) 情況而言，MPC 是一種真線性接觸(True linear contact)。

根據以上的說明，本研究進行導電膜片的模擬分析時，接觸 條件的設定如表 3-3 所示。

表 3-3 有限元素模擬接觸條件設定表 接觸對 接觸類型 接觸方程式 探測球徑 (PINB) 銅線-絕緣膠 Bonded Augmented Lagrange 2 μm 凸塊-銅線 Rough Augmented Lagrange 2 μm 凸塊-絕緣膠 Rough Augmented Lagrange 2 μm 7. 邊界條件設定： 邊界條件的設定是在點選樹狀結構中 Project→Model→Static Structure 後，按滑鼠右鍵，選擇 Insert，再點選所要加入的負載或 約束。由於本研究欲模擬的情境(參考圖 3-5)為導電膜片下方受待 測晶圓上推一給定行程，而導電膜片上方之半球形凸塊、多層擴 距板及 PCB 板皆固定不動，因此我們設定： (1)導電膜片(9 根細銅線及絕緣膠)的底部受一僅垂直向上的位 移，總位移量為 50 μm，並搭配 Analysis Settings (分析設定)將 Number Of Steps 設定分為 50 步，每一步的位移增量為 1 μm； (2)導電膜片(9 根細銅線及絕緣膠)的頂部被限制為僅可做垂直上 下的位移，而横向位移為零； (3)由於半球形凸塊固定不動，所以我們將半球形球殼設定為固定 (Fixed Support)。

8. 結果查看：

結果查看的設定是在點選樹狀結構中 Project→Model→Static Structure→Solution 後，按滑鼠右鍵，選擇 Insert，再點選所要查看 的項目。我們選擇觀查 Total Deformation、等效應變(von Mises strain)、等效應力(von Mises stress)及半球形凸塊球殼(針尖)所承受 的反作用力(Force reaction)。其中，半球形凸塊球殼所承受的反作 用力即為導電膜片在測試時所建立的接觸力。

第四章 結果與討論

4-1 單軸向導電膜片製作 將直徑 25 µm 的銅線，以 CNC 精密車床搭配滾筒進行繞線， 控制主軸每轉進給量為 50 µm，使相鄰 2 線中心距離為 50 µm。完 成幅寬 280 mm 的單層繞線後，將滾筒兩側無銅線纏繞裸露部分使 用鐵氟龍膠帶遮蔽。於銅線區域滴入適量矽膠基紫外光硬化膠(UV 膠)後，使用刮片均勻地將 UV 膠塗布在完成的線圈上。最後以 100W 的 UV 光源照射 UV 膠，固化後結果如圖 4-1 所示。 圖 4-1 繞線後上膠固化結果 完成 UV 膠固化後，撕去滾筒兩旁鐵氟龍膠帶，再以美工刀沿 滾筒軸向將膜片切開。將繞線膜片拆下後，形成寬 280mm，長 500 mm 的單層導電膜片，如圖 4-2 所示。由圖 4-2(b) 顯微結構可見微 細銅線的確以單一方向週期性規則排列。

(a) (b) 圖 4-2 單層導電膜片(a)為完整單層膜片外觀圖，(b)為顯微結構圖。 將單層導電膜片裁成長 100 mm, 寬 30 mm 的大小，並在膜片 上塗布液態 RTV Silicone rubber 黏著劑後，依次堆疊加壓，如圖 4-3 所示。堆疊形成之導電膜塊總層數約 500 層。 圖 4-3 堆疊與加壓後之導電膜塊 將堆疊形成之導電膜塊四周以 PMMA 膠包圍並固化後，再以 水刀進行切片。切片面垂直於長軸，厚度 1~2 mm。切片上下兩個 面經過研磨後外觀如圖 4-4(a)所示。圖 4-4(b)則為導電膜片在顯微鏡 下的結構，其中黃色圓形結構即為直徑 25 µm 的微細銅線之橫斷 面。由圖可知每一層內的銅線基本上都是呈現週期性的排列，中心

因是，單層導電膜片在堆疊時目前並沒有有效的方法可以進行上下 層銅線的對位，而只能隨機進行堆疊。 (a) (b) 圖 4-4 切片後導電膜片(a)外觀圖--長 30mm,寬 30mm,厚 1mm，(b)顯 微鏡下結構圖。 4-2 單軸向導電膜片平衡接觸力及路徑電阻值 本實驗利用 SE Testsystems Model:715A 荷重試驗機(參考 3-2 節 及圖 3-6)，進行導電膜片之“接觸力-過壓行程”以及“訊號路徑電阻-過壓行程”的量測。測試結果如圖 4-5 所示： (1) 接觸力：同一試片隨機取 4 個不同位置進行“接觸力-過壓行程”量 測，結果顯示(參考圖 4-5 中 F1~F4)，在過壓行程低於 50 µm 時， 過壓行程愈大時接觸力愈大。此時，『平衡接觸力』(每增加 1 mil “過壓行程”時，增加的接觸力)為 5.2~15.7 gf/mil，其平均值 10.49 gf/mil。當過壓行程大於 50 µm 以後，接觸力基本上已經不再增加，

其飽合接觸力值約為 12.5~25 gf，具有相當的變異量。探究其原 因，可能是由於測試時，因荷重試驗機上並無顯微鏡可供觀察與 對準，導致探針針尖的落點與導電膜上微細銅線之間的相對位置 每次都不一樣，因而引起變異。關於此一推論我們將以有限元素 分析加以模擬驗證。 0 5 10 15 20 25 30 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Overdrive (µm) Fo rc e (g) 0 15 30 45 60 75 90 Re si st anc e (m Ω) F 1 F 2 F 3 F 4 R 1 R 2 R 4 0 5 10 15 20 25 30 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Overdrive (µm) Fo rc e (g) 0 15 30 45 60 75 90 Re si st anc e (m Ω) F 1 F 2 F 3 F 4 R 1 R 2 R 4 圖 4-5 導電膜片之『接觸力』與『訊號路徑電阻』量測結果 (2) 電阻：如 3-2 節所述，由於確切的接觸電阻值相當不容易量測，因 此本研究以量測導電膜片的『訊號路徑電阻』來取代接觸電阻。 這裡的『訊號路徑電阻』指的是從鍍金平台經微細銅線到測試探 針之間的電阻值。電阻測試是伴隨著接觸力量測同步進行的。不 同位置 3 次的量測結果(圖 4-5,R1,R2,R4)顯示，除 R2 之外，過壓 行程低於 50 µm 時，電阻值皆急遽增加而不導通。過壓行程增加

到 50 µm 附近時，電阻值急遽下降並穩定於 23.5~26 mΩ。此一電 阻值與「直徑 25 µm 長 1 mm 的單根銅線」的電阻 34.6 mΩ十分 接近，相當於 1.5 根銅線的電阻。 綜合而言，導電膜片與待測晶圓之間的接觸力，會隨著半球形凸 塊與導電膜片接觸的位置之不同而有 1~2 倍(12.5~25 gf)的值的變 異；同時，平衡接觸力有 1~3 倍(5.2~15.7 gf/mil)的變異。在接觸電阻 方面，當過壓行程增大至接觸力已飽合時，電阻會因接觸密合度的提 高而明顯下降至穩定的 23.5~26 mΩ。 4-3 平衡接觸力之有限元素模擬分析 如前所述，為了瞭解單軸向導電膜片進行平衡接觸力量測時，為 何不同位置量測的結果會有相當程度的變異，我們嘗試以有限元素軟 體 ANSYS Workbench 建立一個模擬分析模型，並與量測結果加以比 較驗證。 模擬是根據 3-3-3 節所建立的的單軸向導電膜片幾何模型(圖 3-7)、材料性質(表 3-1)、接觸條件(表 3-3)及邊界條件設定，來進行靜 態結構有限元素分析。 為了探討探針針尖的落點與導電膜上微細銅線之間的相對位置 對於接觸力的影響，模擬時也刻意將針尖(半球形凸塊)中心相對於微 細銅線的位置做不同的偏移，如圖 4-6 所示。偏移量為每 5 µm 做一

偏移。 5μ m 5μ m Cu 矽膠 針尖 (半球形 凸塊) 針尖 (半球形凸塊) 中心位置 5μ m 5μ m Cu 矽膠 針尖 (半球形 凸塊) 針尖 (半球形凸塊) 中心位置 圖 4-6 探針針尖(半球形凸塊)落點與微細銅線的相對位置 4-3-1 模擬模型修改 本 研 究 最 初 始 的 模 擬 是 先 不 考 慮 幾 何 非 線 性 (Geometric nonlinearity) 因 素 ， 亦 即 將 分 析 設 定 (Analysis settings) 中 的 大 位 移 (Large deflection)選項取消(OFF)；同時也不考慮絕緣膠的材料非線 性。當針尖落點向右偏移 25 µm (參考圖 4-6)，過壓行程 30 µm，等 效應力分布如圖 4-7 所示。由圖 4-7 可知，最大 von Mises 等效應力 發生於微細銅線與半球形凸塊(針尖)接觸點。圖 4-8 則是將絕緣膠體 隱藏後的結果。由圖 4-8 可以觀察到微細銅線的變形主要都侷限於與 半球形凸塊(針尖)接觸的附近。其原因是模擬時，微細銅線與絕緣膠 體是被假設為完全 Bonded，彼此不能有相對運動(滑移、穿透、分離)，

因此使微細銅線的變形無法有效向下延伸。

圖 4-7 探針針尖(半球形凸塊)落點 25 µm 時之等效應力分布圖

針對上述的模擬，以半球形凸塊球殼(針尖)所承受的反作用力為 緃軸(接觸力)，以導電膜片(9 根細銅線及絕緣膠)底部直向上的位移量 為橫軸(過壓行程)，可以得到“接觸力-過壓行程”的關係，如圖 4-9 中 Cu E14 線所示。由圖可知，在不考慮幾何非線性和絕緣膠的材料 非線性的情形下，模擬的接觸力約為量測值的 15~45 倍，明顯與實際 狀況差異很大。 此時，雖然將微細銅線的楊氏係數從 124 GPa 調降為 12.4 GPa(如 圖 4-9 中 Cu E13)甚至 1.24 GPa(如圖 4-9 中 Cu E12)確實可以將模擬 值逼近量測值，但並不合理。 圖 4-9 “接觸力 vs.過壓行程”之線性模擬結果 較合理的修正方向應該是回歸考慮幾何非線性和絕緣膠的材料 0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50 Overdrive (µm) Fo rc e (g) Measured F 1 Measured F 2 Measured F 3 Measured F 4 Cu E14 Cu E13 Cu E12

接觸方程式、接觸剛度、穿透容差…等等，運算結果往往因絕緣膠的 元素發生異常巨大變形或因無法收歛而結束。

於上述啓動幾何非線性(亦即將 Analysis settings 中的 Large deflection 選項設為 ON)後的試誤過程中，發覺調降絕緣膠的楊氏係 數對於接觸力的影響很小。其原因是絕緣膠的楊氏係數 6.49 GPa 僅 為銅的 124 GPa 之 1/20。因此，我們大膽將絕緣膠自整個幾何模型中 去除去，取代的是在 9 根銅線的表面施加一 Elastic Support (單位面積 剛度 0.5 µN/µm3 )，其餘條件維持 3-3 節所設定。當針尖落點沒有偏 移 (參考圖 4-6)，過壓行程 0~50 µm，模擬得到的“接觸力-過壓行 程”關係，如圖 4-10 中“0-0”線所示。由圖 4-10 可知，沒有絕緣膠 的情形下，大位移非線性模擬的接觸力結果已經十分接近量測值。 圖 4-10 “接觸力-過壓行程”之大位移非線性模擬 0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50 60 Overdrive (µm) Fo rc e (g) Measured F1 Measured F2 Measured F3 Measured F4 0-0

4-3-2 針尖落點對接觸力的影響 在與圖 4-10“0-0”線相同的條件下，僅改變針尖落點偏移量(參 考圖 4-6)進行接觸力模擬，結果如圖 4-11 所示。由圖 4-11 可知，針 尖落點偏移的確會造成接觸力的變異，變異的程度也與量測結果相 當。此一結果讓我們相信 4 次量測結果的變異的確是來自於“針尖落 點相對於導電膜上微細銅線之間的偏移”。 圖 4-11 針尖落點偏移量對接觸力之影響 圖 4-10 中“0-0”線於過壓行程 19 µm 附近有一明顯的轉折。同 樣的現象在圖 4-11 中各條模擬線中亦可觀察到。造成此一轉折的主 要原因是半球形凸塊在該轉折點開始接觸新的微細銅線所引起的。剩 下的問題是何以量測值的轉折沒有那麼明顯?其原因相信應該是由於 模擬時我們將絕緣膠移除，以致於各銅線的變形是彼此獨立無關的。 0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50 60 Overdrive (µm) Fo rc e (g) Measured F1 Measured F2 Measured F3 Measured F4 0-0 0-5 0-10 0-15 0-20 5-0 5-5 5-10 5-15 5-20 0-25

而實際的導電膜片因為有絕緣膠牽制，會讓銅線間有不同程度的連 動，進而使轉折程度趨緩。 此外，圖 4-11 仍然顯示，即便我們已經將絕緣膠移除，各模擬 值仍然都略大於實測值。這原因相信是因為模擬時我們將半球形凸塊 與銅線之間的接觸類型設定為 Rough，亦即接觸後彼此間不能有相對 滑移。而可以想像半球形凸塊與銅線之間實際上應該會有些許相對滑 移的現象存在，因而會釋放少量的應力，使接觸力降低。 4-4 單軸向導電膜片探針卡與實測 本研究為了驗證單軸向導電膜片探針卡的構想可行性，嘗試針對 工研院的一顆 Echo IC(如圖 4-12 所示)進行導電膜片探針卡設計、製 造與組裝(如圖 4-13 所示)，並架設於全自動針測儀(Prober) [型號 TOKYO SEIMITSU 公司 A-PM-90A]進行測試。測試項目包括： (1)Open/Short (Continuity)， (2)內建計數器功能 (Counter)，(3)內建 SRAM 功能(SRAM)，(4)工作/待命電流(ICC, ICCS)，(5)輸出參考電 壓(直流)(Vref)，(6)2MHz 振盪頻率(Clock)，(7)類比訊號失真度(THD_ SRAM)，(8)輸出 AC 電壓(Vout)，(9)回音延遲時間(Delay time)。圖 4-14 顯示 Echo IC 以導電膜片探針卡進行測試後，微細銅線會在銲墊 上留下針痕。測試結果 (如圖 4-15 所示) 顯示，導電膜片探針卡可以

一如傳統的懸臂式探針卡一樣對 Echo IC 正常地進行性能測試，而且 500 顆內測試良率可以達 90%，與傳統採用環氧樹脂環探針卡進行量 測之結果相同。由此可證明單軸向導電膜片探針卡的構想確實可行。 圖 4-12 單軸向導電膜片探針卡測試載具─Echo IC (a)探針卡正面 (b) 探針卡背面 圖 4-13 單軸向導電膜片探針卡

圖 4-14 測試後 Echo IC 的銲墊及微細銅線在其上留下之針痕

第五章 結論

1. 本研究以直徑 25 µm 的微細金屬銅線結合精密繞線及層疊法，成 功地製作出長 30 mm，寬 30 mm，厚 1 mm 的單軸向導電膜片， 其中的在導電膜片横截面中呈現近似週期排列，週期 50 µm。 2. 導電膜片與待測晶圓之間的接觸力量測值，在過壓行程低於 50 µm 時，過壓行程愈大時接觸力愈大。此時，『平衡接觸力』(每增加 1 mil “過壓行程”時，增加的接觸力)為 5.2~15.7 gf/mil，其平均值 10.49 gf/mil。當過壓行程大於 50 µm 以後，接觸力基本上已經不 再增加，其飽合接觸力值約為 12.5~25 gf。 3. 導電膜片的『訊號路徑電阻』方面，當過壓行程增大至接觸力已 飽合時，電阻會因接觸密合度的提高而明顯下降至穩定的 23.5~26 mΩ。 4. 有限元素模擬結果顯示，改變針尖落點相對於導電膜上微細銅線 之間的偏移量會造成接觸力的變異，變異的程度與量測結果相 當。因此，推論量測結果的變異來自於“針尖落點相對於導電膜上 微細銅線之間的偏移”。 5. 將導電膜片組裝成探針卡，並對 Echo IC 進行 9 項功能測試，測試 500 顆之測試良率可以達 90%，與傳統採用環氧樹脂環探針卡測得

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