中 華 大 學

中 華 大 學 碩 士 論 文

題目： 懸臂式探針卡結構有限元素模擬分析 Finite Element Simulation and Analysis on Cantilever Probe Card structure

系 所 別：機械工程學系碩士班 學號姓名：E09508012 薛明泰 指導教授：陳 精 一 博士

中 華 民 國 九十九 年 八 月

摘要

本研究主要目的在於探討懸臂式探針卡針測力學行為。由於探針卡製作完成後，

會做滑行量及接觸力測試，而測試方式往往都是單腳位作測試，未考慮結構體的影響 層面，在測試廠測試過程中會造成探針磨耗不均勻或探針卡壽命減低的現象產生，所 以造成探針卡品質影響甚鉅。

本文以 ANSYS 為分析工具，根據產業界實際生產製程之數據進行單腳位結構 及多腳位結構模型之模擬探討，所選取的參數為探針長度、彎曲角度、針尖長度、針 尖直徑、膠材與陶瓷尺寸。研究探討探針卡的結構、滑行量、接觸力的變化。

結構模型採用單一節距、十個節距、二十個節距、四分之ㄧ結構體進行分析，用 ANSYS 軟體模擬出相關數據，再加以比對四種結構的滑行量與接觸力，觀察彼此的 差異性，最後再製作探針卡驗證ANSYS 軟體模擬數據與實際探針卡兩者是否相符。

ANSYS 軟體模擬後數據比較，發現單一節距、十個節距、二十個節距上下層針 的滑行量與接觸力都相同，表示上下層針滑行量與接觸力的變化量不會因為節距多寡 而有所不同，進一步再分析同一層針滑行量與接觸力的變化量，發現在節距數量增加 時，中間探針與左右探針的變化量有些微的差異。最後以ANSYS 軟體模擬四分之ㄧ 結構來做探討，上下層針的變化量與其他節距結構相同，同一層針的變化量時，發現 結構體的不同，中間探針與左右兩側的變化量趨近相同，所以結構體的設計對探針卡 的設計是非常重要的。

關鍵字：懸臂式探針卡、滑行量、接觸力、ANSYS

ABSTRACT

The main purpose of this research is to investigate the cantilever probe card mechanics behavior. It takes sliding and contact force testing for the probe card before normal its operation. However, the testing is performed in a single probe and does not consider the entire probe card structure. In such case, it does not consider the performance of each probe in the entire probe card structure.

A finite element 3-D model is analyzed by ANSYS software based on the industry actual production. Two important mechanics behaviors of sliding distance and contact force are investigated. The finite element model is composed of single pitch, ten pitches, twenty pitches and a quarter of symmetrical model. The sliding distances and contact forces of the four models are compared in order to investigate the model reliability. Finally, An experiment testing and numerical simulation are compared to verify the advantages of using the CAE as a design tool.

According to the simulation results, the sliding distances and the contact forces are the almost same on the upper and lower layers probe for the models of single pitch, ten pitches and twenty pitches. It does not change in quantity with the amount of pitches.

Furthermore, the sliding distances and the contact forces at the same layer are changed.

Increasing the number of pitches, the responses of middle probe are slightly different from both sides. Finally, the similar results can be addressed for the quarter model.

Keywords: Cantilever Probe Card, Sliding Distance, Contact Force, ANSYS

誌 謝

本論文得以順利完成，首先要感謝指導教授陳精一博士，在課業及論文上用心且 耐心的督促與指導，非常感激口試委員，給予的指正與建議。感謝在這段期間一起成 長的每位學長及同學給予的關心及照顧，感恩學弟們的協助，這一段時間家裡發生了 很多事情，為了幫母親分擔一些，因此經常性要新竹及高雄往來奔跑，今年父親及哥 哥的病情都已經好轉很多，讓我可以放心在課業上，這一陣子家人還是一直鼓勵我要 完成學業，此文獻給所有曾經協助與關心我的朋友及家人。

目 錄

中文摘要………..…………..…....……….………..…..i

英文摘要……….……..………...…..ii

誌 謝……….……..………....…iii

目 錄………..….………..……..iv

表 目 錄……….…….………

……….

圖 目 錄……….………...vii

第一章 緒論 1.1 前言………..……..1

1.2 研究動機與研究目的………..………..………2

1.3 文獻回顧………..………..………3

1.4 研究內容與方向………..…..………6

第二章 懸臂式探針卡簡介 2.1 探針卡之種類……….………..………..8

2.1.1 懸臂式探針卡……….………...……..10

2.1.2 刀片式探針卡……….……….…..……..12

2.1.3 垂直式探針卡……….………...……..13

2.1.4 薄膜式探針卡……….………...……..15

2.1.5 微彈簧式探針卡……….……….…..……..16

2.1.6 微機電式探針卡……….………..…...17

2.2 懸臂式探針卡製作流程概述……….………..…....18

2.2.1 探針卡設計……….………...……..19

2.2.2 彎針製程………..………20

2.2.3 擺針製程………..…....……21

2.2.4 銲接製程………..…23

2.2.5 調針製程………..……24

2.2.6 出貨檢驗製程………..…25

第三章 ANSYS 有限元素分析 3.1 探針模型結構介紹………...……26

3.2 單一節距結構有限元素模型分析………..….……29

3.3 十個節距結構有限元素模型分析………..….……34

3.4 二十個節距結構有限元素模型分析………..….……39

3.5 四分之ㄧ結構有限元素模型分析……….…..……43

3.6 製作 ANSYS 模擬結構測試卡作驗證………..…...…...47

3.6.1 製作整體結構的探針卡做驗證.…….……….…..…...47

3.6.2 製作測試用探針卡且變更入射角角度設計做驗證.………...58

第四章 結論與建議 4.1 結論………..……….………....……...66

4.2 建議……….…..……….…………..………..…..……67

參考文獻………….………..………...………68

表目錄

表3-1 探針卡結構模型之相關尺寸……….……….…..…………28 表3-2 探針結構模型之材料參數……….………...………. 29

圖目錄

圖1-1 IC 製程流程圖………...………..………..…………2

圖1-2 探針接觸銲墊狀況………..……...……...2

圖1-3 懸臂式探針卡基本結構………...………..…...……3

圖1-4 圓型探針針頭接觸鋁墊機構……….………...……..5

圖1-5 (a) E-Tip 針頭、(b) Flat-Tip 針頭…..…………..……….…….……5

圖2-1 探針卡發展圖……….………...……..9

圖2-2 邊緣方式排列（Peripheral Array）……….……….………9

圖2-3 面積陣列方式排列（Area Array）…..………….………..……10

圖2-4 懸臂樑樑式探針卡………..……10

圖2-5 懸臂樑樑式探針卡結構示意圖….………...……12

圖2-6 刀片式探針卡………...………..………..……...13

圖2-7 刀片式探針卡結構示意圖….…..………..………...…..………13

圖2-8 Cobra 探針……….………..………...…..……14

圖2-9 Cobra 探針卡示意圖….………...………...……….………14

圖2-10 VCPC 探針卡與其探針之挫曲現象……… ………...………..……15

圖2-11 薄膜式探針卡示意圖……….………...…………..……16

圖2-12 薄膜式探針卡之探針局部結構剖面圖………...………..…….16

圖2-13 微彈簧式探針卡…………..………...…...…..……17

圖2-14 微彈簧式探針卡之探針……….………...…………..……17

圖2-15 微機電式探針卡與其探針………..………...…...……..……18

圖2-16 懸臂式探針卡流程圖………...……….…..……18

圖2-17 彎針成型示意圖.…...21

圖2-18 擺針位置分布圖..………...………...…22

圖2-19 擺針塗膠狀態圖..………...23

圖2-20 銲接狀態圖…..………...……….…..…24

圖3-1 探針結構俯視圖.………...……….…..……27

圖3-2 探針結構剖面圖.………...………...……27

圖3-3 探針卡結構模型之尺寸示意圖………...…..…….28

圖3-4 探針結構有限元素模型示意圖……….………...……30

圖3-5 探針結構有限元素模型邊界條件與負載條件…..………..…………..……31

圖3-6 單一節距結構各層針探針滑行量…..…………...…….………..…..……31

圖3-7 單一節距結構各層針探針接觸力…………..…..………...….32

圖3-8 探針與測試墊間的磨擦係數 0.2 與 0.25 比較…….………...…..…33

圖3-9 探針與測試墊間的磨擦係數 0.2 與 0.3 比較..………...………...………33

圖3-10 十個節距結構有限元素模型示意圖……..…..……….……….…..…35

圖3-11 十個節距結構各層針探針滑行量(針測行程 0.5mil)………....…..36

圖3-12 十個節距結構各層針探針滑行量(針測行程 1.0mil)………..……36

圖3-13 十個節距結構各層針探針滑行量(針測行程 1.5mil)………..……37

圖3-14 十個節距結構各層針探針接觸力(針測行程 0.5mil)………..……38

圖3-15 十個節距結構各層針探針接觸力(針測行程 1.0mil)………..……38

圖3-16 十個節距結構各層針探針接觸力(針測行程 1.5mil)………..……38

圖3-17 二十個節距結構有限元素模型示意圖………..…..….………...…....…39

圖3-18 二十個節距結構各層針探針滑行量(針測行程 0.5mil )….………....…40

圖3-19 二十個節距結構各層針探針滑行量(針測行程 1.0mil)…….………..…...40

圖3-20 二十個節距結構各層針探針滑行量(針測行程 1.5mil)………..…....41

圖3-21 二十個節距結構各層針探針接觸力(針測行程 0.5mil)………...….42

圖3-22 二十個節距結構各層針探針接觸力(針測行程 1.0mil)………..…....42

圖3-23 二十個節距結構各層針探針接觸力(針測行程 1.5mil)………..…....42

圖3-24 四分之ㄧ結構模型之尺寸示意圖…….………..…..….………..…....…43

圖3-25 四分之ㄧ結構有限元素模型示意圖…………...…..….………..…43

圖3-26 四分之ㄧ結構各層針探針滑行量(針測行程 0.5mil )….………..…..…44

圖3-27 四分之ㄧ結構各層針探針滑行量(針測行程 1.0mil)…….………..…...45

圖3-28 四分之ㄧ結構各層針探針滑行量(針測行程 1.5mil)………...45

圖3-29 四分之ㄧ結構各層針探針接觸力(針測行程 0.5mil)……….…..…...….46

圖3-30 四分之ㄧ結構各層針探針接觸力(針測行程 1.0mil)………..………....47

圖3-31 四分之ㄧ結構各層針探針接觸力(針測行程 1.5mil)……….…….…....47

圖3-32 滑行量測試機台結構示意...49

圖3-33 滑行量測試機台...49

圖3-34 滑行量測試機台測試過程...49

圖3-35 滑行量測試機台測試後刮痕...50

圖3-36 Layer 1 滑行量統計分析(針測行程 0.5 mil) ...50

圖3-37 Layer 2 滑行量統計分析(針測行程 0.5 mil) ...50

圖3-38 Layer 3 滑行量統計分析(針測行程 0.5 mil) ...51

圖3-39 Layer 4 滑行量統計分析(針測行程 0.5 mil) ...51

圖3-40 Layer 1 滑行量統計分析(針測行程 1.0 mil) ...51

圖3-41 Layer 2 滑行量統計分析(針測行程 1.0 mil) ...52

圖3-42 Layer 3 滑行量統計分析(針測行程 1.0 mil) ...52

圖3-43 Layer 4 滑行量統計分析(針測行程 1.0 mil) ...52

圖3-44 Layer 1 滑行量統計分析(針測行程 1.5 mil) ...53

圖3-45 Layer 2 滑行量統計分析(針測行程 1.5 mil) ...53

圖3-46 Layer 3 滑行量統計分析(針測行程 1.5 mil) ...53

圖3-47 Layer 4 滑行量統計分析(針測行程 1.5 mil) ...54

圖3-48 整體結構測試卡滑行量(針測行程 0.5 mil) ………..…..54

圖3-49 整體結構測試卡滑行量(針測行程 1.0 mil)………….……….…...54

圖3-50 整體結構測試卡滑行量(針測行程 1.5 mil)………..………..…...55

圖3-51 接觸力測試機台結構示意...55

圖3-52 接觸力測試機台…………...56

圖3-53 接觸力測試機台測試圖…...56

圖3-54 二十個節距結構各層針探針接觸力(針測行程 0.5 mil)...57

圖3-55 二十個節距結構各層針探針接觸力(針測行程 1.0 mil)………...…....57

圖3-56 二十個節距結構各層針探針接觸力(針測行程 1.5 mil)………...…...57

圖3-57 增加入射角 3 度後結構模型之尺寸示意圖...58

圖3-58 Layer 1 滑行量統計分析(針測行程 0.5 mil) ...59

圖3-59 Layer 2 滑行量統計分析(針測行程 0.5 mil) ...60

圖3-60 Layer 3 滑行量統計分析(針測行程 0.5 mil) ...60

圖3-61 Layer 4 滑行量統計分析(針測行程 0.5 mil) ...60

圖3-62 Layer 1 滑行量統計分析(針測行程 1.0 mil) ...61

圖3-63 Layer 2 滑行量統計分析(針測行程 1.0 mil) ...61

圖3-64 Layer 3 滑行量統計分析(針測行程 1.0 mil) ...61

圖3-65 Layer 4 滑行量統計分析(針測行程 1.0 mil) ...62

圖3-66 Layer 1 滑行量統計分析(針測行程 1.5 mil) ...62

圖3-67 Layer 2 滑行量統計分析(針測行程 1.5 mil) ...62

圖3-68 Layer 3 滑行量統計分析(針測行程 1.5 mil) ...63

圖3-69 Layer 4 滑行量統計分析(針測行程 1.5 mil) ...63

圖3-70 變更角度後整體結構測試卡滑行量(針測行程 0.5 mil)………..…....63

圖3-71 變更角度後整體結構測試卡滑行量(針測行程 1.0 mil) ……….……..…..64

圖3-72 變更角度後整體結構測試卡滑行量(針測行程 1.5 mil) ………...…..64

圖3-73 變更角度後整體結構各層針探針接觸力(針測行程 0.5 mil)…………...…..…65

圖3-74 變更角度後整體結構各層針探針接觸力(針測行程 1.0 mil) …………..……..65 圖3-75 變更角度後整體結構各層針探針接觸力(針測行程 1.5 mil) …………...……..65

第一章 緒論

1.1 前言

隨著國際半導體產業的潮流，讓台灣積體電路（Integrated Circuit, IC）產業的蓬 勃發展，連同半導體相關產業也不斷的發展，以及半導體晶圓廠產能擴充，並且應用 於國防設備、民生消費電子、航太工業、科技產業等相關的應用領域。目前半導體製 程技術由 0.13 微米至 45 奈米，積體電路晶片「輕、薄、短、小及高功能」之要求 下，且須兼具高頻率、高腳化、高輸出的特性。

IC設計公司依照客戶的需求及產品的功能性，設計相關的線路及電性，轉換而成 晶圓設計方式，因此晶圓從晶圓廠製造完成後，為了確定設計的功能是否完成，每一 片晶圓均要通過針測（Chip Probing, CP）以確定每一個晶粒的可靠性、良率（Yield Rate），藉由測試廠所測試的結果提供給晶圓廠相關數據，利用數據搭配測試程式的 相關訊息，驗證出貨品質是否良好，如圖 1-1 所示。在測試的過程中，測試晶圓所 用的設備分為三部份，探針卡（Probe Card）、針測機（Prober）與測試機（Tester），

利用其設備可就是將晶片上過濾電性及功能不佳的晶粒（Die），在晶圓上做篩檢，

提供給下一個封裝製程，以提升產品良率及節省不必要的成本。

探針卡在 IC 測試中扮演很重要的腳色，而且是作為測試機與晶圓的媒介，讓測 試程式的訊號利用探針卡傳達訊息給測試機台，這樣可以了解晶圓品質。通常會隨著 不同 IC 的設計產生不一樣的探針卡型態，或是測試時間的考量下，所以探針排列的 方式可以區分為懸臂式與垂直式探針卡，為了符合目前的需求能容許更多的測試墊

（Pad）及凸塊（Bump），都會將探針排列成陣列方式，提高探針排列密度。目前探 針卡製作的過程大多仰賴人工，設計方面如果精準度提高的話，一般探針卡的價格會 相當昂貴，因此一般測試廠會考量到探針的測試次數、探針壽命、維修次數，讓節省

IC Design 晶圓設計

Wafer Fab 晶圓製造

CP 晶圓針測

Package 封裝 FT

後段測試 Products

成品

圖1-1 IC製程流程圖

1.2 研究動機與目的

探針卡是測試機與晶圓相當重要的媒介工具，透過探針卡之探針（Probe）與晶 圓上的測試墊或凸塊接觸後，將電性信號傳送到測試機分析其功能與特性，判別晶粒 的好壞。在針測的過程中探針與測試墊接觸時，會給探針一個針測的行程（Over-Drive , OD），如圖 1-2 所示。針測原理是利用此針測的行程，將探針的針尖劃破測試墊上 的氧化層來量測電性訊號，故在測試墊表面上會留下刮痕（Probe Mark）。測試過程 中，若針測行程太短時且未將氧化層劃破，則會造成電性上的誤判或無法傳遞信號，

針測行程太長時，可能超過測試墊範圍而無法傳送電性信號，以及針測向下刮痕太 深，造成測試墊過大的刮痕影響到 IC 封裝的可靠度、結合強度，及可能破壞晶粒結 構。

Initial Contact Overdrive Contact

圖1-2 探針接觸測試墊狀況

依照晶粒的設計方式，探針卡通常都一般都有數百或千支探針，且每支探針都有 特定的位置，探針擺放的角度及長度都不一致，都經過相關的設計，在測試中造成每 一層探針受力及破壞程度也不同，除了針測過程的磨耗外，為了避免針尖堆積的雜質 來影響針測的結果，所以都會規定測試次數後要進行清針，因此清針的次數及時間，

減低測試良率的影響。

圖1-3 懸臂式探針卡基本結構[11]

1.印刷電路板 2.探針固定基座（Mounting Ring）

3.固定膠材（Epoxy） 4.探針

5.晶粒 6.測試墊或凸塊

因此本文首先會將探針卡的種類及用途作初步介紹，再針對懸臂式探針卡結構設 計方面及進行針測分析探討，如圖 1-3 所示。為了配合晶粒上的測試墊間距，因此 探針的尺寸都相當細小，一般都接近微米級規格，所以探針本身可承受的接觸力與滑 行量更為重要，也是這次研究的重點項目。結合 ANSYS 軟體與利用設計上不同的 結構或針尖與測試墊的磨擦係數，探討對於探針卡的影響層面，並改變設計參數觀察 其探針部份之滑行量及接觸力變化情形，進一步的分析設計參數與實物，分析彼此間 的差異性，歸納出探針卡影響因子，以提出最佳化之分析結果。

1.3 文獻回顧

探針卡考慮的因素有水平度（Planarity）、針位（Alignment）、接觸阻值（Contact

Resistance） 、漏電（Leakage）、接觸力（Contact Force）等，因為在測試時探針卡 上的探針會接觸在測試墊上，會讓探針造成變形以及滑行。因此探針上的相關尺寸及 角度會影響到滑行量的變化，而影響到晶圓測試後的良率及品質，或是會造成晶粒或 測試墊結構上的破壞，所以探針卡結構與探針的滑行量、接觸力作研究更顯其重要性。

Iscoff [1] 說明最早探針卡發展技術，且在 1969 年被稱為 Needles / Epoxy Ring 探針卡，此探針卡是用 Epoxy Ring 技術製作而成，依據測試晶粒上的測試墊 或凸塊位置，將探針排列在探針卡上，且考量晶粒上設計的不同而有所改變，但是此 作法多為邊緣式排列，而陣列式排列較少。

Tan、Beddingfig [2] 等人以 Probe-before-Bump 技術探討覆晶（Flip Chip）封 裝技術之可靠度，發現不管針測時的行程在 1 mil、2 mil、3 mil 下，針測後在測試 墊上留下明顯的刮痕，且刮痕的深淺不只會影響測試結果，甚至嚴重刮痕讓矽材質曝 露出來，都會影響封裝時的可靠度，這也是探針影響圓晶主要問題存在。

Kataoka 、Itoh [3] 等人在文章中提到晶粒與探針接觸時不能承受較大的負載，

探針需破壞氧化層後量測電信訊號，且要避免施加很大的力量來破壞測試墊及探針，

且以接觸電阻為考量，故選擇材質鎳作為探針的材料。

Liu、Desbiens [4] 等人提出用不同的探針材質（鎢、錸鎢）結構、不同的測試 墊（鋁、銅）作針測行程分析，應用非線性有限元素來模擬探針針尖與測試墊表面結 構，且發現探針及測試墊接觸面積越小，可以降低測試墊本身彎曲變形及拉伸應力。

日本三菱電子公司 [5] 製造工程中心，將鎢材質的探針對晶圓上的鋁墊做接觸 阻抗穩定度分析，發現表面粗造度 0.1 μm 及半徑 15 μm 之針尖的探針是最穩定，

也提出影響接觸阻抗的兩個因素，一個是針尖與鋁墊的接觸方式，另一個針尖附著氧 化鋁現象，如圖 1-4所示。

圖1-4 圓型探針針頭接觸鋁墊機構 [5]

G. S. Shen、D. S. Liu [6] 等人，使用材質為鎢的探針，建立探針與鋁墊之模型，

提出 E-Tip 針頭與 Flat-Tip 針頭做比較，如圖 1-5所示，且相較下 E-Tip 針頭較 佳，並改善探針的壽命，並分析探針勁度隨著溫度增加而降低，但鋁墊上探針痕跡長 度變長。

(a) (b)

劉士銘 [7] 探討多層針的設計方法，對於擺放的角度、探針間距參數的設計，

且討論多層針的探針受力及針測行為等情形，搭配應用動態有限元素分析軟體 ABAQUS 進行數值模擬，將模擬的數值與實驗後的數據相互做驗證。實驗方面討論 改變入射角對測試墊接觸力的影響，同時也探討探針與測試墊接觸的三個參數（俯仰

Tran [8] 等人以銅為材質作為測試墊，且表面覆蓋一層鋁材作為測試件，探討鋁 層的厚度與實驗中針測的條件相互關係，以及探討影響封裝時的可靠度。

徐建忠 [9] 探討測試多次後，探針上殘留的汙染物或氧化層，對於針尖會有接觸 阻值不良的影響，相對也影響晶圓的良率，但每測試後清潔探針會使得探針因磨耗而 產生針徑過大，進而影響測試墊上的刮痕大小。

陳精一 [10] ANSYS 電腦輔助工程實務分析一書，提供詳盡之範例並使讀者能 有效及快速理解，運用各種參數之改變，從事各種模擬研究。

1.4 研究內容與方向

本研究是採用ANSYS 有限元素分軟體來進行懸臂式探針卡結構分析，所以模擬 分析朝下列六個方向進行：

一、 針對單一節距結構進行模擬，比較四層探針的滑行量與接觸力的差異 性，以及分析磨擦係數對探針的影響。

二、 針對十個節距結構進行模擬，比較四層探針與同一層十根探針的滑行量 與接觸力的差異性。

三、 針對二十個節距結構進行模擬，比較四層探針與同一層二十根探針的滑 行量與接觸力的差異性。

四、 針對四分之ㄧ結構進行模擬，比較四層探針與同一層二十根探針的滑行 量與接觸力的差異性。

五、 製作整體結構探針卡與ANSYS 模擬四分之ㄧ結構數據做比較，探討滑行 量與接觸力差異性。

六、 變更入射角度後製作探針卡，與ANSYS 模擬數據做比較探討滑行量與接 觸力差異性。

本文第一章為緒論，介紹研究動機與目的，以及文獻回顧和研究的內容與方法。

第二章將懸臂式探針卡製程之流程、相關原理、構造加以說明。第三章採用 ANSYS

有限元素分析軟體，將探討探針卡結構對探針滑行量與接觸力狀態分佈情形。在建構 ANSYS 模型時，尤其需要注意每一層探針的構造、擺放、角度，更要注重探針與測 試墊接觸後滑行量與接觸力狀態，探討出最佳的參數以得到較精確的運算結果。先以 單一節距結構模型方式加以探討分析，觀察其探針滑行量及接觸力之變化情形，另外 分析探針與測試墊間的磨擦係數的影響。由於探針的數量對於製程上的品質良率具有 影響力，因此再建立十個節距結構、二十個節距結構、四分之ㄧ結構模型加以探討和 驗證。最後在製作探針卡來驗證分析後的數據，探討實際測試數據與結構模擬數據的 差異性。並且也做角度變更設計，探討角度的變更影響的層面，作為設計上考量的參 數之ㄧ。第四章為結論與建議，將各項模擬結果作說明，提供產業界在設計及應用時 之參考。

第二章 懸臂式探針卡簡介

探針卡利用的範圍非常廣泛，主要的功能是篩選及驗證晶圓的好壞，因此探針卡 所用的材質就讓一般業界非常注重，除了考量品質上的問題外，也考慮探針卡的成本 問題，相對的探針卡的耐用性、磨耗性、功能性就非常重要，直接影響到測試廠對探 針卡品質的要求。一般晶圓測試項目：電性連續性（Electrical Continuity）、漏電流 及測試基本功能（Gross Function）等功能是否正常，讓晶片在進入封裝前篩選出良 好的晶粒，且過濾出不良或早夭期的晶粒，提高出貨品質。另外晶圓的測試環境也增 加高溫及低溫考量，所以在 IC 設計時就考慮晶圓的環境影響，以及之後晶粒使用的 環境，才不會讓晶粒經過一些惡劣的環境下產生異常現象，所以在測試中也做相關的 評估。

由此可見探針卡扮演的腳色非常重要，目前探針卡除了驗證晶片的好壞外，另一 個是節省測試的時間考量，因為測試廠為了提高產能利用率，會將探針卡設計成可一 次測試兩個以上的晶粒，目前已經研發出一次可以測試三十二個晶粒，且因為測試晶 粒數量越多，相對的要求探針卡的針位及水平就非常高，此設計以提高測試廠產能及 品質。探針卡的設計可以突顯一家探針卡公司的好壞，以及是否合乎客戶的需求。

探針卡在出貨前也是要測試電性基本功能、水平度、針位、接觸阻值、漏電、

接觸力，才不會影響測試結果，若產生測試機台誤判，將造成不必要的損失。

2.1 探針卡之種類

探針卡的分類是依照探針卡的結構及晶圓上的設計而有所不同，所以一般區分為 兩大類，如圖 2-1 所示，介紹探針卡的演進過程，都是朝向高密集度、間距小，但 是最終將會以晶圓上的測試墊特性與排列狀況來選用適合的探針卡。

以下為探針卡區分的種類：

一、依照探針卡之架構型式可以區分為懸臂式(Cantilever)、刀片式（Blade）、

垂直式（Vertical）、薄膜式(Membrane)、Form Factor微彈簧式（Micro-spring）

與微機電式（Micro Electromechanical System, MEMS）等。

二、依照測試墊之排列型式作為區分，測試墊若是呈邊緣方式排列（Peripheral Array），則探針卡多為懸臂式與刀片式，如圖 2-2 所示；反之，測試墊若 是呈面積陣列方式排列，則探針卡以垂直式、薄膜式、Form Factor 微彈簧 式與微機電式為主，如圖 2-3 所示。

1960 1970 1980 垂直式探針卡 (Vertical Probe Card)

懸臂式探針卡 (Cantilever Probe Card)

1990 2000 西元 微彈簧式探針卡

(Micro-spring Probe Card)

刀片式探針卡 薄膜式探針卡 (Membrane Probe Card)

微機電式探針卡 (Blade Probe

Card)

(MEMS Probe Card)

圖2-1 探針卡發展圖

圖2-2 邊緣方式排列 [11]

圖2-3 面積陣列方式排列 [11]

2.1.1 懸臂式探針卡

懸臂式探針卡如圖 2-4 所示，又稱環氧樹脂式（Epoxy Probe Card）約在 1960 年 由 Rucker 與 Kolls 所發展設計出來的，其發展最早的探針卡，主要是用環氧樹脂來 固定探針，目前半導體業者針對測試墊為周圍方式排列產品中最常用的針測技術，市 場占有率到現在仍佔有約 80% 的市場，也是本次研究探討的探針卡型式。

圖2-4 懸臂式探針卡 [11]

懸臂式探針卡主要由印刷電路板、探針、環氧樹脂和固定環等四部分所構成，如 圖 2-5 所示，以下分別討論之：

ㄧ、印刷電路板

首先依照 IC 設計上的考量以及測試機台的種類設計出合乎兩者的印刷 電路板，且同時要考量整體被動元件與探針的線路與固定方式，才能符合探 針卡的需求。

二、環氧樹脂

將探針固定在窗型基座上面，且現在高溫及低溫測試，因此採用的環氧 樹脂也是特殊選擇，早期用焊槍使探針與印刷電路板相連接，但隨著探針與 探針尖的間距越小，以及針徑越細，近年來已改用懸臂式探針卡來取代之。

三、固定環

將探針與印刷電路板固定在探針卡上，避免在測試過程中因探針卡晃動 而使得探針偏移或損傷，因為各廠家產品類別不一樣、各測試廠不同的需 求、測試溫度的不同，所以使用基座成份皆不相同（陶瓷、金屬等材料），

目前都採用低膨脹係數的材質，防止高低溫測試時產生的變化，間接影響到 探針卡的測試。

四、探針

此為測試墊與印刷電路板的媒介，透過探針與測試墊的接觸才能測得相 關資料，來判斷此晶片之好壞。此種型式之探針卡雖然是最早發展，目前在 半導體業界中仍是測試墊為邊緣式排列最主要的測試技術，以下根據探針卡 的優、缺點分別討論之：

優點：

（一）環境測試溫度範圍：

-40 ℃ ~ 125 ℃。

（二）價格比其他探針卡類型較便宜。

（三）製造花費時間縮短較多。

（四）測試晶圓後探針卡清針容易。

（五）整體裝配較簡單和修理較容易。

（六） 適用於測試測試墊為高密集度、間距小的測試墊與可同時測多個

晶粒。

缺點：

（一）由於結構的關係，僅能限制用於中低腳數產品。

（二）探針產生的刮痕相對於其它探針卡類型較大。

（三）最多只能應用於四層面積陣列方式排列之晶片。

因為本身結構與組裝的限制，使其無法應用於較高腳數的晶片，相對的其製造價 格便宜、製程時間短卻也符合半導體業者所要求的價格及時間因素，所以至今仍然被 廣泛地應用。

圖2-5 懸臂式探針卡結構示意圖 [11]

2.1.2 刀片式探針卡

刀片式探針卡如圖 2-6 所示，大約1970年代中期發展出來的，其利用一個陶器 刀片與一根探針相連接。使用陶器刀片技術的探針卡，它是 Cerprobe 公司所發展，

其能夠應用在低電流和低密集度的環境，且可針測於高頻的產品。圖 2-7 所示為刀 片式探針卡結構示意圖，其具有易加工，可修理的特點，目前大多使用在射頻（Radio Frequency, RF）元件的測試上，其特色是特性阻抗（Characteristic Impedance, 0 Z ） 可以控制到針尖。

圖2-6 刀片式探針卡 [11]

圖2-7 刀片式探針卡結構示意圖 [11]

2.1.3 垂直式探針卡

現今最常見的垂直式探針卡主要有兩種型式，一種是由 IBM 公司針對 C4

（Controlled Collapse Chip Connection）製程所研發之 Cobra 探針卡，另一種則是 JEM 公司的產品VCPC（Vertical-Contact Probe Card）探針卡，以下將分別介紹之。

一、Cobra 探針卡

在1970 年代末，IBM 公司為了測試其所發展的控制塌陷的晶片接合製

程，同時研發出垂直式探針卡，且為 Probe-After-Bump，並命名為 Cobra 探 針卡，如圖 2-8、2-9 所示。主要由三個部分印刷電路板、探針頭（探針已 裝置其上）和空間變壓器所組成。具有可同時針測多個待測元件（Dives Under Test , DUT）、對平行與陣列方式排列之測試墊均可適用、準確性高和刮痕 較小等優點，但缺點是價格較昂貴。針對 C4 製程中的高腳數、小間距及多 晶片封裝與多晶片模組為主要之應用。

圖2-8 Cobra 探針 [12]

圖2-9 Cobra探針卡示意圖 [12]

二、VCPC（Vertical-Contact Probe Card）探針卡

由日本 JEM 公司所生產之 VCPC 另一種型式的垂直式探針卡，其能保持 探針位置和探針卡水平度，且具有在針測過程中能與測試墊之接觸力量維持穩 定等特色，如圖 2-10 所示。主要由陣列排列之探針、陶瓷基板、環氧樹脂和印 刷電路板 所組成。具有針測環境溫度可從 0 ~ 125 ℃、最小間距可達到 135μm，使用壽命較長等優點，但與 Cobra 探針卡相同缺點是價格較為昂貴。

圖2-10 VCPC 探針卡與其探針之挫曲現象 [13]

2.1.4 薄膜式探針卡

1980 年代因傳統探針卡的限制，無法應用於較高頻的電子元件產品，因此發展 出薄膜式探針卡，起初主要應用在 GaAs Technology IC Chip 。 Cascade 公司針對封 裝前的晶圓級測試所生產的 Pyramid Probe Card，其原先是為了測試射頻 IC 而發展 此一技術，如圖 2-11、2-12 所示。然而近年來，在高密度 I / O 及高速（ 100 ~ 400 MHz）數位 IC 的測試需求上也逐漸增加。當初在研發薄膜針測卡以便取代傳統的探 針卡的構想是因其有下列之好處：一、可做多晶測試；二、每根針或凸塊可以任意擺 置，這種特色對當時正熱於生產 BGA Chip 是很適當的，因為矩陣形的探針卡用傳 統之探針是很難做到的；三、高頻傳輸之特性，如果設計好的話，可達 10GHz 以上 的傳遞速度；四、探針卡維護容易。但薄膜式探針卡在技術上尚有問題。主要問題在 其探針或凸塊是電鍍的方法長出來，每根針並不具有彈性（No Per Pin Compliance），

如果針數少的話，還算容易做到每根針都能接觸到測試墊。如果針數多的話平坦度就 很難控制。這也是為什麼目前在市場上還沒有高腳數的薄膜針測卡存在之最大原因，

另外其價格較昂貴，且可靠度與耐久性的資料亦仍不足。

圖2-11 薄膜式探針卡示意圖 [14]

圖2-12 薄膜式探針卡之探針局部結構剖面圖 [14]

2.1.5 微彈簧式探針卡

1990 年代由美國 Form Factor 公司將探針做成微小彈簧形狀，主要應用於記憶 體產品測試。微彈簧探針卡具有可同時針測多個晶片，應用於高頻電子產品，接觸測 試墊的力量較小，測試墊數可高達 2500 個，間距可低於 0.5 mm 等優點，如圖 2-13、2-14 所示。

微彈簧式探針卡因需要較高之精密技術，所以相對而言價格也是現今探針卡中最

為昂貴。其針測測試墊數可高達上千個，因此探針間距和探針尺寸則需縮小，卻也使 得探針的強度降低，變得相當的脆弱。

圖2-13 微彈簧式探針卡 [15]

圖2-14 微彈簧式探針卡之探針 [15]

2.1.6 微機電式探針卡

目前全世界在探針卡發展的情勢，為了達到全晶圓的測試（Wafer Scale Testing or Probing）已有不少公司轉向微機電的技術，如圖2-15所示。微機電探針也許是未來全 晶圓測試的主流技術。其最主要的原因是每根針都具有個別的彈性，所以在高針數（超 過 1000 pins 以上）之大面積針測時，其平坦度及總壓力比較容易控制。微機電探針 的尖端半徑只有 0.1 μm，故在穿破測試墊上的氧化層（Oxide Layer）只需 0.1 公克 的力量，比金屬探針的 2 公克小 20 倍，每根針的自調彈性，只有薄膜針卡沒具此 特性，而在 Low Probe Force 上只有微機電探針特具此優點，此特點亦是將來發展全

晶圓測試之最有利條件。其它的優點是微機電探針的間距可以小到 50μm 以下。

以目前 IC 的發展趨勢即輕薄短小化，MEMS 的探針卡技術應該是最可行，也 最具前瞻性，但是到目前為止，因可靠度的資料仍有限所以尚未可以用在量產的產品。

圖2-15 微機電式探針卡與其探針 [16]

2.2 懸臂式探針卡製作流程概述

本研究的探針卡為懸臂式探針卡，也是目前業界最常使用的探針卡， 且探針卡 設計大部分都趨向一次可測試多晶粒，且製作時間比較少，價格也比其他探針卡便 宜，因此一般業者都喜歡使用這類型的探針卡，所以相關材料及參數影響的層面就很 重要，所以就針對探針卡每一個製程做介紹，如圖 2-16 所示。

探針卡設計 彎針製程 擺針製程

銲接製程 調針製程

出貨檢驗製程

圖2-16 懸臂式探針卡流程圖

2.2.1 探針卡設計

一般設計會依照客戶需求做探針卡設計，且依照相關IC設計觀念進行，所以在設 計部門會考慮到以下項目：

一、客戶需求：首先要了解客戶端 IC 設計的方式、特殊設計的線路、晶圓上測 試墊的佈置、測試機台的規格、測試程式的定義、高溫及低溫需求、節省測 試時間、多晶粒測試的設計觀念等相關訊息。

二、治具的設計：治具方面是讓生產線人員順利完成探針卡，所以需注意到彎針 治具、擺針治具、調針治具、檢驗治具的設計，也因為探針卡的製作都是人 工方面比較多，更顯示出治具設計需要比較高精密性，減少人為所產生的誤 差。

三、材料的選用：業界較常使用的探針依材質的不同分為鎢、錸鎢、鈹銅與 Palinery-7TM 等四種，以下為針材相關特性：

（一）鎢材質

1、針測測試墊時，最常使用之。

2、硬度較高、較長的使用壽命，相對的測試墊刮痕也較大。

3、彈性較佳，針測過程也比較穩定。

（二）錸鎢材質

1、材料相關特性與鎢材質探針相似。

2、彈性和導電率與鎢材質探針相同。

3、接觸電阻與使用壽命比鎢材質探針較好。

（三）鈹銅材質

1、常用於低接觸電阻或高電流。

2、相對其它探針材質，硬度特性比較低。

（四）Palinery-7TM 材質 1、硬度比鈹銅較高。

2、其特性為低接觸電阻與高導電率。

四、印刷電路板的設計：需要符合測試廠的機台需求做設計，雖然在測試的階段 中，探針與測試墊接觸後傳達訊號到測試機台，而更重要的是探針與測試機 台的媒介「印刷電路板」，這樣才可以把正確的訊息提供給客戶端。

2.2.2 彎針製程

是非常重要，所以彎針時會考慮到以下幾種參數值，如圖 2-17 所示：

一、 針身直徑（Probe Wire Diameter）：此參數影響到探針的彈性及接觸力，

直徑越大相對的接觸力也會越大，影響到測試墊刮痕深度，設計時針身 直徑是很重要的參數。

二、 腐蝕長度（Etch Length）：探針是利用腐蝕的方式讓針尖可以比較小，

所以腐蝕長度也影響到針尖直徑。

三、 彎針角度（Bend Angle）：此參數是控制探針在測試墊的滑行量，角度太 大有可能會滑出測試墊表面，造成測試不良的現象，若是角度太小可能 會造成跪針的現象，所以角度的控制是很重要的一個步驟。

四、 針尖長度（Tip Length）：此參數使探針卡的控制壽命，當探針接觸測試 墊時會將其表面氧化物或雜質帶走，而針尖會沾黏雜質而影響電性，所 以針測一段時間後必須清針，以免影響針測之準確性。

五、 針尖直徑（Tip Diameter）：此參數會影響針尖與測試墊之接觸電阻，針 尖直徑的大小會產生不同的接觸電阻，以及影響到測試墊刮痕的面積限 制。當針測鋁材質測試墊時，需使用較大的針尖直徑才能刺穿氧化層，

如果過大時會傷害測試墊，太小時卻會增加接觸電阻。當針測銲錫凸塊

時，其針尖直徑需等於或略大於錫球或銲錫凸塊，否則過小的直徑會傷 害。

六、 針身長度 （Beam Length）：此參數影響度與針身直徑相同，直接會影 響到接觸力，針身長度越長時相對接觸力會變小，也會造成無法刮除測 試墊上氧化層而接觸不好，產生電性效果很差。

圖2-17 彎針成型示意圖

在彎針製程中，主要是把探針彎曲到固定的位置，探針未做任何處理及加工，考 量探針卡的製作時間，因此相關加工會在其他製程完成。

2.2.3 擺針製程

重要的一環，擺針所需要的相關治具及材料如下：

一、 擺針光罩片：依照設計圖面分布的位置，設計出擺針所使用的光罩片，

在光罩片上製作小孔，讓彎針製程後的探針一一擺放在光罩片上，排列 出與設計圖面上的探針位置，如圖 2-18 所示。

二、 擺針治具：主要是將光罩片放進治具中，再進行擺針的動作，因此治具

B e a m L e n g th

P r o b e W ir e D ia m e t e r E tc h L e n g th

T i p L e n g th

T ip D ia m e te r B e n d A n g le

Probe Wire Diameter

Beam Length Bend

Angle Tip Length

Tip Diameter

Beam Length

的設計就要依照整個結構作考量，才不會影響到探針的角度。

三、 固定膠材：主要是固定探針用，選用的材料大部分為環氧樹脂，在經過 高溫烘烤後，讓膠材與探針定型，如果是擺放多層針的話，因為膠材是 屬於液體狀態，因此會將一層膠材塗佈後再做烘烤，再進行下一層的擺 放動作，一直循環做膠材塗佈及高溫烘烤，而為了符合測試時的高低溫 需求，所選用的膠材也有所不同，如圖 2-19 所示。

四、

圖2-18 擺針位置分布圖

圖2-19 擺針塗膠狀態圖

擺針站完成後需要做探針接觸力檢測，驗證設計方面是否有出現問題點，可以將 設計不良的問題反映出來，或是探針材質的異常，確認後即可提供給相關部門做追蹤 及資料收集。

2.2.4 焊接製程

路板上所標示的腳位，完成牢固的焊接在一起，因為目前探針卡都偏向多腳位的需 求，探針及被動元件數量也比較多及複雜化，焊接結果都會關係到測試後的訊息。一 般常遇到焊接的問題會是空焊、搭接其他焊點、漏電、被動元件及探針錯位等問題點，

因此確認者都需要相當仔細，也考量到設計圖面的重要性及簡單化，且焊接完成後會 做基本的電性測試，防止焊接錯誤。其中漏電問題會影響比較大，大部分都是焊接完 後清洗所造成，一般清洗完後都會經過烘烤的階段，防止會溼氣殘留在印刷電路板或 焊接隙縫中，以減低漏電的影響。

圖2-20 銲接狀態圖

2.2.5 調針製程

一般都與擺針用的光罩片相同，將探針卡上的探針一一調整到固定的位置。所以調針 製程區分兩個項目：

一、磨針製程：在彎針製程中，探針都未經過任何處理，且完成探針彎曲角度，

因此針尖長度及針尖直徑都未加工處理，最主要的用意就是在彎針站進行 磨針的動作會造成針尖容易彎曲變形，且浪費的人力及時間會比較多，因 此都會將此磨針的動作安排在調針製程中。大部分的磨針機器會採取圓周 運動進行磨針動作，且用顆粒較細小的砂紙做磨耗物，主要是磨針效果比 較均勻性，缺點就是靠近中心位置的探針磨耗會比較緩慢，所以磨針時探 針的擺放是很重要的。

二、調針製程：完成磨針製程後，接下來就是調針製程，調針用的主要治具為 玻璃光罩片，在光罩片上會有明顯的針點分佈，與擺針所使用的光罩片是 一樣的，主要是因為經過很多製程後，針尖影響會是最大的，通常會造成 變形或彎曲，與擺針時的位置會有些微的偏差量，所以就會利用調針的方 式，將探針調整到固定的位置。

2.2.6 出貨檢驗製程

探針完成製作後，一定要做電性及各方面的測試，因此探針卡在出貨前也是要測 試電性基本功能、水平度、針位、接觸阻值、漏電、接觸力、外觀檢測，一般的基本 功能測試都採用探針卡測試機台，驗證探針卡的功能性。

外觀檢驗項目比較複雜，幾乎時間也是花費的人工檢驗，例如：焊接後焊點檢驗、

調針後針身及針尖檢驗、零件外觀等檢驗項目，畢竟考量到多種角度的檢驗，因此目 前市場上還未有可以自動檢驗機器設備可以取代人工，經過的完善檢驗後，才不會影 響測試結果及客戶退貨的問題產生。尤其這些量測後都須提供詳細的出貨報告給客戶 端，畢竟一片探針卡的單價很高，因此相關品質上的確認很重要的。

第三章 ANSYS 有限元素分析與實驗之驗證

本研究根據業界最常使用的懸臂式探針卡相關數據及參數，以 ANSYS 為分析 工具，探討探針對於測試墊的滑行量與接觸力相關差異之分析。探針結構分析將分為 五部分加以探討說明，最後在實際製作探針卡樣品進行實驗分析討論。重點比較出模 擬單一節距結構、十個節距結構、二十個節距結構、四分之ㄧ結構的差異性，每個結 構基本構造為四層針，比較各層針的滑行量與接觸力差異性，以及每層針依照節距的 不同會有單根、十根、二十根探針等排列方式，比較出中間與左右兩側探針的滑行量 與接觸力差異性。

3.1 探針模型結構介紹

採用業界最常使用日字型結構，詳細的探針結構俯視圖如圖 3-1 所示。短邊方 向總計有二十個相同節距四層探針之結構，其中分為兩組其針尖距離橫跨 169.6 mil，每一組有兩個探針，針尖具有相同水平位置，針尾位於第二與第四象限，因此 在高度方向位置不同，在此區分較長的為第一組，其中的兩個探針分別為第二象限者 定義為第一層(Layer 1)與第四象限者定義第二層(Layer2)，較短的為第二組，如同第 一組分別為第三層(Layer3)與第四層(Layer4)，如圖 3-2 所示，以下皆以層來表示其 所屬的探針。由於第三層與第四層的針剛好位於第一層與第二層的下方，所以第一層 針與第三層針及第二層針與第四層針的設計尺寸皆為相同，兩組探針僅橫跨位置不 同。長邊方向總計有二十個相同節距二層探針之結構，僅具有第三層與第四層探針。

探針之間由樹脂黏著劑固定，並藉由陶瓷材質之支撐環組合為探針結構之主體，陶瓷 本身黏接在印刷電路板上，圖 3-3 為探針結構模型之尺寸示意圖，各層探針的幾何 尺寸如下，如表 3-1 所示。

圖3-1 探針結構俯視圖

第一組 第一層

第二組 第三層

第二層

第四層

圖3-2 探針結構剖面圖

A

B

圖3-3 探針結構模型之尺寸示意圖 表3-1 探針卡結構模型之相關尺寸 層別

Layer 1 Layer 2 Layer 3 Layer 4

針身直徑 5.5 mil 5.5 mil 5.5 mil 5.5 mil 針身長度 125.4 mil 125.4 mil 125.0 mil 125.0 mil 針尖直徑 0.8 mil 0.8 mil 0.8 mil 0.8 mil 針尖長度 17.1 mil 10.2 mil 17.1 mil 10.2 mil 彎針角度 106.7° 105.8° 106.7° 105.8°

截面 A-B

參數

探針材質為錸鎢探針，其材料特性比鎢針材質較佳，接觸阻值及探針壽命都優於 鎢針材質，也是一般業界經常使用的探針材料，各材料的材料特性如表 3-2 所示。

表3-2 探針結構模型之材料參數

材 料 浦松比 楊氏係數 (psi)

錸鎢探針 0.33 41335260

膠材 0.45 87021.6

陶瓷 0.22 53700000

依照設計圖面及材料特性建立模型，因為在探針卡的製程中，會將陶瓷本身黏接 在印刷電路板上，因此整體考量是將探針、膠材、陶瓷結合而成，且設定陶瓷結構的 自由度為零。

3.2 單一節距結構有限元素模型分析

探針卡結構為相同重複性之結構，本節之有限元素模型先考慮最簡易之單一節 距，包含每一層分別為一支共四支。探針卡在針測的過程中探針與測試墊接觸時，會 給探針一個針測的行程，讓所有的探針完全接觸測試墊表面，一般針測行程為 0.5 mil、1.0 mil、1.5 mil 等距離。針測行程不可以太小或太大，假設針測行程太小，容 易造成其他探針無法接觸到測試墊表面；反之針測行程太大，容易造成探針滑出測試 墊表面或是嚴重刮傷測試墊。進一步考慮探針卡的清針，探針清針是用砂紙做磨針的 動作，也是给一個研磨行程，讓探針表面的殘留的雜質可以完全清除乾淨，提升測試 品質。因此每一家測試廠都會規定針測行程，以增加探針卡的壽命及測試品質。

由於探針卡是將陶瓷本身黏接在印刷電路板上，今假設探針卡的電路板剛性不會 造成探針本體的剛性位移，所以有限元素模型僅包含陶瓷以下的結構。圖 3-4 為探

針結構有限元素模型示意圖，包含陶瓷、黏膠、探針與測試墊表面，針尖與測試墊表 面建立接觸元素。邊界條件與負載條件設定是模擬實際測試機台的方式，由於探針卡 是鎖緊在測試機台上面，無法作上下移動測試，將陶瓷上端的變形自由度設定為零，

負載條件的設定會是由測試機平台由下往上反覆作測試的方式，針測行程為 0.5 mil、1.0 mil、1.5 mil等距離，如圖 3-5為探針結構有限元素模型邊界條件與負載條件。

1 ELEMENTS MAT NUM

Layer 2 陶瓷 (Ceramic)

圖3-4 探針結構有限元素模型示意圖

X Y Z

Layer 1

接觸元素 Layer 3 Layer 4 膠材 (Epoxy)

圖 3-5 探針結構有限元素模型邊界條件與負載條件

由滑行量分析中發現，針測行程位移 0.5 mil 距離時，每一組的上層探針滑行量

大於下層探針，意即 大於 大於 ，由於 探

針轉折處至測試墊表面長度大於

果可知，每一組上層探針（ ）發現，第一組的針滑行量越大，意即

滑行量大於 的滑行量，滑行量差異為 ，如圖 所示。每一層

上升到 距離時 倍，因此針測

行程越大時，相對的探針的滑行量會越大，且增加探針的磨耗。

Y

Layer 1 Layer 2；Layer 3 Layer 4 Layer 1 Layer 2，故剛性較弱造成較大的位移量。同理由結 Layer 1、Layer 3 Layer 1 Layer 3 0.03 mil 3-6

探針的針測行程由 0.5 mil 1.5 mil ，滑行量增加為 2.9

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

0.5 1 1.5

上升距離 (mil)

滑行量(mil) layer1

layer2 layer3 layer4

圖 3-6 單一節距結構各層針探針滑行量

X Z

探針接觸力的分析中 上層針的接觸力，

意即

，每一組的下層針的接觸力（Layer 2）大於

Layer 2 大於 Layer 1； Layer 4 大於 Layer 3，此由於剛性較弱反作用力較小，

因此在探針層數增加時，接觸力會增加，如圖 3-7 所示。每一組的上層探針（Layer 1 與 Layer 3）和下層探針（Layer 2 與 Layer 4）的接觸力差異不大，以針測行程 0.5 mil 做比較 Layer 1 大於 Layer 3 ；Layer 2 大於 Layer 4，接觸力差異為 0.17 ~ 0.19 克 。每一層探針的針測行程由 0.5 mil 上升到 1.5 mil 時，接觸力增加 2.9 倍。

4

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

0.5 1 1.5

上升距離 (mil)

接觸力(g)

layer1

layer2 layer3 layer4

圖3-7 單一節距結構各層針探針接觸力

上述的分析過程中，探針尖端面與測試墊表面為接處元素，其中磨擦係數為使用 者所定義，一般需由實驗法來確定。再無法由實驗確定下，吾人進行探針與測試墊間 不同磨擦係數的分析，以便與後面章節實驗對比可知適當的磨擦係數。由分析結果得 知，若以磨擦係數 0.2 為基準，當增加磨擦係數 0.05 時，上升距離 0.5 mil 產生 -0.01

~ -0.015 mil 滑行量的變化量，上升距離到 1.5 mil 時，滑行量變化為-0.02 ~ -0.025 mil ，如圖 3-8 所示，由此可知，磨擦係數的增加阻礙探針的滑行，故滑行量隨磨擦 係數增加而降低。

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

0.5 1 1.5

上升距離(mil)

layer1(μ=0.2) layer1(μ=0.25) layer2(μ=0.2) layer2(μ=0.25) layer3(μ=0.2) layer3(μ=0.25) layer4(μ=0.2) layer4(μ=0.25)

圖3-8 探針與測試墊間的磨擦係數 0.2 與 0.25 比較

進一步將探針與測試墊間的磨擦係數提升到 0.1 時，測試滑行量的變化，結果 發現滑行量的變化增加許多，在上升距離 0.5 mil 時，產生的滑行量變化由 -0.01 ~ -0.02 mil，而上升距離 1.5 mil 時滑行量變化為 -0.03 ~ -0.04 mil，如圖 3-9 所示。

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

0.5 1 1.5

上升距離(mil)

layer1(μ=0.2) layer1(μ=0.3) layer2(μ=0.2) layer2(μ=0.3) layer3(μ=0.2) layer3(μ=0.3) layer4(μ=0.2) layer4(μ=0.3)

圖3-9 探針與測試墊間的磨擦係數 0.2 與 0.3 比較

因此磨擦係數也會影響到滑行量，隨著磨擦係數的增加，滑行量反而減少很多，

以下的分析採用磨擦係數為 0.25，此結果與 3.6 節的實驗結果最吻合。

3.3 十個節距結構有限元素模型分析

接下來會針對多腳位結構進行分析討論，探討滑行量與接觸力在多腳位時每一層 的差異性，這些都息息相關到每一個或每一層探針的磨耗性，也因為每根針的磨耗性 不同，相對的會產生出探針的針尖直徑會因為測試次數越多後，會有明顯的不同，包 含了磨耗不均勻或是針尖直徑不同等異常問題的產生，這些問題都會影響到探針卡的 壽命，以及增加保養次數，降低了探針卡原始可使用的測試次數，一般探針卡都預估 可測試一百萬次左右。

進一步探討出多腳位結構的影響，使用ANSYS軟體進行模擬，除了考量單一節 距結構所產生的現象外，每一層反應的均勻性是否一致，每一個節距的反應，理論而 言應該非常的均勻。

十個節距探針結構的有限元素模型，邊界條件設定陶瓷結構體上方自由度為零，

針測行程為 0.5 mil 、 1.0 mil 、 1.5 mil 等距離，圖 3-10 為十個節距探針有限元 素模型示意圖。

圖3-10 十個節距結構有限元素模型示意圖

由結果顯示針測行程 0.5 mil 時，滑行量的變化有些微的差異，每一層針結構差 異與單一節距的結構相同，上層探針滑行量大於下層探針，即是 Layer 1 大於 Layer 2；Layer 3 大於 Layer 4，滑行量的差距在 0.03 mil 。進一步分析同一層針上的十根 探針滑行量，探針排列最左邊與中間探針做比較，中間探針高於最左邊探針的滑行量 為 0 ~ 0.0002 mil，若以探針排列最右邊與中間探針做比較，中間探針高於最右邊探 針的滑行量為 0.0004 ~ 0.0008 mil，如圖3-11所示。

針測行程提升到 1.0 mil 時，上層探針滑行量大於下層探針，滑行量的差距提升 到 0.06 mil。進一步分析同一層針上的十根探針滑行量，探針排列最左邊與中間探針 做比較，中間探針高於最左邊探針的滑行量為 0 ~ 0.0002 mil，若以探針最右邊與中 間探針做比較，中間探針高於最右邊探針的滑行量為 0.0005 ~ 0.0017 mil，如圖3-12 所示。

最後針測行程提升到1.5 mil 時，上層探針滑行量大於下層探針，滑行量的差距

提升到 0.09 mil 。進一步分析同一層針上的十根探針滑行量，探針排列最左邊與中 間探針做比較，中間探針高於最左邊探針的滑行量為 0 ~ 0.0005 mil，若以探針最右 邊與中間探針做比較，中間探針高於最右邊探針的滑行量為 0.0010 ~ 0.0024 mil，如 圖 3-13 所示，由此可見針測行程越大，上層針與下層針的變化量就越大。若以同一 層針做比較，中間探針與排列最右邊探針滑行量也是隨著針測行程而改變，滑行量差 異趨勢會慢慢變大，雖然滑行量差異尺寸很微小，但是經過探針長時間測試與清針，

將會影響到探針壽命。

0.12 0.13 0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.2 0.21

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

探針腳位

layer 1 layer 2 layer 3 layer 4

圖3-11 十個節距各層針探針滑行量(針測行程0.5 mil)

0.26 0.28 0.3 0.32 0.34 0.36 0.38 0.4

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

探針腳位

滑行量(mil) _{layer 1}

layer 2 layer 3 layer 4

圖3-12 十個節距各層針探針滑行量(針測行程1.0 mil)

0.4 0.42 0.44 0.46 0.48 0.5 0.52 0.54 0.56 0.58

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

探針腳位

滑行量(mil) _{layer 1}

layer 2 layer 3 layer 4

圖3-13 十個節距各層針探針滑行量(針測行程 1.5 mil)

接觸力作分析中，當針測行程 0.5 mil 時，下層探針滑行量大於上層探針，即是 Layer 2 大於 Layer 1；Layer 4 大於 Layer 3，接觸力的差距在 0.17 ~ 0.19 克。進一 步分析同一層針上的十根探針接觸力變化量，探針排列最左邊與中間探針做比較，中 間探針高於最左邊探針的接觸力為 0.003 ~ 0.006 克，若以探針排列最右邊與中間探 針做比較，中間探針高於最右邊探針的接觸力為 0.004 ~ 0.008 克，如圖 3-14 所示。

針測行程1.0 mil 時，下層探針滑行量大於上層探針，接觸力的差距在 0.38 ~ 0.39 克。進一步分析同一層針上的十根探針接觸力變化量，探針排列最左邊與中間探針做 比較，中間探針高於最左邊探針的接觸力為 0.006 ~ 0.010 克，若以探針排列最右邊 與中間探針做比較，中間探針高於最右邊探針的接觸力為 0.005 ~ 0.016 克

，

針測行程1.5 mil 時，下層探針滑行量大於上層探針，接觸力的差距在 0.55 ~ 0.59 克。進一步分析同一層針上的十根探針接觸力變化量，探針排列最左邊與中間探針做 比較，中間探針高於最左邊探針的接觸力為 0.007 ~ 0.018 克，若以探針排列最右邊 與中間探針做比較，中間探針高於最右邊探針的接觸力為 0.005 ~ 0.026 克

，

0.9 1 1.1 1.2 1.3

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

探針腳位

layer 1 layer 2 layer 3 layer 4

圖3-14 十個節距各層針探針接觸力(針測行程 0.5 mil)

1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

探針腳位

接觸力 ( g ) ^{layer 1}_{layer 2}

layer 3 layer 4

圖3-15 十個節距各層針探針接觸力(針測行程 1.0 mil)

2.7 2.8 2.9 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

探針腳位

layer 1 layer 2 layer 3 layer 4

圖3-16 十個節距各層針探針接觸力(針測行程 1.5 mil)

3.4 二十個節距結構有限元素模型分析

由單一與十個節距結構中分析出上下層針的差異性後，進一步探討隨著探針節距 的增加，在同一層針中每根探針的差異性，驗證其增加探針時，變化量會不會隨著探 針的增加而變大，而邊界條件的限制如同單一節距結構，如圖3-17 所示。

圖3-17 二十個節距結構有限元素模型示意圖

由結果顯示針測行程 0.5 mil 時，滑行量的變化有些微的差異，每一層針結構差 異與單一節距的結構相同，上層探針滑行量大於下層探針，即是 Layer 1 大於 Layer 2；Layer 3 大於 Layer 4，滑行量的差距在 0.03 mil 。進一步分析同一層針上的二十 根探針滑行量，探針排列最左邊與中間探針做比較，中間探針高於最左邊探針的滑行 量為 0 ~ 0.0008 mil，若以探針排列最右邊與中間探針做比較，中間探針高於最右邊 探針的滑行量為 0.0007 ~ 0.0011 mil，如圖 3-18 所示。

針測行程上升到 1.0 mil 時，上層探針滑行量大於下層探針，滑行量的差距在

做比較，中間探針高於最左邊探針的滑行量為 0 ~ 0.0011 mil，若以探針排列最右邊 與中間探針做比較，中間探針高於最右邊探針的滑行量為 0.0007 ~ 0.0021 mil，如圖 3-19 所示。

針測行程上升到 1.5 mil 時，上層探針滑行量大於下層探針，滑行量的差距在 0.09 mil 。進一步分析同一層針上的二十根探針滑行量，探針排列最左邊與中間探針 做比較，中間探針高於最左邊探針的滑行量為 0 ~ 0.0022 mil，若以探針排列最右邊 與中間探針做比較，中間探針高於最右邊探針的滑行量為 0.0022 ~ 0.0026 mil，如圖 3-20 所示。

0.12 0.13 0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.2 0.21

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

探針腳位

滑行量 (mil) _{layer 1}

layer 2 layer 3 layer 4

圖 3-18 二十個節距各層針探針滑行量(針測行程0.5 mil)

0.26 0.28 0.3 0.32 0.34 0.36 0.38 0.4

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

探針腳位

滑行量 (mil) ^{layer 1}

layer 2 layer 3 layer 4

圖 3-19 二十個節距各層針探針滑行量(針測行程1.0 mil)

0.4 0.42 0.44 0.46 0.48 0.5 0.52 0.54 0.56 0.58

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

探針腳位

滑行量 (mil) layer 1

layer 2 layer 3 layer 4

圖 3-20 二十個節距各層針探針滑行量(針測行程1.5 mil)

接觸力作分析中，當針測行程 0.5 mil 時，下層探針滑行量大於上層探針，即是 Layer 2 大於 Layer 1；Layer 4 大於 Layer 3，接觸力的差距在 0.17 ~ 0.19 克。進一 步分析同一層針上的二十根探針接觸力變化量，探針排列最左邊與中間探針做比較，

中間探針高於最左邊探針的接觸力為 0.004 ~ 0.008 克，若以探針排列最右邊與中間 探針做比較，中間探針高於最右邊探針的接觸力為 0.004 ~ 0.015 克， 如圖3-21 所 示。

針測行程1.0 mil 時，下層探針滑行量大於上層探針，接觸力的差距在 0.38 ~ 0.39 克。進一步分析同一層針上的二十根探針接觸力變化量，探針排列最左邊與中間探針 做比較，中間探針高於最左邊探針的接觸力為 0.006 ~ 0.018 克，若以探針排列最右 邊與中間探針做比較，中間探針高於最右邊探針的接觸力為 0.005 ~ 0.032 克，如圖 3-22 所示。

針測行程 1.5 mil 時，下層探針滑行量大於上層探針，接觸力的差距在 0.55 ~ 0.60 克。進一步分析同一層針上的二十根探針接觸力變化量，探針排列最左邊與中 間探針做比較，中間探針高於最左邊探針的接觸力為 0.008 ~ 0.028 克，若以探針排 列最右邊與中間探針做比較，中間探針高於最右邊探針的接觸力為 0.020 ~ 0.044 克，如圖3-23所示。

0.9 0.95 1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 探針腳位

接觸力

( g) _{layer 1}

layer 2 layer 3 layer 4

圖 3-21 二十個節距各層針探針接觸力(針測行程0.5 mil)

1.8 1.9 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 探針腳位

接觸力

( g

) _{layer 1}

layer 2 layer 3 layer 4

圖 3-22 二十個節距各層針探針接觸力(針測行程1.0 mil)

2.7 2.8 2.9 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 探針腳位

接觸力

( g) layer 1

layer 2 layer 3 layer 4

圖3-23 二十個節距各層針探針接觸力(針測行程 1.5 mil)

3.5 四分之ㄧ結構有限元素模型分析

由十個節距結構與二十個節距結構中分析出，在同一層針中每根探針的差異性，

進一步驗證再結構體是否會影響到同一層針的變化量，探討變化量會不會受到結構的 不同會有所改變，如圖3-24、圖 3-25 所示。

A

B 0.0326 R0.3450

R0.1350 0.0326

* A-B 四分之ㄧ剖切區塊

圖3-24 四分之ㄧ結構模型之尺寸示意圖