中 華 大 學 碩 士 論 文

中 華 大 學 碩 士 論 文

晶圓針測尺寸變異之有限元素模擬分析 Finite Element Analysis in Dimensional Variation of

Wafer Probing

系 所 別：機 械 工 程 學 系 碩 士 班

學號姓名： M09908019

張政升

摘要

探針卡的使用在 IC 測試過程中，是相當重要的工具，透過探針卡之探針與晶圓 特定銲墊接觸，才能量得電路的電性，進而判斷出晶粒的好壞。而影響銲墊刮痕大小 與造成探針損傷的主要因素則為針測行程與探針幾何尺寸。

本研究以A 廠所提供的探針幾何形狀與材料參數進行針測之力學行為之模擬研 究探討。一般而言，A 廠本身具有分析軟體，當給與必要的參數與針測行程的力量，

則產生完整的探針資訊，包含各部分的尺寸與Auto CAD 圖檔。然而探針是高工藝 之手工製作，並非機器製作，因此是否有製作誤差是值得探討的問題之一。

本文以 ANSYS 為分析工具，根據業界實際生產製程之數據進行探針結構針測 力學行為之模擬探討。首先以A 廠所提供的一組參數進行單一節距條狀 3D 模型之 有限元素模擬與實驗的比較，模擬中配合不同模擦系數以確定模擬的可信度。進而 探討針身長度、針尖長度、蝕刻長度等基本量對接觸力與滑行量的影響。

進而A 廠某探針在固定針身直徑 5 mil、針尖直徑 0.6 mil 與針尖彎角 101°下，

進行針身長度、蝕刻長度、針尖長度與入射角等四個因子，每個因子有四種不同尺 寸，共計256 組合之模擬分析。由分析結果，利用內插函數原理，產生接觸力與滑 行量在四個因子的內差函數。模擬分析與實驗的對比中，由於A 廠未提供角度參數，

使接觸力的實驗值較高。

關鍵字：懸臂式探針卡、滑行量、接觸力、ANSYS

ABSTRACT

Probe card to be used in the IC testing process, is a very important tool pad contact through the probe of the probe card and wafer specific welding can be measured the electrical resistance of the circuit, and then judge the quality of the grain. Affect the pad scratches the size of the main factors cause probe damage compared to stroke and probe geometry size of probing.

The main purpose of this research is to investigate the cantilever probe card mechanics behavior under testing process. Probe geometric dimensions and material properties were supplied by the manufacturer’s home software. The values of contact force between home software design and experimental measure are greatly concerned by designers.

One particularly probe was simulated by ANSYS with 3D slice model. The different coefficients of friction between contact surface were verified with the experimental results. Furthermore, the effects of beam length, tip length and etched length on contact force and sliding distance were investigated.

Finally, a probe type with probe diameter 5 mil, tip diameter 0.6 mil and bending angle 101 degree under four factors: beam length, etched length, tip length, and shooting angle was simulated by four different values in each factor, which were totally 256 combinations. The useful equations of contact force and sliding distance were derived by interpolation methodology.

誌謝

當寫到此頁時，這代表著我的求學生涯已告一個階段性的段落。短暫的研究所 兩年的時間，是漫長的求學生涯中充滿汗水與歡笑卻最充實的一段日子。在這段日 子中，讓我對所有的人、事、物有一種嶄新的認知。

在此首先感謝的是指導教授陳精一老師，因為我很健忘，但陳精一老師卻不厭 其煩的一而再，再而三的細心指導，也提共良好的學習環境，讓我在學業方面受益 匪淺，更是在待人處世方面學習不少，在此敬上最高的感謝。也由衷感謝口委倪慶 羽博士以及黃國饒老師在口試中的指導與建議，讓短視的我能順利完成論文，以及 感謝陳俊宏老師、許隆結老師，亦師亦友的相處，在你們身上我學到很多。

在實驗室的兩年生活，充滿了許多令人珍惜的回憶，學長學弟間的互動亦是我 最大的收穫，感謝頌文、正文、俊嘉、翔硯、建偉、仁宏、阿宏以及阿國學長的幫 助與教導讓我可以快速融入研究生的生活，畢業後不時的出現帶給學弟們歡樂，總 是與我們和樂融融，一起努力、一起歡笑，使我研究所的生活不是只有單調的學習，

也給予我放鬆的空間。與同窗兼好友偉峻兩年相處的非常愉快，發生問題時互相研 究討論，在你的身上讓我學會很多；醫生、松峰、阿弄、小魚學弟們感謝你們的分 工合作，減輕我不小的負擔，甚至陪我度過失戀期，以及感謝其它實驗室的子儀、

洸偉、宏昌、二哥、小鬼和阿瑞等人所創造出融洽的環境，跟大家一起奮戰將會是 我最難忘的一段歲月。此外，對謝維傑的感謝更是盡在不言中。

不免俗的在此感謝我的父母與弟、妹於我在外求學時幫助家中並照顧父母，感 謝父母對我的鼓勵與期許，感謝你們一直以來的支持，你們的包容與陪伴是支持我 拿到此學位的動力。

最後，因為需要感謝的人數實在太多，如有沒提到的朋友們在此一並感謝。感 謝大家在於我研究過程中的幫助或生活上的指點，並祝福各位平安、順心。

目錄

第一章 序論 ... 1

1-1 前言... 1

1-2 研究動機與目的... 2

1-3 文獻回顧... 4

第二章 懸臂式探針卡簡介 ... 7

2-1 探針卡之種類... 8

2-1-1 懸臂式探針卡 ... 9

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 ... 16

2-1-5 微彈簧式探針卡 ... 17

2-1-6 微機電式探針卡 ... 18

2-2 懸臂樑式探針卡之探針概述... 19

2-3-1 探針卡設計 ... 24

2-3-2 彎針製程 ... 24

2-2-3 擺針製程 ... 26

2-3-4 焊接製程 ... 27

2-3-5 調針製程 ... 28

2-3-6 出貨檢驗製程 ... 29

第三章 ANSYS有限元素分析 ... 30

3-1 材料參數實驗... 30

3-2 單針幾何尺寸之有限元素模型... 30

3-3 模擬探針之基本參數... 33

3-4 單針幾何尺寸之變異... 33

3-5 幾何尺寸變異之數值分析... 34

第四章 ANSYS 有限元素分析結果與討論 ... 37

4-1 實作與模擬分析結果比對... 37

4-2 單針幾何尺寸之變異對接觸力的影響... 39

4-3 幾何尺寸變異之近似函數...43

第五章 結論及未來研究方向 ... 59

5-1 結論... 59

5-2 建議... 60

表目錄

表 2- 1 材質對探針影響比較... 20

表 3- 1 探針結構模型之材料參數... 30

表 3- 2 單一探針之相關尺寸... 33

表 3- 3 探針之變異尺寸... 34

表 4- 1 為實際製作探針卡量測的接觸力... 38

表 4- 2 ANSYS模擬探針的針測之接觸力... 38

表 4- 3 針身長度 90 mil ... 54

表 4- 4 針身長度 95 mil ... 55

表 4- 5 針身長度 100 mil ... 56

表 4- 6 針身長度 105 mil ... 57

圖目錄

圖 1- 1 IC製程流程圖... 1

圖 1- 2 探針接觸銲墊狀況... 3

圖 1- 3 圓型探針針頭接觸鋁墊機構... 5

圖 1- 4 (a) E-Tip針頭、(b) Flat-Tip針頭 ... 6

圖 2- 1 探針卡發展圖... 8

圖 2- 2 邊緣方式排列... 9

圖 2- 3 面積陣列方式排列... 9

圖 2- 4 懸臂式探針卡... 10

圖 2- 5 懸臂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- 13 微彈簧式探針卡... 17

圖 2- 14 微彈簧式探針卡之探針... 18

圖 2- 15 微機電式探針卡與其探針... 19

圖 2- 16 探針材質對探針使用壽命之比較... 21

圖 2- 17 懸臂樑式之探針結構示意圖... 21

圖 2- 18 探針之刮痕（a-Flat-Tip b-E-Tip）... 23

圖 2- 19 懸臂式探針卡流程圖... 23

圖 2- 20 彎針成型示意圖... 26

圖 2- 21 擺針塗膠狀態圖... 27

圖 2- 22 銲接狀態圖... 28

圖 3- 1 探針基本結構... 32

圖 3- 2 單一探針邊界條件與負載... 32

圖 3- 3 探針卡之幾何尺寸... 33

圖 3- 4 實驗探針卡之設計圖... 36

圖 4- 1 為實際製作的探針卡... 37

圖 4- 2 蝕刻長度變異對接觸力之影響... 39

圖 4- 3 蝕刻長度變異對滑行量之影響... 39

圖 4- 4 針尖長度變異對接觸力之影響... 40

圖 4- 5 針尖長度變異對滑行量之影響... 40

圖 4- 6 針身長度變異對接觸力之影響... 41

圖 4- 7 針身長度變異對接觸力之影響... 41

圖 4- 8 入射角變異對接觸力之影響... 42

圖 4- 9 入射角變異對滑行量之影響... 42

圖 4- 10 針測行程為 0.5 mil之接觸力 ... 43

圖 4- 11 針測行程為 1 mil之接觸力... 43

圖 4- 12 針測行程為 1.5 mil之接觸力 ... 44

圖 4- 13 針測行程為 2 mil之接觸力 ... 44

圖 4- 14 針測行程為 0.5 mil之滑行量 ... 45

圖 4- 15 針測行程為 1 mil之滑行量 ... 45

圖 4- 16 針測行程為 1.5 mil之滑行量 ... 46

圖 4- 17 針測行程為 2 mil之滑行量 ... 46

圖 4- 18 針測行程為 0.5 mil之接觸力比較 ... 48

圖 4- 21 針測行程為 2 mil之接觸力比較 ... 49

圖 4- 22 針測行程為 0.5 mil之滑行量比較 ... 51

圖 4- 23 針測行程為 1 mil之滑行量比較 ... 51

圖 4- 24 針測行程為 1.5 mil之滑行量比較 ... 52

圖 4- 25 針測行程為 2 mil之滑行量比較 ... 52

圖 4- 26 模擬值、實驗值、設計值之接觸力比較... 58

第一章 序論 1-1 前言

跟隨著國際半導體產業發展腳步，使台灣積體電路（Integrated Circuit, IC）產業 蓬勃發展，連同半導體的相關產業也不斷發展，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…等廣泛應用領域。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（Wafer Fab.）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，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[1] 所示。在測試的過程中，測試晶 圓所用的設備分為探針卡（Probe Card）、針測機（Prober）與測試機（Tester），其 目的就是將晶片上過濾電性及功能不佳的晶粒，且會在晶圓上做篩檢，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。

IC Design 晶圓設計

Wafer Fab 晶圓設計

CP 晶圓設計

Products FT Package

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到測試機台，這樣可以了解晶圓品質，通常會隨著 IC設計的不同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 式可以區分為懸臂樑式與垂直式探針卡，為了符合目前的需求能容許更多的銲墊及凸 塊，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，讓節省測試成本。

1-2 研究動機與目的

探針卡是測試機與晶圓間相當重要的媒介工具，透過探針卡之探針（Probe）與 晶圓上的銲墊（Pad）或凸塊（Bump）接觸後，將電性的信號傳送到測試機分析其功 能與特性，判別晶粒的好壞。在針測過程中，探針與銲墊接觸時，會給探針一個針測 的行程（Over Drive, OD），如圖1-2[1] 所示，利用此針測的行程以探針之針尖和晶 圓上的氧化層劃破來量測電性訊號，而且在銲墊表面上會留下刮痕（Probe Mark），

若針測行程太短且未將氧化層劃破，則會造成電性上的誤判或者無法傳遞信號；針測 行程太長時，可能超過銲墊範圍而無法傳送電性信號，以及針測向下刮痕太深，也可 能會破壞晶片結構。而銲墊上的刮痕會影響到 IC 封裝的可靠度、結合強度。

圖 1- 2 探針接觸銲墊狀況

依照晶片的設計方式，探針卡一般都有數百或千支探針，且依照晶圓的設計下每 支探針都有特定的位置，探針擺放的角度及長度都不一致，且都經過相關設計過，而 在測試中造成每一層探針受力及破壞程度也有所不同，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，影響更為嚴重。

一般探針結構的設計，廠商有設計軟體，針對特定針測行程下，針尖所產生的力 量與滑動量，進行探針結構尺寸設計。然而實際上針測行為所產生的機械行為，是否 如當時的設計，仍需進一步探討與確定，進而可應用於多層探針、多排探針之設計參 考。本研究將針對單一探針結構，利用有限元素模擬方法，探討探針基本尺寸，探針 長度(Beam Length)、針尖彎角(Bending Angle)、針尖長度(Tip Length)、蝕刻長度(Etched Length)、入射角(Shooting Angle)等，對探針針測的機械行為，以及運用數值分析法來 預測探針針測的接觸力及滑動量。

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。

薛明泰 [1 ] 以 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之接觸力的變化量不 會因為節距多寡而有所不同，進ㄧ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ㄧ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。

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。

Iscoff [3 ] 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。

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。

Kataoka 、Itoh [5 ] 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。

日本三菱電子公司 [6 ] 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 m 及半徑 15 m 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1-3[6 ] 所示。

圖 1- 3 圓型探針針頭接觸鋁墊機構

Shen [7 ] 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 1-4 [7 ] 所示，且相較下 E-Tip 針頭較佳，並改善

(a) (b)

劉士銘 [8 ] 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 角度、搖擺角度、平擺角度）間接影響到測試時候探針的滑行量與接觸力。

Tran [9 ] 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 [10 ] 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 [11 ] 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。

第二章 懸臂式探針卡簡介

探針卡的運用範圍非常廣泛，主要的功能為篩選及驗證晶圓的好壞，因此探針卡 所選用的材質讓業界非常注重，除了考量品質上的問題外，也考慮探針卡的製作成本 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，讓晶片在進入封裝製程前篩選 出良好的晶粒，且過濾出不良或早夭的晶粒，提高出貨的品質。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。

由此可見探針卡所扮演的腳色是非常重要的，目前探針卡除了驗證晶片的好壞 外，另一方面則是節省測試時間考量，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，介紹探針卡的演進過程，如圖 2-1[1 ] 所示，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[12 ] 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[12 ] 所示。

1960 1970 1980 1990 2000 西元 懸臂式探針卡

(Cantilever Probe Card)

微彈簧式探針卡 (Micro-spring Probe Card) 垂直式探針卡

(Vertical Probe Card)

刀片式探針卡 (Blade Probe Card)

薄膜式探針卡 (Membrane Probe Card)

微機電式探針卡 (MEMS Probe Card)

圖 2- 1 探針卡發展圖

圖 2- 2 邊緣方式排列

圖 2- 3 面積陣列方式排列

2-1-1 懸臂式探針卡

懸臂式探針卡如圖 2-4[12 ] 所示，又稱為環氧樹脂式（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

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[12 ] 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

圖 2- 5 懸臂式探針卡結構示意圖

2-1-2 刀片式探針卡

刀片式探針卡如圖 2-6[12 ] 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[12 ] 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）

可以控制到針尖。

圖 2- 6 刀片式探針卡

圖 2- 7 刀片式探針卡結構示意圖

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[13 ]、2-9[13 ] 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

圖 2- 8 Cobra 探針

圖 2- 9 Cobra 探針卡示意圖

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[14 ] 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 135 μm，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

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[15 ]、2-12[15 ] 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 10 GHz 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

圖 2- 12 薄膜式探針卡之探針局部結構剖面圖

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[16 ]、2-14[16 ] 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- 14 微彈簧式探針卡之探針

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[17 ] 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 50 μm 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

2-2 懸臂樑式探針卡之探針概述

探針是探針卡針測晶圓最重要的媒介，藉著探針接觸銲墊，才能將所需量測的資 料經由探針卡傳回電腦進行判斷，因此探針的使用情形將影響整個針測過程

。

2-2-1 探針之材質

現今業界較常使用的探針依材質的不同分為鎢（Tungsten）、錸鎢（3﹪Rhenium, 97﹪Tungsten, ReW）、鈹銅（Beryllium-copper,BeCu）、Palinery-7TM[金（Gold）、

鈀（Palladiumi）、白金（Platinum）、銀（Silver）、銅（Copper）、鋅（Zinc）、鎢

（Tungsten）]等四種，下面根據其特性分別討論之：

（一）鎢（Tungsten）

1. 針測鋁材質銲墊時，最常使用之。

2. 硬度較高、較長的使用壽命，但銲墊刮痕也相對較大。

3. 較佳彈性特性，使得針測過程較為穩定。

（二）錸鎢（3﹪Rhenium, 97﹪Tungsten, ReW）

1. 材料特性與鎢相似。

2. 彈性和導電率與鎢相同。

2. 相對其他材質，其硬度較低。

3. 相對其他材質，其磨損較快。

（四）Palinery-7

2. 低接觸電阻與高導電率。

表 2-1[18 ] 所示為探針材質對探針之影響比較，從表中可看出 Palinery-7 與鈹 銅在電性和探針刮痕的表現上，較鎢與錸鎢來的好，而就其使用壽命與穩定性反而是 鎢與錸鎢較好。但若以價格考量上 Palinery-7 與鈹銅相對於其他兩種材質較為昂 貴。圖 2-16 [18] 探針材質對探針使用壽命之比較。

表 2- 1 材質對探針影響比較

比較探針材質特性 探針壽命 探針使用

穩定度

電性接觸 接觸電阻 銲墊刮痕

ReW 1 1 3 4/3 3

Tungsten 2 1 3 3/4 4

Palinery-7 3 2 2 2 2

BeCu 4 3 1 1 1 A rating of 1 is best

Original 100k Touchdows

圖 2- 16 探針材質對探針使用壽命之比較

2-2-2 探針之幾何形狀

本文欲探討懸臂樑式探針卡之探針如圖 2-17[18 ] 所示，對銲墊刮痕之影響，因 此必須先瞭解探針之基本幾何結構，以下便針對其各部位的特性分別討論之：

（一）探針長度和直徑（Beam Length＆Diameter）

1. 探針長度、直徑與材質決定其彈性。

2. 較長的探針長度或較小的直徑會減少其彈性。

3. 當直徑較小，其會變脆。

（二）針尖端長（Probe Tip Length）

當探針接觸銲墊時會將其表面氧化物或雜質帶走，因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。

（三）針尖直徑（Probe Tip Diameter）

針尖直徑會影響針尖之接觸電阻，較大的針尖直徑會產生較低的接觸電阻。當 針測鋁材質銲墊時，需使用較大的針尖直徑才能刺穿氧化層，但如果過大時會傷害 銲墊，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之。

（四）針尖形狀（Probe Tip Shape）

現今業界較常使用之針尖形狀主要分為平頭針（Flat-Tip）與圓頭針（E-Tip）

兩種如圖 2-18[18 ] 所示。因平頭針與銲墊之接觸面積相對於圓頭針較大，所以從 圖中可看出所產生之刮痕相較圓平頭針大。但卻也使得在相同的針測條件下，圓頭 針所產生之刮痕深度較深。

圖 2- 18 探針之刮痕（a-Flat-Tip b-E-Tip）

2-3 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 2-19[1 ] 所示。

探針卡設計 彎針製程 擺針製程

出貨檢驗製程 調針製程 銲接製程

2-3-1 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。

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。

2-3-2 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 2-20[1 ] 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。圖2-20 [1 ] 為 彎針成型示意圖。

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- 20 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，探針以邊緣方式排列。

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 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

B e a m L e n g th

P r e

D r

o b e W ir ia m e t e

E tc h

T i p L e n g th

B e n d n g le A

T ip D ia m e te r h L e n g t

Beam Length

Probe Wire Diameter Bend

Angle

Tip Diameter Etch Length

Tip Length

Beam Length

四、

圖 2- 21 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。

2-3-4 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

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- 22 銲接狀態圖

2-3-5 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。

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。

2-3-6 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

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，探討模擬出來的探針滑行量與接觸力與實際製作的探針卡樣品進行實驗比 對，以及探討探針幾何變異對於測試墊的滑行量與接觸力相關差異之分析。

3-1 材料參數實驗

本研究所採用的材料有錸鎢針 (Rhenium Tungsten)、陶瓷材料 (Ceramic)、膠材 或樹脂 (Epoxy or Resin)，各個材料特性如表 3-1。

表 3- 1 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 0.3 56564040

膠材 0.45 87021.6

陶瓷 0.22 53700000

3-2 單針幾何尺寸之有限元素模型

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，圖3-1為單一探針示意圖。探針卡在針測的過程中探針與測試墊接觸時，會給予 探針一個針測的行程，讓所有的探針完全接觸測試墊表面，ㄧ般針測行程為 0.5 mil、

1 mil、1.5 mil 與 2 mil 等距離。針測行程不可太大或太小，假設針測行程太小，很 容易造成其他探針無法接觸到測試墊的表面；反之探針行程太大，容易造成探針滑出 測試墊表面或是嚴重刮傷測試墊。進ㄧ步考慮探針卡的清針，探針清針是用砂紙做磨 針的動作，也是給一個研磨行程，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 3-2 為探 針結構有限元素模型邊界條件與負載條件示意圖，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，將陶瓷右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、2 mil 等距離。

有五個重要參數決定探針的機械行為。探針長度(Beam Length)，由探針結構 固定環開始至針尖中心處水平距離；針尖彎角(Bending Angle)，針尖彎曲後與探針 本體中心線的角度；針尖長度(Tip Length)，針尖至探針本體彎曲處下緣的長度；蝕 刻長度(Etched Length)，由針尖開始有一段具有不等直徑的長度；入射角(Shooting Angle)，探針本體與水平參考線之間的角度。此外尚有接觸角(Contact Angle)，針尖 長度中心線與水平參考線之間的角度，由幾何關係可知，針尖彎角等於入射角與接 觸角之總合。

Etched length

Beam length Bending angle

入射角(Shooting angle) 夾具角度(Fixture angle)

Tip length

接觸角(Contact angle)

Bending angle = 接觸角+入射角

圖 3- 1 探針基本結構

依不同晶片之需求與不同結構組合成探針結構進行測試。是為了了解該五個參 數對針尖所產生的力量(公克力)、針尖滑行量與原始設計所欲產生力量的相關性探 討。有限元素模型分析的邊界條件與針測行程如圖3-2 所示。

CERAMIC

限制位移=0 針測行程

EPOXY

AL

3-3 模擬探針之基本參數

為求模擬之準確性，吾人先依照現有的探針卡之幾何尺寸如圖 3-3，配合調整 其軟體內之摩擦係數()，先假設摩擦係數為 0.1、0.2、0.3、0.4 進行模擬分析，然 後再與量測的實驗值比對，找出此模型最佳之摩擦係數。

圖 3- 3 探針卡之幾何尺寸

3-4 單針幾何尺寸之變異

由第二章介紹過的探針之基本幾何結構的重要性，因此必須先瞭解探針之基本幾 何結構的變異對於接觸力的影響，針對探針之針身長度、針尖長度、蝕刻長度的變異 來作探討，變異範圍如表3-2，以及針尖彎角 102°、104°、106°之變異，而針測行程 分別為 0.5 mil、1mil、1.5 mil 與 2 mil。

表 3- 2 單一探針之相關尺寸

相關參數 針身長度 針尖長度 蝕刻長度

3-5 幾何尺寸變異之數值分析

在工程應用上常需要將一組實驗數據化為一個近似函數，例如我們欲得之某依彈 簧的彈性係數，必須量測彈簧偏離其靜止位置所需的力與偏差量，再由所測得的數據 找出近似的關係函數，用以解決彈性係數。又如加熱某ㄧ物質，由加熱時間與溫度的 一組數據，可求得近似關係函數，由此決定比熱。如此情形我們儘可能收集足夠的數 據，以使近似函數與儀器所引入之誤差減至最小。

本文將針對探針之針身長度、針尖長度、蝕刻長度及入射角的變異來求得其近似 函數，以利於預測探針之針身長度、針尖長度、蝕刻長度及入射角變異時所對應之接 觸力。單針幾何尺寸之變異範圍針身長度、針尖長度、蝕刻長度及入射角變異探討，

如表 3-3 所示，而針測行程分別為 0.5 mil、1 mil、1.5 mil、2 mil。

表 3- 3 探針之變異尺寸

針身長度 蝕刻長度 針尖長度 入射角

相關參數 單位(mil)

90 95 100 105

60 65 70 75

8 13 18 23

8.4°

9.7°

11.0°

12.3°

針身直徑: 5 mil；針尖直徑: 0.6 mil；針尖彎角 101°

基於上述探針之針身長度、針尖長度、蝕刻長度及入射角變異進行排列組合，總 共會有256種組合，使用 ANSYS 建立其模型，並沿用前面所得之最佳摩擦係數進行 分析。

接著使用數值分析中，最小平方偏差法的公式，因對應 y 值有好幾個變數 x¹, x²,……,xⁿ，而 y 是這些變數的函數，假設 y 為 x¹, x²,……,xⁿ 的線性函數如方程式 3.1，

)

0 1 1 2 2 n n

y b b x b x b x

     (3.1)

而已知的 data 為式子 3.2

11 21 1 1

12 22 2 2

1 2

( , , , , ) ( , , , , )

( , , , ,

n n

m m nm m

x x x y

x x x y

x x x y







 (3.2)

可將方程式 3.1 與 3.2 合併得方程式 3.3

0 1 1_i 2 2_{i n ni}, 1, ,

y b b x b x b x i m

         (3.3)

將 3.3 式改寫成矩陣形式如同方程式 3.4 所表示，

Y^   (3.4) 

只是Χ現在為式子 3.5

11 21 n1

12 21 n2

13 21 n3

1 2m nm

1 x x 1 x x 1 x x

1 _m x x

x x x

x

 

 

 

 

  

 

 

 







   



T

(3.5)

仍可由 minimize 平方偏差何的計算推倒出 normal 方程式 3.6

( ^T )   Y (3.6)

方程式 3.7 之 X ,Y 為式子 3.8

11 21 n1 1

12 21 n2 2

13 21 n3 3

1 2m nm

1 x x 1 x x

1 x x , Y=

1 _m x x _m

x y

x y

x y

x y

   

   

   

  

  

   

   

   

  







    

 

圖 3- 4 實驗探針卡之設計圖

(3.8)

將256種之探針組合模擬值代入3.7之公式，便可求得其近似函數，此函數有利於 往後之探針模擬時間縮減，也可在探針未製作前，預測其結果，以評估探針的尺寸配 合是否如預期。

3-6 幾何尺寸變異之實驗探針卡

以上一節所提到之針身長度、蝕刻長度、針尖長度的參數變異，共會有64種針款，

因為實驗探針卡無法得知其真實入射角，所以將相同之針身長度、針尖長度、蝕刻長 度的針款挑選出來，並將入射角8.4°視為第一層針，9.7°視為第二層針，11°視為第三 層針，12.3°視為第四層針實際製作其探針卡，以蝕刻長度變異區分為四個針區 (GROUPA1、GROUPA2、GROUPA3、GROUPA4)，以針尖長度變異區分為四層針，

圖 3-4 為該探針卡之設計圖，每一種搭配參數變異的針款有五支，再取其平均數與 模擬之數值比對，降低實驗之誤差。

第四章 ANSYS 有限元素分析結果與討論

依照設計圖面及材料特性建立模型並分析，再與實驗數據進行比對，然後修改 ANSYS 模型及其軟體內的摩擦係數、兩物體接觸的剛性等參數，以達到模擬值趨近 於實驗理想值，再往後進行數值分析探討針身長度、針尖長度、蝕刻長度及入射角的 變異以求得其近似函數。

4-1 實作與模擬分析結果比對

圖4-1 為實際探針卡，表4-1為某探針卡量測每根針在針測行程為 1 mil 情況下 的接觸力，最大針壓為 1.68 g，最小針壓為 1.39 g，而此款探針的設計值為 1.5 g  20 % (1.2 g~1.8 g)

12 1

12

針區1

針區2 針區3

針編號方向 針區4

12

1 12 1

1

表 4- 1 為實際製作探針卡量測的接觸力

BCF 量測結果

針編號 針區1 針區 2 針區 3 針區 4 1 1.42 1.5 1.46 1.67 2 1.57 1.62 1.46 1.68 3 1.53 1.48 1.41 1.67 4 1.39 1.52 1.52 1.61 5 1.54 1.6 1.45 1.62 6 1.55 1.55 1.45 1.59 7 1.48 1.5 1.43 1.64 8 1.47 1.61 1.47 1.64 9 1.52 1.59 1.4 1.61 10 1.46 1.52 1.47 1.68 11 1.49 1.43 1.41 1.64 12 1.5 1.52 1.36 1.62

最大針壓 1.57 1.62 1.52 1.68 最小針壓 1.39 1.43 1.36 1.59 平均值 1.49 1.54 1.44 1.64

表4-2 為探針用 ANSYS 模擬分析在不同摩擦係數()的結果，可發現摩擦係數 ()為0.4 時的數值為1.50 g 與設計值最為接近，在設計誤差值(1.2 g ~ 1.8 g )範圍內，

所以此模型模擬時，摩擦係數設定為0.4 最為合適。

表 4- 2 ANSYS 模擬探針的針測之接觸力

O/D (mil) 0.5 1.0 1.5 2.0

= 0.1 0.6686 g 1.3346 g 1.9976 g 2.6553 g

= 0.2 0.6967 g 1.3883 g 2.0761 g 2.7529 g

= 0.3 0.7285 g 1.4434 g 2.1793 g 2.8990 g

= 0.4 0.7603 g 1.5019 g 2.2621 g 2.9781 g

4-2 單針幾何尺寸之變異對接觸力的影響

由於探針部分製程仍然為手工製作，為了了解其探針長度(Beam Length)、針尖長 度(Tip Length)、蝕刻長度(Etched Length)、入射角(Shooting Angle)等重要參數變異時，

對探針針測的機械行為，會產生何變化量，以下針對各個參數的變異與之討論。

一. 圖 4-2 探針之蝕刻長度越長則接觸力越小，因為探針之懸臂的針身直徑長度 變短導致探針懸臂結構較軟，反之蝕刻長度越短則接觸力越大。而探針的蝕 刻長度越長則滑行量越長如圖 4-3 所示。

0.4 0.8 1.2 1.6 2

Contact Force (g)

0 0.5 1 1.5 2 2.

O/D (mil)

5 Prototype

Etched Length Minus 10 % Etched Length Plus 10 %

圖 4- 2 蝕刻長度變異對接觸力之影響

20 30 40

Probe Mark (m)

Prototype

Etched Length Minus 10 % Etched Length Plus 10 %

二. 圖 4-4 探針之針尖長度越長則接觸力越大，因為探針之懸臂與施力點較 遠，所需推力越大，反之長度越短接觸力越小。而探針的針尖長度越長則滑 行量越長，如圖 4-5 所示。

^{0 0.5 1 1.5 2 2}

0.4 0.8 1.2 1.6 2

Contact Force (g)

Prototype Tip Length Minus 15 % Tip Length Plus 15 %

. O/D (mil)

5

圖 4- 4 針尖長度變異對接觸力之影響

10 20 30

40 Prototype

Tip Length Minus 15 % Tip Length Plus 15 %

Probe Mark (m)

0 0.5 1 1.5 2 2.

O/D (mil)

5

圖 4- 5 針尖長度變異對滑行量之影響

三. 圖 4-6 可看出探針之針身長度越長則接觸力越小，因為探針的懸臂變長以至 於探針結構變軟，反之長度越短接觸力越大。而探針的針身長度越長則滑行 量越短，如圖 4-7 所示。

0.4 0.8 1.2 1.6 2

Contact Force (g)

Prototype

Beam Length Minus 15 % Beam Length Plus 15 %

0 0.5 1 1.5 2 2.5

O/D (mil)

圖 4- 6 針身長度變異對接觸力之影響

^{0 0.5 1O/D (mil)1.5 2 2.5}

10 20 30 40

Probe mark (m)

Prototype

Beam length minus 15%

Beam length plus 15%

圖 4- 7 針身長度變異對接觸力之影響

四. 圖 4-8 為探針擺針時之入射角，當入射角的角度越大，則接觸力越大， 因 為入射的角度變大，代表其針測行程之方向力與結構越接近180度，反之入射 角度越小，則接觸力越小。而探針的入射角增加則滑行量越長，如圖 4-9 所 示。

0.4 0.8 1.2 1.6 2

Contact Force (g)

0 0.5 1 1.5 2 2.5

O/D (mil)

Prototype Shot Angle Minus 2 Shot Angle Plus 2

圖 4- 8 入射角變異對接觸力之影響

^{0 0.5 1O/D (mil)1.5 2 2.5}

10 20 30 40

Probe Mark (m)

Prototype Shot Angle Minus 2 Shot Angle Plus 2

4-3 幾何尺寸變異之近似函數

256 種組合接觸力及滑行量之模擬結果如圖 4-10、圖 4-11、圖 4-12、圖 4-13 及 滑行量之模擬結果如圖4-14、圖 4-15、圖 4-16、圖 4-17 所示。

0.4 0.6 0.8 1 1.2

Contact Force (g)

0 16 32 48 64 80 96 112 128 144 160 176 192 208 224 240 256

圖 4- 10 針測行程為 0.5 mil 之接觸力

1.2 1.6 2 2.4

Contact Force (g)

0 16 32 48 64 80 96 112 128 144 160 176 192 208 224 240 256 1.2

1.6 2 2.4 2.8 3.2

Contact Force (g)

圖 4- 12 針測行程為 1.5 mil 之接觸力

1 2 3 4 5

Contact Force (g)

0 16 32 48 64 80 96 112 128 144 160 176 192 208 224 240 256

圖 4- 13 針測行程為 2 mil 之接觸力

0 16 32 48 64 80 96 112 128 144 160 176 192 208 224 240 256 5

6 7 8 9 10

Probe Mark (m)

圖 4- 14 針測行程為 0.5 mil 之滑行量

10 12 14 16 18 20

Probe Mark (m)

0 16 32 48 64 80 96 112 128 144 160 176 192 208 224 240 256

圖 4- 15 針測行程為 1 mil 之滑行量

0 16 32 48 64 80 96 112 128 144 160 176 192 208 224 240 256 16

20 24 28

Probe Mark (m)

圖 4- 16 針測行程為 1.5 mil 之滑行量

20 24 28 32 36

Probe Mark (m)

0 16 32 48 64 80 96 112 128 144 160 176 192 208 224 240 256

圖 4- 17 針測行程為 2 mil 之滑行量