創新突破／密度倍增複合材料探針卡

半导体技术不断推进，晶片上的电极密度也愈来愈高，需要更细微、密度更高的探针卡，才能满足测试需求。

【撰文／陈怡如】

在半导体制程中，当晶片制作完成，进入后段切割封装之前，都要经过探针卡的电气性能测试，借此揪出不良品，小小的探针卡扮演重要角色。根据晶片电极数量的不同，1组探针卡的针数，从数百根针到1、2万根针都有。

随着半导体技术不断推进，晶片上的电极密度也愈来愈高，需要更细微、密度更高的探针卡，才能满足测试需求。工研院机械与机电系统研究所组长黄萌祺指出，目前探针的针宽极限是40微米，间距则为80微米，为此工研院投入开发「密度倍增复合材料探针卡」，成功制造出针宽只有10微米、间距20微米的极细探针。

以可挠式玻璃取代金属　克服变形关卡

为了制造细微探针，第一个创新从材质下手。由于探针卡需要通电，现行探针皆采用金属制作，以目前的技术，要制造10微米的探针不是问题，关键在于「弹性」。

黄萌祺表示，探针在测试时，1根针至少要来回弹50万次以上，但金属受限于「降伏强度」不足，导致材料受力后产生永久变形，不管业界如何改变金属配方，走向多元合金，仍无法克服这一大硬伤，「我们技术最大的特色就是，用玻璃取代金属。」

在过去长期与康宁合作的过程中，团队发现对方有款独家研发的超薄可挠式玻璃，不仅厚度仅100微米，而且还能弯曲不断裂。由于玻璃的降伏强度是金属的15倍以上，这给团队灵感，用玻璃取代探针的金属结构体，应付变形；同时在玻璃底下再镀1个金属的薄膜探针，负责导电，两者各司其职。

但要把玻璃变成极细探针又是另一道关卡。团队跨单位合作，运用雷射改质玻璃蚀刻技术，将一整块玻璃蚀刻成根根分明的细针结构，黄萌祺比喻，就像梳子，整体是一个完整结构，而前端的梳齿就是10微米的细针，「一次就能大量制造很多细微探针。」由于探针需要多次回弹，在蚀刻过程中只要出现些微裂痕，就容易在测试晶片时断裂，为此花了1年时间，不断优化雷射制程和配方，才达到要求。

模组化组装机台　大幅节省时间人力

第二大创新，来自开发全新自制的组装机台。过去探针卡的组装方式，大多用人工或机器人一根根组装而成，每人1天大约只能组装3,000至5,000根针，费时又费力，为此工研院研发模组化的组装机台，取代传统人工作业，提升精度与效率。

黄萌祺指出，过去探针的机械加工方式，成品就是一根根的独立细针，因此组装时也只能逐一分开组装；但团队采用微机电的方式制作探针，成品已具有模组化结构，就像梳子一样是1个「set」，因此非常适合模组化的组装方式。

但模组化组装是个全新概念，探针又非常要求平整度和精准度，只要组装时稍有歪斜，就会产生误差，无法测试正确的电极位置，团队花了1年半时间，不断调整机台，才大功告成。目前机台一次就能组装100根探针以上，所需时间大约5分钟，若同样以5,000根针来计算，只需大约4小时就能完成，比起以前人工要组装一整天，大幅节省时间与人力。

黄萌祺指出，这套机台不只用在工研院的玻璃探针，只要是微机电方式制作的探针就能使用。目前大约有30%至40%的金属探针，采用微机电的方式制作，在未来探针密度愈来愈高的趋势下，预期这个比例将不断增加，也因此未来这套组装机台的市场很大。

研发3D电路板　满足少量多样弹性制造

第三大创新则是研发3D陶瓷电路板。黄萌祺指出，「每张探针卡都对应测试不同晶片，因此探针卡有一大特性是『少量多样』。」过去探针卡使用层层堆叠的多层电路板，每一层都需要独立光罩曝光显影，在少量多样的制造特性下，成本高昂。因此团队研发3D陶瓷电路板技术，以雷射图案化和金属沉积方式，直接在电路板3D外表面上制作金属线路，不再需要光罩，制造弹性更大，成功将成本大幅降为原来的五分之一至十分之一。

目前这三大创新技术，都已陆续导入业界，全新的玻璃探针，已和IC设计公司合作验证，预计1、2年后可望投入实际产线；而组装机台和3D陶瓷电路板皆已实际落地，与国内厂商共同开发5,000万画素以上的CIS晶片测试探针卡，一次可测30个晶粒。

黄萌祺也看好未来高密度探针卡可解决目前Micro LED没有合适探针卡可进行量产测试的痛点。密度极高的Micro LED，间距大约只有15至20微米，正是目前金属探针无法满足的缺口；不只Micro LED，对台湾的封测产业来说，也能以更大的竞争优势，抢先布局更加先进的IC测试，持续在半导体产业中赢得先机。

工研院成功研发「密度倍增复合材料探针卡」，以「玻璃+金属」的复合材料，成功打造最小针宽、最小间距的探针卡，荣获工研院杰出研究奖金牌奖。