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探針測試卡（即探針卡）是將探針卡上的測試探針與芯片上的焊區（pad）或凸點（bump）直接接觸（圖1），引出芯片信號，再配合周邊測試儀器與軟件控制達到自動化量測的目的。探針卡（prober card）是晶圓測試（wafer test）中被測芯片和測試機之間的接口。探針卡對前期測試的開發及后期量產測試的良品率的保證都非常重要。

圖1 探針卡測試示意圖

(1)探針卡種類

最 早的探針卡開發于1969年，被稱為Needles/Epoxy ring探針卡即懸臂梁式探針卡（如圖2所示），而至今此型的探針卡仍然被使用著，此型的探針卡乃是以環氣樹脂環技術，把數十根至數百根的測試探針以手工 的方式且須依據測試的芯片焊區的位置，將測試探針安置于探針卡上。兩測試探針間的最小距離可做到125um，而最大的測試焊區數可髙達500個。

圖2 水平式環氧樹脂環探針卡剖面圖

A.懸臂梁式探針卡

懸 臂梁式探針卡的主要材料是環氧樹脂環，此種材料仍沿用至今。當時的測試探針是用人工擺放的方式，擺放在懸臂粱上，用環氧樹脂環來加以固定。隨著技術的不斷 進步，懸臂梁式探針卡已逐漸被其他探針卡所取代。但它曾是過去數十年來半導體業界最主要的測試技術，可稱為探針卡的先驅。

B.刀片式探針卡

刀 片式探針卡（圖3）大約是20世紀70年代開發的，當時應用在80支探針以下的中低密度測試探針數的測試中。它也有與懸臂梁式探針卡相同的低電流、耐髙溫 等優點，且兩者的設計參數也接近。但刀片式探針卡的結構卻不同于懸臂梁式探針卡。刀片式探針卡探針的制造過程是由每一個各自分離且很薄的L形陶瓷，面定在 印刷線路板（PCB）的上方，且是先做出適當的針長，之后再根據針的材料和特性加工出滿足客戶要求的針形，例如彎曲長度、針梁（beam）及針尖的長度 等。

圖3 刀片式探針卡

隨著探針卡測試技術的不斷成熟和芯片測試要 求的逐步提高，測試探針排列方式便相應固定為水平式與垂直式。水平式依測試探針排序叉可區分為數組式[如圖4(a)所示]與邊緣式[如圖4(b)所示]; 至于第三種樣式的垂直式探針卡[如圖4(c)所示]類似數組式探針卡，區別在于垂直式探針卡具有更密的測試探針排列， 容許更多的焊區或凸點的使用場合，垂直式排列可擁有更高的測試探針排列密度，同時可以進行多組芯片測試等。

圖4 各種方式排列的探針卡

C.垂直式探針卡（vertical probe card）

垂直式探針卡是在一塊電路板上經鉆孔、組裝、貼合、焊接及調整等階段組合而成的。這種類型的探針卡，是以裝配的方式來完成的，其結構如圖5所示。

圖5 垂直式探針卡結構

測 試探針完全筆直，其變形的來源是測試探針受力之后，超過結構的臨界荷重，因而產生挫屈（buckling）的現象（如圖6所示），需要多層的硅基板堆棧 （silicon plate stack）—起來支撐測試探針，以避免測試探針因受力過大，產生挫屈而破壞測試探針，測試探針材質使用鈹銅合金抽拉之后再進行熱處理。在測試時，由測試 探針的尺寸大小，決定行程、接觸力及接觸電阻值。此類型探針卡技術層次非常高，需要髙技術的裝配人才，以致造成整個探針卡制造成本過高。

圖6 測試探針受力變形

由于存儲器件持續不斷的降價壓力，要求降低器件的測試成本。因此，很多公司通過同時測試更多的器件來提高效率。測試探針卡的發展可以允許平行測試更多的器件，一次同時可測的待測器件（DUT）數量從32到64到128不斷上升，從而減少了瀕試平臺的數目。這樣，通過在300mm晶圓上一次完成測試，而不需要四次觸底（TD）測試，提高了測試的效率。

通常在更換晶圓之前測試一個flash芯片（閃存芯片）需要10min，更換晶圓還另外需要2min，此外還需要3min時間更換晶圓盒；這樣，只有約80%的時間是測試設備真正在測試晶圓。測試設備在并非測試晶圓的閑置時間中，約有60%與測試探針或芯片測試儀的狀態相關；40%與探針卡相關。由于探針卡非常昂貴，使用廠商在購進額外探針卡時都非常謹慎；因此，可實現重用性好和易于維護的系統方法就變得非常重要。

調 諧橋式結構預制在測試頭中，該結構連接測試探針、測試機和探針卡，通過系統對加載力進行控制，探針卡位于橋式結構和晶圃之間，消除了很多測試頭和測試探針 的誤差容限，讓兩個平面可以共同工作（即橋平面和卡盤上的晶圓、由于探針卡按照晶圓進行了傾斜調整，因此，可以采用同一個測試頭。

圖7 垂直式探針卡

D.薄膜（水平）式探針卡

薄 膜式探針卡是在20世紀80年代開發應用的，當前主要應用于RF IC器件的測量，最髙可測器件頻率為20GHz。傳統上是使用硅基板為主。它是使用微光刻技術將預測試焊凸的傳輸線路制作在以陣列方式排列的彈性薄膜上， 以陣列方式來排列。通過機械加工，使薄膜上探針的共面度達到一致。雖然薄膜式探針卡可以測量很高頻率的IC，但由于技術上的關系，測試探針的密度很低，因此薄膜式測試探針仍然有繼續開發的空間。

隨 著芯片設計越來越小，傳統的環氧組裝技術必須依賴人工，并且共面度與精度無法與薄膜式探針卡匹配。最早引人微光刻技術制作探針卡發展于1988年， 配合測試芯片焊區的位置，設計凸點與傳輸線路于薄胰上，此形式仍然以數組的方式排列，測試探針間的距離可以做到近100um左右。應用微光刻技術代替機械 加工制造的薄膜式探針卡（如圖8所示），可以使薄膜上的測試探針共面度達到良好—致。

圖8 薄膜（水平）式探針卡

E. 微熱制動探針卡

測試探針本 體為復合材料雙壓電結構[如圖9 (a)所示]，像是三明治一樣，是由兩種膨脹系數材料所構成，中間一層為加熱層。此測試探針主要的作用是當加熱時， 透過加熱層熱傳導，材料就有熱膨脹的效應，結構就會產生上下的動作，并且產生作用力，而壓在晶圓上芯片的焊區上[如圖9(b)所示]。圖9 (c)是此型探針卡的結構，該結構為懸臂式的探針，懸臂長通常約為200~500um，寬通常約為30~60um，中間加熱層(heater)的寬度通常約為7~20um之間。

圖9 微熱制動探針卡