WLCSP封裝芯片的探針卡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

趙春華

摘要：半導(dǎo)體芯片封裝類型多種多樣，WLCSP是一種即能滿足數(shù)據(jù)傳輸又可以降低成本的新型封裝技術(shù)。為了滿足客戶使用需求WLCSP也需要進(jìn)行測(cè)試。本文主要探討WLCSP在測(cè)試過程所用到的關(guān)鍵部件一探針卡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。全文分四部分分別介紹部件設(shè)計(jì)關(guān)鍵要素，測(cè)試所需設(shè)備，探針頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和固定調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。最后根據(jù)本公司的WLCSP產(chǎn)品種類對(duì)固定調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)制定標(biāo)準(zhǔn)化方案。

關(guān)鍵字：WLCSP;探針卡;探針頭;探針頭固定器

晶圓級(jí)芯片封裝即Wafer Level Chip Scale Packaging，簡(jiǎn)稱WLCSP。這種新技術(shù)是先在整片晶圓上進(jìn)行封裝和測(cè)試，然后再切割成一個(gè)個(gè)小的芯片顆粒。這樣的封裝形式大大減小了芯片的尺寸，提升數(shù)據(jù)傳輸效率，同時(shí)也極大地節(jié)約封裝成本。目前這種封裝形式已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)電子設(shè)備，家用電器，工業(yè)設(shè)備，醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。晶圓級(jí)芯片的封裝形式注定了唯一的一道測(cè)試流程只能在切割之前完成。所以這道測(cè)試不僅要把有殘缺的晶圓顆粒識(shí)別出來，而且還需要保證測(cè)試機(jī)械部件不對(duì)晶圓產(chǎn)生傷害。相比較其他封裝形式的芯片在最終測(cè)試的難度，晶圓級(jí)芯片測(cè)試顯然對(duì)測(cè)試中機(jī)械部件的要求更高。主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：1.WLCSP是對(duì)整張晶圓進(jìn)行測(cè)試，對(duì)測(cè)試探針的針尖共面性要求很高。最長(zhǎng)的探針和最短的探針高度差不能超過0.05mm，否則要么劃傷晶圓，要么接觸不良導(dǎo)致低良品率。2.WLCSP的焊錫球球徑只有0.2mm左右。測(cè)試探針需要垂直接觸焊錫球，不能偏移也不能刺得太深，否則錫球表面殘留毛刺影響客戶使用。3.WLCSP的封裝不同于傳統(tǒng)的芯片封裝，沒有塑膠包圍，芯片薄弱，耐壓強(qiáng)度較小。

晶圓測(cè)試所需要的設(shè)備包括測(cè)試機(jī)，測(cè)試卡（ProbeCard），探針臺(tái)，測(cè)試程序和顯微鏡。最為關(guān)鍵的是測(cè)試卡部分。測(cè)試卡跟晶圓產(chǎn)品一一對(duì)應(yīng)，換句話說就是每一種WLCSP封裝產(chǎn)品都對(duì)應(yīng)一種測(cè)試卡。測(cè)試卡包含印刷線路板，探針頭或測(cè)試插座，探針頭的固定調(diào)節(jié)器（FSD）和固定印刷線路板的金屬框架。本文主要討論探針頭和固定調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

一、探針頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：

WLCSP的測(cè)試探針頭也被稱作測(cè)試插座。在設(shè)計(jì)WLCSP的探針頭時(shí)要考慮的因素有：

1.材質(zhì)：WLCSP測(cè)試插座需要在高低溫環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試插座的材質(zhì)在正175度，負(fù)55度的溫度下無變形。測(cè)試插座必須是絕緣的，否則探針與探針之間會(huì)短路。目前業(yè)內(nèi)常用的測(cè)試插座的材質(zhì)有PEEK，特氟龍和陶瓷。PEEK是一種工程塑料，可耐正高溫260度、機(jī)械性能優(yōu)異、耐磨性好。特氟龍：是一款高性能熱塑材料，耐高溫、高速高壓下的耐磨損性都優(yōu)于大部分的熱塑性材料。但是硬度和吸濕性稍差。陶瓷PEEK是一款在較大溫濕度條件下提供優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性和公差的高性能的工程塑料。而且具有穩(wěn)定的電氣特性，熱穩(wěn)定性，耐磨性。相比普通PEEK，可以有效減少打孔時(shí)的毛刺問題。WLCSP的測(cè)試插座材質(zhì)選擇，陶瓷PEEK無疑是最優(yōu)的。

2.探針孔徑和公差：WLCSP封裝產(chǎn)品的焊錫球間距可以到0.15mm。為了獲得比較好的電性能測(cè)試，測(cè)試探針越粗越好。設(shè)計(jì)者會(huì)根據(jù)焊錫球大小和間距盡可能選擇比較粗的探針。既要滿足探針在孔內(nèi)自由伸縮，相鄰孔之間的壁厚還要安全。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)WLCSP測(cè)試插座的探針孔直徑公差最小正負(fù)0.003mm。

3.定位銷規(guī)格選用和公差：測(cè)試插座的定位銷十分重要，用定位銷來保證探針針尾與測(cè)試板的金屬片接觸良好。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)和仿真分析，最后我司定位銷規(guī)格為2.0和1.5mm。銷孔公差為+0.021+0.05mm。

二、固定調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

固定調(diào)節(jié)器顧名思義就是用來安裝測(cè)試插座在探針卡上，同時(shí)還具有調(diào)節(jié)測(cè)試插座水平功能的機(jī)械部件。固定調(diào)節(jié)器是安裝在探針卡上測(cè)試機(jī)的那一面，測(cè)試插座安裝在探針卡的探針臺(tái)一側(cè)，裝配螺絲從測(cè)試插座正面穿過測(cè)試板，擰緊到固定調(diào)節(jié)器的對(duì)應(yīng)螺紋孔內(nèi)。測(cè)試過程中，探針臺(tái)的卡盤將被測(cè)晶圓運(yùn)送到測(cè)試卡測(cè)試位處，并且施加壓力，使被測(cè)晶圓與探針卡的探針接觸良好。探針卡被固定在探針臺(tái)上，為了防止探針卡的測(cè)試板因針壓的作用翹曲變形，探針臺(tái)需要提供一個(gè)反作用力來支撐探針卡。提供反作用力的支撐部件被命名為橫梁。

固定調(diào)節(jié)器由兩部分組成，一個(gè)與探針卡的測(cè)試板接觸，固定測(cè)試插座的螺紋孔都設(shè)置在這個(gè)部件上，被命名為固定塊（FSD）o另一個(gè)部件與橫梁接觸，被命名為墊塊。FSD與墊塊之間預(yù)留0.5mm的間隙，這個(gè)間隙就是用來調(diào)節(jié)針尖共面性。四個(gè)特制的螺栓連接在FSD和墊塊之間，通過調(diào)節(jié)這些螺栓的松緊度就可以調(diào)整探針突出測(cè)試插座的高度，最終實(shí)現(xiàn)探針的針尖都在預(yù)期的平面度內(nèi)。墊塊上也有四個(gè)特殊的千斤頂螺絲，千斤頂螺絲是用來調(diào)整整張?zhí)结樋ǖ乃?，使探針卡與探針臺(tái)的卡盤相對(duì)水平。這樣就能保證測(cè)試過程中晶圓與探針之間平行并有一個(gè)安全的距離。晶圓既不會(huì)被劃傷，探針與晶圓也能良好接觸，實(shí)現(xiàn)低阻抗的導(dǎo)電性能。FSD上用于固定測(cè)試插座的螺絲選型和位置分布需要進(jìn)行仿真計(jì)算。由卜探針卡的印刷電路板布線需求，螺絲的數(shù)量越少越好，越小越好。但是螺絲的數(shù)量也不能太少。另外這些螺絲還有一個(gè)很重要的作用是控制測(cè)試插座在高低溫環(huán)境下產(chǎn)生的熱脹冷縮在可接受的范圍內(nèi)。

三、探針頭和固定調(diào)節(jié)器的標(biāo)準(zhǔn)化分類

在晶圓測(cè)試的大規(guī)模生產(chǎn)中，如果每一個(gè)WLCSP項(xiàng)目都設(shè)計(jì)一套固定調(diào)節(jié)器，顯然會(huì)影響新產(chǎn)品量產(chǎn)的周期和成本。因此對(duì)固定調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)進(jìn)行分類和標(biāo)準(zhǔn)是一項(xiàng)非常有意義的工作。我們對(duì)公司內(nèi)正在量產(chǎn)的八十多種WLCSP產(chǎn)品進(jìn)行研究，這些產(chǎn)品的封形尺寸小到1.2毫米，大到巧毫米;焊錫球間距0.15到0.5毫米之間;WLCSP焊錫球數(shù)量差異也很大;測(cè)試并行度也五花八門，有一個(gè)測(cè)試位最多128個(gè)測(cè)試位。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)由于測(cè)試機(jī)的資源是固定的，焊錫球少的產(chǎn)品往往并行度高，焊錫球多的復(fù)雜產(chǎn)品并行度并不高。因此探針頭和固定調(diào)節(jié)器的標(biāo)準(zhǔn)分類可以依據(jù)探針?biāo)嫉拿娣e。例如一個(gè)WLCSP48球封裝，外形尺寸為4.2×4.2毫米，街區(qū)為0.8毫米。并行度為16。默認(rèn)測(cè)試位的擺放為4×4的矩陣，因此這768個(gè)探針都分布在19.2×19.2毫米的正方形面積內(nèi)。19.2×19.2即可作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到安全系數(shù)我們把探針數(shù)量提高到1000根，并假設(shè)探針處于滿負(fù)荷的壓力下20克，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先設(shè)計(jì)出幾種方案的螺絲型號(hào)數(shù)量和分布位置，然后利用軟件進(jìn)行仿真分析，分別計(jì)算出在不同溫度下陶瓷PEEK測(cè)試插座表面壓力分布情況和翹曲變形情況。最后根據(jù)仿真結(jié)果選出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，并完成固定調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)的固定調(diào)節(jié)器種類必須至少涵蓋98%以上的項(xiàng)目需求但不能太多，五六種為宜。

綜上所述，雖然WLCSP測(cè)試探針卡的機(jī)械部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求較高，但是也并非無規(guī)律可循，只要掌握關(guān)鍵要素，就可以設(shè)計(jì)出性能良好的硬件。再根據(jù)本公司的產(chǎn)品特點(diǎn)對(duì)固定調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)制定標(biāo)準(zhǔn)化方案，WLCSP探針卡研發(fā)就能實(shí)現(xiàn)省時(shí)高效降低成本的目標(biāo)。