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        陶瓷基板:高端探针卡核心组件的优选
        日期:2023-12-28    浏览次数:
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          探针卡是由探针、电子元件、线材与印刷电路板(PCB)组成的一种测试接口,根据不同的情况,还会有补强板等的需求,主要对裸芯进行测试。根据不同的应用场景和需求,探针卡可分为多种类型,如悬臂式探针卡、垂直探针卡、MEMS探针卡等。广泛应用于集成电路测试、半导体制造、汽车电子等领域。

        陶瓷基板:高端探针卡核心组件的优选

        ▲上海泽丰半导体科技有限公司MEMS探针卡

          在半导体制造领域中,探针卡是CP测试的核心耗材,MEMS探针卡已逐渐成为主流探针卡是半导体晶圆测试中被测芯片和测试机之间的接口,被认为是晶圆测试设备的“指尖”。而与此同时,在探针卡行业中还潜在着一个对陶瓷基板的需求市场,探针卡与陶瓷基板到底有何关联呢?下面一起来看看。

        探针卡中的陶瓷基板

          在整个探针卡中,空间转换基体(STFsubstrates)是其中的核心组件。空间转换基体在整个探针卡中起到了电子连接间距转换和电信号传输的功能,同时提供足够的机械/力学强度,以支撑测试过程中施加的几百至上千牛顿的作用力。

          探针卡(探针卡本体)会受到基板材料的影响,在多温区(-55℃~150℃)的环境中,特别在高、低温时,会产生形变。而探针是直接装配在探针卡上的,探针卡的形变会导致探针针迹(晶圆测试时,探针与晶圆的接触点接触时留下的痕迹)的偏移。针迹的偏移通常会使探针卡上的探针与晶圆的PAD(焊盘)接触不良,导致测试的不稳定,影响测试时间和品质。针迹偏移过大,会使探针与晶圆PAD的接触时破坏晶圆内部电路,导致报废并带来经济损失。同时探针卡也会因为不能进行晶圆测试而报废。

          高端探针卡中的转接板多使用的是陶瓷基板。精密陶瓷基板具有优良的电绝缘性、高导热性、高附着强度和大的载流能力。且强度高,硬度大,使用温度范围宽,可以达到-55℃~850℃,热膨胀系数接近于硅芯片。在多温区测试环境下,是解决形变的有效方案之一。

        陶瓷基板:高端探针卡核心组件的优选

        ▲晶圆测试用的探针卡转接板(图源:NTK)

          此外,随着科技技术的成熟与提升,芯片功能逐渐增加,设计逐渐复杂,芯片输入/输出针脚数也持续增加。为了降低生产成本,晶圆尺寸也不断提升(如12寸晶圆),因此大面积侦测用的探针卡需求逐渐增多。此类大面积的探针卡,由于探针接触点的间距小,结构中通常会利用具有线路的多层基板(如多层陶瓷基板)设置于多个探针与电路板间,作为线路的空间转换装置。

          空间转换基体的一种形式由堆叠的陶瓷层组成,该陶瓷层具有穿过层和层间金属化的轨迹或线路延伸的金属化通孔(导电过孔(via,导通孔))。过孔和轨迹或线路提供从探针焊盘到各个PCB焊盘的导电路径。沿着穿过且在层间的路径,导电路径可以从探针焊盘间隔延展到PCB焊盘间隔。

        陶瓷基板:高端探针卡核心组件的优选

        ▲探针卡用陶瓷基板(图源:京瓷)

          探针卡用陶瓷基板一般为带金属化的单层薄膜或多层薄膜的陶瓷多层基板,多层陶瓷基板是由高温或者低温共烧陶瓷经过多层层压,经过共烧制作的,通常称为多层陶瓷空间转换基体(multi-layerceramic,MLC)。

        探针卡用陶瓷基板材料类型

          1.高铝瓷

          高铝瓷是一种以氧化铝为主要成分的陶瓷材料。它具有优良的电气性能和高温稳定性,因此在探针卡中得到了广泛应用。高铝瓷的强度和硬度较高,但脆性较大,因此在制造过程中需要注意控制烧结温度和时间等工艺参数。

          2.氮化硅瓷

          氮化硅瓷是一种以氮化硅为主要成分的陶瓷材料。它具有优良的电气性能、高温稳定性和抗氧化性能,因此在某些应用领域中可以替代高铝瓷作为基板材料。此前,京瓷推出了一款Starceram N3000 P高性能氮化硅陶瓷板,该氮化硅板结合了必要的强度、低磨损以及在导孔中来回滑动所需的能力,具有适合生产探针卡的最佳特性。

        陶瓷基板:高端探针卡核心组件的优选

        ▲京瓷探针卡用陶瓷基板

          3.其他材料类型

          除了高铝瓷和氮化硅瓷之外,还有一些其他材料类型可以用于制造探针卡用陶瓷基板。例如,氧化镁瓷具有优良的电气性能和高温稳定性;氮化硼瓷具有优良的耐高温性能和抗氧化性能;碳化硅瓷具有优良的强度和硬度等特性。这些材料类型在某些应用领域中也可以得到应用,但需要根据具体的使用环境和性能要求进行选择。

        市场前景与发展趋势

          由于每一种芯片的引脚排列、尺寸、间距变化、频率变化、测试电流、测试机台有所不同,针对不同的芯片都需要有定制化的探针卡,目前市场上并没有哪一种类型的探针卡可以完全满足测试需求。同时,对于一个成熟的产品来说,当产量增长时,测试需求也会增加,而对探针卡的消耗量也将成倍增长。

          因此,近年来在半导体测试市场快速发展的带动下,全球探针卡行业也得到了快速的发展。根据VLSI Research的数据显示,2020年全球探针卡的销售规模为22.06亿美元,2021年全球半导体探针卡产值可达23.68亿美元,到2022年全球半导体探针卡产值可达26.08亿美元,增长速度较快。从而也推动着探针卡用陶瓷基板市场的不断发展。随着新材料的不断涌现和制造工艺的不断改进,探针卡用陶瓷基板的发展趋势将更加明显。