WLCSP封裝芯片的探針卡結構設計

趙春華

摘要：半導體芯片封裝類型多種多樣，WLCSP是一種即能滿足數據傳輸又可以降低成本的新型封裝技術。為了滿足客戶使用需求WLCSP也需要進行測試。本文主要探討WLCSP在測試過程所用到的關鍵部件一探針卡的結構設計。全文分四部分分別介紹部件設計關鍵要素，測試所需設備，探針頭結構設計和固定調節器的結構設計。最后根據本公司的WLCSP產品種類對固定調節器設計制定標準化方案。

關鍵字：WLCSP;探針卡;探針頭;探針頭固定器

晶圓級芯片封裝即Wafer Level Chip Scale Packaging，簡稱WLCSP。這種新技術是先在整片晶圓上進行封裝和測試，然后再切割成一個個小的芯片顆粒。這樣的封裝形式大大減小了芯片的尺寸，提升數據傳輸效率，同時也極大地節約封裝成本。目前這種封裝形式已經被廣泛應用于移動電子設備，家用電器，工業設備，醫療設備等領域。晶圓級芯片的封裝形式注定了唯一的一道測試流程只能在切割之前完成。所以這道測試不僅要把有殘缺的晶圓顆粒識別出來，而且還需要保證測試機械部件不對晶圓產生傷害。相比較其他封裝形式的芯片在最終測試的難度，晶圓級芯片測試顯然對測試中機械部件的要求更高。主要體現在三個方面：1.WLCSP是對整張晶圓進行測試，對測試探針的針尖共面性要求很高。最長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，要么接觸不良導致低良品率。2.WLCSP的焊錫球球徑只有0.2mm左右。測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的封裝不同于傳統的芯片封裝，沒有塑膠包圍，芯片薄弱，耐壓強度較小。

晶圓測試所需要的設備包括測試機，測試卡（ProbeCard），探針臺，測試程序和顯微鏡。最為關鍵的是測試卡部分。測試卡跟晶圓產品一一對應，換句話說就是每一種WLCSP封裝產品都對應一種測試卡。測試卡包含印刷線路板，探針頭或測試插座，探針頭的固定調節器（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節器的結構設計。

一、探針頭的結構設計：

WLCSP的測試探針頭也被稱作測試插座。在設計WLCSP的探針頭時要考慮的因素有：

1.材質：WLCSP測試插座需要在高低溫環境下進行測試，測試插座的材質在正175度，負55度的溫度下無變形。測試插座必須是絕緣的，否則探針與探針之間會短路。目前業內常用的測試插座的材質有PEEK，特氟龍和陶瓷。PEEK是一種工程塑料，可耐正高溫260度、機械性能優異、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異的尺寸穩定性和公差的高性能的工程塑料。而且具有穩定的電氣特性，熱穩定性，耐磨性。相比普通PEEK，可以有效減少打孔時的毛刺問題。WLCSP的測試插座材質選擇，陶瓷PEEK無疑是最優的。

2.探針孔徑和公差：WLCSP封裝產品的焊錫球間距可以到0.15mm。為了獲得比較好的電性能測試，測試探針越粗越好。設計者會根據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自由伸縮，相鄰孔之間的壁厚還要安全。根據經驗WLCSP測試插座的探針孔直徑公差最小正負0.003mm。

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

二、固定調節器的結構設計

固定調節器顧名思義就是用來安裝測試插座在探針卡上，同時還具有調節測試插座水平功能的機械部件。固定調節器是安裝在探針卡上測試機的那一面，測試插座安裝在探針卡的探針臺一側，裝配螺絲從測試插座正面穿過測試板，擰緊到固定調節器的對應螺紋孔內。測試過程中，探針臺的卡盤將被測晶圓運送到測試卡測試位處，并且施加壓力，使被測晶圓與探針卡的探針接觸良好。探針卡被固定在探針臺上，為了防止探針卡的測試板因針壓的作用翹曲變形，探針臺需要提供一個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。

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

三、探針頭和固定調節器的標準化分類

在晶圓測試的大規模生產中，如果每一個WLCSP項目都設計一套固定調節器，顯然會影響新產品量產的周期和成本。因此對固定調節器的設計進行分類和標準是一項非常有意義的工作。我們對公司內正在量產的八十多種WLCSP產品進行研究，這些產品的封形尺寸小到1.2毫米，大到巧毫米;焊錫球間距0.15到0.5毫米之間;WLCSP焊錫球數量差異也很大;測試并行度也五花八門，有一個測試位最多128個測試位。經過分析發現由于測試機的資源是固定的，焊錫球少的產品往往并行度高，焊錫球多的復雜產品并行度并不高。因此探針頭和固定調節器的標準分類可以依據探針所占的面積。例如一個WLCSP48球封裝，外形尺寸為4.2×4.2毫米，街區為0.8毫米。并行度為16。默認測試位的擺放為4×4的矩陣，因此這768個探針都分布在19.2×19.2毫米的正方形面積內。19.2×19.2即可作為一個標準。考慮到安全系數我們把探針數量提高到1000根，并假設探針處于滿負荷的壓力下20克，根據經驗先設計出幾種方案的螺絲型號數量和分布位置，然后利用軟件進行仿真分析，分別計算出在不同溫度下陶瓷PEEK測試插座表面壓力分布情況和翹曲變形情況。最后根據仿真結果選出最優的設計方案，并完成固定調節器結構設計。標準的固定調節器種類必須至少涵蓋98%以上的項目需求但不能太多，五六種為宜。

綜上所述，雖然WLCSP測試探針卡的機械部件結構復雜，精度要求較高，但是也并非無規律可循，只要掌握關鍵要素，就可以設計出性能良好的硬件。再根據本公司的產品特點對固定調節器設計制定標準化方案，WLCSP探針卡研發就能實現省時高效降低成本的目標。