探针测试卡（即探针卡）是将探针卡上的测试探针与芯片上的焊区（pad）或凸点（bump）直接接触（图1），引出芯片信号，再配合周边测试仪器与软件控制达到自动化量测的目的。探针卡（prober card）是晶圆测试（wafer test）中被测芯片和测试机之间的接口。探针卡对前期測试的开发及后期量产测试的良品率的保证都非常重要。

图1 探针卡测试示意图

(1)探针卡种类

最 早的探针卡开发于1969年，被称为Needles/Epoxy ring探针卡即悬臂梁式探针卡（如图2所示），而至今此型的探针卡仍然被使用着，此型的探针卡乃是以环氣树脂环技术，把数十根至数百根的测试探针以手工 的方式且须依据测试的芯片焊区的位置，将测试探针安置于探针卡上。两测试探针间的最小距离可做到125um，而最大的测试焊区数可髙达500个。

图2 水平式环氧树脂环探针卡剖面图

A.悬臂梁式探针卡

悬 臂梁式探针卡的主要材料是环氧树脂环，此种材料仍沿用至今。当时的测试探针是用人工摆放的方式，摆放在悬臂粱上，用环氧树脂环来加以固定。随着技术的不断 进步，悬臂梁式探针卡已逐渐被其他探针卡所取代。但它曾是过去数十年来半导体业界最主要的测试技术，可称为探针卡的先驱。

B.刀片式探针卡

刀 片式探针卡（图3）大约是20世纪70年代开发的，当时应用在80支探针以下的中低密度测试探针数的測试中。它也有与悬臂梁式探针卡相同的低电流、耐髙温 等优点，且两者的设计参数也接近。但刀片式探针卡的结构却不同于悬臂梁式探针卡。刀片式探针卡探针的制造过程是由每一个各自分离且很薄的L形陶瓷，面定在 印刷线路板（PCB）的上方，且是先做出适当的针长，之后再根据针的材料和特性加工出满足客户要求的针形，例如弯曲长度、针梁（beam）及针尖的长度 等。

图3 刀片式探针卡

随着探针卡测试技术的不断成熟和芯片测试要 求的逐步提高，测试探针排列方式便相应固定为水平式与垂直式。水平式依测试探针排序叉可区分为数组式[如图4(a)所示]与边缘式[如图4(b)所示]; 至于第三种样式的垂直式探针卡[如图4(c)所示]类似数组式探针卡，区别在于垂直式探针卡具有更密的测试探针排列， 容许更多的焊区或凸点的使用场合，垂直式排列可拥有更高的测试探针排列密度，同时可以进行多组芯片测试等。

图4 各种方式排列的探针卡

C.垂直式探针卡（vertical probe card）

垂直式探针卡是在一块电路板上经钻孔、组装、貼合、焊接及调整等阶段组合而成的。这种类型的探针卡，是以装配的方式来完成的，其结构如图5所示。

图5 垂直式探针卡结构

测 试探针完全笔直，其变形的来源是测试探针受力之后，超过结构的临界荷重，因而产生挫屈（buckling）的现象（如图6所示），需要多层的硅基板堆栈 （silicon plate stack）—起来支撑测试探针，以避免测试探针因受力过大，产生挫屈而破坏测试探针，测试探针材质使用铍铜合金抽拉之后再进行热处理。在測试时，由测试 探针的尺寸大小，决定行程、接触力及接触电阻值。此类型探针卡技术层次非常高，需要髙技术的装配人才，以致造成整个探针卡制造成本过高。

图6 测试探针受力变形

由于存储器件持续不断的降价压力，要求降低器件的测试成本。因此，很多公司通过同时测试更多的器件来提高效率。测试探针卡的发展可以允许平行测试更多的器件，一次同时可测的待测器件（DUT）数量从32到64到128不断上升，从而减少了瀕试平台的数目。这样，通过在300mm晶圆上一次完成测试，而不需要四次触底（TD）测试，提高了测试的效率。

通常在更换晶圆之前测试一个flash芯片（闪存芯片）需要10min，更换晶圆还另外需要2min，此外还需要3min时间更换晶圆盒；这样，只有约80%的时间是测试设备真正在測试晶圆。测试设备在并非测试晶圆的闲置时间中，约有60%与测试探针或芯片测试仪的状态相关；40%与探针卡相关。由于探针卡非常昂贵，使用厂商在购进额外探针卡时都非常谨慎；因此，可实现重用性好和易于维护的系统方法就变得非常重要。

调 谐桥式结构预制在测试头中，该结构连接测试探针、测试机和探针卡，通过系统对加载力进行控制，探针卡位于桥式结构和晶圃之间，消除了很多测试头和测试探针 的误差容限，让两个平面可以共同工作（即桥平面和卡盘上的晶圆、由于探针卡按照晶圆进行了倾斜调整，因此，可以采用同一个測试头。

图7 垂直式探针卡

D.薄膜（水平）式探针卡

薄 膜式探针卡是在20世纪80年代开发应用的，当前主要应用于RF IC器件的测量，最髙可测器件频率为20GHz。传统上是使用硅基板为主。它是使用微光刻技术将预测试焊凸的传输线路制作在以阵列方式排列的弹性薄膜上， 以阵列方式来排列。通过机械加工，使薄膜上探针的共面度达到一致。虽然薄膜式探针卡可以测量很高频率的IC，但由于技术上的关系，测试探针的密度很低，因此薄膜式测试探针仍然有继续开发的空间。

随 着芯片设计越来越小，传统的环氧组装技术必须依赖人工，并且共面度与精度无法与薄膜式探针卡匹配。最早引人微光刻技术制作探针卡发展于1988年， 配合测试芯片焊区的位置，设计凸点与传输线路于薄胰上，此形式仍然以数组的方式排列，测试探针间的距离可以做到近100um左右。应用微光刻技术代替机械 加工制造的薄膜式探针卡（如图8所示），可以使薄膜上的测试探针共面度达到良好—致。

图8 薄膜（水平）式探针卡

E. 微热制动探针卡

测试探针本 体为复合材料双压电结构[如图9 (a)所示]，像是三明治一样，是由两种膨胀系数材料所构成，中间一层为加热层。此测试探针主要的作用是当加热时， 透过加热层热传导，材料就有热膨胀的效应，结构就会产生上下的动作，并且产生作用力，而压在晶圆上芯片的焊区上[如图9(b)所示]。图9 (c)是此型探针卡的结构，该结构为悬臂式的探针，悬臂长通常约为200~500um，宽通常约为30~60um，中间加热层(heater)的宽度通常约为7~20um之间。

图9 微热制动探针卡