WLCSP封装芯片的探针卡结构设计

赵春华

摘要：半导体芯片封装类型多种多样，WLCSP是一种即能满足数据传输又可以降低成本的新型封装技术。为了满足客户使用需求WLCSP也需要进行测试。本文主要探讨WLCSP在测试过程所用到的关键部件一探针卡的结构设计。全文分四部分分别介绍部件设计关键要素，测试所需设备，探针头结构设计和固定调节器的结构设计。最后根据本公司的WLCSP产品种类对固定调节器设计制定标准化方案。

关键字：WLCSP;探针卡;探针头;探针头固定器

晶圆级芯片封装即Wafer Level Chip Scale Packaging，简称WLCSP。这种新技术是先在整片晶圆上进行封装和测试，然后再切割成一个个小的芯片颗粒。这样的封装形式大大减小了芯片的尺寸，提升数据传输效率，同时也极大地节约封装成本。目前这种封装形式已经被广泛应用于移动电子设备，家用电器，工业设备，医疗设备等领域。晶圆级芯片的封装形式注定了唯一的一道测试流程只能在切割之前完成。所以这道测试不仅要把有残缺的晶圆颗粒识别出来，而且还需要保证测试机械部件不对晶圆产生伤害。相比较其他封装形式的芯片在最终测试的难度，晶圆级芯片测试显然对测试中机械部件的要求更高。主要体现在三个方面：1.WLCSP是对整张晶圆进行测试，对测试探针的针尖共面性要求很高。最长的探针和最短的探针高度差不能超过0.05mm，否则要么划伤晶圆，要么接触不良导致低良品率。2.WLCSP的焊锡球球径只有0.2mm左右。测试探针需要垂直接触焊锡球，不能偏移也不能刺得太深，否则锡球表面残留毛刺影响客户使用。3.WLCSP的封装不同于传统的芯片封装，没有塑胶包围，芯片薄弱，耐压强度较小。

晶圆测试所需要的设备包括测试机，测试卡（ProbeCard），探针台，测试程序和显微镜。最为关键的是测试卡部分。测试卡跟晶圆产品一一对应，换句话说就是每一种WLCSP封装产品都对应一种测试卡。测试卡包含印刷线路板，探针头或测试插座，探针头的固定调节器（FSD）和固定印刷线路板的金属框架。本文主要讨论探针头和固定调节器的结构设计。

一、探针头的结构设计：

WLCSP的测试探针头也被称作测试插座。在设计WLCSP的探针头时要考虑的因素有：

1.材质：WLCSP测试插座需要在高低温环境下进行测试，测试插座的材质在正175度，负55度的温度下无变形。测试插座必须是绝缘的，否则探针与探针之间会短路。目前业内常用的测试插座的材质有PEEK，特氟龙和陶瓷。PEEK是一种工程塑料，可耐正高温260度、机械性能优异、耐磨性好。特氟龙：是一款高性能热塑材料，耐高温、高速高压下的耐磨损性都优于大部分的热塑性材料。但是硬度和吸湿性稍差。陶瓷PEEK是一款在较大温湿度条件下提供优异的尺寸稳定性和公差的高性能的工程塑料。而且具有稳定的电气特性，热稳定性，耐磨性。相比普通PEEK，可以有效减少打孔时的毛刺问题。WLCSP的测试插座材质选择，陶瓷PEEK无疑是最优的。

2.探针孔径和公差：WLCSP封装产品的焊锡球间距可以到0.15mm。为了获得比较好的电性能测试，测试探针越粗越好。设计者会根据焊锡球大小和间距尽可能选择比较粗的探针。既要满足探针在孔内自由伸缩，相邻孔之间的壁厚还要安全。根据经验WLCSP测试插座的探针孔直径公差最小正负0.003mm。

3.定位销规格选用和公差：测试插座的定位销十分重要，用定位销来保证探针针尾与测试板的金属片接触良好。经过实验和仿真分析，最后我司定位销规格为2.0和1.5mm。销孔公差为+0.021+0.05mm。

二、固定调节器的结构设计

固定调节器顾名思义就是用来安装测试插座在探针卡上，同时还具有调节测试插座水平功能的机械部件。固定调节器是安装在探针卡上测试机的那一面，测试插座安装在探针卡的探针台一侧，装配螺丝从测试插座正面穿过测试板，拧紧到固定调节器的对应螺纹孔内。测试过程中，探针台的卡盘将被测晶圆运送到测试卡测试位处，并且施加压力，使被测晶圆与探针卡的探针接触良好。探针卡被固定在探针台上，为了防止探针卡的测试板因针压的作用翘曲变形，探针台需要提供一个反作用力来支撑探针卡。提供反作用力的支撑部件被命名为横梁。

固定调节器由两部分组成，一个与探针卡的测试板接触，固定测试插座的螺纹孔都设置在这个部件上，被命名为固定块（FSD）o另一个部件与横梁接触，被命名为垫块。FSD与垫块之间预留0.5mm的间隙，这个间隙就是用来调节针尖共面性。四个特制的螺栓连接在FSD和垫块之间，通过调节这些螺栓的松紧度就可以调整探针突出测试插座的高度，最终实现探针的针尖都在预期的平面度内。垫块上也有四个特殊的千斤顶螺丝，千斤顶螺丝是用来调整整张探针卡的水平，使探针卡与探针台的卡盘相对水平。这样就能保证测试过程中晶圆与探针之间平行并有一个安全的距离。晶圆既不会被划伤，探针与晶圆也能良好接触，实现低阻抗的导电性能。FSD上用于固定测试插座的螺丝选型和位置分布需要进行仿真计算。由卜探针卡的印刷电路板布线需求，螺丝的数量越少越好，越小越好。但是螺丝的数量也不能太少。另外这些螺丝还有一个很重要的作用是控制测试插座在高低温环境下产生的热胀冷缩在可接受的范围内。

三、探针头和固定调节器的标准化分类

在晶圆测试的大规模生产中，如果每一个WLCSP项目都设计一套固定调节器，显然会影响新产品量产的周期和成本。因此对固定调节器的设计进行分类和标准是一项非常有意义的工作。我们对公司内正在量产的八十多种WLCSP产品进行研究，这些产品的封形尺寸小到1.2毫米，大到巧毫米;焊锡球间距0.15到0.5毫米之间;WLCSP焊锡球数量差异也很大;测试并行度也五花八门，有一个测试位最多128个测试位。经过分析发现由于测试机的资源是固定的，焊锡球少的产品往往并行度高，焊锡球多的复杂产品并行度并不高。因此探针头和固定调节器的标准分类可以依据探针所占的面积。例如一个WLCSP48球封装，外形尺寸为4.2×4.2毫米，街区为0.8毫米。并行度为16。默认测试位的摆放为4×4的矩阵，因此这768个探针都分布在19.2×19.2毫米的正方形面积内。19.2×19.2即可作为一个标准。考虑到安全系数我们把探针数量提高到1000根，并假设探针处于满负荷的压力下20克，根据经验先设计出几种方案的螺丝型号数量和分布位置，然后利用软件进行仿真分析，分别计算出在不同温度下陶瓷PEEK测试插座表面压力分布情况和翘曲变形情况。最后根据仿真结果选出最优的设计方案，并完成固定调节器结构设计。标准的固定调节器种类必须至少涵盖98%以上的项目需求但不能太多，五六种为宜。

综上所述，虽然WLCSP测试探针卡的机械部件结构复杂，精度要求较高，但是也并非无规律可循，只要掌握关键要素，就可以设计出性能良好的硬件。再根据本公司的产品特点对固定調节器设计制定标准化方案，WLCSP探针卡研发就能实现省时高效降低成本的目标。