MEMS探卡的設(shè)計及制備工藝研究.pdf

1、晶圓級IC測試在經(jīng)濟生產(chǎn)中是非常必要的，通過早期放棄有缺陷的元件部分，可以避免不必要的封裝成本，同時，晶圓測試數(shù)據(jù)還提供了早期整體制造過程狀況的反饋，以便及早檢測到偏差并采取措施改正。隨著VLSI技術(shù)向更大級集成和更高速度發(fā)展，使得I/O的數(shù)量急劇增加，引腳的尺寸和間距縮小，于是產(chǎn)品的檢測變得更加關(guān)鍵。而限制測試系統(tǒng)性能的關(guān)鍵元件之一就是探卡。實踐證明，傳統(tǒng)手工制作的探卡和薄膜型探卡已經(jīng)越來越難以滿足使用要求，MEMS探卡則可以有效地突

2、破傳統(tǒng)針卡在配針方向、配針密度、配針精度等方面的限制，能明顯地改善探卡在測試運用過程中的穩(wěn)定性，并最大程度降低由于人為因素而造成的測試問題，提升測試整體的效率，因而成為探卡的發(fā)展趨勢。本文針對目前MEMS探卡存在的問題和不足，提出了三種新型MEMS探卡結(jié)構(gòu)及其制作工藝，來減少工藝步驟和制作成本，使探卡兼具理想的力學(xué)和電學(xué)性能，更加具有應(yīng)用可行性。主要研究內(nèi)容如下： ⑴采用UV-LIGA工藝制備金屬懸臂梁型和簡支梁型三維MEMS探

3、卡結(jié)構(gòu)。利用ANSYS有限元軟件對懸臂梁和簡支梁探針結(jié)構(gòu)進行了受力分析，得出探針位移和最大應(yīng)力隨懸臂梁和簡支梁厚度的變化關(guān)系。對設(shè)計結(jié)構(gòu)進行HFSS高頻仿真，得到了四根探針結(jié)構(gòu)S參數(shù)在1-20 GHz的變化曲線。通過多次套刻、電鍍的UV-LIGA工藝實現(xiàn)了懸臂梁和簡支梁結(jié)構(gòu)探卡的制備，解決了工藝中光刻膠和種子層的去除問題。采用Nano Indenter XP納米壓痕儀對制備后的探卡結(jié)構(gòu)進行力學(xué)性能測試，測得懸臂粱和簡支梁的彈簧常數(shù)分別為

4、2556 Nm-1和26280 Nm-1，與2838Nm-1和23935Nm-1的理論設(shè)計值相差9.94％和8.92％；采用直流探針和HP4194A阻抗分析儀對簡支梁型探卡結(jié)構(gòu)進行了電學(xué)性能測試，從簡支梁探針到引線末端的直流接觸電阻為0.6Ω，在5-40 MHz范圍內(nèi)，探針間特征阻抗大于20kΩ，電容在0.17 pF至0.27 pF之間，測試結(jié)果表明探針的接觸電阻小、射頻隔離性能好。 ⑵體硅微加工與UV-LIGA復(fù)合工藝制備三維

5、懸臂梁型MEMS探卡結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以同時具有金屬懸臂梁和硅懸臂梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。首先對體硅微加工與UV-LIGA復(fù)合工藝方法進行了研究，分別制備了SU-8膠在硅凸臺上和凹槽中的三維結(jié)構(gòu)，以及它們的金屬模具和PETG熱模壓復(fù)制品。通過對T型截面、兩種材料的復(fù)合懸臂梁結(jié)構(gòu)進行理論分析，得到了反映復(fù)合懸臂梁結(jié)構(gòu)最大撓度隨各結(jié)構(gòu)參數(shù)變化規(guī)律的公式；利用ANSYS有限元方法分析了復(fù)合懸臂梁結(jié)構(gòu)的最大撓度和最大應(yīng)力，分別得出硅層厚度和寬度、銅層厚度和

6、寬度、以及銅層懸臂梁長度對懸臂梁性能影響的規(guī)律。采用體硅微加工與UV-LIGA復(fù)合工藝方法實現(xiàn)了懸臂染結(jié)構(gòu)MEMS探卡的制備，并采用Dektak6M表面輪廓儀、直流探針和HP4194A阻抗分析儀對制備后的探卡進行了力學(xué)性能和電學(xué)性能測試。結(jié)果表明：力學(xué)性能測試結(jié)果與理論設(shè)計比較吻合；探卡接觸電阻僅0.035Ω，直流損耗低；在5-40 MHz射頻范圍內(nèi)，探針間特征阻抗在20 kΩ以上，電容值保持在0.13 pF左右，具有很好的隔離性能。

7、 ⑶以PDMS材料為基底，聚酰亞胺為中間層，制備彈性基底的探卡結(jié)構(gòu)。采用COMSOL軟件對設(shè)計結(jié)構(gòu)進行二維力學(xué)分析，得出探針位移隨PDMS層和聚酰亞胺層厚度的變化規(guī)律。對探針結(jié)構(gòu)進行HFSS高頻仿真，得到了四根圓柱型探針結(jié)構(gòu)S參數(shù)在1-20 GHz的變化曲線。通過MEMS加工工藝制備出PDMS彈性基底探卡結(jié)構(gòu)。工藝中，利用單晶硅濕法刻蝕制作臺階基片，來提供外圍電路打線高度，并解決電路引線在臺階處間斷的問題；應(yīng)用氧等離子處理方法來提

8、高聚酰亞胺與濺射金屬種子層之間的結(jié)合力。采用Nano Indenter XP納米壓痕儀對彈性基底和探針結(jié)構(gòu)進行了力學(xué)性能測試，當(dāng)PDMS層厚度為150μm、聚酰亞胺層厚度為50μm時，PDMS和聚酰亞胺基底的彈簧常數(shù)為4582 Nm-1，上方電鍍金屬探針結(jié)構(gòu)的彈簧常數(shù)為7317 Nm-1；采用直流探針和HP4194A阻抗分析儀對制備后的探卡結(jié)構(gòu)進行了電學(xué)性能測試，從探針到引線末端的直流接觸電阻為1.4Ω，在5-40 MHz測試頻率內(nèi)，探