中文摘要 : 本研究以電腦輔助繪圖軟體 (CAD) 建立晶圓針測時鎢懸臂式探針對鋁銲墊 (60μm X 60μm X μm) 之實體幾何模型, 在取得實驗之銲墊針痕方向刮痕大小後, 以有限元素 (FEM) 分析軟體 ANSYS 進行常溫下針測行為模擬模擬的過程為固定探針的基礎端, 將銲墊向上移動一

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确锺
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1 行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告高溫環境下之晶圓針測實驗及數值分析模型之研究研究成果報告 ( 精簡版 ) 計畫類別 : 個別型計畫編號 :NSC 99-8-E 執行期間 :99 年 08 月 0 日至 00 年 07 月日執行單位 : 國立高雄應用科技大學模具工程系計畫主持人 : 張高華共同主持人 : 林銘福計畫參與人員 : 碩士班研究生 - 兼任助理人員 : 黃士瑋碩士班研究生 - 兼任助理人員 : 廖博益公開資訊 : 本計畫涉及專利或其他智慧財產權, 年後可公開查詢中華民國 00 年月 8 日

2 中文摘要 : 本研究以電腦輔助繪圖軟體 (CAD) 建立晶圓針測時鎢懸臂式探針對鋁銲墊 (60μm X 60μm X μm) 之實體幾何模型, 在取得實驗之銲墊針痕方向刮痕大小後, 以有限元素 (FEM) 分析軟體 ANSYS 進行常溫下針測行為模擬模擬的過程為固定探針的基礎端, 將銲墊向上移動一段設定的行程 ( 即針測行程 OD,over-driver), 此時探針與銲墊接觸, 銲墊永久性刮痕產生, 探針則仍在材料彈性限內, 然後銲墊向下退回原點, 如此便完成一針測循環於比對實驗值與模擬結果相吻合並取得材料高溫拉伸 ( 此部份委託金屬工業研究發展中心進行 ) 之應力應變曲線後, 我們採用田口方法 (Taguchi method) 依照建立的 ANSYS 分析模型, 分別進行數種溫度 (75 50 及 00 ) 數種材質 ( 銲墊為鋁銅及鐵 ; 探針為鎢鐵 SUS0 SUS6L 及 SKD) 及變動探針幾何形狀 ( 針尖半徑彎曲角度針臂長及探針直徑等 ) 下之銲墊刮痕長度及探針疲勞之最佳化分析結果顯示, 採用最佳設計時, 常用的鋁銲墊在 75 針測行程 (OD) 分別為 0μm 0μm 50μm 70μm 及 90μm 下, 與原始設計相比較刮痕大小分別可以減少 9.5% 9.%.%.% 及 7.%; 疲勞分析方面, 採用最佳設計的探針在 75 時針測行程 (OD) 分別為 0μm 0μm 50μm 60μm 及 80μm 下, 與原始設計相比較分別可以增加 9.8 倍. 倍 6. 倍. 倍及 5.5 倍 %, 最佳化效果顯著, 研究結果可供業界使用參考中文關鍵詞 : 晶圓針測探針刮痕有限元素分析應力應變曲線疲勞英文摘要 : Probe cards provide the interface between tester equipment and the die of IC device. To test the devices, contact to the bonding pads of each chip on the wafer, and the signal from the tester system is transmitted to the chip. As the chips are tested, a map is created of good and bad chip locations. This map is used to determine which chips, the good ones, should be assembled in package. The scrub damage can disadvantageously impact the wire bond quality at assembly and affect assembly yield. So the good quality probe mark is our first concern, especially hard to control probe mark on high temperature wafer testing. This purpose of research to consider different temperature on probe and bonding pad that are put in the temperature environment, and observe the scrub

3 mark length, depth and area. This research consists of two parts and goes on altogether. At the first, by utilizing the wafer prober (TokyoElectron Ltd., Tokyo, Japan) experimental facility to probe into the needle to examine the Al pad and carrying on the needle and examining the experiment to the Al pad wafer under different environment temperature and different probe geometries. For experimental aspect, the probe tips slide across the surface of the pads. This scrubbing action causes the probe tips to break through the surface oxide, helping make good electrical contact with the metal underneath at various OD (overdrive) 5μm, 50μm, 75μm and 00μm will be tested in this project and considered the effect of soak time and soak overdrive. The different temperature environment be considered to be room temperature and 75. For numerical analysis aspect, a three-dimensional computational probing simulation model was developed for analyzing the needle contact phenomena during wafer probing with the various probe diameter mils, 5mils and 6mils needle(mil=5.μm), the material properties under various temperatures will be used in this model. The resultant scrub marks from the simulation were verified against the experimental results. Finally, the results predicted by the finite element model (FEM) for the scrub mark length under various overdrive are used to optimize the geometry of the probe and the prevention of needle to damage pad during probe testing under high temperature environment. 英文關鍵詞 : Wafer Test, Probe, Scratch, Finite Element Method, Stress-Strain Curve, Fatigue

4 錄...P. ()...P.....P.....P.....P.....P..5 論...P.6 () 參...P.9 ()...P.0

5 (). 粒 (die) 都 (probe card)( )[-5] 行 IC 粒 (pad) 良量路粒 (probe card) 量粒良度度度 ( )[6] [] (a) (b) 行 [6] (a) (probe diameter)=00µm (b) (probe diameter)=5µm 不參數 (scrub length) (

6 ) 量拉金不良度降行更不易行 (wafer testing house). 來行 (overdrive,od) 度行行粒良粒行度度不精度良行狀利 ANSYS 立利狀度不 ( ) 勞度 ANSYS 勞不行不 ( 0 不 6L 不 SKD ) 行勞狀來

7 更量度不降粒率 IC 良率. 996 年 Varnau[7] 不行 75µm 50µm 5µm 不數 75µm probe-before-bump 度 Tan [8] probe-before-bump 來度兩金 / 金金 / 金不留行粒暴露來度 -0 ~5 度若數 500 / 金金不若度降若 / 金行 mil mil=5.µm / 金行 5mil 度 5 不度 Hotchkiss [9] 不數度利來例 0 度度降拉金降行數不度 Tran [0] 料度度 Liu D.S. [,] 利拉力 (MTS Tytron) 行拉料參數 LS-DYNAD 行行度 (bending angle). 行兩 () : Prober (TokyoElectron Ltd., Tokyo, Japan) 利利量 ( ) : 金狀

8 ( ) : 60µm X 60µm X µm ( ) 行 : 行 0µm 0µm 0µm 0 50µm Probe Diameter (µm) Beam Length (µm) Knee Diameter (µm) Tip Diameter (µm) Bending Angle ( ) Shooting Angle ( ) Tip Length (µm) Taper Length (µm) Probe 狀料 : 料 ( 拉力 - ): 金行數行 (Al) (Cu) (Fe) SUS0 不 (SUS0 stainless) SUS6L 不 (SUS6L stainless) 度 () ( ) 立 : SolidWork 行 ( ) : () ANSYS 行 (OD=0µm 0µm 0µm 0 50µm) 行行 () 料行不 (W Fe SUS0 SUS6L SKD) (Al Cu Fe) 不行 (OD=0µm 0µm 50µm 70µm 90µm) 不狀 ( 度 ) 勞 5

9 () 離 ( 行 ) 刺行離.5 論 () : : 60µm X 60µm X µm 行行 0µm 0µm 0µm 0 50µm 行 (a) 8.7µm (b).59µm (c) 7.µm (d) 9.69µm (e).µm OD (a) 0µm (b)0µm (c)0µm (d)0µm (e)50µm 6

10 行度數離落量 5 行 50µm 量數 5 量數 y=0.067x y 量 X 數量 - 數參 0% 來不度 [] 5~8µm 離 [] 量離 ( PS SD SL TDD) = PO () PS (Pad Size) SD 離 (Safe Distance) SL 度 (Scratch Length) TDD 量 (Tip Diameter Deformation) PO 量 (Probe Offset) 量量 60µm 了量離離 5µm 量量度量 50µm 行 5µm 5µm 量 () 行量量 0µm 數來量來勞 X=5.95X0 5 (Cycles) 勞 7

11 量 5 行 50µm 量 - 數料 : 金行數行 (Al) (Cu) (Fe) SUS0 不 (SUS0 stainless) SUS6L 不 (SUS6L stainless) 度 ~ SUS0 SUS6L SKD 不度拉力力 - [] 8

12 6 度力 - 7 度力 - 8 度力 - 9 SUS0 不力 - 0 SUS6L 不力 - SKD 力 - 9

13 力 - [] () ( ) 立 ANSYS (mesh) ( ) 行 5 0

14 (a)od=0µm (b)od=0µm (c)od=0µm (d)od=0µm (e)od=50µm 行 5 (Taguchi Method) L 9 ( ) (Orthogonal Arrays) (Control Factors) (Levels)

15 說 Level Level Level A 度 ( C) B (µm) C 度 ( ) D (µm) ~5 度 6~8

16 度 ( µm) exp A B C D 0µm(OD) 0µm(OD) 50µm(OD) 70µm(OD) 90µm(OD) Y S S/N Ave

17 度 ( µm) exp A B C D 0µm(OD) 0µm(OD) 50µm(OD) 70µm(OD) 90µm(OD) Y S S/N Ave 度 ( µm) exp A B C D 0µm(OD) 0µm(OD) 50µm(OD) 70µm(OD) 90µm(OD) Y S S/N Ave

18 6 參數 exp A B C D 0µm(OD) 0µm(OD) 50µm(OD) 70µm(OD) 90µm(OD) Y S S/N 參數 exp A B C D 0µm(OD) 0µm(OD) 50µm(OD) 70µm(OD) 90µm(OD) Y S S/N 參數 exp A B C D 0µm(OD) 0µm(OD) 50µm(OD) 70µm(OD) 90µm(OD) Y S S/N ( ) L 6 ( 5 ) 9 9 說 Level Level Level Level A 度 ( ) B (µm) C (µm) D 度 (µm) E (µm) ~5 SUS0 SUS6L SKD 5

19 EXP A B C D E 0 勞 S/N 0µm(OD) 0µm(OD) 50µm(OD) 60µm(OD) µm(OD) Y( ) S/N

20 勞 S/N A B C D E 0µm 0µm 50µm 60µm 80µm Y( ) S/N 勞 S/N A B C D E 0µm 0µm 50µm 60µm 80µm Y( ) S/N SUS0 不勞 S/N A B C D E 0µm 0µm 50µm 60µm 80µm Y( ) S/N SUS6L 不勞 S/N A B C D E 0µm 0µm 50µm 60µm 80µm Y( ) S/N SKD 勞 S/N A B C D E 0µm 0µm 50µm 60µm 80µm Y( ) S/N) 利立行料拉力利度行行不勞參數論. 利度 µm 行 0~50µm 行行度.µm 度 8.7µm. 行力降力復力力都 7

21 行 0%. 拉度料度降 00 降度 75 降 0% 降度降 6% 0% 數降度 0% % % 數度數降度. 立參數參數行 90µm 7.6µm 6.6µm 0.9µm 參數都度度度 5. 數行 70µm 數度 0µm( ) 行 90µm 5 度 0µm 離 5~8µm 度 0µm 6. 度度度度度度度說了料異度度來度度 7. 不行 0µm~80µm 行 60µm 力力降力行 80µm 了力都降度度行 60µm 都 8. 行 80µm 度離 5~8µm 不良率不 9. 勞行 50µm 來 ( SUS0 不 SUS6L 不 SKD ) 勞勞數勞 0. 度行 80µm 度離 5~8µm 更行 80µm 不良率 8

22 () 參 [] Standard Cantilever Epoxy Probe Cards, [] B. Mariner, Probe Market Overview by VLSI Research, Presented at the 5th IEEE SouthWest Test WorkShop, 005. [] L. Tran and R. Rincon, Why using finite element analyses to optimize cantilever probe card design, Presented at the 5th IEEE SouthWest Test WorkShop, 005. [] S. McKnight, Vertical Pad Deformation During Probe, Presented at the Tenth International Conference IEEE SouthWest Test WorkShop, 000. [5] F. L. Taber, An Introduction to Area Array Probing, Presented at IEEE International Test Conference, pp. 77-8, 998. [6] H. Y. Chang, Y. C. Tsao, M. K. Shih, C. L. Yeh and W. F. Pan, Experimental and Numerical Investigation of Needle Contact Behavior into Wafer Level Probing, Presented at Taiwan ANSYS/Fluent User Conference, pp , 007. [7] M. J. Varnau, Impact of wafer probe damage on flip chip yields and reliability, Proc. IEEE/CPMT-IEMT, pp. 9 97, 996. [8] Q. Tan, C. Beddingfield, and A. Mistry, Reliability evaluation of probe-before-bump technology, Proc. IEEE/CPMT-IEMT, pp. 0, 999. [9] G. Hoychkiss, G. Ryan, W. Subido, J. Broz, S. Mitchell, R. Rincon, R. Rolda and L. Guimbaolibot, Effect of Probe Damage on Wire Bond Integrity, Presented at the IEEE Electronic Components and Technology Conference, 00. [0] T. A. Tran, L. Yong, B. Williams, S. Chen and A. Chen, Fine Pitch Probing and Wirebonding and Reliability of Aluminum Capped Copper Bond Pads, Presented at the IEEE Electronic Components and Technology Conference, pp , 000. [] D. S. Liu and M. K. Shih, Experimental method and FE simulation model for evaluation of wafer probing parameters, Microelectronics Journal, pp.87-88, 006. [] D. S. Liu and M. K. Shih, An experimental and numerical investigation into multilayer probe card layout design, IEEE Transaction on Electronics Packaging Manufacturing., Vol. 9, No., pp. 6-7,

23 () 行了立料力度行參數降勞行了良參來更行更 0

24 國科會補助計畫衍生研發成果推廣資料表日期 :0/0/8 國科會補助計畫計畫名稱 : 高溫環境下之晶圓針測實驗及數值分析模型之研究計畫主持人 : 張高華計畫編號 : 99-8-E 學門領域 : 應力應變與成型無研發成果推廣資料

25 99 年度專題研究計畫研究成果彙整表計畫主持人 : 張高華計畫編號 :99-8-E 計畫名稱 : 高溫環境下之晶圓針測實驗及數值分析模型之研究國內論文著作專利技術移轉成果項目實際已達成數 ( 被接受或已發表 ) 量化預期總達成數 ( 含實際已達成數 ) 期刊論文 % 研究報告 / 技術報告 % 本計畫實際貢獻百分比研討會論文 00% 專書 % 申請中件數 % 已獲得件數 % 單位件數 % 件權利金 % 千元篇件備註 ( 質化說明 : 如數個計畫共同成果成果列為該期刊之封面故事... 等 ) 國外參與計畫人力 ( 本國籍 ) 論文著作專利技術移轉參與計畫人力 ( 外國籍 ) 碩士生 00% 博士生 % 博士後研究員 % 人次專任助理 % 期刊論文 % 研究報告 / 技術報告 % 篇研討會論文 % 專書 % 章 / 本申請中件數 % 已獲得件數 % 件件數 % 件權利金 % 千元碩士生 % 博士生 % 人次博士後研究員 % 專任助理 %

26 無其他成果 ( 無法以量化表達之成果如辦理學術活動獲得獎項重要國際合作研究成果國際影響力及其他協助產業技術發展之具體效益事項等, 請以文字敘述填列 ) 科教處計畫加填項目成果項目量化名稱或內容性質簡述測驗工具 ( 含質性與量性 ) 0 課程 / 模組 0 電腦及網路系統或工具 0 教材 0 舉辦之活動 / 競賽 0 研討會 / 工作坊 0 電子報網站 0 計畫成果推廣之參與 ( 閱聽 ) 人數 0

27 國科會補助專題研究計畫成果報告自評表請就研究內容與原計畫相符程度達成預期目標情況研究成果之學術或應用價值 ( 簡要敘述成果所代表之意義價值影響或進一步發展之可能性 ) 是否適合在學術期刊發表或申請專利主要發現或其他有關價值等, 作一綜合評估. 請就研究內容與原計畫相符程度達成預期目標情況作一綜合評估達成目標未達成目標 ( 請說明, 以 00 字為限 ) 實驗失敗因故實驗中斷其他原因說明 :. 研究成果在學術期刊發表或申請專利等情形 : 論文 : 已發表未發表之文稿撰寫中無專利 : 已獲得申請中無技轉 : 已技轉洽談中無其他 :( 以 00 字為限 ). 請依學術成就技術創新社會影響等方面, 評估研究成果之學術或應用價值 ( 簡要敘述成果所代表之意義價值影響或進一步發展之可能性 )( 以 500 字為限 )

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