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-5-00- 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
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
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
錄...P. ()...P.....P.....P.....P.....P..5 論...P.6 () 參...P.9 ()...P.0
(). 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) (
) 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
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
( ) : 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 5 0 0 0 9 79. 778 狀 料 : 料 ( 拉 力 - ): 金 行 數 行 (Al) (Cu) (Fe) SUS0 不 (SUS0 stainless) SUS6L 不 (SUS6L stainless) 度 75 50 00 () ( ) 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
() 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
行 度 數 離 落 量 5 行 50µm 量 數 5 量 數 y=0.067x+0.068 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
量 5 行 50µm 量 - 數 料 : 金 行 數 行 (Al) (Cu) (Fe) SUS0 不 (SUS0 stainless) SUS6L 不 (SUS6L stainless) 度 75 50 00 6~ SUS0 SUS6L SKD 不 度 拉 力 力 - [] 8
6 度 力 - 7 度 力 - 8 度 力 - 9 SUS0 不 力 - 0 SUS6L 不 力 - SKD 力 - 9
力 - [] () ( ) 立 ANSYS (mesh) ( ) 行 5 0
(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)
說 Level Level Level A 度 ( C) 75 50 00 B (µm) 5 0 5 C 度 ( ) 00 0 0 D (µm) 00 600 ~5 度 6~8
度 ( µm) exp A B C D 0µm(OD) 0µm(OD) 50µm(OD) 70µm(OD) 90µm(OD) Y S S/N.87 0.8 6.79 9.0.9 0.96 -.7 5.. 7.9.8 8. 7.7 5.05-5.5.65. 9.6 5.8 0.70 8.7 6.7-6..7 0.0.96 7.55 0.5.5. -. 5 6.9.95 0.8 6..89 9.7 7. -6.6 6 6.0.8 0. 5.7.6 9.6 7. -6.65 7 6.. 9.08.9 9.59 8.56 6.0-6.05 8 6.6.0 9.8 5.0.06 9. 6.68-6.0 9 8.60 7.95 5.07.6. 5.78.50-9.00 Ave 8.6-5.9
度 ( µm) exp A B C D 0µm(OD) 0µm(OD) 50µm(OD) 70µm(OD) 90µm(OD) Y S S/N.6 9.0.6 5.65 7.7.97 0.6 -.06.85.5 6.69.57 7.7 6.67.6-5.9.5.69 8.59.9 0.00 7.98 5.87-6.0.90 9.5.77 6. 8.95.0 0.5 -.0 5 5.85.8 8.9.76 0. 8.56 6.9-6.5 6 5.8.67 8.75.07 9.5 8.08 5.78-5.9 7 5.. 5.99 9.95.5 5..9 -.6 8 5..9 6.9 6.68 6. 6.. -5.0 9 6.58 5.6.0 8.0.50.6 8.56-7. Ave 6.5-5.0 5 度 ( µm) exp A B C D 0µm(OD) 0µm(OD) 50µm(OD) 70µm(OD) 90µm(OD) Y S S/N 0 5.8 7 9.0 0.5 5.77-6.7-7.7 0 6.9 0.7. 7.6 9.7-0.50 -.9 0 8.. 8.55.9.8 -.96 -.75 0 5.09 6.97 9.5. 6.0-6.8-7.6 5 0 7.87.5.7 0. 0.56 -.7 -.5 6 0 7.75.66 6.6 0.58 0.7 -.86 -.65 7 0 6.0 8.99.9.6 7.0-8.5-9.0 8 0 6.5 0. 6.0 8. -9.78-0.57 9 0 9..9 9.55.60 -.5 -.05 Ave 9.9-0.
6 參數 exp A B C D 0µm(OD) 0µm(OD) 50µm(OD) 70µm(OD) 90µm(OD) Y S S/N 0. 8.7.9 5. 7.6.5 9.86 -.9 7 參數 exp A B C D 0µm(OD) 0µm(OD) 50µm(OD) 70µm(OD) 90µm(OD) Y S S/N 0.6 8..9.09 6.6 0.77 9.5 -.6 8 參數 exp A B C D 0µm(OD) 0µm(OD) 50µm(OD) 70µm(OD) 90µm(OD) Y S S/N 0 0.8 6.59 8.8 0.9 6. 5.60-7 ( ) L 6 ( 5 ) 9 9 說 Level Level Level Level A 度 ( ) 5 75 50 00 B (µm) 8 0 5 C (µm) 0 60 79. 00 D 度 (µm) 0 0 0 0 E (µm) 0 0 50 60 0 ~5 SUS0 SUS6L SKD 5
EXP 5 6 7 8 9 0 5 6 A B C D E 0 勞 S/N 0µm(OD) 0µm(OD) 50µm(OD) 60µm(OD) 9.9 0 9.9 0 6.7 0 5.8 0 5.9 0 9.0 0 6.59 0 5 8. 0 7.0 0 9.68 0 6 6. 0 5. 0 5 5.78 0 9.7 0 6.90 0 5.77 0 5 8.7 0 7.00 0 5 6.7 0.68 0.7 0 9.9 0 6.60 0 5.7 0 5. 0 0 5.08 0 6 8. 0 5. 0 5.5 0 8.09 0 7 8.90 0 6.60 0 6.6 0 0.0 0 6.0 0 5.5 0 5. 0.5 0 7.57 0 6. 0 5.5 0 9.5 0 6.8 0 5. 0 5.96 0 0 5.6 0 6 8.77 0 5.8 0 5.5 0 8.6 0 5 7.05 0.7 0 5.87 0 7.7 0 5 5.05 0. 0. 0 0.97 0 7.8 0 6. 0 6.05 0 0 9.89 0 6.07 0 6 7. 0 5 80µm(OD) 9.0 0.76 0 7.9 0 5.0 0 7. 0 6.6 0 5.8 0.80 0 5.97 0 9.69 0. 0. 0 5 6.80 0 7.8 0.9 0 5.55 0 5 Y( ).8 0 9 7.8 0 8. 0 9.6 0 9.7 0 7 5. 0 8 8.6 0 9.90 0 0. 0 9.6 0 0 8.9 0 8.9 0 9.90 0 7.7 0 7 8.6 0 9.0 0 9 S/N 0. 95.0 0.9 00.75 8.0 0.7 0.9 0.6 96. 06.7 99.0 07.7 8. 8.9 6. 0.55 6
勞 S/N A B C D E 0µm 0µm 50µm 60µm 80µm Y( ) S/N.7 0 8. 0 7.06 0 7.7 0 6.87 0 5.9 0 0 0.6 勞 S/N A B C D E 0µm 0µm 50µm 60µm 80µm Y( ) S/N 9.5 0 7.5 0 6 5. 0 5.8 0 5 7.65 0.9 0 7 0. SUS0 不 勞 S/N A B C D E 0µm 0µm 50µm 60µm 80µm Y( ) S/N.57 0 9.70 0 8.56 0 8.67 0 7.9 0 6 7.6 0 0 9.6 SUS6L 不 勞 S/N A B C D E 0µm 0µm 50µm 60µm 80µm Y( ) S/N.6 0.6 0 0 5.69 0 9.09 0 9 7.9 0 7.5 0 6.9 5 SKD 勞 S/N A B C D E 0µm 0µm 50µm 60µm 80µm Y( ) S/N). 0.0 0 9.95 0 8.76 0 7. 0 6.6 0.5 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
行 0%. 拉 度 料 度 降 00 降 度 75 降 0% 降 度 降 6% 0% 數 00 75 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 0 7 0 5.5 0 8 5.7 0 9.9 0 8 數 勞 0. 度 行 80µm 度 離 5~8µm 更 行 80µm 不良率 8
() 參 [] Standard Cantilever Epoxy Probe Cards, http://www.technoprobe.com [] 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. 75-80, 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. 67-680, 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, 006. 9
() 行了 立 料 力 度 行 參數 降 勞 行 了 良 參 來 更 行更 0
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-5-00- 學門領域 : 應力應變與成型 無研發成果推廣資料
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-5-00- 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 0 0 00% 研究報告 / 技術報告 0 0 00% 本計畫實際貢獻百分比 研討會論文 00% 專書 0 0 00% 申請中件數 0 0 00% 已獲得件數 0 0 00% 單位 件數 0 0 00% 件 權利金 0 0 00% 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 0 0 00% 博士後研究員 0 0 00% 人次 專任助理 0 0 00% 期刊論文 0 0 00% 研究報告 / 技術報告 0 0 00% 篇 研討會論文 0 0 00% 專書 0 0 00% 章 / 本 申請中件數 0 0 00% 已獲得件數 0 0 00% 件 件數 0 0 00% 件 權利金 0 0 00% 千元 碩士生 0 0 00% 博士生 0 0 00% 人次博士後研究員 0 0 00% 專任助理 0 0 00%
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
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 )