MEMS探卡的设计及制备工艺研究

论文摘要

晶圆级IC测试在经济生产中是非常必要的,通过早期放弃有缺陷的元件部分,可以避免不必要的封装成本,同时,晶圆测试数据还提供了早期整体制造过程状况的反馈,以便及早检测到偏差并采取措施改正。随着VLSI技术向更大级集成和更高速度发展,使得I/O的数量急剧增加,引脚的尺寸和间距缩小,于是产品的检测变得更加关键。而限制测试系统性能的关键元件之一就是探卡。实践证明,传统手工制作的探卡和薄膜型探卡已经越来越难以满足使用要求,MEMS探卡则可以有效地突破传统针卡在配针方向、配针密度、配针精度等方面的限制,能明显地改善探卡在测试运用过程中的稳定性,并最大程度降低由于人为因素而造成的测试问题,提升测试整体的效率,因而成为探卡的发展趋势。本文针对目前MEMS探卡存在的问题和不足,提出了三种新型MEMS探卡结构及其制作工艺,来减少工艺步骤和制作成本,使探卡兼具理想的力学和电学性能,更加具有应用可行性。论文的主要内容及结果如下:1.采用UV-LIGA工艺制备金属悬臂梁型和简支梁型三维MEMS探卡结构。利用ANSYS有限元软件对悬臂梁和简支梁探针结构进行了受力分析,得出探针位移和最大应力随悬臂梁和简支梁厚度的变化关系。对设计结构进行HFSS高频仿真,得到了四根探针结构S参数在1-20 GHz的变化曲线。通过多次套刻、电镀的UV-LIGA工艺实现了悬臂梁和简支梁结构探卡的制备,解决了工艺中光刻胶和种子层的去除问题。采用Nano Indenter XP纳米压痕仪对制备后的探卡结构进行力学性能测试,测得悬臂梁和简支梁的弹簧常数分别为2556 Nm-1和26280 Nm-1,与2838Nm-1和23935 Nm-1的理论设计值相差9.94%和8.92%;采用直流探针和HP 4194A阻抗分析仪对简支梁型探卡结构进行了电学性能测试,从简支梁探针到引线末端的直流接触电阻为0.6Ω,在5-40 MHz范围内,探针间特征阻抗大于20 kΩ,电容在0.17 pF至0.27 pF之间,测试结果表明探针的接触电阻小、射频隔离性能好。2.体硅微加工与UV-LIGA复合工艺制备三维悬臂梁型MEMS探卡结构,这种结构可以同时具有金属悬臂梁和硅悬臂梁结构的优点。首先对体硅微加工与UV-LIGA复合工艺方法进行了研究,分别制备了SU-8胶在硅凸台上和凹槽中的三维结构,以及它们的金属模具和PETG热模压复制品。通过对T型截面、两种材料的复合悬臂梁结构进行理论分析,得到了反映复合悬臂梁结构最大挠度随各结构参数变化规律的公式;利用ANSYS有限元方法分析了复合悬臂梁结构的最大挠度和最大应力,分别得出硅层厚度和宽度、铜层厚度和宽度、以及铜层悬臂梁长度对悬臂梁性能影响的规律。采用体硅微加工与UV-LIGA复合工艺方法实现了悬臂梁结构MEMS探卡的制备,并采用Dektak 6M表面轮廓仪、直流探针和HP 4194A阻抗分析仪对制备后的探卡进行了力学性能和电学性能测试。结果表明:力学性能测试结果与理论设计比较吻合;探卡接触电阻仅0.035Ω,直流损耗低;在5-40 MHz射频范围内,探针间特征阻抗在20 kΩ以上,电容值保持在0.13 pF左右,具有很好的隔离性能。3.以PDMS材料为基底,聚酰亚胺为中间层,制备弹性基底的探卡结构。采用COMSOL软件对设计结构进行二维力学分析,得出探针位移随PDMS层和聚酰亚胺层厚度的变化规律。对探针结构进行HFSS高频仿真,得到了四根圆柱型探针结构S参数在1-20 GHz的变化曲线。通过MEMS加工工艺制备出PDMS弹性基底探卡结构。工艺中,利用单晶硅湿法刻蚀制作台阶基片,来提供外围电路打线高度,并解决电路引线在台阶处间断的问题;应用氧等离子处理方法来提高聚酰亚胺与溅射金属种子层之间的结合力。采用Nano Indenter XP纳米压痕仪对弹性基底和探针结构进行了力学性能测试,当PDMS层厚度为150μm、聚酰亚胺层厚度为50μm时,PDMS和聚酰亚胺基底的弹簧常数为4582 Nm-1,上方电镀金属探针结构的弹簧常数为7317 Nm-1;采用直流探针和HP 4194A阻抗分析仪对制备后的探卡结构进行了电学性能测试,从探针到引线末端的直流接触电阻为1.4Ω,在5-40 MHz测试频率内,探针间特征阻抗大于20 kΩ,电容在0.19pF至0.28 pF之间。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 主要的微加工技术
• 1.1.1 表面微机械加工
• 1.1.2 体微机械加工
• 1.1.3 LIGA 及准LIGA 技术
• 1.2 集成电路的测试
• 1.2.1 测试原理和方法
• 1.2.2 半导体自动测试设备
• 1.2.3 晶圆级测试
• 1.3 晶圆级IC 测试探卡
• 1.3.1 传统型探卡
• 1.3.2 薄膜型探卡
• 1.3.3 MEMS 探卡
• 1.4 本文研究的意义和主要内容
• 参考文献
• 第二章 接触电阻理论和MEMS 探卡基本工艺
• 2.1 接触电阻理论
• 2.1.1 接触电阻
• 2.1.2 芯片测试中的接触电阻
• 2.1.3 烧结方法
• 2.2 基本工艺
• 2.2.1 光刻工艺
• 2.2.2 溅射工艺
• 2.2.3 电镀工艺
• 2.2.4 刻蚀工艺
• 参考文献
• 第三章 UV-LIGA 工艺制备金属探卡结构
• 3.1 引言
• 3.2 探卡的结构设计
• 3.3 结构尺寸设计
• 3.4 力学设计
• 3.4.1 悬臂梁结构
• 3.4.2 简支梁结构
• 3.5 有限元分析
• 3.5.1 ANSYS 力学分析
• 3.5.2 HFSS 高频分析
• 3.6 制备工艺
• 3.6.1 悬臂梁型探卡制备工艺
• 3.6.2 简支梁型探卡
• 3.7 探卡性能测试
• 3.7.1 力学性能测试
• 3.7.2 电学性能测试
• 3.8 本章小结
• 参考文献
• 第四章 体硅微加工与UV-LIGA 复合工艺制备悬臂梁型探卡
• 4.1 引言
• 4.2 体硅微加工与UV-LIGA 复合工艺
• 4.2.1 硅凸台上加工SU-8 结构
• 4.2.2 凹槽内加工SU-8 结构
• 4.3 采用复合工艺制备MEMS 探卡的设计
• 4.4 复合悬臂梁力学分析
• 4.5 复合悬臂梁ANSYS 有限元模拟分析
• 4.5.1 几何模型的建立
• 4.5.2 材料参数及单元网格划分
• 4.5.3 边界条件、载荷及求解
• 4.5.4 结构参数对悬臂梁性能的影响
• 4.6 复合悬臂梁探卡的制备工艺
• 4.7 复合悬臂梁探卡的测试
• 4.7.1 力学性能测试
• 4.7.2 电学性能测试
• 4.8 本章小结
• 参考文献
• 第五章 PDMS 弹性基底探卡结构
• 5.1 引言
• 5.2 弹性、柔性聚合物基底
• 5.3 PDMS 弹性基底探卡的设计
• 5.4 PDMS 的物理化学性能
• 5.5 聚酰亚胺的作用
• 5.6 等离子体表面处理
• 5.7 有限元分析
• 5.8 制备工艺
• 5.9 性能测试
• 5.9.1 力学性能测试
• 5.9.2 电学性能测试
• 5.10 本章小结
• 参考文献
• 第六章 全文总结与展望
• 6.1 论文研究工作总结
• 6.2 论文创新点小结
• 6.3 未来工作展望
• 攻读博士学位期间发表的论文和申请的专利
• 致谢