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研究生:張思緯
研究生(外文):CHANG,SSU-WEI
論文名稱:微撓性探針製程及機械特性研究
論文名稱(外文):The Micro Flexible Probe Manufacturing Process and Mechanical Properties Research
指導教授:王海王海引用關係
指導教授(外文):WANG,HAI
口試委員:陳俊生彭坤增王海
口試委員(外文):CHEN,CHUN-SHENGPENG,KEN-TSENGWANG,HAI
口試日期:2018-01-31
學位類別:碩士
校院名稱:明志科技大學
系所名稱:機械工程系機械與機電工程碩士班
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2018
畢業學年度:106
語文別:中文
論文頁數:77
中文關鍵詞:微機電製程微型燒錄探針
外文關鍵詞:MEMS Manufacturing ProcessMicro Burner Probes
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本研究延續歷代學長之微撓性探針最佳化設計、製程優化、特性分析以及測試方法,並且目前已成功將前四代MEMS之微撓性探針研究議題於最佳化設計、製程改善、機械特性分析及燒錄測試帶入研究,並應用與改善探針燒錄測試設備及測試平台,改良探針機械特性測試方法及相關實驗項目。
論文研究前先針對探針端及固定端光罩設計上之瑕疵做改善,使得MEMS中可順利進行不破壞光阻,提高光阻模型的平坦度、電鑄完成後的探針之剝離率;並且針對MEMS上之實驗參數及製作流程做優化改善。
完成MEMS取下微撓性探針後將進行探針燒錄測試,增加導套片之設計以橢圓形導孔來引導探針燒錄方向,使用導套片後確認造成偏位比率低於0.3%,故忽略偏位之試驗,但由於察覺導孔磨損都偏向於外測探針端,故將導套設計分成兩片,試驗後發覺探針端的外側導孔磨損率約為4.081%,而內側導孔的磨損率約為1.305%,相差2~3倍。

In this study, micro-flexible probe optimization design, process optimization, characterization and testing methods of successive generations of seniors were extended. At the present time, the research topics of micro-flexible probes of MEMS technology in the previous four generations optimize the design, process improvement, analysis of mechanical properties and burning test into research, application and improvement of the probe burning test equipment and test platform, improved probe mechanical properties test methods and related experimental projects.
Before the thesis, the defects on the probe end and the fixed end mask are improved before the research, which makes the MEMS smoothly proceed without damaging the photoresist and improve the flatness of the photoresist model. After electroforming the completed probe Stripping rate; and for MEMS on the experimental parameters and production processes do optimization and improvement.
After completion of the MEMS to remove the micro-flexible probe burn test will be carried out to increase the design of the guide sleeve with oval guide hole to guide the probe burning direction, the use of guide bushings to confirm the resulting bias ratio is lower than 0.3%, so ignore the deviation of the test, but because the pilot hole wear are biased toward the probe tip, so the guide sleeve design is divided into two, the test found that the probe outer guide hole wear rate of about 4.081% , While the inner guide hole wear rate of about 1.305%, a difference of 2 to 3 times.

目錄
明志科技大學碩士學位論文指導教授推薦書 i
明志科技大學碩士學位論文口試委員會審定書 ii
誌謝 iii
中文摘要 iv
Abstract v
目錄 vi
圖目錄 x
表目錄 xiv
第一章 緒論 1
1.1 研究背景及動機 1
1.2 探針卡發展概述 2
1.2.1 懸臂樑式探針卡 3
1.2.2 刀片式探針卡 4
1.2.3 垂直式探針卡 5
1.2.4 薄膜式探針卡 6
1.2.5 微彈簧式探針卡 7
1.2.6 微機電式探針卡 8
1.3 相關文獻探討 9
1.4 研究目的及其重要性 13
第二章 探針尺寸外形設計及結構理論 14
2.1 探針尺寸外形設計 14
2.2 探針結構理論 16
2.3 導孔結構理論 17
第三章 探針端及固定端光罩製作 18
3.1 燒錄IC選用 18
3.1.1 SOP 8-207規格尺寸 18
3.2 光罩製作參數 20
3.3 探針配置規劃 22
3.4 探針端與固定端光罩設計要點 24
3.4.1 有效製程範圍ψ85mm 24
3.4.2 對位孔設計 24
3.4.3 製程區塊間距 24
3.4.4 辨識倒角 24
3.4.5 精密電鑄銅膠貼口 25
第四章 探針製程實驗參數 26
4.1 製程設備及光阻溶劑 27
4.1.1 製程設備 27
4.1.2 製程使用光阻及溶劑 28
4.2 鈦鎳Wafer前處理製程 30
4.2.1 清洗Wafer 30
4.2.2 piranha clean 30
4.2.3 去水烘烤 31
4.2.4 真空濺鍍( Ti ) 31
4.3 探針端KMPR光阻製程 32
4.3.1 清洗wafer 32
4.3.2 去水烘烤 32
4.3.3 旋佈光阻KMPR 1050 32
4.3.4 靜置平整 34
4.3.5 軟烤 35
4.3.6 曝光 35
4.3.7 曝後烤 37
4.3.8 顯影 38
4.3.9 硬烤 39
4.4 精密電鑄製程 40
4.4.1 稀硫酸清洗 40
4.4.2 精密電鑄(Ni) 40
4.4.3 移除光阻KMPR 1050 42
4.4.4 清洗wafer 42
4.4.5 去水烘烤 43
4.5 化學鍍 43
4.5.1 脫脂 43
4.5.2 清水洗淨 43
4.5.3 酸洗及預浸 43
4.5.4 活化 43
4.5.5 浸泡化學鎳 43
4.5.6 移除光阻KMPR 1050 44
4.5.7 清洗wafer 44
4.5.8 去水烘烤 44
第五章 燒錄測試設備及架構 46
5.1 燒錄組件架構 47
5.1.1 燒錄測試平台 47
5.1.2 IC測試固定座 48
5.2 探針燒錄設備 50
5.2.1 交換式雙電源供應器 50
5.2.2 Digital I/O USB Module 50
5.2.3 數位驅動器VCP-02 51
5.2.4 雙軌音圈馬達VCM2 52
5.3 量測儀器 53
5.3.1 毫微伏/微歐姆電錶34405A 53
5.3.2 橋接器機組DBU-120A 53
5.3.3 快速3D CNC影像測定儀 54
第六章 燒錄測試方法及實驗項目 55
6.1 燒錄測試方法 55
6.1.1 分段接觸模式 55
6.1.2 直接接觸模式 56
6.1.3 燒錄接觸模式 56
6.2 量測尺寸定義 58
6.2.1 探針外形尺寸量測 58
6.2.2 導套孔外形尺寸量測 59
6.2.3 探針燒錄量測尺寸定義 60
6.3 實驗項目 61
6.3.1 確認探針接觸情形 61
6.3.2 探針1萬次燒錄測試 63
第七章 結論與未來展望 71
7.1 結論 71
7.2 未來研究方向 73
參考文獻 74


圖目錄
圖1.1周邊陣列排列方式示意圖 2
圖1. 2面積陣列排列方式示意圖 2
圖1. 3懸臂樑式探針卡 3
圖1. 4懸臂樑式探針結構示意圖 3
圖1. 5刀片式探針卡 4
圖1. 6刀片式探針卡結構示意圖 4
圖1. 7VCPC垂直式探針卡結構示意圖 5
圖1. 8 VCPC垂直式探針卡之探針挫曲現象示意圖 5
圖1. 9薄膜式探針針尖圖 6
圖1. 10微彈簧式探針卡 7
圖1. 11微彈簧式探針卡結構示意圖 7
圖1. 12微機電式探針卡 8
圖1. 13微機電式探針針尖突破氧化層示意圖 8
圖1. 14晶片所製作之微探針 9
圖1. 15三維微探針結構 10
圖1. 16具有凸塊之探針卡示意圖 10
圖1. 17電鑄鎳之微機電探針結構 11
圖2. 1探針外形示意圖 14
圖2. 2探針尺寸示意圖 15
圖2. 3電鑄沉積過程中梯度應力使結構產生彎曲變形 16
圖2. 4烘烤時利用熱應力使結構產生彎曲變形 16
圖2. 5 導孔0.5mm偏位角度示意圖 17
圖2. 6導孔2mm偏位角度示意圖 17
圖3. 1 SOP 8 -207外觀形狀圖 19
圖3. 2探針燒錄IC相對位置示意圖 19
圖3. 3探針端及固定端光罩膠片圖 21
圖3. 4 藥膜面參數設定影響曝光製程示意圖 21
圖3. 5第三代光罩探針配置圖 22
圖3. 6各區塊探針間隔尺寸圖 23
圖3. 7探針端光罩圖 25
圖3. 8雙支固定端及單支固定端光罩圖 25
圖4. 1精密電鑄製程規劃 26
圖4. 2化學鍍製程規劃 26
圖4. 3 MEMS製程使用設備 27
圖4. 4精密電鑄製程使用設備 28
圖4. 5 化學鍍製程使用設備 28
圖4. 6製程使用光阻及常用溶劑 29
圖4. 7 piranha clean 製程圖 30
圖4. 8微量秤控制光阻劑量達5g 32
圖4. 9 MicroChem負型光阻KMPR1050塗佈參數 33
圖4. 10負型光阻KMPR1050兩段式旋佈參數 33
圖4. 11負型光阻KMPR1050兩段式旋佈厚度示意圖 34
圖4. 12負型光阻KMPR1050兩段式軟烤參數 35
圖4. 13 KMPR1050照射劑量趨勢圖 36
圖4. 14汞燈光源使用濾波片 37
圖4. 15負型光阻KMPR1050兩段式曝後烤參數 37
圖4. 16顯影完成偏光顯微鏡拍攝圖 38
圖4. 17未執行硬烤製程之KMPR於電鑄製程中膨脹剝落 39
圖4. 18負型光阻KMPR1050硬烤參數 39
圖4. 19稀硫酸清洗製程 40
圖4. 20 精密電鑄銅角貼口封起 41
圖4. 21精密電鑄鎳製程 41
圖4. 22移除光阻KMPR 1050製程 42
圖4. 23 化學鎳替換原理式意圖 44
圖5. 1燒錄測試設備儀器架構圖 46
圖5. 2燒錄測試平台架構圖 47
圖5. 3 IC測試固定座組件爆炸圖 48
圖5. 4 IC測試固定座實體組件與實體安裝圖 49
圖5. 5交換式雙電源供應器 D-120A 50
圖5. 6 Digital I/O USB Module(USB-4750) 50
圖5. 7數位驅動器VCP-02 51
圖5. 8數位輸出入連接埠JP3腳位圖 51
圖5. 9雙軌音圈馬達VCM2 52
圖5. 10毫微伏/微歐姆電錶34405A 53
圖5. 11橋接器機組 (DBU-120A) 53
圖5. 12快速3D CNC影像測定儀 54
圖6. 1分段接觸模式位置及門檻設定示意圖 55
圖6. 2直接接觸模式位置及門檻設定示意圖 56
圖6. 3燒錄接觸模式位置及門檻設定示意圖 57
圖6. 4 VCM Status new 3.4位置回授區 57
圖6. 5探針截面 58
圖6. 5導套片雷射切割路徑設計圖 59
圖6. 6燒錄實驗圓形導套孔圖 60
圖6. 7探針燒錄量測尺寸定義位置示意圖 60
圖6. 8燒錄測試平台導套片安裝圖 61
圖6. 9 探針接觸IC pad 62
圖6. 10 探針S端放鬆(左)、壓縮(右) 62
圖6. 11 探針1萬次燒錄阻抗值折線圖 65
圖6. 12 探針1萬次燒錄探頭長尺寸折線圖 65
圖6. 13 探針1萬次燒錄S彎曲長尺寸折線圖 65
圖6. 14 探針1萬次燒錄探頭寬尺寸折線圖 66
圖6. 15 探針1萬次燒錄S彎曲寬尺寸折線圖 66
圖6. 16 探針1萬次燒錄導孔1尺寸折線圖 66
圖6. 17 探針1萬次燒錄導孔2尺寸折線圖 67
圖6. 18 探針1萬次燒錄量測尺寸變形量折線圖 67
圖6. 19 探針1萬次燒錄導孔尺寸變形量折線圖 67
圖6. 20探針及IC燒錄前後差異(左側為燒錄前拍攝圖) 70





表目錄
表2. 1探針編號尺寸表 15
表3. 1 SOP 8 -207尺寸表 19
表3. 2光罩製作參數表 20
表3. 3第三代光罩探針配置尺寸表 22
表4. 1 真空濺鍍設定參數 31
表4. 2 MicroChem負型光阻KMPR1050曝光參數 36
表4.3 MicroChem負型光阻KMPR1050顯影參數 38
表4. 4 精密電鑄鎳設定參數 41
表4. 5 化學鍍鎳與電鍍鎳之比較 45
表5. 1雙軌音圈馬達VCM2規格表 52
表5. 2快速3D CNC影像測定儀規格表 54
表6. 1測試探針尺寸表 58
表6. 2 探針1萬次燒錄測試數據表 63
表6. 3探針1萬次燒錄測試數據表 64
表6. 4探針1萬次燒錄測試量測尺寸變化比率表 69


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