中國(guó)粉體網(wǎng)訊  芯片的封測(cè)環(huán)節(jié)中，涉及到大量探針卡的使用，它們對(duì)芯片封裝前的電學(xué)性能測(cè)量非常重要。然而探針卡受到基材的影響，在高溫時(shí)會(huì)發(fā)生形變，從而影響測(cè)試結(jié)果，因此近硅熱膨脹(CTE=3.4ppm/℃)的轉(zhuǎn)接基板是解決高精度探針卡形變問(wèn)題的有效解決措施之一。采用多層陶瓷共燒技術(shù)制造的陶瓷轉(zhuǎn)接基板因其具有層間布線能力，為探針卡高密度布線需求提供了支持，成為了高精度探針卡的理想選擇，開(kāi)發(fā)基于晶圓探針卡的多層陶瓷共燒轉(zhuǎn)接基板迫在眉睫。

晶圓探針卡用陶瓷多層基板＋單層薄膜金屬化，來(lái)源：京瓷

近年來(lái)半導(dǎo)體測(cè)試市場(chǎng)的飛速發(fā)展帶動(dòng)了探針卡行業(yè)不斷取得新的突破。根據(jù)研究機(jī)構(gòu)QY Research的數(shù)據(jù)顯示，2023年全球探針卡的銷售規(guī)模約為28.09億美元，到2030年將達(dá)到43.48億美元。在此背景下，作為探針卡核心組件的多層共燒陶瓷轉(zhuǎn)接基板，其應(yīng)用需求隨探針卡行業(yè)的快速發(fā)展而急劇上升。因此，探索和研發(fā)滿足高性能轉(zhuǎn)接基板要求的陶瓷材料具有顯著的現(xiàn)實(shí)意義和戰(zhàn)略價(jià)值。

晶圓探針卡轉(zhuǎn)接基板材料要求

探針卡按照結(jié)構(gòu)不同主要分為刀片式探針卡、懸臂式探針卡、垂直式探針卡。垂直探針卡的探針數(shù)量最少千根，緊湊的橫向排列可以適用于細(xì)間距的測(cè)試需求。垂直探針卡一般由PCB探針卡基板、陶瓷轉(zhuǎn)接基板和探針陣列組成。

對(duì)于晶圓探針卡陶瓷轉(zhuǎn)接基板所用材料，主要考慮以下幾個(gè)方面的性能：

（1）熱膨脹系數(shù)

使用近硅熱膨脹的陶瓷材料是探針卡陶瓷轉(zhuǎn)接基板的基本要求之一。當(dāng)探針卡轉(zhuǎn)接基板與硅晶圓的熱膨脹系數(shù)不匹配時(shí)，在測(cè)試階段由于溫度變化，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)接基板上的探針位置與晶圓上Pad的實(shí)際位置難以保持精確對(duì)準(zhǔn)，從而嚴(yán)重影響探針卡的正常運(yùn)作和測(cè)試準(zhǔn)確性。

（2）力學(xué)性能

探針卡最重要的要求之一是它的低接觸電阻。通常情況下，每個(gè)探針需要提供0.0098~0.098N的接觸力以確保探針與Pad之間實(shí)現(xiàn)低電阻接觸。特別是在轉(zhuǎn)接基板上部署了多個(gè)探針時(shí)，為了在被測(cè)芯片上數(shù)千個(gè)Pad與探針尖端間同時(shí)建立穩(wěn)定的電接觸，累積起來(lái)的總接觸力將會(huì)十分可觀。所以，陶瓷基板必須具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度以承載較大的總接觸力。

（3）介電性能

信號(hào)在陶瓷轉(zhuǎn)接基板上的傳輸時(shí)間與基板的介電常數(shù)正相關(guān)，較低的介電常數(shù)可以提高信號(hào)的傳輸速度，從而提高測(cè)試效率。

（4）收縮率

由于探針數(shù)量較多，控制探針卡陶瓷轉(zhuǎn)接基板的燒結(jié)收縮至關(guān)重要。燒結(jié)作為陶瓷轉(zhuǎn)接基板成型的最后一道工序，加工孔的位置可能會(huì)因?yàn)槭湛s而偏離設(shè)計(jì)位置，通常使用燒結(jié)收縮率來(lái)表征基板尺寸的變化程度。

近硅熱膨脹的陶瓷材料發(fā)展

20世紀(jì)40年代之前，低熱膨脹陶瓷主要有氧化鋯、堇青石和石英玻璃。在此之后，研究人員陸續(xù)發(fā)現(xiàn)β-方英石、β-鋰輝石、β-鋰霞石、MAS（MgO-Al₂O₃-SiO₂）體系、LAS（Li₂O-Al₂O₃-SiO₂）體系和鈦酸鹽等也具有低熱膨脹的性質(zhì)。在20世紀(jì)70年代中期，以ZrO₂-P₂O₅結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的低熱膨脹陶瓷也被挖掘出來(lái)，此后NZP體系陶瓷的熱膨脹特性被廣泛研究。

NaZr₂P₃O₁₂的簡(jiǎn)稱是NZP，是NZP族材料的母體。NZP族材料自1968年被報(bào)道以來(lái)，科學(xué)家們利用其熱膨脹可設(shè)計(jì)性和豐富的離子取代性開(kāi)展了一系列研究。時(shí)至今日，美國(guó)已經(jīng)率先商業(yè)化生產(chǎn)NZP族材料，而中國(guó)對(duì)于這一材料的商業(yè)化生產(chǎn)還有一系列難題有待解決。近年來(lái)，以昆明理工大學(xué)和濟(jì)南大學(xué)為代表的科研院校等深耕于NZP族材料領(lǐng)域，從制備方法、工藝改良、配方調(diào)整等方面不斷推進(jìn)NZP族材料的發(fā)展。

隨著半導(dǎo)體器件向高度集成化、小型化發(fā)展，低熱膨脹多層陶瓷共燒基板材料的研制也成為了一個(gè)重要的課題。國(guó)內(nèi)外對(duì)低熱膨脹多層陶瓷共燒基板材料的研究主要集中在低溫共燒陶瓷領(lǐng)域，材料組成多為微晶玻璃或微晶玻璃+陶瓷。

典型的 LTCC 基板材料的特性

以上所述的陶瓷材料中，鎢酸鹽、鉬酸鹽、釩酸鹽等熱膨脹系數(shù)和硅差距較大，調(diào)節(jié)其熱膨脹較為困難。NZP族陶瓷材料具有低熱膨脹、低介電、熱膨脹可調(diào)等特點(diǎn)，其較弱的力學(xué)性能主要受到純相材料致密度不高的限制，已有研究通過(guò)加入助燒劑和改善工藝提高了CZP陶瓷的力學(xué)性能，但其力學(xué)性能仍較弱。結(jié)合其熱膨脹可調(diào)特性，理論上可以實(shí)現(xiàn)在調(diào)節(jié)近硅熱膨脹的同時(shí)增強(qiáng)其力學(xué)性能，使其應(yīng)用于晶圓探針卡陶瓷轉(zhuǎn)接基板。

CZP陶瓷的基本結(jié)構(gòu)和特性

NZP族材料熱膨脹系數(shù)較低，其母體是NaZr₂(PO₄)₃ ，化學(xué)通式是M_IM_IIA₂(BO₄)₃。其中M位、A位、B位都具有豐富的離子取代性，理論上可以利用不同的取代設(shè)計(jì)出一系列可調(diào)熱膨脹系數(shù)的材料。其中MI位通常是堿金屬或者堿土金屬元素；M_II位在有離子占位的情況下通常是堿金屬離子；A 位可以是 Zr、Ti、Sn 等四價(jià)六配位的離子；B位主要是P、Si等五價(jià)四配位的離子。CZP陶瓷材料正是M位為Ca的一種NZP族材料。

CZP陶瓷作為NZP家族的一員，其獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)使其保持較低熱膨脹的同時(shí)也具有較高的熱膨脹各向異性，CZP陶瓷的a軸和c軸的熱膨脹一負(fù)一正，最終平均熱膨脹系數(shù)保持在較低的-2.11ppm/℃。

CZP 陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu)圖

CZP陶瓷有低熱膨脹和熱膨脹系數(shù)可調(diào)特性，在抗熱震材料、電子裝備制造、汽車零部件生產(chǎn)和天文望遠(yuǎn)鏡等領(lǐng)域展現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用潛能，憑借其低介電和可調(diào)熱膨脹特性，顯示出在晶圓探針卡陶瓷轉(zhuǎn)接基板領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

力學(xué)特性

陶瓷材料的力學(xué)性能包含強(qiáng)度、塑性和彈性等。NZP族材料普遍燒結(jié)困難且存在熱膨脹各向異性導(dǎo)致的微裂紋，所以力學(xué)性能較差，嚴(yán)重限制了材料的應(yīng)用。在評(píng)估CZP陶瓷轉(zhuǎn)接基板的力學(xué)性能時(shí)，考慮到其在實(shí)際運(yùn)行工況中需承受來(lái)自成千上萬(wàn)個(gè)探針陣列所產(chǎn)生的復(fù)雜應(yīng)力網(wǎng)絡(luò)，大幅度彎曲導(dǎo)致破損的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小。

抗熱震性能

抗熱震性描述了試樣在環(huán)境溫度急劇變化時(shí)的抗破損能力。CZP陶瓷的熱膨脹各向異性可能導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生大量的微裂紋，而微裂紋的存在會(huì)降低其抗熱震性能。所以提高CZP陶瓷抗熱震性能的途徑主要有：①減少微裂紋的產(chǎn)生；②提高CZP材料的強(qiáng)度；③提高CZP材料的導(dǎo)熱率；④提高CZP材料的燒結(jié)性能，減少缺陷的產(chǎn)生。

來(lái)源：

楊瑞：基于晶圓探針卡轉(zhuǎn)接基板的近硅熱膨脹陶瓷材料

顧蕾等：CZP陶瓷的燒結(jié)特性與抗熱沖擊性能

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/空青）

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