探針卡/接觸探針的觀察、量測
第五代行動通訊系統（5G）與支援5G產品的普及成為了半導體元件尺寸更加縮小、積體規模更加擴大的契機。在這樣的背景下，業界對IC（積體電路）、LSI（大規模積體電路）及各種電子零件進行電氣測試與分析的需求隨之增加，檢查精度也必須有所提升。
在此介紹半導體元件電氣測試中使用的檢查器具「探針卡」與「接觸探針」的基礎知識，以及利用有效的4K影像有效維持高檢查精度的檢查器具觀察與非接觸3D尺寸量測等最新案例。
何謂探針卡
探針卡是在LSI製造的前製程中用於矽晶圓檢查製程的檢查器具，圓形的印刷電路板上裝備了一組經過精密組裝的探針接腳（探針）。
進行電氣測試時，會將這些配置於印刷電路板上的探針接腳尖端同時接觸晶圓上形成的大量LSI晶片。不只能辨別開路（斷線）或短路，還能用來量測電流及高頻等。進行檢查時，一般會在晶圓檢查裝置的針測機上搭載探針卡，讓探針卡從上方接觸置於載物台的晶圓晶片，進行檢查。
探針卡的主要種類
探針卡的探針排列與探針固定方法有幾種結構不同的類型。以下列舉兩種代表性的探針卡與特徵。
垂直（先進）式探針卡
這是將有垂直固定的探針塊安裝於印刷電路板的探針卡。探針排列的自由度較高，可排成格狀及多個量測用等，也能一個一個替換探針，易於維護。不只凹痕較小，也不會對焊錫造成損傷。但它的成本較高，不太適合用於晶圓的鋁墊（鋁製的電極墊：Al pad）。
懸臂式探針卡
這是將鎢等材質的針直接固定於印刷電路板的探針卡。
成本較垂直型低，能以更窄的間距排列探針，也可以因應鋁墊的需求。但接腳的配置限制比垂直型多，凹痕也較大。需要定期修理與調整高度等，維護比較耗費心力跟時間。
何謂接觸探針
接觸探針是用來接觸各種電子零件的電極，進行導通檢查的檢查器具。被廣泛運用於各種電子零件的檢查上。能檢查的電子零件對象眾多，包含半導體、液晶面板、空板、封裝印刷電路板、連接器、電容器、感測器、電池等。
檢查內容除了導通確認外，還有收集零件在電路中動作的檢查（電路測試）用資料，以及在功能檢查（功能測試）時確認動作等。具體範例包含開路（斷線）及短路、高頻量測及阻抗（電阻值）的檢查，以及電路中零件的參數檢查等。
接觸探針的結構
接觸探針由在筒狀的內管中接觸檢查對象的針軸以及彈簧組成。將內管中的彈簧壓力最佳化，即可穩定內管中連接電阻值。為防止腐蝕及降低滑動部的接觸電阻，接觸探針的零件一般都會鍍金。
使用時會將所需數量的接觸探針壓入配合檢查目標物設計的樹脂製治具，再讓針軸尖端接觸檢查對象。將磨損的探針取下更換後，即可再次用來檢查，節省維護時間。
- A
- 接觸探針
- B
- 內管
- C
- 彈簧
- D
- 針軸
- E
- 治具
- F
- 檢查對象
接觸探針的針軸尖端形狀的種類
接觸用的尖端形狀會隨檢查對象的電極或端子等的形狀而異。只要使用最適合尖端形狀的針軸，還能在檢查時避免傷害精細的目標物。代表性的形狀種類與用途如下。
圓角狀
用來檢查軟性印刷電路板（FPC）等，需避免對容易受損的電極造成損傷的物品。
針狀
主要用來檢查印刷電路板表面的焊盤（焊墊）等物品。
平面狀/逆圓錐狀
尖端平坦的「平面狀」被用於不想損傷電極，或是必須以面接觸檢查對象時。
尖端具有凹陷部分的「逆圓錐狀」則用來承接端子的凸形狀。
三角錐狀
用來檢查印刷電路板的通孔等形狀凹陷的部位。
冠狀
用於承接封裝零件的接腳部分，或以多點接觸並檢查凸形狀的部位時。
探針卡/接觸探針的壽命與觀察、量測的重要性
探針卡的壽命
進行檢查時，探針卡形狀銳利又細微的多個探針接腳將分別接觸晶圓上形成的晶片端子。在只有幾平方公分的小型探針卡上，有時也會裝備幾千支探針接腳，探針接腳會以約20至30 μm的狹窄間距排列。就接觸式檢查器具而言，探針卡非常精緻。它的壽命不以使用年數計算，而是以探針接腳接觸晶圓上晶片的「觸壓」次數來決定。一般經過數十萬至數百萬次的觸壓，探針卡的壽命便接近終了。
在每天使用大量晶圓生產數量龐大的晶片的前提下，掌握探針接腳的狀態可說是維持產品品質相當關鍵的一環。如果探針接腳發生磨損或異常，將取得錯誤的檢查資料，可能讓原為良品的晶片被誤判，導致良率降低。
接觸探針的壽命
接觸探針由多個零件以及細微又高精度尖端形狀構成。其電氣壽命會因檢查中容許的電阻值及檢查環境與條件而異。也必須留意它對導線材料施加的熱。若是物理性的耐久次數，標準的接觸探針則通常為100萬次左右。
然而，耐久次數將依檢查條件而異。判斷接觸探針壽命時的一大重要項目，就是掌握用來接觸檢查對象的針軸尖端形狀。一旦尖端磨損，檢查時就會產生電阻值偏差或誤判，影響品質管理及良率。
觀察、量測探針卡/接觸探針的重要性與課題
探針卡與接觸探針的共通之處在於雙方的接觸部位形狀都非常的精細。若要依據零件的磨損程度判斷剩餘壽命，預防因檢查錯誤而流出不良品或使良率降低，定期執行放大觀察與量測便格外重要。
但這些檢查器具的接觸部位都具備立體且細微的形狀，如果以一般顯微鏡進行放大觀察，只能對焦於目標物的一部分，難以清晰觀察整體的影像。
若使用接觸式測量儀，由於測量儀本身的探針尺寸大於檢查對象，面對間距排列狹窄的探針接腳，可能會同時接觸到多支針，或因為應力而無法正確量測接腳形狀，及接觸探針高度等細微3D形狀及尺寸等問題。且使用以往的影像處理也無對細微形狀的目標物整體進行對焦，難以量測尺寸。
以下介紹使用4K數位顯微鏡進行觀察及量測，解決這些課題的最新案例。
探針卡/接觸探針的磨損觀察、尺寸、形狀量測的最新案例
探針卡探針接腳及接觸探針針軸尖端的細微形狀會大幅影響電氣測試的精度，因此觀察、量測磨損等損傷來掌握它的狀態非常重要。但以往在觀察及量測上存在許多課題。
KEYENCE的高精細4K數位顯微鏡「VHX系列」搭載高解析度HR鏡頭與4K CMOS，能用高解析度4K影像高精細地捕捉檢查器具的細微形狀。還能使用觀察影像直接執行高精度的2D、3D量測。「VHX系列」解決了觀察、量測檢查器具的課題，同時將其精準化、提高效率。以下將介紹應用案例。
探針卡接腳的接觸觀察、傾斜觀察
4K數位顯微鏡「VHX系列」同時實現了一般光學顯微鏡20倍以上的景深與高解析度。能從自由的角度取得高精細的4K影像。
只要活用「全角度觀察系統」與「高精度X、Y、Z電動載物台」，即可一邊簡單地調整視野、旋轉軸、傾斜軸三個軸，一邊從自由的角度進行傾斜觀察。
此外即使以手持觀察，它也能取得高解析度影像，縱使難以在載物台上重現相同狀況，仍可進行清晰的觀察。
探針卡接腳的外徑、高度量測
4K數位顯微鏡「VHX系列」可藉由清晰的觀察影像直接以非接觸方式進行高精度的2D、3D尺寸量測。
就連掌握探針接腳尖端磨損時所需的外徑量測，也只需在螢幕上移動滑鼠，簡單的操作即可取得量測值。2點間距離、角度、平行線及面積等也都能以相同方法完成量測。
掌握接腳的高度資訊後，還可執行3D尺寸量測。滑鼠指定任意部位即可執行輪廓量測，輕鬆取得目標部位的截面高度值。
從高倍率觀察到非接觸尺寸量測都能同時完成執行，提升業務效率。儲存並累積量測值與影像後，也可透過履歷來掌握磨損或變形發展的傾向等。
接觸探針尖端的高倍率觀察
接觸探針的針軸尖端有細微的立體形狀，但因為會接觸檢查對象，因此是容易磨損的部位。這種目標物的高倍率觀察經常出現無法對整體對焦，或是解析度會降低等，必須在需求與條件之間尋求平衡的案例。
4K數位顯微鏡「VHX系列」同時實現了大景深與高解析度。執行針軸尖端的高倍率觀察，也能藉由全對焦的影像，清晰地觀察細微磨損及缺角等。
此外因檢查器具以金屬製成，一般會受光漫射影響，為了尋得好的照明條件耗費許多心力與時間。而「VHX系列」只要一鍵即可自動取得以全方位照明拍攝的「多重照明」功能。選擇影像後，即可立即開始觀察，大幅縮短過去花在找出照明條件上的時間。
還能透過選擇過去的影像，完全重現當下的照明條件，需以相同條件觀察多個針軸尖端的磨損時，也可迅速因應需求。
接觸探針尖端的3D顯示、輪廓量測
4K數位顯微鏡「VHX系列」可取得焦點位置不同的多張影像並瞬間合成，完成高精度的3D顯示與3D尺寸量測。透過表面形狀與粗糙度的3D顯示，還能從各個角度自由地觀察目標物。
此外只需操作滑鼠指定任意部位，就能透過簡單的操作執行輪廓量測。藉此，即可以用非破壞、非接觸方式取得任意部位的截面形狀與尺寸。
有了這些功能，即使遇到形狀細微又複雜的針軸尖端，也能以次微米級量測凹凸，透過正確的值掌握磨損程度。
包含電氣測試的精度維持在內，能提升各種業務效率的4K數位顯微鏡
4K數位顯微鏡「VHX系列」的高性能與豐富功能除了能觀察、量測形狀細微的檢查器具之外，強力支援印刷電路板、膏狀焊料，以及電子元件的製造與安裝等電子工學領域的研究開發及品質保證。
只要1台「VHX系列」，從4K高解析度影像的觀察，到高精度的2D、3D尺寸量測，以及自動編製報告都能瞬間完成，可大幅提升工作效率。詳細說明請下載型錄，或洽詢KEYENCE。
