中國粉體網訊 芯片的封測環節中，涉及到大量探針卡的使用，它們對芯片封裝前的電學性能測量非常重要。然而探針卡受到基材的影響，在高溫時會發生形變，從而影響測試結果，因此近硅熱膨脹(CTE=3.4ppm/℃)的轉接基板是解決高精度探針卡形變問題的有效解決措施之一。采用多層陶瓷共燒技術制造的陶瓷轉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，開發基于晶圓探針卡的多層陶瓷共燒轉接基板迫在眉睫。
晶圓探針卡用陶瓷多層基板＋單層薄膜金屬化，來源：京瓷
近年來半導體測試市場的飛速發展帶動了探針卡行業不斷取得新的突破。根據研究機構QY Research的數據顯示，2023年全球探針卡的銷售規模約為28.09億美元，到2030年將達到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接基板，其應用需求隨探針卡行業的快速發展而急劇上升。因此，探索和研發滿足高性能轉接基板要求的陶瓷材料具有顯著的現實意義和戰略價值。
晶圓探針卡轉接基板材料要求
探針卡按照結構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量最少千根，緊湊的橫向排列可以適用于細間距的測試需求。垂直探針卡一般由PCB探針卡基板、陶瓷轉接基板和探針陣列組成。
對于晶圓探針卡陶瓷轉接基板所用材料，主要考慮以下幾個方面的性能：
（1）熱膨脹系數
使用近硅熱膨脹的陶瓷材料是探針卡陶瓷轉接基板的基本要求之一。當探針卡轉接基板與硅晶圓的熱膨脹系數不匹配時，在測試階段由于溫度變化，會導致轉接基板上的探針位置與晶圓上Pad的實際位置難以保持精確對準，從而嚴重影響探針卡的正常運作和測試準確性。
（2）力學性能
探針卡最重要的要求之一是它的低接觸電阻。通常情況下，每個探針需要提供0.0098~0.098N的接觸力以確保探針與Pad之間實現低電阻接觸。特別是在轉接基板上部署了多個探針時，為了在被測芯片上數千個Pad與探針尖端間同時建立穩定的電接觸，累積起來的總接觸力將會十分可觀。所以，陶瓷基板必須具有足夠的機械強度以承載較大的總接觸力。
（3）介電性能
信號在陶瓷轉接基板上的傳輸時間與基板的介電常數正相關，較低的介電常數可以提高信號的傳輸速度，從而提高測試效率。
（4）收縮率
由于探針數量較多，控制探針卡陶瓷轉接基板的燒結收縮至關重要。燒結作為陶瓷轉接基板成型的最后一道工序，加工孔的位置可能會因為收縮而偏離設計位置，通常使用燒結收縮率來表征基板尺寸的變化程度。
近硅熱膨脹的陶瓷材料發展
20世紀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，研究人員陸續發現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。在20世紀70年代中期，以ZrO2-P2O5結構為基礎的低熱膨脹陶瓷也被挖掘出來，此后NZP體系陶瓷的熱膨脹特性被廣泛研究。
NaZr2P3O12的簡稱是NZP，是NZP族材料的母體。NZP族材料自1968年被報道以來，科學家們利用其熱膨脹可設計性和豐富的離子取代性開展了一系列研究。時至今日，美國已經率先商業化生產NZP族材料，而中國對于這一材料的商業化生產還有一系列難題有待解決。近年來，以昆明理工大學和濟南大學為代表的科研院校等深耕于NZP族材料領域，從制備方法、工藝改良、配方調整等方面不斷推進NZP族材料的發展。
隨著半導體器件向高度集成化、小型化發展，低熱膨脹多層陶瓷共燒基板材料的研制也成為了一個重要的課題。國內外對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和硅差距較大，調節其熱膨脹較為困難。NZP族陶瓷材料具有低熱膨脹、低介電、熱膨脹可調等特點，其較弱的力學性能主要受到純相材料致密度不高的限制，已有研究通過加入助燒劑和改善工藝提高了CZP陶瓷的力學性能，但其力學性能仍較弱。結合其熱膨脹可調特性，理論上可以實現在調節近硅熱膨脹的同時增強其力學性能，使其應用于晶圓探針卡陶瓷轉接基板。
CZP陶瓷的基本結構和特性
NZP族材料熱膨脹系數較低，其母體是NaZr2(PO4)3 ，化學通式是MIMIIA2(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計出一系列可調熱膨脹系數的材料。其中MI位通常是堿金屬或者堿土金屬元素；MII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 等四價六配位的離子；B位主要是P、Si等五價四配位的離子。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，其獨特的晶體結構使其保持較低熱膨脹的同時也具有較高的熱膨脹各向異性，CZP陶瓷的a軸和c軸的熱膨脹一負一正，最終平均熱膨脹系數保持在較低的-2.11ppm/℃。
CZP 陶瓷材料的晶體結構圖
CZP陶瓷有低熱膨脹和熱膨脹系數可調特性，在抗熱震材料、電子裝備制造、汽車零部件生產和天文望遠鏡等領域展現了廣泛的應用潛能，憑借其低介電和可調熱膨脹特性，顯示出在晶圓探針卡陶瓷轉接基板領域的應用潛力。
力學特性
陶瓷材料的力學性能包含強度、塑性和彈性等。NZP族材料普遍燒結困難且存在熱膨脹各向異性導致的微裂紋，所以力學性能較差，嚴重限制了材料的應用。在評估CZP陶瓷轉接基板的力學性能時，考慮到其在實際運行工況中需承受來自成千上萬個探針陣列所產生的復雜應力網絡，大幅度彎曲導致破損的風險相對較小。
抗熱震性能
抗熱震性描述了試樣在環境溫度急劇變化時的抗破損能力。CZP陶瓷的熱膨脹各向異性可能導致材料內部產生大量的微裂紋，而微裂紋的存在會降低其抗熱震性能。所以提高CZP陶瓷抗熱震性能的途徑主要有：①減少微裂紋的產生；②提高CZP材料的強度；③提高CZP材料的導熱率；④提高CZP材料的燒結性能，減少缺陷的產生。
來源：
楊瑞：基于晶圓探針卡轉接基板的近硅熱膨脹陶瓷材料
顧蕾等：CZP陶瓷的燒結特性與抗熱沖擊性能
（中國粉體網編輯整理/空青）
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