中国粉体网讯 芯片的封测环节中，涉及到大量探针卡的使用，它们对芯片封装前的电学性能测量非常重要。然而探针卡受到基材的影响，在高温时会发生形变，从而影响测试结果，因此近硅热膨胀(CTE=3.4ppm/℃)的转接基板是解决高精度探针卡形变问题的有效解决措施之一。采用多层陶瓷共烧技术制造的陶瓷转接基板因其具有层间布线能力，为探针卡高密度布线需求提供了支持，成为了高精度探针卡的理想选择，开发基于晶圆探针卡的多层陶瓷共烧转接基板迫在眉睫。
晶圆探针卡用陶瓷多层基板＋单层薄膜金属化，来源：京瓷
近年来半导体测试市场的飞速发展带动了探针卡行业不断取得新的突破。根据研究机构QY Research的数据显示，2023年全球探针卡的销售规模约为28.09亿美元，到2030年将达到43.48亿美元。在此背景下，作为探针卡核心组件的多层共烧陶瓷转接基板，其应用需求随探针卡行业的快速发展而急剧上升。因此，探索和研发满足高性能转接基板要求的陶瓷材料具有显著的现实意义和战略价值。
晶圆探针卡转接基板材料要求
探针卡按照结构不同主要分为刀片式探针卡、悬臂式探针卡、垂直式探针卡。垂直探针卡的探针数量最少千根，紧凑的横向排列可以适用于细间距的测试需求。垂直探针卡一般由PCB探针卡基板、陶瓷转接基板和探针阵列组成。
对于晶圆探针卡陶瓷转接基板所用材料，主要考虑以下几个方面的性能：
（1）热膨胀系数
使用近硅热膨胀的陶瓷材料是探针卡陶瓷转接基板的基本要求之一。当探针卡转接基板与硅晶圆的热膨胀系数不匹配时，在测试阶段由于温度变化，会导致转接基板上的探针位置与晶圆上Pad的实际位置难以保持精确对准，从而严重影响探针卡的正常运作和测试准确性。
（2）力学性能
探针卡最重要的要求之一是它的低接触电阻。通常情况下，每个探针需要提供0.0098~0.098N的接触力以确保探针与Pad之间实现低电阻接触。特别是在转接基板上部署了多个探针时，为了在被测芯片上数千个Pad与探针尖端间同时建立稳定的电接触，累积起来的总接触力将会十分可观。所以，陶瓷基板必须具有足够的机械强度以承载较大的总接触力。
（3）介电性能
信号在陶瓷转接基板上的传输时间与基板的介电常数正相关，较低的介电常数可以提高信号的传输速度，从而提高测试效率。
（4）收缩率
由于探针数量较多，控制探针卡陶瓷转接基板的烧结收缩至关重要。烧结作为陶瓷转接基板成型的最后一道工序，加工孔的位置可能会因为收缩而偏离设计位置，通常使用烧结收缩率来表征基板尺寸的变化程度。
近硅热膨胀的陶瓷材料发展
20世纪40年代之前，低热膨胀陶瓷主要有氧化锆、堇青石和石英玻璃。在此之后，研究人员陆续发现β-方英石、β-锂辉石、β-锂霞石、MAS（MgO-Al2O3-SiO2）体系、LAS（Li2O-Al2O3-SiO2）体系和钛酸盐等也具有低热膨胀的性质。在20世纪70年代中期，以ZrO2-P2O5结构为基础的低热膨胀陶瓷也被挖掘出来，此后NZP体系陶瓷的热膨胀特性被广泛研究。
NaZr2P3O12的简称是NZP，是NZP族材料的母体。NZP族材料自1968年被报道以来，科学家们利用其热膨胀可设计性和丰富的离子取代性开展了一系列研究。时至今日，美国已经率先商业化生产NZP族材料，而中国对于这一材料的商业化生产还有一系列难题有待解决。近年来，以昆明理工大学和济南大学为代表的科研院校等深耕于NZP族材料领域，从制备方法、工艺改良、配方调整等方面不断推进NZP族材料的发展。
随着半导体器件向高度集成化、小型化发展，低热膨胀多层陶瓷共烧基板材料的研制也成为了一个重要的课题。国内外对低热膨胀多层陶瓷共烧基板材料的研究主要集中在低温共烧陶瓷领域，材料组成多为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，钨酸盐、钼酸盐、钒酸盐等热膨胀系数和硅差距较大，调节其热膨胀较为困难。NZP族陶瓷材料具有低热膨胀、低介电、热膨胀可调等特点，其较弱的力学性能主要受到纯相材料致密度不高的限制，已有研究通过加入助烧剂和改善工艺提高了CZP陶瓷的力学性能，但其力学性能仍较弱。结合其热膨胀可调特性，理论上可以实现在调节近硅热膨胀的同时增强其力学性能，使其应用于晶圆探针卡陶瓷转接基板。
CZP陶瓷的基本结构和特性
NZP族材料热膨胀系数较低，其母体是NaZr2(PO4)3 ，化学通式是MIMIIA2(BO4)3。其中M位、A位、B位都具有丰富的离子取代性，理论上可以利用不同的取代设计出一系列可调热膨胀系数的材料。其中MI位通常是碱金属或者碱土金属元素；MII位在有离子占位的情况下通常是碱金属离子；A 位可以是 Zr、Ti、Sn 等四价六配位的离子；B位主要是P、Si等五价四配位的离子。CZP陶瓷材料正是M位为Ca的一种NZP族材料。
CZP陶瓷作为NZP家族的一员，其独特的晶体结构使其保持较低热膨胀的同时也具有较高的热膨胀各向异性，CZP陶瓷的a轴和c轴的热膨胀一负一正，最终平均热膨胀系数保持在较低的-2.11ppm/℃。
CZP 陶瓷材料的晶体结构图
CZP陶瓷有低热膨胀和热膨胀系数可调特性，在抗热震材料、电子装备制造、汽车零部件生产和天文望远镜等领域展现了广泛的应用潜能，凭借其低介电和可调热膨胀特性，显示出在晶圆探针卡陶瓷转接基板领域的应用潜力。
力学特性
陶瓷材料的力学性能包含强度、塑性和弹性等。NZP族材料普遍烧结困难且存在热膨胀各向异性导致的微裂纹，所以力学性能较差，严重限制了材料的应用。在评估CZP陶瓷转接基板的力学性能时，考虑到其在实际运行工况中需承受来自成千上万个探针阵列所产生的复杂应力网络，大幅度弯曲导致破损的风险相对较小。
抗热震性能
抗热震性描述了试样在环境温度急剧变化时的抗破损能力。CZP陶瓷的热膨胀各向异性可能导致材料内部产生大量的微裂纹，而微裂纹的存在会降低其抗热震性能。所以提高CZP陶瓷抗热震性能的途径主要有：①减少微裂纹的产生；②提高CZP材料的强度；③提高CZP材料的导热率；④提高CZP材料的烧结性能，减少缺陷的产生。
来源：
杨瑞：基于晶圆探针卡转接基板的近硅热膨胀陶瓷材料
顾蕾等：CZP陶瓷的烧结特性与抗热冲击性能
（中国粉体网编辑整理/空青）
注：图片非商业用途，存在侵权告知删除
