Des sondes verticales aux sondes MEMS, un changement de paradigme dans l'industrie du test ?

Des sondes verticales aux sondes MEMS, un changement de paradigme dans l'industrie du test ?

Auteur : Samuel Benketaf, Ph.D.

‍

Tendances et convergences dans l'industrie des semi-conducteurs

Poussée par la loi de Mooreⁱ, l'industrie des semi-conducteurs s'est orientée vers les circuits 3D multicouches pour la fabrication de systèmes sur puce. Malgré le degré élevé de sophistication des dernières machines de lithographie, la fabrication n'est pas encore exempte de défauts. Le sondage est une étape essentielle et cruciale dans la création de valeur. Le défi est triple : obtenir des plots plus petits, une densité plus élevée et une durée de vie plus longue d'un système de test. L'industrie du sondage de wafers est également en mutation pour suivre la croissance du volume et l'évolution des exigences. Cet article explique les techniques de sondage de wafers (sondes verticales et MEMS) et compare leurs processus de fabrication.

‍

Qu'est-ce que le sondage de wafers?

Le sondage de wafers consiste à toucher des points de contact avec de minuscules aiguilles (sondes) et à lire les signaux électriques avec un analyseur de circuit (ATE). Une force constante est maintenue sur les sondes sur le substrat. Une station robotique à sonde volante sans fixation peut gérer de faibles volumes. Pour un parallélisme accru, une carte de sondes est déployée. Au cœur de celle-ci se trouve un réseau de sondes. La disposition des plots est inhérente à la conception et au mode d'action des sondes (Figure 1). Les cantilevers fléchissent sous la charge : la pointe « frotte » la surface. Les sondes verticales flambent ; par conséquent, leur frottement latéral est plus court, ce qui les rend compatibles avec le sondage en réseau, contrairement aux sondes cantilever qui sont limitées aux rangées périphériques. Malgré ses avantages, la taille est limitée en raison de considérations mécaniques. Un assemblage de plaques de précision (généralement en céramique) assure le guidage et le positionnement précis. La carte de sondes est construite en insérant les aiguilles dans les minuscules trous ; une tâche encore souvent exécutée par des mains expertes. Par conséquent, le nombre de sondes se situe dans la plage de « plusieurs milliers ».

‍

Les sondes traditionnelles peuvent être découpées directement dans des alliages de métaux précieux au laser. À cette fin, les scanners galvanométriques à 5 axes sont rapides (plusieurs mm par seconde) et le contrôle précis de l'angle d'incidence du laserⁱⁱⁱ permettent d'obtenir des bords droits et des caractéristiques 2,5D (pointes biseautées). Le même procédé peut également percer des plaques de guidage en céramique à raison d'une seconde par trou (Figure 2). Cet outil polyvalent est un cheval de bataille fiable pour les fabricants de cartes de sondes ^iv. L'état de l'art atteint plus de 150 000 trous avec un pas de 50 µm ou moins, avec une précision de processus de ± 2 µm.

‍

Relever le défi du sondage des réseaux à pas fin

Les « MEMs » exploitent le processus de lithographie, qui offre un gain significatif en parallélisme tout en rendant possible un pas < 30 µm. Les dépôts de couches sur tranche et la gravure génèrent de grands lots de manière hautement reproductible. Les géométries 3D sont écrites avec une résolution de 1 µm par exposition sans masque par balayage raster.^vi. De plus, le processus itératif et la capacité multi-matériaux facilitent l'optimisation des caractéristiques mécaniques et électriques^vii.

Un autre avantage clé du processus MEMs est le transfert par lots des sondes vers un substrat multicouche (MLS) par la méthode flip-chip (refusion thermique, suivie du dégagement par gravure). Également appelé transformateur d'espace, ce circuit miniature interface les minuscules sondes (d'un côté) avec des connexions à bosses plus grandes de l'autre côté. La figure 3 montre une carte de sondes typique, où des interposeurs de précision et des trous de guidage finalisent l'assemblage.

Conclusion

Le marché des tests devrait continuer de croître avec l'industrie des semi-conducteurs. La sonde verticale traditionnelle est un art d'ingénierie mature, principalement soutenu par des processus chimiques (gravure) ou des machines de découpe laser. La technologie MEMs permet la réplication en masse des sondes et un assemblage rapide sur des supports multicouches par liaison flip-chip. Bien que l'infrastructure soit plus lourde, c'est une solution rentable pour les exigences de test les plus strictes. La prochaine évolution se dirige vers le sondage des puces photoniques^ix, pour lesquelles le processus MEMs est susceptible de permettre des solutions innovantes.

‍

ⁱ International Technology Roadmap for Semiconductors - Wikipédia

ⁱⁱ Tunaboylu, B., & Soydan, A.M. (2018). MEMS Technologies Enabling the Future Wafer Test Systems. In MEMS Sensors - Design and Application. InTech. MEMS Technologies Enabling the Future Wafer Test Systems | IntechOpen

ⁱⁱⁱ Système de micromachinage precSYS | Scanlab

^iv Micro-perçage de plaques de guidage de cartes de sondes pour l'industrie du test de wafers de semi-conducteurs

^v Solutions de micromachinage de précision | Posalux Swiss Tools

^vi Aligneur sans masque de table µMLA ǀ Heidelberg Instruments

^vii Test de sondes pour systèmes micro-électro-mécaniques (MEMS) | FormFactor

^viii Kim, B., Kim, J., & Kim, J. (2009). Une carte de sondes MEMS à grande surface hautement fabricable utilisant l'électrodéposition et le collage par puce retournée. Transactions de l'IEEE sur l'électronique industrielle, 56, 1079-1085 Une carte de sondes MEMS à grande surface hautement fabricable utilisant l'électrodéposition et le collage par puce retournée | Revues et magazines de l'IEEE | IEEE Xplore

^ix Q. Yuan et al. "Système de mesure de couplage de bord au niveau de la tranche entièrement automatisé pour les circuits intégrés photoniques au silicium", dans Transactions de l'IEEE sur la fabrication de semi-conducteurs, vol.38, no.2,pp. 168-177, May 2025, IEEE Xplore PDF en texte intégral :