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

Le passage des pointes de contact verticales aux microsondes MEMs, est-ce un changement de paradigme dans l’industrie du test de wafer ?

Auteur : Samuel Benketaf, Ph.D.

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Tendances et convergences dans l'industrie des semi-conducteurs

Mue par la loi de Mooreⁱ, l'industrie des semi-conducteurs s'est orientée vers les circuits multicouches afin de réaliser de systèmes entiers sur puce. Malgré le degré élevé de sophistication des dernières machines de lithographie, la fabrication n'est pas encore exempte de défauts. Le sondage (ou test de conduction électrique) du wafer est donc une étape essentielle dans la production. L’assurance qualité est un élément crucial dans la génération de valeur. Chaque mm² de wafer compte, c’est pourquoi le défi est triple : réduire la taille de la surface de chaque point de contact, augmenter leur densité et accroître la durée de vie du système sondage. L'industrie fournissant les dispositifs de test de wafers est également en mutation : pour suivre la croissance du volume et l'évolution des exigences, elle doit renouveler ses processus. Cet article explique comment les circuits intégrés sont testés en cours de production ; il compare la technique à aguilles verticales et les sonde MEMS, en mettant l’accent sur leur processus de fabrication respectifs.

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Qu'est-ce que le sondage de wafers?

Le sondage de wafers consiste à toucher des points de contact d’une puce avec de minuscules aiguilles (sondes) et à lire les signaux électriques de celle-ci avec un analyseur de circuit. Une force constante doit être maintenue sur les sondes afin de garantir le contact avec le substrat. S’il y a seulement quelques dizaines de point de test, une station robotique à sonde volante (déplaçant l’aiguille de proche en proche) serait suffisante. Cependant, si le volume est conséquent (de milliers de puces par wafer), il faut paralléliser l’opération en déployant une dispositif de sondage appelé « Probe-Card ». Au cœur de celle-ci se trouve un grille d’aiguilles. Un assemblage de plaques de précision (généralement en céramique) assure le guidage et le positionnement précis des sondes. La disposition de celle-ci reflète celle des puces sur wafer.

Pour maintenir un contact stable sans endommager le substrat, les aiguilles doivent chacune agir comme un ressort : Au moment de toucher, l’aiguille fléchit sous la charge, et la pointe « frotte » la surface. Le mode d'action de telles sondes et illustré en Figure 1.

Il y a deux types de sonde : Les sondes verticales - qui se déforment par flambage - et les sondes coudées - qui opèrent en flexion. Dans les deux cas, la point glisse latéralement sur la surface, mais pour les sondes verticales, cette distance est nettement plus courte. Elles sont ainsi capable d’être déployées en grille dense, contrairement aux sondes coudée qui sont limitées à un arrangement en rangées périphériques. Ce dispositif de sondage est construit en insérant les aiguilles dans les minuscules trous de guidage; une tâche encore souvent exécutée par des mains expertes, bien qu'une « probe-card » continent typiquement plusieurs milliers de sondes.

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Les sondes traditionnelles peuvent être découpées au laser directement dans des feuilles fait d’un alliage de métaux précieux. À cette fin, les scanners galvanométriques à 5 axes sont appréciés car il combine rapidité (plusieurs mm par seconde) et contrôle précis de l'angle d'incidence du laserⁱⁱⁱ: ils permettent ainsi d'obtenirdes bords droits et des pointes biseautées (caractéristiques 2,5D). Le même procédé peut également servir à percer des plaques de guidage dans des céramiques à raison d'une seconde par trou (Figure 2). Cet outil polyvalent est tel un cheval de trait fiable pour les fabricants de cartes de sondes^iv. L'état de l'art des réalisations fait avec ce procédé est désormais de plus de 150 000 trous avec un pas de 50 µm ou moins. La précision - autant dimensionnelle que positionnelle - est, elle, de ± 2 µm. En fin de compte, la densité est limitée par raison de considérations mécaniques, le calibre minimum de telles aiguilles étant d’environ 30 µm.

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Relever le défi du sondage à pas ultra-fin

Le processus de lithographie offre un gain significatif en parallélisme pour la fabrication de sondes, tout en rendant possible des pas inférieurs à 30 µm. Ces sondes “MEMs” (microsystèmes électromécaniques) sont développées sur un wafer de manière hautement reproductible. Par des dépôts successifs de strate de matières, et par transfert de forme au moyen d’une succession de gravures chimiques sélectives, des formes complexes sont réalisables en grande quantité. Les géométries 3D sont écrites couche par couche par balayage laser^vi avec une résolution de 1 µm. Du fait que le processus est itératif, il est possible de déposer divers matériaux, ce qui facilitent l'optimisation des caractéristiques mécaniques et électriques^vii indépendamment l’une de l’autre.

Un autre avantage clé du processus de lithographie est le transfert par lots des sondes MEMs vers un substrat multicouche (MLS). Aussi appelé transformateur d'espace, ce circuit miniature interface les minuscules sondes (d'un côté) avec des points de connexions de l'autre côté. L’assemblage par la méthode flip-chip qui permet ainsi de gagner en parallélisme : Les sondes étant soudées en une fois par refusion thermique, puis détachée de leur substrat par dissolution chimique. La figure 3 montre une carte à sondes MEMs, avec ses interposeurs de précision et ses trous de guidage pour actionner l’ensemble.

Ainsi, la technologie MEMs a permis à l’industrie du test de wafer de s’accommoder de contacts plus petits. De plus, les sondes de forme coudée sont remises au goût du jour dans un format miniaturisé. La production, quand-t-à elle, à gagner en parallélisme et en précision.

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Conclusion

La demande pour des dispositifs de test continue de croître avec l'industrie des semi-conducteurs. L’ingénierie de tels systèmes est un art mature, qui repose sur la fabrication par processus chimiques (gravure) ou découpe laser. La technologie MEMs permet à la fois la réplication en masse des microsondes et l’assemblage rapide de celle-ci par liaison flip-chip sur un supports multicouches. Bien que l'infrastructure nécessaire soit plus lourde, cette approche est rentable quand les exigences sont élevées. La technologie scanner laser 5-axes, quant à elle, continue d’être une référence tant pour le perçage des céramiques que pour la découpe d’aiguilles verticales (parmi tant d’autre application). La prochaine évolution sera vraisemblablement vers le sondage des puces photoniques^ix: un domaine qui bénéficie déjà des solutions innovantes basées sur le processus MEMs.

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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 :