專利名稱：連接器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子裝置的強(qiáng)化試驗(yàn)(burn-in)和檢測(cè)，具體地涉及探針，它用于適合與單一芯片或晶片形式內(nèi)的集成電路形成連接的插座組件中。
背景技術(shù)：
微電子裝置在生產(chǎn)過(guò)程中要經(jīng)受一系列測(cè)試過(guò)程以證實(shí)功能性和可靠性。測(cè)試過(guò)程通常包括晶片探針測(cè)試，其中微電子裝置芯片在從晶片上切下而進(jìn)行封裝前被測(cè)試，以確定每塊芯片的工作情況。由長(zhǎng)懸臂線(cantileverwires)構(gòu)成的探針板用于測(cè)試一個(gè)或幾個(gè)處于晶片級(jí)的芯片。
一般地，在晶片探針測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)并非所有晶片上的芯片是可運(yùn)行的，這導(dǎo)致的結(jié)果是合格裝置少于100％。晶片被切成單獨(dú)的芯片，且合格芯片裝配進(jìn)外殼內(nèi)。通過(guò)裝入強(qiáng)化試驗(yàn)板的插座中，且在從125℃至150℃的溫度上通電運(yùn)行8至72小時(shí)的強(qiáng)化試驗(yàn)時(shí)間，封裝好的裝置動(dòng)態(tài)地進(jìn)行強(qiáng)化試驗(yàn)以毀壞任何有缺陷的裝置。強(qiáng)化試驗(yàn)加速了導(dǎo)致裝置初期破壞或早期毀壞的毀壞機(jī)制，并且允許這些有缺陷的裝置在它們進(jìn)行商業(yè)應(yīng)用前通過(guò)功能電測(cè)試而篩除。
全面的功能測(cè)試在封裝好的裝置上進(jìn)行，該測(cè)試以不同的速度進(jìn)行，以通過(guò)運(yùn)行的最大速度將每個(gè)裝置歸類。測(cè)試分立的封裝好的裝置還允許除去在強(qiáng)化試驗(yàn)過(guò)程中所毀壞的所有裝置。封裝好的裝置的強(qiáng)化試驗(yàn)和測(cè)試通過(guò)特別地分別適用于強(qiáng)化試驗(yàn)條件和高速測(cè)試的插座而完成。由于通過(guò)一套冗長(zhǎng)的步驟對(duì)獨(dú)立的分立裝置的反復(fù)處理和測(cè)試，所以傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝昂貴而耗時(shí)，該步驟為裝置的總體生產(chǎn)時(shí)間又增加了幾個(gè)星期。
在成本和加工時(shí)間上的明顯益處可以通過(guò)在晶片切割成分立裝置前對(duì)晶片的強(qiáng)化試驗(yàn)和測(cè)試而得到。通過(guò)在晶片切割成分立裝置前，在晶片上的每個(gè)裝置上制造芯片尺寸的外殼，可以獲得額外的節(jié)省。半導(dǎo)體工業(yè)已經(jīng)作出了巨大的努力來(lái)開(kāi)發(fā)晶片級(jí)封裝、強(qiáng)化試驗(yàn)和測(cè)試的有效方法，以獲得大為簡(jiǎn)化且縮短的微電子裝置的生產(chǎn)工藝的利益。為了得到這些利益，需要提供裝置，以便在它們從晶片上切割成獨(dú)立的分立裝置前進(jìn)行強(qiáng)化試驗(yàn)和快速測(cè)試芯片。
傳統(tǒng)懸臂線探針不適于晶片上裝置的強(qiáng)化試驗(yàn)和快速測(cè)試。懸臂線探針太長(zhǎng)太大而不能對(duì)晶片上所有裝置同時(shí)接觸，如同為了晶片上所有裝置的同時(shí)強(qiáng)化試驗(yàn)所要求的。另外，長(zhǎng)懸臂線探針不適于高速裝置的功能測(cè)試，這是因?yàn)榘ㄔ撎结樀拈L(zhǎng)而平行的線的較高自感和互感。
對(duì)于晶片強(qiáng)化試驗(yàn)和測(cè)試過(guò)程的實(shí)際應(yīng)用，需要能以低成本制造的小型高性能探針。為了有益于晶片強(qiáng)化試驗(yàn)和測(cè)試，探針必須可靠地接觸在未切割晶片上的被測(cè)裝置上的所有焊點(diǎn)。用于接觸晶片的探針必須給裝置上的焊點(diǎn)提供電接觸，在裝置上，焊點(diǎn)在晶片表面上的高度是變化的。另外，探針必須打破接觸焊點(diǎn)表面上的所有氧化層以得到與每個(gè)焊點(diǎn)的可靠電接觸。對(duì)于用于強(qiáng)化試驗(yàn)和測(cè)試的探測(cè)晶片，已經(jīng)嘗試了許多方法來(lái)提供成本利用高且可靠的裝置，但沒(méi)有成功。
已經(jīng)嘗試了許多努力來(lái)提供小型垂直的可適探針(compliant probe)以可靠接觸晶片上裝置上的焊點(diǎn)。根據(jù)以David R.Robillard和Robert L.Michaels的美國(guó)專利第4189825號(hào)為代表的發(fā)明，懸臂探針用于檢測(cè)集成電路裝置。圖1中，懸臂28在芯片23上的鋁接觸焊點(diǎn)24上支撐著尖銳的針尖26?？蛇m部件25被向下推動(dòng)以將針尖26移動(dòng)至與焊點(diǎn)24接觸。焊點(diǎn)24上的氧化鋁層由尖銳針尖26打破，在針尖26和焊點(diǎn)24的金屬鋁間形成電接觸。當(dāng)不存在向懸臂施加力的外部裝置時(shí)，小懸臂梁的剛度通常不足以向針尖加載使之打破接觸焊點(diǎn)上的氧化鋁層所需的力。對(duì)于玻璃、硅、陶瓷材料和鎢的懸臂梁，人們已經(jīng)嘗試了多種結(jié)構(gòu)，但在提供具有足夠力和彈性的強(qiáng)化試驗(yàn)探針?lè)矫鏇](méi)有成功。
圖2A所示的彈性隔膜探針在IBM技術(shù)公告1972年10月號(hào)第1513頁(yè)的“彈性接觸探針”中得以描述。彈性介電膜32包括適于與集成電路上的焊點(diǎn)形成電接觸的接線端33。接線端33通過(guò)貼附在接線端33上的接觸焊點(diǎn)35上的彈性金屬絲34與測(cè)試電子設(shè)備相連。在彈性聚酰亞胺片上制造的探針在Leslie等人在IEEE國(guó)際測(cè)試會(huì)議(1998)進(jìn)展中得以描述。彈性片允許少量的垂直移動(dòng)以與受測(cè)晶片上集成電路中連接焊點(diǎn)的高度變化相適應(yīng)。諸如Leslie等人描述的隔膜探針為高性能測(cè)試提供了與集成電路芯片的連接。然而，在強(qiáng)化試驗(yàn)溫度循環(huán)中，隔膜的尺寸穩(wěn)定性不足以允許與整個(gè)晶片上焊點(diǎn)的接觸。
圖2B示出了對(duì)二氧化硅薄膜上接觸部的制造，它在Glenn J.Leedy的美國(guó)專利第5225771號(hào)中得以描述。二氧化硅薄膜40比聚酰亞胺具有更好的尺寸穩(wěn)定性，因而在一定程度上改善了強(qiáng)化試驗(yàn)測(cè)試中與晶片上接觸焊點(diǎn)配合的尺寸穩(wěn)定性問(wèn)題。探針針尖41通過(guò)穿過(guò)薄膜40的通道44而被連接到電路線路45上，該線路被連接到介電層43上方的另外一層電路42上。對(duì)于用在半導(dǎo)體晶片上裝置的強(qiáng)化試驗(yàn)中，二氧化硅薄膜40上測(cè)試探針的有限垂直彎曲量使得探針陣列的使用不可靠。
半導(dǎo)體晶片上強(qiáng)化試驗(yàn)探針陣列的生產(chǎn)在美國(guó)專利第4585991號(hào)中得以描述，如分別為頂部平面圖和剖視圖的圖3A和3B所示。探針51是一角錐，通過(guò)懸臂54貼附在半導(dǎo)體晶片基板52上。材料53從半導(dǎo)體晶片52中去除，以機(jī)械隔離探針51。如圖3A的探針提供了有限的垂直移動(dòng)，但是它沒(méi)有在基板上給出金屬絲所需的空間，該金屬絲用于將探針陣列連接到動(dòng)態(tài)強(qiáng)化試驗(yàn)所需的測(cè)試電子設(shè)備上。
向裝置接觸焊點(diǎn)提供柔性探針的途徑包括使用彈性金屬絲或柱連接測(cè)試電路至焊點(diǎn)。Gobina Das等人在美國(guó)專利第5977787號(hào)中對(duì)圖4A所示的柔性探針進(jìn)行了描述。探針60是彎曲梁，Ronald Bove在美國(guó)專利第3806801號(hào)中對(duì)其進(jìn)行了較早的概述。探針60適于在晶片上裝置的強(qiáng)化試驗(yàn)中使用。夾持探針60的引導(dǎo)體61和62具有與被測(cè)晶片相似的膨脹系數(shù)。探針針尖63偏離較小的距離60用于為梁60提供偏斜的確定形狀。雖然彎曲梁很適用于測(cè)試獨(dú)立的集成電路芯片，但是它們太昂貴以至于不能被用于需要數(shù)千接觸點(diǎn)的晶片強(qiáng)化試驗(yàn)。此外，因?yàn)榱旱某浞謴澢枰拈L(zhǎng)度，彎曲梁探針的電性能是有限的。
Amold W.Yanof和William Dauksher在美國(guó)專利第5513430號(hào)中公開(kāi)了如圖4B所示的另一種使用彈性柱的方法。圖4B示出了為柱66的形式的柔性探針，它們能夠響應(yīng)探針針尖67上的力而彎曲。柱66以相對(duì)于基板69成一角度成型，以允許它們響應(yīng)針尖67上來(lái)自配合接觸焊點(diǎn)的力而垂直彎曲。為了便于彎曲，柱66具有從底端68到針尖67的一錐度65。
如Benjamin N.Eldridge等人在美國(guó)專利第5878486號(hào)中所公開(kāi)的，圖4C中還示出了另外一種使用彈性金屬絲和柱的方法。圖4C所示的探針包括在彈簧絲71上的探針針尖72，彈簧絲被彎曲成特殊的形狀以便于彎曲。彈簧絲71通過(guò)傳統(tǒng)的線接頭73而連接到基板74上。圖4C所示類型的探針要求長(zhǎng)的彈簧長(zhǎng)度，以獲得晶片強(qiáng)化試驗(yàn)所需的接觸力和柔度。另外，這種使用獨(dú)立彈簧絲的探針對(duì)于用在晶片強(qiáng)化試驗(yàn)中太昂貴，在強(qiáng)化試驗(yàn)中，每塊晶片均要求數(shù)千探針。
提供柔性探針的其它方法包括使用置于測(cè)試頭和被測(cè)裝置之間的可適層，于是測(cè)試頭上的接線端被電連接至裝置上的匹配接觸焊點(diǎn)。WillemLuttmer在美國(guó)專利第3795037號(hào)中描述的電連接器使用了埋置在彈性體材料內(nèi)的彈性導(dǎo)體，以在導(dǎo)電連接區(qū)的匹配對(duì)之間形成連接，該導(dǎo)電連接區(qū)被壓而與電連接器的頂表面和底表面接觸。彈性導(dǎo)體的多種變型包括有斜度的金屬絲、導(dǎo)電填充聚合體、電鍍柱和其它彈性體材料內(nèi)的導(dǎo)體裝置，以形成可適插入體層。
在提供高性能探針?lè)矫?，其中該探針使在晶片被切割成分立芯片前?duì)晶片上微電子裝置的經(jīng)濟(jì)的強(qiáng)化試驗(yàn)和快速測(cè)試成為可能，上面所列的方法和其它嘗試沒(méi)有成功。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，公開(kāi)了一種包括導(dǎo)電針尖的小型可適探針，針尖以一種允許探針上的針尖相對(duì)于支撐表面彈性移動(dòng)的方式定位于支撐表面上。當(dāng)焊點(diǎn)偏斜在針尖上時(shí)，探針針尖響應(yīng)匹配接觸焊點(diǎn)的力而垂直移動(dòng)。探針的機(jī)械彎曲允許在探針和微電子裝置上對(duì)應(yīng)接觸焊點(diǎn)之間可靠地形成電接觸，其中，機(jī)械彎曲適應(yīng)了接觸焊點(diǎn)高度上的變化。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種方法和裝置以形成與未切割晶片上微電子裝置上接觸焊點(diǎn)的電接觸，以便在它們被切割成分立芯片前對(duì)該裝置進(jìn)行強(qiáng)化試驗(yàn)。本發(fā)明的可適探針允許可靠的電連接同時(shí)地形成在排列在晶片表面上的所有接觸焊點(diǎn)上，使得晶片上的微電子裝置可以經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行強(qiáng)化試驗(yàn)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是為未切割芯片上的微電子裝置的強(qiáng)化試驗(yàn)提供夾具。該夾具將每個(gè)裝置上的接觸焊點(diǎn)電連接至驅(qū)動(dòng)電路，該電路向該裝置提供高溫下動(dòng)態(tài)強(qiáng)化試驗(yàn)過(guò)程所需要的電信號(hào)。電信號(hào)和電源被同時(shí)提供給晶片上的所有芯片。夾具中探針的機(jī)械彎曲適應(yīng)了接觸焊點(diǎn)高度和探針針尖的變化，使得每個(gè)探針針尖在強(qiáng)化試驗(yàn)工藝的整個(gè)溫度循環(huán)中保持與其匹配接觸焊點(diǎn)的接觸。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種電探針板，它允許未封裝微電子裝置的高速測(cè)試。如本發(fā)明中所教導(dǎo)的，小型可適探針用于與裝置上的對(duì)應(yīng)焊點(diǎn)形成臨時(shí)連接，以向該裝置加載電測(cè)試信號(hào)并測(cè)量來(lái)自該裝置的電信號(hào)。由于與現(xiàn)有技術(shù)中使用的金屬絲探針相關(guān)的額外的電感或電容，小尺寸的可適探針允許高速電信號(hào)無(wú)損失地來(lái)回傳送給該裝置。
本發(fā)明的進(jìn)一個(gè)目的是為強(qiáng)化試驗(yàn)、測(cè)試和運(yùn)行微電子裝置提供一種方法和裝置，其中，裝置上的電連接設(shè)置在裝置表面上方的區(qū)域陣列中。如本發(fā)明中所教導(dǎo)的，小型可適探針被用于與裝置上接觸點(diǎn)形成可靠的電連接，其中接觸點(diǎn)排列成區(qū)域振列。機(jī)械彎曲允許每個(gè)探針的針尖保持與裝置上匹配的接觸點(diǎn)的電接觸，盡管裝置上接觸點(diǎn)高度在室溫和裝置的運(yùn)行溫度范圍內(nèi)有變化。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種小型插座，用于將集成電路芯片連接到電子電路而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化試驗(yàn)、測(cè)試和運(yùn)行該芯片的目的。在該插座中每個(gè)探針接觸點(diǎn)的小尺寸允許安裝在該插座中的芯片高速運(yùn)行。如本發(fā)明中所教導(dǎo)的，探針的機(jī)械彎曲允許在最小封裝或無(wú)封裝的剛性芯片上形成可靠的電連接。根據(jù)本發(fā)明的可適探針使得用于芯片級(jí)封裝和倒焊芯片的小型經(jīng)濟(jì)的插座能夠形成。
本發(fā)明的這些目的和其它目的可通過(guò)提供機(jī)械可適電探針而實(shí)現(xiàn)，其中探針針尖設(shè)置在彈性材料制成的細(xì)長(zhǎng)薄彈簧的兩端之間。細(xì)長(zhǎng)薄彈簧被彈簧兩端的柱支撐在基板上，因而允許針尖在垂直方向上被彈簧材料的彎曲和伸縮彈性移動(dòng)。
此處公開(kāi)的探針比傳統(tǒng)懸臂探針有明顯改進(jìn)，因?yàn)樗鼮槿我饨o定探針力和探針尺寸提供了探針針尖的更大范圍的可適移動(dòng)。傳統(tǒng)懸臂探針受限于移動(dòng)范圍，它響應(yīng)所給定的力，達(dá)到探針材料的彈性極限。懸臂探針的最大機(jī)械應(yīng)力集中在夾具點(diǎn)處懸臂材料的表面上。本發(fā)明為給定彈簧材料和探針力在其達(dá)到該材料的彈性極限前提供了更大的移動(dòng)范圍。
通過(guò)可靠地提供晶片級(jí)的測(cè)試和強(qiáng)化試驗(yàn)功能，且同時(shí)減小測(cè)試夾具的尺寸，本發(fā)明提高了微電子裝置的生產(chǎn)效率。機(jī)械可適探針提供了相對(duì)于探針尺寸的大范圍的移動(dòng)。在形成與具有不完全在同一平面中的接觸焊點(diǎn)的裝置的連接中，移動(dòng)范圍是重要的?？蛇m探針針尖靈活地移動(dòng)以適應(yīng)匹配的接觸焊點(diǎn)高度上的不同，同時(shí)保持接觸焊點(diǎn)上探針針尖充足的力以確保其間的可靠電接觸。


本發(fā)明自身以及其它特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將針對(duì)附圖通過(guò)參照下述詳細(xì)說(shuō)明將得以最好地理解，其中圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)懸臂探針的剖視圖；圖2A和圖2B示出了現(xiàn)有技術(shù)的彈性隔膜探針的橫剖視圖；圖3A和圖3B示出了現(xiàn)有技術(shù)中制造在硅晶片上的探針的視圖，其中，圖3A示出了探針的頂部平面圖，而圖3B示出了探針的剖視圖；圖4A至圖4C示出了現(xiàn)有技術(shù)的彈性柱探針；圖5示出了本發(fā)明的可適探針的視圖；圖6示出了結(jié)合有接地平面屏蔽的可適探針的可替換結(jié)構(gòu)的視圖；圖7A至圖7C示出了可適探針的一個(gè)實(shí)施例，其中，圖7A是頂部平面圖，圖7B是托架上探針的剖視圖，以及圖7C是探針被力F驅(qū)動(dòng)時(shí)的剖視圖；圖8A至圖8D示出用于本發(fā)明可適探針的探針結(jié)構(gòu)的可替換實(shí)施例的頂部平面圖；圖9A至圖9D示出用在本發(fā)明可適探針結(jié)構(gòu)中的探針針尖；圖10示出了可適探針的一實(shí)施例的視圖；圖11示出結(jié)合彈性體封裝材料的可適探針實(shí)施例的視圖；圖12A至圖12C示出了具有其電路連接的可適探針的實(shí)施例，其中，圖12A是頂部平面圖，圖12B是托架上探針的剖視圖，而圖12C是探針由力F驅(qū)動(dòng)時(shí)的剖視圖；圖13A至圖13B示出具有集成接地屏蔽的可適探針的實(shí)施例，其中圖13A是頂部平面圖，而圖13B是剖視圖；圖14示出具有集成接地屏蔽的可適探針的可替換實(shí)施例的剖視圖；圖15A示出結(jié)合可適探針的測(cè)試頭裝置；圖15B是圖15A中可適探針的剖視圖。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明的原理，可適探針的第一優(yōu)選實(shí)施例示于圖5。被公開(kāi)的探針允許在諸如集成電路(IC)、倒焊芯片、無(wú)源裝置和芯片規(guī)模封裝件(chipscale package)等微電子裝置的接觸焊點(diǎn)上形成可靠地電連接。探針響應(yīng)針尖上的力而提供探針針尖81的彈性垂直運(yùn)動(dòng)。于是，當(dāng)接觸焊點(diǎn)被趨使成與探針針尖81接觸時(shí)，結(jié)構(gòu)的機(jī)械彎曲允許針尖以一個(gè)力形成與匹配接觸焊點(diǎn)的接觸，此力足以使探針針尖81穿透焊點(diǎn)上的絕緣氧化膜。探針的機(jī)械彎曲適應(yīng)了微電子裝置區(qū)中接觸焊點(diǎn)的高度變化，同時(shí)在每個(gè)探針針尖上提供了足夠的力以確保針尖81與相應(yīng)接觸焊點(diǎn)之間的可靠電連接。此外，焊點(diǎn)的機(jī)械彎曲需要允許針尖在測(cè)試或強(qiáng)化試驗(yàn)循環(huán)中維持與相應(yīng)焊點(diǎn)間的連接，其中，熱膨脹可能導(dǎo)致裝置和探針支撐的翹曲。
在圖5中，探針針尖81被支撐在電導(dǎo)材料制作的細(xì)長(zhǎng)薄彈簧83上。薄彈簧83在細(xì)長(zhǎng)薄彈簧83兩端由柱85支撐，該柱85與接觸焊點(diǎn)84接合。探針針尖81響應(yīng)垂直加載在針尖81上的力而能彈性移動(dòng)。針尖81的垂直移動(dòng)導(dǎo)致薄彈簧83的彈性彎曲和伸張，于是彎曲恢復(fù)力被壓在針尖81上。
在圖5所示的可適探針中，柱85被接線端86支撐在基板89上，該接線端電連接至電路跡線87上。電路跡線87通過(guò)通孔88依次連接到基板89中的電路上。上述一系列連接將探針針尖81連接至基板89的電路上，以便運(yùn)行連接在探針上的裝置。在諸如強(qiáng)化試驗(yàn)的應(yīng)用中，基板89由硅或低膨脹陶瓷材料制作，以獲得較大溫度范圍的尺寸穩(wěn)定性，其溫度范圍一般從25℃到150℃。
對(duì)于在高頻下運(yùn)行，從探針81到通孔接觸88的電連接設(shè)置成使到探針針尖81的連接的電感最小化。環(huán)的感應(yīng)通過(guò)將通孔接觸88大致設(shè)置在探針針尖81下面而最小化。當(dāng)通孔88不能總是這樣理想定位時(shí)，在要求高頻操作的那些應(yīng)用場(chǎng)合中，針尖81和通孔88之間的距離應(yīng)當(dāng)很小。
圖6示出了可適探針的第二實(shí)施例，其中，細(xì)長(zhǎng)薄彈簧93與基板99上的電路由接地平板屏蔽92屏蔽開(kāi)。接地平板屏蔽92由介電層98A和98B電絕緣。介電層98A夾在基板99的頂面和接地平板92之間。可選介電層98B是彈性體介電材料，它夾在接地平板92和薄彈簧93之間。彈性體材料層98B優(yōu)選從包括硅氧烷、氟硅氧烷、碳氟化合物和氨基甲酸乙酯聚合物的組合中選取。彈性介電層98B將薄彈簧93與接地平板92絕緣，同時(shí)允許彈簧93垂直彎曲。
在圖6中，細(xì)長(zhǎng)薄彈簧93每端的接觸焊點(diǎn)94與柱95連接，而該柱支撐在基板99上的焊點(diǎn)96上。到探針針尖91的電連接通過(guò)薄彈簧93形成在接觸焊點(diǎn)94上，接觸焊點(diǎn)連接在支撐于接線端96的柱95上，該接線端通過(guò)電路跡線97連接到基板99的電路上。
如圖6所示，探針針尖91設(shè)置在薄彈簧93上沿細(xì)長(zhǎng)薄彈簧93兩端的柱95之間的中心線的預(yù)設(shè)位置處。探針針尖91上的垂直力導(dǎo)致薄彈簧93的彈性彎曲和伸張，以及彈性體絕緣層98B的變形。探針針尖91上的垂直力受到薄彈簧93的彈性彎曲和伸張、以及彈性體層98B的變形產(chǎn)生的反作用力的對(duì)抗。
圖7A示出圖5所示常規(guī)類型可適探針第一實(shí)施例的平面俯視圖。細(xì)長(zhǎng)薄彈簧103由包括形成在金屬片兩端的接觸焊點(diǎn)104的金屬片制成。金屬薄彈簧103被選擇為具有高屈服強(qiáng)度和中度極限斷裂延伸率。諸如鉬、鈮、不銹鋼、鈹銅、亞銅鎳、鎳、鈦及其合金的金屬是優(yōu)選的。一種合適的金屬是ASTM Spec.公司的第B534號(hào)鈹銅合金，其屈服強(qiáng)度為550兆帕。另一種合適的金屬是含有1個(gè)鈦、8個(gè)鋁、1個(gè)鉬、1個(gè)釩的鈦合金，其屈服強(qiáng)度為910兆帕。
圖7A所示的探針針尖101被支撐在薄彈簧103上，使得探針針尖101將響應(yīng)施加在探針針尖上的垂直力F而向基板109垂直下壓。探針針尖101的垂直下壓示于圖7B和圖7C的剖視圖中。施加在探針針尖101上的力F彈性彎曲薄彈簧103而允許針尖101向基板109下壓。如圖7C中剖視圖所示，探針針尖101的垂直運(yùn)動(dòng)歸結(jié)于條103的彎曲和伸張。
探針針尖101是一角錐，它通過(guò)復(fù)制用公知工藝形成在結(jié)晶的硅表面100內(nèi)的蝕坑(an etch pit)而形成。54.75°的頂角由硅的晶面111確定，該晶面形成角錐的面。針尖101的材料是鎢，它形成一尖銳的硬的點(diǎn)，它能打破經(jīng)常用在半導(dǎo)體IC裝置上的鋁接觸焊點(diǎn)上的氧化鋁層。適于制造硬探針針尖的材料包括鉬、鎳合金、鋨、Paliney 7、銠、錸、鈦、鎢及其合金。
通過(guò)對(duì)硅中蝕坑的復(fù)制而制造尖銳探針針尖在本領(lǐng)域是公知的，并在1973年由D.A.Kiewit在“科學(xué)儀器述評(píng)”第44卷第1741頁(yè)至1742頁(yè)的公開(kāi)物中進(jìn)行了充分描述。Kiewit描述了探針針尖的成型，該針尖通過(guò)在蝕坑中沉積鎳硼合金而復(fù)制硅中的蝕坑，然后將硅基材料除去而制造。Kiewit通過(guò)用沸的水合肼處理硅表面而在硅的表面100上形成了角錐狀蝕坑。
薄彈簧103由柱105支撐在上述基板109上，柱105結(jié)合在細(xì)長(zhǎng)薄彈簧103兩端的接線端104上。柱105由電鍍金屬制造，該金屬優(yōu)選從包括硬銅、鎳、亞銅鎳合金或硬質(zhì)金的組合中選取。探針針尖101到測(cè)試電路的電連接通過(guò)經(jīng)彈簧103、接觸部104、柱105、接線端106、電路跡線107和通孔108的傳導(dǎo)而形成。從通孔108到探針101的電路被配置而形成封閉可能的最小面積的環(huán)，以便減小電感并因而允許以高頻率或數(shù)據(jù)速率運(yùn)行。
可適探針的幾個(gè)備選構(gòu)型示于圖8A至圖8D中。某些構(gòu)型便于對(duì)在集成電路上線性陣列中緊密間隔的接觸焊點(diǎn)的針測(cè)。現(xiàn)代集成電路上的接觸焊點(diǎn)具有小至60微米的中心間距。為了接觸緊密間隔的探針焊點(diǎn)，特殊結(jié)構(gòu)的探針嵌套在特殊結(jié)構(gòu)的陣列中。圖8A至圖8D所示的結(jié)構(gòu)提供了接觸受測(cè)集成電路裝置上接觸焊點(diǎn)的緊密間隔陣列的裝置。
圖8A所示的可適探針允許探針在沿與探針針尖111的線性陣列的軸成一角度的方向取向的薄細(xì)長(zhǎng)彈簧的陣列中的嵌套。該結(jié)構(gòu)包括具有設(shè)置在薄彈簧的短段113和長(zhǎng)段112之間的探針針尖111的彈簧。接觸焊點(diǎn)114和116分別設(shè)置在短段113和長(zhǎng)段112的端部。彈簧由短段113下的柱115和長(zhǎng)段112下的柱117支撐。柱115和117的交錯(cuò)定位允許探針彼此緊密間隔。
圖8B中，示出了一種可適探針，它包括具有在接觸焊點(diǎn)124終止的短段123和在接觸焊點(diǎn)126終止的長(zhǎng)段122的細(xì)長(zhǎng)薄彈簧。探針針尖121設(shè)置在長(zhǎng)段122和短段123之間。接觸焊點(diǎn)126由柱127支撐，而接觸焊點(diǎn)124由柱125支撐。通過(guò)在具有交替的短段和長(zhǎng)段的線上排列圖8B的多個(gè)探針，探針嵌套成適宜測(cè)試具有小焊點(diǎn)間隔的集成電路的緊密間隔陣列。
圖8C中，示出了一種可適探針，它包括夾持在兩個(gè)接觸焊點(diǎn)134和136之間的細(xì)長(zhǎng)薄彈簧133。探針針尖131設(shè)置在彈簧133上的分別與接觸焊點(diǎn)134和136結(jié)合的柱135和另一柱137之間的中間點(diǎn)處。細(xì)長(zhǎng)柱135和137，以及細(xì)長(zhǎng)接觸焊點(diǎn)134和136按一角度取向，此角度允許探針嵌套成圖8C所示的緊密間隔陣列。
圖8D中的可適探針包括具有在接觸焊點(diǎn)144終止的短段143和在接觸焊點(diǎn)146終止的長(zhǎng)段142的細(xì)長(zhǎng)薄彈簧。探針針尖141設(shè)置在薄彈簧上長(zhǎng)段142和短段143之間。橢圓形柱145和147分別支撐接觸焊點(diǎn)144和146，使得探針可以被嵌套成密集間隔的陣列。當(dāng)裝置上的接觸焊點(diǎn)抵靠在探針針尖141上時(shí)，彈簧長(zhǎng)段142和短段143被彈性彎曲和伸張。
圖9A至圖9D所示的探針針尖構(gòu)造成用于微電子裝置的測(cè)試和強(qiáng)化試驗(yàn)中的特殊應(yīng)用場(chǎng)合。這些探針針尖和其它的探針針尖在集成電路工業(yè)中已經(jīng)公知。此處所示例子是多類正在使用的探針針尖的代表。生產(chǎn)方法對(duì)生產(chǎn)電子接觸領(lǐng)域中的技術(shù)熟練人員是公知的。
圖9A所示的探針針尖對(duì)于針探集成電路上鋁結(jié)合焊點(diǎn)是優(yōu)選的，其中尖銳頂角153適于打破鋁結(jié)合焊點(diǎn)上的氧化層。角錐152通過(guò)復(fù)制結(jié)晶取向的硅表面100上的蝕坑而成型。角錐152被支撐在薄彈簧151上。角錐152的頂角153尖銳地成型，它在角錐相對(duì)面間具有54.75°的夾角。硬質(zhì)材料用于制造探針針尖152，其中，該材料優(yōu)選從包括鉬、鎳、鋨、Paliney7、銠、錸、鈦、鎢及其合金的組合中選取。在針測(cè)柔軟接觸部時(shí)，諸如鋨、銠和鎢的材料是優(yōu)選的，這是因?yàn)樗鼈兣c焊料和其它軟質(zhì)材料的反應(yīng)緩慢。
圖9B所示的探針針尖優(yōu)選用于接觸貴金屬接觸焊點(diǎn)。薄盤157被支撐在設(shè)置于薄彈簧155表面上的金屬柱156上。柱156被化學(xué)刻蝕工藝切開(kāi)以露出盤157的邊緣。薄盤157由惰性金屬材料制造，它優(yōu)選從包括金、Paliney7、鉑、銠及其合金的組合中選取。
圖9C所示的探針針尖為接觸焊料和其它軟性材料而優(yōu)選。磨圓的金屬針尖161在金屬柱162上，金屬柱162設(shè)置在彈簧片160上。磨圓的金屬針尖161通過(guò)閃爍激光熔融與將高溫材料重熔成球形部件的形狀而成型。適合于磨圓的金屬針尖161的材料包括由鎳、鉑、銠、亞銅鎳合金、鈹銅合金及Paliney7構(gòu)成的組合中選出的金屬。
圖9D所示的探針針尖優(yōu)選用于接觸小的接觸焊點(diǎn)和在一起緊密間隔的焊點(diǎn)。具有頂部邊緣166的探針針尖167設(shè)置在薄彈簧165的頂部表面上。探針針尖167優(yōu)選地通過(guò)電鍍犧牲材料(sacrificial material)的邊緣、然后除去該犧牲材料以留下在垂直方向取向的金屬薄部分167而形成。
圖10示出可適探針的第三實(shí)施例，其中細(xì)長(zhǎng)薄彈簧172提供了由沿薄彈簧172長(zhǎng)軸的橫向方向的褶皺173所導(dǎo)致的增強(qiáng)的彈性。一個(gè)或更多的褶皺使得彈簧172更容易彎曲和伸展，允許響應(yīng)探針針尖171上垂直力的更大的彈性。褶皺173通過(guò)對(duì)形成在硅晶面100上的細(xì)長(zhǎng)蝕坑的復(fù)制而成型。如1978年《IEEE電子裝置學(xué)報(bào)》第ED-25卷第10期第1184頁(yè)上ErnestBassous的文章“通過(guò)各向異性刻蝕硅晶面100和110而制造新型三維微結(jié)構(gòu)”中所述，在硅表面上刻蝕細(xì)長(zhǎng)坑的方法是公知的。褶皺通過(guò)在刻蝕坑長(zhǎng)軸的橫向方向上沉積金屬條而制成。
在圖10中，在細(xì)長(zhǎng)薄彈簧172兩端的接線端174結(jié)合到柱175上，該柱175將彈簧支撐在基板179上方一預(yù)設(shè)距離處。柱175?？吭诮佑|焊點(diǎn)176上，該接觸焊點(diǎn)176通過(guò)電路跡線177和通孔178而連接在基板179的電路上。
圖10中，探針針尖171設(shè)置在薄彈簧172上離細(xì)長(zhǎng)薄彈簧172兩端上的柱175一預(yù)設(shè)距離處。探針針尖171上的垂直力使薄彈簧172彈性彎曲和伸展，這由褶皺173的彎曲所增強(qiáng)。褶皺173的高度通過(guò)控制其寬度而確定，于是它不接觸受測(cè)裝置的頂部。
圖11示出可適探針的第四實(shí)施例，其中基板189表面上的電路187由夾在薄彈簧182和基板189的頂部表面之間的彈性體密封材料188所保護(hù)。密封材料188保護(hù)不受腐蝕和機(jī)械損壞，同時(shí)允許薄彈簧182隨著探針針尖181被驅(qū)動(dòng)以壓在受測(cè)裝置的匹配的接觸焊點(diǎn)上時(shí)可適地移動(dòng)。
在第四實(shí)施例中，細(xì)長(zhǎng)薄彈簧182具有一個(gè)或多個(gè)褶皺183，該褶皺沿薄彈簧182長(zhǎng)軸的橫向取向。彈簧182被結(jié)合在細(xì)長(zhǎng)薄彈簧182兩端的接線端184上的柱185支撐在基板189上方一預(yù)設(shè)高度處。柱185?？吭诮佑|焊點(diǎn)186上，該焊點(diǎn)通過(guò)通孔188由電路跡線187連接到基板189的電路上。
對(duì)于結(jié)合有兩個(gè)褶皺193的結(jié)構(gòu)，第三實(shí)施例的詳細(xì)視圖示于圖12A至圖12C。圖12A中的頂部平面圖示出了其中探針針尖191設(shè)置在薄彈簧192上的可適探針。彈簧192是蒙乃爾合金K-500的亞銅鎳薄膜。薄彈簧192的厚度在10至75微米之間，更優(yōu)選地在25至50微米的范圍內(nèi)。薄彈簧192的寬度在20至150微米之間，更優(yōu)選地寬度在30至75微米之間。彈簧192第一端194處柱195的質(zhì)心與彈簧192第二端194處柱195的質(zhì)心之間的距離約200至1500微米長(zhǎng)。更優(yōu)選地，柱之間中心到中心的距離為250至750微米長(zhǎng)。
探針針尖191對(duì)垂直力F的響應(yīng)示于圖12B和12C，示出力F施加前與后探針的剖視圖。如圖12C所示，作用在探針針尖191上的力F朝基板199向下彎折薄彈簧192。彈簧192彈性彎折和伸展，于是產(chǎn)生反作用力，該力在針尖受到力F的作用時(shí)柔性地抵抗針尖191的的進(jìn)一步偏移。褶皺193通過(guò)增加彈簧192的伸展和彎曲運(yùn)動(dòng)而強(qiáng)化柔韌性。特殊地，褶皺193減小了彈簧192的軸向張力，較大地釋放由彈簧192的伸張導(dǎo)致的應(yīng)力。
探針針尖191連接在用來(lái)運(yùn)行受測(cè)裝置的電路上。探針191被由柱195支撐的彈簧192連接，柱195結(jié)合到細(xì)長(zhǎng)薄彈簧192兩端處的接觸焊點(diǎn)194上。柱195停靠在基板199表面上的接線端196上。依次地，接線端196連接至電路跡線197，該電路跡線197被導(dǎo)電通孔198連接到基板199的電路上?？蛇x的是，接地平板可以插入探針針尖191和基板199的電路之間，以便將針尖191與基板199上鄰近電路跡線中的信號(hào)屏蔽開(kāi)。
圖13A和圖13B示出提供了集成電路的高性能測(cè)試所需的低電感的可適探針。圖13B示出探針針尖201設(shè)置在薄彈簧202上的可適探針的剖視圖。彈簧202中信號(hào)的接地回路路徑通過(guò)金屬層212得以設(shè)置，該金屬層通過(guò)夾在彈簧和金屬層之間的介電層211同彈簧202絕緣。
探針針尖201的信號(hào)和相關(guān)的接地回路均被短電路連接至基板209上各自的電路上。探針針尖201連接至與彈簧202上接觸焊點(diǎn)204結(jié)合的支撐柱205。柱205停靠在與電路跡線207相連的接線端206上，而該電路跡線207連接至基板209的測(cè)試電路上。電極212上的相應(yīng)接地回路連接至支撐柱215上。柱215?？吭谂c接地跡線217相連的接線端216上，該接地跡線217依次連接到基板209的接地電路上。
圖14示出具有圖13A和圖13B所示的接地回路的可適探針的另一個(gè)示例。圖14中的探針是機(jī)械耐用的，這是因?yàn)榫哂袘?yīng)力釋放皺紋(stress reliefcorrugations)223的細(xì)長(zhǎng)薄彈簧222直接支撐在柱225兩端上。探針針尖221通過(guò)彈簧222、接觸焊點(diǎn)224、柱225和連接到基板229的測(cè)試電路上的接線端226的鏈接連接到基板229的測(cè)試電路上。接地電極235與彈簧222因夾在二者之間的介電層而絕緣。接地回路從接地電極235通過(guò)柱236到基板229上的接地接線端233。
接地回路235附著在獨(dú)立的柱236上，該柱236附著在基板229的接地引線端233上。接地回路235與彈簧222因夾在二者之間的介電膜231而絕緣。
圖15A示出結(jié)合了具有接地回路電極的可適探針的測(cè)試頭裝置。該測(cè)試頭提供了一種測(cè)試高性能集成電路芯片的裝置。高性能電接觸部連接芯片上的焊點(diǎn)到驅(qū)動(dòng)電路259上，該驅(qū)動(dòng)電路259連接到高速芯片測(cè)試儀的輸入/輸出通道上。每個(gè)探針由終止在陶瓷基板249上接線端257處的電路跡線258連接到芯片測(cè)試儀的通道(S1，S2，S3，S4，……)上。
測(cè)試頭建立在提供機(jī)械和熱穩(wěn)定性的陶瓷基板249上。每個(gè)可適探針包括設(shè)置在薄彈簧242上的探針針尖241，該薄彈簧249由柱245支撐在基板249表面上方的一預(yù)設(shè)距離處。探針針尖241在垂直方向上彈性移動(dòng)，以適應(yīng)芯片上接觸焊點(diǎn)高度的所有變化，同時(shí)維持與芯片上接觸焊點(diǎn)的可靠連接。
圖15A的可適探針的機(jī)械運(yùn)作可以參考圖15B中的剖視圖而更好地理解。探針針尖241設(shè)置在結(jié)合了皺紋243以增加探針的柔韌性的薄彈簧242上。細(xì)長(zhǎng)薄彈簧242兩端的接觸焊點(diǎn)244結(jié)合到柱245上。柱245?？吭陔娐粉E線247上的接線端246上，該電路跡線247連接至基板249上各自的電路跡線258上。
圖15B所示的可適探針在彈簧242的頂部結(jié)合了接地回路255。接地回路255與彈簧242因夾在二者之間的薄介電膜251絕緣。接地回路255由柱256連接至接地接線端253。這種結(jié)構(gòu)避免了彈簧242中的機(jī)械應(yīng)力向接地電路255的傳送。
雖然本發(fā)明的若干優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)得以描述，但是在不脫離本發(fā)明的精髓和范圍的前提下，本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員可以對(duì)其作出多種修改與替換。
權(quán)利要求
1.一種用于與微電子裝置上接觸焊點(diǎn)形成電接觸的探針，所述探針包括(a)導(dǎo)電材料形成的細(xì)長(zhǎng)彈簧，具有頂面和底面，以及具有第一端和第二端；(b)具有頂面和底面的剛性基板；(c)電接線端，其設(shè)置在所述剛性基板的所述頂面上；(d)多個(gè)導(dǎo)電柱，其中每個(gè)導(dǎo)電柱連接到所述薄彈簧的底面上，并且連接到所述基板頂面上的所述電接線端中的一個(gè)上，使得所述薄彈簧被支撐在基板頂面上方一預(yù)設(shè)距離處；(e)導(dǎo)電針尖，其具有設(shè)置在所述薄彈簧頂面上的基部和在所述薄彈簧頂面上方的凸起，由此所述導(dǎo)電針尖的頂面提供到所述微電子裝置上所述接觸焊點(diǎn)上的臨時(shí)連接；(f)其中，所述導(dǎo)電針尖在垂直方向上是彈性可動(dòng)的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探針，其特征在于，所述薄彈簧是實(shí)質(zhì)上平坦的彈簧，其最長(zhǎng)尺寸在150至1500微米之間，且其厚度在所述彈簧的最薄部分為10至75微米之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探針，其特征在于，所述薄彈簧是包括有一個(gè)或多個(gè)在所述薄彈簧最長(zhǎng)尺寸的橫向方向取向的皺紋的金屬?gòu)椈伞?br> 4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探針，其特征在于，所述導(dǎo)電材料選自于包括鈹銅、鈮、銅鎳、鉬、鎳、鎳鈦、鈦、鎢、及其合金的組合中。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的探針，其特征在于，所述導(dǎo)電針尖的所述頂面由硬質(zhì)合金制造，它選自包括銅鎳、鎳、鋨、Paliney 7、鉑、錸、銠、鎢、及其合金的組合中。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探針，其特征在于，所述電路圖案位于所述薄彈簧之下，且到所述電路圖案的電路連接位于所述導(dǎo)電針尖之下。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探針，其特征在于，所述探針針尖是角錐，它是刻蝕在單晶硅表面中的坑的復(fù)制。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探針，其特征在于，所述探針針尖是電鍍的凸起。
9.一種用于與微電子裝置上接觸焊點(diǎn)形成電連接的探針，所述探針包括(a)導(dǎo)電材料形成的薄細(xì)長(zhǎng)彈簧，其具有頂面和底面，以及具有第一端和第二端；(b)具有頂面和底面的剛性基板；(c)多個(gè)剛性導(dǎo)電柱，其中所述導(dǎo)電柱中的至少一個(gè)連接到所述薄彈簧的所述第一端和所述第二端的底面上，使得該薄彈簧被支撐在基板頂面上方的預(yù)設(shè)距離處；(d)導(dǎo)電針尖，具有設(shè)置在所述彈簧頂面上在所述頂面上凸出的基部，由此該凸起適于接觸所述接觸焊點(diǎn)；(e)其中，所述導(dǎo)電針尖設(shè)置在所述導(dǎo)電彈簧上距每個(gè)所述支撐柱一距離處，由此該針尖在垂直方向上是可動(dòng)的。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的探針，其特征在于，還包括設(shè)置在所述薄細(xì)長(zhǎng)彈簧的所述底面與所述基板的所述頂面之間的彈性體材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的探針，其特征在于，所述彈性介電材料選自包括硅氧烷、氟硅氧烷、碳氟化合物和氨基甲酸乙酯聚合物的組合中。
12.用于微電子裝置的插座，其中所述裝置具有實(shí)質(zhì)上平坦的表面，該表面上設(shè)置有接觸焊點(diǎn)的陣列，所述插座包括(a)具有頂面和底面的基板；(b)多個(gè)可適探針，用于形成到所述接觸焊點(diǎn)的電連接，其中該探針被設(shè)置成在所述基板頂面上的陣列；(c)電路裝置，它們連接到所述可適探針上，由此當(dāng)可適探針連接至所述接觸焊點(diǎn)時(shí)，所述微電子裝置運(yùn)行；(d)其中，每個(gè)所述可適探針包括導(dǎo)電材料形成的薄細(xì)長(zhǎng)彈簧，該彈簧由在所述第一端和在所述第二端的至少一個(gè)剛性柱支撐在底面上；以及(e)其中，每個(gè)所述可適探針包括探針針尖，該針尖設(shè)置在所述薄細(xì)長(zhǎng)彈簧頂面上距每個(gè)剛性柱一預(yù)設(shè)距離處，使所述探針針尖可移動(dòng)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的插座，其特征在于，所述基板由硅材料制成。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的插座，其特征在于，所述微電子裝置是多個(gè)在未切割硅晶片上排列的集成電路。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的插座，其特征在于，所述硅材料是厚度在100微米到500微米之間的硅晶片。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的插座，其特征在于，所述基板由陶瓷材料制成。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的插座，其特征在于，所述基板是金屬-陶瓷多層結(jié)構(gòu)，由此每個(gè)探針連接至用于所述微電子裝置的測(cè)試和強(qiáng)化試驗(yàn)的電路裝置上。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的插座，其特征在于，接地屏蔽設(shè)置于所述薄細(xì)長(zhǎng)彈簧下。
全文摘要
一種機(jī)械可適連接器,用于在微電子裝置的接觸焊點(diǎn)上形成可靠的電連接。連接器可用于晶片級(jí)的集成電路的強(qiáng)化試驗(yàn)。附加裝置包括用于測(cè)試集成電路的探針板和用于倒焊芯片的插座。連接器的一種結(jié)構(gòu)包括探針,每個(gè)探針具有凸出在薄細(xì)長(zhǎng)彈簧83上的針尖81。彈簧被柱85支撐在基板89之上,使得探針針尖響應(yīng)探針針尖上的接觸力而自由垂直移動(dòng)。探針針尖的偏移由薄彈簧的彎曲和伸展而可適地限制。針尖的機(jī)械可適性允許探針陣列與其中焊點(diǎn)不是精確平面的集成電路上的焊點(diǎn)接觸。
文檔編號(hào)G01R1/067GK1359470SQ00804637
公開(kāi)日2002年7月17日 申請(qǐng)日期2000年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月12日
發(fā)明者托馬斯·H·迪斯蒂法諾 申請(qǐng)人:菲康姆株式會(huì)社