用于清洁测试器接口的接触元件和支持硬件的设备、装置和方法

专利名称：用于清洁测试器接口的接触元件和支持硬件的设备、装置和方法
技术领域：
本发明大体上涉及一种用于清洁测试器接口的接触元件和支持硬件的装置。
背景技术：
单独的半导体(集成电路)装置通常使用包括光刻法、沉积法和溅射法等熟知的半导体工艺技术在硅晶圆上形成多个装置来制造。一般地，这些工艺用来形成晶圆级的功能齐全的集成电路装置(1C)。最后，单独的IC装置被从半导体晶圆分割或切成单个独立的晶片。使用熟知的装配技术组装分割的IC装置，用于最后完成在封装中或结合到电子装置，该熟知的装配技术包括晶片连接到引线框、导线连接或焊料球链接，以及通过各种模塑技术提供本体到具有外部电连接性的封装的包封。但是，实际上，晶圆本身的物理缺陷和/或晶圆的处理中的缺陷不可避免地引起 晶圆上的一些晶片是功能齐全的，有些晶片是无功能的，以及有些晶片具有低效能或需要修理。优选在从晶圆分割并组装到消费者装置上之前，通常需要鉴定晶圆上的哪些晶片是功能齐全的。在通过称作晶圆级测试(通常在本领域称作“晶圆分类”)的处理的分割之前，鉴定由于晶圆上的一些物理缺陷、IC电路层上的缺陷和/或与半导体处理技术相关的缺陷产生的无功能、低效能和可修理装置。根据产品的性能的分类、装箱和晶圆等级的IC装置能够稍后在制造过程中节省相当多的制造成本，并从最高性能的装置的销售提供增加的收益。其中，产品的效能通过电气测试确定。一旦装置已经分割，在处理和组装中的一些加工步骤必然引起切割缺陷、处理缺陷以及关于组装和封装的缺陷，这些缺陷仅能被电气地鉴定为完全正常、无功能或可能是“可修理的”并送至箱装置。实际上，被组装和封装后的半导体装置在其最后完成或结合到电子装置之前受到一系列的电气测试过程。在封装阶段或装运前的最后测试阶段的处理包括但是不限于测试分离装置的裸晶、封装后的IC(暂时或永久)或者之间的变型。一般地，在晶圆级或封装级上的IC装置的电气测试是通过自动化测试设备(ATE)实现的，该自动化测试设备被机械地或电气地构造用于激励半导体装置，根据预定的测试程序演练该装置，并且然后检查用来估计适当的功能性的输出。在晶圆级测试中，常规的接口硬件是“探针卡”，与测试(DUT)输入/输出(I/O)焊盘下的装置布置相配合的多个探针元件连接到“探针卡”。更具体地，在典型的晶圆测试过程中，该探针卡被安装到探测器上，探针接触元件(通常被称为“探针”)与形成在晶圆的晶片上的结合焊盘、焊料球和/或金凸块相接触。通过将探针尖端的可控的移位施加到结合焊盘、焊料球和/或金凸块上，可实现电连接以允许功率、接地和测试信号的传输。探针尖端相对结合焊盘、焊料球和/或金凸块的重复擦洗、变形和穿透产生粘附并堆积在探针接触表面上的碎屑和污染物。在封装级测试中，测试器装载板在自动测试设备(ATE)、手动测试设备和DUT之间提供接口。测试器装载板通常包括一个或多个接触器组件，有时也称作“测试插座”，DUT插入该测试插座中。在测试过程中，DUT通过处理器插入或放入插座内并在测试期间被夹持定位。在插入到插座内以后，DUT通过销元件经由测试器装载板及其次级组件以及其它的接口装置被电连接到ATE。与ATE相关的接触销元件被布置与DUT的金属化接触表面物理地电接触。这些表面可包括测试焊盘、导线、销连接器、结合焊盘、焊料球和/或其它导电介质。DUT的功能性通过不同的电输入和输出上测得的反应来评价。通过重复测试，接触元件尖端会被由晶圆和半导体装置的制造和测试过程中产生的铝、铜、铅、锡、金、副产物、有机膜或氧化物等材料污染。两种类型的IC测试(晶圆级和封装级)所面临的一个主要挑战是确保与连接器相关联的接触销和DUP的接触表面之间的最佳电接触。在每个测试程序中，利用该销接触元件重复接触结合焊盘、焊料球和/或金凸块，碎屑或其它残留物将堆积并污染销元件的接触区域。该碎屑可能来自测试和处理过程本身，或者可包括来自装置制造和/或组装过程或其它来源的制造残留物。除了存在污染以外，反复迫使电流通过接触销的小金属间的“a_点”会使接触表面的导电特性劣化，从而影响用于适当电测试的金属间特性。随着污染物堆积，加上接触表面 的劣化，接触电阻(CRES)上升并降低测试的可靠性。由于产品回收测试增加，升高且不稳定的CRES会影响产量和/或测试时间。这些错误读数会导致错误报废良好的DUT，造成通常很大的产量损失。通过多次测试可进行一些产品回收；但是，再测试装置多次以确认坏的装置或实现产品回收将造成整体制造成本增加。对晶圆级和封装级测试接触器技术的高性能要求已经推进了具有预定和定制的机械性能和弹性的独特形状的接触元件的发展。许多新的先进接触技术具有独特的接触元件形状和机械操作，以便于得到一致的、可重复的并且稳定的电接触。一些技术使用光刻组装技术构成，而另一些通过高精确的微加工技术制造。接触器的改进的电特性还可使用具有改进的电性能和抗氧化性的不同材料获得。接触元件被设计成有助于一致的氧化物贯穿，同时减少施加在结合焊盘、焊料球和/金凸块上的支承力。还需要形成与结合焊盘、焊料球和/或金凸块之间的物理接触；因此，产生会影响电性能测试过程的结果的碎屑和污染物。通常，产生的碎屑需要从接触元件周期性地移除，以防止造成接触电阻增加、连续性失效和错误测试读数的堆积物，这会导致人工地降低产量并因此增加制造成本。因应粘附到接触元件和支持硬件的颗粒的问题，已经发展了多种技术。例如，一种技术使用由向研磨颗粒提供基质的硅橡胶构成的清洁材料。另外，可使用具有被探针摩擦的安装研磨陶瓷清洁块的清洁晶圆，或者还可使用具有研磨颗粒的橡胶基质和由玻璃纤维制成的刷子清洁器。在一种技术中，探针可喷涂或浸入一种清洁溶液中。在另一种技术中，可使用具有孔隙的任意表面形态和可变高度的开口细胞泡沫为基础(open cell foambased)的清洁装置。在一个常规的接触元件的清洁过程中，使用擦刷、吹气和冲洗接触销和/或连接器本体的一些组合。该过程需要停止测试操作，人工介入来进行清洁，并可能从测试环境移除测试接口(探针卡、插座等)。该方法提供不一致的碎屑清除，并且不可以在成形的接触元件的轮廓特征内提供足够的清洁作用。在清洁后，测试接口必须重新安装且重建测试环境，以重新开始测试。在一些情形下，由于不定期的设备停工，该接触元件被移除、清洗并替换，导致成本增加。在另一常规的方法中，具有研磨表面层或被研磨性地涂敷聚氨酯泡沫体层的清洁垫被用来移除粘附到接触元件的外来材料。通过在清洁垫上(并可能进入其中)重复擦洗接触元件，粘附的外来材料从接触元件和支持硬件磨去。使用研磨垫的清洁过程磨光接触元件，但是不必然移除碎屑。其实，该磨光实际上对接触元件造成研磨磨损，由此改变接触轮廓的形状并缩短接触器的使用寿命。当在清洁过程中一致地、可预测地将碎屑从接触元件和支持硬件移除时，得到最大清洁效率。使用由开口细胞泡沫构成的研磨焊垫的清洁过程未提供一致的清洁。实际上，利用任意定向并不受控制的泡沫结构的磨光操作对接触元件产生不一致的研磨磨损以及优先的研磨磨损，由此无法预测地改变接触元件和支持硬件的接触轮廓的形状和机械性能；由此，无法预测地缩短了接触器的使用寿命。在工业中，已经看出包括多达150000个测试探针元件的多个接触元件构成的测试器接口硬件和支持硬件可花费每ATE测试单元600000美元。由于不适当或非最佳清洁 实施造成的过早磨损和损坏可等同于每年每ATE测试单元数百万美元。因此，由于有数千的ATE测试单元在全世界操作，对于修理、维护以及更换成本的影响非常大。另一种尝试改进常规的探针清洁工艺包括使用黏性的研磨性地填充或未填充聚合体清洁材料来移除外来材料。更具体地，聚合体垫与接触元件物理接触。附着的碎屑通过黏性聚合物松开并粘附到聚合体表面；由此从接触元件和其它的测试硬件移除。聚合物材料被设计来维持接触元件的整体形状；但是，与该聚合物层的相互作用不能在成形的接触元件的轮廓特征内提供充分的清洁作用。当使用具有连续的、一致的表面或具有任意定向和任意间隔的表面特征的表面的研磨性地填充或研磨性涂覆材料膜进行清洁时，优先的研磨的显露是通过“边缘销”效应(例如，测试探针阵列的周边接触元件以不同于该阵列内的接触元件的速度研磨性地磨损)；或通过“相邻销间距”效应(例如，紧密间隔的接触元件以不同于宽广地隔开的接触元件的速度磨损)；或通过“相邻销定向”效应(例如，接触元件的空间接近性会造成接触元件的优先的、不均匀的磨损)。接触元件和支持硬件的不一致的研磨磨损将影响IC半导体装置测试中的性能的一致性，并可能导致意外的产量损失、设备停机和修理成本。因为接触器会被基于研磨的接触清洁工艺以不同的速度不受控制地磨损，所以在晶圆级和封装级测试中的典型接触元件的清洁工艺对于终端使用者来说是昂贵的。当使用相同成分和大小的研磨颗粒时，示例性测试数据(图I)示出了重要接触元件轮廓的磨损或尺寸减小的速度会因研磨材料层的柔顺性、表面特征和底层的柔顺性的很小的变化(通常2%到3%)而受到很大影响。数据曲线101、102、103、104说明了当清洁材料的整体的柔顺性被改变或减小时接触元件的长度的减小速度。数据曲线101表示具有最低磨损速度的柔顺材料；以及数据曲线104表示了具有最高磨损速度的刚性柔顺材料。通过在全世界操作数千的IC装置测试单元(探针和处理器)，在测试中维持清洁且不会过早磨损的接触元件对工业的影响是非常重大的。这些方法没有适当地提出一种包含清洁垫结构的清洁装置和方法，以可预测地控制整体的清洁材料性能。其中，清洁垫结构具有多层不同材料和机械特性、预定的轮廓特征和表面处理。此外，用来修理和替换已经被研磨接触清洁过程磨损的接触器的设备和人力对于所实施的工作增加了额外的成本。因此，需要用来清洁和维持接触元件的改进的方法和装置。


图I示出了测试数据，该数据显示了作为研磨垫上“着陆(touchdown)”函数的接触元件的临界尺寸的减小，该研磨垫具有3 u m颗粒尺寸但是具有材料柔顺性可控的区别；
图2A示出了 DUT (晶圆级或封装级)的常规示例，该DUT具有探针垫、电接触元件和ATE接口(探针卡或测试插座);图2B为DUT (晶圆级或封装级)的示例的示意图，该DUT具有探针垫、电接触元件和ATE接口(探针卡或测试插座);图3A为具有应用到晶圆表面的清洁塾的典型清洁装置的俯视图；图3B为具有应用到基板表面的清洁垫的典型清洁装置的剖视图；图3C为具有应用到IC封装的清洁垫的典型清洁装置的剖视图；图4A为清洁介质的剖视图，该清洁介质包括在清洁垫层下方的一个或多个中间柔顺材料层；图4B为清洁介质的剖视图，该清洁介质包括在具有预定特性的清洁垫层下方的一个或多个中间刚性材料层；图4C为清洁介质的剖视图，该清洁介质包括在具有预定特性的清洁垫层下方的一个或多个中间刚性材料层和柔顺材料层；图4D是清洁介质的剖视图，该清洁介质包括在具有预定特性的清洁垫层下方的一个或多个交互的中间刚性材料层和柔顺材料层；图5A为清洁材料的剖视图，该清洁材料设有均匀分开的具有预定轮廓的微管柱，该微管柱构造在具有一个或多个具有预定特性的材料层上；图5B为清洁材料的剖视图，该清洁材料设有均匀分开的具有预定轮廓的微管柱，该微管柱由具有预定特性的一个或多个中间刚性材料层和柔顺材料层的组合构成；图6A是均匀分开的微管柱的放大剖视图，该微管柱由一个或多个中间材料层的组合构成，以在测试探针的接触区域内获得一致的清洁效率；图6B是均匀分开的微角锥体的放大剖视图，该微角锥体由一个或多个中间材料层的组合构成，以在测试探针的接触区域内获得一致的清洁效率；图7A是相互分离的微特征的一部分的平面图，该微特征使用一系列“街(streets) ”来产生截面二次矩或惯性矩，以控制抗弯曲性；图7B是相互分离的微特征的一部分的平面图，该微特征使用一系列的“道(avenues) ”来产生截面二次矩或惯性次矩，以控制抗弯曲性；图7C是相互分离的微特征的一部分的平面图，该微特征使用一系列对角线来产生截面二次矩或惯性，以控制抗弯曲性；图8A示出了具有微管柱的清洁材料的平面图，所述微管柱用来清洁晶圆级测试用的悬臂式测试探针的接触端区域；以及图SB示出了具有微管柱的清洁材料的剖视图，所述微管柱用来清洁用于晶圆级、芯片级和封装级测试的冠状点和单点测试探针的接触端内部。
具体实施例方式本公开特别应用于用于电气测试探针的清洁垫，该测试探针具有预定轮廓(冠状端弹性探针和矛状端探针等)和支撑结构，该预定轮廓和支撑结构用于晶圆级和封装级测试的测试器接口装置(例如，探针卡、测试插座以及其它类似接口装置)，下面在本文中将描述本发明。但是，可以理解的是，该清洁材料、装置和方法具有更多的用途，例如清洁被其它类型的IC半导体装置评价设备所使用的测试接口，例如弹性销环形接口、ZIFF公/母连接器等。该装置是带有用于具有特定研磨性和碎屑移除功效的表面特征的柔顺清洁介质，该清洁介质用来清洁测试器接口装置的电接触元件和结构，该电接触元件和结构用于晶圆级或封装级测试(例如，探针卡、测试插座以及其它类似接口装置)。根据待清洁的接触元件的类型和形状、待移除的碎屑的组成和数量以及碎屑到接触表面的亲和力，使用可选取的合适的中间层、表面微特征和可变的研磨性来获得高等级的清洁功效。被清洁的接触元件可以是任意类型的测试探针，例如钨针、垂直探针、眼镜蛇状探针、MEM型探针、柱塞型探针、弹性探针、滑动接头和形成在薄膜上的接触凸块探针等。 更详细地，该清洁材料可以由一层或多层构成，每层具有预定的机械、材料和尺寸特性，例如研磨性、密度、弹性、黏性、平面性、厚度和多孔性，使得当销元件接触垫的表面时，接触区域和周围的支持硬件被清洁，以移除碎屑和污染物。该清洁装置可具有顶部保护牺牲材料层，该材料层可在制造加工之前、之中或之后应用，以保护和隔离所述清洁材料表面在制造过程和手动处理操作中不受污染。该牺牲层在安装到半导体测试设备上时被移除，并用来确保清洁材料的工作表面不受任何污染，该污染将通过清洁材料损害接触元件的清洁性能。该清洁材料的各个层可以由固体的弹性体材料或包括橡胶和合成与天然聚合物以及聚氨酯、丙烯酸树脂等的多孔、开口细胞或闭孔泡沫材料或其它已知的弹性体材料制成。该清洁材料的顶层可具有预定的研磨性、弹性、密度和表面张力参数，该参数允许探针尖端变形并穿过弹性体材料来移除接触区域上的碎屑，而不破坏接触元件的轮廓，同时保持弹性基质的完整性。该清洁材料还可具有多层结构，其中一个或多个柔顺层被布置或堆叠以获得预定的整体柔顺性，使得当销元件接触或使垫表面变形时，一限定的反向力由该材料施加到接触区域和结构，以增加碎屑和污染物被移除的效率。此外，该清洁材料可具有多层结构，其中表面层设有多个均匀成形并有规则地间隔的轮廓微特征，例如微管柱、微角锥体或其它这种结构微特征，该微特征具有预定的纵横比(直径对高度)、横截面(方形、圆形和三角形等)和研磨颗粒负载，以改进碎屑移除和收集效率。该微特征可由固体的弹性体材料或包括橡胶和合成与天然聚合物以及聚氨酯、丙烯酸树脂等的多孔、开孔细胞或闭孔泡沫材料或其它已知的弹性体材料制成。在其它实施例中，该微特征在微特征的本体内或在微特征的基部上沿着微特征的长度可具有应用到顶表面的研磨颗粒。特别地，一平均的微特征的横截面宽度等于或大于I. 0 y m，高度等于或小于400 u m，平均的研磨颗粒尺寸小于15. 0 u m。可结合到并横越材料层和微特征的典型的研磨物可包括氧化铝、碳化硅和金刚石，但是该研磨颗粒还可以是其它已知的莫氏硬度等于或大于7的研磨材料。
在其它实施例中，该微特征相互分离并形成有用于截面二次矩或惯性矩的预定轮廓，以使用一系列“街”和“道”控制抗弯曲性，来消除不理想的相互作用和其它耦合效应并获得预定的表面柔顺性，使得当销元件接触垫表面时，反向力由材料施加到接触元件尖端轮廓内接触区域和支撑结构上，以增加碎屑和污染物被移除的效率。相互分离的微特征具有预定的尺寸，以在接触元件阵列内的各个测试探针和支撑硬件上提供可预测的和一致的反向力。横越清洁材料的表面的分离微特征被形成来减少并消除“边缘销”效应，“相邻销间距”效应和“相邻销定向”效应。在清洁装置的另一个方面，微特征可具有特殊均匀表面精加工，使得探测器/测试器装置能够探测清洁垫的表面。清洁材料的表面组织和粗糙度可有助于工作表面聚合物材料的清洁效率。在方法的一个方面，所述清洁介质可以手动布置在诸如晶圆探测器或封装装置处理器等自动测试设备内的预定位置上，使得销元件和表面将与清洁介质周期性地相互作用，以移除碎屑和/或清洁销元件的接触表面，而不会过度地磨损测试探针。在该方法的另一个方面，提供用于清洁晶圆探测器或封装装置处理器上的探针元件的方法，其中该方法包括将清洁介质加载到与被测试的半导体晶圆、分割IC装置或封装IC装置在形式上相似 的晶圆探测器或封装装置处理器，所述清洁介质具有顶表面，所述顶表面具有诸如研磨性、黏性、硬度等清洁接触元件和支撑结构的预定特性。该方法还包括在晶圆探测器或封装装置处理器的一般测试操作中，使所述接触元件接触所述清洁介质，使得任何碎屑在所述晶圆探测器或封装装置处理器的一般操作中从所述销探针元件移除。当探测器/测试器能够探测清洁垫的表面时，探测器能够设置到自动清洁模式，在自动清洁模式中，探测器/测试器将自动地确定何时清洁测试探针的接触元件、放置清洁装置、清洁探针尖端并然后返回到测试操作。在清洁装置的另一个实施例中，所述清洁介质的层可由导电材料形成，使得使用电导探测表面的测试器/探测器能够探测清洁介质的表面。典型的IC半导体测试系统(示意性所地示出在图2A和图2B中)通常包括某种类型的测试器10、测试头11、测试器端口 12(例如，探针卡或测试插座)、接触元件13、晶圆或装置处理器16。电接触元件13或测试探针在测试器接口内从测试器接口延伸，以允许直接接触DUT15。DUT (晶圆、分割装置或封装IC)使用自动化、半自动化或手动设备移动到合适的物理位置，使得探针垫14和/或焊料球16与测试器接口 12的接触元件13对齐。一旦就位，DUT15相对接触元件13移动，或者接触元件13相对DUT15移动，以便于电气测试。通过反复着陆，接触元件会被污染。代替移除测试接口来清洁，具有预定结构的清洁介质将在一般的测试操作中清洁轮廓限定的接触元件。图3A、3B和3C示出了三种典型的不同类型的清洁装置，该清洁装置制造有应用到不同的基板材料、不同尺寸的基板、不同形状的基板以及在一些应用中没有基板的清洁介质。如图3A和3B所示，清洁装置21、22分别包括基板23和清洁介质或垫24，基板23和清洁介质或垫24分别固定、粘附或附加到晶圆的一个表面或具有已知轮廓的基板。基板23可以是塑料、金属、玻璃、硅、陶瓷或任何其它类似材料。此外，基板25可具有与封装IC装置或DUT22的轮廓相似的轮廓，由此清洁介质24被连接到支撑测试探针的接触元件和支撑硬件的表面。
现在，结合下面的附图和实施例更详细地描述具有一个或多个中间柔顺层的清洁介质。在一个实施例中(如图4A所示)。清洁介质220可由具有诸如硬度、弹性模数等预定特性的清洁垫层202形成，这有助于清洁与垫接触的接触元件。清洁介质220还可具有一个或多个连接到并位于清洁垫层下方的中间柔顺层203。层的组合产生从单个组成材料不能获得的材料特性，同时各种基质、研磨颗粒和轮廓允许产品或结构必须选取有利的组合来将清洁性能最大化。通过在刚性清洁层下面添加柔顺或微孔隙泡沫底层，清洁材料的整体研磨特性降低和/或尖端成形性能增强，以延长探针元件的整体使用寿命，而不损坏接触轮廓的形状或功能。例如，将研磨颗粒层应用到刚性聚酯薄膜形成了重叠薄膜型清洁材料，该材料具有用来形成和维持具有平坦的接触表面轮廓的探针接触元件的堆积移除特性。将相同的研磨颗粒层应用到柔顺的、未填充聚合物的表面或微孔泡沫的“表皮”侧，产生具有优选的堆叠移除特性的多层材料，该多层材料用来形成和维持具有圆角或半圆角接触区域轮廓的探针接触元件。由于底层的整体柔顺性有系统地增加(或刚性减小)，所以该清洁材料的整体研磨特性从形成和维持平坦的尖端接触区域轮廓转变成形成和维持圆角或半圆角的接触区域半径。清洁介质220还可具有可移除的保护层201，其在欲用于清洁接触元件之前安装， 以便于将表面清洁垫层与测试无关的污染物相隔离。可移除的保护层201保护清洁垫层202的工作表面免受碎屑/污染物污染，直到清洁装置准备要用于在清洁室内清洁测试器接口。当清洁装置准备用于在清洁室内清洁测试器接口时，可移除的保护层201可被移除来露出清洁垫层202的工作表面。该保护层可由已知的非反应性聚合体薄膜材料形成，并优选由聚酯(PET)薄膜形成。该保护层可具有糙面精整或其它“有织纹的”特征，以改进由测试设备对清洁装置进行的光学探测和/或改进清洁效率。通过移除第二释放衬垫层205(由与第一释放衬垫层相同的材料形成)来露出粘合层204，将清洁装置安装到预定的基板材料，然后通过粘合层204结合到基板表面上。然后，粘合层204可布置在基板上，将清洁装置220粘合到基板。该基板可具有如在先前技术中所述具有不同目的的不同材料。上述清洁垫层202和下述清洁垫层可向清洁材料提供预定的机械、材料和尺寸特性。例如，清洁材料层可提供研磨性(下面将更详细地描述)、比重(例如，从0. 75到2. 27的范围)、弹性(例如，从40MPa到600Mpa的范围)、黏性(例如，从20到800gram的范围)、平面性和厚度(例如，从25 ii m到300 ii m的范围)，其中比重是在特定温度下密度对水的密度的比例。一个或多个中间层(如上所述，其可以是柔顺层；如下所述，其可以是刚性层；或者，如下所述，其可以是柔顺层和刚性层的组合)可向清洁材料提供预定的机械、材料和尺寸特性。例如，一个或多个中间层可提供研磨性(下面将更详细地描述)、比重(例如，从0. 75到2. 27的范围)、弹性(例如，从40MPa到600Mpa的范围)、黏性(例如，从20到800gram的范围)、平面性、厚度(例如，从25 y m到300 u m的范围)和/或多孔性(例如，每英寸10到150个微孔)，其中比重是在特定温度下一个或多个中间层的密度对水的密度的比例，多孔性是每英寸孔的平均数目。在图4B所示的另一个实施例中，清洁介质220可由清洁垫层202形成，一个或多个中间刚性层206位于清洁垫层202的下面。对于另一个实施例(图4C)，清洁介质220可使用在具有预定特性的清洁垫层202的下面的一个或多个中间刚性层206和柔顺材料层203的组合构成。图4D示出了一个实施例，其中清洁介质220通过在具有预定特性的清洁垫层202的下面的交互的一个或多个中间刚性层206和柔顺材料层203构成。清洁垫202和底层(例如，203、206等)将具有预定的研磨性、密度、弹性和/或黏性，这有助于清洁具有已知轮廓结构的接触元件。清洁层与中间材料层特性的重叠可根据接触元件的特定结构和轮廓特征来改变。清洁垫层202的研磨性将碎屑从探针接触元件松开并剪切下来。使用研磨颗粒的预定体积和质量密度；清洁垫的研磨性被系统地影响，以圆化或尖化探针顶端。填充到清洁材料层内的典型的研磨材料和颗粒的重量百分比可以在30%到500%的重量百分比范围内。这里使用的重量百分比聚合物填充被限定为聚合物重量除以聚合物重量加研磨颗粒的重量。可结合到材料的典型研磨物可包括氧化铝、碳化硅和金刚石，但是该研磨材料还可包括其它熟知的研磨材料。该研磨物可包括空间上优选均匀分布的氧化铝、碳化硅或金刚石颗粒，但是研磨颗粒还可以是莫氏硬度等于或大于7的其它熟知的研磨材料。清洁层的可控的表面黏性将使接触元件上的碎屑优先粘到垫上，并因此在清洁操作中从接触元件上移除。 在一个实施例中，该清洁材料层和/或中间刚性层和/或中间柔顺层(每层都是“材料层”)可以由具有包括橡胶、合成和天然聚合物的固体或基于泡沫的具有开孔或闭孔的弹性材料形成。每个材料层的弹性系数的范围从大于40MPa到小于600Mpa，层的厚度的范围从等于或大于25 ii m到小于或等于300 u m。每个材料层的层的硬度范围在等于或大于30Shore A到不超过90Shore A。该清洁和粘合层可具有在-50C到+200C的使用范围。各弹性材料可以是制成具有空间地或优先地分布在材料本体内的预定黏性或研磨颗粒的材料。各材料可具有预定弹性、密度和表面张力参数，该参数允许接触元件穿透弹性材料层并移除接触元件上的碎屑，而不损坏接触元件的轮廓特征，同时保持弹性体基质的完整性。各材料层将具有通常在I到20mil厚的预定厚度。各层的厚度可根据探针尖端的特定结构改变。例如，薄材料的清洁材料层( Imil厚)将适合诸如扁平接触器等“非贯穿”探针轮廓，厚材料的清洁层( 20mil厚)将很好地适用于诸如矛尖端或尖端弯曲杆等“贯穿”探针轮廓。在自动化、半自动化或手动DUT处理装置的一般操作中，当测试器接口的一个或多个探针元件和支持硬件接触清洁垫时，垂直的接触力驱使接触元件进入垫，在此处，接触元件上的碎屑将被移除并通过垫材料保持。在清洁介质221的其它实施例(图5A和图5B所示)中，使用多个均匀成形并有规则地分开的轮廓微特征，例如微管柱212或微角锥体，可以改善清洁材料的最大清洁效率。该微特征具有预定的纵横比(直径对高度之比)和横截面(方形、圆形、三角形等)。在图5A中，分开的微特征由横越具有预定特性的中间柔顺层或刚性层的组合的单一层212构成。作为一种微特征结构的例子，图5A中所示的方形微管柱可使用精确制造且可控的切割方法的组合形成，由此主轴具有100微米的尺寸，“街”和“道”的宽度小于50 u m。“街”和“道”的深度通过该切割方法控制，以获得纵横比。在本实施例中，特征具有100微米的主轴宽度和200微米的深度(高度)。在该结构中，该深度是不切割通过清洁材料层或进入底层获得。在图5B中，均匀分开的微特征可由包括具有预定特性的中间柔顺层或刚性层207的多个层213构成。该微特征的尺寸和轮廓可根据接触元件的结构和材料来改变，以获得将碎屑移除但是不会损坏探针元件的垫。如果微特征相对接触元件的轮廓较大，这将不利地影响清洁性能。如果微特征相对接触元件的轮廓较小，对向力将不足以有助于获得高的清洁效率来移除附着的污染物。通常，该微特征可具几种类型的轮廓，包括圆柱形、方形、三角形、矩形等。各微特征的主轴的横截面尺寸可大于或等于25 并小于300 ym，各微特征可具有范围在I : 10到20 I之间的纵横比(高度对宽度)。该微特征轮廓可在清洁层的制造中被调整，使得材料可以重新成形、削尖或重新磨光探针元件尖端。在一个实施例中，图6A和图6B示出了具有微特征(清洁材料224、324的微管柱219和微角锥体319特征)的清洁材料的放大剖视图；但是，这些特征还可以是任何其它的规则轮廓特征。微特征在负载下的变形不仅取决于负载，还取决于特征的横截面的轮廓。在图6A中，微管柱间隔或间距215 ;惯性的面积矩或惯性的二次矩216，其是可被用来预测特征的抗弯曲和变形性的形状特性；清洁垫长度217 ;中间垫长度218以及微管柱219的总长度根据接触元件和支持硬件的特定结构来预先确定。对于尖形和/或矛形的接 触元件，微管柱的轮廓使得清洁特征可以嵌入接触元件“之间”，并与接触元件物理接触，以沿着探针尖端的侧面提供清洁作用和碎屑收集。在本实施例中，对于露出360微米的尖端长度，接触元件的接口设计可具有125微米的接触元件间隔(或间距)。对于清洁材料，特征主要横截面轴线长度将小于125微米，高度将至少为60微米，以助于超程移动到清洁材料。该特征将提供一对向力到尖形和/或矛形接触元件，以开始清洁和/或材料移除操作。图6B中，微角锥体顶间隔或间距315、沿高度的可变的惯性矩316、清洁垫角锥体长度317、角锥体截头高度318和微角锥体319的总高度根据接触元件和支持硬件的特定结构来预先确定。作为示例，对于一组多点冠形接触元件，微角锥体轮廓使得清洁材料可嵌入冠形接触件的多个尖端内，并在接触元件之间物理地接触，以提供沿探针侧面的清洁操作和碎屑收集。对于一组多点冠形接触元件，微特征轮廓使清洁特征可嵌合在接触元件“之间”和“之内”，并与接触元件实体接触，以提供沿探针尖端的侧面的清洁操作和碎屑收集。如果使用精确切割加工，微特征的形状将由切口(例如，“街的宽度和形状”，“道 的宽度和形状”)来限定，如果使用铸造工艺，则由模制形状限定。作为示例，接触元件接口设计可在125微米的接触元件内具有尖端到尖端的间隔、300微米的露出尖端长度和125微米的接触元件间隔(或间距)。对于清洁材料的微特征，微特征的顶表面的主横截面的轴长度将小于125微米，以有利于接触器的清洁。整体高度将至少为200微米，以助于超程移动到清洁材料，并提供足够的反向力到接触元件的多点冠形尖端，以启动清洁和/或材料移除操作。该微特征在微特征的本体内或在微特征的基部处沿微特征的长度可具有附加到顶表面上的研磨颗粒。在一个实施例中，平均的微特征可具有等于或大于l.Oym的横截面宽度、等于或小于400 u m的高度和小于15. 0 y m的平均研磨颗粒尺寸。可结合到并贯穿材料层和微特征的典型研磨物可包括氧化铝、碳化硅和金刚石，但是研磨颗粒还可以是莫氏硬度等于或大于7的其它熟知的研磨材料。附加到微特征的研磨材料的量和尺寸可根据接触元件的结构和材料来改变，以获得将移除并收集碎屑但是不会损坏接触元件和支持硬件的垫。图7A、7B和7C是示出了清洁材料224和324的实施例的简图，其中微特征使用预定的街351、道352和对角线353相互分离并形成有预定的惯性矩，以移除不需要的相互作用和其它耦合效应，并获得预定的表面柔顺性，使得当销元件接触垫表面时，一对向力由材料施加到在接触元件尖端轮廓内的接触区域和支持结构，以增加移除碎屑和污染物的效率。街、道的宽度和对角线的宽度可根据探针元件的结构和材料来改变，以获得分离的材料表面，来一致地移除接触元件的侧面和接触元件尖端轮廓特征内的碎屑。街、道和对角线可具有横越宽度的一致地、优先分布的研磨颗粒。街、道和对角线的宽度以及横越该宽度的研磨材料的尺寸可根据接触元件的结构和材料来改变。该清洁系统和清洁垫不仅从接触元件和支持硬件表面移除并收集附着的颗粒，并且维持接触表面的形状和轮廓特性。将测试器接口的接触元件插入清洁装置，诸如图3A中所示的晶圆装置20、图3B中的基板装置21、和图3C中的仿制封装装置22，这从接触元件和支持硬件移除附着的碎屑，而不会留下随后必须使用另一线上或离线程序去除的任何有机残留物。此外，接触元件和轮廓的整体电气性能不受影响；但是，可恢复高产量和低接触电阻所需的整体电气性能。现在将描述用来清洁多个探针元件和支持硬件的方法。该方法实现了从接触元件移除碎屑而不需要从ATE移除测试器接口的目标，由此增加了测试器的生产率。该清洁装 置可具有与由测试器测试的典型DUT相同的尺寸和形状，其可被插入预定的清洁托盘内。该装置的清洁材料层根据测试器接口的接触元件和支持硬件的结构和材料具有预定的物理、机械和轮廓特性。具有微特征的清洁材料的一个实施例适用于清洁晶圆级测试的测试器接口 12的接触元件13，例如钨针、垂直探针、眼镜蛇状探针、MEM型探针、柱塞型探针、弹性探针、滑动接头、形成在薄膜上的接触凸块探针等。对于该示例性实施例，图8A中示出了标准的悬臂式探针卡。清洁材料224被安装到晶圆基板20或清洁区域基板500上。在特定时间间隔内，当清洁材料224被驱使与接触元件接触到预定垂直位置时，接触元件被清洁。间隔215、惯性矩216和微管柱的总长度219基于在本实施例中为悬臂式探针卡的接触元件400的结构和材料来设置。当接触元件400运用到清洁材料224上时，碎屑沿着尖端长度的侧面从接触元件的接触表面移除。微管柱的间距、轮廓和研磨性使得该接触元件上的反向力施加足够的清洁来从接触元件移除和收集碎屑。如上所述，该清洁步骤可发生在当清洁材料被周期性地从布置在测试器接口的接触元件下面的清洁托盘安装时或者每次从晶圆盒安装时，或者每次在该ATE使用安装在抛光板上的清洁材料进行接触元件的清洁操作时。因为该接触元件的清洁是在测试机的一般操作中完成的，所以清洁装置的使用无论如何都不会中断ATE的操作。以此方式，清洁装置是便宜的，并允许接触元件被清洁和/或成形，而不需要从ATE移除接触元件或测试器接口。现在，将描述清洁装置的另一个实施例。现在，将描述清洁装置的另一个实施例，其中该清洁装置可用来清洁被用来电气测试DUT的接触元件，其中来自晶圆的单个半导体装置已经被封入例如塑料等材料。上述实施例将通常被用于在分割和/或封入组装的封装之前测试晶圆或半导体晶圆上的一个或多个晶片的系统。在该示例性实施例中，该清洁装置可与处理和测试封装的集成电路的ATE和测试器一起使用。该IC封装可具有从封装延伸出的一个或多个电引线或焊料球，其连通诸如功率信号、接地信号等电信号和封装15的晶片内侧。在本实施例中被称作测试插座12的测试器接口将具有多个接触元件13 (类似于上面描述的探针卡测试器)，该接触元件接触封装的引线并测试封装的DUT的电气特性。一般而言，接触元件被安装到弹性加载的测试探针上，并具有单个矛形特征403或带有多个尖端402的冠形特征的轮廓特征。与探针卡清洁器实施例相似，该清洁装置近似具有基板的DUT形状，清洁垫材料应用到该基板上，使得测试插座的接触元件可周期性地接触清洁垫表面，以将碎屑从探针元件的尖端移除。清洁装置的尺寸可以改变，以适合特定插座的尺寸和形状或接近特定装置的尺寸。在图8B所示的具有微特征的实施例中，该微角锥体结构324可以使用，其中清洁装置的轮廓特征具有间距、轮廓和研磨性，使得接触元件上的反向力施加足够的清洁，以在接触元件405的中心内移除和收集碎屑。利用具有宽度和深度的街350、道351和对角线352分离微角锥体特征326是根据接触元件的结构和材料预先确定的。微角锥体特征的间距、轮廓和研磨性使得接触元件上的反向力施加足够的清洁，以从接触元件移除和收集碎屑。由此，垫/聚合物/基板层和表面微特征的数目是可控的，以控制清洁装置的总厚度和清洁的厚度的柔顺性。多层的实施例还将为插座的内部和探针的接触器提供“边缘-侧边”清洁。该方法和装置提供一个或多个优点，包括但不限于维持清洁接触器和接触销。虽 然本发明已参照特定的说明性实施例来描述，但是这里所述的实施例并不以限制方式构造。例如，这里所示并所述的实施例中的步骤的变化和组合可在不偏离本发明的情况下用于特定的情形中。通过参考附图、说明书和权利要求书，本领域的技术人员可清楚了解说明性实施例的各种修改和组合以及本发明的其它优点和实施例。本发明的范围将由所附权利要求及其等效物所限定。尽管前面已参照本发明的特定实施例，但是本领域技术人员可以理解在不偏离由所附权利要求限定的本发明的原理和精神的情况下可对本实施例进行变化。
权利要求
1.一种测试探针清洁材料，其用来清洁用于晶圆级或封装级IC半导体装置功能测试的测试接口的接触元件和支撑结构，所述清洁材料包括 清洁垫层； 一个或多个中间层，其位于所述清洁垫层的下面，所述一个或多个中间层支撑所述清洁垫层并具有所述一个或多个中间层的一组预定特性，所述预定特性被选取用来优化用于测试接口的特定接触元件和支撑结构的清洁材料，其中，弹性系数具有从大于40MPa到600Mpa的范围，每层具有在25iim和300 y m之间的厚度，并且每层具有在30Shore A和90Shore A之间的硬度；以及 其中，所述中间层还包括多个研磨颗粒，所述研磨颗粒的莫氏硬度等于或大于7，所述研磨颗粒被选取用来优化用于测试接口的特定接触元件和支撑结构的清洁材料。
2.根据权利要求I所述的清洁材料，其特征在于，所述一个或多个中间层还包括一个或多个柔顺层。
3.根据权利要求I所述的清洁材料，其特征在于，所述一个或多个中间层还包括一个或多个刚性层。
4.根据权利要求I所述的清洁材料，其特征在于，所述一个或多个中间层还包括至少一个刚性层和至少一个柔顺层。
5.根据权利要求I所述的清洁材料，其特征在于，所述一个或多个中间层提供研磨性、比重、弹性、黏性、平面性、厚度和多孔性中的一个或多个。
6.根据权利要求5所述的清洁材料，其特征在于，所述清洁垫层提供研磨性、比重、弹性、黏性、平面性、厚度和多孔性中的一个或多个。
7.根据权利要求2所述的清洁材料，其特征在于，每个柔顺层由具有每英寸10到150个微孔的多孔性的橡胶、合成聚合物和天然聚合物中的一个或多个制成。
8.根据权利要求3所述的清洁材料，其特征在于，每个刚性层由具有每英寸10到150个微孔的多孔性的橡胶、合成聚合物和天然聚合物中的一个或多个制成。
9.根据权利要求I所述的清洁材料，其特征在于，所述多个研磨颗粒还包括选自由氧化铝、碳化硅和金刚石组成的组中的一种或多种颗粒。
10.根据权利要求I所述的清洁材料，其特征在于，所述多个研磨颗粒还包括一种或多种颗粒的混合物，所述颗粒选自由氧化铝、碳化硅和金刚石组成的组。
11.根据权利要求I所述的清洁材料，其特征在于，所述多个研磨颗粒还包括一种或多种颗粒的混合物，每种所述颗粒都具有选自从0. 05 i! m到15 i! m的尺寸范围的尺寸。
12.根据权利要求11所述的清洁材料，其特征在于，所述多个研磨颗粒还包括一种或多种颗粒的混合物，所述颗粒选自由氧化铝、碳化硅和金刚石组成的组。
13.根据权利要求I所述的清洁材料，其特征在于，所述多个研磨颗粒在所述中间材料层内空间分布。
14.根据权利要求I所述的清洁材料，其特征在于，还包括顶部保护牺牲层，以保护和隔离所述清洁垫层不受污染。
15.根据权利要求I所述的清洁材料，其特征在于，还包括粘附到一个或多个中间层的粘合层，所述粘合层将所述清洁材料固定到基板上。
16.根据权利要求15所述的清洁材料，其特征在于，还包括可移除的释放衬垫，所述释放衬垫被移除以露出所述粘合层。
17.根据权利要求I所述的清洁材料，其特征在于，所述清洁垫层还包括多个具有预定轮廓和尺寸特性的轮廓微特征，所述轮廓微特征被选取来优化所述清洁材料，以使所述接触区域和周围的支持硬件在没有改变或损害的情况下被清洁。
18.—种测试探针清洁材料，其用来清洁用于晶圆级或封装级IC半导体装置功能测试的测试接口的接触元件和支撑结构，所述清洁材料包括 清洁垫层，其包括多个具有预定轮廓和尺寸特性的轮廓微特征，所述轮廓微特征被选取来优化所述清洁材料，以使接触区域和周围的支持硬件在没有改变或损害的情况下被清洁，其中所述清洁垫层还包括多个莫氏硬度等于或大于7的研磨颗粒，所述研磨颗粒被选取用来优化用于测试接口的特定接触元件和支撑结构的清洁材料；以及 一个或多个中间层，其位于所述清洁垫层的下面，所述一个或多个中间层支撑所述清洁垫层并具有所述一个或多个中间层的一组预定特性，所述预定特性被选取用来优化用于测试接口的特定接触元件和支撑结构的清洁材料，其中，弹性系数具有从大于40MPa到600Mpa的范围，每层具有在25iim和300 y m之间的厚度，并且每层具有在30Shore A和90Shore A之间的硬度。
19.根据权利要求18所述的清洁材料，其特征在于，每个轮廓微特征均匀地成形且有规则地分隔开。
20.根据权利要求18所述的清洁材料，其特征在于，所述微特征的横截面和所述多个研磨颗粒改进碎屑移除和收集效率。
21.根据权利要求18所述的清洁材料，其特征在于，每个微特征具有纵横比和由此产生的截面二次矩或惯性矩，以控制所述微特征的抗弯曲性。
22.根据权利要求18所述的清洁材料，其特征在于，所述多个研磨颗粒沿着各个微特征的侧面并在各个微特征的表面上被应用到各个微特征的一个顶表面。
23.根据权利要求18所述的清洁材料，其特征在于，所述多个研磨颗粒被分布在各个微特征的本体内。
24.根据权利要求18所述的清洁材料，其特征在于，所述多个研磨颗粒被应用到各个微特征的基部。
25.一种清洁装置，其用来清洁半导体测试装置内的销接触元件和支持硬件，所述清洁装置包括 清洁层，其具有适于特定销接触元件的预定结构； 基板，其具有在所述测试装置的一般测试操作中被引入所述测试装置的结构，其中所述基板包括代用半导体晶圆或封装IC装置； 所述清洁层被固定到所述基板，所述清洁层具有预定特性，使得当所述销接触元件和支持硬件接触所述垫时，所述垫清洁所述销接触元件和支持硬件的碎屑，从而清洁所述销接触元件和支持硬件且没有改变所述测试装置的一般操作。
26.根据权利要求25所述的清洁装置，其特征在于，还包括一个或多个中间层，所述一个或多个中间层提供研磨性、比重、弹性、黏性、平面性、厚度和多孔性中的一个或多个。
27.根据权利要求26所述的清洁装置，其特征在于，所述清洁垫层提供研磨性、比重、弹性、黏性、平面性、厚度和多孔性中的一个或多个。
28.根据权利要求26所述的清洁装置，其特征在于，所述一个或多个中间层还包括一个或多个柔顺层。
29.根据权利要求26所述的清洁装置，其特征在于，所述一个或多个中间层还包括一个或多个刚性层。
30.根据权利要求26所述的清洁装置，其特征在于，所述一个或多个中间层还包括至少一个刚性层和至少一个柔顺层。
31.根据权利要求28所述的清洁装置，其特征在于，每个柔顺层由具有每英寸10到150个微孔的多孔性的橡胶、合成聚合物和天然聚合物中的一个或多个制成。
32.根据权利要求29所述的清洁装置，其特征在于，每个刚性层由具有每英寸10到150个微孔的多孔性的橡胶、合成聚合物和天然聚合物中的一个或多个制成。
33.一种清洁装置，其用来清洁半导体测试装置内的销接触元件和支持硬件，所述清洁装置包括 清洁层，其具有适于特定销接触元件的预定结构，所述清洁层包括多个具有预定轮廓和尺寸特性的轮廓微特征，所述轮廓微特征被选取来优化所述清洁材料，以使接触区域和周围的支持硬件被清洁且没有改变或破坏，其中所述清洁层还包括多个莫氏硬度等于或大于7的研磨颗粒，所述研磨颗粒被选取用来优化用于测试接口的特定接触元件和支撑结构的清洁材料； 基板，其具有在所述测试装置的一般测试操作中被引入所述测试装置的结构，其中所述基板包括代用半导体晶圆或封装IC装置；以及 所述清洁层被固定到所述基板，所述清洁层具有预定特性，使得当所述销接触元件和支持硬件接触所述垫时，所述垫清洁所述销接触元件和支持硬件的碎屑，从而清洁所述销接触元件和支持硬件且没有改变所述测试装置的一般操作。
34.根据权利要求33所述的清洁装置，其特征在于，每个轮廓微特征均匀地成形且有规则地分隔开。
35.根据权利要求33所述的清洁装置，其特征在于，所述微特征的横截面和所述多个研磨颗粒改进碎屑移除和收集效率。
36.根据权利要求33所述的清洁装置，其特征在于，每个微特征具有纵横比和由此产生的截面二次矩或惯性矩，以控制所述微特征的抗弯曲性。
37.根据权利要求33所述的清洁装置，其特征在于，所述多个研磨颗粒沿着各个微特征的侧面并在各个微特征的表面上被应用到各个微特征的一个顶表面。
38.根据权利要求33所述的清洁装置，其特征在于，所述多个研磨颗粒被分布在各个微特征的本体内。
39.根据权利要求33所述的清洁装置，其特征在于，所述多个研磨颗粒被应用到各个微特征的基部。
40.一种用于清洁诸如晶圆探测器或装置处理器等半导体测试装置内的销接触元件和支持硬件的方法，其包括 将清洁装置加载到所述晶圆探测器或封装装置处理器，所述清洁装置包括一般由所述测试装置测试的具有相同结构的IC半导体装置，所述清洁装置具有顶表面，所述顶表面具有清洁探测元件的预定特性；以及在所述晶圆探测器或封装装置的一般测试操作中，使所述销接触元件和支持硬件接触所述清洁装置，使得在所述测试装置的一般操作中将任意碎屑从所述销接触元件和支持硬件移除。
41.根据权利要求40所述的方法，其特征在于，所述清洁还包括在所述销接触元件和支持硬件被清洁时，将一个或多个清洁装置周期性地加载到所述测试装置。
42.根据权利要求40所述的方法，其特征在于，所述加载还包括将一个或多个清洁装置加载到诸如晶圆盒和JEDEC托盘等一个或多个装置支承架和具有被所述晶圆探测器或装置处理器测试的晶片的半导体晶圆，使得所述清洁装置在各个晶片和封装装置的测试过程中被接触。
43.根据权利要求40所述的方法，其特征在于，将所述销接触元件和支持硬件在被清洁状态下保持一段更长的时间增加了生产效能并增加了制造者的收入。
44.根据权利要求40所述的方法，其特征在于，诸如密度和研磨性等清洁材料的特性可以被选取用于任何给定的探针元件材料或形状，以从销接触元件和支持硬件上清洁埋入或结合的碎屑，减小了手动清洁所需的停机量，并增加了制造者的生产量。
全文摘要
本发明公开了一种用以在手动、半自动或自动处理装置中，可预测地清洁诸如探针卡和测试插座等测试器接口的接触元件和支持硬件的介质和电气测试设备，使得单个晶片或IC封装的功能和性能能够被电气地评估。
文档编号B08B7/00GK102802821SQ201080055996
公开日2012年11月28日 申请日期2010年12月3日 优先权日2009年12月3日
发明者布雷特·A·汉弗里, 詹姆斯·H·杜瓦尔, 阿兰·E·汉弗里, 杰里·J·布罗兹 申请人:国际测试解决方案有限公司, 布雷特·A·汉弗里, 詹姆斯·H·杜瓦尔