球栅阵列封装的平面化和测试的制作方法

专利名称：球栅阵列封装的平面化和测试的制作方法
背景技术：
球栅阵列封装(BGA)能提供具有高密度端子的封装的集成电路器件。图1A示出了包括在互联衬底140上的半导体器件110的常规BGA封装100的范例。可以为任何类型的半导体器件的器件110通常具有电连接到互联衬底140上的接触焊盘或迹线的电接触焊盘。图1A示出了其中丝焊120将半导体器件110电连接到互联衬底140的范例，且密封剂130保护并绝缘丝焊120。或者，其他电连接技术例如倒装芯片封装技术可以向互联衬底140提供电连接。互联衬底140通常由包括提供电信号通路的导电迹线(未示出)的绝缘体制成。器件110的接触焊盘或端子连接到互联衬底140内和上面的导电迹线，并通过导电迹线连接到外部端子150。
外部端子150可以设置为一般称为球栅阵列(BGA)的阵列并且典型地是金属凸点，例如焊球。在外部端子150中的焊料可以回流以将封装100贴附到印刷电路板或其他电系统。当在电系统中连接封装100时可能产生的困难是端子150高度的不均匀。具体地，制造工艺通常产生一些大于平均值的端子150’和一些小于平均值的端子150”。较小的端子150”在回流或其他焊接过程中不能与下面的印刷电路板或系统很好地接触，导致不可靠的连接。
互联衬底的翘曲可以类似地使电连接不可靠。图1B示出了包含器件110的倒装芯片封装102。在倒装芯片封装102中，在器件110的接触焊盘上的金属凸点122接触互联衬底142上的接触焊盘或迹线。器件110与互联衬底142之间的绝缘填充材料132可以用于改善封装102的热学或机械性质。
用于互联衬底142的制造工艺或将互联衬底142贴附到器件110的工艺会引起衬底142的翘曲。具体地，器件110与衬底142之间在互联衬底142上厚度或形状变化的填充材料132会引入导致翘曲的应力。这种翘曲在用于低轮廓封装(low profile package)的衬底142相对薄(例如小于约2mm厚)时尤其普遍。不论什么原因，衬底142的翘曲会改变端子150的高度，从贴附封装102的印刷电路板的平坦表面移开一些外部端子150。这样翘曲导致了端子150的非平面阵列及较不可靠的电连接。
用于改善球栅阵列或器件的其他外部端子的平面度的方法能提高在较大系统中连接封装时形成的电连接的质量。

发明内容
根据本发明要的一方面，可以在形成用于封装测试的电接触时，通过使用平整化电端子的测试设备而提高在器件封装上的多个外部端子或球栅阵列的平整度。在测试后，封装具有平面度提高的外部端子，其改善在包含封装的系统组装时的电连接。
本发明的一个具体实施例是用于测试包含器件的封装的工艺。该工艺通过例如将封装塞进具有用于电接触的探针尖端的测试插座，使测试器上的探针尖端和封装上的外部端子接触。系统中的压缩力提供好的电接触以通过探针尖端与外部端子的电连接而进行器件电测试，并能使外部端子变形以提高外部端子的平面度。
探针尖端能固定到由与所测封装中的互联衬底相同的材料制成的例如印刷电路板或插座衬底的衬底。在可选择的实施例中，探针尖端可以是形成在衬底上的焊盘或凸点。每个探针尖端可以包括平坦的接触区并平整化相应一个外部端子，同时提供到外部端子的电连接。具体地，具有宽度为端子之一的宽度的至少一半的平坦的接触区通常能提供足够的端子(例如焊球)平整，而不在端子顶部中形成凹陷。为了在探针衬底的热性质与封装的热性质不同时允许在宽的温度范围内进行测试，远离中心点的探针尖端可以具有比靠近中心点的探针尖端更大的面积。
本发明的另一实施例是测试工艺。测试工艺通常包括将包括一组带有图案的接触焊盘的印刷电路板连接到测试设备，其中所述图案与包括器件的封装的提高的端子相匹配。该工艺使封装与印刷电路板接触，使器件上的提高的端子与印刷电路板上的接触焊盘电连接。然后测试设备能够通过印刷电路板到封装的电连接测试器件。
本发明的再一实施例是封装测试系统。该测试系统包括接触结构，具有带平坦接触表面的探针尖端；测试器，电连接到所述接触结构；和一机构，用于将所述平坦接触表面和封装上的端子或BGA压在一起。在一些实施例中，探针尖端可以是印刷电路板上的接触焊盘或凸点，且每个接触表面具有为相应一个端子宽度至少一半的宽度。


图1A和1B示出了在常规半导体器件封装中的非平面外部端子；图2是根据本发明实施例的封装测试设备的方框图；图3A、3B、3C和3D示出了根据本发明的实施例的测试工艺，其提高了封装上的外部端子的平面度；图4是根据本发明的实施例的探针的透视图，该探针用于测试和平面化待测封装的外部端子；图5A和5B示出了根据本发明的实施例的探针，其在一温度范围内保持与测试下的封装对准。
在不同图中用相同的参考标号表示相似或相同的元件。
具体实施例方式
根据本发明的一方面，测试工艺提高具有BGA的半导体器件封装的外部端子或类似外部端子的平面度。测试工艺可以采用具有至少使具有最高高度的封装端子变形的探针尖端的接触结构。结果，能减小封装端子高度的总体变化。
图2是根据本发明实施例的测试设备200的方框图，其改进了封装端子的平面度。测试设备200包括自动测试设备(ATE)210、具有测试板225的测试头220、包括插座衬底232和插座盖236的插座230。测试设备200电测试具有外端子255的封装250。
封装250可以包括任何类型的器件或包含但不限于存储芯片、控制器、处理器、特定用途集成电路(ASIC)的器件，或者任何类型的集成电路或单独器件。该器件可以通过任何期望的技术包括但不限于图1A所示的丝焊(wire bonding)或图1B所示的倒装芯片封装而连接到外部端子255。与外部端子255一样，封装250具有例如采用焊料回流工艺用于安装到印刷电路板或其他电子系统的金属凸点。在本发明的示范性实施例中，外部端子255形成球栅阵列(BGA)。对目前的器件封装，端子150典型地具有约500μm与约1000μm之间的平均高度，取决于阵列间距。端子150可以为例如焊球或包括例如层叠焊球的多金属层的复合结构、或者覆盖有焊料层、焊球、金、或金接线柱(gold stud)的铜或其他金属柱。
对于封装测试，作为插座衬底232一部分的探针尖端234排列成与封装250上的端子255相匹配的图案。探针尖端234可以是直接形成在插座衬底232上的金属探针，但插座衬底232还可以包括一个或多个用于提供探针尖端234与测试头220之间的电连接的独立的互联衬底或器件。
为了测试，封装250被插入插座230，外部端子255接触探针尖端234。然后插座盖236可以被足够的力挤压或操作以将封装250推向探针尖端234从而使端子255非弹性形变。然后ATE 210通过测试头220和探针尖端234施加电输入信号到端子255，并测量所得的输出信号从而判定器件或封装200中的器件是否起作用并提供所需的性能。
ATE 210、测试头220和测试板225可以是能够从包括AgilentTechnologies，Inc.、Teradyne，Inc.和LTX公司的很多供应商商业获得的标准测试设备。ATE 210一般以取决于器件或封装250中的器件类型的常规方式进行封装250中的器件的电测试。
根据本发明的一方面，探针尖端234具有有限的屈服量(compliancy)以利于封装测试过程中端子255的变形。插座衬底232可以为例如有凸点的或没有凸点的互联衬底或印刷电路板。这种互联衬底典型地由有机材料例如聚酰胺或其他绝缘材料制成，并包括将在互联衬底一侧的凸点或接触焊盘电连接到在互联衬底相对侧的接触焊盘和/或BGA的导电迹线(trace)。在互联衬底一侧的凸点或焊盘形成探针尖端234，其接触封装250的端子255用于电测试，并能施加足够的压力从而引起端子255的变形。在互联衬底相对侧的BGA或其他端子通过测试板225提供到测试头220和ATE 210的电连接。
包括探针尖端234的插座230和插座衬底232可以是一个同质的/集成结构或独立元件。在一个实施例中，探针尖端234位于作为插座230的可移除部分而贴附的独立衬底上。这允许使用具有用于测试不同封装的不同探针尖端234的插座230。具有可替换探针尖端234的插座230还具有允许快速替换损坏的探针尖端使得ATE 210的故障时间最小化的优点。
插座衬底232可以刚性安装或弹簧安装在插座230中以向探针尖端240的整体提供有限的屈服量。屈服量可以从非屈服或刚性安装的0到弹簧安装的约15密耳(mil)或以上的范围变化。在测试中期望的端子255的变形或平面化，如下面将要描述的，通常控制固定的或屈服安装(compliantmounting)的选择、屈服安装的最大移动距离、弹簧或其他可压缩结构的数目、和在插座衬底232的屈服安装中的可压缩结构的弹簧常数或模量。
可以使用印刷电路板技术生产的探针尖端234具有容易配置以匹配特定封装的优点。小型和非屈服探针尖端234的另一优点是与针、弹簧或悬臂探针相比的耐用性。探针尖端234还可以具有相对大的平坦接触面积，如下所述。平坦接触面积，除了在使用和清洁时不容易被损坏外，还没有吸附并容纳粒子的突起或尖点。结果，即使在不进行清洁而延长使用后，探针尖端234也可以继续向被测封装提供低接触电阻。
在测试设备200中，例如插座盖236上的压板的机械系统产生压力，该压力提供好的电连接并引起探针尖端234在封装250手动插入插座230中后使端子255变形。或者，测试操作系统可以包括拾取封装250并将封装250插入插座230的自动机械臂或系统。同时，自动系统可以向封装250施加压力以非弹性变形，并提高端子255的平面度。在测试后，测试操作系统将好的封装移动到运输盘(shipping tray)或运输介质用于随后的运输。
图3A到3D示出了根据本发明实施例的测试和平面化过程。图3A示出了在测试前封装300的一部分。封装300包括其上安装有器件或多个器件(未示出)的互联衬底310。封装300的外部端子320、322和324可以是焊球、金属柱或其他导电结构。这样的端子通常设置在球栅阵列(BGA)中。理想地，所有的外部端子320、322和324相对于参考平面升高到相同的高度。然而，在示出的封装300中，制造中的变化引起了一些端子322短于最高端子320。此外，互联衬底310的翘曲也改变端子320、322和324的相对高度。在图3A的范例中，端子322和324的顶从最高端子320的顶处的平面分别偏离Z1和Z2。如果偏离Z1或Z2太大，在将封装300贴附到印刷电路板或其他平面电子系统时会导致弱的或有缺陷的连接。
图3B示出了根据具有平坦探针尖端332的发明实施例的包括测试衬底330的系统。平坦探针尖端332优选具有端子320、322和324直径的至少一半的宽度。在本发明的一个实施例中，测试衬底330是印刷电路板且探针尖端332是印刷电路板表面上的接触焊盘或金属迹线。探针尖端332应该由能在施加端子320、322和324的非弹性形变所需的力时避免非弹性形变的金属制成。当器件端子包括有延展性的材料例如焊料时，例如铜的材料适合于探针尖端332。
图3B示出了与衬底330表面相平的探针尖端332，但探针尖端332可以升高到测试衬底330表面以上或者甚至相对于衬底330表面的剩余部分凹入。然而，在封装300的测试或调节中，测试衬底330应该允许探针尖端332的底部与互联衬底310表面达到期望的分离。
为了测试，测试系统驱动封装300和/或衬底330，使得探针尖端332的底部至少接触相应的电端子320、322和324中的一些(例如，直到探针尖端332到达包括最高外部端子320的顶部的平面)。在图3B中，衬底330处于相应于包含具有最高高度的端子320的顶点的平面的高度H1，且一些探针尖端332与封装的相应外部端子322和324之间没有进行好的电接触。
然后测试设备进一步驱动衬底310和330，使之更靠近一段过度移动距离(overtravel distance)而形成分离距离H2，如图3C所示。此过程平坦化较高的外部端子320并向封装300的端子320、322和324提供好的电连接。标准测试设备350可以使用通过衬底330中的探针尖端332和迹线334传输的电信号而测试封装300。
测试工艺使端子320、322和324非弹性变形。因此，当如图3D所示测试衬底330从与封装300的接触中缩回时，平坦化的端子340、342和344更均匀地具有同样高度H3。这样端子340、342和344的顶部具有比端子320、322和324更好的平面度，且当把被探测的封装贴附到印刷电路板时，提高的平面度可以提高结合完整性(joint integrity)。
过度移动距离Z3通常在每个端子320、322和324至少必须足以提供低的接触电阻以允许封装的电测试。即使小的过度移动距离Z3(例如，电测试所需的最小过度移动)通常也导致最大端子的平坦化，提高端子的总体平面度，且因此提高在随后使用封装300组装的系统中互联节点的完整性。较大的过度移动可以进一步提高平坦度，直到过度移动距离Z3向所有端子320、322和324提供一些非弹性平坦化。在每个端子至少部分平坦化的点之后，端子340、342和344的平坦度的变化取决于平坦度的变化和探针尖端332的屈服量。探针尖端332可以在制造过程中采用精密工艺例如化学机械抛光(CMP)而平坦化，使得在测试后端子平面度的变化小。
图4示出了根据本发明的实施例的插座衬底400的透视图，其具有形成在印刷电路板410的接触焊盘414或迹线上的探针尖端412。迹线或通路孔(未示出)将焊盘414连接到位于印刷电路板410的相对侧面上的相应端子416。端子416用于连接到测试设备，例如到标准测试板或标准测试头。
在本发明的示范性实施例中，印刷电路板410由绝缘材料例如包含由例如铜或铝的金属制成的导电迹线的聚酰亚胺制成。板410可以具有适合测试设备中的插座的尺寸，但具有匹配待测封装上的端子(例如BGA)的图案的接触焊盘414。这种BGA目前具有1或2mm(例如1.7mm)的公共格栅间距。探针尖端412可以形成为具有0到约250μm之间高度的例如铝、铜、铂、铑或锡-铅的金属或者导电环氧树脂或有机材料柱。如上所述，例如CMP的工艺能平面化探针尖端412的顶部。每个探针尖端412的面积或直径通常取决于被测封装的外部端子的尺寸。对于包含约800μm直径的焊球的BGA，期望探针尖端412具有约400μm或更大的直径。
根据本发明的一方面，板410的材料可以选择为匹配待测封装中的互联衬底的热性质。因此，衬底400上在一个温度下匹配被测封装上的外部端子图案的探针尖端412的图案，在升高的温度下也匹配外部端子的图案。或者，如果板410和互联衬底的材料不同，探针尖端412(和焊盘414)的图案可以设计为在任何期望测试温度下匹配封装端子的图案。
根据本发明的另一方面，即使封装和探针具有不同的热性质，在一个探针卡上的探针尖端的图案或尺寸与封装端子在宽的温度范围内正常接触。图5A和5B示出了探针510，其具有随着距探针510中心的距离而尺寸增加的探针尖端511、512和513。为了探测，探针510中心与封装520的中心对准。图5A示出了在第一温度(例如室温)封装520的外部端子522如何与探针尖端511、512和513对准。可以在升高的温度(例如在120℃)进行“所处温度(at-temperature)”测试。结果，封装520的热膨胀可能与探针510的热膨胀由于它们各自热膨胀系数的不同而不同。通常，封装520的不均匀膨胀(differential expansion)会相对于相应探针尖端511、512或513而移动每个端子522，移动量与端子522和封装520中心之间的距离成比例。为了补偿不均匀膨胀，焊盘511、512和513在相应端子522的位置范围上方延伸，使得探针511、512和513的部分即使在图5B所示的升高的温度下也保持与相应端子522对准。
图5A和5B示出了焊盘面积随距离探针510中心的距离增加的实施例。或者，焊盘511、512和513可以都制成与最大焊盘513相同的尺寸。
虽然参照具体实施例描述了本发明，该描述仅作为本发明应用的范例，而不应理解为限制。公开的实施例的特点的各种改动和组合仍然在由权利要求所限定的本发明的范畴内。
权利要求
1.一种用于测试包含器件的封装的工艺，包括使探针尖端与封装上的外部端子相接触；使用所述探针尖端使所述外部端子变形，以提高所述外部端子的平面度；和通过所述探针尖端到所述外部端子的电连接而电测试所述器件。
2.如权利要求1所述的工艺，其中使所述探针尖端与所述外部端子接触包括将所述封装插入插座。
3.如权利要求2所述的工艺，其中使用所述探针尖端包括在所述插座中时向所述封装施加压力，从而所述探针尖端使所述外部端子变形。
4.如权利要求1、2或3所述的工艺，其中每个探针尖端具有平坦的接触区域，并平坦化相应的一个外部端子，同时提供到所述外部端子的电连接。
5.如权利要求4所述的工艺，其中所述平坦接触区域具有端子之一的宽度的至少一半的宽度。
6.如权利要求1到5的任一项所述的工艺，其中所述探针尖端固定到衬底。
7.如权利要求6所述的工艺，其中所述衬底是印刷电路板。
8.如权利要求6或7所述的工艺，其中所述探针尖端包括设置在所述印刷电路板表面上的结合焊盘。
9.如权利要求7所述的工艺，其中所述探针尖端包括设置在所述印刷电路板表面上的凸点。
10.如权利要求1到9的任一项所述的工艺，其中所述探针尖端具有适应所述外部端子图案的相对热膨胀的尺寸。
11.如权利要求1到10的任一项所述的工艺，其中所述外部端子形成球栅阵列。
12.一种探测工艺，包括连接印刷电路板到测试设备，其中所述印刷电路板包括一套接触焊盘，接触焊盘具有与包含器件的封装的升高的端子相匹配的图案；使所述印刷电路板与所述封装接触，使得所述器件上的升高端子与所述印刷电路板上的接触焊盘电连接；和使用测试设备通过所述印刷电路板与所述封装的电连接测试器件。
13.如权利要求12所述的工艺，其中所述印刷电路板上的所述接触焊盘直接接触所述封装的升高端子以形成电连接。
14.如权利要求12所述的工艺，其中所述印刷电路板上的接触焊盘包括直接接触升高的端子的凸点，以形成电连接。
15.如权利要求12、13或14所述的工艺，其中所述升高的端子包括焊球。
16.一种封装测试系统，包括衬底；探针尖端，位于所述衬底上，并具有平坦接触表面；测试器，电连接到所述探针尖端；和机构，能以足以使外部端子非弹性变形的力将所述封装的外部端子压向所述探针尖端。
17.如权利要求16所述的系统，其中每个接触表面具有为相应一个外部端子的宽度至少一半的宽度。
18.如权利要求16或17所述的系统，其中所述衬底包括印刷电路板，该印刷电路板具有与所述封装的外部端子图案相匹配的图案的接触焊盘。
19.如权利要求18所述的系统，其中所述探针尖端包括所述印刷电路板的接触焊盘。
20.如权利要求18所述的系统，其中所述探针尖端包括所述印刷电路板上的凸点。
21.如权利要求16到20的任一项所述的系统，其中所述探针尖端具有适应所述外部端子图案的相对热膨胀的尺寸。
全文摘要
器件封装上的外部端子或球栅阵列的平面度可以通过使用测试探针提高，该探针平坦化电端子的同时形成用于封装测试的电接触。在测试后，封装具有平面度提高的外部端子，该提高的平面度改善了在包含封装的系统组装过程中的电连接。
文档编号G01R31/02GK1798977SQ200480015127
公开日2006年7月5日 申请日期2004年4月27日 优先权日2003年5月1日
发明者马克·L·迪奥里奥 申请人:快速研究股份有限公司