金属化弹性探针结构的制作方法

专利名称：金属化弹性探针结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及电学连接，更具体而言涉及用于电学连接两个以上表面的改 进技术。
背景技术：
，通常包括多个接触的焊盘格栅阵列(LGA) —般被用做电子装置的元件 之间的插入机构(interposer)。例如，LGA可存在于芯片模块上的金属焊盘 的二维阵列与也称为印刷电路板(PCB)的印刷布线板(PWB)上的相应金 属焊盘之间，其中该LGA的接触将电学信号从芯片模块传导到PWB。当采用LGA时，恰当的导电性是一个重要的考量。亦即，电学信号必 须以高完整性通过LGA传导，且能够容纳相当大的安培数。在许多应用中， 这提出了巨大的挑战。例如，大多数芯片模块和PWB不是完美平面的，其 尺寸趋于为针对具体应用而特别的。尺寸从一个LGA到另 一个LGA也会变 化。这些尺寸变化使得形成跨过传统LGA所有接触的恰当电学连接是困难 的，即使纵然是可能的话。因此存在对于电学连接表面特别是非平面表面的技术的需求，该技术不 遭遇常规电学连接方法所出现的 一个或多个问题。发明内容本发明通过在示范性实施例中提供用于电子装置的增强探针结构，由此 满足上述需求。根据本发明一个方面，该探针结构包括具有横贯其平面的一 个或多个接触结构的电学绝缘载体。各个接触结构包括一种弹性体材料，其 具有沿其至少一个表面连续地伸展穿过载体平面的导电层。该探针结构包括 用于连接到测试设备的一个或多个其他接触结构。依据本发明一个实施例，通过在该导电层至少一部分上形成连续地伸展 穿过载体平面的绝缘层，以及在该绝缘层至少一部分上形成连续地伸展穿过 载体平面的第二导电层(例如，金属层)，提供了一种同轴探针结构。该第 二导电层可以连接到公共信号接地。依据本发明另一个方面，形成用于电子装置的探针结构的方法包括步 骤在电学绝缘载体上形成一个或多个接触结构，所述一个或多个接触^构 横贯载体平面，该一个或多个接触结构的每一个包括弹性体材料，该弹性体材料具有沿其至少一个表面连续地伸展穿过载体平面的导电层；以及形成用 于连接到测试设备的一个或多个其他接触结构。形成该一个或多个接触结构的步骤优选地包括步骤在载体上沉积弹性 体材料；以及金属化该弹性体材料，从而形成穿过载体平面并沿该弹性体材 料表面连续地伸展的导电层。依据本发明又一个方面，晶片探针互连装置包括具有横贯其平面的一个 或多个接触结构的电学绝缘载体。各个接触结构包括弹性体材料，该弹性体 材料具有沿其至少 一个表面连续地伸展穿过载体平面的导电层。该晶片探针 互连装置还包括用于连接到测试设备的一个或多个接触结构。由结合附图阅读的对本发明示范性实施例的下述详细描述，本发明的这 些和其他特征与优点变得显而易见。


图1为描绘根据本发明示范性实施例形成的示范性电学接触阵列的自顶 向下^L图。图2为根据本发明实施例的图1所示电学接触阵列的剖面视图。 图3为根据本发明实施例的图1所示电学接触阵列的另一个剖面视图。 图4为描绘根据本发明另 一个实施例形成的示范性电学接触阵列的自顶 向下碎见图。图5为根据本发明实施例的图4所示电学接触阵列的剖面视图。 图6为根据本发明实施例的图4所示电学接触阵列的另一个剖面视图。 图7为描绘根据本发明实施例形成的具有细长开口的示范性载体的自顶 向下浮见图。图8为描绘根据本发明实施例形成的在具有细长开口的载体上形成的示 范性弹性体凸块阵列的自顶向下视图。图9为描绘根据本发明实施例形成的在具有细长开口的载体上形成的示 范性电学接触阵列的自顶向下视图。图IO为根据本发明实施例的图9所示的电学接触阵列的剖面视图。图11为根据本发明实施例的图9所示的电学接触阵列的另一个剖面视图。图12为描绘冲艮据本发明另一个实施例形成的在具有细长开口的载体上 形成的示范性电学接触阵列的自顶向下视图。图13为示出根据本发明实施例，图12所示电学接触阵列沿线1238截 取的剖面视图。图14为示出4艮据本发明实施例，图12所示电学接触阵列沿线1240截 取的剖面视图。方法的图示。图16为根据本发明实施例形成电学接触所用的示范性模具的图示。图17为示出根据本发明实施例形成电学接触所用的模具的底半部的侧 面图和自顶向下视图的图示。图18为示出根据本发明实施例形成电学接触所用的模具的顶半部的侧 面图和自顶向下视图的图示。图19为示出根据本发明另一个实施例在载体上制作电学接触的示范性 方法的图示。图20为示出根据本发明实施例，在其上沉积有介电涂层的图13的示范 性结构的剖面视图。图21为示出冲艮据本发明实施例，在介电涂层上沉积有导电材料的图20 的示范性结构的剖面视图。图22为示出才艮据本发明实施例，包括导电图案的图21的示范性结构的自顶向下视图的图示。图23为描症会才艮据本发明示范性实施例，图22所示导电图案的两种示范 性形状的自顶向下视图的图示。图24为描绘根据本发明实施例，介电涂层的特定部分被选择性从其除 去的图21的示范性结构的剖面视图。图25为描绘根据本发明实施例，具有在其上形成的探针尖端(probetip) 的图24的示范性结构的剖面^L图。图26为描绘才艮据本发明实施例，具有在其上形成的焊盘的图24的示范 性结构的剖面视图。图27为描绘根据本发明示范性实施例，使用本发明导电结构的示范性 应用的图示。
具体实施方式
所有下述公开结合于此作为参考美国专利申请No. 09/254,769， 1999 年3月11日提交，其为1997年9月12日提交的国际专利申请No. PCT/US97/16264的美国国家阶段，其主张1996年9月13日提交的美国临 时专利申请No. 60/026,088的优先权；美国专利申请No. 09/254,768， 1999 年3月11日提交，其于2003年3月4日公布为美国专利No. 6,528,984，其 为1997年9月12提交的国际专利申请No. PCT/US97/16265的美国国家阶 段，其主张1996年9月13日提交的美国临时专利申请No. 60/026,088的优 先权；美国专利申请No. 09/254,798, 1999年3月11日提交，其于2002年 9月17公布为美国专利No. 6,452,406,其为1997年9月12日提交的国际专 利申请No. PCT/US97/13698的美国国家阶段，其主张1996年9月13日提 交的美国临时专利申请No. 60/026,050的优先权；美国专利申请No. 08/756,831， 1996年11月20日提交，其为1995年4月20提交，现在放弃 的美国专利申请No. 08/425,639的连续申请；美国专利No. 5,821,763;美国 专利No. 6,062,879;美国专利No. 6,295,729;美国专利No. 6,329,827;美国 专利No. 6,286,208;美国专利No. 6，054，651;美国专利No. 6,104,201;以及 美国专利No. 5,531,022。在此将在示范性电学接触的上下文中描述本发明。然而应该理解，本发 明不限于这些或任何其他具体电学接触结构。相反，本发明更广泛地适用于提供两个或多个表面之间增强的电学连接的技术。尽管本发明的实施在此是具体相对于LGA插入机构连接器及形成其的示范性方法进行描述，但是应该理解，本发明不限于这些应用与/或这种制作方法，且也可以类似地采用例 如半导体探测等的其他合适的应用与/或制作技术，这对于本领域4支术人员而言是显而易见的。图1为示出示范性电学接触阵列的自顶向下视图的图示。仅示例性地，图1所示2乘2 (2x2)电学接触阵列可构成焊盘格栅阵列(LGA)插入机 构连接器。具有电学接触的插入机构例如描述于2003年11月17日提交的 题为"Interposer With Electrical Contact Button and Method"的美国专利申i青 No. 10/715,288，其公开内容于此引入作为参考。各个电学接触，例如接触2, 包括弹性体凸块4，例如包括弹性橡胶。如下面结合图2的说明所述，在与 弹性体凸块4相对的载体8 —侧上存在类似的对应弹性体凸块。采用具有弹性体接触的LGA插入机构连接器提供了若干显著的益处。 例如，为了获得恰当的导电性，LGA插入机构连接器通常受到压力保持在 恰当位置，例如在通过弹簧和驱动硬件而施加的力下夹在连接的表面之间。 然而，由于连接的表面，例如芯片模块和印刷布线板(PWB)通常不是完美 平面，LGA插入机构连接器上的一些接触经受的力将大于其他接触经受的 力。由于弹性体材料的可变形但回弹的性质，弹性体接触非常适于容忍这些 力变化并确保在所有接触上的恰当导电性。该弹性体接触可包括任意合适的弹性体材料，包括但不限于聚二曱基硅 氧烷(PDMS)橡胶、硅橡胶、以及包括至少一种前述弹性体材料的组合。 根据示范性实施例， 一个或多个弹性体凸块包括PDMS橡胶，且通过光聚合 硅氧烷前驱体形成。除了上述橡胶化合物之外，其他弹性体材料适于形成弹性体凸块。这些材料包括但不限于聚氨酯、环氧、含丁二烯的聚合物、以及包括至少一种前 述弹性体材料的组合。下面将结合图15的说明，描述才艮据本发明的形成弹性体凸块的示范性 方法。弹性体凸块4包括位于其外表面上的金属层6。具体而言，将结合下面 的图2的说明更详细地描述，金属层6优选地从弹性体凸块4的顶部或顶点 到位于载体8相对面上的相对弹性体凸块的顶点是连续的，例如从LGA的源侧到端侧。优选地，金属层6在弹性凸块的最远点之间连续延伸。开口 (例如，载体8内的开口 10)允许金属层6在顶点之间无中断地延伸。通过弹性和延展性的某些组合，金属层6会具有与弹性体材料的良好粘 合，且是机械耐用的，例如抗破裂。因此，当例如如上所述，接触在芯片冲莫 块和PWB之间被压缩时，金属层6首先接触模块和PWB，随后进一步被压 缩，直到该力施加到阵列上的所有接触以形成接触。因此，由于连接表面的 偏离完美平面的拱形或其他形貌变形，某些接触较其他接触将被进一步压 缩。金属层6优选地包括适于有效导电的任何金属，包括但不限于铜、金、 镍钛合金、以及包括至少一种前述金属的组合。此外，通过任何合适的金属 沉积技术，包括但不限于溅镀、蒸镀、电镀、无电镀、以及包括至少一种前 述金属沉积技术的组合，可以施加金属层6，即弹性体凸块4可以金属化。仅示例性地，可以采用等厚金属化技术来施加金属层6。具体而言，可 以通过电镀例如足够厚度的铜，通过等厚金属化所有暴露表面而施加金属层 6。优选地，在该电镀之后，施加光致抗蚀剂，并例如通过光掩^^由光随后 曝光该光致抗蚀剂。该光致抗蚀剂被显影，暴露期望被蚀刻掉的区域。随后可以从载体8蚀刻掉不想要的金属材料。在蚀刻之后，可以从各个 弹性体凸块4除去不想要的光致抗蚀剂，仅留下呈期望几何形状的金属条， 例如从弹性体凸块4的顶部，沿弹性体凸块4侧面连续向下，通过开口 10 到达位于载体8另一侧上的弹性体凸块(未示出)的顶点。金属层6随后可选地例如通过选择性无电镀而用金涂覆，从而向接触赋 予抗腐蚀性。备选地，可以通过其他选择性金属化工艺，包括但不限于电镀， 使用包括但不限于镍的其他金属，涂覆金属层6。根据另一个示范性实施例，使用固体掩模施加金属层6,该固体掩模具 有置于需要金属化的弹性体凸块的区域上。用于形成金属层6的材料随后通 过常规沉积技术被施加，包括但不限于溅镀、蒸镀、镀覆、喷镀(例如，含 金属的溶液，诸如含有用于后续镀覆的诸如锡或靶的籽化合物的溶液)、以 及包括至少一种前述施加技术的组合。此外，通过例如以相对于弹性体凸块主轴的一个或多个角度施加用于形 成金属层6的材料，这些常规沉积技术即溅镀、蒸镀、镀覆和喷镀可以用于 选择性地将金属层6施加到弹性体凸块上，从而使金属层6仅沉积到弹性体凸块的选定区域上。可以使用或不使用固体掩模进行该选择性沉积。例如， 用于形成金属层6的材料可以按照某一角度(例如从一侧)喷镀在弹性体凸 块上，从而使金属层6基本上仅沉积在弹性体凸块的该侧上。根据又一个示范性实施例，选择性镀覆技术用于金属化弹性体凸块。具 体而言，通过将弹性体凸块全部暴露于选择性吸引、吸附或吸收到弹性体材料上或内的籽化合物，由此施加金属层6。合适的籽化合物包括但不限于纯 液体或者在溶液中的，含苯磷茂(phenylphosphene)的化合物、聚磷茂 (polyphosphene )、铂、钇、锡、锡盐、以及包括至少一种前述化合物的组 合。例如，含苯磷茂的化合物会吸收到PDMS内，且已知结合传统的钯锡胶 体催化剂系统，用于铜、镍和其他金属的无电镀沉积。此外，苯磷茂系统可以共价地结合到弹性体凸块的硅氧烷交联网络以最 大化镀覆的金属层的粘着。结果为弹性体凸块完全被金属包住，这提供了在 机械和电学性能方面优点和缺点的不同的平衡。该阵列随后可全部暴露于无电镀浴。"籽"弹性体凸块，而不是载体， 随后将被金属化。此外，如上所述，光致抗蚀剂和蚀刻可以用于从弹性体凸 块除去任何不想要的冶金部分。备选地，弹性体凸块可以首先通过上述技术选择性地镀覆，随后在镀层 上通过旋涂沉积而沉积光致抗蚀剂。光致抗蚀剂随后可以被光显影，且金属 化的不想要部分被除去。这会在弹性体凸块上形成期望的图案(与完全金属 包封相反)，且同时提供了一种为无电镀沉积形成籽的湿法工艺手段，无电 镀沉积成本通常低于溅镀和蒸镀技术。相反，上述的等厚镀覆技术通常需要 賊镀沉积粘着与籽层。根据另一个示范性实施例，光致抗蚀剂被首先施加到阵列，且随后显影 以形成期望的金属化图案。用于形成金属层6的材料随后全部沉积到阵列上， 例如通过溅镀、蒸镀或其组合。其余光致抗蚀剂随后可以被除去，随之除去 不想要的冶金部分。虚线12表示图2所示阵列的剖面视图的路径。虚线14表示图3所示阵 列的剖面视图的路径。图2为图1所示电学接触阵列例如沿虚线12的剖面视图的图示。图2 示出了弹性体凸块4具有从与弹性体凸块4相对的载体8 —侧向外伸展的相 应弹性体凸块5。才艮据该配置，该弹性体凸块对，例如弹性体凸块4和弹性体凸块5，在载体8上方和下方连续地延伸，例如通过载体8内的开口 10 和13。该弹性体凸块对，例如弹性体凸块4和5以及相关的金属层例如金属 层6,包括单个电学接触。如结合图1有关金属层6的说明在上文中类似地描述，开口 13允许弹 性体材料连续地通过载体8。因此，弹性体凸块在载体的两个相对侧上存在 正浮雕。载体8的合适的开始材料包括但不限于穿孔电学绝缘材料，例如穿孔陶 瓷或塑料片，诸如Kapton聚酰亚胺片(由E.I. du Pont de Nemours and Company, Circleville， OH制造)、或者玻璃织片。在载体中，开口 13可以冲 孔或激光钻孔成规则图案，例如lmm节距的二维阵列。相同节距的另一个 开口 IO图案随后叠加在开口 13的图案上，但是位置偏移了例如约一个半径 (如由弹性体凸块的中心到其外边缘的距离所决定)。具有两个开口阵列的载体随后置于模具内，且PDMS被注射或转移成型 为载体平面上方和下方延伸的浮雕特征。弹性体凸块的形状也可以J^于具体 应用进行调整。例如，弹性体凸块的高度可以被改变。此外，弹性体凸块可 以形成为圆锥形剖面(例如，具有平顶部和底部)。备选地，弹性体凸块可 以形成为具有圆顶部或多点顶部。圆顶部是有利的，例如与平顶部相比，因 为圆顶部对于金属化提供了平滑连续表面。多点顶部是有利的，因为其提供 了多点接触并用于集中从其产生而施加到接触的力。本发明的重要特征为，弹性体材料仅部分(例如， 一半)延伸跨过开口 10。该特征例如示于图2。按照这种方式，总是与空气接触的平滑连续表面 将从弹性体凸块4的最顶部沿其一侧向下，通过载体8内的开口 10，并沿在 载体8另一侧上的弹性体凸块5的一侧到其顶点。然而，预期所沉积的金属 层6会沿延伸到该路径其余部分，且有效地堵住开口 10。发生这种情形不会 影响该接触的功能。注意，从图2的描述，弹性体凸块4和5基本在轴向上以开口 13上方载体内的开口上方为中心，但是采用这种配置是有利的。例如，将弹性体凸 块在轴向上以载体内的开口为中心可以有益于成型工艺期间的材料转移并 确保弹性体凸块恰当地锚定到载体。通过使用填充有导电颗粒(例如，金属颗粒)的弹性体材料，可以有利地根据期望增加根据本发明的弹性体凸块，例如图l所示弹性体凸块4的导 电性。备选地，可以采用填充有固有导电的聚合物的弹性体材料。适用于本发明的导电聚合物例如在美国专利No. 6,149,840和5，776，587中描述，其全 部内容于此引入作为参考。图3为示出图1所示电学接触阵列例如沿虚线14的另一个剖面视图的 图示。图3示出了金属层6存在于弹性体凸块4和5的顶点上。图4为示出了另一个示范性电学接触阵列的自顶向下视图的图示。各个 电学接触例如接触42包括弹性体凸块44,该弹性体凸块如上所述是连续的， 且对应的弹性体凸块在载体47对侧上。弹性体凸块44包括金属层49。与图 1至3所示配置相反，4又使用存在于接触外边缘的载体内的开口例如开口 45a 和45b形成图4中的电学接触，从而将材料从载体一侧转移到另一侧。因此， 不需要靠近各个弹性体凸块中心轴的载体内的开口，例如上述图2中的开口 13。根据图4所示实施例，开口 45a用做形成金属层49的管道(conduit), 并具有与上述图2中开口 IO相似的功能。开口 45b作为用于形成弹性体凸 块44的弹性体材料的导管。开口 45b不用于电学目的。例如，开口45b在 形成金属层时不起作用。然而，开口 45b也用于将弹性体凸块44锚定到载 体47。因此，本文中考虑的配置具有多个开口例如45a和45b,.不具有中心 位于弹性体凸块44下方的开口 。虚线46表示图5所示阵列的剖面视图的路径。虚线48表示图6所示阵 列的剖面视图的路径。图4所示另一个特征为，由于存在用于形成金属层的导管的两个开口， 例如开口 45a，因此形成了两个相对的传导金属线。与单个非对称导体路径. 相比，采用这种配置是有利的。例如，具有两个传导线可以增强可靠性，并 有助于控制对信号完整性的电感应贡献。此外，金属层的形状(例如宽度、凸块表面上的路径、以及厚度)可以 调整以增强性能。例如，金属层的形状可以通过选择不同光掩模图案而调整。 其他形状，例如当传导线延伸到弹性体凸块的顶和底部时，弹性体凸块顶部 上从左到右摆动(约为正弦形状)或者盘旋的传导线在特定应用中具有机械 以及电学方面的优点。图5为示出了图4所示的电学接触阵列例如沿虚线46的剖面一见图。与例如如上所述图2所示接触配置相反，图5示出的金属层(金属层49 )从弹 性体凸块44的顶点沿其两个相对侧向下延伸，形成两个传导电^各线。图6为示出了图4所示的电学接触阵列例如沿虚线48的剖面视图。与 例如如上所述图3所示接触配置相似，图6示出的金属层例如金属层49存 在于弹性体凸块43和44的顶点上。图6还示出了存在于弹性体凸块44两 侧上的开口45b。如上文所强调的，这些开口在形成弹性体凸块时作为弹性 体材料的导管，且在弹性体凸块形成后将弹性体凸块锚定到载体，例如其作 为机械连接点。载体内的开口可以具有各种形状和尺寸。例如，图7为示出了具有细长 开口的载体的自顶向下视图的图示。即，在图7中，载体72具有细长开口 74。细长开口 74可以包括长槽口，或者具有高纵;镜比的其他椭圆形开口， 其最长尺寸大于将注射到其中的弹性体凸块的直径。图8为示出形成于具有细长开口的载体上的示范性弹性体凸块阵列的自 顶向下^L图的图示。如图8所示，弹性体材料注射到载体72上并通过载体对应弹性体凸块(未示出)。该配置提供了沿弹性体凸块整个垂直侧面的连 续表面以用于后续金属化。图9为描述形成于具有细长开口的载体上的示范性电学接触阵列的自顶 向下视图的图示。如图9所示，金属层92沿弹性体凸块82两侧向下延伸， 例如通过载体72内的细长开口 74。虛线94表示图IO所示阵列的剖面视图的路径。虚线96表示图11所示 阵列的剖面视图的路径。图10为示出图9所示的电学接触阵列例如沿虚线94的剖面视图的图示。 图10示出了，如上所述，弹性体凸块82以及弹性体凸块83为该接触的一 对弹性体凸块的一部分。此外，如结合图9的说明中上文所述，金属层92 沿弹性体凸块的两个相对侧延伸。刚才示范性实施例的 一个优点为，如果在弹性体凸块形成过程中形成缝 隙，则金属层92用于横贯该缝隙并提供该接触的结构连续性。图11为示出图9所示的电学接触阵列例如沿虚线96的另一个剖面视图 的图示。图11示出了金属层92存在于弹性体凸块82和83的顶点上。图12为形成于具有细长开口的载体上的另一个示范性电学接触阵列的自顶向下视图的图示。在图12中，载体1201包括接触1202、 1204、 1206 和1208。接触1202、 1204、 1206和1208分别包括弹性体凸块1210、 1212、 1214和1216。而且，弹性体凸块1210、 1212、 1214和1216分别包括仅沿 其一侧延伸的金属层1218、 1220、 1222和1224。重要的是要注意图12中金属层的取向。即，金属层1218和1224分别 沿接触1202和1208的相同面对的侧面延伸，而金属层1220和1222分别沿 接触1204和1206的相同面对的侧面延伸，但是与接触1202和1208相对。这种配置是有利的，因为所形成的金属接触是不对称的，这可以增强界 面在使用时的横向刮擦(磨损界面以除去例如氧化物层，并提供更好的接触) 并防止在某一特定方向或取向形成合力。对于合力，当相同数目的金属层， 例如如图12所示，或者基本上相同数目的金属层指向相对的方向时，净横 向力为零。合力趋于引起这些连接器装置沿一个维度横向地"行走"或移动， 并导致接触例如相对于芯片上的焊盘随时间错位。然而，采用这种配置，由 垂直压缩引起的横向力的方向得到平衡。如下所述，虚线1238表示图13所示阵列的剖面视图的路径。虚线1240 表示图14所示阵列的剖面视图的路径。图13为示出图12所示电学接触阵列例如沿虛线1238的剖面视图的图 示。图13示出了，如上所述，弹性体凸块1210和1216分别与弹性体凸块 1211和1217 —起分别包括接触1202和1204的弹性体凸块对。此外，如上 文中结合图2的说明所述，金属层1218和1224分别沿各个接触1202和1208 的单个相同面对的侧面延伸。图14为示出图12所示电学接触阵列例如沿虚线1238的剖面视图的图 示。与上文中结合图13的说明所述的接触1202和1208相似，弹性体凸块 1212和1214分别与弹性体凸块1213和1215 —起分别包括接触1204和1206 的弹性体凸块对。图15为示出在载体上制作电学接触的示范性方法的图示。在步骤1502， 提供包括底半部1512和底半部1514的模具，底半部1514安装有毛坯载体 (blank carrier) 1511。才莫具的底半部1514也包括注射进入端口 1516。在步骤1504,才莫具的顶半部1512和底半部1514相互对准并牢固接触。 该模具随后准备接收弹性体材料注射，例如通过注射进入端口 1516。在步骤1506，弹性体材料1518已经注射到模具内。弹性体材料随后允许在才莫具内反应，例如固化。在步骤1508，形成于载体1511上的弹性体凸块对1520从模具释放。大 部分从注射进入端口残留的额外弹性体材料1518，例如见上述步骤1506, 已经被除去(折断或清除)，仅在凸块的非关键部分上留下小的不均匀1522。 在步骤1510，随后发生成型弹性体凸块的金属化，形成延伸横跨载体1511 的平面的连续金属层1524。图16为示出用于形成电学接触的示范性模具的图示。在图16中，模具 1600包括顶半部1602和底半部1604。与例如上文结合图15的说明所述的 上述模具相反，模具1600不包含对于各对形成的弹性体凸块的注射进入端 口，而是包含仅位于模具横向边缘的入口。图17为示出用于形成电学接触的模具的底半部的侧面视图和自顶向下 视图的图示。具体而言，图17示出了例如上文中结合图16的说明所述的模 具1600的底半部1604的剖面视图1702和自顶向下视图1704。模具1600 的底半部1604的剖面视图1702和自顶向下视图1704呈现冲莫具空腔1706的 负浮雕和立柱1708的正浮雕。正浮雕立柱1708用于防止在该区域成型。图18为示出用于形成电学接触的模具的顶半部的侧面和自顶向下视图 的图示。具体而言，图18示出了例如上文中结合图16的说明所述的模具1600 的顶半部1602的剖面视图1802和自顶向下视图1804。模具1600的顶半部 1602的剖面视图1802和自顶向下视图1804呈现模具空腔1806的负浮雕。图19为示出在载体上制作电学接触的另一个示范性方法的图示。在步 骤1902提供模具，例如在上文中结合图16的说明所述并包括上半部1602 和下半部1604的模具1600。模具的上半部1602和下半部1604相互对准并 接触，载体1910置于其间。载体1910占据未被才莫具的空腔1706和1806占 据的许多空间。空体积1912构成模具的上半部1602和下半部1604之间的 剩余间隙。在步骤1904，弹性体材料1914已经注射到;f莫具的上半部1602和下半部 1604之间的所有空区域内，包括空腔1706和1806、间隙1912以及载体1910 内的可渗入体积。这有助于将弹性体材料锚定到载体，也稳定了载体平面， 特别是当载体包括例如玻璃织物的载体。在步骤1906,包括弹性体凸块1918的所得单块成型体从模具释放。该 成型体将包括被载体1910强化的部分1916,这有助于防止成型体的变形。在步骤1908,随后发生弹性体凸块的金属化，形成延伸横跨载体1910的平 面的连续金属层1920。本文所述接触除了应用于LGA插入机构装置之外，还可以应用于晶片 探针或模块探针互连装置。晶片探测通常涉及仍在晶片阶段时，例如在完整 未切割晶片上测试集成电路芯片的电学功能的工艺。在晶片探测时，晶片探 针互连装置通常连接到特定一个或多个芯片的输入/输出(IO)焊盘。即， 需要一种互连平面阵列，其可以同时将各个相关芯片位置内待测试的各个10 焊盘(可包括所有10焊盘)连接到测试仪器上相应的接触焊盘的平面。因 此，晶片底部上C4 10连接的每一个或其子集可以可逆地同时连接到测试装 置上的匹配的IO连接的阵列。这提供了一种可靠但临时的连接，这种连接 对于测试目的而言是理想的，例如将给定晶片上良好芯片位置与出错芯片位 置区分开。根据本发明该实施例，晶片探针结构包括载体以及用于晶片底部上各个 连接(或期望的子集)的金属化弹性体接触。晶片上的C4连接的节距、直 径和高度通常小于LGA插入机构连接器，尽管使用基本上相同的制作方法。 然而需要注意一些差异。在LGA插入机构中，单个插入机构上的接触的数目为几十万到几万， 且尺寸通常为中心到中心的节距约为lmm,高度约40mil ( 1.016mm),直 径约为300微米。相比之下，晶片探针上接触的数目为数百万，中心到中心 的节距约为100微米，直径为50微米，高度50微米。此处提供的尺寸仅仅 是示范性的，以提供说明性的比较。本领域普通技术人员将会理解，当LGA 和晶片/芯片IO的总接触数目增大时，LGA插入机构连接器和晶片/芯片10 的接触和节距可能减小。此外，如果晶片上IO的数目非常大，则才艮据本实施例，通过分组成型 凸块而用弹性体接触密布载体是有用的，而不是使用单个模具形成所有数目 的按钮。此外，当接触或IO尺寸变小时，制作模具的方法本身会改变。例如， 当接触直径在0.5mm的量级时，可以通过提供良好形状和深度控制的高速 自动铣床制作模具。这种铣床将扫描栅格，直到完成所有接触位。然而，对 于非常小的接触尺寸，优选使用光刻技术将空腔和特征蚀刻入模具。备选地， 激光蚀刻或激光钻孔可以用于定义模具。更进一步，可以采用下述方法形成模具添加或相减方法或其组合的立体光刻、或者通过平版印刷、电铸和成 型(LIGA)方法、或者最常用于在金属或硅或玻璃内形成微机电系统 (MEMS)类型结构的其他立体制作方法。模具还可以通过压印技术形成。 模具可以由玻璃或石英制成，以允许在弹性体材料注射到模具内之后光固化 该弹性体材料。用于按照与集成电路装置上接触的尺寸和间距相对应的间距和尺寸注 射成型焊料堆(solder mound)的设备和方法例如描述于Ference等人的美国 专利No. 5，244，143以及Gruber等人的美国专利No. 6,708,872 B2，其全部内 容于此引入作为参考。这些方法容易应用于以非常小的尺寸、间距和尺度形 成本发明的结构。根据本文的教导以及如下文进一步所述，可以制作同轴弹性体电学探 针。图20示出了图13的结构，其接触1202和1208分别涂敷有介电涂层2002 和2004。介电涂层可包括任何合适的介电材料，例如聚酰胺(polymide)。 沉积合适介电材料的方法对于本领域技术人员而言是显而易见的，这些方法 例如描述于Beaman等人的美国专利No. 6,452,406 Bl ，其全部内容于此引入 作为参考。如图21所示，介电涂层2002和2004其上分别沉积有导电材料2102和 2104。导电材料2102和2104可以按照与导电材料1218和1224相同的方式 沉积。因此，导电材料2102和2104可以具有任何期望图案。图22为示出图21的结构的自顶向下视图。该图示出了电学导体图案 2102和2104。相应的电学导体分别为接触1206和1204上的2106和2108。 导电图案2102、 2104、 2106和2108可以如图22所示连接在一起，尽管本 发明不限于所示的连接布置。从图显而易见，导电图案2102、 2104、 2106 和2108可以通过导电图案2202连接在一起，并用于连接到公共信号接地。 导电图案2202可以使用与用于形成导电图案2102、 2104、 2106和2108相 同的工艺形成。互连的电学导体2102、 2104、 2106和2108为电学导体2102、 2104、 2106和2108的每一个提供了公共电势，特别是地势。导电图案例如2102和2104可以具有任何形状。图23为示出图22所示 两个代表性形状的自顶向下视图。图案2102，为径向辐条图案，图案2104， 为螺旋图案。可以使用任何其他图案。图24示出了图21的结构，可用作同轴辐条的同轴连接器2410和2412的尖端2402、 2404、 2406和2408处的介电材料2002和2004被选择性除去。 如上文所教导，图12和其他相关附图的结构可以用作电子装置的探针， 例如包括半导体芯片的集成电路芯片的封装基板。这种用途的细节例如描述 于Beaman等人的美国专利No. 5,635,846和Beaman等人的美国专利No. 5,371,654,其全部内容与此引入作为参考。当用于探测应用时，图12和相 关图示的结构可以包括用于连接到测试设备的一个或多个附加接触结构。可 以如美国专利No. 6，452，406 Bl所述完成介电材料2002和2004的选择性去 除，该专利于此引入作为参考。例如，如果材料2002和2004为聚酰胺，则 可以使用氧反应离子蚀刻(RIE)工艺蚀刻聚酰胺。与用于形成图13所示导 电图案1218和1224的掩模操作相似的掩模操作，可以用于图案化图20的 介电材料2002和2004以形成图24所示的结构。当图24的结构，或者例如图12和13所示的非同轴结构用作探针时， 期望在结构的端部上具有突出，其能够穿透正被探测的焊盘上任何表面层从 而形成与被探测焊盘的良好电学接触。例如，参考图25,探针尖端2502和 2504可以分别形成和接合到导电图案1218和1224的位置2506和2508。探 针尖端2502和2504例如可以依据上文中结合于此作为参考的美国专利No. 5,371,654阐述的教导以及其图23所示进行制作，其中端部2506和2508例 如通过上文中结合于此作为参考的美国专利No. 5,635,846中图14和15所示 的引线键合焊料结合器激光焊接而结合。备选地，如图26所示，焊盘2602 和2604可以分别接合到端部2402和2404。具有尖峰2606和2608的焊盘 2602和2604可以如Eldridge等人的美国专利No. 6,110,823所述制作，其公 开内容于此引入作为参考(具体而言，参考其图50b)。图27示出了使用本文公开的结构作为晶片与/或模块探测(例如直流和 交流测试)且在晶片水平烧入的集成电路晶片探针的示意性配置。集成电路 晶片2702具有示意性示为2704、 2706和2708的多个芯片位置。各个位置 具有多个电学接触位置2710、 2712和2714。根据本发明的结构2716设置成 与基板2718电学连通。结构2716具有根据本发明的多个电学连接器2726。 基板2718例如可以是多级印刷电路板(PCB)或者例如用于在多级基板上 封装半导体芯片的多级陶瓷基板。这些基板通常由陶瓷材料制成并具有70 以上的级别。基板2718的第 一侧2720优选地具有置于其上的多个第一电学接触位置2722。根据本发明的各个电学连接器2726优选地具有与基板2718的相应电 学接触位置2722电学连通的端部2728。端部2728例如4吏用夹具(未示出) 通过压力接触以将结构2716保持在相对于基板2718第一侧2720的恰当位 置，由此保持与接触位置2722电学连通。备选地，图27中(示意性所示的) 端部2728可以通过焊料2730或者备选连接布置而接合到电学接触位置 2722。压力接合或焊料接合提供的优点为，如果不同的足印是期望的或者如 果结构2716出现缺陷，则结构2716可以从基板2718容易地除去。电学接触位置2722优选地与形成于与一侧2720相对的基板2718第二 侧2734上的多个第二电学接触位置2732电学连通，通过位于基板2718的 一侧2734上的电学接触位置2732，通过示意性示为2736的导电图案，以及 通过可以将一侧2720上接触位置足印的散开提供到一侧2734上更大的接触 位置足印的基板2718。电学接触位置2732可以置成与测试设备电学连通， 其可以通过印刷电路板以提供电学连接的散开。电学连接器2726例如在探 测操作中当用于接触电学接触位置2710、 2712和2714时，如本文所述，具 有安装到连接器2726的端部2740的相应的接触尖端2738。为了形成尖端2738和相应接触位置2710、 2712和2714之间的良好电 学接触，应在基板2718和晶片2702之间提供足够的压力。适用于本发明的 用于在基板2718和晶片2702之间提供这种压力的一种方法例如描述于2004 年8月27日提交的共同拥有的美国专利申请No. 10/928,473，其公开内容于 此引入作为参考。备选地，为了形成良好电学接触，尖端2738可以相对于 对应的接触位置2710、 2712和2714例如通过利用振动而横向移动，如美国 专利申请No. 10/928,473所述，其公开内容在上文中结合作为参考。尽管本文中已经结合附图描述了本发明的示意性实施例，应该理解，本 发明不限于这些精确实施例，且本领域技术人员在不背离权利要求范围的情 况下可以进行各种其他改变和改进。
权利要求
1. 一种用于电子装置的探针结构，包括电学绝缘载体；以及横贯所述载体的平面的一个或多个接触结构，所述一个或多个接触结构的每一个包括弹性体材料，其具有沿其至少一个表面连续地伸展穿过所述载体的平面的导电层，其中所述探针结构包括用于连接到测试设备的一个或多个其他接触结构。
2. 权利要求1所述的探针结构，还包括电学连接到各个所述一个或多 个接触结构并用于电学接触所述电子装置至少一部分的一个或多个探针尖端。
3. 权利要求1所述的探针结构，其中至少一个所述一个或多个接触结 构还包括.-形成于所述导电层至少一部分上的绝缘层；以及 形成于所述绝缘层至少 一部分上的第二导电层。
4. 权利要求3所述的探针结构，其中所述绝缘层连续地伸展穿过所述 载体平面。
5. 权利要求3所述的探针结构，其中所述第二导电层连续地伸展穿过 所述载体平面。
6. 权利要求3所述的探针结构，其中所述第二导电层形成为基本上螺 旋图案和径向辐条图案的至少之一。
7. 权利要求3所述的探针结构，其中所述第二导电层用于连接到公共 信号接地。
8. 权利要求1所述的探针结构，其中所述一个或多个接触结构的至少 一部分^v中心到中心的节距约为约IO(H数米。
9. 权利要求1所述的探针结构，其中弹性体材料在所述载体相对表面 上形成弹性体凸块。
10. 权利要求1所述的探针结构，其中所述载体包括多个开口， 一个或 多个所述开口允许所述弹性体材料横贯所述载体的平面。
11. 权利要求1所述的探针结构，其中所述载体包括多个开口， 一个或多个所述开口允许所述导电层横贯所述载体的平面。
12. 权利要求l所述的探针结构，其中所述载体包括一个或多个细长开 口 ，所述开口允许所述弹性体材料和导电层之一或多个横贯所述载体的平面。
13. 权利要求1所述的探针结构，其中所述弹性体材料包括聚二曱基硅 氧烷橡胶。
14. 权利要求1所述的探针结构，其中所述弹性体材料包括聚氨酯、环 氧树脂和含丁 二烯的聚合物的至少之一 。
15. 权利要求1所述的探针结构，其中所述导电层包括金属层。
16. 权利要求1所述的探针结构，其中所述导电层包括铜、金、钛、铝、 镍、钼、镍钛合金、以及铍铜合金的至少之一。
17. 权利要求1所述的探针结构，其中所述导电层沿所述弹性体材料的 一个表面伸展，形成4黄贯所述载体的平面的单个电学接触。
18. 权利要求1所述的探针结构，其中所述导电层沿所述弹性体材料的 多个表面伸展，形成;f黄贯所述载体的平面的多个电学接触。
19. 权利要求1所述的探针结构，其中所述导电层形成为径向辐条图案 和螺旋图案的至少之一。
20. 权利要求1所述的探针结构，其中所述导电层仅形成于所述弹性体 材料的选定区域上。
21. —种形成电子装置的探针结构的方法，所述方法包括步骤在电学绝缘载体上形成一个或多个接触结构，所述一个或多个接触结构横贯所述载体平面，所述一个或多个接触结构的每一个包括弹性体材料，所 述弹性体材料具有沿其至少一个表面连续地伸展穿过载体平面的导电层；以及形成用于连接到测试设备的一个或多个其他接触结构。
22. 权利要求21所述的方法，还包括步骤形成电学连接到各个所述 一个或多个接触结构并用于电学接触所述电子装置至少一部分的至少一个 探针尖端。
23. 权利要求21所述的方法，还包括步骤 在所述导电层至少一部分上形成绝缘层；以及 在所述绝缘层至少一部分上形成第二导电层。
24. 权利要求23所述的方法，其中所述第二导电层形成为基本上螺旋 图案和径向辐条图案的至少之一。
25. 权利要求21所述的方法，其中形成所述一个或多个接触结构的步 骤包括在所述载体上沉积所述弹性体材料；以及金属化所述弹性体材料，从而形成连续地伸展穿过所述载体平面并沿所 述弹性体材料表面的导电层。
26. 权利要求25所述的方法，其中所述弹性体材料使用模具沉积在所 述载体上。
27. 权利要求25所述的方法，其中所述金属化步骤还包括在所述弹性 体材料上通过硬掩模内一个或多个开口，使用賊镀、蒸镀、电镀、无电镀和 喷镀的 一种或多种而形成金属的步骤。
28. 权利要求25所述的方法，其中所述金属化步骤还包括在所述弹性 体材料一侧或多侧上选择性地使用溅镀、蒸镀、电镀、无电镀和喷镀的一种 或多种而形成金属的步骤。
29. 权利要求25所述的方法，其中所述金属化步骤还包括步骤 在所述弹性体材料上沉积金属；将光致抗蚀剂材料施加到所述金属上；围绕导电层的期望的几何形状选择性蚀刻所述光致抗蚀剂材料；以及 除去残留的光致抗蚀剂材料以显露所述导电层。
30. 权利要求25所述的方法，其中所述金属化步骤还包括步骤 将光致抗蚀剂材料施加到所述弹性体材料上；选择性蚀刻所述光致抗蚀剂材料以形成金属化图案； 在蚀刻光致抗蚀剂材料上沉积金属；以及 除去所述光致抗蚀剂材料。
31. 权利要求25所述的方法，其中所述金属化步骤还包括步骤 通过将镀覆籽化合物结合到所述弹性体材料并选择性地在所述弹性体材料上镀覆金属，由此在所述弹性体材料上沉积金属； 将光致抗蚀剂施加到所述金属上；围绕导电层的期望的几何形状选择性蚀刻所述光致抗蚀剂材料；以及 除去残留在所述金属上的光致抗蚀剂材料以显露所述导电层。
32. 权利要求31所述的方法，其中所述镀覆籽化合物包括苯磷茂、聚 磷茂、柏、把、锡、锡盐的至少之一。
33. 权利要求31所述的方法，其中在所述弹性体材料上沉积金属的步 骤包括以相对于所述弹性体材料主轴的一个或多个角度施加所述镀覆籽化 合物，使得面向所述镀覆籽化合物施加方向的所述弹性体材料第 一侧上形成 的金属化显著大于与所述镀覆籽化合物施加方向相对的所述弹性体材料至 少第二侧上形成的金属化。
34. 权利要求29所述的方法，其中所述弹性体材料以相对于所述弹性 体材料主轴的一个或多个角度沉积在所述弹性体材料上，使得所述金属仅施 加在所述弹性体材料的选定区域。
35. 权利要求34所述的方法，其中所述金属通过溅镀和蒸镀的至少之 一而沉积。
36. 权利要求21所述的方法，还包括步骤 在所述电学绝缘载体上沉积一个或多个弹性前驱体；以及 光聚合所述弹性前驱体以形成所述弹性体材料。
37. —种晶片4果针互连装置，包括 电学绝缘载体；以及横贯所述载体的平面的一个或多个接触结构，所述一个或多个接触结构 的每一个包括弹性体材料，其具有沿其至少一个表面连续地伸展穿过所述载 体的平面的导电层，其中所述晶片探针互连装置包括用于连接到测试设备的一个或多个其 他接触结构。
38. —种使用至少一个探针结构探测电子装置的方法，所述至少一个探 针结构包括电学绝缘载体；以及横贯所述载体的平面的一个或多个接触结构，所述一个或多个接触结构 的每一个包括弹性体材料，其具有沿其至少一个表面连续地伸展穿过所述载体的平面的导电层，其中所述至少 一个探针结构包括用于连接到测试设备的一个或多个其 他接触结构。
全文摘要
提供了一种用于电子装置的探针结构的技术。一方面，该探针结构包括具有横贯其平面的一个或多个接触结构的电学绝缘载体。各个接触结构包括一种弹性体材料，其具有沿其至少一个表面连续地伸展穿过载体平面的导电层。该探针结构包括用于连接到测试设备的一个或多个其他接触结构。
文档编号G01R31/02GK101218515SQ200580043424
公开日2008年7月9日 申请日期2005年9月30日 优先权日2004年12月16日
发明者丹尼尔·P·莫里斯, 乔安娜·罗斯纳, 保罗·W·科托伊斯, 加雷思·G·霍夫阿姆, 史蒂文·A·科德斯, 奥尔方索·P·兰泽塔, 尼沙·约翰南, 艾利·阿弗扎利, 谢里夫·A·戈玛, 马修·J·法理内利 申请人:国际商业机器公司