专利名称：导电接触探头保持器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于导电接触探头的导电接触探头保持器，所述导电接触探头可用于对与半导体器件相关联的元件进行测试。
背景技术：
对与半导体器件相关联的元件进行的各种测试包括涉及在高温(约150℃)下长时间(从几小时到几十小时)地施加电压的老化测试。由于对封装级进行老化测试效率不高，所以更希望(例如，通过使用直径为200mm的晶片)执行晶片级的老化测试。在这种晶片级的老化测试中，需要能够同时访问多个点的导电接触探头。
希望导电接触探头中使用的每个接触单元都具有以下结构即，其可通过以可弹回的方式将针状部件应用于对应的电极来适应晶片上的电极高度变化。图8中示出了这样一个示例。如图所示，台阶状保持器孔2被形成为贯穿呈平板部件状的支承部件21的厚度，并且导电针状部件23被容纳在每个保持器孔2的小直径孔2a中，以可移动进出保持器孔2，而保持器孔2的大直径孔2b中容纳有导电螺旋弹簧24。针状部件23具有容纳在大直径孔2b中的径向凸缘23a，并且螺旋弹簧24的一端包住延伸自径向凸缘23a的柄部(stem portion)23b，以使得由螺旋弹簧24弹性驱动针状部件23。螺旋弹簧24的另一端与放置在支承部件21上的电路板25的对应端子25a弹性接合。这些端子25a与测试设备的电路板相连接。
通过将支承部件中的这些导电接触单元排列成相互平行的关系，可以获得能够同时访问多个点的接触探头。通过将接触探头的每个针状部件23的尖头置于晶片26(待测试物体)的对应电极26a上，就可以进行晶片级的电测试。
为了同时访问晶片26上的多个电极26a，必需在支承部件中按与晶片26上的电极26a相同的排列设置相同数目个导电接触单元。因此，可能需要接触探头具有在平坦的支承部件上高度密集排列的大量接触单元。然而，由于来自接触单元的组合压力，所以接触单元的位置精度会因支承部件的翘曲或其他变形而受损。在这种情况下，接触点的位置误差会导致严重的问题。
作为上述问题的对策，在同一申请人提交的日本专利申请2000-33443中建议，通过夹物模制(insert molding)来在由塑性材料制成的支承部件中并入金属加强部件。图9中示出了这样一个示例。在并入有加强部件27的支承部件28中，形成有小直径孔，并且每个小直径孔都容纳一对导电针状部件29之一的柄部，该一对导电针状部件29都是可动的，以可移动进出孔。在设置在其余的相互层叠的塑性支承部件32和33中的大直径孔和台阶状孔中，设有螺旋弹簧30和另一导电针状部件29。根据这种排列，由于加强部件27增加了支承部件28的机械强度，所以可以避免诸如上述的位置误差。
然而，随着测试信号的频率增大，要求接触探头适应这些高频信号。这可以通过降低总长度(信号路径的长度)来实现，并且需要相应地减小支承部件的厚度(接触探头的轴向长度)。由于这意味着支承部件和加强部件的厚度都将减小，所以支承部件的机械强度会发生不希望的降低。
当如上所述支承部件由塑性材料形成并且夹物模制有加强部件时，不得不减小覆盖加强部件的塑性材料的厚度。因此，随着支承部件的厚度减小，塑性材料在支承部件的总体厚度中的比例趋向于增加，而这对最小化支承部件厚度的努力施加了一个限制。
发明内容
鉴于现有技术的这些问题，本发明的一个主要目的是提供一种接触探头保持器，其厚度可以减小而不使其机械强度受损。
本发明的第二目的是提供一种尽管简化了制作工序但仍可保证对于接触点的高水平位置精度的接触探头保持器。
本发明的第三目的是提供一种电特性和机械特性都良好的接触探头保持器。
根据本发明，至少大部分目的可以通过提供用于支承用于接触物体的多个接触单元的导电接触探头保持器来实现。该导电接触探头保持器包括基板部件，由第一材料制成并且其中设有一开口；以及保持器孔形成部件，由第二材料制成并以基本上不向所述开口的外面延伸的方式填充在所述开口中；多个保持器孔，贯穿所述保持器孔形成部件的厚度，每个所述保持器孔都用于在其中容纳一接触单元。
当根据传统布置将金属部件简单地夹物模制在塑性材料中时，通过将塑性材料连接在金属部件前侧和后侧上，防止了塑性材料从开口中脱出，但是金属部件的厚度减小了位于金属部件前侧和后侧的塑性材料的厚度。另一方面，根据本发明，由于保持器孔形成部仅需占据开口的内部，而且保持器的厚度可以被加工得与高强度支承部件的厚度相同，所以可以毫不困难地获得所需的机械强度。具体来说，由于可以采用适于形成用于接触探头的保持器孔的材料来形成这种孔，并且可以实现高位置精度，所以所述保持器非常适于在用于测试高度集成芯片的接触探头中使用。
如果所述第一材料包括从由金属材料、半导体材料、陶瓷材料以及玻璃材料组成的组中选出的一种，并且所述第二材料包括塑性材料，则接触探头保持器在电特性和机械特性方面都相当好，而且，可以保证对于接触点的高水平位置精度，同时简化制造工序。
特别地，可以在所述开口的内周面上形成由加强所述保持器孔形成部件与所述基板之间的接合和/或电绝缘的材料制成的膜。因此，可以增加选择用于接触探头各部分的材料的自由度。如果在所述开口的内周面形成有一接合部(engagement feature)，则可将保持器孔形成部件牢固地固定在开口中。如果所述基板部件是由硅晶片制成的，则所述接合部可以包括通过各向异性刻蚀所述开口的所述内周面而形成的朝向内部的脊。
如果在基板的邻近其中填充有所述保持器孔形成部的所述开口的一部分中形成消除应力开口，则即使在保持器孔形成部与基板之间存在由于热膨胀或老化的差异而导致的相关变形差异时，也可避免对于确保接触点的高精度所不希望的保持器孔形成部的变形。
以下将参照附图对本发明进行描述，附图中图1是用于在实施本发明的接触探头单元中使用的接触探头保持器的平面图；图2是沿图1的线II-II所截取的接触探头单元的局部纵剖视图；图3a是在高强度支承部件中形成开口的方式的局部纵剖视图；图3b是示出在高强度支承部件上形成的绝缘膜的视图；图3c是示出填充在基板的开口中的保持器孔形成部的视图；图3d是示出形成有多个保持器孔的支承部件的视图；图4是示出将螺旋弹簧和针状部件装配进接触探头保持器的方式的视图；图5是类似图2的示出本发明第二实施例的视图；图6是类似图5的示出本发明第三实施例的视图；图7a是类似图3a的示出形成在开口中的突出部的视图；图7b是类似图3d的示出保持器孔形成部的安装状态的视图；图8是传统接触探头的局部纵剖视图；以及图9是传统接触探头的局部纵剖视图。
具体实施例方式
图1是用于实施本发明的接触探头中的导电接触单元的保持器1的平面图。例如，当待测试物体由一8英寸的晶片构成时，保持器1可以由一直径为8英寸(约200mm)的盘构成。一个8英寸的晶片通常可制成几十到几百个半导体芯片。一个12英寸的晶片(约300mm)通常可制成几千个半导体芯片。
参照图1，用于导电接触探头的保持器1在平面图中为圆形，与待测试晶片相似，并且，与现有技术的情形相同，在与形成在晶片中的芯片的电极对应的位置处设置有多个保持器孔2，其用于容纳多个导电接触单元。图中，以按一定程度放大的方式示出了保持器孔2，并且其数量比实际的要少。
图2是沿图1中的线II-II所截取的局部纵剖视图，其示范性地示出了实施本发明的导电接触单元。如图2中所示，三个具有如在图1的平面图中所看到的相同形状的基板3、4和5被层叠为上、中和下层，以形成用于导电接触探头的三层保持器1。
基板3、4和5可由相同材料制成，下面参照图3对制备基板5的方式进行描述。参照图3a，通过刻蚀、激光、冲切(blanking)或其他机械工艺在高强度基板5中形成开口5a，使其对应于待测试晶片中的各芯片。用于基板5的高强度材料可由诸如不胀钢(invar)和柯伐合金(covar)的具有低热膨胀系数的金属材料构成。如果需要，基板可由具有希望机械特性的陶瓷、玻璃、硅或其他半导体或复合材料制成。
参照图3b，在具有开口5a的高强度基板5的表面上涂覆了由诸如绝缘塑性材料的材料制成的较薄的膜6(几十或几百μm厚)。涂覆的可能方法可以包括压延(calender)工艺、挤塑(extrusion)、浸渍(immersion)、喷涂(spraying)、撒布(spreading)和静电淀积。参照图3c，将由塑性材料等适于加工或以其他方式形成接触探头用保持器孔的材料制成的保持器孔形成部7填充到每个开口5a中。膜6展示出对塑性材料的高接合强度。通过在每个开口5a的内周面上提供这样的膜6，可将高强度基板5与填充在开口6a中的塑性保持器孔形成部7相互牢固地接合起来。
参照图3d，在每个保持器孔形成部7中形成有用于接触单元的保持器孔2，使其对应于各独立芯片。如图2和4中所示，基板5形成有多个台阶状孔，每个台阶状孔都包括相互同轴设置的小直径孔2a和大直径孔2b。其他的基板3和4形成有多个直孔(straight hole)2c和2d，每个直孔都具有与大直径孔2b相同的直径。每个保持器孔2都由对应的台阶状孔(2a和2b)和直孔(2c和2d)共同形成。
通过利用图中未示出的螺栓等将基板3、4和5保持在如图2中所示的层叠状态下的适当位置处。用于固定层叠套件的螺栓的使用使得可以拆装套件，从而使得易于进行维护和完成其他目的。
参照图4，每个接触单元的导电部分都包括导电螺旋弹簧8；以及一对导电接触针状部件9和10，被按使其自由端相互背离的方式设置在螺旋弹簧8的任一端上。其中一个(或下)针状部件9包括针部9a，其具有在图中朝下的尖锐端部；凸缘部9b，与针部9a相比具有增加的直径；以及夹持部(boss portion)9c，其从凸缘部9b远离针部9a(向上)伸出，所有这些部分都被设置得彼此同轴。另一(或上)针状部件10包括针部10a，其具有在图中朝上的尖锐端部；夹持部10b，具有比针状部件10a的更小的直径；以及柄部(stem portion)10c，其从夹持部10b远离针部10a(向下)伸出，所有这些部分也都被设置得彼此同轴。
如图4所示，螺旋弹簧8包括位于其下部的密绕部分8a和位于其上部的疏绕部分8b。一个针状部件9的夹持部9c配合到由密绕部分8a限定的盘绕端(coil end)中，并且另一针状部件10的夹持部10b配合到由疏绕部分8b限定的另一盘绕端中。可以依靠螺旋弹簧的缠绕力或者利用焊接将这些夹持部9c和10b与螺旋弹簧8的对应端进行接合。当使用焊接时，夹持部9c及10b与对应的盘绕端之间的配合可以是松配合。
在图4所示的螺旋弹簧8以及导电针状部件9和10的安装状态下，当螺旋弹簧8不受力并以其自然长度延伸时，柄部10c的自由端与密绕部分8a的邻接疏绕部分8b的端部基本上重合。因此，由于在用于测试的过程中，螺旋弹簧8受压而弯曲，密绕部分8a接触柄部10c，从而使得在两个针状部件9和10之间传导的电信号可以通过密绕部分8a和柄部10c流动而不通过疏绕部分8b流动。因此，允许电信号在两个针状部件9和10之间沿轴向或直线流动，而这使得接触单元对于涉及高频的新一代芯片的测试是非常理想的。
通过按图4中的箭头所示将螺旋弹簧8以及导电针状部件9和10的一体接合套件导入保持器孔2中，来将所述一体接合套件安装在基板(3、4和5)中。可以按照如图4中所示的颠倒取向(与图2所示取向相反)使用接触单元。即使在这种情况下，通过如图4所示安装螺旋弹簧8及导电针状部件9和10的套件，利用由在小直径孔2a与大直径孔2b之间限定的肩部接合的针状部件9之一的凸缘部9b，防止了该套件从保持器孔2中脱出。
在图2中所示的安装状态下，例如通过按使保持器1的台阶状直径孔面朝上并使保持器孔2的直孔面朝下的方式使用螺栓，来将测试设备的电路板11接合到接触探头的下侧。电路板11在对应于针状部件10的位置处设有多个端子11a。在图2中所示的安装状态下，每个针状部件10的针部10a与对应端子11a相接合，这防止了由螺旋弹簧8以及针状部件9和10构成的套件在直孔朝下的状态下从保持器孔2中脱出。
如图2中所示，上针状部件9的针部9a向上突出。通过按图中箭头所示将接触探头朝向待测试晶片26放置，直至针部9a与对应的电极26a接触并使针部9a和10与对应的电极26a和端子11a弹性接合。可以按这种方式通过使用接触探头对晶片26进行电测试。
这种布置使得接触探头保持器的主要部件可由高强度基板3、4和5制成，并且保持器1可以具有与用于高强度基板5的金属材料相当的机械强度水平。通过在高强度基板3、4和5的整个表面上涂覆膜6，可以非常容易地将膜6形成在高强度基板5上。如果膜6是由高绝缘材料制成的，则高强度基板5的整个表面将具有绝缘特性。膜6在高强度基板5的前表面和后表面中的每一个上都限定了一定厚度，不过，此厚度远远小于通过夹物模制覆盖高强度基板5的塑性材料的厚度。因此，当将具有相同机械强度的金属部件用于同一高强度基板5时，可将通过在高强度基板5上涂覆膜6而制成的保持器加工得比通过夹物模制制成的对应保持器薄，该厚度差为要覆盖用于夹物模制的金属加强部件的塑性材料的厚度。
因此，在将具有厚度为1mm左右的较薄基板用于较大保持器(直径在200至300mm的范围内)时，该布置尤其具有优势。当保持器是通过简单的夹物模制来制成的时，并且如果保持器的厚度为1mm这样薄，则覆盖加强金属部件的塑性材料的厚度不可避免地占去了总厚度的一大部分。将塑性层刮削或以其他方式去除到与涂覆膜相当的厚度，将是非常困难的，并且会使生产成本剧增。根据本发明，可相对容易地制造非常薄的保持器，同时可以避免生产成本的增加。
参照图1，在高强度基板5的相邻开口5a之间形成有切口(slit)12。每个切口12沿所示实施例中的矩形开口5a的每侧延伸，不过也可以按其他方式形成，例如，在矩形开口5a的相邻顶角的中央处提供十字型切口。通过使用这种布置，即使将接触探头用于涉及以温度变化大为特征的环境的老化或其他测试，并且包围每个开口5a的框架部由于对应保持器孔形成部7的热膨胀而被向外推出，形成在高强度基板5中的切口12也可以有利地适应(accommodate)该热膨胀。因此，可以避免由热膨胀产生的相邻保持器孔形成部7之间的间距(pitch)变化所导致的、用于各芯片的接触探头的接触点的位置精度的丧失。当由一框架部件来保持基板的外周时，保持器1的热膨胀可能导致保持器1翘曲成穹顶状，但是所述切口防止了这种翘曲的发生。因此，通过简单地提供切口12，提供了一种能够有利地用于晶片级老化测试的接触探头保持器。
这种结构也可以应用于在电路板上安装芯片所用的管座(socket)。在这种类型的管座中，随着芯片的端子变得密集，位于管座侧的针状部件(以及螺旋弹簧)彼此更加靠近，而分隔开每个保持器孔形成部7中的相邻保持器孔2的部分变得更薄。因此，如果需要静电测量，则要求用于保持器孔形成部7的材料具有有利的静电特性。然而，具有有利静电特性的易于得到的塑性材料通常具有较差的电绝缘特性。然而，通过将具有良好电绝缘特性的材料用作为制作膜6的材料，可以保证保持器中的电绝缘。通过将具有有利静电特性的材料用于保持器孔形成部7，可以保证密集排列保持器孔时所需的静电特性。因此，可以根据特定的应用来将合适的材料用于保持器孔形成部7，而且，可以拓宽接触探头的应用范围。
在前述实施例中，接触探头保持器设有包括三个基板3、4和5的三层结构，不过根据保持器孔的尺寸和间距，接触探头保持器也可以由单个基板构成。这样的单层结构示于图5中。图5中示出的基板5可与前面实施例中的基板相似，并且，利用相同的标号来表示与前面实施例中对应的部分，而不重复对这些部分的描述。
图5中示出的接触探头保持器设有多个保持器孔2，每个保持器孔2都由形成在单个基板5中的台阶状直径孔所限定，并且在每个保持器孔2中容纳有螺旋弹簧8以及一对导电针状部件9和10。当一个针状部件9不需要显著的行程时，螺旋弹簧8的疏绕部分8b无需很长，并且保持器1可以由只包括一个基板5的单层结构构成。在这种情况下，保持器1的厚度可以进一步减薄。
在前面的实施例中，位于每个螺旋弹簧8的任一端的导电接触装置由一对针状部件9和10构成，但是位于每个螺旋弹簧8的任一端的面对电路板11的接触装置可由如图6所示的盘绕端12(所示实施例中的疏绕部分的盘绕端)构成，以将此盘绕端12施加到对应的端子11a。这样就减少了所需针状部件的数目，并且通过最小化零部件的数目以及所需的装配工作量，有助于降低生产成本。图6所示的实施例由对应于图5中所示实施例的单层结构构成，不过也可由包括三个基板3、4和5的三层结构构成。在这种情况中，盘绕端类似地也可适于被施加到端子11a上。
根据本发明的基板结构对于增加基板的机械强度是高度有效的，而不用考虑保持器是由单个基板还是多个基板构成的，或者螺旋弹簧和导电接触部件的结构可能是怎样的。例如，可通过喷涂或浸渍来容易地形成绝缘膜6。因为用于其中形成有保持器孔的孔形成部的材料可由适于形成这些孔的塑性材料构成，所以可以毫无困难地以高精度形成保持器孔2，并且可以获得具有普遍高机械强度的基板，同时还具有高生产率的附加优势。
尽管在所示实施例中，将绝缘膜6形成为覆盖高强度板5的整个表面，但也可以将不同材料的膜形成在高强度板5的前表面和后表面以及开口5a的内表面上。例如，高强度板5的前表面和后表面上的膜可由高绝缘材料构成，而开口5a的内表面上的膜可由对于保持器孔形成部7显示出高接合力、而非高绝缘特性的材料构成。
如图7所示，可在高强度板5中通过刻蚀来形成开口5a，而且，通过从图7a中的箭头所指示的两个方向进行刻蚀，可以容易地形成位于开口的轴向中部且沿径向向内突出的脊13，其可用作用于防止保持器孔形成部7脱出的装置。这可以通过使用由硅晶片制成的基板并对所述开口的所述内周面进行各向异性刻蚀来容易地实现，而不需要特殊的工作。
如图7b所示，通过填充位于开口5a中的保持器孔形成部7，在保持器孔形成部7中形成了对应于脊13的凹部(recess)7a。因此，即使保持器孔形成部7随时间而收缩，脊13与凹部7a之间的接合也可防止保持器孔形成部件7的脱出运动(开口5a的轴向)，并且可将保持器孔形成部7保持在可靠模式。
因此，根据本发明，当将金属材料用于高强度基板并且将塑性材料用于保持器孔形成部时，优选地通过在开口的内周面上形成膜来增强基板与保持器孔形成部之间的接合力，这样可以获得其中高强度基板和保持器孔形成部牢固接合在一起而无需夹物模制的导电接触探头保持器。这增加了高强度基板所占保持器的整个厚度的比例，并且可将接触探头保持器加工得与高强度板几乎一样结实。从而，可以最小化高强度基板的厚度，并且可以顺利地利用基板材料的有利特性。因此，即使减小了接触探头保持器的厚度，与通过夹物模制在其中合并有金属部件的传统保持器相比，也可最小化机械强度的降低，而这又允许进一步减小保持器的厚度。特别地，由于可采用适于形成用于保持器的保持器孔的材料来制作这种孔，并且可以实现高位置精度，所以保持器特别适于高度集成芯片测试用接触探头中的使用。
通过在开口的内周面上形成膜来保证基板与保持器孔形成部之间的电绝缘，即使分隔相邻接触单元的壁由于接触单元增加的密集排列而变薄并且静电测量变为必需，仍可以保证所需的绝缘水平，并且可以将具有有利静电特性的材料用于保持器孔形成部。
当开口设有用于防止保持器孔形成部脱出的脊或其他突出部时，通过在开口中填充诸如热塑性树脂材料的材料作为保持器孔形成部，在保持器孔形成部中形成了对应于突出部的凹部。由此，即使保持器孔形成部由于高强度板与保持器孔形成部之间的热膨胀系数差而随时间收缩，突出部与凹部之间的接合也可防止保持器孔形成部的移位。
当使用所述接触探头来进行晶片级测试、特别是老化测试时，高强度基板的热膨胀所导致的保持器作为一个整体的变形可能严重到不容忽视的地步。可以通过提供用于适应以互相平行的关系设置在高强度基板中的相邻开口之间的变形的切口，来避免所述问题。该切口适应高强度板的热变形，从而可以保证接触单元相对于晶片中的各芯片的位置精度。当由外框架来保持所述保持器时，所述切口可以防止保持器变形成穹顶状，而在不使用所述切口的情况下则会发生这种变形。
尽管采用优选实施例对本发明进行了描述，但是对于本领域的技术人员来讲，显然可以在不脱离由所附权利要求所阐述的本发明的范围的情况下，对本发明进行各种变化和修改。
权利要求
1.一种导电接触探头保持器，其用于按并列设置的状态支承用于接触物体的多个接触单元，该导电接触探头保持器包括基板部件，由第一材料制成并且其中设有一开口；以及保持器孔形成部件，由第二材料制成并以基本上不向所述开口的外面延伸的方式填充在所述开口中；多个保持器孔，贯穿所述保持器孔形成部件的厚度，每个所述保持器孔都用于在其中容纳一接触单元，其中，在所述开口的内周面上形成有接合部。
2.根据权利要求1所述的导电接触探头保持器，其中，所述基板部件由硅晶片制成，并且所述接合部包括通过各向异性刻蚀所述开口的所述内周面而形成的朝向内部的脊。
3.一种导电接触探头保持器，用于按并列设置的状态支承用于接触物体的多个接触单元，该导电接触探头保持器包括基板部件，由第一材料制成并且其中设有一开口；以及保持器孔形成部件，由第二材料制成并以基本上不向所述开口的外面延伸的方式填充在所述开口中；多个保持器孔，贯穿所述保持器孔形成部件的厚度，每个所述保持器孔都用于在其中容纳一接触单元，其中，邻近其内填充有所述保持器孔形成部件的所述开口形成有消除应力开口。
全文摘要
本发明提供了一种导电接触探头保持器。在用于提供导电接触单元的高强度基板5的一部分中形成有开口5a，并且通过绝缘膜6将由塑性材料制成的保持器孔形成部件7填充到开口中。在保持器孔形成部件中形成有保持器孔2，并且在每个保持器孔中安装有螺旋弹簧8以及导电针状部件9和10。由于加强材料在保持器的厚度中所占比例很高，所以可将接触探头保持器加工得几乎与高强度板一样结实。因此，即使最小化接触探头保持器的厚度，与包括简单地夹物模制的金属部件的传统保持器相比，也可保证保持器的机械强度，并且可以将保持器加工得更薄。
文档编号H01L21/66GK101059532SQ200710108930
公开日2007年10月24日 申请日期2003年4月16日 优先权日2002年4月16日
发明者风间俊男 申请人:日本发条株式会社