专利名称：镍合金探针卡框架层压件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种上部模(die)和底部模的组合，该组合引导半导体测试设备中的小直径测试插针，例如垂直插针探测装置(pin probingdevice)。特别是，上部模和底部模具有通过层压多个较薄的低热膨胀系数(CTE)合金的金属层而形成的有孔框架部分。具有一组孔的低CTE陶瓷插入件密封该孔，并引导小直径测试插针。
相关技术的说明集成电路的制造已经发展成通过在单个相对较大的、大约20.3cm(8英寸)直径的硅晶片上进行光刻而形成大约几百个单独的集成电路(IC)芯片。在制造和测试之后，使各芯片单个化(singulate)，以便装配到各装置中。因为更容易对相对较大的硅晶片进行处理，因此，优选是芯片的功能测试在单个化之前进行。多个测试装置可用于测试晶片上的芯片。处于晶片状态的集成电路利用探测装置进行测试，该探测装置的探针通常为悬臂或垂直结构。在已知类型的垂直插针探测装置中，探针保持在间隔开的上部模和底部模之间，并大致弯曲，同时有穿过壳体的底部模而基本垂直凸出的直线部分。当进行测试的晶片升高到与该探测装置接触时，它再升高千分之几英寸，探针退回到壳体中，该探针的弯曲部分挠曲，从而产生弹簧力，该弹簧力提供与集成电路焊点/焊盘(pad)的良好电接触。
通常，引导探针插针的壳体由电介质材料制成，通常为塑料，例如Delrin，Wilmington，DE的E.I.DuPont de Nemours&Co的商标。多个IC测试协议涉及在两个或多个不同温度对芯片进行功能测试，例如0℃和135℃(32°F和275°F)。现有技术的塑料探针壳体膨胀的热膨胀率显著大于进行测试的IC晶片的硅基材料的热膨胀率。膨胀差使得探针的位置和IC焊点位置不匹配，该状态不仅导致不能进行令人满意的电接触，而且可能由于探针穿透IC的电路区域而导致严重损害。
解决该问题的一种方法是对在壳体中的室温探针节距尺寸进行尺寸补偿，这样，在特定测试温度下，它将膨胀，从而使得探针和焊点的位置几乎正好匹配。除了在较窄的温度范围，该方案需要在各个特定温度有单独的探针装置，从而大大增加了用户在探针装置上的金钱投入。
另一种方法是发现一种能与硅晶片的热膨胀系数匹配的塑料或其它合适电介质材料。不过，到目前为止，实际选择的电介质材料的膨胀率比硅大得多。通常，塑料的高温性能有限，从而使它们不能用于IC的高温探测。
标题为“Tempera ture Compensated Vertical Pin Probing Device”的美国专利6163162公开了由低CTE金属-Invar-形成壳体的引导插针的部分。Invar是Imphy，S.A的商标。Invar是标称重量比组分为36％镍和64％铁的合金，它的CTE近似与硅的CTE相同。
Invar是电导体。为了防止插针发生电短路，该专利公开了用电介质例如聚合物或陶瓷涂覆插针引导凹口。该电介质可以作为涂层或插入件而布置在该凹口中。所公开的聚合物是Vespel，DuPont的商标。所公开的陶瓷是Macor，Corning Glass Works，Corning，NY的商标。通常，当电介质是陶瓷时，一防粘涂层涂在该陶瓷上。所公开的合适防粘涂层为由Whitford公司制造的XYLAN。
标题为“Temperature Compensated Vertical Probing Device”的美国专利6297657公开了模壳体不是通过对Invar块进行机械加工而形成，而是多层Invar箔涂覆粘结剂并层压在一起，以便形成模壳体。该结构也导电，需要通过合适的电介质来对插针引导凹口进行涂覆。
在进行测试的芯片上的电路迹线之间的间距为大约几个微米。因此，探针头组件具有非常精密的工差。框架必须非常平，并进行精确的机加工。对于使厚度为大约2.54mm(0.1英寸)机加工形成的深度为大约2.29mm(0.09英寸)的Invar框架以用于以0.15mm(0.006英寸)的节距保持4000个探针的凹穴将很麻烦。除了由于复杂的传统的机加工工艺而导致花费时间和成本外，在薄框架中除去大量金属将使框架产生应力和变形，从而导致形成的机械加工零件有很高的废品率。
因此，需要一种相对较低成本的方法来制造探针卡框架，该方法的特征是能精确形成，具有较低的废品率，并基本没有由机械加工引起的内部应力。
发明简介通过下面的说明和附图将更清楚本发明的上述目的、特征。
附图的简要说明
图1是现有技术已知的垂直插针探测装置的剖视图。
图2是图1的垂直插针探测装置的模部分的放大剖视图。
图3是根据本发明用于垂直插针探测装置中的模的俯视平面图。
图4是图3的模的剖视图。
图5是图3的模的一部分的放大剖视图。
图6是根据本发明一个可选实施例用于垂直插针探测装置中的模的俯视平面图。
图7是图6的模的剖视图。
图8是图6的模的一部分的放大剖视图。
图9是表示在现有技术已知的辊压过程中金属条怎样获得各向异性晶粒结构的示意图。
图10是根据按本发明一个实施例的晶粒结构定向的模层压层的透视图。
图11表示了制造用于图6的模的模框架的方法的框图。
详细说明图1和2表示了现有技术的垂直插针探测装置，它与称为“空间变换器”的互连装置以及印刷电路板一起使用。参考图1，有时称为“探针卡(probe card)”的印刷电路测试板10包括导电迹线12，该导电迹线12以测试电路关系与集成电路测试设备(未示出)相连。实际上，该迹线12导向在印刷电路板上的“pogo焊点”，在规定测试中，外部测试设备的引线与该“pogo”焊点相连。进行测试的集成电路14或其它装置支承在活动夹盘16上。通常，集成电路14有一定图形或矩阵形式的接触焊点，以便由垂直插针集成电路探针头组件18同时进行探测，该探针头组件18例如由Brookfield，CT的Wentworth Laboratories出售的COBRA探针头。通常，IC将是多个芯片中的一个，该芯片的电路特征通过在硅或砷化镓晶片上进行光刻而形成。在测试后使晶片分开，有时称为单个化。探测装置18包括具有一组第一孔的第一模20以及具有一组第二孔的第二模22，该第一模20和第二模22通过一间隔片24分离，并装有多个垂直插针探针26、28(pin probe)。模通常由塑料绝缘材料制成，例如Delrin乙酰树脂。
图2是表示典型探针26的放大剖视图，该探针26包括从第一组孔21中的一个中凸出的探针尖26a以及从第二组孔23中的一个中凸出的探针头26b。容纳垂直探针插针26的相对端的孔21、23稍微彼此偏置，探针插针弯曲成蛇形结构，以便促进弯折，从而即使稍微有垂直方向的不平或不齐，也能在集成电路焊点14a上产生基本均匀的接触压力。
参考图1，空间变换器29包括一个安装块30，该安装块30中形成井形部(well)32。在该井形部的底部，布置有多个孔34以与由探针头组件18的露出的探针头26b确定的第一较小内部图形尺寸相对应。为了清楚起见，探针头组件18表示为与空间变换器29分离，但是在实际操作中该探针头组件18通过螺钉(未示出)与该空间变换器29相连。
一单独的绝缘线36在一端与PCB迹线12相连，而在另一端，该线伸入安装块30中的孔34内，以便当探针头组件18螺纹连接到该空间变换器29上时与在该块30底侧的探针头26b电接触。
空间变换器29通过例如螺钉38而安装在PC板上，且一个环氧封装复合体使线36固定。探针头组件18通过螺钉(未示出)安装在空间变换器29的底侧，这样，探针头26b与线36电接触。集成电路14有多个间隔开的接触焊点14a，在功能测试过程中，这些接触焊点14与探针尖26a物理接触并电连续。当模材料的热膨胀系数与硅晶片的热膨胀系数(大约1.6×10-6英寸/英寸/°F，也就是2.8×10-6m/m/°K)差别较大时，探针尖26a不能在测试温度范围内与接触焊点14a进行有效接触。
下面参考图3、4和5，改进的温度补偿垂直插针探针头组件总体以参考标号40表示，并包括第一模部件42和第二模部件44。模通过穿过环绕周边合适布置的孔46的螺钉或其它固定件(未示出)而保持在一起，并安装在安装块30(如图1所示)上。各第一和第二模部件42、44分别包括一间隔片部件48、50，该间隔片部件48、50分别有一孔52、54。孔52、54可以有任意合适形状，以便与进行测试的IC相符，并通常为矩形。孔52和54分别通过薄的电介质片56、58而密封。
间隔片部件48、50由热膨胀系数尽可能接近形成电路基质的硅的热膨胀系数的基质芯材料制成。一种优选材料是Invar。Invar在镍的标称重量组分为36％时的热膨胀系数为1.0×10-6英寸/英寸/°F(1.8×10-6m/m/°K)，这稍微小于硅的热膨胀系数。需要时，热膨胀系数可以通过调节合金中的镍的百分量而变化，以便恰好与硅的热膨胀系数相符，如现有技术已知(Sisco，Modern Metallurgy for Engineers第2版，第299页)。也可以使用CTE在大约4×10-6英寸/英寸/°F(7×10-6m/m/°K)以内的其它低CTE金属和金属合金。
电介质薄片56、58由CTE在大约4×10-6英寸/英寸/°F(7×10-6m/m/°K)以内的任意刚性电介质材料形成，并在测试温度范围内保持结构完整性。合适的材料包括陶瓷和玻璃，其中最优选是氮化硅陶瓷(CTE＝1.7×10-6英寸/英寸/°F(3.0×10-6m/m/°K))。
如现有技术所知，探针插针64在电介质薄片56、58中的、成间隔开且偏置形式的孔60、62的图形之间延伸，该电介质薄片56、58分别由第一和第二模部件42、44的间隔片部件48、50支承。探针插针64的一端终止于探针尖64a，该探针尖64a布置成与引向印刷电路测试板的导线(例如图1中的36)进行电接触。探针插针64的相对端终止于探针尖64b，在对要测试的晶片进行探测时，探针尖64b以已知方式在孔62中滑动。
参考图4，该图4是沿图3中的线A-A的剖视图，可以看见，第一电介质薄片56的周边安装在间隔片部件48的第一表面65上，而第二电介质薄片58安装在间隔片部件50的第一表面67上，因此，这两个电介质薄片以间隔开的关系保持分开。第一电介质薄片56含有多个孔60，这些孔通过激光或其它合适装置而钻成孔的第一预定图形。第二电介质薄片58包含多个孔62，这些孔62同样通过激光或其它合适装置而钻成同样的预定图形，该图形相对于第一图形少量偏置，通常该偏置大约0.51mm(0.02英寸)。
参考放大剖视图5，该图并不成比例，在间隔片部件48中的孔52在第一表面65中环绕它的周边扩大，以便提供一个台肩52a，在间隔片部件50的第一表面中也提供有类似的周边台肩54a。第一电介质薄片56相对较薄(通常0.25mm(0.01英寸))，第二电介质薄片也相对较薄，但是通常比第一薄片更厚，优选的标称厚度为大约0.51mm(0.02英寸)。电介质薄片56、58安装成分别跨过孔52和54，并通过高强度硬粘接剂例如环氧树脂或者通过其它合适装置而分别粘接在台肩52a、52b上。
根据本发明，我们发现氮化硅陶瓷非常适用于用在改进的垂直插针探测装置中的电介质薄片56、58中。氮化硅陶瓷在高温时也提供了很高的机械强度、抗热冲击性以及韧性，同时还有很低的摩擦系数，从而使探针插针能够在不需要防粘材料涂层的情况下滑动。氮化硅薄片通常通过热压生成，并为两相(α和β)多晶陶瓷。它的热膨胀系数为1.7×10-6英寸/英寸/°F(3.0×10-6m/m/°K)-只是稍微大于硅的热膨胀系数。因为间隔片部件48、50的热膨胀系数稍微小于硅，而氮化硅的热膨胀系数稍微大于硅，用于模部件中的这两种材料相互配合，从而使模部件的总体热膨胀系数基本近似于硅晶片的热膨胀系数。
图6、7和8中表示了本发明的一个可选实施例，该图6、7和8分别与图3、4和5相对应。我们发现，不采用实心Invar的间隔片部件，层压的Invar间隔片在易于构造和提高性能方面明显优于图3-5所示类型的实心Invar间隔片48、50。
参考图6、7和8，一种可选的温度补偿垂直插针探针头组件总体以参考标号66表示，并包括第一模部件68和第二模部件70。该模与前述一样通过穿过环绕周边合适布置的孔72的螺钉而保持在一起。第一和第二模部件68、70分别包括第一间隔片部件74和第二间隔片部件76，该第一间隔片部件74和第二间隔片部件76分别有孔78、80。各孔78、80分别由薄的电介质薄片56、58而覆盖，该电介质薄片56、58可以与前面参考图3-5所述相同。
间隔片部件74、76通过对Invar箔或其它合适的低CTE金属箔进行化学蚀刻，并利用粘接剂将这些薄层粘合在一起而制成。第一间隔片74由薄层74a、74b、74c、74d、74e组成，而第二间隔片76由薄层76a、76b、76c、76d、76e组成。这些薄层或箔粘接在一起形成层压结构。合适的粘接剂是3M(Minneapolis，MN)结构粘接剂#2290，该粘接剂进行喷涂，并在热压下进行粘接。可以在与在薄层中蚀刻中心孔的同时进行蚀刻支承孔72，这大大有利于制造，并不需要如图3-5的结构那样穿过实心Invar钻孔。用于制造层压间隔片74和76的Invar箔的合适厚度为10密耳。通常需要4至6层箔的叠垛来制造间隔片。
探针插针64在电介质薄片56、58中的、间隔开且偏置形式的孔60、62之间延伸。探针插针64的第一端终止于探针尖64a，该探针尖64a布置成与引向印刷电路测试板的导线(例如图1中的36)进行电接触。探针插针64的相对端终止于探针尖64b，在对晶片14(图1)进行探测时，探针尖64b以已知方式在孔62中滑动。
参考图7，该图7是沿图6中的线B-B的剖视图，第一电介质薄片56安装在间隔片部件74的第一侧面上，第二电介质薄片58安装在间隔片部件76的第一侧面上，这样，两个电介质薄片保持间开。第一和第二电介质薄片56、58分别包括一定图形的孔60、62。与前面一样，它们的图形相同，除了在电介质薄片58中的图形相对于电介质薄片56中的图形偏置。
参考图8放大剖视图(该图并不按比例)，图中表示了探针组件的一部分。最外侧的薄层74a蚀刻成具有比下面的薄层74b、74c、74d、74e更大的开口，以便提供用于容纳电介质薄片56的周边凹口。最外侧的薄层76a蚀刻成具有比下面的薄层76b、76c、76d、76e更大的开口，以便提供用于容纳电介质薄片58的周边凹口。与图3-5中所用的机械加工实心Invar块间隔片相比，蚀刻处理能够更容易地产生用于保持陶瓷薄片的周边台肩。电介质薄片56、58在82、84处通过粘接剂保持在凹口中。合适的粘接剂是3M结构粘接剂#2290或高强度硬环氧树脂。优选的粘接剂为能自动找平的喷涂聚合物粘接剂例如b阶环氧树脂，尽管也可以采用其它热相容聚合物。
因此，所生成的层压件可以获得当对实心金属件进行机械加工时不能得到的几何形状，另外，该几何形状可以比由其它方法制成的几何形状更精确，且更容易形成。
通过将相邻的Invar箔层以旋转的方式一个在另一个上面对齐，可以提高结构强度和平面度。参考图9，用于形成层压薄层的箔86的制造包括通过使金属原料88经过轧机中的一对辊子而降低它的厚度。辊子在金属原料经过一个或多个的轧制过程(道次)中使该金属原料的厚度降低至箔的合适厚度。组成金属原料88的金属晶粒94沿所有轴线有基本相同的长度。在辊轧后，晶粒96沿辊轧方向的纵向方向98拉长。晶粒沿垂直于辊轧方向的方向100的宽度基本不变。因此，将使得该箔具有各向异性，并将沿纵向98稍微弯曲。当箔层以各连续层具有相同晶粒方向的方式层压时，弯曲的趋势将对复合体的间隔片部件的平面度会产生不利的影响。
改变连续箔层的定(方)向导致箔有良好的平面性和强度。一个优选方向如图10所示，使箔层压薄层74a、74b、74d、74c交替相对于相邻箔层旋转90°，这样，各相邻层的方向与相邻箔层偏转90，如晶粒方向箭头98、100所示。也可以采用其它方向，例如箔层交替旋转大约10至45度的范围。且并不需要使每个箔层相对于各相邻层偏转，只需要使至少一个箔层压层相对于另一个箔层压层偏转。
图11表示了用于制造本发明的Invar模的方法流程。它的特征在于例如通过化学蚀刻形成多个模层压层。对箔的蚀刻进行检查(102)，以保证具有合适的尺寸，且该箔在蚀刻过程中没有损坏。例如通过切割从该箔中取出第一模层压层(104)。然后，该第一模层压层在合适溶剂例如HFC(碳氟氢化合物)溶剂中进行脱脂(106)。粘接剂层例如环氧树脂喷涂(108)在第一模层压层上，然后通过在炉中加热而部分固化(110)-称为b阶。
然后从箔中分离(112)其余的模层压层，并进行脱脂和涂覆粘接剂层。模层压层在夹具中进行装配(114)，以便正确对齐，然后，通过在热压下进行层压(116)而形成模。对层压的模框架的平面性进行检查(118)。通常要求小于0.0002cm每cm(0.0002英寸每英寸)的偏差。
例如通过喷镀装置的 带(plater’s tape)对最外侧的模层压层的周边进行掩盖(120)，以及对台肩喷涂粘接剂(122)。该粘接剂在炉中部分固化成b阶(124)，并插入氮化硅薄片(126)，以便跨过由台肩支承的孔。组件通过加热而固化(128)，以便通过粘接剂将该薄片粘接到台肩上。然后，例如通过激光钻孔而在该薄片中形成一组孔。
本发明的操作可以说明如下。因为Invar材料的热膨胀系数稍微低于硅的热膨胀系数，但基本匹配，Invar模的尺寸膨胀基本与硅晶片的膨胀相同。因此，电介质薄片以及孔的中心线的位置根据硅晶片上的接触焊点来定位，并随硅晶片的膨胀和收缩而变化。
电介质薄片可以在热膨胀系数稍微大于硅晶片和间隔片部件的情况下绕它们自身的中心线进行膨胀和收缩。不过，该插入件受到粘接剂的约束，只能沿垂直于晶片平面的方向膨胀。因此，尽管绝缘插入件的热膨胀系数稍微大于硅晶片，但是它在很大的温度范围内都不会引起晶片接触焊点和探针点之间的明显失配。由优选陶瓷材料提供的润滑性使探针插针滑动而不需要一个防粘涂层。
尽管已经通过本发明的优选实施例以及它的一个变化形式而进行了说明，但是本领域技术人员应该知道其它在附加的权利要求中的变化形式，所有这些变化形式都落在本发明的真正精神和范围内。
权利要求
1.一种探针头组件(66)，适用于垂直插针探测装置，其特征在于第一间隔片部件(74)，有第一最内侧表面和第一最外侧表面以及中心布置的第一孔(78)，第一电介质薄片(56)在靠近所述第一最外侧表面处跨过所述第一孔(78)，所述第一电介质薄片(56)有第一组通孔，这些通孔限定一图形；第二间隔片部件(76)，有第二最内侧表面和第二最外侧表面以及中心布置的第二孔(80)，基本平行于所述第一电介质薄片(56)的第二电介质薄片(58)在靠近所述第二最外侧表面处跨过所述第二孔(80)，所述第二电介质薄片(58)有第二组通孔，这些通孔限定所述相同图形，但是相对于与所述第一组通孔垂直对齐的位置水平偏置，其中，所述第二最内侧表面靠近所述第一最内侧表面；以及所述第一间隔片部件(74)和所述第二间隔片部件(76)中的至少一个是由层压在一起的多个低热膨胀系数金属合金箔的层压层(74a-e，76a-e)而形成的复合体，其中，至少第一层压层(74a，76a)和第二层压层(74b-e，76b-e)有不对齐的拉长金属晶粒(96)。
2.根据权利要求1所述的探针头组件(66)，其特征在于所述第一间隔片部件(74)和所述第二间隔片部件(76)都是由层压在一起的多个低热膨胀系数金属合金箔的层压层(74a-e，76a-e)而形成的复合体，其中，至少第一层压层(74a，76a)和第二层压层(74b-e，76b-e)并不对齐的拉长金属晶粒(96)。
3.根据权利要求2所述的探针头组件(66)，其特征在于所述层压层(74a-74e，76a-76e)的热膨胀系数在7×10-6m/m/°K内，即进行测试的集成电路装置的热膨胀系数。
4.根据权利要求3所述的探针头组件(66)，其特征在于所述电介质层(56，58)是热膨胀系数在7×10-6m/m/°K内的陶瓷，即所述层压层(74a-74e，76a-76e)的热膨胀系数。
5.按权利要求4的探针头组件(66)，其特征为所述层压层(74a-74e，76a-76e)是Invar，所述陶瓷电介质薄片(56，58)是氮化硅。
6.根据权利要求2所述的探针头组件(66)，其特征在于所述多个层压层(74a、76a)的每一个都有拉长金属晶粒(96)，该金属晶粒(96)相对于所述多个层压层(74b-74e，76b-76e)的各相邻层偏转。
7.根据权利要求6所述的探针头组件(66)，其特征在于所述多个层压层(74a、76a)的每一个都有拉长金属晶粒(96)，该金属晶粒(96)相对于所述多个层压层(74b-74e，76b-76e)的各相邻层偏转大约90°。
8.根据权利要求6所述的探针头组件(66)，其特征在于所述层压层(74a-74e，76a-76e)是Invar，所述陶瓷电介质薄片(56，58)是氮化硅。
9.根据权利要求2所述的探针头组件(66)，其特征在于所述多个层压层(74a-74e，76a-76e)从最内侧层向最外侧层延伸，所述孔(78，80)在所述最外侧层中比在所述最内侧层中有更大的周长，从而形成支承部位。
10.根据权利要求9所述的探针头组件(66)，其特征在于所述电介质薄片(78，80)是由所述支承部位支承的陶瓷。
11.根据权利要求10所述的探针头组件(66)，其特征在于所述陶瓷薄片(78，80)通过粘接剂(82，84)粘接在所述支承部位上。
12.根据权利要求11所述的探针头组件(66)，其特征在于所述多个层压层(74a、76a)的每一个都有拉长金属晶粒(96)，该金属晶粒(96)相对于所述多个层压层(74b-74e，76b-76e)的各相邻层偏转。
13.根据权利要求12所述的探针头组件(66)，其特征在于所述多个层压层(74a、76a)的每一个都有拉长金属晶粒(96)，该金属晶粒(96)相对于所述多个层压层(74b-74e，76b-76e)的各相邻层偏转大约90°。
14.根据权利要求13所述的探针头组件(66)，其特征在于所述层压层(74a-74e，76a-76e)是Invar，所述陶瓷电介质薄片(56，58)是氮化硅。
15.根据权利要求14所述的探针头组件(66)，其特征在于所述间隔片部件(74，76)的平面性变化小于每cm0.0002cm。
全文摘要
一种用于垂直插针探测装置的探针头组件(66)，该垂直插针探测装置用于对集成电路装置进行电测试，该探针头组件(66)有由多个层压金属层(74a－74e，76a－76e)形成的金属间隔片(74、76)部分。层压金属层(74a－74e，76a－76e)由低热膨胀系数金属例如Invar而形成，该Invar为36％镍－64％铁的合金。通过将层压金属层(74a－74e，76a－76e)的金属晶粒定向成相对于相邻箔层的金属晶粒的方向偏转，可以增加强度和平面性。
文档编号G01R31/28GK1489696SQ02804423
公开日2004年4月14日 申请日期2002年1月30日 优先权日2001年1月31日
发明者F·T·麦奎德, Z·库基埃尔卡, W·F·泰森, S·埃文斯, 6, F T 麦奎德, 乃, 泰森 申请人:文特沃思实验室公司