专利名称：具有快速制作周期的高密度互连系统的制作方法
技术领域：
本发明一般来说涉及利用探针卡组合件系统来测试晶片上的一个或一个以上晶粒的半导体晶片测试的领域。更具体地说，本发明涉及包含微制作探针尖和对其的改进的探针卡组合件系统，所述系统改进了性能、更方便使用并降低用户成本。
背景技术：
在集成电路(IC)制造中，使用探针卡组合件系统将电信号路径从IC上的紧密间隔的电互连垫转移到印刷电路板上的稀疏间隔的电互连垫，所述印刷电路板与IC测试系统介接。
半导体集成电路晶片设计、处理和封装技术的进步导致每个晶粒上的输入/输出(I/O)垫数目的增加以及装置制作中使用的硅晶片直径的增加。由于每个晶片上要测试的晶粒更多且每个晶粒具有更多的I/O垫，所以测试每个晶粒的成本在总装置成本中占越来越大的部分。只有减少每个晶粒所需的测试时间或者同时测试多个晶粒，才能扭转这一不良趋势。如果同时测试多个晶粒，那么探针尖与半导体晶片之间的平行性和探针尖的共面性要求变得越来越迫切，这是由于要求所有探针尖同时在晶片的大区域上具有良好电接触。
在现有技术中，探针卡组合件系统装备有多种类型的机械机构，所述机械机构经设计以影响探针尖相对于半导体晶片的现场平行性调整，以确保与晶片上所有被探测的装置建立充分电接触。
Evans等人(US 4,975,638)教示一种校正薄膜探针卡上的探针尖与测试中的半导体晶片之间的平行性误差的方法。Evans等人教示一种包括一挠性薄膜接触件的测试探针卡，所述接触件受到具有两个自由度的刚性压力块的压力，所述自由度允许所述块将其本身定向为平行于正被测试的IC装置的平面并向由接触件承载的探针接触强加一均匀受控的力。Evans等人主张其发明的明显优势在于由测试探针卡的挠性膜接触件承载的探针接触都位于一公共平面中且在测试程序期间被保持在此平面中。
在根据Eldridge等人(例如US 6,624,648和US 5,974,662)的探针卡组合件系统中，通过使用多个球形尖线性致动器来调整空间转换器(space transformer)的定向而校正其探针尖与半导体晶片之间的平行性误差。空间转换器还充当用于如专利说明书中所述而制作的复合探针元件的支撑衬底，所述探针元件个别安装在空间转换器上。Eldridge等人声明其发明的目的在于可“在不改变探针卡的位置的情况下定向”空间转换器和(因此)其细长弹性探针元件的针尖。
上文给出的Evans和Eldridge的实例被展现为用于校正探针尖平面与上面安装探针尖的探针卡的参考表面之间的平行性误差的示范性方法。所属领域的技术人员熟知半导体晶片探测器提供一具有一探针卡安装表面的顶板，所述探针卡安装表面被精确地对准(机械地)以与晶片夹表面行进的平面(即，晶片参考表面(WRS))平行。因此，如果探针卡的针尖相对于探针卡安装表面的平行性误差在可接受公差内，那么探针卡可安装在晶片探测器顶板上，可高度确保探针尖将与晶片夹行进平面(即，WRS)平行，且因此与测试中的半导体晶片的表面平行。
在对半导体晶片探测器中的半导体晶片上的集成电路(晶粒)进行电测试的过程期间，晶片夹将测试中的晶片表面转移通过平行于WRS的平面。如先前提及的，WRS被预先调整成与晶片探测器顶板中的探针卡接口组合件安装表面的平面平行。测试中的半导体晶片(例如)由静电构件或由施加的真空可翻转地但精确地安装在晶片夹的WRS上，从而需要晶片在机械上与WRS一致。因此半导体晶片的表面被固定并定位，以便粘确地位于与晶片夹的WRS平行的平面中。
为了测试半导体晶片上的一个以上晶粒，必须用在位置上匹配的弹簧探针组为每个待测试的晶粒建立同时低电阻电接触，所述弹簧探针例如(但不限于)应力金属弹簧(SMS)探针尖。同时测试的晶粒越多，弹簧探针与半导体晶片表面(即WRS)之间需要的平行度越高，以便确保探针尖擦和(因此)电接触在整个晶片上是均匀的。然而，当并行测试更多数目的晶粒时，从IC到探针卡组合件到IC测试器的同时互连数目(未假设插脚复用)增加。由于用于接触IC晶片上的接合垫的探针尖在每个连接的基础上需要足够的机械力，以确保可靠的低电阻连接，因而探针卡组合件与晶片之间的总力与连接件数目成比例地增加。当将弹簧单高跷插脚用作电接口时，所述IC测试器与所述探针卡组合件之间的力也在逐个插脚的基础上增加，然而越来越倾向于使用零插入力连接件(ZIF)来降低探针卡与IC测试器之间的力。
精密点VX探针卡测量工具(可通过Applied Precision，LLC，of Issaquah，WA得到)能够通过探针尖与所谓的检查板的高度抛光导电钨表面之间的导电性测量来测量探针卡上的每个个别探针尖的相对“Z高度”，借此来测量探针尖与探针卡安装表面之间的平行性误差。为了使用精密点VX来获得平面性测量(其在检查板的整个X和Y维度上准确到制造商规格的0.1密耳(2.5微米))，必须按照制造商规定的且称为“精密水准校准程序”的程序对检查板与保持探针卡“母板”的“支撑板”之间的平行性进行机械调整。因为“母板”上的参考表面对于精密点VX和晶片探测器可能是不同的，所以必须执行精密水平程序，否则可能会为平面性测量带来相当大的误差。
如果所有探针尖都是共平面的，那么可(例如)通过使用精密点VX来测量探针尖相对于探针卡的安装表面的任何平面性误差。可根据详细说明第一个到最后一个接触检查板的探针尖的高度的数据来估计所需的平行性校正量。可接着校正平行性误差，且在精密点VX上验证结果。
然而，这种使用精密点VX的平行性校正和验证方法存在若干限制。第一，其是费时的。验证可花费四个小时或更长时间。第二，如果在模拟测试器接口力负载条件下进行测量，那么其可能不包括与晶片探测器中在实际操作期间所施加的力相关联的机械偏斜的所有方面。第三，测量可能是在室温下进行的且可能不指示将因探针卡组合件中的各种材料的导热系数而引起机械变化的实际操作温度。
还可能调整晶片探测器上的探针尖的平行性。然而，此是有问题的，因为晶片探测器一般用于生产环境中，且这类活动可能是不理想的。另外，可能需要能造成额外复杂性和误差可能性的专用设备或工具。无论如何，如果每当将探针卡从一个晶片探测器移动到另一个探测器或从质量控制(QC)测试仪器(例如精密点VX)移动到晶片探测器时均需要调整探针尖的平面性，那么这对于使用者将是一个额外负担。
需要这样一种探针卡组合件系统，其中在工厂中预先设定探针尖相对于半导体晶片的平行性且无需现场调整，即使在改变探针尖组合件之后也不需要。对于此类系统，将能够改变探针尖组合件以用于清洁、维修或替换或适应工作流程变化，而无需重新调整所述探针尖的平行性。对于具有预先设定的平行性调整的探针卡组合件，用户能在手头保存备用探针尖组合件的充分库存，且将仅需要购买维持其最高处理量要求的数量的探针卡组合件。
提供一种抵抗在测试期间压缩探针尖时产生的力所造成的偏斜(即，因晶片探测器夹在从探针尖接触晶片表面的那点向上移位)的探针卡组合件系统将是有利的。此类探针卡组合件系统将构成一主要技术进步。
此外，提供一种在偏高或偏低操作温度下维持到测试中的装置的低电阻电连接的探针卡组合件系统将是有利的。此类探针卡组合件系统将构成另一技术进步。
同样，提供一种包含具有足够水平且彼此平行的机械表面的组件的探针卡组合件系统将是有利的，其中所述机械表面足够水平且彼此平行以使得其能充当在探针卡组合件系统或介接到探针卡组合件系统的其它组件的参考表面。此类探针卡组合件系统将构成另一主要技术进步。
此外，提供具有相对水平且平行的组件表面的探针卡组合件系统将是有利的，所述组件表面更均匀地分布且垂直传输与高I/O数量IC和测试器相关联的高力，以减少探针卡组合件系统内的峰间机械偏斜，其中所述力由各种弹簧预负载机构或由弹簧探针在晶片测试期间的压缩产生。此类探针卡组合件系统将构成另一主要技术进步。
还需要具有水平度和平行性改进的组件的探针卡组合件系统，所述组件可抵靠在上，因为这类表面能实现预先对准、易于替换的组件和子组合件。相对水平且平行的表面和较小脱离共平面性的探针尖阵列降低了对平面性调整的需要。另外，相对水平且平行的参考表面还能使得能够使用极低力值内插器(例如每个接触0.05g到5g)，以便在大面积(例如，对于300mm晶片为1,000平方厘米)上制造低电阻高密度电连接件。此外，低力值内插器与水平且平行的参考和支撑表面相结合使得能够使用更简单的方法来进行夹紧且获得并维持平面性。或者，具有水平表面的大面积组件(例如母板、Z块等)使得能够使用真空致动系统以获得高度表面平行性。另外，由例如焊料、金线接合突起、电镀突起或粘合剂的材料制作的大面积固体电接口连接件都具有较高制造产率且使用更水平且更平行的互连支撑表面来更好且更可靠地执行任务。
同样，对于探针卡组合件的使用者(例如半导体制造商和测试者)来说，时间通常是关键因素。然而，常规探针卡组合件通常包含一个或一个以上具有较长交付时间的主要组件，例如多层陶瓷组件。由于常规组合件结构和制造方法包括此类长交付时间组件，因而一个或一个以上组合件的所得制作周期较长。
因此，提供对于制作、装配和/或预先平面化探针卡组合件的各部分具有改进(即，快速)制作周期的探针卡组合件结构和方法，且同时长交付时间组件(例如，复合、定制或半定制组件)可被容易地安装和/或从另外组件和组合件处拆卸，是更有优势的。此类探针卡组合件系统将构成另一主要技术进步。
发明内容
本发明描述一种(例如)用于连接件、插口组合件和/或探针卡系统的改进互连系统和方法。一示范性系统包含一探针卡接口组合件，其用于与安装在半导体晶片探测器中的半导体晶片建立电连接。所述探针卡接口组合件包含一母板，其具有一上表面和一下平坦安装表面，所述下平坦安装表面与所述上表面相对且与半导体晶片平行；一参考平面，其由位于母板的下表面与半导体晶片之间的至少三个点界定；至少一个组件，其具有一位于母板安装表面下方的上安装表面和一与上安装表面相对的下安装表面；和一用于相对于半导体晶片来调整参考平面的平面性的机构。具有复数个从其延伸的弹簧探针的探针芯片可安装到探针卡接口组合件处或从此处拆卸，而无需进一步进行平面性调整。互连结构和方法优选地提供改进的制作周期。
图1是用于测试半导体晶片的完整系统的系统图，所述系统包括一IC测试器和一安装在晶片探测器中的探针卡组合件；图2是安装在半导体晶片探测器系统中的探针卡组合件的系统图；图3是展示其中快速更换探针芯片探针卡组合件安装在半导体晶片探测器中的系统图；图4是展示安装在API精密点VX探针卡测试系统中具有探针卡接口组合件(PCIA)的快速更换探针芯片探针卡组合件的图；图5是快速更换探针芯片探针卡组合件的示意图；图6是快速更换探针芯片探针卡组合件的详细示意图；图7是快速更换探针卡系统内的参考测量的示意图；图8是预先平面化母板和上Z块组合件与探针芯片探针卡组合件之间的装配图，所述探针芯片探针卡组合件并入有单面内插器或双面内插器且焊接到下Z块的背面；图9展示具有双面上内插器的焊接探针芯片探针卡实施例；图10展示具有单面上内插器的焊接探针芯片探针卡实施例；图11是内插器结构的详细部分横截面图；图12是探针卡的实施例的透视图，其中探针芯片的背面垫焊接到Z块。
图13是用于探针卡装配过程的流程图，其包括用于将母板PCB焊接到母板、将单面内插器焊接到Z块顶部或使用双面内插器的可选过程；图14展示用于确保探针芯片的SMS探针尖的共平面性的夹具；图15展示探针芯片平面化过程中的第一步骤，其中为所制作的探针芯片确定一具有最佳探针尖平面性的平面；图16展示探针芯片平面化过程中的第二步骤，其中电镀位于探针芯片上的探针尖的非平坦部分；图17展示探针芯片平面化过程中的第三步骤，其中平面化位于探针芯片上的电镀探针尖的非平坦部分；图18展示探针芯片平面化过程中的第四步骤，其中在平面化之后电镀弹簧探针的非平坦部分；图19是探针芯片到Z块焊接夹具的示意图；图20展示等待焊料重熔的放置在探针芯片到Z块焊接夹具内的探针芯片和Z块；图21展示具有焊料重熔的完成的探针芯片和Z块组合件；图22是在焊料球重熔之前的探针芯片和Z块组合件的详细示意图；图23是在焊料球重熔之后的探针芯片和Z块组合件的详细示意图；图24是在探针芯片焊料附着到Z块之前的探针卡组合件的展开装配图；图25是在探针芯片焊料附着到Z块之后的探针卡组合件的展开装配图；图26是快速更换双内插器探针卡设计的替代性实施例的示意图，其中单个探针芯片区域接合到Z块；图27是具有焊料接合PCB Z块的探针卡组合件的示意图；图28是快速更换探针卡组合件的替代性实施例的示意图，其在复数个探针芯片的每一者与Z块之间包含镶嵌探针芯片组合件区域接合；图29是具有平铺探针芯片和平铺内插器的探针卡组合件的示意图；图30是探针卡母板到母板Z块焊接夹具的示意图；图31是展示焊料重熔组合件中在探针卡母板与母板(MB)Z块之间的焊料重熔过程的示意图；和图32是展示具有焊料重熔的完成的组合件的示意图，所述组合件包含一探针卡母板和一MB Z块。
具体实施例方式
关于本文所揭示的结构、过程和系统的介绍性揭示内容可参阅下列申请案1999年5月27日申请的题为“wafer Interface for High Density Probe Card”的第60/136,636号美国临时申请案(NNEX0001PR)；1999年7月28日申请的题为“Method of MassivelyParallel Testing of Circuits”的第60/146,241号美国临时申请案(NNEX0003PR)；2004年5月20日申请的题为“Quick-Change Probe chip”的第60/573,541号美国临时申请案(NNEX0019PR)；2004年7月29日申请的题为“Probe Card Assembly with RapidFabrication Cycle”的第60/592,908号美国临时申请案(NNEX0021PR)；2005年2月8日申请的题为“Nano-Contactor Embodiments for IC Packages and InterconnectComponents”的第60/651,294号美国临时申请案(NNEX0015PR)；美国申请日期为2004年6月16日题为“Enhanced Compliant Probe Card Systems Having ImprovedPlanarity”的第10/870,095号美国专利申请案(NNEX0001CIP2)；美国申请日期为2002年6月24日题为“Construction Structures and Manufacturing Processes for Probe CardAssemblies and Packages Having Wafer Level Springs”的第10/178,103号美国专利申请案(NNEX0001CIP)；美国申请日期为2001年11月27日题为“Construction Structuresand Manufacturing Processes for Integrated Circuit Wafer Probe Card Assemblies”的第09/980,040号美国专利申请案(NNEX0003)；2000年7月27日申请的PCT专利申请案第PCT/US00/21012号(NNEX0003P)；美国申请日期为2000年5月23日题为“Construction Structures and Manufacturing Processes for Integrated Circuit Wafer ProbeCard Assemblies”的第PCT/US00/14164号PCT专利申请案(NNEX0001P)；和2002年6月28日申请的题为“Systems for Testing and Packaging Integrated Circuits”的第10/069,902号美国专利申请案(NNEX0004)，其以全文引用的方式并入本文中。
图1是用于测试半导体晶片20的系统10的系统图，所述系统10包括一IC测试器14和一安装在晶片探测器12中的探针卡组合件24。所述晶片探测器包括一X-Y-Z台22和一用于在所述X-Y-Z台22上定位或移除半导体晶片20的晶片装卸装置18。系统10中的相对位置和移动与X轴23、Y轴25和Z轴27相关联。探针卡组合件24可通过可拆卸测试头接口26附着在IC测试器14的测试头16上。所述测试头16通常包括插脚电子器件28。
图2是安装在晶片探测器12中的探针卡组合件24的系统图。在晶片探测器12内安装在顶板46的安装表面48上的探针卡组合件24包含一母板32、一探针尖安装系统34和一探针尖组合件36。
顶板46的安装表面48被预先校准成与晶片夹40的行进平面平行。向上和向下观看相机50、52以及其它类型的传感器提供关于晶片20和探针尖组合件36的位置的数据，以启用软件例行程序，所述软件例行程序确保在X-Y和Z台22、42的整个行进上相对于半导体晶片20上的一个或一个以上集成电路(IC)晶粒56上的测试垫58来准确地定位弹簧探针180(图3)。
图3是展示其中快速更换探针芯片探针卡组合件64安装在半导体晶片探测器12中的系统图60。所述快速更换探针卡组合件64包含一探针卡接口组合件(PCIA)62和一探针芯片68，其中所述探针卡接口组合件(PCIA)62包含一母板32和一集成探针芯片安装系统34。
探针芯片68上的弹簧探针180的探针尖181优选地被预先对准为与PCIA 62的平面平行，从而确保探针尖181也与晶片夹40的表面54平行，且因此也与附着到晶片夹40的半导体晶片20的表面平行。弹簧探针180可包含应力金属弹簧、挠性弹簧、适应弹簧和细长弹性探针元件中的任一者。
图4是展示安装在API精密点VX探针卡测试系统10a中具有探针卡接口组合件(PCIA)62的快速更换探针卡组合件64的图。所述API系统10a是用于平面性校准和功能验证测试的用于执行测量的示范性系统。
图5是探针卡组合件64的详细示意图90。探针卡组合件64包含一探针卡接口组合件(PCIA)62和一探针芯片68，所述探针芯片68具有一探测表面93a和一安装表面93b，所述安装表面93b与所述探测表面93a相对。探针卡接口组合件(PCIA)62包含一母板32和一集成探针芯片安装系统34。(例如)通过使用在每个个别PCIA 62上获得的测量数据在PCIA 62内平行于PCIA安装表面94a来建立一探针芯片组合件安装参考平面92，所述参考平面92由母板32的下表面与安装在晶片探测器12中的半导体晶片20之间的至少三个点95(例如，95a、95b、95c)界定。依据给定PCIA 62的特定设计构建方式，数据收集和校准数据的方法可采用不同形式。然而。结果是数据(例如，平面性数据)被用来在PCIA 62内建立探针芯片组合件安装参考平面92。
探针芯片68被安装到探针芯片组合件安装表面66。探针芯片组合件安装系统34的中间组件的安装表面被制作成彼此足够平行，以确保探针芯片68上的探针尖181的平面与PCIA安装表面94a充分平行(考虑到系统的机械公差)，以使得对平面性调整的需要最小化。探针卡组合件64中的探针芯片68的探针尖181被预先对准为最小程度地彼此非共平面且与探针芯片组合件安装表面66的平面平行，因而确保探针尖181也与晶片夹40的表面平行且与固定在晶片探测器12中的晶片夹40的半导体晶片20的表面平行。弹簧探针180可包含应力金属弹簧、挠性弹簧、适应弹簧和细长弹性探针元件中的任一者。
图6是探针卡组合件64的详细示意图100。如图5中可见，快速更换探针卡组合件64包含一探针卡接口组合件(PCIA)62和一探针芯片68，其中所述探针卡接口组合件(PCIA)62包含一具有从中延伸穿过的电连接件169(图9)的母板32和一集成探针芯片安装系统34。电迹线路径107延伸通过母板32、探针芯片安装系统34和探针芯片68并到达弹簧探针180，以便与半导体晶片20上的一个或一个以上IC 56上的垫58建立接触。可优选地在探针卡组合件64中的电迹线路径107的任一点处提供扇出111，以便提供小间距组件或元件(例如，探针芯片68)与大间距组件或元件(例如，母板32上的测试器接触垫164)之间的过渡。举例来说，通常可由母板32、探针芯片68、Z块134、母板Z块或下接口102和/或上接口104内的任何地方提供扇出。
如图6可见，探针芯片安装系统34通常包含一Z块134、一位于Z块134与探针芯片68之间的下接口102和一位于Z块134与母板32之间的上接口。在某些快速更换探针卡组合件64中，下接口102包含复数个焊料接合138。同样，在某些快速更换探针卡组合件64中，上接口102包含组件部分和连接件的组合，例如内插器136(图8)、焊料接合152(图8)、焊料接合142(图8)和/或母板MB Z块132。
探针芯片组合件安装参考平面92界定在母板32的PCIA安装表面94a下方的任何位置处，例如在母板32的PCIA安装表面94a与探针芯片68的上连接表面93b之间的垂直方向中的任何位置处，或在母板32的PCIA安装表面94a与半导体晶片20之间的垂直方向中的任何位置处。
在一些实施例中，探针芯片组合件安装参考平面92界定在母板32的PCIA安装表面94a与探针芯片68的上连接表面93b之间的垂直方向中的某一点处。探针芯片组合件安装参考平面92可与探针芯片安装系统34的实际表面重合，或可包含一与PCIA安装表面94a平行的虚拟界定平面92。举例来说，对于最初不与母板32的PCIA安装表面94a平行的探针芯片安装系统34来说，所测量的数据可用来提供平面性补偿，例如可由平面性调整机构166(图9)提供的空间中的三个或三个以上点，所述平面性调整机构166例如包含可调整螺钉、垫片、衬垫、垫圈、焊料接合和弹簧166中的任一者。
图7是快速更换探针卡系统110的详细示意图，所述快速更换探针卡系统110具有下列主要尺寸·晶片参考表面(WRS)54到探针尖的尺寸112；·晶片参考表面(WRS)54到探针芯片前表面的尺寸111；·晶片参考表面(WRS)54到探针芯片组合件安装表面66的尺寸113；·晶片参考表面(WRS)54到探针芯片组合件安装参考平面92的尺寸114；·晶片参考表面(WRS)54到PCIA安装表面94a的尺寸115；和·探针芯片组合件安装参考平面92到PCIA安装表面94a的尺寸116。
当WRS到PCIA的尺寸115在X-Y台42的整个行进上在指定公差范围内时，确保了顶板46与晶片参考表面(WRS)54之间的平行性。当参考尺寸116在母板32的整个表面上在指定公差范围内时，确保了PCIA 62与WRS 54的PCIA平行性。接着通过将探针芯片68直接或间接地安装到探针芯片组合件安装参考平面92而自然地确保了探针尖181与WRS 54的平行性。
图5、图6和图7所示的探针卡接口组合件PCIA 62包含母板32和安装探针芯片68所需的其它组件。在快速更换探针卡组合件64内建立安装参考表面(MRS)92，藉此可容易地根据需要将探针芯片68安装到探针芯片组合件安装表面66或从探针芯片组合件安装表面66中拆卸。
快速更换探针卡系统110提供用于在探针卡接口组合件62内对准探针芯片安装参考平面92，以使得探针芯片安装参考平面92精确地与探针卡接口组合件安装表面48平行，且因此也与半导体晶片探测器12中的晶片夹40的(WRS)54平行的结构和方法。
快速更换探针卡系统110和相关方法确保了探针芯片68上的SMS探针尖181与探针芯片组合件安装表面66的表面平行。提供用于容易地将探针芯片68安装到探针卡接口组合件62中的探针卡接口组合件安装表面66或容易地将探针芯片68从探针卡接口组合件62中的探针卡接口组合件安装表面66拆卸的构件，因而确保探针芯片68上的弹簧探针180的探针尖181与探针卡接口组合件安装表面48的相同平面平行，且因而与晶片参考表面WRS 54的平面平行且因此与测试中的半导体晶片20的表面平行。
图8是上组合件131与下探针芯片组合件146(例如，146a、146b)之间的装配图130。所述上组合件131包含一母板32，其焊料接合142到母板Z块组合件132。所述下探针芯片组合件146(例如，146a、146b)焊接138到下Z块134的背面，所述下探针芯片组合件146并入有一单面内插器136b或一双面内插器136a。
母板(MB)Z块132通过使用一夹具560(图30)而焊料接合142到探针卡母板32，藉此母板Z块132的前表面133a被制作成与探针卡安装表面94a平行。探针芯片68通过使用夹具300(图19、图20)而焊料接合138到下Z块134，所述夹具300确保探针芯片68的探针尖181、前表面93a和/或背表面93b与探针芯片组合件146a中的Z块134的背表面109b(图6)平行，或与焊接到探针芯片组合件146b中的Z块134的背面的单面内插器136b的上表面204a(图11)平行。提供用于容易地将探针芯片组合件146a或146b安装到探针卡接口组合件62中的探针卡接口组合件安装表面66或将探针芯片组合件146a或146b从探针卡接口组合件62中的探针卡接口组合件安装表面66处拆卸的构件，从而确保探针芯片68上的SMS探针尖181与探针卡接口组合件安装表面48的平面平行，且因而与晶片参考表面WRS 54的平面平行且因此与测试中的半导体晶片20的表面平行。
图9是快速更换探针卡系统64的详细部分示意图160，所述快速更换探针卡系统64包含一具有双面上内插器136a的焊接探针芯片探针卡68。图10是快速更换探针卡系统64的详细部分示意图190，所述快速更换探针卡系统64包含一具有单面上内插器136b的焊接探针芯片探针卡实施例。优选地包括一个或一个以上行进止块192，以防止在上内插器136b相对于探针卡母板32开始回升时损坏探针172。可对上内插器136b进行电镀以增加内插器弹簧探针172的探针力。在探针卡组合件64中提供用于预加载452的构件，如图26可见。
外部对准插脚168通常从顶加强件162延伸并通过探针卡组合件64，例如延伸并通过探针卡接口组合件62。外部对准插脚168啮合在探针卡组合件64中的组件(例如母板32和Z块凸缘178)中界定的机械定位特征169(例如凹口、插槽和/或孔或其任何组合)。定位特征169的使用优选地允许探针卡组合件64中组件之间存在热膨胀差异，以允许在较宽温度范围上进行测试。
图11是(例如)针对于双面内插器136a或针对于双面下内插器474(图27)的内插器结构136的部分横截面图196。优选地在单面内插器136b中提供类似构造细节。
内插器弹簧172(例如光刻形成的探针弹簧172)一般配置在内插器栅格阵列内，以提供复数个标准化连接件。举例来说，在图9所示的双面内插器136a中，内插器弹簧172提供母板32与Z块134之间的连接件。类似地，在图27所示的下内插器474中，内插器弹簧172提供Z块134与探针芯片68之间的连接件。
内插器通孔173穿过内插器衬底175而从第一表面204a延伸到第二表面204b。内插器通孔173优选地配置成多余通孔对，以便增加内插器136、474的制造产率，且/或特别是为功率迹线提升导电性。
相对表面204a、204b通常包含一释放层198(例如包含钛)和一复合层197、198，所述复合层通常包含复数个具有不同固有应力水平的导电层197a到197n。内插器通孔173(例如填充有CuW或金)延伸并通过中心衬底175(通常为陶瓷)且提供释放层198之间的导电连接件。复合层197、198通常包含MoCr，其中内插器探针弹簧172被图案化且接着在释放区203内随后释放。
优选地在复合层197、199上形成一籽晶层200(例如，0.5到1um厚的金层)。在一些实施例中，至少在弹簧夹172的针尖上可控制地形成针尖涂层205(例如，铑或钯合金)，以便提供耐磨损性和/或接触可靠性。如图所示，通过在结构196上电镀而可选择地形成迹线201(通常包含铜)，以便提供降低的电阻。同样，如图所示，通常在结构196上形成聚酰亚胺PMID层202，以界定弹簧夹提升区。一厚金层200保持在被提升的夹172上，以便降低夹172的薄膜电阻。
图12是具有探针芯片68的快速更换探针卡系统110的透视图，所述探针芯片68的背面垫278(图14)焊接到Z块134。通过中间连接器136(例如内插器136，例如136a、136b)维持Z块134与探针卡母板32电接触。Z块134衬底163(图9)优选地包含具有高弹性模数和良好电绝缘品质的材料，例如陶瓷、多层陶瓷和/或共烧陶瓷。凸缘178通常包含金属，例如任何与Z块衬底163具有良好热膨胀系数(TCE)匹配的金属。在一示范性Z块134衬底163中，候选凸缘材料包括钛、钛合金、InvarTM或CovarTM。
图13是用于快速更换探针卡装配过程220的流程图，其包括标准结构和过程221、用于将母板PCB Z块134焊接到母板32的可选结构和子过程243、用于将单面内插器136b焊接到Z块134顶部的可选结构和子过程231、或使用双面内插器136a的可选结构和子过程239。
在标准结构和过程221中，制作探针芯片68(222)，所述探针芯片68包含复数个挠性弹簧探针180，其通常包含应力金属弹簧180。应力金属弹簧180最初通过在MoCr弹簧结构197(例如复数个层197a到197n(图11))内建立应力梯度而形成。涂覆第一金属层286(图16)(例如镍)(284)(图16)，例如到达2到10微米的厚度。在这一点上，优选地(例如)在加热或退火过程292中(图17)将探针芯片68的应力金属弹簧180的针尖制造292(图17)成共平面。随后，在应力金属弹簧180上涂覆一额外金属层298(图18)，优选地到达5到50微米的厚度。
图14是用于确保探针芯片68的SMS探针尖108的共平面性的夹具254的示意图。探针芯片衬底272(图15)被保持为相对于参考夹262(例如真空或静电夹262)的水平表面为水平的。精密垫片266放置在探针芯片衬底272外围处的表面上且停留在水平衬底258(例如，玻璃258)上，所述水平衬底258位于下水平参考表面260上。水平参考表面264放置在上参考夹262和垫片266之上，从而压缩SMS弹簧探针180，以使得探针尖181与探针芯片衬底272的背面位于完全相同的高度。接着将探针芯片68在烘箱256中加热到175到225摄氏度之间持续1到3小时的时间段，以允许弹簧探针180退火且与水平和平坦参考表面258、260一致。接着慢慢地冷却系统254，以最优地减轻由陶瓷衬底272与探针芯片金属化层197a到197n(图11)之间的热膨胀系数差异产生的应力。
在一替代性实施例中，通过对于弹簧探针180使用具有水平表面和一个或一个以上凹槽(类似于图19所示的凹槽303)的夹258来替换玻璃衬底258，将探针尖281制造成与探针芯片衬底272的前表面93a平行，其中凹槽被制作成具有精密深度。接着将探针芯片68的前表面93a保持为相对于夹水平表面258为水平的，且相对于凹槽的下表面压缩弹簧探针180。这种平面化方法使得衬底272的厚度变化和弹簧探针180的压缩的影响减到最小。所述方法还有助于在随后处理步骤之后维持探针尖181的共平面性。举例来说，如果在探针芯片68在探针尖平面化期间被保持为相对于其背表面93a为水平的情况下探针芯片68在接合期间被保持为相对于其前表面93a为水平的，那么衬底厚度272的变化可在焊料接合之后减少探针尖平面性。
探针芯片平面化图15展示探针芯片平面化过程275中的第一步骤270，其中为所制作的探针芯片68确定一具有最佳探针尖平面性的平面280。如图15中所见，探针芯片68包含一探针芯片衬底272，其具有一探测表面93a和一接合表面93b，所述接合表面93b与所述探测表面93a相对；复数个位于探测表面93a上的弹簧探针180，其被配置273成对应于集成电路20的接合垫且从探测表面93a处延伸以界定复数个探针尖181；一相应第二复数个接合垫278，其位于接合表面93b上且配置成第二标准配置275；和电连接件274，其从弹簧探针180的每一者延伸到相应第二复数个接合垫278中的每一者。
图16展示探针芯片平面化过程中的第二步骤284，其中对位于探针芯片上的弹簧探针180的非平坦部分进行电镀286。图17展示探针芯片平面化过程中的第三步骤290，其中平面化292位于探针芯片上的电镀弹簧探针180的非平坦部分。图18展示探针芯片平面化过程中的第四步骤294，其中在平面化292之后电镀296弹簧探针180的非平坦部分以形成外部电镀层298。
图19是探针芯片到Z块焊接夹具300的示意图。探针芯片68的前表面93a被保持为相对于下参考夹302(例如，真空或静电夹302)为水平的。参考夹302的表面中的一个或一个以上凹槽303为探针芯片68上的弹簧探针180提供间隙。通过使用对准插脚304(例如，两个插脚304)来完成X-Y对准，所述插脚304啮合探针芯片68中的机械定位特征(例如，凹口或孔)。上参考夹262(例如，真空或静电夹262)附着到陶瓷Z块310的顶面以确保热接触。优选地由从下参考夹302延伸到Z块凸缘178中的插脚306提供用于Z块310的X-Y对准。下参考夹302通常位于下水平参考表面元件260上，所述元件260优选地包括加热构件261。上参考夹262通常位于上水平参考表面元件264，所述元件264也优选地包括加热构件263，其中通常控制267加热构件261、263。
通常可(例如)通过Z转移机构268相对于夹具300来垂直地控制上参考夹262和上水平参考表面元件264。可通过在夹具300内可控制地固定Z块310和探针芯片68且由加热器261、263施加热量来重熔探针芯片68与Z块310之间的焊料球312。
图20展示探针芯片到Z块焊料重熔330，此时热量261、263(图19)施加到焊料球312且同时探针组合件68和Z块组合件310在夹具300中保持平行配置。图21展示完成的探针芯片和Z块组合件350。图22是在焊料球重熔330之前的探针芯片68和Z块310的详细图370。图23是在焊料球重熔330之后探针芯片68和Z块310的详细图380。焊料球312的重熔330形成焊料接合138，以使得所形成的包含Z块310和探针芯片68的组合件350在探针芯片68的探针表面93a与Z块组合件310的上表面109b(图6)之间提供高度平面性352。
图24是在探针芯片焊料附着到Z块组合件310之前快速更换探针卡组合件64的展开装配图400。图25是在探针芯片焊料附着138到Z块组合件310之后探针卡组合件的展开装配图430。如图25中可见，经过组合的探针芯片组合件146包含探针芯片68、Z块134和内插器136，且其提供固有平行结构，所述平行结构可容易地安装到母板32和顶加强件162且可从母板32和顶加强件162处拆卸。
快速更换探针卡组合件64包含探针卡接口组合件(PCIA)62和探针芯片68。快速更换探针卡装置64和方法220使得预先校准的探针芯片组合件68能够在工厂中或实地方便地与兼容探针卡接口组合件(PCIA)62交换，此交换例如通过从探测器12处移除所述快速更换探针卡组合件64，从探针芯片组合件安装参考表面66处拆卸探针芯片68和相关组件，将相同(或替代)探针芯片68和相关组件重新安装到探针芯片组合件安装参考表面66并将快速更换探针卡组合件64重新安装在探测器12中来进行。
PCIA安装表面94a被界定为在实体上与晶片探测器顶板46上的探针卡安装表面48配合的母板32的外围区。晶片探测器顶板安装表面48被预先校准为与晶片探测器12中的晶片夹40的运动平面平行，其中市售晶片探测器12中的晶片夹40的表面被界定为晶片参考表面(WRS)54。探针芯片组合件安装参考平面92优选地被预先校准为与PCIA安装表面48平行，且因此自然与WRS 54平行。同样，探针芯片68优选地被制作成确保探针尖181(例如，应力金属弹簧(SMS)探针尖181)在可接受公差内相对于彼此位于公共平面280(图17)中。
存在两种类型的探针芯片组合件68，平行和非平行的。平行探针芯片组合件中的探针尖181的平面280与探针芯片组合件安装表面48平行。对于非平行探针芯片组合件68，安装表面48不与探针尖181的平面280平行。可通过组合PCIA 62的工厂校准数据与探针芯片68的工厂校准数据以重新校准PCIA平行性调整而在不对快速更换探针卡64进行重新平面化的情况下更换非平行探针芯片组合件68。
探针卡校准数据优选地在工厂中为PCIA 62和非平行探针芯片组合件68获取机械平行性校准数据，例如(但不限于)垫片厚度和/或差动螺钉设定值。校准数据可存储在数据库中或存储在安装在PCIA 62或探针芯片组合件68上的非易失性存储器芯片中。PCIA校准数据提供相对于PCIA安装表面48建立探针芯片安装参考平面92所需的信息。探针芯片组合件校准数据与PCIA校准数据一起提供设定PCIA平面性调整以使得探针芯片68上的应力金属弹簧(SMS)探针尖181与PCIA安装表面48的平面平行所需的信息。
Z块校准工具Z块校准工具用于在PCIA 62内建立探针芯片组合件安装参考平面92。此工具被制作成充当在其表面之间具有足够高的水平度和平行度的机械参考标准，以准确地确定探针芯片组合件安装参考平面92的平行性调整参数。
现场校准探针芯片组合件探针芯片组合件68的一些实施例优选地被设计为安装并用于使用特定晶片探测器12或API精密点VX或具有类似功能的其它工具对PCIA进行加速的测试和验证，其中所述工具可用于调整PCIA 62中的探针芯片组合件安装参考平面92的平面性。校准探针芯片组合件被设计成包括辅助PCIA和/或探针芯片技术的可靠性、准确性和诊断测试的测试结构。
图26展示快变探针卡64，其中单个探针芯片68区域接合138到Z块134的下表面，且单面上内插器136区域接合152(图8)到Z块134的上表面。区域接合138、152通常由焊料、导电粘合剂、线接合螺栓或其任何组合中的任一者形成。在接合过程330期间，例如(但不限于)通过真空通道和/或孔相对于一水平表面(例如，302(图19))来保持探针芯片68和上内插器136。优选平面性调整机构提供最佳负载分布且使得Z块134的偏斜最小化。平面性调整机构可优选地包含三个或三个以上可调整螺钉(例如三个或三个以上差动螺钉166)、垫片、衬垫、垫圈、焊料接合(例如焊料接合138)和/或弹簧或其任何组合中的任一者。
如图7和图9中所见，探针芯片组合件安装参考平面92相对于母板表面32的下表面94a的位置优选地由使用从Z块134的任一表面163a、163b到晶片参考表面WRS 54(图7)的距离的测量(例如在三个或三个以上基准参考位置处)的计算确定。然而，在此情况下，将Z块校准工具用于确定探针芯片细组合件安装参考平面92。Z块校准工具仅用于机械校准，且提供在其表面之间具有足够高的平行度的机械参考标准，以确保探针芯片68上的探针180的针尖与PCIA安装表面66充分地平行，以确保与晶片探测器夹40平行且最终与测试中的半导体晶片20平行。
平行性误差测量和校正可例如通过以下方式来测量并校正探针芯片接口组合件(PCIA)62的探针芯片组合件安装参考平面(92)的平行性误差·视情况安装产品Z块或Z块校准工具且视情况安装校准探针芯片组合件；·执行平行性误差的现场测量(例如在API精确点VX或等效物、或晶片探测器((向上观看相机、探针标记检查、接触电阻轮廓等)上)；·为与测试中的PCIA(62)相关联的探针芯片组合件安装参考平面(92)确定平行性校正；·保留校准数据以供将来使用；且·移除探针卡；且根据需要·拆除，并以恰当机械偏移校正任何平行性误差。
对于非平行探针芯片68来说，示范性平行性误差测量和校正方法包含以下步骤·将非平行探针芯片(68)安装在具有先前校准的探针芯片组合件安装参考平面(92)的PCIA(62)中；·执行平行性误差的现场测量(在API、内部工具或晶片探测器((向上观看相机、探针标记检查、接触电阻轮廓等)上)；·为测试中的非平行探针芯片确定平行性校正；·保留数据以供将来使用；·移除探针卡；且·拆除，并以恰当机械偏移校正任何平行性误差。
图27是快变探针卡组合件64的示意图，所述组合件64包含一焊料接合母板PCB Z块134和一内插器136，所述内插器136位于母板PCB Z块132与主要Z块134之间。母板PCB Z块132上的区域接合142可由焊料、导电粘合剂、线接合螺栓或其任何组合形成。优选平面性调整机构提供最佳负载分布且使得Z块134的偏移最小化。平面性调整机构可优选地包含三个或三个以上可调整螺钉(例如，三个或三个以上差动螺钉166)、垫片、衬垫、垫圈、焊料接合(例如，焊料接合138)和/或弹簧166和其任何组合中的任一者。
图28是快速更换探针卡组合件64的示意图，所述组合件64具有带有厚度不同的衬底272a、272b的平铺探针芯片68a、68b和一Z块134。当在焊接过程300(图19)期间同时相对于水平参考夹302(例如真空或静电夹302)来保持探针芯片68a、68b时，焊料接合374a、374b补偿探针芯片衬底272a、272b之间的厚度差异。内插器136和Z块134每一者与母板32对准，且因此相对于彼此对准。
光学确定特征(例如Z块134之上的接触垫)的位置，且确定对准插脚170(例如直接连接到Z块134或凸缘178(图24))的位置，藉此Z块134在X和Y平面中恰当地与内插器136上的相应接触件对准。
优选平面性调整机构提供最佳负载分布且使得Z块134的偏移最小化。平面性调整机构可优选地包含三个或三个以上可调整螺钉(例如，三个或三个以上差动螺钉166)、垫片、衬垫、垫圈、焊料接合(例如，焊料接合138)和/或弹簧和其任何组合中的任一者。
图29是快速更换探针卡组合件64的示意图，所述组合件64具有带有厚度不同的衬底的272a、272b的平铺探针芯片68a、68b以及平铺内插器136a、136b。内插器136a、136b与母板Z块132 X-Y对准，所述母板Z块132区域接合142到母板32。同样，内插器136a、136b和主要Z块134每一者与母板32 X-Y对准，且因而自然相对于彼此X-Y对准。优选平面性调整机构提供最佳负载分布且使得Z块134的偏斜最小化。平面性调整机构可优选地包含三个或三个以上可调整螺钉(例如，三个或三个以上差动螺钉166)、垫片、衬垫、垫圈、焊料接合(例如，焊料接合138)和/或弹簧、和其任何组合中的任一者。
图30是探针卡母板到母板Z块焊接夹具560的示意图。母板Z块132的前表面相对于下参考夹562(例如，真空或静电夹562)保持水平，其中在探针卡母板32周边处具有一个或一个以上垫片566。通过使用两个对准插脚568来实现X-Y对准，所述对准插脚568啮合在母板Z块132中的机械定位特征569(例如，孔569)中。上参考夹570(例如，真空或静电夹570)附着到探针卡母板32的上表面94b，以确保热接触。由从下参考夹562延伸到探针卡母板32中的插脚来实现探针卡母板32的X-Y对准。
图31是展示在包含一探针卡母板和一母板Z块132的组合件中的焊料重熔过程580的示意图。图32是展示具有焊料重熔580的完成的组合件131的示意图590，所述组合件131包含一探针卡母板32和一母板Z块132。
在快速更换探针卡组合件64中使用低力值内插器和相关方法220在两个水平且平行表面之间提供了复数个可靠电连接件，其中所述两个表面每一者具有一与内插器136上的低力值SMS探针尖中的至少一者电接触的导电区(例如，垫)。低力值内插器136减小了压缩SMS弹簧探针180所需的总力，且因此减小了系统的承载组件的机械偏斜。或者，低力值内插器136使得能够使用更薄的结构和/或更低弹性模数材料在操作条件下支撑或压缩内插器。
快速更换探针卡组合件64和相关方法220通过使用低力值内插器136(例如每个接触具有在0.05克到5克之间的力)而提供高质量电接触，且通过在内插器136的两侧上使用多余SMS弹簧探针180(即，每个电接触件具有一个以上SMS弹簧探针180，例如已展示每个接触具有4个SMS弹簧探针180)、非氧化探针尖181(例如，洁净铑涂覆探针尖181)和非氧化接触垫(例如，洁净金接触垫)而被增强。
在一替代性实施例中，通过使用移除表面污染物且暴露无污染金属表面的方法来清洁弹簧探针180和接触垫278。举例来说，可使用表面处理(例如机械抛光、等离子清洁和离子铣削)来暴露弹簧探针180和电接触垫278上的无污染表面。
快速更换探针卡组合件64和相关方法220允许生产对于测试半导体晶片20具有快速制作周期的可定制探针卡组合件64。通过使用具有快速制作周期的半定制组件与可具有超长交付时间的标准组件来实现快速制作周期。由于标准化组件是被预先定购且保持库存，直到需要将其装配成最终产品，因而制作周期仅依赖于半可定制组件的制作周期。
举例来说，Z块134是标准化组件，其可被预先定购且保持库存。探针芯片68是半定制组件，其具有固定的制造周期，所述制造周期从用户定购探针卡系统64时开始。那么主要由探针芯片68的制作周期来确定整个探针卡制作周期。
系统优势快速更换探针芯片系统64和方法220通过允许使用者容易地更换探针芯片组合件68而无需将整个探针卡组合件68送回制造商而降低了用户成本。快速更换探针芯片系统64和方法220允许经训练的使用者或现场维修工程师在用户位置处快速更换探针芯片68。
同样，用户能在手头库存备用探针芯片组合件68，且交换探针芯片组合件68而并非整个探针卡组合件(例如64)。此性能使得与探针芯片问题有关的停机时间最小化，例如涉及常规规定清洁、针尖磨损、针尖故障和/或意外针尖污染。
本发明提供降低或消除在最终装配时进行平面性调整的需要的制作方法。然而，在安装新探针芯片组合件之后，可容易地在API精密点VX或等效物上验证探针卡功能。如需要，可(例如)由现场工作人员或由用户执行平面性测量，以在用于生产之前验证探针卡的恰当对准和功能。
快速更换探针芯片系统64和方法220在偏高或偏低的操作温度下维持到测试中的装置的低电阻电连接。
同样，快速更换探针芯片系统64和方法220包含具有足够水平且彼此平行的机械表面的组件，所述组件使得所述机械表面能充当用于位于探针卡组合件系统内或介接到探针卡组合件系统的其它组件的参考表面。
此外，具有相对水平且平行组件表面的快速更换探针芯片系统64和方法220更均匀地分布且垂直传输与高I/O数量IC和测试器相关联的高力，以减少探针卡组合件系统内的峰间机械偏斜，其中所述力由各种弹簧预负载机构或由弹簧探针在晶片测试期间的压缩产生。
另外，快速更换探针芯片系统64和方法220具有水平性和平行性得到改进的组件，所述组件可相对于彼此停留，且使得预先对准且易于替换的组件和子组合件成为可能。相对水平且平行的表面和较小脱离共平面性的探针尖阵列降低了对平面性调整的需要。另外，相对水平且平行的参考表面的使用使得能够使用极低力值内插器(例如每个接触0.05g到5g)以在大区域(例如，对于300mm晶片为1,000平方厘米)上制造低电阻高密度电连接件。此外，结合水平且平行的参考和支撑表面的低力值内插器使得能够使用更简单的方法来进行夹紧且获得并维持平面性。或者，具有水平表面的大面积组件(例如母板、Z块等)使得能够使用真空致动系统以获得高度表面平行性。另外，由例如焊料、金线接合突起、电镀突起或粘合剂的材料制作的大面积固体电接口连接件都具有较高制造产率且使用更水平且更平行的互连支撑表面来更好且更可靠地执行任务。
同样，对于探针卡组合件的使用者(例如半导体制造商和测试者)来说，时间通常是关键因素。常规探针卡组合件通常包含一个或一个以上具有长交付时间的主要组件，例如对于多层陶瓷组件来说。由于常规组合件结构和制造方法包括此类长交付时间组件，因而一个或一个以上组合件的所得制作周期较长。
相反，快速更换探针芯片系统64和方法220具有改进的(即，快速的)可用于制作、装配和/或预先平面化探针卡组合件的各部分的制作周期，且同时长交付时间组件(例如，复合、定制或半定制组件)可被容易地安装到其他组件和组合件上和/或从其他组件和组合件处拆卸。
根据本发明的方法通过降低或消除对向挠性连接器施加压力和/或调整线性致动器的需要而适应探针卡制作期间的平面性差异。根据本教示的方法包括通过使用两个或两个以上电镀步骤来建立探针弹簧的共平面阵列和通过造成焊料接点高度的变化以补偿子组件之间的平坦差异来平面化探针芯片组合件。两种制造方法都建立水平参考工具表面且使用真空或其它构件来将装配中的组件保持为相对于所述参考工具表面为水平的。在探针弹簧的情况下，施加第一电镀层，且通过加热并同时相对于参考工具表面来保持针尖而使得针尖成共平面，之后完成提供充分探测用力以在可接受循环寿命内确保可靠电接触所需的额外电镀。在母板到探针弹簧组合件的情况下，可将这些组件拉伸为对于与WRS平行的参考工具表面为水平的，且可重熔焊料以保持平行性。
本发明还使用标准组件以降低制造成本和制造时间。
虽然本文结合集成电路测试探针、探针卡和/或封装来描述具有改进的共平面性和平行性的弹簧探针的探针卡组合件系统和制造方法，但所述系统和方法可根据需要与很多种装置一起来实施，例如电子组件或装置内的集成电路与衬底之间的互连件、老化测试装置和MEMS装置或其任何组合。
同样，所属领域的技术人员可容易地了解，可用各种替代类型的探针尖来取代本文所描述的应力金属弹簧(SMS)探针尖，且因此不应将与本发明的方法和装置有关的教示解释为限于使用本文所描述的SMS探针尖。
因而，虽然已参考特定优选实施例来详细描述本发明，但所属领域的一般技术人员将了解，可在不脱离所附权利要求书的精神和范畴的情况下作出各种修改和增强。
权利要求
1.一种探针卡接口组合件，其用于建立到位于一半导体晶片上的至少一个集成电路装置上的一个或一个以上接合垫的连接件，所述组合件包含一母板，其具有一上表面、一与所述上表面相对且与所述半导体晶片平行的下平坦安装表面和复数个在所述下平坦安装表面与相对的所述上表面之间延伸的电连接件；一参考平面，其由位于所述母板的所述下平坦安装表面与所述半导体晶片之间的至少三个点界定；一探针芯片组合件安装系统，其包含至少一个组件，所述组件具有一上安装表面和一与所述上安装表面相对的探针芯片组合件安装表面；和一用于相对于所述半导体晶片来调整所述参考平面的平面性的机构。
2.根据权利要求1所述的探针卡接口组合件，其进一步包含至少一个探针芯片，其包含一具有一探测表面和一与所述探测表面相对的安装表面的探针芯片衬底，所述安装表面附着到所述探针芯片组合件安装系统的所述探针芯片组合件安装表面；复数个在所述探测表面上的从所述探测表面延伸以界定复数个经配置以对应所述接合垫的探针尖的弹簧探针；相应第二复数个位于所述安装表面上的电接触件；和从所述弹簧探针中的每一者延伸到所述相应第二复数个电接触件中的每一者的电连接件；其中所述探针芯片的所述探测表面和所述安装表面的任一者的平面性可通过所述平面性机构来调整。
3.根据权利要求2所述的探针卡接口组合件，其中通过将所述探针尖限制在一与所述探针芯片衬底的所述探测表面和所述安装表面中的任一者平行的夹具中且向所述探针芯片组合件施加热量以使得所述探针尖与所述夹具一致，来平面化所述探针尖。
4.根据权利要求2所述的探针卡接口组合件，其中所述平面性调整机构包含可调整螺钉、差动螺钉、垫片、衬垫、垫圈、弹簧垫圈、焊料接合、粘合剂接合、弹簧和其任何组合中的任一者。
5.根据权利要求2所述的探针卡接口组合件，其中所述探针芯片组合件的安装固有地提供所述探针芯片的所述探测表面和所述安装表面中的任一者与所述探针芯片组合件的所述探针组合件安装表面之间的平行性。
6.根据权利要求2所述的探针卡接口组合件，其中所述探针芯片组合件是可拆卸的。
7.根据权利要求2所述的探针卡接口组合件，其进一步包含用于对所述下平坦安装表面与所述探针芯片的所述探测表面和所述安装表面中的任一者之间的平行性进行测量和调整中的任一者的构件。
8.根据权利要求1所述的探针卡接口组合件，其进一步包含一替代探针芯片，其包含一具有一探测表面和一与所述探测表面相对的安装表面的探针芯片衬底、复数个在所述探测表面上的从所述探测表面延伸以界定复数个经配置以对应所述接合垫的探针尖的弹簧探针、相应第二复数个位于所述安装表面上的电接触件和从所述弹簧探针中的每一者延伸到所述相应第二复数个电接触件中的每一者的电连接件；其中所述替代探针芯片组合件的所述安装表面可安装到所述探针卡接口组合件的所述下平坦表面。
9.根据权利要求8所述的探针卡接口组合件，其中可代替所述第一探针芯片组合件而安装所述替代探针芯片组合件以提供平面性，而无需进一步校准。
10.根据权利要求1所述的探针卡接口组合件，其进一步包含用于对所述下平坦安装表面与所述参考平面和所述探针芯片组合件安装表面中的任一者之间的平行性进行测量和调整中的任一者的构件。
11.根据权利要求1所述的探针卡接口组合件，其中所述探针芯片组合件安装系统包含一下Z块，其包含一具有一内插器接触表面和一与所述内插器接触表面相对的探针芯片安装表面的衬底、第一复数个配置在所述内插器接触表面上的电接触垫、相应第二复数个在所述探针芯片安装表面上的接合垫和从所述第一复数个接合垫中的所述接触垫中的每一者延伸到所述第二复数个接合垫中的所述相应接合垫中的每一者的电连接件；和一上接口，其位于所述下Z块与所述母板之间且包含复数个电接触件；其中所述下Z块附着到所述母板，其中所述内插器接触表面被定向成与所述晶片探测器安装表面平行。
12.根据权利要求11所述的探针卡接口组合件，其中所述下Z块的所述衬底包含一陶瓷、一多层陶瓷和一共烧陶瓷中的任一者。
13.根据权利要求11所述的探针卡接口组合件，其进一步包含至少一个探针芯片，其包含一具有一探测表面和一与所述探测表面相对的安装表面的探针芯片衬底，所述安装表面焊接到所述下Z块的所述探针芯片安装表面；复数个在所述探测表面上的从所述探测表面延伸以界定复数个经配置以对应所述接合垫的探针尖的弹簧探针；相应第二复数个位于所述安装表面上的电接触件；和从所述弹簧探针中的每一者延伸到所述相应第二复数个电接触件中的每一者的电连接件；其中所述平面性机构可控制以对所述参考平面进行调整，以影响所述探测表面与所述半导体晶片之间的平面性，其中所述探针的所述探测表面和所述安装表面的任一者的平面性可通过所述平面性机构来调整。
14.根据权利要求13所述的探针卡接口组合件，其中所述上接口包含以下任一者至少一个内插器，其位于所述下Z块与所述母板之间，所述至少一个内插器中的每一者包含一上表面和一与所述上表面相对的下表面、复数个在所述上表面上的适应电接触件、复数个在所述下表面上的电接触件和复数个在所述复数个适应电接触件与所述复数个电接触件之间的导电连接件；和一母板Z块，其具有一第一表面和一与所述第一表面相对的第二表面、和复数个在所述第二表面与所述母板之间的焊料接合。
15.根据权利要求14所述的探针卡接口组合件，其中所述母板Z块含有从中延伸穿过的扇出电连接件。
16.根据权利要求14所述的探针卡接口组合件，其中所述适应电接触件经过电镀。
17.根据权利要求14所述的探针卡接口组合件，其中所述复数个在所述内插器的所述下表面上的电接触件包含焊料球和弹簧探针中的任一者。
18.根据权利要求17所述的探针卡接口组合件，其中所述弹簧探针经过电镀。
19.根据权利要求14所述的探针卡接口组合件，其进一步包含用于调整所述探针芯片的所述探测表面与所述下Z块的所述内插器接触表面和所述内插器的所述上表面中的任一者之间的平行性的构件。
20.根据权利要求14所述的探针卡接口组合件，其进一步包含用于调整所述下平坦安装表面与所述母板Z块的所述第一表面之间的平行性的任一者的构件。
21.根据权利要求11所述的探针卡接口组合件，其中与在所述下Z块的所述探针芯片安装表面上的所述相应第二复数个接合垫的间隔相比，所述配置在所述下Z块的所述内插器接触表面上的电接触垫以一更大的间隙间隔。
22.根据权利要求2所述的探针卡接口组合件，其中所述弹簧探针包含应力金属弹簧、挠性弹簧、适应弹簧和细长弹性探针元件中的任一者。
23.一种用于建立到位于一半导体晶片上的至少一个集成电路装置上的接合垫的连接的过程，所述过程包含以下步骤提供一母板，其包含一具有一上表面、一与所述上表面相对且与所述半导体晶片平行的下平坦安装表面的衬底，和复数个在所述下平坦安装表面与相对的所述上表面之间延伸的电连接件；由位于所述母板的所述下表面与所述半导体晶片之间的至少三个点界定一参考平面；提供一探针芯片组合件安装系统，其包含至少一个具有一上安装表面和一与所述上安装表面相对的探针组合件安装表面的组件；和相对于所述半导体晶片来调整所述参考平面的平面性。
24.根据权利要求23所述的过程，其进一步包含以下步骤提供一探针芯片，其包含一具有一探测表面和一与所述探测表面相对的安装表面的探针芯片衬底，所述安装表面附着到所述探针芯片组合件安装系统的所述探针芯片组合件安装表面；复数个在所述探测表面上的从所述探测表面延伸以界定复数个经配置以对应所述接合垫的探针尖的弹簧探针；相应第二复数个位于所述安装表面上的电接触件；和从所述弹簧探针中的每一者延伸到所述相应第二复数个电接触件中的每一者的电连接件；和调整所述参考平面，以影响所述探针芯片的所述探测表面、所述安装表面和所述探针尖中的任一者与所述半导体晶片之间的平面性。
25.根据权利要求24所述的过程，其进一步包含以下步骤将所述母板安装到一探测器；和测试位于一半导体晶片上的至少一个集成装置；其中所述探针尖相对于所述半导体晶片为足够平坦的，无需进一步调整平面性。
26.根据权利要求24所述的过程，其进一步包含以下步骤将所述探针尖限制在一夹具中，所述夹具与所述探针芯片衬底的所述探测表面和所述接合表面中的任一者平行，和向所述探针芯片组合件施加热量，以使得所述探针尖与所述夹具一致。
27.根据权利要求26所述的过程，其进一步包含以下步骤在所述加热步骤之前和之后中的任一者处电镀所述探针尖。
28.根据权利要求24所述的过程，其进一步包含以下步骤从所述探针组合件安装表面处移除所述探针芯片；和将相同的探针芯片和一替代探针芯片中的任一者安装到所述探针组合件安装表面以提供平面性而无需进一步校准。
29.根据权利要求23所述的过程，其进一步包含以下任一者测量和调整所述参考平面与所述下平坦安装表面之间的平行性。
30.根据权利要求23所述的过程，其进一步包含以下步骤提供一下Z块，其包含一具有一内插器接触表面和一与所述内插器接触表面相对的探针芯片安装表面的衬底、第一复数个配置在所述内插器接触表面上的电接触垫、相应第二复数个在所述探针芯片安装表面上的接合垫和从所述第一复数个接合垫中的所述接触垫中的每一者延伸到所述第二复数个接合垫中的所述相应接合垫中的每一者的电连接件；提供一上接口，其位于所述下Z块与所述母板之间且包含复数个电接触件；和将所述下Z块附着到所述母板，其中所述内插器接触表面被定向成与所述下平坦安装表面平行。
31.根据权利要求30所述的过程，其进一步包含以下步骤提供至少一个探针芯片，其包含一具有一探测表面和一与所述探测表面相对的安装表面的探针芯片衬底，所述安装表面焊接到所述下Z块的所述探针芯片安装表面；复数个在所述探测表面上的从所述探测表面延伸以界定复数个经配置以对应所述接合垫的探针尖的弹簧探针；相应第二复数个位于所述安装表面上的电接触件；和从所述弹簧探针中的每一者延伸到所述相应第二复数个电接触件中的每一者的电连接件；和调整所述参考平面，以影响所述探测表面与所述半导体晶片之间的平面性。
32.根据权利要求30所述的过程，其中所述上接口包含以下任一者至少一个内插器，其位于所述下Z块与所述母板之间，所述至少一个内插器中的每一者包含一上表面和一与所述上表面相对的下表面、复数个在所述上表面上的适应电接触件、复数个在所述下表面上的电接触件和复数个在所述复数个适应电接触件与所述复数个电接触件之间的导电连接件；和一母板Z块，其具有一第一表面和一与所述第一表面相对的第二表面、和复数个在所述第二表面与所述母板之间的焊料接合。
33.一种生产方法，其用于生产一用于测试半导体晶片的快速周期可定制探针卡，所述方法包含提供具有快速设计和制作过程周期的可定制组件；提供标准组件，其中所述标准组件中的至少一者的设计和制作过程周期比所述用于所述可定制组件的快速周期更长；和装配并测试来自所述可定制组件和所述标准组件的探针卡，其中用于装配并测试所述探针卡的时间等于装配并测试所述可定制组件的最长时间。
34.根据权利要求33所述的方法，其中所述具有快速周期的可定制组件包含一母板和一探针芯片组合件中的任一者；且其中所述具有可能比所述母板和探针芯片的周期更长的周期的标准组件包含一探针尖支撑衬底和至少一个内插器中的任一者。
35.一种用于制作一互连组合件的方法，所述互连组合件包含堆叠的复数个结构，所述方法包含以下步骤提供复数个结构；和通过在装配之前改进所述结构中的至少一者的平面性和在装配期间通过改变所述结构中的至少两者之间的一个或一个以上连接件的间隔来补偿所述结构中的非平面性中的任一者而改进所述互连组合件的平面性。
36.根据权利要求35所述的方法，其中所述互连组合件是一用于连接到一半导体晶片的探针卡组合件，其中所述结构是一探针芯片、一Z块、一母板和一内插器中的任一者，且其中所述连接件包含焊料接合、弹簧探针和机械连接件中的任一者。
37.根据权利要求35所述的方法，其中所述平面性改进包含以下任一者平面化从一探针芯片衬底延伸的弹簧探针；和在所述复数个结构中的至少两者之间通过改变所述至少两个结构之间的所述复数个连接件中的至少一者的间距而可控制地建立复数个焊料接合。
38.一种过程，其包含以下步骤提供一探针芯片，其包含一具有一探测表面和一与所述探测表面相对的安装表面的探针芯片衬底、复数个在所述探测表面上且从所述探测表面延伸以界定复数个探针尖的弹簧探针、相应复数个位于所述安装表面上的电接触件和从所述弹簧探针中的每一者延伸到所述相应复数个电接触件中的每一者的电连接件；将所述探针尖限制在一夹具中，所述夹具与所述探针芯片衬底的所述探测表面和所述接合表面中的任一者平行，和向所述探针芯片施加热量，以使得所述探针尖与所述夹具一致。
39.根据权利要求38所述的过程，其进一步包含以下步骤在所述加热步骤之前和之后中的任一者处电镀所述探针尖。
40.根据权利要求38所述的过程，其中所述弹簧探针包含应力金属弹簧、挠性弹簧、适应弹簧和细长弹性探针元件中的任一者。
全文摘要
本发明描述一种(例如)用于连接件、插口组合件和/或探针卡系统的改进互连系统和方法。一示范性系统包含一探针卡接口组合件(PCIA)，其用于建立到安装在探测器中的半导体晶片的电连接件。所述PCIA包含一母板，其与半导体晶片平行且具有一上表面和一相对下平坦安装表面；一参考平面，其由位于所述母板的所述下表面与所述晶片之间的至少三个点界定；至少一个组件，其位于所述母板安装表面下方；和一用于相对于晶片来调整参考平面的平面性的机构。具有复数个从其延伸的弹簧探针的探针芯片可被安装或从PCIA处拆卸，而无需进一步进行平面性调整。所述互连结构和方法优选地提供改进的制作周期。
文档编号G01R31/26GK101019473SQ200580016256
公开日2007年8月15日 申请日期2005年5月20日 优先权日2004年5月20日
发明者张富松, 安得鲁·S·高, 道格拉斯·马克凯, 安娜·利兹哲, 道格拉斯·马得林, 萨米·莫克, 伲丁·S·帕诺克, 福兰克·约翰·斯威尔涛威斯, 单朝晖 申请人:纳米纳克斯公司