专利名称：用于电测试的弹性探针的制作方法
技术领域：
本发明涉及可用于测试半导体装置，尤其是具有精细间距或接触垫的不规则分布的 半导体装置的设备和方法。
背景技术：
半导体装置特别是集成电路经受至少两次重要测试。最终测试是功能性A.C.测试， 用以在将装置递交给客户之前检查完全组装且封装好的装置的性能。所测试的参数包括 速度、传播延迟和信号上升及下降。最终测试需要确定所述装置满足客户的具体要求， 且因此通常外加一项加速寿命测试以证明装置在恶劣伹明确界定的环境条件下的可靠性。
在组装和封装步骤之前，仍呈晶片形式的半导体芯片经受D.C.参数测试，其主要测 量泄漏电流并将输入电压与输出电压进行比较。虽然这些测试由于不"迅速"操作而不 需要使装置冷却的特殊预防措施，但它们确实需要与装置的输入/输出端子的电接触。必 须可靠地建立电接触，且电接触应是非永久的、具有低电阻且不整流。 一般惯例是使用 金属探针作为建立必要电接触的手段。
电气装置的输入/输出端子通常称为"结合垫"，因为其在组装工艺步骤中充当接触 区域，用于附接线接合以便连接到引线框或衬底。用于结合垫的最常见金属是铝，其由 于暴露于周围条件而形成薄的、连续的但受自身限制的氧化铝层。金属探针必须能够穿 透氧化物层以便到达下伏的纯金属，实现可靠的电测试测量。
在现有技术中，穿透金属氧化物并开始电测试的动作由多个针来执行，所述针优选 地由钨制成。这些针形成为长悬臂，大体上呈水平布局，其最终弯曲成较垂直部分而终 止于精细削尖梢部中。针的后端(与削尖梢部相对)附接到探针卡，且将梢部仔细地与 待测试结合垫的位置对准。由于通常每一探针卡中存在数百个这些针，且梢部处的针间 距约为40到70nm，所以探针卡的组装非常麻烦。由于结合垫位置因装置类型不同而不 同，所以组装必须手动执行。因此，探针卡非常昂贵，且其处理非常敏感。
半导体工业中众所周知，当一个或一个以上针畸形或不再可靠地操作时有多令人失 望。由于有大量的针、其致密填装且其具有机械敏感性，所以只是在数百次触下(touch-down)之后就不幸地频繁遭遇故障，因此需要更换昂贵的探针卡。
发明内容
申请人认识到需要一种用于电测试的低成本、机械性能稳固且操作上可靠的探针卡 结构。当方法实现探针卡的定制设计，尤其是其将针对布置在x和y方向上的测试垫操 作时，是另一技术优势。所述概念还应足够灵活以应用于不同的半导体产品系列，并与 装置具有回流块(焊球)而不是线结合的工业趋势适应。新的探针卡结构不仅应满足高 可靠性和少量维护保养，而且还应朝着提高制造良率以及縮短装置测试时间的目标实现 改进。
本发明的一个实施例是一种用于电测试的设备。所述设备具有探针，所述探针由以 大体上线性序列结合在一起的具有约相等尺寸的金属元件构成。此外，其具有绝缘夹持 器，所述绝缘夹持器具有第一和第二表面以及多个用金属填充的通路，所述用金属填充 的通路穿越所述夹持器从所述第一表面到达所述第二表面；所述通路在所述第一和第二 表面上形成接触垫。所述第一夹持器表面的接触垫附接有探针，使得所述探针定位成大 约垂直于所述表面。由弹性绝缘材料制成的薄片具有第一和第二表面以及由多个传导迹 线穿越的厚度，所述薄片的第一薄片表面附接到所述第二夹持器表面，使得所述迹线的 至少一者分别与所述接触垫中的一者接触，以提供到达第二薄片表面的电路径。适于插 入到电测试设备中的印刷电路板附接到所述第二薄片表面，以便建立从所述设备到达所 述探针的每一者的连续电路径。
形成每一探针的金属元件优选地以线结合技术形成为自由空气球；2到6个元件彼
此堆叠放置以形成探针；所述金属应是非氧化性的且优选地含有金。探针的梢部可共面， 或者其可不共面，这取决于芯片设计的轮廓；优选地，探针梢部(例如)通过精压技术
而成尖头。
探针可放置在夹持器的定制位置上，中心间的优选间距在约40与80nm之间，在需 要时甚至可以更小。探针可利用完整的x-y平面。
弹性绝缘材料的实例为z轴传导弹性聚合物(包含环氧树脂和聚酰亚胺)，以及多个 弹性弹簧，例如内嵌在绝缘体中的微弹簧(micro-pogo-spring)。将弹性材料的厚度选择 为使得其提供预定量的弹性压縮和伸展。在铝作为结合垫喷镀金属的情况下，优选至少 10Hm的弹性压縮和伸展，以便可靠地穿透氧化铝。
本发明的另一实施例是一种经电测试的半导体装置，其具有用金属或焊球覆盖的多
个测试部件(例如，测试垫)。首先，提供一种设备，其包含如上文所述的多个探针和一 弹性材料薄片。接着，使所述设备与半导体装置对准，使得探针分别与测试部件对准。 接着使探针与测试部件接触，使得弹性材料薄片被压縮且探针穿透测试部件上的任何金 属氧化物层；可开始进行电测试。
本发明实施例涉及对基于硅、硅锗、砷化镓和用于装置生产的任何其它半导体化合 物的装置的半导体晶片的多探针测试。 一个技术优势是，这些装置的测试垫可具有任何 分布，且不必沿着芯片外围或以任何其它特定次序排列。本发明适于用于具有不共面表 面的装置的探针卡，因为本发明允许以可变长度制造探针。
本发明的另一技术优势是，与通过常规技术制成的卡相比，测试卡的制造较便宜； 其使用自动化工艺(例如，线结合器中的球成形)和自动化组装。本发明的另一技术优 势是以下事实测试程序在测试垫的喷镀金属的过程中仅留下最少痕迹，这大大简化了 半导体装置的后续处理步骤。
结合附图和权利要求书考虑，从对本发明优选实施例的以下描述中将了解本发明某 些实施例所体现的技术优势。
图1示意说明根据本发明的用于电测试的探针卡，所述探针卡插入到测试仪器中。 图2中放大了标记为"A"的部分。
图2展示穿过图1中的标记为"A"的探针卡部分的放大示意横截面，其说明本发明 的某些实施例。
图3是图2中说明的探针卡中使用的单个探针的放大视图。
图4是根据本发明的另一单个探针的放大视图。
图5是穿过根据本发明形成的探针的示意横截面。
图6是穿过根据本发明形成的另一探针的示意横截面。
图7展示穿过图1中的标记为"A"的探针卡部分的放大示意横截面，其说明本发明 的其它实施例。
图8说明根据本发明的探针卡所使用的绝缘薄片的放大的导电弹性元件。
具体实施例方式
图1示意展示穿过根据本发明的用于测试的设备的横截面。所述设备通常表示为
100，且测试仪器表示为110。通常，所述设备通过多个引脚(图l未图示)以电及机械 的方式连接到测试仪器，所述引脚被推进仪器的相应插口中。
设备100由若干部分组成在面对待探测装置的表面处是实际探针101，其建立与 装置测试垫的电接触。图2到8中更详细论述探针101的组成、定向和分布。探针101 与绝缘夹持器102附接，所述绝缘夹持器102由用金属填充的通路穿越且图2和7中对 其进行更详细描述。夹持器102又附接到由弹性绝缘材料制成的薄片103，所述薄片103 由传导迹线穿越且图2和7中对其进行更详细论述。弹性薄片103具有弹性。
弹性薄片103附接到印刷电路板104,所述印刷电路板104将探针卡的传导迹线散 布到较宽区域。印刷电路板104又与塔状部分105接触，所述塔状部分105含有多个平 行弹簧棍(pogo stick) 105a，且因此有时称为弹簧塔。弹簧棍的一端作为引脚从设备100 突出，以便充当到达测试仪器IIO的连接器。
图2是图1中的设备横截面的部分"A"的示意且不按比例放大图。测试探针201 包括多个金属元件201a。如图2指示，佥属元件201a具有约相等尺寸且中心间以大体匕 线性序列结合在一起，其中线性轴201b大约垂直于绝缘夹持器202的第一表面202a。当 金属元件201a通过典型自动化线结合器制造成空气球时，其具有大体上旋转对称形状乃 至近似球形形状。
图3展示通过自动化线结合器形成且通过抵靠衬底310按压而稍许整平的第一(301) 和第二 (302)自由空气球。直径303优选地在约15到40 pm范围内。在优选实施例中， 自由空气球由结合线制成，所述结合线包括富含金又通过与较小百分比的铜和其它金属 混合而硬化的合金。在通常的自动化线结合器中，线(直径优选地在约15与30 pm之间) 通过毛细管而呈线型。在线的梢部处，使用火焰或火花技术形成自由空气球。球的典型 直径为约1.2到1.6线直径。将毛细管朝向衬底310移动，且抵靠衬底对球进行按压。压 缩(也称为Z或压碾)力通常在约17与75 g之间。按压时，温度通常在150到270 。C 范围内。
图3中，以大体上线性序列将第二球302按压在第一球301的顶部上，优选地使得 中心间的线近似垂直于球的赤道平面。可容许稍微偏离垂直排列。第二球302的火焰熄 灭梢部(flame-off tip) 302a清晰可见。如图2指示，火焰熄灭梢部(表示为201c)从夹 持器202的附接表面202a面向外。
针的轴420近似垂直于附接表面410。本发明一些实施例的技术优势是，预定探针可比 其它探针用更多片段来制造，以便使探针精确地遵循特定装置的不相等表面轮廓。优选 地，片段探针包括2到6个结合在一起的金属元件，因此形成约40与120 (im之间的探 针长度。
现在参看图2，绝缘夹持器表示为202，其第一表面表示为202a且其第二表面表示 为202b。夹持器202的优选材料为陶瓷，因为其较好地适于形成为多层组件。多个用金 属填充的通路210穿越夹持器202从表面202a到达表面202b。每一通路210终止于每一 表面上的接触垫中；图2中，第一表面202a上的接触垫表示为210a,第二表面202b上 的接触垫表示为210b。第一夹持器表面202a上的接触垫202a附接有探针201;优选地， 所述附接使得探针轴201b大体上垂直于表面202a。接触垫210a以及因此探针201的中 心间的间距优选地在约40与80 pm之间。
通路210的优选金属为铜或铜合金，且接触垫的表面202a和202b为非氧化性金属， 例如(薄)金或钯层，在图2的一个实例中表示为210c。镀金接触垫表面与探针的金元 件之间存在良好的冶金匹配和可忽略的电阻。
由弹性绝缘材料制成的薄片203具有第一表面203a和第二表面203b。第一薄片表面 203a粘合附接到第二夹持器表面202b。薄片203具有优选在约50到200 pm范围内的厚 度。弹性材料的厚度经选择使得薄片203提供预定量的弹性压縮和伸展。在铝作为装置 结合垫喷镀金属的情况下，优选至少10pm的弹性压缩和伸展，以便可靠地穿透氧化铝。
所述厚度由通过线220示意指示的多个导电迹线穿越，所述导电迹线在一些实施例 中可能是不规则的。具有传导迹线的弹性绝缘材料的优选实例为z轴传导弹性聚合物(包 含z轴传导环氧树脂或聚酰亚胺)；在此实例中，传导迹线的直径可约为1 pm。另一实 例是具有预选密度的小型线的弹性体材料；在此情况下，线的直径可约为25p。
在任一情况下，多个传导迹线220电连接到每一接触垫210b且因此提供从探针201 到达薄片表面203b的电路径。薄片表面203b又(粘合)附接到印刷电路板204，从而 使传导迹线220与印刷电路板204的接触垫230形成电接触。夹持器202与印刷电路板 204之间的连接可通过机械锁而进一步加强。如图1所示，印刷电路板的接触垫230借 助印刷迹线连接到弹簧塔，其中其与引脚的弹簧连接进入电子测试仪器中。因此，在每 一探针与测试仪器之间建立清晰界定的电路径。
具有传导迹线的弹性绝缘薄片的另一实例是通过绝缘体分离的多个金属弹簧。图8 说明适于提供弹性特性的金属弹簧，且图7描绘处于绝缘弹簧外壳703中的多个弹簧701、
702，其经选择以形成弹性薄片。弹簧内插器可(例如)从日本Rika Denshi公司购得。 在图8的实例中，弹簧的初始长度表示为801;举例来说，其可约为5.2 mm。当压缩一 个柱塞810时，操作长度802可约为4.8 mm。图8中弹簧的直径803约为0.3 mm;柱塞 的直径804约为0.1mm。市场上提供具有多种长度、宽度和弹簧特性的弹簧。
从上述所有实例中容易了解，本发明实现以定制方式在x和y两个方向上选择探针 201的位置，从而有机会在x和y方向上在整个芯片表面上测试预选的测试垫。本发明 进一步实现具有各种长度的探针且因此实现探针梢部201c的不共面位置，从而有机会测 试共面以及不共面的芯片表面。
在图5和6中示意且不按比例说明的本发明另一实施例中，至少探针一个端上的最 终元件被精压或冲压以获得尖头形状。精压或冲压工艺步骤还可提供探针梢部的硬化。 在图5的横截面中，探针梢部的直径501已获得明显小于原始探针直径502的直径。在 图6的横截面中，整个探针已冲压为一形状，使得其从其附接到接触垫610的端部603 向其远端605逐渐变窄；所述远端具有近似尖头状构型。在图5和6的实例中，探针分 别附接到第一夹持器表面510和610，使得尖头元件501和601分别从夹持器表面指向 外。
本发明另一实施例是具有多个测试部件的经电测试的半导体装置。测试部件的实例 是处于一个平面中的平坦金属测试垫；处于各个平面中的金属测试垫；处于一个平面中
的金属回流元件(例如，焊球)；以及处于各个平面中的金属回流元件。
在所述实施例中，提供一种设备，其具有如上文详细描述的结构。本质上，所述设 备包括探针，所述探针具有以大体上线性序列结合在一起的具有约相等尺寸的多个金属 元件。所述设备进一步具有绝缘夹持器，其具有第一和第二表面以及多个用金属填充的 通路，所述用金属填充的通路穿越所述夹持器从所述第一表面到达所述第二表面。所述 通路在所述第一和第二表面上形成接触垫；第一表面上的接触墊的位置与半导体装置的 测试垫的位置匹配。第一夹持器表面的接触垫附接有探针，使得所述探针定位成大约垂 直于所述表面。
所述设备进一步具有由弹性绝缘材料制成的薄片，其具有第一和第二表面以及由多 个传导迹线穿越的厚度。第一薄片表面附接到第二夹持器表面，使得所述迹线的至少一 者分别与所述接触垫中的一者接触，以提供到达第二薄片表面的电路径。最后，所述设 备具有适于插入到电测试设备中的印刷电路板；所述板附接到第二薄片表面，以便建立 从所述设备到达所述探针的每一者的连续电路径。
接着在所述实施例中，使所述设备与半导体装置对准，使得探针分别与测试部件对 准。接着使设备的探针与测试部件接触，使得弹性材料薄片被压縮，借此探针穿透测试 部件上的任何金属氧化物层且可开始进行电测试。
弹性薄片的弹性特性向探针提供足够的力，探针大约垂直地附接到所述设备并大约
垂直地冲击在装置测试部件上，以便可在没有悬臂的帮助的情况下实现穿透测试部件上 的任何金属氧化物。以此方式，测试程序在测试垫的喷镀金属过程中仅留下最少痕迹而 不产生玷污，这大大简化了半导体装置的后续处理步骤。
虽然已参考说明性实施例描述了本发明，但不希望在限定性意义上解释此描述内容。 所属领域的技术人员通过参考描述内容将了解本发明的说明性实施例以及其它实施例的 各种修改和组合。举例来说，所述实施例在半导体装置和具有需进行电测量的测试垫的 任何其它装置中有效，例如衬底和印刷电路板、组装好的多装置产品和零件单元。作为 另一实例，半导体装置可包含基于硅、硅锗、砷化镓和制造过程中使用的其它半导体材
料的产品。作为又一实例，本发明的概念对于许多半导体装置技术节点有效，且不限于 特定一种半导体装置技术节点。因此，希望所主张的本发明涵盖任何此类修改或实施例。
权利要求
1.一种用于对半导体装置进行电测试的设备，其包括探针，其包括以大体上线性序列结合在一起的具有约相等尺寸的多个金属元件；绝缘夹持器，其具有第一和第二表面以及多个用金属填充的通路，所述用金属填充的通路穿越所述夹持器从所述第一表面到达所述第二表面，所述通路在所述第一和第二表面上形成接触垫；所述第一夹持器表面的接触垫附接有大体上垂直于所述表面的探针；由弹性绝缘材料制成的薄片，其具有第一和第二表面以及由多个传导迹线穿越的厚度；所述第一薄片表面附接到所述第二夹持器表面，使得所述迹线中的至少一者分别与所述接触垫中的一者接触，以提供到达所述第二薄片表面的电路径；以及印刷电路板，其适于插入到电测试设备中，所述板附接到所述第二薄片表面，以便建立从所述设备到达所述探针的每一者的连续电路径。
2. 根据权利要求1所述的设备，其中所述金属元件具有近似球形形状。
3. 根据权利要求1所述的设备，其中所述元件具有约15与40 pm之间的直径且其 中所述探针具有约40与120 pm之间的长度。
4. 根据权利要求1所述的设备，其中所述探针一个端上的最终元件具有尖头形状，且 所述探针附接到所述第一夹持器表面，使得所述尖头元件从所述夹持器表面指向 外。
5. 根据权利要求4所述的设备，其中所述探针经成形使得其从其附接到所述接触垫的 端部向其远端逐渐变窄，所述远端具有尖头状构型。
6. 根据权利要求1-5中任一权利要求所述的设备，其进一步包括不共面的两个探针。
7. 根据权利要求1-5中任一权利要求所述的设备，其中所述由弹性绝缘材料制成的薄 片包括由绝缘体分离的多个弹簧。
8. 根据权利要求1-5中任一权利要求所述的设备，其中所述弹性绝缘材料的厚度提供至少10 pm的弹性压縮和伸展。
9. 一种对具有测试部件的半导体装置进行电测试的方法，所述方法包括a) 提供一设备，其包括探针，其具有以大体上线性序列结合在一起的具有约相等尺寸的多个金属元件绝缘夹持器，其具有第一和第二表面以及多个用金属填充的通路，所述用金属填充的通路穿越所述夹持器从所述第一表面到达所述第二表面，所述通路在所述第一和第二表面上形成接触垫，所述第一表面上的所述接触垫的位置与所述半导体装置的所述测试垫的位置匹配；所述第一夹持器表面的接触垫附接有探针，使得所述探针定位成大约垂直于所述表面；由弹性绝缘材料制成的薄片，其具有第一和第二表面以及由多个传导迹线穿越的厚度，所述第一薄片表面附接到所述第二夹持器表面，使得所述迹线的至少一者分别与所述接触垫的一者接触，以提供到达所述第二薄片表面的电路径；以及印刷电路板，其适于插入到电测试设备中，所述板附接到所述第二薄片表面，以便建立从所述设备到达所述探针的每一者的连续电路径；b) 使所述设备与所述半导体装置对准，使得所述探针分别与所述测试部件对准；c) 使所述设备的探针与所述测试部件接触，使得所述弹性材料薄片被压縮，借此所述探针穿透所述测试部件上的任何金属氧化物层；以及d) 对所述半导体装置进行电测试。
10. 根据权利要求9所述的方法，其中所述测试部件是金属接触垫或金属回流元件。
全文摘要
一种用于电测试的设备，其具有探针(201)，所述探针由以大体上线性序列结合在一起的具有约相等尺寸的金属元件(201a)构成。此外，绝缘夹持器(202)具有第一和第二表面以及多个用金属填充的通路(210)，所述用金属填充的通路穿越所述夹持器从所述第一表面到达所述第二表面；所述通路在所述第一和第二表面上形成接触垫。所述第一夹持器表面的接触垫(210a)附接有探针，使得所述探针定位成大约垂直于所述表面。由弹性绝缘材料制成的薄片(203)具有第一和第二表面以及由多个传导迹线(220)穿越的厚度，所述薄片的第一薄片表面附接到所述第二夹持器表面，使得所述迹线的至少一者分别与所述接触垫中的一者接触，以提供到达所述第二薄片表面的电路径。适于插入到电测试设备中的印刷电路板附接到所述第二薄片表面，以便建立从所述设备到达所述探针的每一者的连续电路径。
文档编号G01R31/26GK101176008SQ200680017182
公开日2008年5月7日 申请日期2006年3月23日 优先权日2005年3月28日
发明者丹尼尔·J·斯蒂尔曼 申请人:德州仪器公司