专利名称：垂直探针卡和空气冷却探针头系统的制作方法
垂直探针卡和空气冷却探针头系统技术领域
本发明大致涉及半导体集成电路(IC)的测试及装置，且尤其是涉及这种电路及装置在加热环境中的长期测试。
背景技术：
在半导体晶片内的集成电路及装置的电参数的电检测和测 量中，具有多个针的探针卡方便了对晶片中的一个或多个装置内的大 量电路触点的并行访问。通常一个或多个探针卡被水平地排列成与晶 片平行、并与晶片间隔开，从而使得"整体并行"测量可以在单个晶 片上进行。可选择的是，可以制成具有多个针式探头和多种类着陆方 式的单个卡，但是对材料、制造、及多着陆点的平面度的需求使得这 费用太过高昂。
进行对半导体装置的长期测试，诸如漏电、时变介质击穿 及负偏压温度不稳定性(NBTI)，来确定该装置的长期稳定性及寿命。 为缩短这些测试所需时间，这些测试常在介于125"C ~ 400匸之间的高 温执行。
主要问题产自对探针卡和探针头系统的加热。水平的探针 卡是最靠近热卡盘的构件，该热卡盘支持半导体晶片，并可以承受由 于随温度变化的泄漏电流而产生的性能的急剧降低。水平探针卡的最 大暴露面积加剧了探针性能的降低。探针卡的材料选择可以减少与温 度相关的若干问题，但是，例如当与在印刷电路板制造中使用的常规 材料相比时，费用及特殊材料处理的考虑事项限制了使用诸如陶瓷和 液晶聚合物这样的材料的实践性。
另 一个问题涉及到加热将探针卡的多个针与测试设备连接 所必需的布线系统。为了将布线系统保持在可管理的尺度，通常使用 一种定制的柔性(挠曲)电缆。然而，来自热晶片卡盘的热空气对流 可以导致无法接受的泄漏电流通过该挠曲电缆。在这些较低成本的柔 性印刷电路板中使用的材料，以及尤其是本文中所用的粘合剂，具有低的(例如，40"C到80X:)的玻璃态转变温度(Tg)，且在迹线之间 的泄漏电流将导致电缆在高于Tg的温度下无用。在具有若干探针头及 高密度信道轨迹的系统中，其它材料，诸如液晶聚合物及高玻璃化相 变物，热固化性粘合剂，具有较好的高温性能，但是更加昂贵。
而且，探针卡通常是可以由手动控制旋钮在XYZ对准装置 中移动的探针头的部分。然而，与探针头关联的该控制旋钮可以变得 非常热而不能触及。
因此，具有若干探针头的系统对于高温下的长期、高度并 行的晶片测试而言是理想的，其中每个探针头具有若干针式探针。本 发明旨在提供这样一种系统，其克服与常规测试探针头及系统相关联 的若干问题。发明内容
根据本发明，探针卡通常被安装成垂直于或是正交于受测 的晶片的表面。这样的一种排布限制了探针卡暴露到支撑受测装置的 热卡盘的加热环境，且唯一的到卡的热传导是通过空气对流到达最接 近加热表面的探针卡边缘，以及传导热流穿过探针尖端而接触到测试 晶片表面。然而，两个热传导的通道均不妨碍使用常规聚合物或其它 类似的印刷电路板材料和使用常规技术装配探针卡。
探针卡是垂直地安装在受测的晶片上方的轨道支承件上。 使探针卡与测试设备互连的挠曲电缆被支撑到该轨道支承件上。该轨 道支承件包括强制空气冷却系统，该强制空气冷却系统将冷空气传送 入并围绕每个探针头，以扰乱从支持测试晶片向上的热夹盘到探针头 和轨道支承件的热空气的对流。冷空气可以由冷却系统通过在轨道支 承件内的开口，例如它们的尺寸、形状和方位是所需冷却能力及测试 晶片温度的函数的孔或狭缝，而排放出。
当结合附图时，由下列的具体说明及所附权利要求，本发 明及其目标和特征将更加显而易见。
图l是根据本发明的一个实施例的探针卡的立体透视图；图2是图1的探针卡的平面图；图3是图1的探针卡的侧视图；图4是根据本发明的实施例的轨道和探针头组件的立体透视图；图5是图4的轨道和探针头组件的剖切侧视图；图6是具有安装于其上的多个探针头的轨道的立体透视图，并进 一步图示了冷却系统。图7是根据本发明的一个实施例的探针头的构件的分解立体透视 图，并进一步图示了气流。图8是图7的探针头中的支撑框架的放大的立体透视图。图9是示出了其组件的图7的探针头的各构件的更具体的分解透 视图。
具体实施方式
图l是根据本发明的一个实施例的印刷电路板12的探针卡 IO的立体透视图，其包括具有多个贯穿其中的槽14，用于促进冷空气 流动。在电路板12的一端是在陶资支承件18内包括了多个金属探针 尖端16的尖端组件，且在印刷电路板12的相对端是用作将探针卡物 理地支撑在测试系统中，并将尖端16连接到柔性(挠曲)电缆的电连 接件和紧固件20。
图2是示出了印刷电路板12、及将探针尖端16与在电路板 12的相对端上的电触点24电互连的金属迹线22的平面图。该金属迹 线或离散丝线22的导电图形将若干单独的探针尖端互连到触点24之 一。如图所示，陶瓷支承件18与支撑在其中的探针尖端16通过螺紋 紧固件被附接到电路板12。
图3是探针卡的侧视图，示出了接合到支撑装置内的一个 插口内以将探针卡10支持在相对于受测晶片大致垂直或正交位置内的 电连接件及紧固件20。仅是尖端16的若干端部接合受测的装置，由此 限制了通过探针尖端的热传导流。探针卡10的垂直对准限制了卡暴露 到由加热装置卡盘所排放的热。而且，从加热卡盘到探针卡及支撑装 置的空气对流被支撑组件所提供的冷空气流所扰乱，如下所述。
图4是将探针卡10和大致在32处所示出的探针头支撑到 受测装置及加热支承卡盘之上的支承轨道30的立体透视图。常规情况 下，探针头32可以通过控制旋钮34、 36、 38沿三个运动轴线手工调整。挠曲电缆40被支承在轨道30的顶部并将探针卡10与外部测试设 备互连。如上所述，如果过热，挠曲电缆40可能性能降低。
图5是轨道30的剖视图，其包括用于空气流动的内部通道 42、 44以冷却探针头32、探针卡10及挠曲电缆40。来自内部通道的 空气通过轨道30中的若干开口而排放，且空气被引导通过探针头32 和探针卡10，用于扰乱来自支撑该受测装置的加热卡盘的对流热空气 流。因此，可以避免测试探针10的挠曲电缆40和印刷电路板的过热。 在此实施例中，应注意到通道30包括具有若干鳩尾凸缘的元件48，大 致在图示50处接合相匹配的探针头32的鸿尾凸缘。
图6是支承三个探针头32的轨道30的另一立体透视图。 在此实施例中，在探针头上示出了仅仅一个探针卡10,以进一步图示 若干开口或槽，用于促进冷空气从框架30的开口 54中流经探针头32、 并流经探针卡10中的开口 14。应注意到在此实施例中，每个探针头 32具有大致在56处示出的杠杆机构，该杠杆机构可以用于将探针头锁 定在轨道30的鳩尾凸缘50中。然而，该锁定机构不是本发明的组成 部分且在本文中不再进一步说明。
图7是探针头和各构件的分解的立体透视图，并图示了通 过探针头和探针卡的空气流动。在此实施例中，该探针头包括三个支 撑框架60、 62、 64，且第一支撑框架60通过紧固件20接收探针卡10， 第二支撑框架62支撑着框架60，并允许支撑框架60通过控制旋钮34 而沿着第一运动轴的运动，且第三支撑框架64支撑着框架62并允许 框架62通过控制旋钮36和38而沿着第二及第三运动轴的运动。附接 到各支撑框架的其它的弹簧偏压紧固件在此视图中未示出，以方便对 不构成本发明的组成部分的气流的图解。如图所示，由轨道30中的开 口 54 (图6)排放的空气直接地流经支撑框架62中的槽66并通过支 撑框架64中的下部槽68，并随后通过支撑框架60中的开口到达探针 卡10中的槽14。盖70被紧固到支撑框架60的顶部表面，以保护具有 用于接收探针卡10的紧固件20的插口的水平传送PC板(印刷电路板) 72 (图9)。
图8是进一步示出了促进气流从支撑轨道通过槽并向上通 过探针头组件的槽68的布局的支撑框架64的一部分的放大的立体透 视图。孔或其它开口可以被设置在轨道30的底部，以促进这种空气流动。来自于轨道下部部分的侧部圆形突出部的这些附加的孔可以如图5 所示而相对于测试晶片的表面成一角度(6>01C )。可以由表面温度、 从孔流出的冷空气的流率、及设置于晶片表面的温度均匀性上的约束 来取定该角度。因为从各孔流出的冷空气可能导致表面温度扰动，该 温度扰动取决于气流及流动角度，则这些参数将是对取决于测试所需 的最大晶片温度的系统的定制调节。该气流出口的目的也是帮助使来 自于晶片表面的热空气的垂直对流远离探针头的手动控制。另外，这 些孔可以被横向或纵向槽、或若干槽和孔的组合所取代，或可以在不 需要的情况下都不存在。如果孔存在，则随后流出侧部出口的冷空气， 在除了探针头所在位置以外的轨道区域各处，被来自轨道底部处的侧 部圆形突出部上的出口的空气向上推动。为了避免空气循环并反射回 到晶片表面上(这将导致晶片的局部温度有相当大的改变)，在垂直 于允许空气在水平方向内溢出的表面的方向内，在探针头组件内构造 有垂直狭缝。而且，气流的供给装置可能不限于狭缝，且可以包括若 干孔、孔或狭缝的阵列，或它们两者的组合。此外，在探针头内可以 构造若干通道或肋状部分，以将流出轨道底部处圆形突出部的空气抬 升并在轨道上方排出。
图9是示出了图7的探针头的各构件的组件的更详细的分 解透视图。在图7和图9中，相同的元件具有相同的附图标记。此处 水平传送的印刷电路板72接合电连接件和紧固件20，用于在印刷电路 板12和挠曲电缆40之间(图4)提供连接。多个横轧辊轴承74被紧 固到ZY行进框架62，用于使Y行进框架60在其上运动。同样地，横 轧辊轴承76和78提供了 XZ行进框架80在X夹持杆框架64上的运动。 凸轮杆56和凸轮随动件桥接并紧固到框架64，且在轨道支承件30上 (图6)提供了锁定功能。
探针卡和对准的探针头的布置大致为垂直于用于受测装置 的加热卡盘并在该加热卡盘之上，伴以使用冷空气的流动来扰乱对流 的热空气流，限制了暴露到高温的卡面积，并减轻了由于来自加热卡 盘的对流热空气流的对探针卡和挠曲电缆的加热。
本发明已经参考特定实施例进行了说明，此说明是解说本 发明，而不应理解为限制本发明。本领域的技术人员可以想到各种不 同的应用，而不离开由所附权利要求所取定的本发明的宗旨和范畴。
权利要求
1、一种探针卡，通常被安装成垂直于受测装置，包括a)印刷电路板，b)尖端组件，包括在电路板一端上用于接合受测装置的多个探针尖端，c)在电路板的相对端上的多个电触点，d)电路板上的导电图形，用于将电路板一端上的尖端电连接到电路板相对端上的电触点，和e)紧固件，用于将受测装置上方的支承件与大致垂直对准了受测装置的印刷电路板相接合。
2、 如权利要求1所述的探针卡，其特征在于，受测装置是半导体 晶片。
3、 如权利要求1所述的探针卡，其特征在于，尖端组件包括用于 多个尖端的陶瓷支承件。
4、 如权利要求3所述的探针卡，进一步包括O多个贯穿电路板以促进空气流动的开口。
5、 如权利要求4所述的探针卡，其特征在于，紧固件包括与支承 件中的插口相匹配的突起连接件。
6、 如权利要求1所述的探针卡，其特征在于，紧固件包括与支承 件中的插口相匹配的突起连接件。
7、 一种探针头，通常被安装到受测装置上方，包括a) 印刷电路板，b) 尖端组件，包括在电路板一端上用于接合受测装置的多个探针 尖端,c) 在电路板的相对端上的多个电触点，d) 电路板上的导电图形，用于将电路板一端上的尖端电连接到电 路板相对端上的电触点，和e) 紧固件，用于将受测装置上方的支承件与大致垂直对准了受测 装置的印刷电路板相接合，和f) 安装组件，其上支撑了印刷电路板，并包括用于接合第一紧固 件的第二紧固件。
8、 如权利要求7所述的探针头，其特征在于，安装组件包括用于 可支撑地接合轨道支撑结构的装置，
9、 如权利要求8所述的探针头，其特征在于，安装组件及印刷电 路板包括若干开口以促进来自轨道支撑结构的冷空气的流动。
10、 如权利要求9所述的探针头，其特征在于，安装组件包括用 于手动调节印刷电路板在安装组件上的定位的装置。
11、 如权利要求IO所述的探针头，其特征在于，安装组件包括 用于接收印刷电路板的第一支撑框架；用于第一支撑框架的第二支撑 框架且其允许第一支撑框架沿一轴线的运动；和用于第二支撑框架的 第三支撑框架且其允许第二支撑框架沿第二及第三运动轴的运动；以 及用于帮助沿该三轴线运动的手动操作旋钮。
12、 如权利要求1所述的探针头，其特征在于，支撑框架包括若 干开口用于空气流动。
13、 一种强制空气冷却探针头组件，用于在加热的环境中，将探 针卡安装为在受测装置之上并与之大致垂直，包括a) 探针头，包括印刷电路板，在印刷电路板一端上的尖端组件， 在印刷电路板相对端上的多个触点，以及将尖端组件与多个触点互连 的导电图形，和b) 轨道组件，用于将探针头支撑到加热的测试台之上，该轨道组 件包括用于空气流动的至少一个通道和用于将空气导向探针头的若干 开口 ，由此来自加热测试台的热空气的对流可以净皮扰乱和冷却。
14、 如权利要求13所述的强制空气冷却探针头组件，进一步包括 由轨道组件所支撑的、并耦接到多个触点的柔性电缆。
15、 如权利要求14所述的强制空气冷却探针头组件，其特征在于， 探针头进一步包括用于调节印刷电路板位置的手动操作的旋钮，这些 旋钮被空气流动所冷却。
16、 如权利要求15所述的强制空气冷却探针头组件，其特征在于， 探针头进一步包括用于接收印刷电路板的第一支撑框架；用于第一 支撑框架的第二支撑框架且其允许第一支撑框架沿一轴线的运动；用 于第二支撑框架的第三支撑框架且其允许第二支撑框架沿第二和第三 运动轴线的运动；以及用于帮助沿该三个轴线运动的手动操作旋钮。
17、 如权利要求16所述的强制空气冷却探针头组件，其特征在于，支撑框架包括用于空气流动的多个开口 。
18、 如权利要求17所述的强制空气冷却探针头组件，其特征在于， 轨道组件内的若干开口将空气导向支撑框架及其中的开口，以促进空 气流动。
19、 如权利要求17所述的强制空气冷却探针头组件，其特征在于， 在轨道组件中的开口包括在轨道组件若干下部位置内与测试台表面成 一角度的若干开口，以帮助扰乱来自于工作台的热空气的垂直对流。
20、 如权利要求19所述的强制空气冷却探针头组件，其特征在于， 在轨道组件中的若干开口包括若干孔。
21、 如权利要求19所述的强制空气冷却探针头组件，其特征在于， 在轨道组件中的若干开口包括若干槽。
22、 如权利要求17所述的强制空气冷却探针头组件，其特征在于， 在支撑框架中的若干开口包括若干槽。
23、 如权利要求17所述的强制空气冷却探针头组件，其特征在于， 印刷电路板包括用于空气流动的若干开口。
全文摘要
一种探针卡，其在加热环境中被垂直地安装成大致正交于接受寿命测试的晶片，以限制探针卡暴露到来自于晶片夹盘的热量。该探针卡及探针头组件被安装到支撑轨道上，该支撑轨道具有一个或多个通道，用于使冷空气流到探针头组件及探针卡，且同时其保护挠曲电缆不受热卡盘影响。冷空气流扰动从加热卡盘向上流到探针卡及探针头的对流热空气流，并促进了探针卡和探针头的冷却。
文档编号G01R31/02GK101273275SQ200680035220
公开日2008年9月24日 申请日期2006年7月25日 优先权日2005年8月3日
发明者E·A·麦劳德, M·A·卡索洛, M·L·安德森, S·莫斯塔谢德 申请人:夸利陶公司