专利名称：探针卡和强制空气冷却探针头组件的制作方法
探针卡和强制空气冷却探针头组件
本申请是2008年3月24日提交的、名称为“垂直探针卡和空气冷却探针头系统”、 申请号为200680035220.1的中国专利申请的分案申请。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°C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 80°C)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1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1是根据本发明的一个实施例的印刷电路板12的探针卡10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的一端是在陶瓷支承件 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 过螺纹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包括具有若干鸠尾凸缘的元件48，大致在图示50处接合相匹配的探针头 32的鸠尾凸缘。
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的鸠尾凸缘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(Θ XTC )。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加热的受测装置以在测试过程中减少对探针卡的热传递，所述探针卡包括 a)印刷电路板， b)尖端组件，其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，其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， e)紧固件，其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，其中，大致垂直的对准在测试过程中减少从加热的受测装置到印刷电路板的热传递，和 f)贯穿印刷电路板的多个开口，其用于促进冷却空气流动，以便冷却探针卡。
2.如权利要求I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I或2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1-3中任一项所述的探针卡，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。
5.如权利要求1-4中任一项所述的探针卡，其特征在于，冷却空气从受测装置上方的支承件流动。
6.如权利要求5所述的探针卡，其特征在于，支承件包括用于冷却空气流动的内部通道。
7.如权利要求6所述的探针卡，其特征在于，来自内部通道的冷却空气被导向贯穿印刷电路板的开口。
8.一种探针卡，通常被安装成垂直于加热的受测装置并在加热的受测装置上方以在测试过程中减少对探针卡的热传递，所述探针卡包括 a)印刷电路板，其被安装成与受测装置大致垂直对准，其中，印刷电路板包括贯穿印刷电路板的多个开口，其用于促进冷却空气流动，以便冷却探针卡， b)尖端组件，其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，和 d)电路板上的导电图形，其用于将电路板一端上的探针尖端电连接到电路板相对端上的电触点。
9.如权利要求8所述的探针卡，还包括紧固件，其用于接合受测装置上方的支承件，其中，支承件包括用于冷却空气流动的内部通道和开口。
10.如权利要求9所述的探针卡，其特征在于，支承件中的开口将冷却空气流导向贯穿印刷电路板的开口。
11.如权利要求9或10所述的探针卡，其特征在于，支承件中的开口是成角度的。
全文摘要
本发明涉及探针卡和强制空气冷却探针头组件，具体涉及一种探针卡，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G01R1/073GK102981029SQ20121055062
公开日2013年3月20日 申请日期2006年7月25日 优先权日2005年8月3日
发明者M.L.安德森, E.A.麦劳德, S.莫斯塔谢德, M.A.卡索洛 申请人:夸利陶公司