CN101151539A - 探针卡组件和将探针粘连至该探针卡组件的方法 - Google Patents

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CN101151539A CNA2006800089150A CN200680008915A CN101151539A CN 101151539 A CN101151539 A CN 101151539A CN A2006800089150 A CNA2006800089150 A CN A2006800089150A CN 200680008915 A CN200680008915 A CN 200680008915A CN 101151539 A CN101151539 A CN 101151539A
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巴哈德尔·图纳博伊卢
哈比卜·卡利察斯兰
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Abstract

本发明提供了一种探针卡组件。该探针卡组件包括限定了多个孔的衬底层和多个探针。每个探针具有基底和尖端。每个探针的基底被配置为至少部分地插入多个孔中的一个内。

Description

探针卡组件和将探针粘连至该探针卡组件的方法
相关申请的交叉参考
本申请要求于2005年2月16日提交的第11/059,246号美国申请的优先权，其内容结合于此作为参考。
技术领域
本发明涉及用于测试诸如集成电路的半导体器件的设备。更具体地，本发明涉及一种探针卡组件及将探针元件粘连至该探针卡组件的方法。
背景技术
在半导体集成电路的制造过程中，传统的做法在制造过程中以及在发货之前测试集成电路(“IC”)以确保正常工作。晶片测试是通常在安装晶片的半导体IC的生产测试过程中常使用的一项已知测试方法，其中，在自动测试设备(ATE)和安装在晶片上的每个IC之间建立临时电流，以证实IC的性能正常。可以在晶片测试过程中使用的元件包括ATE测试板，ATE测试板是连接至ATE的多层印刷电路板，并且在ATE和探针卡组件之间来回传送测试信号。探针卡组件(或探针卡)包括印刷电路板，印刷电路板通常包括几百个探测指针(或“探针”)，其经过定位以与IC晶片上的许多连接端子(或“芯片接点”)建立电接触。
已知的探针卡组件包括可从Kulicke和Soffa的Willow Grove，PA公司购得的探针卡。这样的探针卡包括印刷电路板、具有多个柔性探针的探针头、和将探针电连接至印刷电路板的空间变换器(space transformer)。空间变换器可以包括多层陶瓷衬底，或者可选地，多层有机衬底。
使用半导体制造领域的普通技术人员公知的线焊(wirebonding)或楔焊技术来将探针安装到空间变换器的衬底安装表面上是公知的。通常，通过传统的电镀或蚀刻技术来将探针安装到基本上导电的、(优选地)金属的、焊盘上(bonding pad)。
探针卡制造过程中的一个难点在于，必须将探针精确地定位在衬底安装表面上，从而才能提供适当的对齐和探针尖端的平面性。使用传统的探针安装技术，必须要运用很大的关注才能够获得适当的对齐和探针尖端的平面性。同样，需要提供一种有利于实现适当对齐和探针尖端的平面性的一种改进探针卡及将探针粘连至探针卡的相关方法。
发明内容
根据本发明的示例性实施例，提供了一种探针卡组件。探针卡组件包括限定了多个孔的衬底层和多个探针。每个探针具有基底和尖端。每个探针的基底被配置为至少部分地插入多个孔中的一个孔内。
根据本发明的另一个示例性实施例，提供了一种被配置为包括在探针卡组件中的衬底层。该衬底层限定了多个孔，每个孔的尺寸和形状适于容纳探针卡组件中的探针的基底。
根据本发明的又一个示例性实施例，提供了一种与探针卡组件结合使用的探针组件。该探针组件包括用于提供与探针卡组件连接的电路通路的多个探针。该探针组件还包括连接至多个探针的支板(strip)。
根据本发明的又一个示例性实施例，提供了一种探针卡组件的装配方法。该方法包括：提供限定多个孔的衬底层；以及将多个探针中的每个探针的基底至少部分地插入多个孔中的一个对应孔。该方法还包括：将每个基底连接至在对应孔附近的衬底层。
根据本发明的又一个示例性实施例，提供了一种包括多个探针的探针组件的形成方法。多个探针被配置为在探针卡组件中提供电通路。该方法包括：提供可分离地连接至支板的多个探针。该方法还包括：在多个探针中的每个探针与支板之间的连接点处形成一个易折断连接。
根据本发明的又一个示例性实施例，提供了一种衬底层的形成方法。该衬底层被配置为包括在探针卡组件内。该方法包括：提供一层衬底材料。该方法还包括：在这层衬底材料中形成多个孔，每个孔被配置为容纳探针卡组件中的探针的一部分。
附图说明
为了说明本发明的目的，附图中示出了本发明的目前优选形式，然而应该理解，本发明并不限于所示的精确布置和方法。
要强调的是，按照一般的惯例，附图中的各种特征并不是按比例的。相反，为了清晰而任意扩大或缩小各种特征的尺寸。附图中包括以下视图：
图1是根据本发明的示例性实施例的具有粘连至多层陶瓷组件的多个探针的探针卡组件的一部分的侧视截面图；
图2是示出了在将探针粘连至多层陶瓷组件以形成图1的探针卡组件之前的具有多组探针的探组件的平面图；
图3是示出了图2中从探针组件中去除不必须探针的探针组件的平面图；
图4是示出了图3中准备被转移到图1的多层陶瓷组件过程中拈连至模板探针组件的多组探针的透视图；
图5是图1中的多层陶瓷组件的透视图；
图6是示出了图4中将探针转移到图5中的多层陶瓷组件的处理过程中探针和模板组件的透视图；
图7是在图6中的多层陶瓷组件的外层内形成的孔的放大部分截面图，其中示出了将预定量的焊剂沉积在孔内，并示出了将探针的基底插入孔内；
图8是示出了在图7中已加热焊剂、已将探针的基底完全插入孔内、以及使焊剂冷却以在探针和外层之间形成连接之后的孔的放大部分截面图；
图9是图1中的探针卡组件的一部分的透视图；
图10是示出了根据本发明示的例性实施例的将探针粘连至探针卡的方法的流程图；以及
图11是示出了根据本发明的另一个示例性实施例的将探针粘连至探针卡的方法的流程图。
具体实施方式
参考附图，相同的标号代表相同的元件，根据本发明的示例性实施例，在图1至图9中示出了主要由参考标号10指定的探针卡组件的一部分。探针卡组件10包括固定地连接至组件30的多个探针20。在图1中所示的本发明的示例性实施例中，组件30是多层组件，例如，多层陶瓷组件30。
每个探针20均具有一个尖端22和一个基底24。在本发明的某些示例性实施例中，探针20具有弯曲的(serpentine)形状，从而增大探针20在纵向上的柔性。参考图2，示出了通过光刻处理制造、使用诸如放电加工(electro-discharge machining)的电铸、机械压印、或使用半导体制造业领域的技术人员已知的方法和材料蚀刻的多个探针20。在图2所示的示例性实施例中，优选地，在探针组件40内同时形成多组探针20。所示的探针组件40包括第一至第四组探针20a-20d。探针20a-20d中的每一组均包括一个连续的支板(strip)部分42。沿着支板部分42的第一边缘(edge)，通过易折断元件(frangible member)或部件46来连接探针20。优选地，探针20在其尖端的末端22处或靠近其尖端的末端连接至易折断元件46，从而使基底24成为自由末端。在图2所示的示例性实施例中，沿着支板部分42的第二边缘设置多个对齐元件(alignment member)44。下文中将描述对齐元件44的功能。可以通过分隔物48来分开探针组20a-20d。尽管示出了四组探针，但是显然此处描述的处理不限于任何特定的探针数目。
再次参考图1，探针卡组件10包括探针20与其固定连接的组件30。组件30包括衬底32(例如，诸如多层陶瓷衬底的空间变换器)和连接至衬底32的衬底34(例如，薄膜外层)。另外，可以在衬底34和衬底32之间设置中间的打底层38。为了使本发明示例性的实施例清楚，本文中主要将衬底32作为多层陶瓷衬底32来描述，并且将衬底34作为薄膜层34或外层34来描述；然而，应理解，衬底32和34不限于此。例如，衬底32并不限于是“多层的”或者“陶瓷的”，而可以是诸如有机衬底的任何类型的衬底或空间变换器装置。同样，衬底34不限于薄膜层，而可以是适于给定应用的任何类型的衬底。
多层陶瓷衬底32在本领域是公知的，因而，不必进一步给出多层陶瓷衬底32的加工和构造的详细描述。
外层或衬底34具有在探针所需位置处形成的多个通孔36，每个通孔限定了一个导电通孔。每个通孔36的尺寸和形状略大于探针20的基底24。外层34可以是由诸如聚酰亚胺的聚合物材料制成的薄膜层或者是一个或多个液晶聚合物层。另外，外层34可以由陶瓷材料来制造。在一个优选实施例中，外层34的厚度在约150μm至约250μm的范围内。使用诸如干膜处理和激光微调的传统技术来将外层34粘连至组件30的剩余部分。许多制造商都能够使用传统方法来生产外层34。使用诸如(例如)激光钻孔的传统技术，在外层34中形成通孔36。在本发明的某些实施例中，通路36是盲通孔(blind hole)，并且没有完全贯穿外层34。在其他实施例中，通路36贯穿外层34，而是紧挨着相邻层(例如，打底/中间层38、多层陶瓷衬底32等)，通孔并不贯穿相邻层。
中间层38可以设置在多层陶瓷衬底32和外层34之间。根据本发明的示例性实施例，由诸如聚酰亚胺的三层单独的聚合物材料曾形成中间层38，并且每个单独的层的厚度在约22μm至约33μm的范围内，因而，中间层38组的总厚度件在约66μm至约100μm的范围内。中间层38用于引导(route)信号、电能、及地面轨迹或飞机。外层34和中间层38的使用能够得到小口距探针间隔和大的芯片尺寸。然而，例如，由于能够使用瓷材料来制造中间层38，所以本发明并不限于此。
每个探针基底24可以被安装在多个通孔36中的一个通孔内，并连接至外层34。根据本发明的示例性实施例，使用模板50执行安装探针20的处理，从而将多个探针20转移并定位到对应多个通孔36内。具体地，参考图4，示例性的模板50是包括外层52和支撑衬底54的组件。模板的外层52可以类似于多层陶瓷组件的外层34。模板的外层52包括以对应于外层孔36的位置的方式定位的多个插孔(receptacle)56。模板插孔56的尺寸和大小适于容纳对齐元件44(或者可选地，模板可以直接容纳探针，而不需要包括对齐元件的支板)。例如，可以通过诸如聚酰亚胺的聚合物来制造模板的外层52。例如，可以通过诸如钢或铝的刚性材料来制造支撑衬底54。
参考图2至图10，示出了用于使用方法100(在图10的流程图中示出了方法100)将探针20粘连至探针卡组件10的剩余部分的示例性处理过程。方法100包括提供多层陶瓷衬底32的步骤105。提供多个探针20(步骤110)，每个探针20具有基底24和尖端22。例如，通过传统的光刻法、电铸、或蚀刻技术来生产多个探针20，其中，探针20通过易折断元件46连接至连续支板42。
薄膜外层34经提供固定连接至多层陶瓷衬底32(步骤115)。外层34包括多个预形成的孔36，每个孔36的尺寸和形状适于容纳多个探针20中的一个探针的基底24。将每个探针20的基底24安装到多个预形成的孔36中的一个孔内(步骤120)。例如，通过以下步骤来实现将探针20安装到预形成的孔36内(步骤120)：通过将连续支板42连接至模板50来将探针20连接至模板50(步骤125)；使模板50与多层陶瓷组件30的外层34对齐，以将每个探针基底24定位在多个孔36中的一个孔内(步骤130)；以及将每个基底24插入容纳探针基底24的对应孔36(步骤135)。
每个基底24连接至外层34(步骤140)。例如，通过以下步骤来完成基底24与外层34的连接(步骤140)：在将探针基底24安装到孔36内之前，将预定量的焊剂60插入每个孔36(例如，球形或其他形状)内(步骤145或步骤135)；加热焊剂60到足以使焊剂液化的温度(步骤150)；将每个探针基底24至少部分地插入到其对应孔36内(步骤155)；以及在已将基底24安装到孔36内之后，冷却焊剂60来使焊剂固化到焊接连接62内(步骤160)，从而使探针20固定粘连至多层陶瓷衬底32。根据本发明的示例性实施例，当将基底24插入孔36内时，焊剂60的量足以充分填充孔36。
可选地，除了将预定量的焊剂插入每个球形的孔36内之外，还可以用焊剂来电镀预形成孔的内表面，然后充分加热焊剂以能够粘连探针。作为另一个替换，可以在将探针插入预形成孔36之前，将焊剂粘连至探针尾部或基底24。因而，显而易见本发明预期了各种提供焊剂以将基底24安装到外层34上的方法。另外，预期了其它传统方法(除了焊剂)来将基底24电连接至外层34。
方法100任选地包括将模板50移近外层34的步骤165，以使多个探针20弯曲并且使支板42和探针20之间的易折断连接46断开，从而使多个探针20与模板50分离。
参考图2至图8和图11，根据本发明的另一个示例性实施例，可以使用方法200将探针20粘连至探针卡组件10的剩余部分(参看图11)。例如，使用传统的光刻法、电铸、或蚀刻技术制造探针组件40，从而形成通过易折断元件46连接至连续的支板42的多个探针20(步骤205)(参考图2)。探针卡10可能不需要通过探针组件40来提供所有的探针。取决于所需要的探针20，可以从探针组件40中去除不需要的探针20、以及对应于不需要的探针的对齐元件44(步骤210)(参考图3)。然后，使用安装在模板插孔56中以将连续支板42连接至模板外层52(参看图4)的对齐元件44来将探针20连接至模板50(步骤215)。例如，将探针20用胶连接至模板50。
提供多层陶瓷衬底32(步骤220)，并且还提供外层34(步骤225)。将外层34连接至多层陶瓷衬底32以形成多层陶瓷组件30(步骤230)(参看图5)。将预定量的焊剂60放入外层34内用于容纳探针基底24的每个预形成孔36中(步骤235)(参看图7)。使模板50与多层陶瓷组件30的外层34对齐，从而将多个探针20的每个基底24至少部分地定位在多个孔36中的一个孔内(步骤240)(参看图6)。
加热焊剂60到足以使焊剂液化的温度(步骤245)。例如，焊剂60是易熔的Pb37Sn63(或Sn96Ag4)，然后将其加热到一定温度，例如，200(或220)摄氏度。随着焊剂60的液化，每个探针基底24可以进一步或全部插入到容纳基底24的孔36内(步骤250)(参看图8)。焊剂的量可以选择，例如，以便于当将探针基底24插入(例如，全部插入)到孔36内时，孔60和探针基底24结合以没有外溢地填充(或基本填满)孔36的体积。
冷却焊剂60以将焊剂固化到焊接连接62内，从而将每个探针20固定地粘连到多层陶瓷组件30内(步骤225)。将模板50移近多层陶瓷组件30，以使多个探针弯曲并使支板42和探针20之间的易折断元件46断开，从而使多个探针20与模板50分离(步骤260)(参看图9)。
根据本发明的多个示例性的实施例，以上描述涉及一种有助于实现探针尖端22的适当对齐和平面性的新颖探针卡组件10和相关方法100、200，上述方法用于将探针20粘连至探针卡组件的剩余部分。可以在本发明的范围内，改变或删除探针卡组件的各种特征、或方法100和200的步骤。另外，方法100和200的步骤顺序可以与图10至图11所示的顺序有所改变。
虽然已主要就探针组件(被配置为通过将每个探针的基底部分插入衬底的孔内而包括在探针卡组件中)来描述本发明，但是本发明并不限于此。例如，探针组件的探针的基底可以与衬底的表面电接触(例如，衬底的接触焊盘)电接触(例如，通过焊接或其它连接方法)，但是并不插入孔内。
虽然已参考示例性实施例来描述和示出了本发明，但是本领域技术人员应理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明做前述和各种其他的改变、省略和添加。

Claims (30)

1.一种探针卡组件，包括：
衬底层，用于限定多个孔；以及
多个探针，每个探针具有基底和尖端，
其中，每个探针的所述基底被配置为至少部分地插入所述多个孔中的一个内。
2.根据权利要求1所述的探针卡组件，其中，所述衬底层是薄膜层。
3.根据权利要求1所述的探针卡组件，其中，所述衬底层包括聚酰亚胺材料。
4.根据权利要求1所述的探针卡组件，还包括：空间变换器，所述衬底层被配置为连接至所述空间变换器。
5.根据权利要求4所述的探针卡组件，其中，当所述衬底层连接至所述空间变换器时，使所述孔的至少一部分在所述空间变换器的各个导电区上对齐。
6.根据权利要求1所述的探针卡组件，其中，每个探针的所述基底被配置为使用焊接连接在所述衬底层的对应孔处连接至所述衬底层。
7.根据权利要求1所述的探针卡组件，还包括：模板，所述模板可分离地连接至所述多个探针，所述模板被配置为在所述模板与所述多个探针分离之前，将所述多个探针中的每个探针的所述基底至少部分地转移并定位到所述多个孔中的各个孔内。
8.根据权利要求1所述的探针卡组件，还包括用于支撑所述多个探针的支板，所述支板可分离的连接至所述多个探针，所述支板被配置为在所述支板与所述多个探针分离之前，将所述多个探针中的每个探针的所述基底至少部分地转移并定位到所述多个孔内。
9.根据权利要求8所述的探针卡组件，还包括被配置为在所述多个探针中的每个探针的所述基底的所述转移过程中支撑所述支板的模板，所述支板包括多个对齐元件以及所述模板包括多个插孔，所述多个插孔中的每个插孔的尺寸和形状适于容纳所述对齐元件中的一个对应元件。
10.根据权利要求8所述的探针卡组件，其中，所述多个探针和所述尖端被光刻制造成单个部件。
11.根据权利要求4所述的探针卡组件，还包括处于所述空间变换器和所述衬底层之间的打底层，所述打底层包括聚酰亚胺。
12.一种被配置为包括在探针卡组件内的衬底层，所述层限定了多个孔，每个所述孔的尺寸和形状均适于容纳所述探针卡组件的探针的基底。
13.根据权利要求12所述的衬底层，其中，所述衬底层包括聚酰亚胺薄膜。
14.根据权利要求12所述的衬底层，其中，所述探针的所述基底被配置为用焊剂粘连至所述衬底层。
15.一种用于与探针卡组件连接的探针组件，所述探针组件包括：
多个探针，用于提供与所述探针卡组件连接的电路通路；以及
支板，连接至所述多个探针。
16.根据权利要求15所述的探针组件，其中，所述支板与所述多个探针被整体形成。
17.根据权利要求15所述的探针组件，其中，所述多个探针中的每个在易折断连接处可分离地连接至所述支板。
18.一种探针卡组件的装配方法，所述方法包括以下步骤：
提供限定了多个孔的衬底层；
将多个探针中的每个探针的基底至少部分地插入所述多个孔中的对应一个空内；以及
将每个基底连接至在所述对应孔附近的所述衬底层。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：将所述衬底层连接至所述空间变换器的步骤，所述空间变换器在被配置为连接至衬底层的表面上包括多个电导区，所述多个孔的至少一部分被配置为当所述衬底层连接至所述空间变换器时与所述电导区中的各个导电区对齐。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，所述提供衬底层的步骤包括：提供包括聚酰亚胺的薄膜层。
21.根据权利要求18所述的方法，还包括：在所述至少部分地插入的步骤之前，使用光刻技术形成所述多个探针的步骤。
22.根据权利要求18所述的方法，其中，所述至少部分地插入的步骤包括：将所述多个探针可分离地连接至模板的步骤；使所述模板与所述衬底层对齐以将每个基底至少部分地定位在所述多个孔中的各个空内的步骤；以及使所述多个探针与所述模板分离的步骤。
23.根据权利要求18所述的方法，还包括：在所述至少部分地插入的步骤之前，形成将要通过易折断元件连接至支板的所述多个探针中的每个探针的步骤。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述至少部分地插入的步骤包括：通过使所述支板的多个对齐元件与由模板限定的响应多个插孔啮合，将所述多个探针连接至所述模板的步骤；以及使所述模板与所述衬底层对齐以将每个基底至少部分地定位在所述多个孔中的各个孔内。
25.根据权利要求23所述的方法，还包括：在所述连接步骤之后，从所述多个探针中分离所述支板的步骤。
26.根据权利要求18所述的方法，其中，所述连接步骤包括：将每个基底焊接到在所述对应孔附近的所述衬底层上。
27.一种包括多个探针的探针组件的形成方法，所述多个探针被配置为在探针卡组件内提供电通路，所述方法包括以下步骤：
提供可分离地连接至支板的多个探针；以及
在所述多个探针中的每个探针和所述支板之间形成易折断的连接。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述提供步骤包括：将
所述多个探针和所述支板形成为整体结构。
29.一种衬底层的形成方法，所述衬底层被配置为包括在探针卡组件中，所述方法包括以下步骤：
提供一层衬底材料；
在这层衬底材料中形成多个孔，所述孔中的每个被配置容纳所述探针卡组件中的探针的一部分。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述提供步骤包括：提供一层包括聚酰亚胺的衬底材料。
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