專利名稱：用于ic測試之具有高彈性懸臂之彈簧探針的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用以測試電子電路的裝置，特別是指但不限定于一種排列在半導(dǎo)體晶片上的集成電路探針裝置。
背景技術(shù)：
由于許多排列在半導(dǎo)體晶片上的集成電路(Integrated Circuits，IC)可能無法正常運作，因此要求在封裝該IC前或包含該IC在多芯片模塊(Multi-Chip Module，MCM)前先作測試處理，該裝置自一測試器傳送電力及信號至該IC，此為大家所熟知的探針卡。傳統(tǒng)的探針卡通過固定在懸臂上之細尖針狀物至一印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)上的方式來傳送該電子信號至該IC的焊墊。上述探針指針在后面簡稱為探針，該探針一般是利用電化學(xué)刻蝕(electro-chemically etching)的方式由鎢(tungsten)、銅(copper)、鈀(palladium)或其合金之金屬線制成。當(dāng)探測時，該探針與IC焊墊(IC bond pads)進行物理接觸并且刮除(scratch)該IC焊墊。刮除(scratching)是一種為了使探針與焊墊達到良好的電子接觸狀態(tài)的重要步驟，因為通常該IC焊墊是被一原生絕緣氧化膜所覆蓋。
由于IC變得日益復(fù)雜，且多層測試(multi-die testing)已成為基準(zhǔn)，因此探針卡上之探針數(shù)量也不斷地在增加，同樣的，焊墊的大小及其間距也為了符合縮小之IC而相對減小，以上所提及之懸臂式探針卡。由于是由精密的手工制造，因此未能充分滿足目前主流趨勢的需求。其它水平式探針則大量借助于半導(dǎo)體制造的方式來生產(chǎn)，如Eldridge，et al.在美國專利第5,832,601號中所描述之利用半導(dǎo)體封裝焊線機(wire bonder)制程來制造探針骨架之方法；Smith，et.Al.在美國專利第5,613,861號中所描述之利用陰極噴鍍法(sputtering)制造薄膜彈簧的方法；以及Cohen在美國專利第6,027,630號中所描述之方法則是利用蒸鍍(deposition)技術(shù)及犧牲金屬層(sacrificial metal layers)的選擇性移除方法來制造3D立體結(jié)構(gòu)。
然而，目前還未有一種裝置利用沿著整個探針之長度來散布所應(yīng)用之均勻彎曲應(yīng)力(bending stress)，以達到在有限的空間內(nèi)產(chǎn)生更多彈性(resiliency)之目的，比方說在進行晶片層測試時。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明系有關(guān)于一種具彈性之彈簧探針，當(dāng)完全被撓曲(deflected)至或接近該彈簧物的屈服強度(yield strength)時，利用沿著該整個彈簧之長度之最大彎曲應(yīng)力(bending stress)來控制其撓度(deflection)。
本發(fā)明之一實施例在于，該探針具有一彈簧懸臂；一底座，藉由一固定錨將該底座連接于該懸臂之一端；一尖端，設(shè)置于該懸臂之另一端；其中該懸臂朝向該底座之表面具有一階梯之表面。在本發(fā)明之另一實施例中，該底座朝向該懸臂之表面具有一階梯之表面。在本發(fā)明之另一實施例中，該懸臂朝向該底座之表面及/或該底座朝向該懸臂之表面系呈曲線狀。
本發(fā)明中另一實施例為，一種包含將晶片黏著之焊墊與該探針之探針頭相互對準(zhǔn)；驅(qū)動該晶片進入該探針頭，并對該晶片進行電子測試。


由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當(dāng)更容易了解本發(fā)明之目的、技術(shù)內(nèi)容、特點及其所達成之功效。
圖1是本發(fā)明一實施例所述的探針示意圖；圖2是本發(fā)明圖1所示探針之透視圖；圖3是本發(fā)明圖1所示之彈簧呈撓曲狀態(tài)之示意圖；圖4是本發(fā)明用黏著于一空間轉(zhuǎn)換器的多個彈性彈簧；圖5是根據(jù)本發(fā)明之另一實施例所述之探針；圖6是說明具有一組相互搭配底座/懸臂之探針；圖7是根據(jù)本發(fā)明實施例所述之使用探針方法之流程圖。
具體實施例方式
以下說明內(nèi)容在于提供此具有一般技術(shù)之人士能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，并且提供此特別申請案之內(nèi)容及其需求。對于熟悉此項技術(shù)之人士而言，針對實施例所做的不同修改是淺顯易懂的，且在此所定義之通稱構(gòu)造可適用于其它實施例及應(yīng)用，而不會脫離本發(fā)明的精神及范圍。因此，本發(fā)明并非僅限制于所述之實施例，而是涵蓋包括這里公開的原理、特點和精神的最大范圍。
圖1及圖2為本發(fā)明之一實施例。特別是一種具有懸臂之彈簧探針100，其包含有利用美國專利第6,027,630所述之電鍍技術(shù)所制成之復(fù)數(shù)層(multiple layer)。該探針100包含有一懸臂110，并由一固定錨150將該懸臂110連接于一底座140上，該固定錨150是位于該懸臂110之一端。一尖端120設(shè)置在該懸臂110之另一端。該尖端120是由一硬質(zhì)貴金屬(hard precious metal)所制成，如銠(rhodium)，同時，該懸臂110是由導(dǎo)電性強的金屬制成，如電沉積物鎳(Ni)。然而，并不排除使用其它化合物來制造。該懸臂110的上下兩個表面包含有多個階梯狀構(gòu)造。位于該下表面的多個階梯具有多個接觸點130(比方說有9個接觸點)，當(dāng)該探針100與底座140相接合時，則該接觸點130與該底座140相接觸。在一實施例中，當(dāng)離該固定錨150的距離越遠，則該接觸點130的間距就相對減少。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，該懸臂110通過控制撓度曲線(deflectioncurve)，散布彎曲應(yīng)力(bending stress)在整個探針100之長度上，如圖3所示，當(dāng)懸臂110撓曲(deflects)時，一個或多個接觸點130與該底座140相接觸，因此，可避免鄰接于該固定錨150結(jié)構(gòu)之懸臂承受過應(yīng)力(overstress)，同時，在懸臂110上所產(chǎn)生的彈性能(elastic energy)會沿著整個懸臂110之長度而儲存。如圖4所示，該多個探針100被黏著于一空間轉(zhuǎn)換器200(space transformer)上，該空間轉(zhuǎn)換器200依次黏著至印刷電路版(PCB)上，組成該探針卡。
滿應(yīng)力梁(fully-stressed beams)是現(xiàn)有技術(shù)。而機械教課書中也曾討論過有關(guān)拋物狀懸臂梁(parabolic-shaped cantilever beam)，它能產(chǎn)生均勻散布的最大正向應(yīng)力(normal stress)(如忽略剪應(yīng)力，ignoring shear stress)，然而，滿應(yīng)力梁(fully-stressed beams)通常與企圖減輕重量、節(jié)省材料、及/或減少慣性力矩(moment of inertia)有相互關(guān)系，而本發(fā)明中之探針100卻完全沒有上述的考慮。
本發(fā)明之實施例與傳統(tǒng)的滿應(yīng)力梁(fully-stressed beams)主要有三點不同。1.本發(fā)明之實施例不是滿應(yīng)力，只是幾乎是滿應(yīng)力，因為該懸臂2包含有平面層(flat layer)和有限數(shù)量的接觸點130。因此，即使采用理想均勻狀態(tài)來設(shè)計該懸臂110，其彎曲應(yīng)力也不會完全均勻。2.由于上述原因，傳統(tǒng)滿應(yīng)力梁(fully-stressed beams)會因此改變其剖面系數(shù)(section module)，移去不必要的材料。在本發(fā)明中，實現(xiàn)其最大應(yīng)力均勻性主要是利用撓度曲線的控制，而不是著重于其剖面系數(shù)(section module)的改變。此舉將轉(zhuǎn)變?yōu)楦玫膹椥约拜d流量(current carrying capacity)，因為僅少部分的材料從位于該尖端120下的懸臂110上移去。該材料本身不但可適用于儲存彈性能，并且能承受電流，否則太薄的材料結(jié)構(gòu)將會產(chǎn)生過熱的現(xiàn)象。3.本發(fā)明只有在到達最大的過度驅(qū)動(overdrive)時才大約具備滿應(yīng)力的條件。在初期的撓曲階段，該應(yīng)力集中在該固定錨150結(jié)構(gòu)上。然而，傳統(tǒng)的滿應(yīng)力梁(fully-stressed beams)既使在低應(yīng)力的條件下該應(yīng)力也能均勻地散布。
該探針100的尺寸可根據(jù)適應(yīng)所需要的彈簧鋼度及最大可適用撓度來改變。然而，其并不需要特有的探針尺寸來滿足一特定的彈簧鋼度。最初的條件取決于該探針之物理需求，其可能包含允許的探針長度、高度及寬度。當(dāng)這些都決定后，平面層的厚度及長度可利用商業(yè)有限元分析軟件(finite element analysis software)針對所需要力或撓度做出最佳的選擇。典型的探針的總長度約為500-1000微米(microns)，而寬度約為10-30微米(microns)，而平面層之間(interlayer)的高度約為2-20微米(microns)。該尖端的高度約為10-30微米(microns)長。這些范圍并非詳盡，此僅為描述此探針在目前制造能力之內(nèi)。
該接觸點130的另一好處在于減少必須經(jīng)由尖端120傳導(dǎo)信號的電通路(electrical path)。而不必經(jīng)過整個懸臂110的長度，該信號可只通過接觸點130直接傳至底座140。除了可減少不受控制的阻抗(impedance)長度來改善其高速性能，該接觸點130還可以為更高的電流探針(highercurrent probes)提供另一平行電通路，如電源與接地探針(power and groundprobes)。在高應(yīng)力范圍中可減少焦耳熱(Joule heat)以改善探針的蠕變性能(creep resistance)。
本發(fā)明的另一實施例為是利用在美國專利第6,027,630號中所述之多層制造技術(shù)所組成，如第5圖所示。在本實施例中，探針300包含有一個具有多個階梯的底座350。該底座350通過固定錨330連接在懸臂320上，該固定錨330位于懸臂320的一端。尖端310設(shè)置在該懸臂320的另一端。沿著該底座350上的階梯表面具有多個接觸點340。該階梯隨著離該固定錨330之距離長度增加，則該階梯的長度就相對減少。在本發(fā)明之一實施例中，該懸臂320具有與底座350相同的長度及寬度。在本發(fā)明之實施例中，該底座350包含有8個階梯。
該懸臂320具有不變的剖面系數(shù)(section modulus)，且該底座350呈階梯狀為了要控制該撓度曲線。探針300撓曲時，則該接觸點340逐漸地與探針320相接觸，以避免鄰接于該固定錨330結(jié)構(gòu)的懸臂承受過應(yīng)力，同時，使得該彈簧所產(chǎn)生之彈性能沿著整個懸臂320的長度而儲存。在此一實施例中，該探針尖端310的高度比該尖端120的高度長約30-50微米(microns)，因此，可避免該懸臂320的固定端在過度驅(qū)動(overdrive)時碰撞到晶片。一般而言，較高的尖端通?？僧a(chǎn)生較長的磨擦(scrub)。該懸臂320的尖端310在過度驅(qū)動時旋轉(zhuǎn)，造成較長的尖端會刮出(sweepout)較長的弧形。然而，較長的磨擦(scrub)并非經(jīng)常適用，其可能會過度損壞該焊墊及引起半導(dǎo)體封裝焊線機(wire bonder)制程的可靠性問題。根據(jù)以上所述，使用探針100可能較好，因為該尖端110的高度縮小，并且該懸臂110朝向晶片的表面呈階梯狀，可避免接觸到晶片。
本發(fā)明的另一實施例為前述的多層探針，但其具有斷續(xù)式接觸點位于圖1所述的懸臂110及圖5所述的底座350上。
在本發(fā)明之范圍內(nèi)，位于該懸臂110或是位于該底座350之?dāng)嗬m(xù)式接觸點不必一定是有角的階梯，也可以是具有小突出物之表面。
一個沿著其整個長度而具有斷續(xù)式接觸點的探針，可在單層上橫向制造(沿寬度的方向)，而不一定要在多層上以垂直方向制造。高展弦比(high aspect ratio)的平版印刷術(shù)(lithography process)，如深刻電鑄模造技術(shù)(LIGA)制造過程可適用于此目的。事實上，以一橫向制造之探針，經(jīng)由撓度曲線之控制并不需要斷續(xù)式接觸點，而不一定要有一組相互搭配之連續(xù)式底座/懸臂。如圖6所示之一實施例中，根據(jù)其撓度，該懸臂以連續(xù)之方式與該底座之形狀一致。一如具有斷續(xù)式接觸探針，沒有一個特定之底座/懸臂之形狀來達到某一需求的彈簧剛度，而且有限元分析軟件(finite element analysis software)可協(xié)助在設(shè)計中沿著整個懸臂之長度來散布該彎曲應(yīng)力。由于將個別的探針在一個更大的數(shù)組上進行裝配及操作具有一定的困難，因此不常選用，所以會使用此種在單層或多層上以橫向制作之方法制成之探針，其包含在本發(fā)明之范圍中。
此外，包含在本發(fā)明范圍中尚有，該探針彈簧有一殘余應(yīng)力(residualstress)以增進其彈性。該殘余應(yīng)力可先由過度驅(qū)動該探針以超越其經(jīng)蒸鍍之屈服強度來引進，因此，當(dāng)彈性放松時，壓力殘余的應(yīng)力及拉力的殘余應(yīng)力便存在探針主體中。受過應(yīng)力之彈簧提供兩種功能第一，其應(yīng)變硬化(strain harden)該懸臂梁之最外層部分經(jīng)蒸鍍的物質(zhì)(即離該中性軸最遠的部分懸臂梁)，因此增加該部份懸臂梁的屈服強度。第二，其傳播殘余應(yīng)力場(residual stress field)，因此，當(dāng)從該懸臂梁從外部向內(nèi)部彎曲時，可藉此再次散布該彈性應(yīng)變能(elastic strain energy)以增進其彈性能。該斷續(xù)式接觸點必須加以調(diào)整以便沿著該整個懸臂梁之長度提供均勻的彎曲應(yīng)力，而且要超過該經(jīng)蒸鍍物質(zhì)的屈服強度。該彈簧探針會從其經(jīng)蒸鍍的形狀變形，但未來過度驅(qū)動的彈性能將由于該應(yīng)變硬化的效力及該殘留應(yīng)力場而被改善。
該制造過程是一層接一層之方式，因此該懸臂及底座會在經(jīng)蒸鍍的情況下互相平行。當(dāng)該懸臂被過度驅(qū)動而產(chǎn)生殘余應(yīng)力時，該懸臂會與該底座相互呈一傾斜角度。該懸臂與該底座所形成的角度會隨著該整個探針之長度逐漸改變，直到在該尖端時，便到達最大角度。該尖端由于預(yù)載而以一角度自垂直方向旋轉(zhuǎn)，而該角度的變化范圍是大約5度至大約15度。
圖7是根據(jù)本發(fā)明實施例所闡述使用該探針方法700之流程圖。首先，將至少具有一探針(如探針100及/或探針300)之探針卡裝設(shè)(710)于一探針裝置之探針數(shù)組中。接著，將一測試界面連接(720)至一探針卡PCB上。利用探測機(probe)將該晶片芯片焊墊(wafer die bond pads)與該探針的尖端相互對準(zhǔn)(730)。然后，驅(qū)動(740)該晶片至該探針尖端并進行電子測試(750)該晶片。當(dāng)測試之后，如果(760)沒有其它晶片要測試，則該方法(700)完成。否則，該方法(700)將再包含輪到(770)下一個芯片(die)，該焊墊位于該探針尖端下方并重復(fù)執(zhí)行驅(qū)動(740)及測試(750)，一直到所有在晶片上的芯片測試完畢。該方法(700)則完成。
以上顯示了本發(fā)明之具體實施例，顯而易見本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的變化和修改不超出本發(fā)明的保護范圍。因此，隨后的權(quán)利要求環(huán)繞使這些改變和修改落入本發(fā)明的實際精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一探針，該探針包括一彈簧懸臂；一底座，由一固定錨將該底座連接于該懸臂的一端；以及一個尖端，設(shè)置于該懸臂的另一端；其中該懸臂朝向該底座之表面具有一個階梯的表面。
2.如權(quán)利要求1所述之探針，其中該懸臂朝向晶片的表面具有一個階梯之表面。
3.如權(quán)利要求1所述之探針，其中該階梯之長度隨著與固定錨之距離而遞減。
4.如權(quán)利要求1所述之探針，其中該階梯表面具有多個接觸點，在測試IC同時，至少有一個接觸點與該底座接觸，當(dāng)產(chǎn)生彈性能時將會沿著整個該懸臂之長度來儲存，以避免對鄰近該固定錨之該懸臂施壓過當(dāng)。
5.如權(quán)利要求1所述之探針，其中該懸臂包含有利用電鍍技術(shù)所形成的多層。
6.如權(quán)利要求1所述之探針，其中該底座朝向懸臂之表面具有一個階梯結(jié)構(gòu)。
7.如權(quán)利要求1所述之探針，其中該彈簧懸臂在測試前承受過應(yīng)力。
8.一探針，該探針包括一彈簧懸臂；一底座，由一固定錨將該底座連接于該懸臂之一端；以及一尖端，設(shè)置于該懸臂之另一端；其中該底座朝向該懸臂之一面具有一階梯之表面。
9.如權(quán)利要求8所述之探針，其中該階梯之長度系隨著與該固定錨之距離而遞減。
10.如權(quán)利要求8所述之探針，其中該階梯表面具有多個接觸點，在測試IC時，至少有一個接觸點與該底座接觸，當(dāng)產(chǎn)生彈性能時將會沿著整個該懸臂之長度來儲存，以避免鄰近該固定錨之該懸臂承受過應(yīng)力。
11.如權(quán)利要求8所述之探針，其中該懸臂包含有利用電鍍技術(shù)所形成的多層。
12.如權(quán)利要求8所述之探針，其中該彈簧懸臂在測試前承受過應(yīng)力。
13.一探針卡，該探針卡包括一空間轉(zhuǎn)換器；多個探針，該多個探針連接在該空間轉(zhuǎn)換器表面上；以及一印刷電路板，該印刷電路板共同連接在該空間轉(zhuǎn)換器上；其中每個探針包含一彈簧懸臂；一底座，由一固定錨將該底座連接于該懸臂之一端；以及一尖端，設(shè)置于該懸臂之另一端；其中該懸臂朝向該底座之表面具有一個階梯之表面。
14.一探針卡，該探針卡包括一個空間轉(zhuǎn)換器；多個探針，該多個探針連接在該空間轉(zhuǎn)換器表面上；以及一印刷電路板，該印刷電路板共同連接在該空間轉(zhuǎn)換器上；其中每個探針包含一彈簧懸臂；一底座，由一固定錨將該底座連接于該懸臂之一端；以及一尖端，設(shè)置于該懸臂之另一端；其中該底座朝向該懸臂之表面具有一個階梯之表面。
15.一方法，該方法包括將一晶片芯片焊墊與權(quán)利要求1所述探針之尖端相互對準(zhǔn)；驅(qū)動該晶片至該探針之尖端；以及電力測試該晶片。
16.一方法，該方法包括將一晶片芯片焊墊與權(quán)利要求8所述探針之尖端相互對準(zhǔn)；驅(qū)動該晶片至該探針之尖端；以及電力測試該晶片。
17.一探針，該探針包括一彈簧懸臂；一底座，由一固定錨將該底座連接于該懸臂之一端；以及一尖端，設(shè)置于該懸臂之另一端；其中至少有一朝向該底座之懸臂表面，以及一朝向該懸臂之底座表面呈一曲線狀。
全文摘要
本發(fā)明是具有一懸臂之探針，由一固定錨將該探針連接于一個底座上，該懸臂之朝向該底座之表面、或該底座朝向該懸臂之表面為具有接觸點之階梯，當(dāng)對懸臂施壓時會使該接觸點接觸該底座；或是，該懸臂之表面及/或該底座之表面呈曲線狀。
文檔編號G01R3/00GK101014865SQ200580024590
公開日2007年8月8日 申請日期2005年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月16日
發(fā)明者菲利浦·麥 申請人:Jem美國公司