專利名稱：接觸構(gòu)件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種接觸構(gòu)件，用于與接觸目標比如接觸墊、或者電路或電器的引線建立電連接。更具體地說，本發(fā)明涉及一種用于探針卡的接觸構(gòu)件，該探針卡用于以改進的頻率帶寬、針距和接觸性能及可靠性來測試半導(dǎo)體晶片、半導(dǎo)體芯片、封裝半導(dǎo)體器件、模塊插槽、印刷電路板等。
發(fā)明的
背景技術(shù)：
在測試高密度和高速電子器件如LSI和VLSI電路時，必須用高性能的接觸構(gòu)件，如探針接觸器或探測接觸器。本發(fā)明的接觸構(gòu)件不局限于應(yīng)用到半導(dǎo)體晶片和小片的測試和老化，而是還可用于封裝的半導(dǎo)體器件、印刷電路板等的測試和老化。本發(fā)明的接觸構(gòu)件也可用于更普通的地方，包括IC引線，IC封裝和其它電連接。然而為了便于說明，本發(fā)明主要參照半導(dǎo)體晶片的測試而進行說明。
在被測的半導(dǎo)體器件是半導(dǎo)體晶片形式的情況下，半導(dǎo)體測試系統(tǒng)如IC測試儀通常連接到基片支撐架，如自動晶片探測器，以自動地測試半導(dǎo)體晶片。

圖1中給出了這樣一個例子，其中，半導(dǎo)體測試系統(tǒng)有一測試頭100，它通常處于一分離的箱體中并通過一束電纜110電連接到測試系統(tǒng)。測試頭100和基片支撐架400通過馬達510驅(qū)動的控制器500互相機械連接和電連接在一起。被測的半導(dǎo)體晶片由基片支撐架400自動裝配到測試頭100的測試位置。
在測試頭100上，由半導(dǎo)體測試系統(tǒng)產(chǎn)生的測試信號提供給被測的半導(dǎo)體晶片。由被測半導(dǎo)體晶片(形成在半導(dǎo)體晶片上的IC電路)產(chǎn)生的最終輸出信號傳送到半導(dǎo)體測試系統(tǒng)。在半導(dǎo)體測試系統(tǒng)中，比較輸出信號與期望信號，以確定半導(dǎo)體晶片上的IC電路是否工作正常。
在圖1中，測試頭100和基片支撐架400由一接口組件140連接，接口組件140包括操作板120(見圖2)、同軸電纜、彈簧針和連接器，操作板120是一印刷電路板，具有測試頭的電連接件單獨連接的電路連接部分。在圖2中，測試頭100包括大量的與半導(dǎo)體測試系統(tǒng)的測試槽(測試針)數(shù)目相應(yīng)的印刷電路板150。每一印刷電路板150都有一連接器160，以接收操作板120上的相應(yīng)接觸端子121?！巴軤睢杯h(huán)130裝在操作板120上，以精確確定對應(yīng)于基片支撐架400的接觸位置。蛙狀環(huán)130有大量的接觸針141，如ZIF連接器或彈簧針，通過同軸電纜124連接到接觸端子121。
如圖2所示，測試頭100放在基片支撐架400的上面，并通過接口組件140機械和電連接到基片支撐架。在基片支撐架400中，被測半導(dǎo)體晶片300裝在卡盤180上。在本例中，探針卡170裝在被測的半導(dǎo)體晶片300的上面。探針卡170具有大量的探針接觸器(如懸臂或針)190與接觸目標如被測半導(dǎo)體晶片的IC電路的電路端子或接觸墊接觸。
探針卡170的電端子或接觸座(接觸墊)與蛙狀環(huán)130的接觸針141電連接。接觸針141通過同軸電纜124與操作板120上的接觸端子121連接。操作板上的接觸端子121又與測試頭100的印刷電路板150連接。而且，印刷電路板150通過電纜110與半導(dǎo)體測試系統(tǒng)連接，電纜110有比如幾百根內(nèi)部電纜。
在這種結(jié)構(gòu)下，探針接觸器190接觸夾板180上的半導(dǎo)體晶片300的表面(接觸目標)，對半導(dǎo)體晶片300加一測試信號，并接收來自晶片300的最終輸出信號。來自被測的半導(dǎo)體晶片300的最終輸出信號與半導(dǎo)體測試系統(tǒng)產(chǎn)生的期望數(shù)據(jù)進行比較，以確定半導(dǎo)體晶片300上的IC電路是否工作正常。
圖3是圖2中探針卡170的仰視圖。在該例中探針卡170有一環(huán)氧樹脂環(huán)，上面設(shè)有大量的被稱為針或懸臂的探針接觸器190。當圖2中裝有半導(dǎo)體晶片300的卡盤180向上移動時，懸臂190的尖端將接觸到晶片300上的墊或突起(接觸目標)。懸臂190的末端連接著導(dǎo)線194，導(dǎo)線194再與形成在探針卡170上的傳輸線(未示出)連接。傳輸線與大量電極(接觸墊)197相連，這些電極與圖2中的彈簧針141具有連接關(guān)系。
通常，探針卡170由多層聚酰亞胺片構(gòu)成，具有接地層，電源層，在許多層上具有信號傳輸線。如本技術(shù)領(lǐng)域所公知的那樣，每一信號傳輸線被設(shè)計成具有一特征電阻如50歐姆，以在探針卡170中平衡分布參數(shù)，即聚酰亞胺的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，數(shù)據(jù)通路的電感和電容。這樣，數(shù)據(jù)線就是與晶片300間建立高頻傳輸帶寬的電阻匹配線路，以提供穩(wěn)態(tài)的電流以及由該器件的瞬態(tài)輸出切換產(chǎn)生的高電流峰值。為了消除噪音，探針卡上電源層和接地層之間安裝了電容193和195。
圖4中給出了探針卡170的等效電路，以解釋傳統(tǒng)探針卡技術(shù)中高頻性能的局限性。如圖4A和4B所示，探針卡170上的信號傳輸線從電極197、(阻抗匹配的)條狀線196、導(dǎo)線194和針或懸臂(接觸構(gòu)件)190伸出。由于導(dǎo)線194和針190是不匹配的，這些部分在圖4C中所示的高頻帶上起電感L的作用。因為導(dǎo)線和針190的總長約為20-30mm，在測試被測器件的高頻性能時，該電感將導(dǎo)致明顯的局限性。
其他限制探針卡170頻率帶寬的因素存在于圖4D和4E所示的電源和接地針中。如果電源線能夠給被測器件提供足夠大的電流，將不會嚴重限制測試中的工作帶寬。然而，由于用于供電的串連連接的導(dǎo)線194和針190(圖4D)以及用于把電源和信號接地的串連連接的導(dǎo)線194和針190等價于電感器，因此，高速電流受到了嚴重限制。
而且，為了濾除電源線中的噪音或脈沖，以保證被測器件的工作正常，在電源線和接地線之間安裝了電容193和195。電容193具有相當大的值，比如10μF，并且如果需要，可以通過開關(guān)從電源線上斷開。電容195具有相對較小的值如0.01μF，并且與DUT緊密的固定連接在一起。這些電容在電源線上起高頻去耦作用。換句話說，這些電容限制了探針接觸器的高頻性能。
于是，上面提到的、應(yīng)用非常廣泛的探針接觸器的頻率帶寬限于大約200MHz，這對測試最近的半導(dǎo)體器件是不夠的。在工業(yè)上，一般認為在不久的將來需要與測試器件的容量相匹配的頻率帶寬，目前該帶寬是1GHz或更高。而且工業(yè)上期望探針卡能夠以平行的方式處理大量半導(dǎo)體器件，尤其是存儲器，比如，32個或更多，以提高測試速度。
在傳統(tǒng)技術(shù)中，探針卡和探針接觸器，如圖3所示，是手工生產(chǎn)的，導(dǎo)致質(zhì)量不穩(wěn)定。這種質(zhì)量不穩(wěn)定包括尺寸、頻率帶寬、接觸力和電阻等的波動。在傳統(tǒng)的探針接觸器中，另一個使接觸性能不可靠的因素是溫度的變化，因為探針接觸器和被測半導(dǎo)體晶片具有不同的溫度膨脹系數(shù)。這樣在溫度變化時，它們之間的接觸位置變化了，這反過來又影響了接觸力、接觸電阻和帶寬。因此，就需要一種新概念的接觸構(gòu)件來滿足下一代半導(dǎo)體測試技術(shù)的要求。
發(fā)明的概述因此，本發(fā)明的目的是提供一種接觸構(gòu)件，用于與接觸目標建立電連接，它能夠獲得高的頻率帶寬、高引腳數(shù)、高接觸性能以及高可靠性。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種接觸構(gòu)件如探針接觸器，在測試半導(dǎo)體器件的應(yīng)用中，它以高的頻率帶寬建立電連接以滿足下一代半導(dǎo)體技術(shù)的測試要求。
本發(fā)明的又一個目的是提供一種接觸構(gòu)件，用于在半導(dǎo)體測試的應(yīng)用中建立電連接，它適合同時平行地測試大量的半導(dǎo)體器件。
本發(fā)明的再一個目的是提供一種接觸構(gòu)件，用于在半導(dǎo)體測試的應(yīng)用中建立電連接；為獲得穩(wěn)定的質(zhì)量，它是通過不包括手工組裝或處理的半導(dǎo)體生產(chǎn)方法生產(chǎn)的。
本發(fā)明還有一個目的是提供一種安裝在用于測試半導(dǎo)體器件的探針卡上的接觸構(gòu)件，它能夠補償被測半導(dǎo)體器件的溫度膨脹系數(shù)。
按照本發(fā)明的第一個方面，接觸構(gòu)件包括基片比如硅基片和用微加工方法形成在基片上的接觸器，其中，每個接觸器是橋形的，它的兩端豎直地連在基片上，它的平行部分設(shè)有一個接觸部分，接觸部分有一個導(dǎo)電的突起，當接觸器壓到接觸目標上時，接觸器的水平部分產(chǎn)生一個接觸力。
本發(fā)明的另一個方面是，一個具有接觸基片的接觸構(gòu)件，接觸基片上設(shè)有大量的橋形接觸器。接觸構(gòu)件包括一個接觸基片和多個通過微加工方法形成在基片上的接觸器。接觸器為橋形或反U形，有一個水平部分和兩個用于支撐水平部分的豎直部分，以及一個附屬于水平部分的硬導(dǎo)電材料的接觸突起。當接觸器壓到接觸目標時，接觸器的水平部分和豎直部分產(chǎn)生一個接觸力。接觸突起的形狀可以是球形，梯形，似方形，圓錐形或棱錐形。
本發(fā)明的又一個方面是，一個接觸構(gòu)件，在它的基片上有一個凹口或凹坑，用于相當大的凸起如焊球或焊塊的接觸目標。該接觸構(gòu)件包括一個其上具有凹口(凹槽，凹坑)的介電基片和通過微加工方法形成在基片上的接觸器。接觸器包括具有兩個與介電基片相連的豎直端的水平部分，其中，水平部分位于介電基片凹口的上方。當接觸器壓到接觸目標時，它的水平部分產(chǎn)生一個接觸力使得水平部分的中間部分可以進入凹口施加一接觸力。
本發(fā)明的又一個方面是一個接觸構(gòu)件，在它的基片上有一個凹口，用于相當大的凸起如焊球或焊塊的接觸目標。該接觸構(gòu)件包括一個其上具有凹口(凹槽，凹坑)的介電基片和通過微加工方法形成在基片上的接觸器。接觸器包括一個水平部分，水平部分具有一固定端和一自由端，固定端豎直彎下并與介電基片相連，水平部分的中間部分起接觸部分的作用。當接觸器壓到接觸目標時，接觸部分的水平部分產(chǎn)生一接觸力，使水平部分的自由端進入凹口施加一接觸力。
根據(jù)本發(fā)明，該接觸構(gòu)件有一非常高的頻率帶寬，以滿足下一代半導(dǎo)體技術(shù)的測試要求。由于接觸構(gòu)件是現(xiàn)代微形技術(shù)形成的，該現(xiàn)代微形技術(shù)是在半導(dǎo)體生產(chǎn)工業(yè)中發(fā)展起來并用于半導(dǎo)體生產(chǎn)工業(yè)中的，因此，大量的接觸器可以排列到很小的地方，它適用于同時測試大量的半導(dǎo)體器件。本發(fā)明的接觸構(gòu)件也可用于更普通的應(yīng)用中，包括IC引線、IC封裝、模塊插槽和其他電連接中。
由于大量的接觸器用微加工技術(shù)同時形成在基片上，而不用手工處理，這就能夠獲得質(zhì)量穩(wěn)定，可靠性高和壽命長的接觸性能。而且，由于接觸器可以加工在與被測器件相同的基片材料上，因而可以補償被測器件的溫度膨脹系數(shù)，這就可以避免位置誤差。
附圖的簡要說明圖1是一個示意圖，表示基片支撐架和帶有測試頭的半導(dǎo)體測試系統(tǒng)之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。
圖2是一個示意圖，表示通過接口組件把測試系統(tǒng)的測試頭和基片支撐架連接起來的詳細結(jié)構(gòu)的一個例子。
圖3是探針卡的一個例子的仰視圖，該探針卡有一環(huán)氧樹脂環(huán)，用于安裝大量的傳統(tǒng)技術(shù)的探針接觸器(針或懸臂)。
圖4A-4E是圖3中的探針卡的等效電路圖。
圖5是示意性的剖面圖，表示本發(fā)明的具有方形接觸突起的接觸構(gòu)件的第一實施例。
圖6是示意圖，表示與圖5相應(yīng)的本發(fā)明的接觸構(gòu)件的仰視圖。
圖7是示意性的剖面圖，表示本發(fā)明的具有方形接觸突起的接觸構(gòu)件的第一實施例的另一個例子。
圖8是示意圖，表示與圖7相應(yīng)的本發(fā)明的接觸構(gòu)件的仰視圖。
圖9A-9I是示意圖，表示生產(chǎn)與圖5和7相應(yīng)的接觸構(gòu)件的第一實施例的過程的一個例子。
圖10A-10C是示意圖，表示在其基座部分改進的第一實施例的接觸構(gòu)件的又一個例子。
圖11A-11C是示意圖，表示在其基座部分又一改進的第一實施例的接觸構(gòu)件的又一個例子。
圖12A-12I是示意圖，表示用絕緣層上硅(silicon-on-insulator(SOI))技術(shù)形成本發(fā)明的第一實施例的接觸構(gòu)件的生產(chǎn)過程的又一個例子。
圖13A-13H是示意圖，表示用塑性模壓(熱模壓)技術(shù)形成本發(fā)明的第一實施例的接觸構(gòu)件的生產(chǎn)過程的又一例子。
圖14是示意性的剖面圖，表示第一實施例的接觸構(gòu)件的又一個例子，該例中橋形的一端可滑動地成形在接觸基片上。
圖15是示意性的剖面圖，表示本發(fā)明的第二實施例的接觸構(gòu)件的一個例子，其中在接觸基片上有一凹坑。
圖16是示意性的剖面圖，表示當圖15的接觸構(gòu)件壓到焊球形成的接觸目標時，本發(fā)明的接觸構(gòu)件。
圖17是示意性的剖面圖，表示本發(fā)明的第二實施例的接觸構(gòu)件的一種改進，其中在接觸基片上有一凹坑。
圖18A是示意性的剖面圖，表示本發(fā)明的第二實施例的接觸構(gòu)件的又一種改進，其中在接觸基片上有一凹坑；圖18B表示當圖18A的接觸構(gòu)件壓到焊球形成的接觸目標時，本發(fā)明的接觸構(gòu)件。
圖19A-19F是示意圖，表示生產(chǎn)圖17中的第二實施例的接觸構(gòu)件的過程的一個例子。
圖20是橫截面圖，表示將本發(fā)明的接觸構(gòu)件置于被測半導(dǎo)體器件和半導(dǎo)體測試系統(tǒng)之間而組成總的堆疊(stack-up)結(jié)構(gòu)的一個例子。
最佳實施例的詳細說明本發(fā)明的第一個實施例的接觸構(gòu)件示于圖5-14中。圖5和6表示本發(fā)明的第一個實施例的例子中的一個，其中圖5是示意性的剖面圖，圖6是圖5中接觸構(gòu)件的仰視圖。圖7和8表示本發(fā)明的第一實施例的另一個例子，其中，圖7是示意性的剖面圖，圖8是圖7中接觸構(gòu)件的仰視圖。
在圖5和6的例子中，接觸構(gòu)件具有大量形成在接觸基片20上的接觸器30。接觸構(gòu)件定位在具有接觸目標320如接觸墊或電極的半導(dǎo)體晶片300的上方。通常，接觸基片20是用硅做的。其他材料，如玻璃纖維，陶瓷，鋁或其他介電材料也可用于接觸基片。所有的接觸器30用同一生產(chǎn)方法形成在硅基片20上或一獨立的基片上。這樣的半導(dǎo)體生產(chǎn)方法包括光刻方法，用如電子束，激光束，或等離子束微型機加工工具的微加工方法，塑性模制方法(熱模壓)等。
在圖5和6中，接觸器30為橋形，它上面設(shè)有一個或多個接觸突起31作為接觸部分。接觸突起的形狀可以是球形，梯形，似方形，圓錐形或棱錐形。圖5和6中的例子所示的接觸突起是似方形，而圖7和8中的例子所示的接觸突起是球形。接觸器30包括一水平部分，兩個支撐水平部分的豎直部分，以及固定在接觸基片20上的基座部分。接觸器的基座部分起連接接觸基片20上表面上的接觸墊或電極的內(nèi)連接線的作用。這樣，接觸器30通過通孔23與接觸基片20上的電極22就建立了電連接。電極22通過導(dǎo)線或引腳使接觸基片20與外部構(gòu)件如探針卡或IC塊互相連接。
因此，當圖5或7中的半導(dǎo)體晶片300向上移動時，接觸器30(接觸突起31)和晶片300上的接觸目標(墊)320互相機械和電連接。結(jié)果，建立了從接觸目標320到接觸基片20上的電極22間的信號通道。接觸器的基座部分，通孔23和電極22也起將接觸器30的小間距擴展(擴大)為大間距以適應(yīng)外線路如探針卡或IC塊的作用。
如圖5和7所示，為達到更好的接觸性能，橋形接觸器30的橫切面最好是不對稱的。也就是說，兩個豎直部分相對于水平部分，即相對于接觸基片20的水平表面成不同角度。因為接觸器30為橋形(梯形)，因此，當接觸器30由于晶片300向上移動壓到基片320時，就產(chǎn)生足夠大的接觸力。而且，由于橋形部分不對稱，因此，當壓到接觸目標320時，接觸器30也向橫向移動(垂直于晶片300移動)。
這種橫向移動改進了本發(fā)明的接觸構(gòu)件的接觸性能。也就是說，橋形接觸器30上的接觸突起31由硬的導(dǎo)電材料制成，當壓到接觸墊320時，如上所述，接觸突起31向圖5和7中的水平方向移動。因此，獲得方形接觸突起31刮擦接觸墊320表面上的金屬氧化層的摩擦作用。例如，如果晶片300上的接觸目標320在其表面上有一層氧化鋁層，摩擦作用就可以有效地以低接觸電阻建立電連接。
如上所述，由接觸器30的橋形(梯形)產(chǎn)生的彈性(彈性變形)而提供一個合適的與接觸目標320接觸的接觸力。由接觸構(gòu)件的彈力產(chǎn)生的彈性變形也起到補償基片20，接觸目標320和晶片300以及接觸器30的尺寸差異或平面波動。
盡管圖5和7中只示出了兩個接觸器30，但在實際的半導(dǎo)體晶片測試中大量的接觸器30將排列在基片20上。接觸墊320之間的間距可能為50μm或更小。本發(fā)明的接觸器30可以很容易的以相同的間距排列，因為接觸器是由生產(chǎn)晶片300的同一生產(chǎn)方法生產(chǎn)的。
接觸基片20上的接觸器30可以直接安裝到探針卡上，如圖3所示，或模壓到一個模塊中，如傳統(tǒng)的有引線的IC塊，以便于該模塊安裝到探針卡上。由于接觸器30可以做得尺寸很小，如從幾十微米到幾百微米，安裝了本發(fā)明的接觸器的探針卡的頻率帶寬，可以很容易的提高到2GHz或更高。因為尺寸小，探針卡上的接觸器的數(shù)目可以增加到如2000個，這可以同時平行地測試32個或更多的存儲器。
而且，因為本發(fā)明的接觸器30形成在接觸基片20上，它通常是一硅基片，因此由環(huán)境變化如溫度膨脹系數(shù)引起的硅基片的物理變化與被測半導(dǎo)體晶片300的變化相同。所以，在測試過程中可以保持接觸器30和墊320之間的精確定位。
接觸器30的材料的例子包括鎳，鋁，銅，鎳鈀，銠，鎳金，銥或其他一些可淀積的材料。接觸突起31的例子包括涂覆了鎢或其他金屬的玻璃球。接觸突起31的另一例子是由硬金屬材料如鎳，鈹，鋁，銅，鎳-鈷-鐵合金，或鐵鎳合金制成的球形，方形，或棱錐形突起。
而且，接觸突起31可以由如上所述的基底金屬如鎳，鈹，鋁，銅或它們的合金制成，然后再鍍上高導(dǎo)電耐氧化金屬如金，銀，鎳鈀，銠，鎳金或銥。接觸突起31通過軟焊，硬焊，熔焊或用導(dǎo)電膠而固定到接觸器30的上部。接觸突起31的形狀也可以是半球形，以致于非球形部分連到接觸器30的上部。如上所述，接觸器可能的其他形狀包括梯形，似方形，拋物線形或棱錐形。
用于探針測試的接觸器30的尺寸例如可以是在接觸目標之間的間距為50μm時，總高為100-400μm，水平長為100-800μm。接觸突起31的直徑或?qū)捄透呃缡谴蠹s40μm。然而，根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思，尺寸可以有更寬的范圍。
圖9A-9I表示通過光刻技術(shù)制造本發(fā)明的接觸器30的過程，盡管許多其他的生產(chǎn)方法也適用。在圖9A中，硅基片40上涂上了光致抗蝕層44。圖9B中，光掩模50放置于光致抗蝕層44之上，以使光致抗蝕層44在UV(紫外)光下，通過印有接觸器圖形的光掩模50暴光。
在本例中，光掩模50是一半透明(gray-tone)掩模，它不僅包括透明和不透明的部分，而且還包括過度部分(半透明或灰色)。光致抗蝕層由于光掩模50的不透明(黑色)而在UV光下未暴光的部分不固化。光致抗蝕層由于光掩模50的透明(白色)而在UV光下暴光的部分得到固化。在光掩模50的半透明部分，從不透明(黑色)到透明(白色)部分，透明度呈線性變化。因此，由于光掩模50的半透明(灰色)部分而在強度變化的UV光下暴光的光致抗蝕層44以漸近的方式固化。
這樣，當除去沒有固化的光致抗蝕層時，固化的光致抗蝕層44留下來，這部分具有圖9C中所示的圖形，其中與半透明光致抗蝕層對應(yīng)的部分為斜面。圖9D是固化的光致抗蝕層44的圖形的俯視圖。在圖9D的圖形上提供鍍敷的種子(seed)層(未示出)，在它上面應(yīng)用電鍍方法形成圖9E所示的橋形接觸器30。接觸器30的材料例如包括鎳、鋁和銅?；蛘?，可用其他許多淀積技術(shù)來產(chǎn)生接觸器30，包括真空蒸鍍，陰極濺射，氣相淀積。
在圖9F中，球形接觸突起31固定在接觸器30的上部，形成了圖7中的接觸構(gòu)件。如上所述，接觸突起31的例子是涂敷了鎢或其他金屬的玻璃球。球形接觸突起31的另一例子是由硬金屬如鎳，鈹，鋁或銅做的球形金屬接觸頭。球形接觸突起31通過軟焊，硬焊，熔焊或用導(dǎo)電膠固定在接觸器30的上部。在圖9G中，除去光致抗蝕層44。這樣，橋形接觸器30就用上述的生產(chǎn)過程制造出來了。圖9H和9I相應(yīng)于圖9F和9G中的過程，表示形成圖5中接觸構(gòu)件的方形接觸突起31。
圖10A-10C表示對本發(fā)明第一實施例的接觸器的改進。圖10A是接觸器302的俯視圖，圖10B和10C是圖10A中的接觸器302的正剖面圖。圖10C中的接觸器302是不對稱的，它的兩個豎直部分的角度和長度互不相同。相反，圖10B中橋形接觸器302是對稱的。當需要接觸突起的橫向移動以獲得高度的摩擦作用時，圖10C中的不對稱橋形較好。當需要大的接觸力時，圖10B中的對稱橋形較好。圖10A-10C中接觸器302的一個豎直部分向底部彎曲并連到一邊的兩個基座部分Q和P，以提高機械強度，增大針距和增加針數(shù)。
圖11A-11C表示對本發(fā)明第一實施例的接觸器的又一改進。圖11A是接觸器303的俯視圖，圖11B和11C是圖11A中的接觸器303的正剖面圖。圖11C中的接觸器303是不對稱的，它的兩個豎直部分的角度和長度互不相同。相反，圖11B中橋形接觸器303是對稱的。當需要接觸突起的橫向移動以獲得高度的摩擦作用時，圖11C中的不對稱橋形較好。當需要大的接觸力時，圖11B中的對稱橋形較好。圖11A-11C中接觸器303的所有的兩個豎直部分向底部彎曲并連到其中一邊的兩個基座部分O和P以及另一邊的兩個基座部分Q和R，以提高機械強度，增大針距和增加針數(shù)。
圖12A-12I表示本發(fā)明生產(chǎn)第一實施例接觸器的方法的一個例子。在本例中，生產(chǎn)方法包括一絕緣層上硅(silicon-on-insulator(SOR))方法，其中一硅層置于另一硅層(基片)的絕緣層上。在圖12A的方法中，把硅基片40和硅層41并列，中間設(shè)置一絕緣層43。通常，絕緣層43是在基片40和41之一或兩塊上形成的二氧化硅層。在圖12A中，在硅基片41上還涂覆光致抗蝕劑形成光致抗蝕層44。
在圖12B中，使用光掩模和紫外光(未示出)這樣的圖9B中所示的方法，使光致抗蝕層44在基片40上形成橋形。然后根據(jù)需要的形狀，使用各向同性或各向異性的蝕刻方法蝕刻掉上部的硅層41。這樣如圖12C所示，由上部的硅層41確定的橋形接觸器留在了硅基片41上。在圖12C的硅基片40和硅基片41的上表面淀積導(dǎo)電材料形成電鍍種子層(未示出)。
在圖12D中，在種子層上涂覆光致抗蝕層46，通過暴光和顯影方法，在除去未固化的光致抗蝕層后，在基片40上留下了固化的光致抗蝕層46，它具有一個與本發(fā)明的橋形接觸器相應(yīng)的圖形A。圖12E是形成在固化的光致抗蝕層46上的接觸器的圖形的俯視圖。
在圖12F中，通過在硅基片40和上部的硅層41上電鍍而形成接觸器30。接觸器30的材料例如包括鎳、鋁和銅。或者，可以用其他許多淀積工藝來制造接觸器30，包括真空蒸鍍，陰極濺射，氣相淀積。然后，如圖12G所示，在接觸器30的上部形成接觸突起31。接觸突起31通過軟焊，硬焊，熔焊或用導(dǎo)電膠固定到接觸器30上?；蛘撸佑|突起31也可以通過光刻方法形成，即在接觸器30上涂上光致抗蝕層，在光致抗蝕層上確定接觸突起形狀，在接觸器30上電鍍導(dǎo)電材料。通過蝕刻上部的硅層41，形成具有接觸突起31的接觸器30，如圖12H和12I所示。
圖13A-13H表示用塑性模壓(熱模壓)方法制造本發(fā)明的接觸構(gòu)件的過程的另一個例子。圖13A-13H的模壓方法特別適合通過一次模壓方法形成接觸器的多層結(jié)構(gòu)。在圖13A中，制備了一塑性基片60，在其上安裝了模壓型芯(mold insert)80，以直接在塑性基片60上形成鍍敷圖形。用于塑性基片60的材料例如是熱塑性聚合物或熱固性樹脂。
模壓型芯80的形狀適用于在塑性基片60上復(fù)制本發(fā)明的橋形接觸器。模壓型芯80是由如鋼，銅或鎳制成的。模壓型芯80的形狀可通過各種方法實現(xiàn)，包括電子束刻畫(writing)，深度紫外光致抗，受激激光燒蝕，電子放電切割，激光切割和X-射線印刷術(shù)。在圖13A的例子中，模壓型芯80在其底部有一壓膜嵌入部分，它的形狀相應(yīng)于本發(fā)明的橋形接觸器30。
然后，模壓型芯80在高溫下完全壓向塑性基片60。當在低溫下移走模壓型心80后就在塑性基片60上形成了一個洞，也就是，圖13B所示的鍍敷圖形A。這樣的鍍敷圖形確定了包括豎直部分和水平部分的橋形接觸器30的形狀。圖13C是塑性基片60的俯視圖，表示用模壓型芯80在基片60上制造的鍍敷圖形A。例如，在塑性基片60上形成一層銅的薄金屬層(未示出)作為種子層，以獲得用于電鍍過程的導(dǎo)電性。如果接觸器30是通過別的淀積方法如濺射形成的，就不需要種子層。
在圖13D中，在用上述的塑性模制方法形成的圖形上進行電鍍，從而，在塑性基片60上形成接觸器30。在電鍍過程中，用作接觸器30的導(dǎo)電材料例如包括鎳，鋁，和銅。在圖13E和14F中所示的下一工序中，塑性基片被精確定位在基片40之上，并固定在基片40的上表面上。典型地，基片40是硅或陶瓷基片。
在圖13G中，用特殊的溶劑剝下塑性基片60，在基片40上留下接觸器30。接觸突起31，比如球形接觸點，通過硬焊，軟焊，熔焊或用導(dǎo)電膠固定在接觸器30的頂部?；蛘撸佑|突起31也可以通過光刻方法形成，在接觸器30上涂敷光致抗蝕層，在光致抗蝕層上確定接觸突起的圖形，在接觸器30上電鍍導(dǎo)電材料。如上所述，用塑性模制(熱模壓)方法在基片40上形成接觸器30和接觸突起31。盡管在上面的說明中僅展示了兩個接觸器30，但通過本發(fā)明的制造方法可以同時制成許多接觸器30。
圖14表示本發(fā)明的第一實施例的接觸構(gòu)件的進一步改進。圖14中的接觸構(gòu)件包括大量的形成在接觸基片20上的接觸器230。接觸構(gòu)件位于具有接觸目標320如接觸墊或電極的半導(dǎo)體晶片的上方。接觸器230是橋形的，在其上面設(shè)置接觸突起231作為接觸部分。因此，除了接觸器230的一個基座部分B沒有連到接觸基片20上外，圖14中的接觸構(gòu)件與圖7中的幾乎一樣。接觸器230的另一基座部分起內(nèi)連接導(dǎo)線的作用，通過通孔23連接接觸基片20上表面的接觸墊或電極。由于基座部分B在接觸基片20的表面上是可滑動的，當接觸構(gòu)件壓到半導(dǎo)體晶片時，引起接觸突起231的水平移動，從而很容易的實現(xiàn)在接觸目標320表面上的摩擦作用。
圖15-19表示本發(fā)明的第二實施例的接觸構(gòu)件的例子，它在接觸基片上有一凹坑。第二實施例的接觸構(gòu)件與從被測器件平面上伸出的接觸目標建立電連接。例如，這樣一個接觸目標是半導(dǎo)體晶片300上的焊球340，如圖15和16所示。接觸構(gòu)件是由裝在接觸基片420上的橋狀接觸器330形成的。接觸構(gòu)件還包括位于接觸器330上方的凹坑(凹口)440。
由于接觸目標，例如焊球340，有相當大的垂直尺寸，因此，接觸器330應(yīng)向上達到這樣的程度，使得當接觸構(gòu)件壓到晶片300時接觸器330能夠碰到接觸基片420的下表面。凹坑440具有足夠的空間(凹坑)，以保持接觸構(gòu)件的靈活性和可靠性。這樣，如圖16所示，當接觸構(gòu)件壓到晶片300時，接觸器330由于在凹坑440中的自由空間而仍可以自由變形(flexible)。
圖17表示本發(fā)明的第二實施例的接觸構(gòu)件的例子，它在接觸基片上有一凹坑。在本例中，接觸器430有一個連接到接觸基片420的基座部分和一個自由的水平部分。這樣，接觸器430的形狀類似于圖15中橋形接觸器330一半的形狀。接觸基片420開有凹坑(凹口)，以便在接觸構(gòu)件壓到半導(dǎo)體晶片300時，提供足夠的空間容納接觸器430和接觸目標340。
圖18A和18B表示本發(fā)明的第二實施例的接觸構(gòu)件的又一個例子，它在接觸基片上有一凹坑。在本例中，兩個結(jié)構(gòu)類似于圖16中的接觸器的接觸器530裝在接觸基片420上凹坑440的下方。圖18A表示接觸構(gòu)件壓到具有接觸目標340如焊球半導(dǎo)體晶片300之前的情形。圖18B表示接觸構(gòu)件壓在半導(dǎo)體晶片300上的情形。接觸基片420上的凹坑(凹口)提供足夠的空間容納接觸器530和接觸目標340。
圖19A-19F表示圖17中的第二實施例的接觸構(gòu)件的制造過程的例子。在圖19A中，通過光刻技術(shù)在基片420上形成光致抗蝕層444。這一光刻方法包括本技術(shù)領(lǐng)域眾所周知的步驟涂敷光致抗蝕層，放置掩模，曝光，以及剝離光致抗蝕層。盡管未示出，光掩模被對齊地放置在光致抗蝕層444之上，使光致抗蝕層在紫外光下通過印在光掩模上的圖形暴光。如果使用的是正反應(yīng)光致抗蝕劑，則曝光后，被光掩模的不透明部分遮蓋的光致抗蝕劑硬化(固化)。光致抗蝕層的曝光部分可以溶解并洗掉，留下圖19A中的光致抗蝕層444，它確定了蝕刻的區(qū)域。
用蝕刻方法，在基片420上形成縮進的凹坑部分D，如圖19B所示。用溶劑除去圖19A中的光致抗蝕層444。在圖19C中，在基片420的縮進部分形成了犧牲部分460。犧牲部分460例如是由通過淀積方法如化學氣相淀積(CAD)形成的二氧化硅(SiO2)制成的。在基片上形成一例如銅的薄金屬層(未示出)，作為電鍍種子層。
在圖19D中，在基片420上形成光刻層448，通過包括放置掩模，曝光，和剝離步驟的光刻方法，形成確定接觸器形狀的鍍敷圖形P。如圖9B所示的半透明光掩模最好用于形成具有不同深度的鍍敷圖形P?；蛘?，層448可以是磨蝕(abrasive)層，在它上面安裝微型機加工工具(未示出)，在磨蝕層448上直接形成鍍敷圖形P。用于磨蝕層448的材料例如包括環(huán)氧樹脂或聚酰亞胺，盡管許多其他的材料也適用。這樣的微型機加工工具包括電子束機加工工具，激光束機加工工具，等離子束機加工工具或其他工具。例如用于該用途的激光源包括受激激光器，二氧化碳(CO2)激光器和NDYAG激光器。
在圖19E中，接觸器430是通過在鍍敷圖形P上電鍍導(dǎo)電材料形成的。導(dǎo)電材料例如包括銅，鎳，鋁或其他金屬。盡管未示出，接觸器430的過鍍部分被切去形成如圖19E所示的平面表面。在圖19F中，用特殊溶劑剝?nèi)ス庵驴刮g層(磨蝕層)48和犧牲層460，在基片420上留下接觸器430和凹坑(凹口)440。
如上所述，圖19F中具有水平部分、豎直部分和基座部分的接觸器430，通過光刻和微型機加工方法形成在硅基片420上。當圖19F中的接觸構(gòu)件用于跟接觸目標340如圖17的焊球建立電連接時，凹坑(凹口)440使接觸器430進入其內(nèi)而對接觸目標340施加一接觸力。
圖20是一剖面圖，表示使用本發(fā)明(圖7的實施例)的接觸構(gòu)件的總堆疊結(jié)構(gòu)的例子，它作為圖2所示的被測器件(DUT)和測試頭之間的接口。在本例中，接口組件包括按順序裝在接觸構(gòu)件上的導(dǎo)電彈性體250、線路選定板(探針卡)260、和彈簧針塊(蛙狀環(huán))130，如圖20所示。
導(dǎo)電彈性體250、線路選定板260和彈簧針塊130互相機械和電連接。這樣，通過電纜124和操作板120(圖2)，在接觸器30的接觸突起31和測試頭100之間就建立了電通路。因此，當半導(dǎo)體晶片300和接口組件壓在一起時，在DUT(晶片300上的接觸墊320)和測試系統(tǒng)間就建立了電連接。
彈簧針塊(蛙狀環(huán))130等同于圖2中所示的介于探針卡260和操作板120之間具有大量彈簧針的那個。在彈簧針的上端，連著電纜124如同軸電纜，通過操作板120傳送信號給圖2中的測試頭100的印刷電路板(引線電子卡)150。線路選定板260在其上、下表面有大量的電極262和265。電極262和265通過內(nèi)連線263連接，以擴展接觸構(gòu)件的間距，滿足彈簧針塊130上彈簧針的間距。
導(dǎo)電彈性體250裝在接觸構(gòu)件和探針卡260之間。導(dǎo)電彈性體250通過補償接觸器30的接觸墊22和探針卡的電極262之間水平或垂直間隙，來保障他們之間的電連接。導(dǎo)電彈性體250是一個在垂直方向上具有大量導(dǎo)線的彈性片。例如導(dǎo)電彈性體250包含硅橡膠片和多排金屬絲。金屬絲(導(dǎo)線)在圖20的垂直方向上，也就是正交于導(dǎo)電彈性體250的水平片的方向，金屬絲之間的間距例如是0.05mm，而硅橡膠片的厚度為0.2mm。這樣的導(dǎo)電彈性體是Shin-Etsu聚合物有限公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，市場有售。
根據(jù)本發(fā)明，接觸構(gòu)件具有很高的頻率帶寬，以滿足下一代半導(dǎo)體技術(shù)的測試需要。由于接觸構(gòu)件是用在半導(dǎo)體制造工業(yè)中所用的現(xiàn)代微形技術(shù)制成的，因此，大量的接觸器可以排列到很小的地方，它適用于同時測試大量的半導(dǎo)體器件。本發(fā)明的接觸構(gòu)件也可用于更普通的應(yīng)用中，包括IC引線，IC封裝件，模塊插槽和其他電連接。
由于大量的接觸器用微加工技術(shù)同時形成在基片上，而不用手工處理，從而這就可以獲得質(zhì)量穩(wěn)定，可靠性高和壽命長的接觸性能。而且，由于接觸器可以在與被測器件相同的基片材料上制成，因此，可以補償被測器件的溫度膨脹系數(shù)，這可以避免位置誤差。
盡管這里僅具體地圖示和說明了最佳實施例，但是可以理解，根據(jù)上述教導(dǎo)，在后面所附的權(quán)利要求書的范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明做出各種改形和變化，而不會脫離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于與接觸目標建立電連接的接觸構(gòu)件，包括接觸基片；多個裝在接觸基片上的接觸器，每一接觸器為橋形狀，具有一個水平部分和兩個用于支撐水平部分的豎直部分，以及在兩個豎直部分末端的兩個連接到基片的基座部分，至少兩個基座部分中的一個電連接到設(shè)置在接觸基片上的接觸墊上；附著到每一接觸器的水平部分的接觸突起；其中，當接觸構(gòu)件壓到接觸目標時，接觸器的水平部分和豎直部分產(chǎn)生一個接觸力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接觸構(gòu)件，其中，接觸器在橫切面上有不對稱的形狀，以引起接觸突起在與施加在接觸構(gòu)件和接觸目標之間的壓力方向垂直的方向上移動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接觸構(gòu)件，其中，接觸器在橫切面上有對稱的形狀，兩個豎直部分具有相同的長度和角度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接觸構(gòu)件，其中，一個豎直部分向底部擴大并連著兩個基座部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接觸構(gòu)件，其中，兩個豎直部分都向底部擴大，每一個都連著兩個基座部分。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接觸構(gòu)件，其中，所述的接觸器是由鎳，鋁，銅，鎳鈀，銠，鎳金，或銥制成的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接觸構(gòu)件，其中，所述的每一接觸器的水平部分設(shè)有硬金屬制成的兩個或更多個接觸突起。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接觸構(gòu)件，其中，所述的接觸突起是球形的，由鍍鎢或鍍其他金屬的玻璃球制成的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接觸構(gòu)件，其中，所述的接觸突起為球形，似方形，梯形，棱錐形或圓錐形。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接觸構(gòu)件，其中，所述的接觸突起是由硬金屬包括鎳，鈹，鋁，銅，鎳-鈷-鐵合金，或鐵鎳合金制成的。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接觸構(gòu)件，其中，所述的接觸突起是由基底金屬如鎳，鈹，鋁，銅，鎳-鈷-鐵合金，或鐵鎳合金制成的，然后再鍍上高導(dǎo)電耐氧化金屬如金，銀，鎳鈀，銠，鎳金或銥。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接觸構(gòu)件，其中，所述的接觸突起通過軟焊，硬焊，熔焊或使用導(dǎo)電膠固定在接觸器30的上部。
13.一種用于與接觸目標建立電連接的接觸構(gòu)件，包括接觸基片；多個裝在接觸基片上的接觸器，每一接觸器為橋形狀，具有由一個水平部分和兩個用于支撐水平部分的豎直部分，以及在兩個豎直部分末端的兩個連接到基片的基座部分，兩個基座部分中的一個附著到接觸基片上并且電連接到接觸基片上的接觸墊上，而另一個基座部分可滑動的位于接觸基片的表面上附著于每一接觸器的水平部分的接觸突起；其中，當接觸構(gòu)件壓到接觸目標時，接觸器的水平部分和豎直部分產(chǎn)生一個接觸力，所述的另一個基座部分在所述的接觸基座表面上滑動；由此，利用所述的接觸突起來改善所述接觸目標的表面摩擦。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的接觸構(gòu)件，其中，所述的接觸突起為球形，似方形，梯形，棱錐形或圓錐形。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的接觸構(gòu)件，其中，所述的接觸突起是由硬金屬包括鎳，鈹，鋁，銅，鎳-鈷-鐵合金，或鐵鎳合金制成的。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的接觸構(gòu)件，其中，所述的接觸突起是由基底金屬如鎳，鈹，鋁，銅，鎳-鈷-鐵合金，或鐵鎳合金制成，然后再鍍上高導(dǎo)電耐氧化金屬如金，銀，鎳鈀，銠，鎳金或銥。
17.一種用于與接觸目標建立電連接的接觸構(gòu)件，包括在其表面上有凹坑的介電基片；和通過微加工方法形成在基片上的橋形接觸器，該接觸器包括具有兩個與介電基片相連的豎直端的水平部分，該水平部分位于介電基片凹坑的上方；其中，當接觸器壓到接觸目標時，它的水平部分產(chǎn)生一個接觸力，使得水平部分的中間部分進入凹坑而施加所述的接觸力。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的接觸構(gòu)件，其中，所述的接觸器由一水平部分形成，所述水平部分的一端為自由端，而另一端連著豎直部分，所述的豎直部分具有一個與介電基片連接著的基座部分，其連接方式為所述水平部分的所述自由端定位于所述介電基片的所述凹坑之上。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的接觸構(gòu)件，其中，兩個接觸器的每一個都有一個帶自由端的所述的水平部分，所述的接觸器以這種方式裝在介電基片上，即，所述的兩水平部分的所述自由端定位于所述介電基片的所述凹坑之上。
全文摘要
一種用于與接觸目標建立電連接的接觸構(gòu)件，利用微加工技術(shù)在半導(dǎo)體基片上制成接觸器而形成。接觸構(gòu)件是由接觸基片和大量設(shè)置在接觸基片上的接觸器形成的。每一接觸器都有一個用來與接觸目標接觸的接觸突起。當接觸器壓到接觸目標時，產(chǎn)生一個接觸力。還描述了各種接觸構(gòu)件及其生產(chǎn)方法。
文檔編號G01R31/26GK1397805SQ0112337
公開日2003年2月19日 申請日期2001年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月18日
發(fā)明者西奧多·A·庫利, 詹姆斯·W·費雷姆 申請人:株式會社鼎新