專利名稱：球柵陣列封裝的平面化和測試的制作方法
背景技術(shù)：
球柵陣列封裝(BGA)能提供具有高密度端子的封裝的集成電路器件。圖1A示出了包括在互聯(lián)襯底140上的半導體器件110的常規(guī)BGA封裝100的范例?？梢詾槿魏晤愋偷陌雽w器件的器件110通常具有電連接到互聯(lián)襯底140上的接觸焊盤或跡線的電接觸焊盤。圖1A示出了其中絲焊120將半導體器件110電連接到互聯(lián)襯底140的范例，且密封劑130保護并絕緣絲焊120?；蛘撸渌娺B接技術(shù)例如倒裝芯片封裝技術(shù)可以向互聯(lián)襯底140提供電連接?；ヂ?lián)襯底140通常由包括提供電信號通路的導電跡線(未示出)的絕緣體制成。器件110的接觸焊盤或端子連接到互聯(lián)襯底140內(nèi)和上面的導電跡線，并通過導電跡線連接到外部端子150。
外部端子150可以設(shè)置為一般稱為球柵陣列(BGA)的陣列并且典型地是金屬凸點，例如焊球。在外部端子150中的焊料可以回流以將封裝100貼附到印刷電路板或其他電系統(tǒng)。當在電系統(tǒng)中連接封裝100時可能產(chǎn)生的困難是端子150高度的不均勻。具體地，制造工藝通常產(chǎn)生一些大于平均值的端子150’和一些小于平均值的端子150”。較小的端子150”在回流或其他焊接過程中不能與下面的印刷電路板或系統(tǒng)很好地接觸，導致不可靠的連接。
互聯(lián)襯底的翹曲可以類似地使電連接不可靠。圖1B示出了包含器件110的倒裝芯片封裝102。在倒裝芯片封裝102中，在器件110的接觸焊盤上的金屬凸點122接觸互聯(lián)襯底142上的接觸焊盤或跡線。器件110與互聯(lián)襯底142之間的絕緣填充材料132可以用于改善封裝102的熱學或機械性質(zhì)。
用于互聯(lián)襯底142的制造工藝或?qū)⒒ヂ?lián)襯底142貼附到器件110的工藝會引起襯底142的翹曲。具體地，器件110與襯底142之間在互聯(lián)襯底142上厚度或形狀變化的填充材料132會引入導致翹曲的應(yīng)力。這種翹曲在用于低輪廓封裝(low profile package)的襯底142相對薄(例如小于約2mm厚)時尤其普遍。不論什么原因，襯底142的翹曲會改變端子150的高度，從貼附封裝102的印刷電路板的平坦表面移開一些外部端子150。這樣翹曲導致了端子150的非平面陣列及較不可靠的電連接。
用于改善球柵陣列或器件的其他外部端子的平面度的方法能提高在較大系統(tǒng)中連接封裝時形成的電連接的質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明要的一方面，可以在形成用于封裝測試的電接觸時，通過使用平整化電端子的測試設(shè)備而提高在器件封裝上的多個外部端子或球柵陣列的平整度。在測試后，封裝具有平面度提高的外部端子，其改善在包含封裝的系統(tǒng)組裝時的電連接。
本發(fā)明的一個具體實施例是用于測試包含器件的封裝的工藝。該工藝通過例如將封裝塞進具有用于電接觸的探針尖端的測試插座，使測試器上的探針尖端和封裝上的外部端子接觸。系統(tǒng)中的壓縮力提供好的電接觸以通過探針尖端與外部端子的電連接而進行器件電測試，并能使外部端子變形以提高外部端子的平面度。
探針尖端能固定到由與所測封裝中的互聯(lián)襯底相同的材料制成的例如印刷電路板或插座襯底的襯底。在可選擇的實施例中，探針尖端可以是形成在襯底上的焊盤或凸點。每個探針尖端可以包括平坦的接觸區(qū)并平整化相應(yīng)一個外部端子，同時提供到外部端子的電連接。具體地，具有寬度為端子之一的寬度的至少一半的平坦的接觸區(qū)通常能提供足夠的端子(例如焊球)平整，而不在端子頂部中形成凹陷。為了在探針襯底的熱性質(zhì)與封裝的熱性質(zhì)不同時允許在寬的溫度范圍內(nèi)進行測試，遠離中心點的探針尖端可以具有比靠近中心點的探針尖端更大的面積。
本發(fā)明的另一實施例是測試工藝。測試工藝通常包括將包括一組帶有圖案的接觸焊盤的印刷電路板連接到測試設(shè)備，其中所述圖案與包括器件的封裝的提高的端子相匹配。該工藝使封裝與印刷電路板接觸，使器件上的提高的端子與印刷電路板上的接觸焊盤電連接。然后測試設(shè)備能夠通過印刷電路板到封裝的電連接測試器件。
本發(fā)明的再一實施例是封裝測試系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)包括接觸結(jié)構(gòu)，具有帶平坦接觸表面的探針尖端；測試器，電連接到所述接觸結(jié)構(gòu)；和一機構(gòu)，用于將所述平坦接觸表面和封裝上的端子或BGA壓在一起。在一些實施例中，探針尖端可以是印刷電路板上的接觸焊盤或凸點，且每個接觸表面具有為相應(yīng)一個端子寬度至少一半的寬度。


圖1A和1B示出了在常規(guī)半導體器件封裝中的非平面外部端子；圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的封裝測試設(shè)備的方框圖；圖3A、3B、3C和3D示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的測試工藝，其提高了封裝上的外部端子的平面度；圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例的探針的透視圖，該探針用于測試和平面化待測封裝的外部端子；圖5A和5B示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的探針，其在一溫度范圍內(nèi)保持與測試下的封裝對準。
在不同圖中用相同的參考標號表示相似或相同的元件。
具體實施例方式
根據(jù)本發(fā)明的一方面，測試工藝提高具有BGA的半導體器件封裝的外部端子或類似外部端子的平面度。測試工藝可以采用具有至少使具有最高高度的封裝端子變形的探針尖端的接觸結(jié)構(gòu)。結(jié)果，能減小封裝端子高度的總體變化。
圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的測試設(shè)備200的方框圖，其改進了封裝端子的平面度。測試設(shè)備200包括自動測試設(shè)備(ATE)210、具有測試板225的測試頭220、包括插座襯底232和插座蓋236的插座230。測試設(shè)備200電測試具有外端子255的封裝250。
封裝250可以包括任何類型的器件或包含但不限于存儲芯片、控制器、處理器、特定用途集成電路(ASIC)的器件，或者任何類型的集成電路或單獨器件。該器件可以通過任何期望的技術(shù)包括但不限于圖1A所示的絲焊(wire bonding)或圖1B所示的倒裝芯片封裝而連接到外部端子255。與外部端子255一樣，封裝250具有例如采用焊料回流工藝用于安裝到印刷電路板或其他電子系統(tǒng)的金屬凸點。在本發(fā)明的示范性實施例中，外部端子255形成球柵陣列(BGA)。對目前的器件封裝，端子150典型地具有約500μm與約1000μm之間的平均高度，取決于陣列間距。端子150可以為例如焊球或包括例如層疊焊球的多金屬層的復合結(jié)構(gòu)、或者覆蓋有焊料層、焊球、金、或金接線柱(gold stud)的銅或其他金屬柱。
對于封裝測試，作為插座襯底232一部分的探針尖端234排列成與封裝250上的端子255相匹配的圖案。探針尖端234可以是直接形成在插座襯底232上的金屬探針，但插座襯底232還可以包括一個或多個用于提供探針尖端234與測試頭220之間的電連接的獨立的互聯(lián)襯底或器件。
為了測試，封裝250被插入插座230，外部端子255接觸探針尖端234。然后插座蓋236可以被足夠的力擠壓或操作以將封裝250推向探針尖端234從而使端子255非彈性形變。然后ATE 210通過測試頭220和探針尖端234施加電輸入信號到端子255，并測量所得的輸出信號從而判定器件或封裝200中的器件是否起作用并提供所需的性能。
ATE 210、測試頭220和測試板225可以是能夠從包括AgilentTechnologies，Inc.、Teradyne，Inc.和LTX公司的很多供應(yīng)商商業(yè)獲得的標準測試設(shè)備。ATE 210一般以取決于器件或封裝250中的器件類型的常規(guī)方式進行封裝250中的器件的電測試。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，探針尖端234具有有限的屈服量(compliancy)以利于封裝測試過程中端子255的變形。插座襯底232可以為例如有凸點的或沒有凸點的互聯(lián)襯底或印刷電路板。這種互聯(lián)襯底典型地由有機材料例如聚酰胺或其他絕緣材料制成，并包括將在互聯(lián)襯底一側(cè)的凸點或接觸焊盤電連接到在互聯(lián)襯底相對側(cè)的接觸焊盤和/或BGA的導電跡線(trace)。在互聯(lián)襯底一側(cè)的凸點或焊盤形成探針尖端234，其接觸封裝250的端子255用于電測試，并能施加足夠的壓力從而引起端子255的變形。在互聯(lián)襯底相對側(cè)的BGA或其他端子通過測試板225提供到測試頭220和ATE 210的電連接。
包括探針尖端234的插座230和插座襯底232可以是一個同質(zhì)的/集成結(jié)構(gòu)或獨立元件。在一個實施例中，探針尖端234位于作為插座230的可移除部分而貼附的獨立襯底上。這允許使用具有用于測試不同封裝的不同探針尖端234的插座230。具有可替換探針尖端234的插座230還具有允許快速替換損壞的探針尖端使得ATE 210的故障時間最小化的優(yōu)點。
插座襯底232可以剛性安裝或彈簧安裝在插座230中以向探針尖端240的整體提供有限的屈服量。屈服量可以從非屈服或剛性安裝的0到彈簧安裝的約15密耳(mil)或以上的范圍變化。在測試中期望的端子255的變形或平面化，如下面將要描述的，通常控制固定的或屈服安裝(compliantmounting)的選擇、屈服安裝的最大移動距離、彈簧或其他可壓縮結(jié)構(gòu)的數(shù)目、和在插座襯底232的屈服安裝中的可壓縮結(jié)構(gòu)的彈簧常數(shù)或模量。
可以使用印刷電路板技術(shù)生產(chǎn)的探針尖端234具有容易配置以匹配特定封裝的優(yōu)點。小型和非屈服探針尖端234的另一優(yōu)點是與針、彈簧或懸臂探針相比的耐用性。探針尖端234還可以具有相對大的平坦接觸面積，如下所述。平坦接觸面積，除了在使用和清潔時不容易被損壞外，還沒有吸附并容納粒子的突起或尖點。結(jié)果，即使在不進行清潔而延長使用后，探針尖端234也可以繼續(xù)向被測封裝提供低接觸電阻。
在測試設(shè)備200中，例如插座蓋236上的壓板的機械系統(tǒng)產(chǎn)生壓力，該壓力提供好的電連接并引起探針尖端234在封裝250手動插入插座230中后使端子255變形?；蛘?，測試操作系統(tǒng)可以包括拾取封裝250并將封裝250插入插座230的自動機械臂或系統(tǒng)。同時，自動系統(tǒng)可以向封裝250施加壓力以非彈性變形，并提高端子255的平面度。在測試后，測試操作系統(tǒng)將好的封裝移動到運輸盤(shipping tray)或運輸介質(zhì)用于隨后的運輸。
圖3A到3D示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的測試和平面化過程。圖3A示出了在測試前封裝300的一部分。封裝300包括其上安裝有器件或多個器件(未示出)的互聯(lián)襯底310。封裝300的外部端子320、322和324可以是焊球、金屬柱或其他導電結(jié)構(gòu)。這樣的端子通常設(shè)置在球柵陣列(BGA)中。理想地，所有的外部端子320、322和324相對于參考平面升高到相同的高度。然而，在示出的封裝300中，制造中的變化引起了一些端子322短于最高端子320。此外，互聯(lián)襯底310的翹曲也改變端子320、322和324的相對高度。在圖3A的范例中，端子322和324的頂從最高端子320的頂處的平面分別偏離Z1和Z2。如果偏離Z1或Z2太大，在將封裝300貼附到印刷電路板或其他平面電子系統(tǒng)時會導致弱的或有缺陷的連接。
圖3B示出了根據(jù)具有平坦探針尖端332的發(fā)明實施例的包括測試襯底330的系統(tǒng)。平坦探針尖端332優(yōu)選具有端子320、322和324直徑的至少一半的寬度。在本發(fā)明的一個實施例中，測試襯底330是印刷電路板且探針尖端332是印刷電路板表面上的接觸焊盤或金屬跡線。探針尖端332應(yīng)該由能在施加端子320、322和324的非彈性形變所需的力時避免非彈性形變的金屬制成。當器件端子包括有延展性的材料例如焊料時，例如銅的材料適合于探針尖端332。
圖3B示出了與襯底330表面相平的探針尖端332，但探針尖端332可以升高到測試襯底330表面以上或者甚至相對于襯底330表面的剩余部分凹入。然而，在封裝300的測試或調(diào)節(jié)中，測試襯底330應(yīng)該允許探針尖端332的底部與互聯(lián)襯底310表面達到期望的分離。
為了測試，測試系統(tǒng)驅(qū)動封裝300和/或襯底330，使得探針尖端332的底部至少接觸相應(yīng)的電端子320、322和324中的一些(例如，直到探針尖端332到達包括最高外部端子320的頂部的平面)。在圖3B中，襯底330處于相應(yīng)于包含具有最高高度的端子320的頂點的平面的高度H1，且一些探針尖端332與封裝的相應(yīng)外部端子322和324之間沒有進行好的電接觸。
然后測試設(shè)備進一步驅(qū)動襯底310和330，使之更靠近一段過度移動距離(overtravel distance)而形成分離距離H2，如圖3C所示。此過程平坦化較高的外部端子320并向封裝300的端子320、322和324提供好的電連接。標準測試設(shè)備350可以使用通過襯底330中的探針尖端332和跡線334傳輸?shù)碾娦盘柖鴾y試封裝300。
測試工藝使端子320、322和324非彈性變形。因此，當如圖3D所示測試襯底330從與封裝300的接觸中縮回時，平坦化的端子340、342和344更均勻地具有同樣高度H3。這樣端子340、342和344的頂部具有比端子320、322和324更好的平面度，且當把被探測的封裝貼附到印刷電路板時，提高的平面度可以提高結(jié)合完整性(joint integrity)。
過度移動距離Z3通常在每個端子320、322和324至少必須足以提供低的接觸電阻以允許封裝的電測試。即使小的過度移動距離Z3(例如，電測試所需的最小過度移動)通常也導致最大端子的平坦化，提高端子的總體平面度，且因此提高在隨后使用封裝300組裝的系統(tǒng)中互聯(lián)節(jié)點的完整性。較大的過度移動可以進一步提高平坦度，直到過度移動距離Z3向所有端子320、322和324提供一些非彈性平坦化。在每個端子至少部分平坦化的點之后，端子340、342和344的平坦度的變化取決于平坦度的變化和探針尖端332的屈服量。探針尖端332可以在制造過程中采用精密工藝例如化學機械拋光(CMP)而平坦化，使得在測試后端子平面度的變化小。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的插座襯底400的透視圖，其具有形成在印刷電路板410的接觸焊盤414或跡線上的探針尖端412。跡線或通路孔(未示出)將焊盤414連接到位于印刷電路板410的相對側(cè)面上的相應(yīng)端子416。端子416用于連接到測試設(shè)備，例如到標準測試板或標準測試頭。
在本發(fā)明的示范性實施例中，印刷電路板410由絕緣材料例如包含由例如銅或鋁的金屬制成的導電跡線的聚酰亞胺制成。板410可以具有適合測試設(shè)備中的插座的尺寸，但具有匹配待測封裝上的端子(例如BGA)的圖案的接觸焊盤414。這種BGA目前具有1或2mm(例如1.7mm)的公共格柵間距。探針尖端412可以形成為具有0到約250μm之間高度的例如鋁、銅、鉑、銠或錫-鉛的金屬或者導電環(huán)氧樹脂或有機材料柱。如上所述，例如CMP的工藝能平面化探針尖端412的頂部。每個探針尖端412的面積或直徑通常取決于被測封裝的外部端子的尺寸。對于包含約800μm直徑的焊球的BGA，期望探針尖端412具有約400μm或更大的直徑。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，板410的材料可以選擇為匹配待測封裝中的互聯(lián)襯底的熱性質(zhì)。因此，襯底400上在一個溫度下匹配被測封裝上的外部端子圖案的探針尖端412的圖案，在升高的溫度下也匹配外部端子的圖案?；蛘?，如果板410和互聯(lián)襯底的材料不同，探針尖端412(和焊盤414)的圖案可以設(shè)計為在任何期望測試溫度下匹配封裝端子的圖案。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，即使封裝和探針具有不同的熱性質(zhì)，在一個探針卡上的探針尖端的圖案或尺寸與封裝端子在寬的溫度范圍內(nèi)正常接觸。圖5A和5B示出了探針510，其具有隨著距探針510中心的距離而尺寸增加的探針尖端511、512和513。為了探測，探針510中心與封裝520的中心對準。圖5A示出了在第一溫度(例如室溫)封裝520的外部端子522如何與探針尖端511、512和513對準?？梢栽谏叩臏囟?例如在120℃)進行“所處溫度(at-temperature)”測試。結(jié)果，封裝520的熱膨脹可能與探針510的熱膨脹由于它們各自熱膨脹系數(shù)的不同而不同。通常，封裝520的不均勻膨脹(differential expansion)會相對于相應(yīng)探針尖端511、512或513而移動每個端子522，移動量與端子522和封裝520中心之間的距離成比例。為了補償不均勻膨脹，焊盤511、512和513在相應(yīng)端子522的位置范圍上方延伸，使得探針511、512和513的部分即使在圖5B所示的升高的溫度下也保持與相應(yīng)端子522對準。
圖5A和5B示出了焊盤面積隨距離探針510中心的距離增加的實施例?；蛘撸副P511、512和513可以都制成與最大焊盤513相同的尺寸。
雖然參照具體實施例描述了本發(fā)明，該描述僅作為本發(fā)明應(yīng)用的范例，而不應(yīng)理解為限制。公開的實施例的特點的各種改動和組合仍然在由權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范疇內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于測試包含器件的封裝的工藝，包括使探針尖端與封裝上的外部端子相接觸；使用所述探針尖端使所述外部端子變形，以提高所述外部端子的平面度；和通過所述探針尖端到所述外部端子的電連接而電測試所述器件。
2.如權(quán)利要求1所述的工藝，其中使所述探針尖端與所述外部端子接觸包括將所述封裝插入插座。
3.如權(quán)利要求2所述的工藝，其中使用所述探針尖端包括在所述插座中時向所述封裝施加壓力，從而所述探針尖端使所述外部端子變形。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述的工藝，其中每個探針尖端具有平坦的接觸區(qū)域，并平坦化相應(yīng)的一個外部端子，同時提供到所述外部端子的電連接。
5.如權(quán)利要求4所述的工藝，其中所述平坦接觸區(qū)域具有端子之一的寬度的至少一半的寬度。
6.如權(quán)利要求1到5的任一項所述的工藝，其中所述探針尖端固定到襯底。
7.如權(quán)利要求6所述的工藝，其中所述襯底是印刷電路板。
8.如權(quán)利要求6或7所述的工藝，其中所述探針尖端包括設(shè)置在所述印刷電路板表面上的結(jié)合焊盤。
9.如權(quán)利要求7所述的工藝，其中所述探針尖端包括設(shè)置在所述印刷電路板表面上的凸點。
10.如權(quán)利要求1到9的任一項所述的工藝，其中所述探針尖端具有適應(yīng)所述外部端子圖案的相對熱膨脹的尺寸。
11.如權(quán)利要求1到10的任一項所述的工藝，其中所述外部端子形成球柵陣列。
12.一種探測工藝，包括連接印刷電路板到測試設(shè)備，其中所述印刷電路板包括一套接觸焊盤，接觸焊盤具有與包含器件的封裝的升高的端子相匹配的圖案；使所述印刷電路板與所述封裝接觸，使得所述器件上的升高端子與所述印刷電路板上的接觸焊盤電連接；和使用測試設(shè)備通過所述印刷電路板與所述封裝的電連接測試器件。
13.如權(quán)利要求12所述的工藝，其中所述印刷電路板上的所述接觸焊盤直接接觸所述封裝的升高端子以形成電連接。
14.如權(quán)利要求12所述的工藝，其中所述印刷電路板上的接觸焊盤包括直接接觸升高的端子的凸點，以形成電連接。
15.如權(quán)利要求12、13或14所述的工藝，其中所述升高的端子包括焊球。
16.一種封裝測試系統(tǒng)，包括襯底；探針尖端，位于所述襯底上，并具有平坦接觸表面；測試器，電連接到所述探針尖端；和機構(gòu)，能以足以使外部端子非彈性變形的力將所述封裝的外部端子壓向所述探針尖端。
17.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中每個接觸表面具有為相應(yīng)一個外部端子的寬度至少一半的寬度。
18.如權(quán)利要求16或17所述的系統(tǒng)，其中所述襯底包括印刷電路板，該印刷電路板具有與所述封裝的外部端子圖案相匹配的圖案的接觸焊盤。
19.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中所述探針尖端包括所述印刷電路板的接觸焊盤。
20.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中所述探針尖端包括所述印刷電路板上的凸點。
21.如權(quán)利要求16到20的任一項所述的系統(tǒng)，其中所述探針尖端具有適應(yīng)所述外部端子圖案的相對熱膨脹的尺寸。
全文摘要
器件封裝上的外部端子或球柵陣列的平面度可以通過使用測試探針提高，該探針平坦化電端子的同時形成用于封裝測試的電接觸。在測試后，封裝具有平面度提高的外部端子，該提高的平面度改善了在包含封裝的系統(tǒng)組裝過程中的電連接。
文檔編號G01R31/02GK1798977SQ200480015127
公開日2006年7月5日 申請日期2004年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月1日
發(fā)明者馬克·L·迪奧里奧 申請人:快速研究股份有限公司