DE69737599T2 - Integrierte nachgiebige sonde für waferprüfung und einbrennen - Google Patents

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Strukturen für die Untersuchung elektronischer Einheiten, wie z.B. integrierter Schaltungseinheiten und anderer elektronischer Elemente, sowie Verfahren zu deren Herstellung und Vorrichtungen zu deren Verwendung, und insbesondere die Untersuchung von integrierten Schaltungseinheiten mit starren Kontaktflächen und von Multichipbausteinen mit Kontaktflachen hoher Dichte.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Integrierte Schaltungseinheiten (ICs) und andere elektronische Elemente werden normalerweise untersucht, um die elektrische Funktion der Einheit zu überprüfen, und bestimmte Einheiten machen eine Hochtemperatur-Einbrennuntersuchung erforderlich, um Frühausfälle dieser Einheiten zu beschleunigen. Die Wafer-Untersuchung wird typischerweise an einer einzelnen Stelle eines Chips bei Temperaturen im Bereich von 25 °C bis 125 °C durchgeführt, während das Einbrennen typischerweise an auseinander geschnittenen und gepackten Chips bei Temperaturen im Bereich von 80 °C bis 150 °C durchgeführt wird. Die Wafer-Untersuchung und das Einbrennen von IC-Chips bei erhöhten Temperaturen von bis zu 200 °C bieten viele Vorteile und werden in der Halbleiterindustrie immer wichtiger. Das gleichzeitige Untersuchen mehrerer Chips auf einem einzelnen Wafer bietet offensichtliche Vorteile, um die Kosten zu verringern und den Produktionsdurchsatz zu erhöhen, und ist ein logischer Schritt in die Richtung der Untersuchung und des Einbrennens eines vollständigen Wafers.
  • Verschiedene Arten von Verbindungsverfahren, welche angewendet werden, um diese Einheiten zu untersuchen, sind z.B. permanente, semipermanente und vorübergehende Befestigungstechniken. Permanente und semipermanente Techniken, die typischerweise angewendet werden, sind z.B. Löten und Drahtbonden, um eine Verbindung von der IC-Einheit zu einem Substrat mit Ausgangsverdrahtung oder einem Metallleiterrahmen-Baustein bereitzustellen. Vorübergehende Befestigungstechniken sind z.B. starre und flexible Sonden, welche verwendet werden, um die IC-Einheit mit einem Substrat mit Ausgangsverdrahtung oder direkt mit dem Testgerät zu verbinden.
  • Die permanenten Befestigungstechniken, die verwendet werden, um integrierte Schaltungseinheiten zu untersuchen, wie z.B. das Drahtbonden mit einem Leiterrahmen eines Kunststoff-Chipträgers, werden typischerweise für Einheiten angewendet, welche eine geringe Anzahl von Verbindungen aufweisen, und wenn der Baustein der Kunststoff-Chipträger relativ preiswert ist. Die Einheit wird durch die Drahtverbindungen und die Leiter des Kunststoff-Chipträgers untersucht und in eine Testfassung eingesteckt. Wenn die integrierte Schaltung defekt ist, werden die Einheit und der Kunststoff-Chipträger verworfen.
  • Die semipermanenten Befestigungstechniken, welche für die Untersuchung von integrierten Schaltungseinheiten angewendet werden, wie z.B. Lötperlen-Befestigung an einem Keramik- oder Kunststoff-Stiftgitterreihen-Baustein, werden typischerweise für Einheiten angewendet, welche eine hohe Anzahl von Verbindungen aufweisen, und wenn der Stiftgitterreihen-Baustein relativ teuer ist. Die Einheit wird durch die Lötperlen und die interne Ausgangsverzeigung und die Stifte des Stiftgitterreihen-Bausteins untersucht, welcher in eine Testfassung eingesteckt ist. Wenn die integrierte Schaltung defekt ist, kann die Einheit aus dem Stiftgitterreihen-Baustein entfernt werden, indem die Lötperlen auf ihren Schmelzpunkt erhitzt werden. Die Betriebskosten für das Erhitzen und das Entfernen des Chips werden durch die Kosteneinsparung durch die Wiederverwendung des Stiftgitterreihen-Bausteins kompensiert.
  • Bei den kostenwirksamsten Techniken zum Untersuchen und Einbrennen von integrierten Schaltungseinheiten wird eine direkte Verbindung zwischen den Kontaktflächen auf der Einheit und einer Sondenfassung bereitgestellt, welche mit dem Testgerät festverdrahtet ist. Temporäre Sonden für die Untersuchung integrierter Schaltungen sind teuer in der Herstellung und werden leicht beschädigt. Die einzelnen Sonden sind typischerweise an einer ringförmigen gedruckten Leiterplatte befestigt und tragen freiliegende Metalldrähte, welche sich in Richtung der Mitte der Öffnung in der Leiterplatte erstrecken. Jeder Sondendraht muss zu einer Kontaktstelle der zu untersuchenden integrierten Schaltungseinheit ausgerichtet sein. Die Sondendrähte sind im Allgemeinen zerbrechlich und werden leicht verformt oder beschädigt. Diese Art der Sondenhalterung wird typischerweise für die Untersuchung integrierter Schaltungseinheiten verwendet, welche entlang dem Umfang der Einheit Kontakte aufweisen. Diese Art der Sonde ist auch viel größer als die IC-Einheit, die untersucht wird, und die Verwendung dieser Art der Sonde für die Hochtemperaturuntersuchung ist durch die Sondenstruktur und die Materialzusammenstellung beschränkt. Dies wird unter Bezugnahme auf die gleichzeitig anhängige US-Patentanmeldung 08/754 869 des Anmelders beschrieben, welche am 22. November 1996 eingereicht wurde.
  • Eine andere Technik, die für die Untersuchung von IC-Einheiten angewendet wird, umfasst eine dünne flexible Schaltung mit Metall-Kontakthöckern und Ausgangsverdrahtung. Die Kontakthöcker werden typischerweise durch photolithografische Verfahren gebildet und stellen einen erhöhten Kontakt für die Sondenanordnung bereit. Die Kontakthöcker werden verwendet, um einen Kontakt mit den flachen oder versenkten Aluminium-Kontaktflächen auf der IC-Einheit herzustellen. Zwischen der Rückseite der flexiblen Schaltung und einer Anpressplatte oder starren Leiterplatte wird typischerweise eine Elastomerunterlage verwendet, um für eine Nachgiebigkeit der Sondenschnittstelle zu sorgen. Diese Art der Sonde ist auf flexible Dünnschicht-Substratmaterialien beschränkt, welche typischerweise eine oder zwei Verdrahtungslagen aufweisen. Außerdem stellt diese Art der Sonde keine Wischkontakt-Schnittstelle bereit, um eine Verbindung mit geringem Widerstand sicherzustellen.
  • Die Aluminium-Kontaktflächen auf einer IC-Einheit hoher Dichte weisen typischerweise eine rechteckige Form auf und sind leicht unter die Oberfläche der Passivierungsschicht versenkt. Wenn der Wischvorgang der Sonde hoher Dichte nicht gesteuert wird, kann sich der Sondenkontakt in die falsche Richtung bewegen und mit einer benachbarten Aluminium-Kontaktfläche kurzgeschlossen werden, oder der Sondenkontakt kann sich von der Aluminium-Kontaktfläche weg auf die Oberfläche der Passivierungsschicht bewegen und eine offene Verbindung verursachen.
  • Für die Untersuchung und das Einbrennen von IC-Einheiten werden gewöhnlich goldplattierte Kontakte verwendet. Die Hochtemperatur-Untersuchungsumgebung kann eine Diffusion des Basismetalls der Sonde in die Goldplattierung auf der Oberfläche hinein verursachen. Durch den Diffusionsvorgang wird eine hochbeständige Oxidschicht auf der Oberfläche des Sondenkontakts erzeugt und die Lebensdauer der Sonde verringert.
  • Die Position der Sondenspitzen muss gesteuert werden, um eine genaue Ausrichtung der Sonden auf die Kontaktflächen der IC-Einheit sicherzustellen. Während der Hochtemperatur-Einbrennuntersuchung ist die Fehlanpassung durch die thermische Ausdehnung zwischen der Sondenstruktur und der IC-Einheit vorzugsweise gering, um sicherzustellen, dass die Sondenposition über den Temperaturbereich des Einbrennens nicht wesentlich variiert. Eine Fehlanpassung durch die thermische Ausdehnung innerhalb der Sondenstruktur kann zu Zuverlässigkeitsproblemen des Kontaktes führen.
  • Die Probleme der Sondenuntersuchung einer einzelnen integrierten Schaltungseinheit hoher Dichte vervielfachen sich weiter für Multichip- und Ganzwafer-Untersuchungsanwendungen. Die Herstellungstechniken der Sonden und die Materialauswahl sind für die thermische Ausdehnung und für Erwägungen der Kontaktausrichtung entscheidend. Ein kleiner Unterschied in der thermischen Ausdehnung des Substrats, des Wafers und der Sondenkonstruktion führt zu einer falschen Ausrichtung der Sondenspitze an dem Kontaktfeld des Wafers. Die Nachgiebigkeit der Sondenstruktur ist ein weiterer kritischer Faktor. Leichte Abweichungen in der Metallisierung des Wafers, eine Verformung des Wafers und leichte Abweichungen der Sondenhöhe tragen zu den Gesamt-Nachgiebigkeitserfordernissen für die Sondenstruktur bei.
  • Der im Folgenden beschriebene Stand der Technik umfasst einige verschiedene Sondenvorrichtungen zur Untersuchung offener IC-Chips.
  • Die US-Patentschrift 5 177 439, erteilt am 5. Januar 1993 an Liu u.a., betrifft Vorrichtungen zur Untersuchung offener IC-Chips. Die Vorrichtung wird aus einem Silicium-Wafer oder einem anderen Substrat hergestellt, welches für die Halbleiterverarbeitung geeignet ist. Das Substrat wird chemisch geätzt, um mehrere Vorsprünge zu erzeugen, die zu der E/A-Struktur des offenen IC-Chips passen. Die Vorsprünge werden mit einem leitenden Material beschichtet und mit einzelnen leitenden Ausgangsverdrahtungswegen verbunden, um eine Verbindung mit einem externen Testsystem zu ermöglichen. Durch die in dieser Patentschrift beschriebene Sondengeometrie wird keine nachgiebige Schnittstelle zur Untersuchung der Aluminium-Kontaktflächen auf der IC-Einheit und keine Wischkontakt-Schnittstelle bereitgestellt. Das für die Herstellung dieser Sondenvorrichtung verwendete Substrat ist auf Halbleiter-Wafer beschränkt, welche relativ teuer sind.
  • WO 98/01906 beschreibt eine frei bewegliche seitliche Stütze für Enden langgestreckter Verbindungselemente, gemäß Art. 54 III und Art. 54 IV EPÜ.
  • Shih, D-Y, u.a., „A novel elastomeric connector for packaging interconnections, testing and burn-in applications", Proceedings of the Electronic Components and Technology Conference, Las Vegas, 21. bis 24. Mai 1995, Konf.-Nr. 45, 21. Mai 1995, Institute of Electrical and Electronics Engineers, Seite 126 bis 133, XP000624964, beschreiben ein Verbindungsstück, das für die Untersuchung von Verbindungen geeignet ist.
  • In den PAJ für JP-58165056 ist eine Sondenkarte beschrieben.
  • In der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung 08/754 869 des Anmelders, eingereicht am 22. November 1996, ist eine Testsonde hoher Dichte für integrierte Schaltungseinheiten beschrieben.
  • In der darin beschriebenen Sondenstruktur werden kurze Metalldrähte verwendet, welche an einem Ende mit der Ausgangsverdrahtung eines starren Substrats verbunden sind. Die Drähte sind vorzugsweise in ein nachgiebiges Polymermaterial eingebettet, um zu ermöglichen, dass die Sonden unter Druck gegen die integrierte Schaltungseinheit zusammengedrückt werden. Die Drahtsonden sind lang genug und in einem Winkel geformt, um während des Zusammendrückens gegen die integrierte Schaltungseinheit eine permanente Verformung zu verhindern.
  • AUFGABEN
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sonde für die Untersuchung elektronischer Einheiten und anderer elektronischer Elemente bereitzustellen, bei welchen Kontaktflächen als Verbindungsmittel verwendet werden.
  • Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Sondenstruktur bereitzustellen, welche ein integrierter Teil der Ausgangsverdrahtung auf dem Testsubstrat oder eines anderen gedruckten Verdrahtungsmittels ist, um die Länge der elektrischen Leiter ebenso wie den Kontaktwiderstand der Sondenschnittstelle auf ein Mindestmaß herabzusetzen.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Sonde mit einer nachgiebigen Schnittstelle bereitzustellen, um leichte Abweichungen der Höhen der starren Kontaktflächen auf der IC-Einheit und Abweichungen der Höhe der Sondenkontakte auszugleichen.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine erhöhte Sondenspitze zur Herstellung von Kontakten zu versenkten Flächen auf der IC-Einheit bereitzustellen.
  • Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Sonde mit einer Wischkontakt-Schnittstelle bereitzustellen, wobei die Richtung und die Länge des Kontaktwischvorgangs steuerbar ist.
  • Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Sondenkonstruktion bereitzustellen, welche thermische Ausdehnungseigenschaften aufweist, die an die bei hohen Temperaturen zu untersuchende oder einzubrennende IC-Einheit angepasst sind.
  • Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Sondenkonstruktion bereitzustellen, welche eine hohe Haltbarkeit und Zuverlässigkeit für wiederholte thermische und mechanische Zyklen aufweist.
  • Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Sondenstruktur bereitzustellen, welche für die Untersuchung von Einzelchips oder Multichip-Wafern verwendet werden kann.
  • Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Sondenstruktur bereitzustellen, welche eine verbesserte Nennlagetoleranz aufweist.
  • Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Sondenstruktur bereitzustellen, welche kein Elastomermaterial erforderlich macht, um die einzelnen Sondendrähte zu tragen.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sonde hoher Dichte mit gesteuertem Wischvorgang bereitzustellen, welche auf einer Vielfalt von preisgünstigen Substraten mit der Ausgangsverdrahtung hergestellt werden kann.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß einer ersten Erscheinungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Vorrichtungsanspruch 1 definiert. Gemäß einer zweiten Erscheinungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahrensanspruch 2 definiert.
  • Die Struktur ist als Sonde geeignet, um integrierte Schaltungen zu untersuchen und einzubrennen, insbesondere auf Wafer-Ebene.
  • Die Sonde ist in einer Untersuchungsvorrichtung eingebaut.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch weitere Betrachtung der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit den Zeichnungsfiguren gelesen wird, in welchen:
  • 1 eine Querschnittsansicht einer ersten nachgiebigen Testsonde des Standes der Technik zeigt, welche an einem Substrat befestigt ist und gegen die Aluminium-Kontaktflächen, z.B. Aluminiumflächen auf einer integrierten Schaltungseinheit, gedrückt ist;
  • 2 eine vergrößerte Querschnittsansicht der ersten nachgiebigen Testsonde des Standes der Technik zeigt;
  • 3 bis 5 die Verfahren zeigen, welche angewendet werden, um die nachgiebige Testsonde auf einem Ausgangsverdrahtungs-Substrat herzustellen;
  • 6 eine Querschnittsansicht einer Anordnung nachgiebiger Testsonden für die Untersuchung mehrerer IC-Einheiten auf einem Einzelwafer zeigt;
  • 7 eine Draufsicht auf eine Anordnung erster nachgiebiger Testsonden für die Untersuchung aller IC-Einheiten auf einem Einzelwafer zeigt;
  • 8 eine Querschnittsansicht einer bevorzugten Ausführungsform der nachgiebigen Testsonde zeigt;
  • 9 eine vergrößerte Querschnittsansicht der bevorzugten Ausführungsform der nachgiebigen Testsonde zeigt;
  • 10 eine Querschnittsansicht einer zweiten nachgiebigen Testsonde des Standes der Technik zeigt;
  • 11 eine Querschnittsansicht einer dritten nachgiebigen Testsonde des Standes der Technik zeigt;
  • 12 eine Querschnittsansicht einer vierten nachgiebigen Testsonde des Standes der Technik zeigt;
  • 13 eine Querschnittsansicht einer Anordnung fünfter nachgiebiger Testsonden des Standes der Technik für die Untersuchung mehrerer IC-Einheiten auf einem Einzelwafer zeigt;
  • 14 eine Draufsicht auf eine zweite Anordnung nachgiebiger Testsonden für die Untersuchung aller IC-Einheiten auf einem Einzelwafer zeigt;
  • 15 eine Vielfalt von Formen der Sondendrähte schematisch darstellt, die für die Ausübung der vorliegenden Erfindung geeignet sind, z.B. „S"- oder „C"-Form, durchgehend gekrümmt, stückweise gekrümmt, stückweise linear und Kombinationen daraus;
  • 16 schematisch alternative Ausführungsformen nachgiebiger Rahmenstrukturen 17 darstellt, um die Sondenspitzen-Positionierstruktur 20 zu tragen, damit diese in Position bleibt und sich bewegt, wenn sich die Sondenspitzenenden 16 bewegen, wenn sie zur Herstellung einer Verbindung mit den Kontaktfeldern 31 der elektronischen Einheit bewegt werden;
  • 17 schematisch langgestreckte Leiter darstellt, welche über dem gesamten Leiter oder zumindest an den Enden Beschichtungen aufweisen;
  • 18 schematisch eine Vorrichtung zum Bewegen der Sondenstruktur der vorliegenden Erfindung in eine elektrische Verbindung mit einem Werkstück, z.B. auf einer untersuchten integrierten Schaltung (IC), darstellt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • In 1 ist eine Querschnittsansicht eines Testsubstrats 11 und einer nachgiebigen Testsonde 10 dargestellt. Das Testsubstrat 11 bietet eine starre Basis zum Anbringen der Sonden 10 und eine Ausgangsverdrahtung von der Anordnung von Sondenkontakten hoher Dichte zu einem größeren Stiftgitter oder zu anderen Verbindungsmitteln zu dem Gerät, das verwendet wird, um die integrierte Schaltungseinheit elektrisch zu untersuchen. Das Ausgangsverdrahtungs-Substrat kann aus verschiedenen Materialien und nach verschiedenen Konstruktionen hergestellt sein, z.B. einer Einzel- oder Mehrschichtkeramik mit Dick- oder Dünnschichtverdrahtung, einem Silicium-Wafer mit Dünnschichtverdrahtung oder einer Epoxidharz/Glas-Laminatkonstruktion mit hochdichter Kupferverdrahtung. Die Testsonden 10 sind an der ersten Oberfläche 12 des Substrats 11 angebracht. Die Sonden werden verwendet, um einen Kontakt zu den Kontaktflächen 31, typischerweise aus Aluminium hergestellt, auf der integrierten Schaltungseinheit 30 herzustellen. Die Kontaktflächen 31 sind typischerweise leicht unter die Oberfläche der Passivierungsschicht 32 der integrierten Schaltungseinheit 30 versenkt. Die Geometrie der nachgiebigen Testsonde 10 ist dafür optimiert, eine Wischkontakt-Schnittstelle bereitzustellen, um die Oxide auf der Oberfläche der Aluminium-Kontaktflächen 31 zu durchdringen, um für eine Verbindung mit geringem Widerstand zu sorgen. Bei dem Substrat 11 kann es sich um ein Schaltungssubstrat handeln, welches typischerweise verwendet wird, um ein Montagesubstrat bereitzustellen, um darauf eine integrierte Schaltung anzubringen, bei solchen Montagesubstraten handelt es sich typischerweise um metallisierte Keramik- und Glaskeramiksubstrate und metallisierte Polymersubstrate, welche gewöhnlich als gedruckte Leiterplatten bezeichnet werden.
  • Die Testsonde 10 ist direkt an der Ausgangsverdrahtung 13 auf der ersten Oberfläche 12 des Substrats 11 angebracht, um den Widerstand der Sondenschnittstelle auf ein Mindestmaß herabzusetzen. Dies kann erreicht werden, indem die Testsonde 10 auf der Oberfläche 12 aufgebaut wird, oder indem das Substrat 10 getrennt aufgebaut wird und danach an der Oberfläche 12 angebracht wird, z.B. durch Ankleben. Die Sondengeometrie ist dafür optimiert, eine flexible Kontaktschnittstelle bereitzustellen, welche die Richtung und Länge des Wischvorgangs steuert. Die Flexibilität wird vorzugsweise dadurch erreicht, dass ein elastomeres Material verwendet wird, um die Sonde (W) herzustellen. Es kann jedoch auch irgendein anderes Mittel angewendet werden, um die Nachgiebigkeit zu erreichen, z.B. durch eine mechanische Konstruktion. Das Elastomermaterial 18, welches die Sonden umgibt, sorgt für eine nachgiebige Struktur, und die Folie 20 wird verwendet, um die Position der Sondenspitzen 16 zu steuern. Die Folie 20 ist typischerweise dünn (vorzugsweise dünner als 0,254 mm (10 mil)) und aus einem starren Material hergestellt, wie z.B. Kupfermetall, Aluminium, Invar, Molybdän und Cu/Invar/Cu, es kann sich aber auch um eine Polymerfolie handeln, z.B. ein Polyimid, oder um eine anorganische Folie, z.B. eine Folie aus Keramik oder Silicium oder Glas oder einem dielektrischen Material. Am meisten bevorzugt wird für die Folie Invar. Die dünne Invar-Folie 20 ist mit einer dünnen Materialschicht 24 beschichtet, um die Invar-Folie 20 von dem Sondendraht 15 und der Sondenspitze 16 zu isolieren. Die Nennlagetoleranz der Sondenspitzen 16 wird erhöht, indem mehrere kleine Öffnungen 21 in der dünnen Invar-Folie 20 verwendet werden. Der Durchmesser der Öffnungen 21 in der dünnen Invar-Folie 20 ist vorzugsweise nur geringfügig größer als der Durchmesser des Sondendrahts 15, und die Öffnungen 21 werden vorzugsweise erzeugt, indem ein chemisches Präzisions-Ätzverfahren angewendet wird. Der Durchmesser (d) der Öffnungen 21, verglichen mit dem Durchmesser (r) der Fläche 15, bestimmt das Ausmaß, wie weit sich die Spitzen 16 von einer Anfangsposition wegbewegen, wenn die Sonde 10 gegen ein zu untersuchendes Werkstück gedrückt wird. Die Sondenspitzen 16 sind typischerweise so konstruiert, dass sie auf die Mitte der zu untersuchenden Kontaktfläche ausgerichtet sind. Die Sondenspitze 16 kann sich seitlich um eine Strecke von ungefähr 0,0254 bis 0,0762 mm (1 bis 3 mil) bewegen. Wenn es sich bei der Kontaktfläche um einen Kreis des Durchmessers (p) handelt, dann ist d vorzugsweise kleiner oder gleich r. Wenn es sich bei der Kontaktfläche um ein Quadrat der Seitenlänge (I) handelt, dann ist d vorzugsweise kleiner oder gleich I/2. Diese Einschränkung für d erlaubt den Sondenspitzen 16, sich seitlich zu bewegen, ohne von der Kontaktfläche 31 zu rutschen. Wenn es nur darum geht, dass eine Sondenspitze 16 nicht in eine benachbarte Kontaktfläche rutscht, dann ist d kleiner als etwa eine Hälfte der Strecke zwischen den Kontaktflächen. Wenn die nachgiebige Sonde 10 hoher Dichte gegen die IC-Einheit 30 gedrückt wird, dreht sich der Sondendraht 15 leicht, und die Sondenspitze 16 gleitet an der Oberfläche der Kontaktflächen 31 der IC-Einheit 30 entlang. Die Länge des Gleit- oder Wischvorgangs ist durch den Winkel und die Länge des Sondendrahtes 15 und das Maß der Kompression der Sonde 10 beschränkt. Die auf dem Substrat 11 angebrachte Sonde 10 ist dafür konstruiert und eingerichtet, von einem Mittel zum Bewegen der Sonde 10 in Richtung der elektronischen Einheit 30 bewegt zu werden, derart, dass die Sondenspitzen 16 in Richtung der Kontaktflächen 31 auf der elektronischen Einheit 30 bewegt werden, derart, dass die Sondenspitzen 16 mit den Kontaktflächen 31 in Kontakt kommen, so dass die Sonde 10 dafür benutzt werden kann, die Einheit 30 elektrisch zu untersuchen und einzubrennen.
  • In 2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der nachgiebigen Testsonde dargestellt. Die dünne Folie 20 kann isoliert werden, indem eine dünne Schicht entweder eines organischen oder eines anorganischen Materials auf beide Oberflächen und in die Öffnungen 21 in der dünnen Folie 20 aufgebracht wird. Bei der organischen Beschichtung könnte es sich zum Beispiel um Parylen C, Parylen D oder Parylen F oder irgendwelche anderen in der Technik bekannten Arten handeln. Eine Beschichtung 24 ist am wünschenswertesten, wenn es sich bei der Folie 20 um ein elektrisch leitendes Material handelt. Wenn die Folie 20 elektrisch leitend ist, kann an die Folie 20 eine elektrische Vorspannung angelegt werden, indem sie z.B. auf Erdpotential gehalten wird, um eine elektrische Abschirmung zwischen den elektrischen Leitern 15 und zwischen den elektrisch leitenden Kontaktflächen 31 bereitzustellen, um ein Übersprechen zwischen den Leitern 15 und den Kontaktflächen 31 zu vermeiden.
  • In 3 ist ein erstes Verfahren dargestellt, welches angewendet wird, um die nachgiebige Testsonde 10 herzustellen. Ein Thermosonic-Drahtbondwerkzeug wird verwendet, um die Kugelkontakte 14 auf der Ausgangsverdrahtung 13 auf der ersten Oberfläche 12 des Substrats 11 anzubringen, welches vorzugsweise starr ist. Bei dem Drahtbondwerkzeug wird eine erste, vorzugsweise keramische, Kapillare 40 verwendet, um das kugelförmige Ende 14 des Kontaktierungsdrahts 41 gegen die Verdrahtung 13 auf der ersten Oberfläche 12 des Substrats 11 zu drücken. Kompressionskraft und Ultraschallenergie werden vorzugsweise durch die Spitze der ersten Kapillare 40 hindurch angewendet, und die Wärmeenergie wird vorzugsweise von der Drahtbondstufe durch das Substrat 11 hindurch angewendet, um das kugelförmige Ende 14 des Kontaktierungsdrahts 41 mit der Ausgangsverdrahtung 13 auf der ersten Oberfläche 12 des Substrats 11 in Kontakt zu bringen. Der Kontaktierungsdraht 41 ist in einem Winkel angeordnet, und ein Scherblatt 42 wird benutzt, um den Kontaktierungsdraht 41 zu durchtrennen, um ein angewinkeltes Drahtsegment 15 zu erzeugen, welches von dem Kugelkontakt 14 hervorstehend anfangs vertikal von der Kugel 14 weg zeigt. Die Bewegung der Kapillare 40 wird während dieses Verfahrens so gesteuert, dass ein kurzer gerader Abschnitt des Drahts 43 bereitgestellt wird, welcher vorzugsweise senkrecht auf der Oberfläche des starren Substrats 11 steht. Durch Steuern der relativen Bewegung zwischen der Kapillare 40 und dem Substrat 11 kann eine Vielfalt von Formen des Drahts 15 erreicht werden, z.B. durchgehend gekrümmt. In 15 sind Formbeispiele schematisch dargestellt.
  • In 4 ist ein Laser 50 (vorzugsweise ein Argonionen-Laser) dargestellt, welcher benutzt wird, um die Enden der kurzen geraden Abschnitte des Drahts 15 zu schmelzen, um einen kugelförmigen Kontakt 16 zu erzeugen. Eine dünne Folie 20 mit Öffnungen 21, welche den Enden der Sondendrähte 15 entsprechen, wird über dem Feld der Drähte 15 angeordnet und von einem vorgeformten Rahmen 17 getragen. Die dünne Folie 20 weist vorzugsweise eine Dicke von 0,0254 bis 0,0762 mm (1 bis 10 mil) auf. Die Polymerbeschichtung 24 auf der dünnen Invar-Folie 20 wird vor diesem Verfahren aufgebracht. Der vorgeformte Rahmen 17 ist vorzugsweise aus einem geschäumten Elastomermaterial hoher Nachgiebigkeit hergestellt. Alternativ kann der Rahmen 17 eine Feder sein. Eine dünne (vorzugsweise Metall-) Maske 51 mit präzise angeordneten Öffnungen 52, welche den Enden der Sondendrähte 15 entsprechen, wird über dem Feld der Drähte 15 angeordnet. Die Maske 51 schützt die Polymerbeschichtung 24 auf der dünnen Invar-Schicht 20 vor dem (vorzugsweise Argonionen-) Laser 50, während die kugelförmigen Kontakte 16 auf den Enden der Sondendrähte 15 gebildet werden. Die Maske 51 ist aus einem Material hergestellt, welches, z.B. durch Absorption, den Laser davon abhält, die Polymerbeschichtung 24 zu erreichen. Die glatte Oberfläche der kugelförmigen Kontakte 16 ist ideal für eine Wischkontakt-Schnittstelle. Die Größe der kugelförmigen Kontakte 16 am Ende des Sondendrahts 15 wird durch die Energiedichte des Lasers und die Ausrichtung des Brennpunktes der Abtastfokussierung des Laserstrahls von der Spitze des geraden Drahtabschnitts 43 aus gesteuert. Die Durchmesser der Öffnungen 52 in der dünnen Metallmaske 51 sind vorzugsweise geringfügig größer als die Durchmesser der kugelförmigen Kontakte 16, um zu ermöglichen, dass die Maske 51 abgenommen wird, nachdem die Kugeln 16 gebildet worden sind.
  • Der Raum zwischen den Sondendrähten 15 ist vorzugsweise mit einem Elastomer gefüllt. In 5 ist ein Verfahren dargestellt, welches angewendet wird, um den leeren Raum zwischen dem Feld der Sonden hoher Dichte 15 mit einem flüssigen Elastomerharz 61 zu füllen. Vorzugsweise wirkt der vorgeformte Elastomerrahmen 17, welcher die dünne Invar-Folie 20 trägt, als Gusssperre, um das flüssige Elastomerharz 61 zurückzuhalten, bis es gehärtet ist. Ein kontrolliertes Volumen 60 des flüssigen Elastomerharzes 61 wird, vorzugsweise unter Verwendung einer Spritze und eines kleinen Kapillarröhrchens, durch eine kleine Öffnung 22 in der dünnen Folie 20 in den Hohlraum abgegeben. Das flüssige Elastomerharz 61 wird unter Druck in den Hohlraum gepresst, ähnlich wie bei einem Spritzgussverfahren. Das flüssige Elastomerharz 61 kann auch durch eine Öffnung in dem vorgeformten Elastomerrahmen 17 in den Sondenhohlraum eingespritzt werden. Die Höhe des Elastomerharzes 61 wird durch die Gegenwart der dünnen Folie 20, der kugelförmigen Kontakte 16 und des vorgeformten Elastomerrahmens 17 gesteuert. Überschüssiges Elastomerharz 61 wird aus einer zweiten kleinen Öffnung 23 in der dünnen Folie 20 herausgepresst. Nachdem der Hohlraum vollständig gefüllt ist, wird die Sondenbaueinheit in einen Ofen gegeben, um das Elastomerharz 61 zu härten.
  • In 3 bis 5 ist ein Verfahren dargestellt, um eine Sondenstruktur für eine einzelne IC-Einheit zu bilden. Dieses Verfahren kann angewendet werden, um ein Feld von Testsondenstrukturen auf einem einzelnen Substrat herzustellen.
  • In 6 ist eine Querschnittsansicht eines Feldes nachgiebiger Testsonden 100 für die Untersuchung mehrerer IC-Einheiten auf einem einzelnen Wafer dargestellt. Die integrierte Testsonde 100, welche in 6 dargestellt ist, beinhaltet vier getrennte Sondenfelder, welche benutzt werden, um einzelne IC-Einheiten auf dem Wafer 130 zu untersuchen. Die Konstruktion jedes einzelnen Sondenfeldes ist mit der in 1 dargestellten identisch. Das Substrat 110, welches als Basis für den Aufbau der Testsonde benutzt wird, weist auf der oberen Oberfläche 112 ein Feld von Kontaktflächen 113 auf, welches mit dem Muster der Kontakte 131 auf dem zu untersuchenden Wafer 130 übereinstimmt. Die Testsonden stehen mit diesen Kontaktfeldern 113 in Kontakt und sind in einem Winkel oder mit einer beliebigen Form geformt, wie in 3 bis 6 und 15 beschrieben. Der Winkel oder die Form der Kontaktdrähte 115 sind vorzugsweise dieselben, um eine genaue Positionierung der kugelförmigen Kontakte 116 am Ende der Sonde sicherzustellen. Einheitliche Materialeigenschaften und eine einheitliche Höhe des Elastomermaterials 118 sind zu bevorzugen, um über die gesamte Oberfläche des Sondenfeldes für eine optimale Nachgiebigkeit und Kontakt-Normalkraft zu sorgen. Obwohl der vorgeformte Elastomerrahmen 117 in 6 zwischen jedem Sondenfeld angeordnet dargestellt ist, kann der Elastomerrahmen 117 auch selektiv angeordnet sein, um den Raum zwischen den Sondenfeldern auf ein Mindestmaß herabzusetzen.
  • In 7 ist eine Draufsicht auf ein Feld nachgiebiger Testsonden 100 für die Untersuchung aller IC-Einheiten auf einem Einzelwafer dargestellt, dessen Umriss als 130 dargestellt ist. Die in 7 dargestellte integrierte Testsonde 100 beinhaltet zwölf getrennte Sondenfelder, welche benutzt werden, um alle IC-Einheiten auf dem Wafer 130 zu untersuchen. Die Umrisse des Wafers 130 und der einzelnen IC-Einheiten 133 sind mit unterbrochenen oder gestrichelten Linien dargestellt. Die Position jedes Sondenfeldes entspricht den Kontakten auf jeder der einzelnen IC-Einheiten 133 auf dem Wafer 130. Die Position der kugelförmigen Enden 116 der Testsonden wird genau durch die Position der Öffnungen in der dünnen Folie 120 gesteuert.
  • In 8 ist eine Querschnittsansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer nachgiebigen Testsonde dargestellt. Bei dieser wird eine dünne Folie 20 ähnlich der Ausführungsform der 1 bis 6 ohne die Polymerbeschichtung verwendet, und die Durchmesser der Öffnungen 21 in der Folie 20 (vorzugsweise elektrisch leitfähig, wie z.B. Invar) sind geringfügig größer. Eine dünne Polymerfolie 25 mit Öffnungen 26 eines geringeren Durchmessers ist über die dünne Folie 20 laminiert. Bei der dünnen Polymerfolie kann es sich um Polyimid, Mylar und Polyethylen handeln. Diese Liste ist nur beispielhaft und nicht beschränkend. Die Öffnungen 26 geringeren Durchmessers sind geringfügig größer als der Durchmesser des Sondendrahts 15 und werden benutzt, um für eine genaue Ausrichtung der Sondenkontakte 16 zu sorgen. Die Öffnungen 26 geringeren Durchmessers verhindern auch, dass die Sondendrähte 15 in Kontakt mit den Seiten der Öffnungen 21 in der leitenden Folie 20 geraten. Die dünne Polymerfolie 25 ist vorzugsweise segmentiert und mit der dünnen Folie 20 verbunden, um TCE(Wärmeausdehnungskoeffizient, Thermal Coefficient of Expansion)-Fehlanpassungsprobleme über große Oberflächenbereiche auszuschließen. Eine zweite dünne Polymerfolie könnte gegenüber der ersten dünnen Polymerfolie 25 auf die Unterseite der dünnen Folie 20 laminiert oder aufgeschleudert werden, um mögliche Verbiegungsprobleme zu vermeiden. In 9 ist ein vergrößerter Abschnitt der bevorzugten Ausführungsform der 8 mit den größeren Öffnungen 21 in der dünnen Invar-Folie 20 und den kleineren Öffnungen 26 in der dünnen Polymerfolie 25 dargestellt.
  • In 10 ist eine Querschnittsansicht einer nachgiebigen Testsonde des Standes der Technik dargestellt, bei welcher eine dünne Polymerfolie 25 mit kleinen Öffnungen 26 verwendet wird, um die Position der Sondendrähte 15 zu steuern. Die dünne Polymerfolie 25 ist an einem dünnen Rahmen 27 (vorzugsweise starr, z.B. Invar) angebracht, welcher jedes Feld oder Bündel von Sonden umgibt. Die dünne Polymerfolie 25 ist vorzugsweise segmentiert und mit dem dünnen Rahmen 27 verbunden, um TCE-Fehlanpassungsprobleme über große Oberflächenbereiche auszuschließen.
  • In 11 ist eine Querschnittsansicht einer anderen nachgiebigen Testsonde des Standes der Technik dargestellt, bei welcher eine dünne Folie 20 (vorzugsweise Invar) mit einer dünnen Polymerbeschichtung 24 und Öffnungen 21 kleinen Durchmessers verwendet wird, um die Position der Sondendrähte 15 zu steuern. Die dünne Folie 20 ist an einem dicken Rahmen 28 (vorzugsweise Invar) angebracht. Die Dicke des Rahmens 28 kann modifiziert werden, um die Gesamt-Nachgiebigkeit der Testsonden 10 zu steuern.
  • In 12 ist eine Querschnittsansicht einer anderen nachgiebigen Testsonde des Standes der Technik dargestellt. Die vierte alternative Ausführungsform ist identisch mit der bevorzugten Ausführungsform, mit der Ausnahme, dass kein Elastomermaterial die einzelnen Sondendrähte 15 umgibt. Die nachgiebigen Testsonden werden von der dünnen Folie 20 (vorzugsweise Invar) und dem vorgeformten Elastomerrahmen 17 getragen.
  • In 13 und 14 sind eine Querschnittsansicht und eine Draufsicht auf ein anderes Feld nachgiebiger Testsonden des Standes der Technik für die Untersuchung mehrerer IC-Einheiten auf einem Einzelwafer dargestellt. Die Anordnung der Sonden in dieser Ausführungsform ist typisch für Speichereinheiten mit zwei Reihen von Kontakten je Einheit. Jedes Sondenfeld ist durch Spalte 125 in der dünnen Folie 120 (vorzugsweise Invar) von den benachbarten Feldern entkoppelt.
  • In 15 ist schematisch eine Vielfalt von Formen von Sondendrähten dargestellt, welche für die Ausübung der vorliegenden Erfindung nützlich sind, z.B. „S"- oder „C"-förmig, durchgehend gekrümmt, stückweise gekrümmt, stückweise linear und Kombinationen daraus.
  • In 16 sind schematisch alternative Ausführungsformen nachgiebiger Rahmenstrukturen 17 dargestellt, um die Sondenspitzen-Positionierstruktur 20 zu tragen, damit diese in Position bleibt und sich bewegt, wenn sich die Sondenspitzenenden 16 bewegen, wenn sie zur Herstellung einer Verbindung mit den Kontaktfeldern 31 der elektronischen Einheit bewegt werden.
  • In 17 sind Beispiele langgestreckter elektrischer Leiter 202 dargestellt, welche eine auf ihnen befindliche Beschichtung 204 aufweisen. Vorzugsweise befindet sich die Beschichtung 204 an der Oberfläche des langgestreckten Leiters 202 und lässt das Ende des Leiters 202 frei. Die Vornahme einer Hartbeschichtung 204 kann für eine verstärkende Hartbeschichtung sorgen. Bei der Beschichtung 204 handelt es sich vorzugsweise um ein Hartmetall, z.B. Pd, Pt, Ni, Au, Rh, Ru, Re, Cu, Co und deren Legierungen usw. Der langgestreckte Leiter 206 weist einen Vorsprung 208 am entfernten Ende auf, welcher eine solche Hartbeschichtung 210 aufweist. Der langgestreckte Leiter 212 weist ein Ende 214 mit scharfen Zähnen 216 auf, vorzugsweise auf der Oberfläche 218 des Vorsprungs 220.
  • In 18 ist schematisch eine Vorrichtung zum Bewegen der Sondenstruktur 10 auf die elektronische Einheit 204 zu und von dieser weg dargestellt, derart, dass die Sondenspitzen 210 mit elektrischen Kontaktstellen 212 auf der elektronischen Einheit 204 in Verbindung geraten und sich davon lösen. Die Sondenstruktur 10 ist auf der Halterung 200 angebracht, welche ein Mittel 214 zum Anlegen einer elektrischen Spannung an die Sondenspitzen 210 aufweist. Die elektronische Einheit 204 wird auf der Basis 206 gehalten. Die Halterung 200 ist physisch mit dem Träger 202 verbunden, welcher in den Arm 208 übergeht, welcher in die Basis 206 übergeht. Der Träger 202 ist für eine Aufwärts- und Abwärtsbewegung eingerichtet. Beispiele für eine Vorrichtung zur Bereitstellung der Trägermittel und der Mittel zur Auf- und Abwärtsbewegung findet man in US-Patentschrift 5 439 161 und in US-Patentschrift 5 132 613.
  • Obwohl wir unsere bevorzugten Ausführungsformen unserer Erfindung beschrieben haben, versteht es sich, dass der Fachmann heute und in Zukunft verschiedene Verbesserungen vornehmen kann, welche unter den Schutzbereich der folgenden Patentansprüche fallen.
  • LITERATUR
    • US-Patentschrift 5 371 654 mit dem Titel „THREE DIMENSIONAL HIGH PERFORMANCE INTERCONNECTION PACKAGE";
    • US-Patentanmeldung 08/614 417 mit dem Titel „HIGH DENSITY CANTILEVERED PROBE FOR ELECTRONIC DEVICES";
    • US-Patentanmeldung 08/641 667 mit dem Titel „HIGH DENSITY TEST PROBE WITH RIGID SURFACE STRUCTURE";
    • US-Patentanmeldung 08/527 733 mit dem Titel „INTERCONNECTOR WITH CONTACT PADS HAVING ENHANCED DURABILITY";
    • US-Patentanmeldung 08/752 469 mit dem Titel „FOAMED ELASTOMERS FOR WAFER PROBING APPLICATIONS AND INTERPOSER CONNECTORS";
    • US-Patentanmeldung 08/744 903 mit dem Titel „INTEGRAL RIGID CHIP TEST PROBE";
    • US-Patentanmeldung 08/756 831 mit dem Titel „HIGH TEMPERATURE CHIP TEST PROBE";
    • US-Patentanmeldung 08/756 830 mit dem Titel „A HIGH DENSITY INTEGRAL TEST PROBE AND FABRICATION METHOD";
    • US-Patentanmeldung 08/754 869 mit dem Titel „HIGH DENSITY INTEGRATED CIRCUIT APPARATUS, TEST PROBE AND METHODS OF USE THEREOF".
  • Es versteht sich, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen nur die Prinzipien der Erfindung veranschaulichen sollen.

Claims (2)

  1. Struktur, welche das Folgende umfasst: ein Substrat (11), welches eine Fläche (12) aufweist; eine Vielzahl von langgestreckten elektrischen Leitern (15), welche sich von der Fläche (12) weg erstrecken; wobei jeder der langgestreckten elektrischen Leiter (15) ein erstes Ende (14) aufweist, welches an der Fläche (12) befestigt ist, und ein zweites Ende (16), welches aus der Fläche herausragt; wobei es eine Vielzahl der zweiten Enden (16) gibt; eine Folie zum Bewahren der Vielzahl der zweiten Enden in im Wesentlichen festen Positionen im Verhältnis zueinander; wobei die Folie eine Vielzahl von darin befindlichen Öffnungen aufweist, durch welche die zweiten Enden hindurchragen, und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Folie eine Folie (20) eines elektrisch leitfähigen Materials umfasst, welche eine Vielzahl von ersten darin befindlichen Durchgangslöchern (21) aufweist, und eine Folie (25) eines dielektrischen Materials, welche eine Vielzahl von zweiten darin befindlichen Durchgangslöchern (26) aufweist, wobei die ersten Durchgangslöcher (21) an den zweiten Durchgangslöchern (26) ausgerichtet sind und die zweiten Durchgangslöcher (26) einen kleineren Durchmesser als die ersten Durchgangslöcher (21) aufweisen, um ein Mittel bereitzustellen, um zu verhindern, dass die langgestreckten elektrischen Leiter (15) mit der Folie (20) des elektrisch leitfähigen Materials elektrisch in Kontakt geraten.
  2. Verfahren, welches das Folgende umfasst: Bereitstellen eines Substrats (11), welches eine Fläche (12) aufweist; Bilden einer Vielzahl von langgestreckten elektrischen Leitern (15), welche sich von der Fläche (12) weg erstrecken; wobei jeder der langgestreckten elektrischen Leiter (15) ein erstes Ende (14) aufweist, welches an der Fläche (12) befestigt ist, und ein zweites Ende (16), welches aus der Fläche herausragt; wobei es eine Vielzahl der zweiten Enden (16) gibt; Bereitstellen einer Folie zum Bewahren der Vielzahl der zweiten Enden in im Wesentlichen festen Positionen im Verhältnis zueinander; wobei die Folie eine Vielzahl von darin befindlichen Öffnungen aufweist, durch welche die zweiten Enden hindurchragen, und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Folie eine Folie (20) eines elektrisch leitfähigen Materials umfasst, welche eine Vielzahl von ersten darin befindlichen Durchgangslöchern (21) aufweist, und eine Folie (25) eines dielektrischen Materials, welche eine Vielzahl von zweiten darin befindlichen Durchgangslöchern (26) aufweist, wobei die ersten Durchgangslöcher (21) an den zweiten Durchgangslöchern (26) ausgerichtet sind und die zweiten Durchgangslöcher (26) einen kleineren Durchmesser als die ersten Durchgangslöcher (21) aufweisen, um ein Mittel bereitzustellen, um zu verhindern, dass die langgestreckten elektrischen Leiter (15) mit der Folie (20) des elektrisch leitfähigen Materials elektrisch in Kontakt geraten.
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8381 Inventor (new situation)

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Inventor name: FOGEL, KEITH EDWARD, MOHEGAN LAKE, NY, US

Inventor name: LAURO, PAUL ALFRED, NANUET, NY, US

Inventor name: SHIH, DA-YUAN, POUGHKEEPSIE, NY, US

8364 No opposition during term of opposition
8320 Willingness to grant licences declared (paragraph 23)