专利名称：用于ic测试之具有高弹性悬臂之弹簧探针的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种用以测试电子电路的装置，特别是指但不限定于一种排列在半导体晶片上的集成电路探针装置。
背景技术：
由于许多排列在半导体晶片上的集成电路(Integrated Circuits，IC)可能无法正常运作，因此要求在封装该IC前或包含该IC在多芯片模块(Multi-Chip Module，MCM)前先作测试处理，该装置自一测试器传送电力及信号至该IC，此为大家所熟知的探针卡。传统的探针卡通过固定在悬臂上之细尖针状物至一印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)上的方式来传送该电子信号至该IC的焊垫。上述探针指针在后面简称为探针，该探针一般是利用电化学刻蚀(electro-chemically etching)的方式由钨(tungsten)、铜(copper)、钯(palladium)或其合金之金属线制成。当探测时，该探针与IC焊垫(IC bond pads)进行物理接触并且刮除(scratch)该IC焊垫。刮除(scratching)是一种为了使探针与焊垫达到良好的电子接触状态的重要步骤，因为通常该IC焊垫是被一原生绝缘氧化膜所覆盖。
由于IC变得日益复杂，且多层测试(multi-die testing)已成为基准，因此探针卡上之探针数量也不断地在增加，同样的，焊垫的大小及其间距也为了符合缩小之IC而相对减小，以上所提及之悬臂式探针卡。由于是由精密的手工制造，因此未能充分满足目前主流趋势的需求。其它水平式探针则大量借助于半导体制造的方式来生产，如Eldridge，et al.在美国专利第5,832,601号中所描述之利用半导体封装焊线机(wire bonder)制程来制造探针骨架之方法；Smith，et.Al.在美国专利第5,613,861号中所描述之利用阴极喷镀法(sputtering)制造薄膜弹簧的方法；以及Cohen在美国专利第6,027,630号中所描述之方法则是利用蒸镀(deposition)技术及牺牲金属层(sacrificial metal layers)的选择性移除方法来制造3D立体结构。
然而，目前还未有一种装置利用沿着整个探针之长度来散布所应用之均匀弯曲应力(bending stress)，以达到在有限的空间内产生更多弹性(resiliency)之目的，比方说在进行晶片层测试时。
发明内容
本发明系有关于一种具弹性之弹簧探针，当完全被挠曲(deflected)至或接近该弹簧物的屈服强度(yield strength)时，利用沿着该整个弹簧之长度之最大弯曲应力(bending stress)来控制其挠度(deflection)。
本发明之一实施例在于，该探针具有一弹簧悬臂；一底座，藉由一固定锚将该底座连接于该悬臂之一端；一尖端，设置于该悬臂之另一端；其中该悬臂朝向该底座之表面具有一阶梯之表面。在本发明之另一实施例中，该底座朝向该悬臂之表面具有一阶梯之表面。在本发明之另一实施例中，该悬臂朝向该底座之表面及/或该底座朝向该悬臂之表面系呈曲线状。
本发明中另一实施例为，一种包含将晶片黏着之焊垫与该探针之探针头相互对准；驱动该晶片进入该探针头，并对该晶片进行电子测试。
由具体实施例配合所附的图式详加说明，当更容易了解本发明之目的、技术内容、特点及其所达成之功效。
图1是本发明一实施例所述的探针示意图；图2是本发明图1所示探针之透视图；图3是本发明图1所示之弹簧呈挠曲状态之示意图；图4是本发明用黏着于一空间转换器的多个弹性弹簧；图5是根据本发明之另一实施例所述之探针；图6是说明具有一组相互搭配底座/悬臂之探针；图7是根据本发明实施例所述之使用探针方法之流程图。
具体实施例方式
以下说明内容在于提供此具有一般技术之人士能够实施本发明，并且提供此特别申请案之内容及其需求。对于熟悉此项技术之人士而言，针对实施例所做的不同修改是浅显易懂的，且在此所定义之通称构造可适用于其它实施例及应用，而不会脱离本发明的精神及范围。因此，本发明并非仅限制于所述之实施例，而是涵盖包括这里公开的原理、特点和精神的最大范围。
图1及图2为本发明之一实施例。特别是一种具有悬臂之弹簧探针100，其包含有利用美国专利第6,027,630所述之电镀技术所制成之复数层(multiple layer)。该探针100包含有一悬臂110，并由一固定锚150将该悬臂110连接于一底座140上，该固定锚150是位于该悬臂110之一端。一尖端120设置在该悬臂110之另一端。该尖端120是由一硬质贵金属(hard precious metal)所制成，如铑(rhodium)，同时，该悬臂110是由导电性强的金属制成，如电沉积物镍(Ni)。然而，并不排除使用其它化合物来制造。该悬臂110的上下两个表面包含有多个阶梯状构造。位于该下表面的多个阶梯具有多个接触点130(比方说有9个接触点)，当该探针100与底座140相接合时，则该接触点130与该底座140相接触。在一实施例中，当离该固定锚150的距离越远，则该接触点130的间距就相对减少。
根据本发明的另一实施例，该悬臂110通过控制挠度曲线(deflectioncurve)，散布弯曲应力(bending stress)在整个探针100之长度上，如图3所示，当悬臂110挠曲(deflects)时，一个或多个接触点130与该底座140相接触，因此，可避免邻接于该固定锚150结构之悬臂承受过应力(overstress)，同时，在悬臂110上所产生的弹性能(elastic energy)会沿着整个悬臂110之长度而储存。如图4所示，该多个探针100被黏着于一空间转换器200(space transformer)上，该空间转换器200依次黏着至印刷电路版(PCB)上，组成该探针卡。
满应力梁(fully-stressed beams)是现有技术。而机械教课书中也曾讨论过有关抛物状悬臂梁(parabolic-shaped cantilever beam)，它能产生均匀散布的最大正向应力(normal stress)(如忽略剪应力，ignoring shear stress)，然而，满应力梁(fully-stressed beams)通常与企图减轻重量、节省材料、及/或减少惯性力矩(moment of inertia)有相互关系，而本发明中之探针100却完全没有上述的考虑。
本发明之实施例与传统的满应力梁(fully-stressed beams)主要有三点不同。1.本发明之实施例不是满应力，只是几乎是满应力，因为该悬臂2包含有平面层(flat layer)和有限数量的接触点130。因此，即使采用理想均匀状态来设计该悬臂110，其弯曲应力也不会完全均匀。2.由于上述原因，传统满应力梁(fully-stressed beams)会因此改变其剖面系数(section module)，移去不必要的材料。在本发明中，实现其最大应力均匀性主要是利用挠度曲线的控制，而不是着重于其剖面系数(section module)的改变。此举将转变为更好的弹性及载流量(current carrying capacity)，因为仅少部分的材料从位于该尖端120下的悬臂110上移去。该材料本身不但可适用于储存弹性能，并且能承受电流，否则太薄的材料结构将会产生过热的现象。3.本发明只有在到达最大的过度驱动(overdrive)时才大约具备满应力的条件。在初期的挠曲阶段，该应力集中在该固定锚150结构上。然而，传统的满应力梁(fully-stressed beams)既使在低应力的条件下该应力也能均匀地散布。
该探针100的尺寸可根据适应所需要的弹簧钢度及最大可适用挠度来改变。然而，其并不需要特有的探针尺寸来满足一特定的弹簧钢度。最初的条件取决于该探针之物理需求，其可能包含允许的探针长度、高度及宽度。当这些都决定后，平面层的厚度及长度可利用商业有限元分析软件(finite element analysis software)针对所需要力或挠度做出最佳的选择。典型的探针的总长度约为500-1000微米(microns)，而宽度约为10-30微米(microns)，而平面层之间(interlayer)的高度约为2-20微米(microns)。该尖端的高度约为10-30微米(microns)长。这些范围并非详尽，此仅为描述此探针在目前制造能力之内。
该接触点130的另一好处在于减少必须经由尖端120传导信号的电通路(electrical path)。而不必经过整个悬臂110的长度，该信号可只通过接触点130直接传至底座140。除了可减少不受控制的阻抗(impedance)长度来改善其高速性能，该接触点130还可以为更高的电流探针(highercurrent probes)提供另一平行电通路，如电源与接地探针(power and groundprobes)。在高应力范围中可减少焦耳热(Joule heat)以改善探针的蠕变性能(creep resistance)。
本发明的另一实施例为是利用在美国专利第6,027,630号中所述之多层制造技术所组成，如第5图所示。在本实施例中，探针300包含有一个具有多个阶梯的底座350。该底座350通过固定锚330连接在悬臂320上，该固定锚330位于悬臂320的一端。尖端310设置在该悬臂320的另一端。沿着该底座350上的阶梯表面具有多个接触点340。该阶梯随着离该固定锚330之距离长度增加，则该阶梯的长度就相对减少。在本发明之一实施例中，该悬臂320具有与底座350相同的长度及宽度。在本发明之实施例中，该底座350包含有8个阶梯。
该悬臂320具有不变的剖面系数(section modulus)，且该底座350呈阶梯状为了要控制该挠度曲线。探针300挠曲时，则该接触点340逐渐地与探针320相接触，以避免邻接于该固定锚330结构的悬臂承受过应力，同时，使得该弹簧所产生之弹性能沿着整个悬臂320的长度而储存。在此一实施例中，该探针尖端310的高度比该尖端120的高度长约30-50微米(microns)，因此，可避免该悬臂320的固定端在过度驱动(overdrive)时碰撞到晶片。一般而言，较高的尖端通常可产生较长的磨擦(scrub)。该悬臂320的尖端310在过度驱动时旋转，造成较长的尖端会刮出(sweepout)较长的弧形。然而，较长的磨擦(scrub)并非经常适用，其可能会过度损坏该焊垫及引起半导体封装焊线机(wire bonder)制程的可靠性问题。根据以上所述，使用探针100可能较好，因为该尖端110的高度缩小，并且该悬臂110朝向晶片的表面呈阶梯状，可避免接触到晶片。
本发明的另一实施例为前述的多层探针，但其具有断续式接触点位于图1所述的悬臂110及图5所述的底座350上。
在本发明之范围内，位于该悬臂110或是位于该底座350之断续式接触点不必一定是有角的阶梯，也可以是具有小突出物之表面。
一个沿着其整个长度而具有断续式接触点的探针，可在单层上横向制造(沿宽度的方向)，而不一定要在多层上以垂直方向制造。高展弦比(high aspect ratio)的平版印刷术(lithography process)，如深刻电铸模造技术(LIGA)制造过程可适用于此目的。事实上，以一横向制造之探针，经由挠度曲线之控制并不需要断续式接触点，而不一定要有一组相互搭配之连续式底座/悬臂。如图6所示之一实施例中，根据其挠度，该悬臂以连续之方式与该底座之形状一致。一如具有断续式接触探针，没有一个特定之底座/悬臂之形状来达到某一需求的弹簧刚度，而且有限元分析软件(finite element analysis software)可协助在设计中沿着整个悬臂之长度来散布该弯曲应力。由于将个别的探针在一个更大的数组上进行装配及操作具有一定的困难，因此不常选用，所以会使用此种在单层或多层上以横向制作之方法制成之探针，其包含在本发明之范围中。
此外，包含在本发明范围中尚有，该探针弹簧有一残余应力(residualstress)以增进其弹性。该残余应力可先由过度驱动该探针以超越其经蒸镀之屈服强度来引进，因此，当弹性放松时，压力残余的应力及拉力的残余应力便存在探针主体中。受过应力之弹簧提供两种功能第一，其应变硬化(strain harden)该悬臂梁之最外层部分经蒸镀的物质(即离该中性轴最远的部分悬臂梁)，因此增加该部份悬臂梁的屈服强度。第二，其传播残余应力场(residual stress field)，因此，当从该悬臂梁从外部向内部弯曲时，可藉此再次散布该弹性应变能(elastic strain energy)以增进其弹性能。该断续式接触点必须加以调整以便沿着该整个悬臂梁之长度提供均匀的弯曲应力，而且要超过该经蒸镀物质的屈服强度。该弹簧探针会从其经蒸镀的形状变形，但未来过度驱动的弹性能将由于该应变硬化的效力及该残留应力场而被改善。
该制造过程是一层接一层之方式，因此该悬臂及底座会在经蒸镀的情况下互相平行。当该悬臂被过度驱动而产生残余应力时，该悬臂会与该底座相互呈一倾斜角度。该悬臂与该底座所形成的角度会随着该整个探针之长度逐渐改变，直到在该尖端时，便到达最大角度。该尖端由于预载而以一角度自垂直方向旋转，而该角度的变化范围是大约5度至大约15度。
图7是根据本发明实施例所阐述使用该探针方法700之流程图。首先，将至少具有一探针(如探针100及/或探针300)之探针卡装设(710)于一探针装置之探针数组中。接着，将一测试界面连接(720)至一探针卡PCB上。利用探测机(probe)将该晶片芯片焊垫(wafer die bond pads)与该探针的尖端相互对准(730)。然后，驱动(740)该晶片至该探针尖端并进行电子测试(750)该晶片。当测试之后，如果(760)没有其它晶片要测试，则该方法(700)完成。否则，该方法(700)将再包含轮到(770)下一个芯片(die)，该焊垫位于该探针尖端下方并重复执行驱动(740)及测试(750)，一直到所有在晶片上的芯片测试完毕。该方法(700)则完成。
以上显示了本发明之具体实施例，显而易见本领域技术人员对本发明的变化和修改不超出本发明的保护范围。因此，随后的权利要求环绕使这些改变和修改落入本发明的实际精神和范围。
权利要求
1.一探针，该探针包括一弹簧悬臂；一底座，由一固定锚将该底座连接于该悬臂的一端；以及一个尖端，设置于该悬臂的另一端；其中该悬臂朝向该底座之表面具有一个阶梯的表面。
2.如权利要求1所述之探针，其中该悬臂朝向晶片的表面具有一个阶梯之表面。
3.如权利要求1所述之探针，其中该阶梯之长度随着与固定锚之距离而递减。
4.如权利要求1所述之探针，其中该阶梯表面具有多个接触点，在测试IC同时，至少有一个接触点与该底座接触，当产生弹性能时将会沿着整个该悬臂之长度来储存，以避免对邻近该固定锚之该悬臂施压过当。
5.如权利要求1所述之探针，其中该悬臂包含有利用电镀技术所形成的多层。
6.如权利要求1所述之探针，其中该底座朝向悬臂之表面具有一个阶梯结构。
7.如权利要求1所述之探针，其中该弹簧悬臂在测试前承受过应力。
8.一探针，该探针包括一弹簧悬臂；一底座，由一固定锚将该底座连接于该悬臂之一端；以及一尖端，设置于该悬臂之另一端；其中该底座朝向该悬臂之一面具有一阶梯之表面。
9.如权利要求8所述之探针，其中该阶梯之长度系随着与该固定锚之距离而递减。
10.如权利要求8所述之探针，其中该阶梯表面具有多个接触点，在测试IC时，至少有一个接触点与该底座接触，当产生弹性能时将会沿着整个该悬臂之长度来储存，以避免邻近该固定锚之该悬臂承受过应力。
11.如权利要求8所述之探针，其中该悬臂包含有利用电镀技术所形成的多层。
12.如权利要求8所述之探针，其中该弹簧悬臂在测试前承受过应力。
13.一探针卡，该探针卡包括一空间转换器；多个探针，该多个探针连接在该空间转换器表面上；以及一印刷电路板，该印刷电路板共同连接在该空间转换器上；其中每个探针包含一弹簧悬臂；一底座，由一固定锚将该底座连接于该悬臂之一端；以及一尖端，设置于该悬臂之另一端；其中该悬臂朝向该底座之表面具有一个阶梯之表面。
14.一探针卡，该探针卡包括一个空间转换器；多个探针，该多个探针连接在该空间转换器表面上；以及一印刷电路板，该印刷电路板共同连接在该空间转换器上；其中每个探针包含一弹簧悬臂；一底座，由一固定锚将该底座连接于该悬臂之一端；以及一尖端，设置于该悬臂之另一端；其中该底座朝向该悬臂之表面具有一个阶梯之表面。
15.一方法，该方法包括将一晶片芯片焊垫与权利要求1所述探针之尖端相互对准；驱动该晶片至该探针之尖端；以及电力测试该晶片。
16.一方法，该方法包括将一晶片芯片焊垫与权利要求8所述探针之尖端相互对准；驱动该晶片至该探针之尖端；以及电力测试该晶片。
17.一探针，该探针包括一弹簧悬臂；一底座，由一固定锚将该底座连接于该悬臂之一端；以及一尖端，设置于该悬臂之另一端；其中至少有一朝向该底座之悬臂表面，以及一朝向该悬臂之底座表面呈一曲线状。
全文摘要
本发明是具有一悬臂之探针，由一固定锚将该探针连接于一个底座上，该悬臂之朝向该底座之表面、或该底座朝向该悬臂之表面为具有接触点之阶梯，当对悬臂施压时会使该接触点接触该底座；或是，该悬臂之表面及/或该底座之表面呈曲线状。
文档编号G01R3/00GK101014865SQ200580024590
公开日2007年8月8日 申请日期2005年8月11日 优先权日2004年8月16日
发明者菲利浦·麦 申请人:Jem美国公司