專利名稱：采用匹配裝置的器件探測的制作方法
背景技術：
集成電路器件的測試鑒別出有缺陷的器件，并且還提供關于制造工藝中的產量或問題的信息。優選測試在制造工藝早期進行，以避免處理缺陷部件的浪費的工藝，并在可糾正的問題影響多批量之前鑒別工藝問題。晶片探測特別允許在器件從晶片中分離之前的集成電路器件的早期電測試。然后鑒別為有缺陷的或壞的器件可以在封裝前丟棄。此外，可以進行對制造工藝的糾正或調整，而沒有僅在封裝之后對器件進行測試所導致的額外的延誤。
圖1示出了用于測試晶片110上制造的集成電路器件112的常規規測試設備100。晶片110通常是包括多個器件112的半導體晶片。為了測試，探針器或其他定位系統(未示出)將晶片110或測試頭130移動以將測試板120與當前選擇用于測試的器件112對準。在測試板120上是設置得與每個器件112上的電端子114的圖案相匹配的針124。當測試板120與所選器件112合適地對準時，針124和端子114被接合到一起以提供所選器件112與測試板120之間的電連接。然后針124、測試板120和測試頭130在所選的器件112與測試電子設備140之間能傳遞電信號。
測試設備100通常設計得避免或最小化對器件112的損壞，特別是在針124接觸端子114的地方。在圖1中，針124是懸臂式的以避免限制針124施加到端子114的力的柔性。一些其他類似的測試設備設計采用裝載彈簧的針，其類似地緩沖或限制在測試中施加到器件112的力。
針124為柔性的缺點是針124容易變得不對準。例如，當針124的一個在清潔或使用中彎曲時，該針124常常不能與目標端子114進行好的電接觸，導致失敗的測試。此外，晶片110與測試板120或針124的熱性質的差異限制針124合適地匹配端子114的圖案的溫度范圍。特別是，針124相對于器件112的尺寸長，且當溫度改變時長度將成比例地變化。
即使當針124是順應形變的，測試在端子114上所引起的破壞或磨損也成問題，且這樣的破壞在器件112設計成倒裝片封裝時特別有問題。圖2示出了包括管芯(die)210和互連基底220的倒裝片封裝200。管芯210包括已經從例如圖1的晶片110的晶片中分離出的器件112。倒裝片將在器件112上形成升高的電端子114的金屬凸塊貼附到互連基底220上的焊盤224。然后互連基底220提供管芯210與外部端子222之間的電連接。
特別是當端子114的接觸部分是相對軟的金屬，例如焊錫時，在封裝工藝之前接觸端子114的尖的測試針124會在端子114中留下劃痕216。劃痕216會積存削弱端子114與焊盤214之間的連接的例如氧化或助焊劑(soldering flux)的污染物，導致不可靠的封裝。
在倒裝片封裝中的另一潛在問題從端子114的不均勻性引起。具體地，為了可靠地將端子114貼附到焊盤214，端子114和焊盤214的頂部應該位于相應于封裝基底的平面內。圖2示出了不能延伸到相應的焊盤214或與相應的焊盤214可靠連接的端子114’的問題。通常端子114的形成工藝是非均勻端子114的原因，但針124會在測試中磨損所選端子114，而且還破壞平面度，使得可靠的封裝更加困難。
發明內容
根據本發明要解決的一個方面，探測系統使用由與被測器件相同的工藝和材料制造的半導體探針裝置。具體地，半導體探針裝置可以包括半導體管芯和使用與用于在被測器件上形成接觸焊盤所相同的掩模形成于管芯上的接觸焊盤。接觸焊盤可以作為探針尖端，或者常規晶片凸點工藝可以在半導體探針裝置上形成探針尖端。到探針尖端的電連接可以采用導電跡線(conductive trace)、引線鍵合(wiring bonding)、載帶鍵合(tape bonding)或其他常規用在半導體器件制造中的技術而制造。因為用于形成被測器件的半導體制造工藝也可以形成包括探針尖端的探針設備，所以當工藝和設計變化時，探針尖端圖案也可以具有半導體器件所需的尺寸。使用包括與被測器件相同或相似的材料的半導體探針器件，使探針器件和被測器件的熱性質相匹配，且因此允許在寬的溫度范圍內進行測試。
本發明的一個具體實施例是用于測試器件的一種探測系統。在該探測系統中的探針包括其上放置探針尖端的半導體管芯。可以電連接到測試器的探針尖端設置為與器件上的端子圖案匹配的圖案。探針中的半導體管芯可以基本上由與器件相同的材料制成，以提供器件和探針的熱匹配。測試器到探針尖端的電連接可以通過形成在管芯頂表面上的跡線或通過穿過半導體管芯的導電通孔而制造。探針可選地包括安裝有半導體管芯的基底或印刷電路板，且在一個構造中，包括帶有或不帶有貼附的基底的半導體管芯的探針組件裝入探針卡上的插座。這允許當探針被損壞或用于測量不同類型器件時被移除或替換。
本發明的另一實施例是用于器件電測量的探針卡。探針卡包括適用于安裝在測量裝置上的第一基底；安裝在該第一基底上的插座；和插座中的探針。能夠可拆卸地安裝在插座中的探針具有位于半導體管芯頂表面上并設置為與器件上的端子圖案相匹配的圖案的探針尖端。
本發明的再一實施例是用于形成用于半導體器件的電測試的探針的方法。該方法包括在半導體管芯上以匹配半導體器件端子圖案的圖案形成探針尖端；和制造用于探針尖端到測試設備的電連接的互連結構。形成探針尖端的工藝可以包括在半導體管芯上形成接觸焊盤，然后在焊盤表面上形成導電凸塊。互連結構可以或者形成為半導體頂表面上的探針尖端或者形成為從半導體管芯頂表面穿到底表面的導電通孔。
圖1示出了用于晶片探測的常規測試設備。
圖2示出了包含由測試和不均勻的焊接凸塊所引起的缺陷的常規倒裝片封裝。
圖3示出了根據本發明的實施例的晶片探測裝置。
圖4A示出了晶片探測前的一組金屬凸塊。
圖4B、4C和4D示出了在使用了所示的根據本發明的可選實施例的探針尖端進行晶片探測后圖4A的金屬凸塊。
圖5A和5B示出了在根據本發明實施例的晶片探測工藝之前和之后器件凸塊高度分布的曲線圖。
圖6A和6B是在根據本發明實施例的在焊盤探針上具有集成的金屬的探針卡的透視圖。
圖7A、7B和7C示出了根據本發明實施例的探針卡的透視圖，其中探針尖端位于可替換的探針組件上。
圖8A和8B示出了在一溫度范圍內保持與被測器件對準的探針卡。
圖9A、9B、9C、9D和9E示出了采用根據本發明的可選實施例的半導體探針器件的探測系統。
在不同圖中用相同的參考標號表示相同或相似元件。
具體實施例方式
根據本發明要解決的一方面，用于在晶片上制造的器件的電測試的晶片探測工藝也調節在器件上的端子以提高端子高度的均勻性。由此當從晶片分離時，好的器件處于更好的狀態，以在倒裝片封裝中向互連基底提供可靠接合或當芯片組裝在“板上芯片”裝置中時能接合到電路板。晶片探針可以采用基本上與器件將安裝到的印刷電路板或者互連基底的全部或局部相同的探針卡。作為選擇，晶片探針可以采用與被測器件相似的半導體探針器件。探針卡或器件上的探針尖端可以是平坦接觸焊盤或凸塊，其為互連基底的正常電接觸結構。作為選擇，具有期望形狀和尺寸的探針尖端可以形成在探針卡或器件上，以提供器件上的金屬凸塊的期望的變形。
圖3是根據本發明示范性實施例的測試系統300的方框圖。測試系統300包括自動測試裝置(ATE)310、測試頭320、包括焊盤上金屬(MOP)探針尖端340的探針卡330、晶片卡盤350和探針器360。測試系統300電測試在晶片110上制造的器件112，并且在此工藝中也調節器件112的端子114以提高端子114的平面度。
器件112通常可以是任何類型的器件，包括但不限于存儲器、控制器、處理器、專用集成電路(ASIC)、或任何其他類型的集成電路或獨立器件。作為端子114，器件112可以具有在晶片110頂表面升起足夠用于倒裝片封裝或安裝到印刷電路板的高度的金屬凸塊。為了目前的倒裝片封裝工藝，端子114典型地具有在約60μm到約700μm之間的平均高度，100μm是典型的平均高度。例如，每個端子114可以是焊接球或包含多層金屬層的組合結構，例如堆疊的焊料球、覆蓋有焊料層、焊料球、金層或金頭的銅或其他金屬柱。作為選擇，端子114可以是焊盤，有待于采用引線鍵合或其他封裝技術進行電連接。
為了對晶片110上的所選器件112進行電測試的探測操作，在測試頭320上安裝探針卡330，探針卡330具有MOP探針340，MOP探針340的圖案與器件112上的端子114的圖案相匹配。MOP探針340可以或者是直接形成在探針卡330上、在獨立的印刷電路板上或安裝到探針卡330的互連基底上、或者在電連接到探針卡330的半導體探針器件上的金屬探針。然后，典型地由硅(Si)或另一種半導體材料制成的晶片110設置在晶片卡盤350上。探針器360會操作來定位和定向晶片卡盤350，使得所選器件或器件112的端子114與MOP探針340對準。
作為示意性例子，下面描述了一器件112在端子114包括金屬凸塊從而需要調節來提高平面度時的測試。本領域的技術人員應該理解，如果愿意，可以同時測試多個器件，且可以在具有其他類型端子或不改變端子的器件上進行測試。在示范性的測試工藝中，探針器360驅動卡盤350向上直到對準的器件112的端子114與MOP探針340接觸且MOP探針340開始非彈性地變形端子114。然后ATE 310通過測試頭320和探針卡330將電輸入信號施加到端子114，并測量來自所選器件112的結果的輸出信號，從而決定器件112是否工作并提供所需的性能。
ATE 310和探針器360可以是能夠從包括安捷倫科技有限公司(AgilentTechnologies，Inc.)、泰瑞達有限公司(Teradyne，Inc.)和LTX公司的很多供應商可商業獲得的標準測試設備。ATE 310通常以取決于器件112類型的常規方式進行器件112的電測試。控制晶片110相對于MOP探針340的位置的探針器360優選能測量晶片110頂表面與探針卡330之間的距離，或者能精確控制晶片110在與探針卡330初次接觸后向上移動的量。作為選擇，可以將探針卡330移動以控制晶片110的相對位置。晶片110的頂表面與MOP探針340之間在測試期間的理想距離將取決于端子114在晶片110表面上方的高度，如下進一步所述。
根據本方面要解決的一方面，在探針卡330上的MOP探針340具有有限的彎曲量(compliancy)以促進探測期間的端子114的變形。例如，探針卡330可以是有凸塊的或無凸塊的互連基底，其適合用在包含被封裝的器件112的倒裝片封裝中。這種互連基底通常由例如聚酰胺或其他絕緣材料的有機材料制成，并包括將互連基底一側上的凸塊或接觸焊盤電連接到互連基底相對側上的接觸焊盤和/或球柵陣列(BGA)的導電跡線。作為選擇，MOP探針340可以位于印刷電路板、互連基底或電連接到探針卡330的半導體探針器件上。為了電測試，MOP探針340接觸器件112的端子114，MOP探針340能施加足夠壓力以提供好的電連接并進一步導致端子114的變形。
以上示出的探針卡330和MOP探針340可以是一個均一/集成結構或者獨立的諸元件。測試頭通常是標準裝置，且可以根據適當的標準設計探針卡330的基部并將探針卡330的基部安裝到測試頭320。然而，在示出的本發明的實施例中，MOP探針340可以位于獨立的基底、器件、或者作為探針卡330的可移除部分安裝的組件上。這允許使用具有用于測試不同器件的不同MOP探針340的探針卡330。具有可替換的MOP探針340的探針卡330具有允許快速替換損壞的探針尖端的優點使得最小化了ATE 310的停工期。
可以將探針卡330剛性安裝或彈簧安裝在測試頭320上以整體上向探針卡330提供有限的彎曲量。彎曲量可以為從非順應形變或剛性安裝的大約0到彈簧安裝的約15mil或以上的范圍。如下所述，在測試期間的裝置端子114的期望的變形或平面化將通常控制固定的或柔性安裝(compliant mounting)的選擇、柔性安裝的最大移動范圍、在柔性安裝中測試頭320與探針卡330之間彈簧或其他可壓縮結構的數目、和柔性安裝中的可壓縮結構的彈簧常數或模數。
采用印刷電路板技術或器件凸塊可以制造MOP探針340，MOP探針340具有容易構造得匹配特定器件或匹配用于平行測試的多個器件的優點。相反，具有懸臂或裝載彈簧的探針的探針卡必須通常大于容納探針的尺寸的器件，且安置探針以匹配一個或更多個器件可能是復雜的。
緊湊和非柔性MOP探針340的另一優點是它們與用在常規探測設備中的針、彈簧或懸臂探針相比的耐用性。由此MOP探針340保持適當對準而不需要調節且不擔心彎曲。MOP探針340也可以被清潔，例如用刷子或其他機械清潔技術，而不損壞探針或使其不對準。
MOP探針340也可以具有相對大的平坦接觸區域，如下進一步所述。該平坦接觸區域，除了在使用和清潔過程中不容易損壞之外，還不具有獲得并保持粒子的突起或尖點。結果，即使在長期使用而沒有清潔之后，MOP探針340可以繼續對在測試下的器件提供低接觸電阻。
圖4A示出了在基底410中和上制造的器件400的部分。器件400包括可以是作為電端子的焊料球或其他導電結構的凸塊420和422。理想地，所有凸塊420和422升起到基底410表面上方的同樣的高度H，但凸塊420和422受到可能導致一些凸塊422從標準高度H偏離距離Z1的制造偏差的影響。如果距離Z1對于任何凸塊422來說都太大，則在倒裝片鍵合過程中造成弱的或有缺陷的結合，參考圖2如上所述。
圖4B示出了如何將具有尖銳和剛性的探針尖端440的探針卡430與器件上的所有凸塊420和422接觸從而將凸塊420鑿陷。具體地，當探針尖端440移動足夠距離以電接觸尺寸不夠的凸塊422時，其他探針尖端440陷入較大的凸塊420，產生窄凹槽425。這樣形成在較大凸塊420中的窄凹槽425可以俘獲污染物并減弱對較大凸塊420的電連接。此外，尖銳的探針尖端420對于改善凸塊420和422的高度幾乎不起作用，從而凸塊420和422高度的固有偏差仍然會導致在倒裝片封裝或到印刷電路的管芯安裝中的弱的或有缺陷的電連接。
圖4C示出了包括根據本發明實施例的探針卡432的系統，本發明實施例具有平坦探針尖端442。平坦探針尖端442優選具有凸決420和422寬度至少一半的寬度。在本發明的一個實施例中，探針卡432是印刷電路板，且探針尖端442是印刷電路板表面上的接觸焊盤或金屬跡線。在本發明的另一實施例中，探針尖端442是半導體探針器件的接觸焊盤，所述探針器件具有匹配被測器件上的凸塊420和422的圖案的接觸焊盤圖案。探針尖端442應該由金屬制成，所述金屬能避免非彈性形變同時施加器件端子420和422的非彈性形變所需的力。當器件端子420和422包含例如焊料的延展性金屬時，例如銅的金屬適用于探針尖端442。
圖4C示出了與探針卡432的表面呈水平的探針尖端442，但作為選擇探針尖端442也可以在探針卡432表面上方升起或者甚至相對于探針卡432表面的剩余部分凹入。然而，探針卡432應該允許探針尖端442的底部實現與晶片410頂部的期望的分離。
為了使用探針卡432的探測操作，探針首先驅動晶片410和/或探針卡432，使得探針尖端442的底部至少接觸一些相應的凸塊420，且晶片410的頂表面離開探針尖端442的底部約H的距離。然后探針還驅動晶片410和/或探針卡432更靠近了過度移動距離(overtravel distance)Z2。此工藝平面化了高度H或更高的凸塊420和高度至少H2(H2＝H-Z2)的凸塊422。所得變形的凸塊424和426具有更均勻的相同高度H2。這樣凸塊424和426的頂部具有比凸塊420和422更好的平面度，且提高的平面度能提高在倒裝片封裝或在含有探測器件的板上芯片設備中互連接合的整體性。
對于本發明的實施例，探針卡432可以與將用在測試后的器件倒裝片封裝中的互連基底(例如圖2的互連基底220)相同。然后例如在將器件電連接到倒裝片封裝的互連基底的常規回流操作中，探針尖端442與焊接到凸塊424和426的接觸焊盤相同。作為選擇，探針卡432可以包括基本上與測試下的器件相同的半導體探測器件，或者其至少具有與測試下的器件圖案相匹配的接觸焊盤圖案。
過度移動距離Z2通常必須至少足夠在每個端子424和426提供低的接觸電阻以允許器件的電測試。即使小的過度移動距離Z2(例如電測試所需的最小過度移動距離)通常也導致最大凸塊的平面化，提高凸塊的總平面度，且因此提高在隨后產生的倒裝片封裝中的互連接合的整體性。較大的過度移動的量可以提供平面度的提高直到過度移動距離Z2提供所有凸塊420和422的一些平面度。在每個凸塊420和422至少部分被平面化之后，凸塊424和426的平面度偏差取決于探針尖端442的平面度和彎曲量的偏差。
圖5A示出了在探測前凸塊高度分布510和探測后凸塊高度分布520的例子。在此例子中，制造工藝產生名義上具有高度和寬度約為90μm的凸塊，但具有偏差，使得一些凸塊可以高達約105μm或低至約75μm。對于此例子，探測工藝隨后驅動晶片和探針卡使得晶片和探針尖端底部之間的分離約為80μm。當探針卡縮回時，由于允許偏差并由于較短端子422可以僅發生彈性形變，所得分布520包括比80μm高或低的凸塊。
圖5B示出了探測之前凸塊高度的另一范例分布530和探測后凸塊高度的所得分布540。在探測操作之前，凸塊具有接近88μm的平均高度，且最短的凸塊高度約為82μm。在圖5B的范例中，探針操作驅動晶片和探針卡，直到晶片和探針尖端底部之間的分離小于探測前最短的凸塊高度。結果，當探針卡縮回時，所有的凸塊具有與預探測分布530中凸塊的最低高度相同或更低的高度。這樣分布540包括更低的凸塊高度，但也比分布530窄很多，顯示出在探測后凸塊具有提高的平面度。
可能需要對探測中使用的過度移動距離Z2進行限制以避免破壞器件，因為凸塊420和422的擠壓會在器件410的下層部分上引起破壞應力。引入的應力總量通常取決于過度移動距離Z2和凸塊420的結構。由延展性金屬例如鉛基或共晶軟焊料制成的凸塊420和422可以非彈性變形而不產生破壞典型半導體器件下層結構的應力。包括較小延展性的焊料和/或較多剛性結構例如銅(Cu)柱的凸塊，在破壞下層結構的危險變得太大之前，僅將允許較小的過度移動距離Z2。
選擇用于探測/平面化操作的過度移動距離Z2的另一因素是凸塊的希望的變形輪廓。大于提供好的電接觸所需的過度移動距離可以在凸塊424和426頂處提供更平和更大的平的區域。為了器件到互連基底的安裝，焊料凸塊頂部的平坦區域與互連基底上的接觸焊盤或凸塊形成接觸。然后回流工藝至少部分液化焊料，且每個平面化的焊料凸塊趨于自己重新成形為球形形狀，以最小化表面張力。這樣平面化后的焊料球在回流工藝中自然向互連晶片傾斜。
在探測過程中凸塊420和422頂部的調整不限于平整凸塊的頂表面。而是，凸塊420和422可以刻劃或制造成任何期望形狀。圖4D示出了具有在探針卡434表面上延伸并小于凸塊420直徑的探針尖端444的探針卡434的例子。探針尖端444可以為例如約50μm寬，而凸塊420具有約90μm直徑。這樣的探針尖端444可以通過采用突起的互連基底或半導體器件作為探針卡434而形成。
在探測工藝中，探針尖端444在較小凸塊426上產生平整的頂表面，該處凸塊426的平整區域小于探針尖端444的面積。然而探針尖端444在較大凸塊428中產生凹入的頂表面。當所得凹陷既不窄也不深得足以俘獲例如氧化或助焊劑的污染物時，這種凹入表面是可接受的。凹陷有助于在封裝工藝中器件與凸起的互連基底對準。這樣通過提高的對準和在回流工藝中變形的焊料球的固有膨脹，可以提高焊接的連接的整體性。
如上述參考圖3的測試設備300，具有根據本發明的探針尖端的探針卡可以或者是包括探針尖端的單一集成結構，或者是復合結構，包括探針尖端的部分可以容易地從其移除或替換。
圖6A示出了根據本發明實施例的集成探針卡600。探針卡600包括基底610、導電跡線620和探針尖端630。可以是印刷電路板的基底610由其上或其中穿過導電跡線620的絕緣材料制成。如所示出的，導電跡線620將探針尖端630電連接到通路640，該通路導致在連接到探針頭的基底610表面一側形成電接觸(未示出)。探針尖端620，如在圖6B中詳細示出的，可以在導電跡線620的焊盤部分仔細地形成為平頂金屬凸塊或柱。作為選擇，導電跡線620的焊盤部分可以充當上述的探針尖端。在任一情況下，探針尖端提供平坦的非順應形變表面，其可以在晶片探測過程中使用以提高器件端子的平面度。
集成的探針卡例如探針卡600具有的優點在于被測器件與探測頭(例如探針尖端630、導電跡線620和通孔640)之間的連接可以被優化以提供最小阻抗，這對于RF電路或高頻測試來說可能是重要的。然而，固定到基底610的探針尖端630僅能用于測試具有與探針尖端630圖案相匹配圖案的端子的器件。當測試設備開始測試另一種類型的器件或者如果探針尖端630損壞時，必須更換整個探針卡600。
圖7A示出了根據本發明實施例的探針卡700，其便于快速更換或替換探針尖端以最小化測試設備的停工期。探針卡700包括第一基底710，插座750和第二基底760。基底760固定在或插入插座750，并具有貼附的探針尖端730。插座750安裝在基底710上，且在基底760插入插座750中時，在基底710之中和之上的導電跡線720將基底760電連接到通孔740，這引到用于測試頭的電連接(未示出)。因此，探針尖端730通過基底760、插座750、導電跡線720、通孔740和基底710背部的電接觸(未示出)電連接到測試設備。
每個基底710和760可以采用常規印刷電路技術制成，且在本發明的示范性實施例中，基底760與用在被測器件的倒裝片封裝中的互連基底相同。插座750可以是能容納或提供電連接到基底760的任何類型的插座。在圖7B示出的實施例中，插座750包括位于導電跡線720末端的焊盤725，其匹配并電連接到基底760底部端子(未示出)。然后鉸合夾將基底760保持在適當的位置。
圖7C示出了具有能夾在插座750中的可選基底765的實施例。基底765與基底760不同之處在于基底765包括其上設置有探針尖端730的半導體器件770。半導體器件770可以又安裝在裝配進插座750的印刷電路板780上并具有接觸位于跡線720末端的焊盤725的端子(未示出)。
探針卡700的優點在于，采用它基底760或765可以容易地被更換，同時基底710保持安裝到測試設備。基底760或765可以例如松開或拔出然后從插座750移除，而不需要拆焊或任何復雜的拆卸。由此基底760或765可以用新的基底快速替換，無論是測試設備轉換到測試具有不同端子圖案(例如在管芯收縮后)的器件時，或者當探針尖端730被損壞時。這種快速更換最小化了測試器件的停工期。
在極高溫度下的晶片電探測和測試有時希望鑒別并消除不可靠的器件，以通過性能或規格標準來收集或分類器件，或者在特定操作溫度或應用條件下衡量器件。具有緊湊探針尖端取代懸臂或彈簧針的探針卡的優點在于探針卡提高的熱穩定性。溫度變化例如用于實時溫度測試(at-temperature test)的加熱會引起常規測試針圖案的大變化，因為長針隨著溫度的增加而顯著膨脹。與此相反，探針尖端圖案隨著相對小的互連基底或半導體管芯的膨脹或收縮而熱膨脹或收縮。此外，當探針尖端位于包含與被測器件中的材料相同或相似的材料的半導體管芯上時，探針圖案的熱膨脹匹配器件上的接觸端子圖案的熱膨脹。
如果探針尖端位于不同于被測器件的材料上，探針尖端可以被設計為在特定測試溫度下與器件端子在機械上匹配。這種設計將考慮器件的物理性質，例如硅晶片的熱膨脹系數(CTE)、探針卡的CTE和測試溫度。然而，在一個溫度(例如室溫)下匹配器件的探針卡在顯著不同的測試溫度(例如120℃或更高)下可能不能充分匹配器件。因此，采用與被測器件中不同的材料可以在更高溫度下提供更高的接觸電阻，或在極端條件下引起接觸斷開。因此，可以設計第二探針尖端圖案為在升高的溫度下匹配器件。
根據本發明要解決的再一方面，即使探針不包括與被測器件相同的材料，探針上的探針尖端的圖案和尺寸在寬的溫度范圍內可以與器件的端子形成接觸。圖8A和8B示出了具有隨著離開探針810中心的距離而增加尺寸的探針尖端811、812和813的探針810。為了探測，探針810的中心與器件820中心對準。圖8A示出了隨后器件820的端子822在第一溫度(例如室溫)下如何與探針尖端811、812和813對準。可以在升高的溫度(例如在120℃)下進行“實時溫度測試”。結果，器件820的熱膨脹可能不同于探針810的膨脹，因為它們各自熱膨脹系數的不同(例如硅晶片的CTE和印刷電路板的CTE的不同)。通常，器件820的不同膨脹將相對于相應的尖端811、812或813移動每個端子822，該移動的總量與端子822與器件820中心的距離成比例。為了補償不同的膨脹，焊盤811、812和813的尺寸在相應端子822的位置范圍上方延伸，使得探針811、812和813的部分即使在圖8B所示的升高的溫度也保持與端子822對準。
當探針尖端位于具有與被測器件相同的熱膨脹系數的半導體探測器件上時，可以減輕或消除不同熱膨脹的問題。圖9A示出了包括優選由與被測器件相同材料制成的半導體管芯910的探針900的平面圖。半導體管芯910上的接觸焊盤具有與被測器件上的接觸焊盤圖案相同的圖案。可選地，半導體管芯910還可以包括用于電連接到探針卡(在圖9A中未示出)的剩余部的接觸焊盤或跡線922。在本發明的一個實施例中，采用基本上與在被測器件上制造接觸焊盤中所采用的工藝相同的掩模和/或制造工藝在管芯910上制造接觸焊盤920。管芯910甚至可以是具有被測器件類型的器件。然后如果需要，可以采用一個或多個在獨立工藝步驟中形成的額外的圖案層來將額外的跡線或接觸焊盤922加到管芯910。作為選擇，接觸焊盤920和跡線922可以是相同構圖的層或互連結構的一部分。
探針尖端930位于接觸焊盤920上。可以采用公知用于形成倒裝片封裝的凸塊或柱的常規凸起技術制造探針尖端930。作為選擇，焊盤920可以用于探針尖端，且凸塊930可以被省略。如上所述，探針尖端優選由比被測器件的端子上的表面材料更有彈性的材料例如銅制成。拋光工藝、化學機械拋光(CMP)或任何其他精細工藝能以高精確度(例如到微米或微米以下內)將有凸起或沒有凸起的探針尖端平面化。
探針900能夠可拆卸地安裝在探針卡上，如圖9B所示。在圖9B中，在探針卡950上的插座940具有電接觸942，電接觸942在管芯910固定在插座940時接觸焊盤922。插座940可以優選地被打開或拆卸以允許管芯910移除或替換。為了測試，管芯910上的探針尖端930具有通過焊盤920和922到接觸942以及從接觸942通過插座940到探針卡950的電連接。然后探針卡950可以以同樣的方式連接到測試設備，如參照圖3在上所述。
圖9C示出了可選擇的結構，其中管芯910位于印刷電路板或互連基底960的頂表面上，且然后包括管芯910和基底960的探針組件可拆卸地安裝在插座942中。在示出的實施例中，引線鍵合924將管芯910頂表面上的焊盤922電連接到互連基底960上的各個焊盤962。作為選擇，載帶鍵合或柔性電路鍵合可以相似地用于將焊盤922電連接到基底960。在基底960之中和之上的跡線(未示出)將焊盤962電連接到基底960的底側上的端子964，且端子934電接觸探針卡952上的焊盤或跡線(未示出)，完成探針尖端930到探針卡952的電連接。圖9C的實施例的優點在于插座942不需要電連接且具有容納通常大于半導體管芯910的互連基底960的尺寸。此外，基底960將探針器件910放置在相對于探針卡952較高的高度。這些特征可以使插座942比圖9B的插座940更容易制造。
圖9D示出了包括半導體探針器件915的本發明的另一示范性實施例。探針器件915不同于圖9A的探針器件900之處在于探針器件915的電端子934位于探針器件915的底表面上。更具體而言，探針器件915包括位于頂表面上的接觸焊盤920和探針尖端930。連接到接觸焊盤920的導電通孔934穿過半導體管芯并將接觸焊盤920電連接到探針器件915底表面上的各個接觸焊盤926。
用于制造探針器件915的一種工藝執行激光鉆孔、例如深離子蝕刻的定向蝕刻、或任何高縱橫比(aspect ratio)蝕刻工藝，以形成在接觸920區域中穿過半導體管芯的孔。然后將這些孔用導電填充材料例如鋁、銅、鎢或導電環氧樹脂填充。作為選擇，通孔934可以通過深離子注入或其他摻雜工藝形成。然后可以在導電通孔934頂部上形成接觸焊盤920和探針尖端930，且可以在導電通孔934底部上形成接觸焊盤926和探針尖端936。接觸焊盤920通常具有與接觸焊盤926和被測器件上的接觸焊盤相同的圖案。類似地，探針尖端930和端子936可以采用類似的凸起工藝形成。
插座944將探針器件915保持在適當位置，端子936與探針卡954上的匹配的接觸焊盤(未示出)形成接觸。優選地，插座944使得半導體探針器件915在損壞或當改裝測試設備以測試不同類型器件時可以被移除和替換。
圖9E示出了本發明的實施例，其中將探針器件915連接到印刷電路板或互連基底966，而不是直接接觸探針卡952。在此實施例中，端子936優選包括焊料或其他能用在將探針器件915安裝到基底966的焊料回流工藝中的材料。然后插座942具有可拆卸地固定基底966的尺寸。由于探針器件915的端子936通常具有與被測器件上的接觸相同的圖案，基底966可以基本上與用于被測器件的倒裝片封裝的基底相同。
雖然參考具體實施例描述了本發明，該描述僅是本發明應用的范例且不應理解為一種限制。公開的實施例特點的各種改進和組合仍然在所附權利要求所界定的本發明的范疇內。
權利要求
1.一種探測方法，包括將探針尖端和器件上的端子接觸；使用所述探針尖端使所述端子變形以提高所述端子的平面度；和通過所述探針尖端到所述端子的電連接來電測試所述器件。
2.如權利要求1所述的方法，其中，每個探針尖端具有平坦接觸區域并平坦化相應的端子之一，而同時提供對所述端子的電連接。
3.如權利要求2所述的方法，其中，所述平坦接觸區域的寬度至少為端子之一的寬度一半。
4.如權利要求1、2或3所述的方法，其中，將所述探針尖端與器件接觸包括將包含該器件的晶片相對于貼附有所述探針尖端的基底移動。
5.如權利要求4所述的方法，其中，所述基底是印刷電路板。
6.如權利要求4或5所述的方法，其中，所述基底包括半導體管芯。
7.如權利要求4、5或6所述的方法，其中，所述探針尖端包括設置在所述基底表面上的接合焊盤。
8.如權利要求4、5、6或7所述的方法，其中，所述探針尖端包括設置在所述印刷電路板表面上的凸塊。
9.如權利要求4或5所述的方法，還包括將所述器件封裝在倒裝片封裝中，其中，所述倒裝片封裝包括基本上與貼附有探針尖端的基底相同的互連基底。
10.如權利要求1到9的任何一個所述的方法，其中，所述探針尖端具有依據離開中心點的距離的尺寸，使得所述探針尖端能在一溫度范圍內對準來接觸所述端子。
11.一種探測方法，包括將印刷電路板連接到測試設備，其中所述印刷電路板包括一組具有與被測器件上升高的端子相匹配的圖案的接觸焊盤；將所述印刷電路板與所述器件接觸，使得所述器件上升高的端子與所述印刷電路板上的接觸焊盤形成電連接；和使用所述測試設備來經由所述印刷電路板到所述器件的電連接來測試所述器件。
12.如權利要求11所述的方法，其中，所述印刷電路板上的接觸焊盤接觸所述器件升高的端子以形成電連接。
13.如權利要求11所述的方法，其中，所述印刷電路板上的接觸焊盤包括直接接觸所述器件升高的端子以形成電連接的凸塊。
14.如權利要求11、12或13所述的方法，還包括將所述器件封裝在倒裝片封裝內，其中，所述倒裝片封裝包括基本上與所述印刷電路板相同的互連基底。
15.如權利要求11、12、13或14所述的方法，其中，所述升高的端子包括焊料球。
16.如權利要求11到15的任何一個所述的方法，其中，所述印刷電路板同時接觸晶片上的多個器件，且所述測試設備進行所述多個器件的平行測試。
17.一種晶片探測系統，包括探針結構，具有帶平坦接觸表面的探針尖端；測試器，電連接到所述探針結構；和探針器，用于相對于所述探針結構定位晶片，使得所述平坦接觸表面接觸晶片上的端子。
18.如權利要求17所述的系統，其中，每個接觸表面的寬度至少為相應端子之一的寬度一半。
19.如權利要求17所述的系統，其中，所述探針結構包括適用于包含在所述晶片中的器件的倒裝片封裝的互連卡。
20.如權利要求19所述的系統，其中，所述探針尖端是所述互連卡的接觸焊盤。
21.如權利要求19所述的系統，其中，所述探針尖端是所述互連卡的接觸凸塊。
22.如權利要求17所述的系統，其中，所述探針結構包括其上形成有所述探針尖端的半導體管芯。
23.如權利要求17所述的系統，其中，所述探針結構包括具有形成所述探針尖端的接觸焊盤的印刷電路板。
24.如權利要求23所述的系統，其中，所述印刷電路板的接觸焊盤包括金屬凸塊。
25.如權利要求23所述的系統，其中，所述印刷電路板同時接觸多個包含在晶片中的器件用于平行測試。
26.如權利要求17所述的系統，其中，所述探針尖端是非柔性的。
27.如權利要求17所述的系統，其中，所述探針結構包括探針卡；測試頭；和將所述探針卡安裝到測試頭的安裝架。
28.如權利要求27所述的系統，其中，所述框架是非柔性的。
29.如權利要求27所述的系統，其中，所述框架是柔性的。
30.如權利要求27所述的系統，其中，所述探針卡包括具有形成為與相應于器件的晶片上的端子圖案相匹配的圖案的接觸焊盤的印刷電路板。
31.如權利要求27所述的系統，其中，所述探針卡包括具有形成為與相應于器件的晶片上的端子圖案相匹配的圖案的接觸焊盤的半導體管芯。
32.如權利要求27所述的系統，其中，所述探針卡包括第一基底；插座，安裝在所述第一基底上；和第二基底，在所述插座中，其中，所述探針尖端位于所述第二基底上。
33.如權利要求17所述的系統，其中，所述探針尖端具有依據離開中心點的距離的尺寸，使得探針尖端能以在一溫度范圍內對準來接觸端子。
34.如權利要求17到33的任何一個所述的系統，其中，所述探針尖端將測試器電連接到所述端子并調整用于倒裝片封裝的端子。
35.如權利要求34所述的系統，其中，調整用于倒裝片封裝的所述端子包括平面化各個端子以提高所述端子的平面度。
36.一種用于器件電測試的探針卡，包括第一基底，適于安裝在測試設備上；插座，安裝在所述第一基底上；和第二基底，在所述插座中，其中，所述第二基底包括形成為與器件上的端子圖案相匹配的圖案的探針尖端。
37.如權利要求36所述的探針卡，其中，所述第二基底包括適用于包含所述器件的倒裝片封裝的互連基底。
38.如權利要求36所述的探針卡，其中，所述第二基底包括其上安裝有所述探針尖端的半導體管芯。
39.如權利要求35所述的探針卡，其中，所述插座允許第二基底被具有形成為不同于第二基底上的探針尖端圖案的圖案的探針尖端的第三基底所取代。
40.一種用于測試器件的探測系統，包括探針，包括其上探針尖端設置成與所述器件上的端子圖案相匹配的圖案的半導體管芯；和測試器，電連接到所述探針尖端。
41.如權利要求40所述的系統，其中，所述器件包括基本上與所述半導體管芯中的材料相同的半導體材料。
42.如權利要求40或41所述的系統，還包括包含其中可拆卸地安裝有探針的插座的探針卡，其中，所述測試器通過所述探針卡與所述探針尖端形成電接觸。
43.如權利要求42所述的系統，其中，所述探針還包括其上安裝有所述半導體管芯的基底，所述插座具有容納所述基底的尺寸。
44.如權利要求43所述的系統，其中，所述半導體管芯包括各個探針尖端安裝到該處的接觸焊盤，且引線鍵合將所述接觸焊盤電連接到所述基底。
45.如權利要求40所述的系統，其中，所述半導體管芯包括端子，位于所述半導體管芯的底表面上；和導電通孔，穿過所述半導體管芯并提供所述管芯頂表面上的探針尖端與所述底表面上的端子之間的電連接。
46.一種用于形成用于半導體器件的電測試的探針的方法，包括在半導體管芯上形成與半導體器件上的端子圖案相匹配圖案的探針尖端；和制造用于將所述探針尖端電連接到測試設備的互連結構。
47.如權利要求46所述的方法，其中，形成所述探針尖端包括在所述半導體管芯上形成接觸焊盤；和在所述接觸焊盤表面上形成導電凸塊。
48.如權利要求46或47所述的方法，其中，制造所述互連結構包括在其上設置有所述探針尖端的半導體管芯的表面上形成導電跡線。
49.如權利要求48所述的方法，還包括將導電跡線引線鍵合到基底。
50.如權利要求46所述的方法，其中，制造所述互連結構包括形成穿過所述半導體管芯的導電通孔，所述導電通孔分別與探針尖端電接觸。
全文摘要
一種用于器件的電測試的探測系統或方法，也調整器件上例如焊料球的端子以提高端子高度的均勻性，并提高在倒裝片封裝中到互連基底或者板上芯片中到印刷電路板的連接的可靠性。該系統可以采用為印刷電路板的探針卡、或例如在器件倒裝片封裝中所采用的互連基底、或者類似于器件的半導體管芯。探針卡可以是在測試頭上可替換的，以允許快速更換來減少ATE停工時間，并允許器件變化例如管芯縮小。探針卡上的探針尖端可以是接觸焊盤或凸塊，它們是互連基底或半導體管芯的正常電接觸結構。
文檔編號G01R1/073GK1802775SQ200480015685
公開日2006年7月12日 申請日期2004年4月27日 優先權日2003年5月1日
發明者馬克·L·迪奧里奧 申請人:快速研究股份有限公司
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