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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Strukturen mit einer Vielzahl
von einzelnen isolierten, länglichen
elektrischen Leitern, die aus einer tragenden Oberfläche herausragen
und sich als Prüfköpfe für die Prüfung von
elektrischen Verbindungen mit elektronischen Einheiten wie beispielsweise
integrierten Schaltkreiseinheiten und anderen Elektronikbauteilen
eignen, und die sich insbesondere für die Prüfung von integrierten Schaltkreiseinheiten
mit starren Anschlussflecken und von Mehrchipmodulpackungen mit
Anschlussflecken von hoher Dichte eignen, sowie auf die Vorrichtung
für deren
Verwendung und die Verfahren für
deren Herstellung.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Integrierte
Schaltkreiseinheiten (IC-Einheiten) und andere Elektronikbauteile
werden in der Regel getestet, um die elektrische Funktionsfähigkeit der
Einheit zu überprüfen, und
bestimmte Einheiten benötigen
eine Prüfung
mittels Voralterung bei hoher Temperatur, um so Frühausfälle dieser
Einheiten schneller herbeizuführen.
Die Prüfung
des Wafer erfolgt üblicherweise
an einer einzigen Chipstelle bei Temperaturen zwischen 25 °C und 125 °C, wohingegen
die Voralterung üblicherweise
mit zerschnittenen und zu Modulen zusammengefügten Chips bei Temperaturen
zwischen 80 °C
und 150 °C
erfolgt. Die Prüfung
des Wafer und die Voralterung der IC-Chips bei höheren Temperaturen von bis
zu 200 °C
haben mehrere Vorteile und gewinnen zunehmende Bedeutung in der
Halbleiterbranche. Die gleichzeitige Prüfung mehrerer Chips auf einem
einzigen Wafer bringt offensichtliche Vorteile hinsichtlich der
Kostenersparnis und der Erhöhung
des Herstellungsdurchsatzes mit sich und stellen einen logischen
Schritt in Richtung der Prüfung
und Voralterung eines gesamten Wafer dar.
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Zu
den verschiedenen Arten der Verbindungsverfahren, die bei der Prüfung dieser
Einheiten zum Einsatz kommen, gehören Techniken für die dauerhafte,
halb dauerhafte und vorübergehende Verbindung.
Zu den gängigen
dauerhaften und halb dauerhaften Verbindungstechniken gehören das
Löten und
Drahtbonden, um eine Verbindung zwischen der IC-Einheit und einem
Trägermaterial
mittels nach außen
führenden
Leiterbahnen oder einem Gehäuse mit
einem metallenen Anschlussrahmen herzustellen. Zu den Techniken
für eine
vorübergehende
Verbindung gehören
starre und nachgiebige Prüfköpfe, anhand
derer die IC-Einheit mit einem Trägermaterial mit nach außen führenden
Leiterbahnen oder aber direkt mit der Prüfvorrichtung verbunden ist.
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Die
für die
Prüfung
von integrierten Schaltkreiseinheiten verwendeten dauerhaften Verbindungstechniken
wie Drahtbonden an einen Anschlussrahmen eines Kunststoffträgers für Halbleiterchips
(Plastic Leaded Chip Carrier, PLCC) werden üblicherweise bei Einheiten
mit einer geringen Anzahl von Chip-Anschlüssen verwendet, wobei das PLCC-Gehäuse vergleichsweise
kostengünstig
ist. Die Prüfung
der Einheit erfolgt über
die Drahtbondstellen und Anschlussdrähte des in eine Messbuchse eingesteckten
PLCC-Gehäuses.
Wenn die integrierte Schaltkreiseinheit defekt ist, werden die Einheit
und das PLCC-Gehäuse
aussortiert.
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Die
für die
Prüfung
von integrierten Schaltkreiseinheiten verwendeten Techniken für eine halb dauerhafte
Verbindung wie beispielsweise die Verbindung einer Lötkugelhalterung
mit einem Anschlussstift-Rastergehäuse (Pin Grid Array, PGA) aus
Keramik oder Kunststoff (Ceramic Pin Grid Array, CPGA, Plastics
Pin Grid Array, PPGA) werden üblicherweise
bei Einheiten mit einer hohen Anzahl von Chip-Anschlüssen verwendet,
wobei das PGA-Gehäuse
vergleichsweise teuer ist. Die Prüfung der Einheit erfolgt mittels
der Lötkugeln
und der nach außen führenden
Leiterbahnen sowie der Anschlussstifte des in eine Messbuchse eingesteckten
PGA-Gehäuses.
Wenn die integrierte Schaltkreiseinheit defekt ist, kann sie von
dem PGA-Gehäuse
entfernt werden, indem die Lötkugeln
bis zu ihrem Schmelzpunkt erwärmt
werden. Dabei steht den Bearbeitungskosten für die Erwärmung und Entfernung des Chips
die Kosteneinsparung durch die Wiederverwendung des PGA-Gehäuses gegenüber.
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Bei
den kostengünstigsten
Techniken für
die Prüfung
und Voralterung von integrierten Schaltkreiseinheiten wird eine
direkte Verbindung zwischen den Kontaktflecken der Einheit und einer
Prüfkopfbuchse bereitgestellt,
die mit der Testvorrichtung fest verdrahtet ist. Heutige Prüfköpfe für die Prüfung von
integrierten Schaltkreisen sind teuer in der Herstellung und leicht
zu beschädigen.
Die einzelnen Prüfköpfe sind
dabei üblicherweise
mit einer ringförmigen
Leiterplatte verbunden und tragen vorstehende Metalldrähte, die
sich zur Mitte der Öffnung
in der Leiterplatte erstrecken. Jeder Prüfkopfdraht muss zu einer Kontaktstelle
der zu prüfenden
integrierten Schaltkreiseinheit ausgerichtet sein. Die Prüfkopfdrähte sind
im Allgemeinen empfindlich und können
leicht verformt oder beschädigt
werden. Diese Art der Prüfkopfbefestigung
wird in der Regel für
die Prüfung
von integrierten Schaltkreiseinheiten verwendet, deren Kontakte
entlang des äußeren Rands
der Einheit angeordnet sind. Diese Prüfkopfart ist außerdem sehr viel
größer als
die geprüfte
IC-Einheit, und
ihre Verwendung für
eine Prüfung
unter hohen Temperaturen wird durch die Struktur und Materialzusammensetzung
des Prüfkopfes
beschränkt.
Beschrieben wird dies in der am 22. November 1996 eingereichten, gleichzeitig
anhängigen
US-Patentanmeldung des Anmelders mit der laufenden Nummer 08/754
869.
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Eine
weitere Technik für
die Prüfung
von IC-Einheiten umfasst einen Schaltkreis auf einer dünnen, biegsamen
Leiterplatte mit Metall-Kontakthöckern
und nach außen
führenden
Leiterbahnen. Die Kontakthöcker
werden üblicherweise
durch fotolithografische Prozesse gebildet und stellen eine erhabene
Kontaktfläche
für die
Prüfkopfbaugruppe
bereit. Die Kontakthöcker
dienen zur Herstellung eines Kontakts mit den flachen oder vertieften
Aluminium-Kontaktflecken auf der IC-Einheit. Zwischen der Rückseite
der biegsamen Leiterplatte und einer Druckplatte oder starren Leiterplatte
wird üblicherweise
ein Elastomer-Kontaktflecken verwendet, um dem Prüfkopf Nachgiebigkeit
zu verleihen. Diese Prüfkopfart
ist auf Trägermaterialien
aus biegsamer Folie beschränkt, die üblicherweise
ein bis zwei Leiterbahnschichten aufweisen. Außerdem stellt diese Art des
Prüfkopfes für eine niederohmige
Verbindung keine Wischkontaktfläche
bereit.
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Die
Aluminium-Kontaktflecken auf einer IC-Einheit mit hohem Integrationsgrad
sind üblicherweise
rechteckig und gegenüber
der Oberfläche
der Passivierungsschicht leicht vertieft ausgebildet. Wenn der Wischkontaktvorgang
des hoch integrierten Prüfkopfes
nicht gesteuert wird, kann sich die Prüfspitze in die falsche Richtung
bewegen und eine Kurzschlussverbindung mit einem benachbarten Aluminium-Kontaktflecken verursachen,
oder die Prüfspitze
kann sich von dem Aluminium-Kontaktflecken zur Oberfläche der
Passivierungsschicht bewegen und eine offene Verbindung verursachen.
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Die
Position der Prüfspitzen
muss gesteuert werden, um sicherzustellen, dass die Prüfköpfe genau
zu den Anschlussflecken der IC-Einheit ausgerichtet sind. Bei der
Prüfung
mittels Voralterung unter hohen Temperaturen darf die Wärmeausdehnung von
Prüfkopfstruktur
und IC-Einheit nur geringe Abweichungen aufweisen, um sicherzustellen,
dass es über
den gesamten Temperaturbereich der Voralterung hinweg zu keiner
erheblichen Schwankung der Prüfkopfposition
kommt. Eine zu unterschiedliche Wärmeausdehnung innerhalb der
Prüfkopfstruktur kann
zu einer eingeschränkten
Zuverlässigkeit
der Kontakte führen.
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Die
Herausforderungen bei der Prüfung
einer einzelnen integrierten Schaltkreiseinheit mit hohem Integrationsgrad
vervielfachen sich bei Prüfanwendungen
mit mehreren Chips und ganzen Wafern. Für die Wärmeausdehnung und Kontaktausrichtung sind
Herstellungsverfahren und Materialauswahl des Prüfkopfes von ausschlaggebender
Bedeutung. Bereits eine kleine Abweichung bei der Wärmeausdehnung
von Trägermaterial,
Wafer und Prüfkopfbauweise
führt zu
einer fehlerhaften Ausrichtung der Prüfspitze zu den Kontaktflecken
des Wafer. Genauso wichtig ist die Nachgiebigkeit der Prüfkopfstruktur. Geringe
Abweichungen bei der Metallisierung des Wafer, eine Verwerfung des
Wafer und geringe Schwankungen der Prüfkopfhöhe können ebenfalls erhöhte Anforderungen
an die Nachgiebigkeit der Prüfkopfstruktur
stellen.
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Mit
zunehmender Verarbeitungsleistung von IC-Einheiten nehmen entsprechend
auch die Anzahl der Ein-/Ausgänge
und die Geschwindigkeit der E/A-Signale zu. Die Verwendung von Hochgeschwindigkeitssignalen
und Anschlüssen
von hoher Dichte auf einer integrierten Schaltkreiseinheit erhöht auch die
Herausforderung, welche die genaue Prüfung der Funktionsfähigkeit
der Einheit mit sich bringt. Die Fähigkeit, Chip-Anschlüsse mit
hoher Geschwindigkeit und hohem Integrationsgrad zu prüfen, kann
durch eine hohe Induktivität
der Prüfköpfe und
das Nebensprechen zwischen den Prüfköpfen erheblich eingeschränkt sein.
Dabei lässt
sich die Induktivität
des Prüfkopfes
verringern, indem die Prüfkopflänge vermindert
oder indem eine Prüfkopfstruktur
mit einem Masseschirm verwendet wird. Die integrierte Abschirmung
trägt außerdem dazu
bei, das Nebensprechen zwischen den hoch integrierten Prüfköpfen zu vermindern
und verringert die Notwendigkeit, zwischen den Signalprüfköpfen auf
Masse gelegte Prüfköpfe anzuordnen.
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Das
am 05. Januar 1993 an Liu et.al. erteilte US-Patent 5 177 439 bezieht
sich auf Halter für
die Prüfung
freiliegender IC-Chips.
Der Halter wird aus einem Silicium-Wafer oder einem anderen Trägermaterial
hergestellt, das für
die Halbleiterverarbeitung geeignet ist. Das Trägermaterial wird einem chemischen Ätzvorgang
unterzogen, um so eine Vielzahl von hervorstehenden Flächen zu
erzeugen, die dem E/A-Muster auf dem freiliegenden IC-Chip entsprechen.
Die hervorstehenden Flächen
werden mit einem elektrisch leitenden Material beschichtet und mit einzelnen,
nach außen
führenden
Leiterbahnpfaden verbunden, um so eine Verbindung mit einem externen
Prüfsystem
zu ermöglichen.
Die in dieser Patentschrift beschriebene Prüfkopfgeometrie stellt weder eine
nachgiebige Kontaktfläche
für die
Prüfung
der Aluminium-Kontaktflecken
auf der IC-Einheit noch eine Wischkontaktfläche bereit. Das für die Herstellung
dieses Prüfkopfhalters
verwendete Trägermaterial
ist auf Halbleiter-Wafer beschränkt,
die verhältnismäßig teuer
sind. Für
die Herstellung des hoch integrierten Prüfkopfes mit gesteuertem Wischkontaktvorgang
können
verschiedene kostengünstige
Trägermaterialien
mit nach außen
führenden
Leiterbahnen verwendet werden.
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Die
am 22. November 1996 eingereichte, gleichzeitig anhängige US-Patentanmeldung
des Anmelders mit der laufenden Nummer 08/754 869 beschreibt einen
hoch integrierten Prüfkopf
für integrierte
Schaltkreiseinheiten. Die in diesem Dokument beschriebene Prüfkopfstruktur
verwendet kurze Metalldrähte,
die an einem Ende an die nach außen führenden Leiterbahnen auf einem
starren Trägermaterial angebondet
sind. Die Drähte
sind mit einem nachgiebigen Polymermaterial ummantelt, das ein Zusammendrücken der
Prüfköpfe ermöglicht,
wenn sie gegen die integrierte Schaltkreiseinheit gedrückt werden.
Die Draht-Prüfköpfe sind
ausreichend lang und weisen eine Winkelform auf, um eine dauerhafte
Verformung zu vermeiden, wenn sie gegen die integrierte Schaltkreiseinheit
gedrückt
werden.
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WO
96/16440 A lehrt eine Prüfkopfstruktur mit
einer isolierenden Beschichtung und einer elektrisch leitenden Beschichtung
auf den nachgiebigen Bauteilen des Prüfkopfes.
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WO
91/12706 A lehrt eine Prüfkopfstruktur, die
hoch integrierte Prüfspitzen
verwendet, welche in horizontaler Richtung biegsam sind, um sich
so an die vertikale Kontaktbelastung anpassen zu können.
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AUFGABEN
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Prüfkopf für die Prüfung integrierter Schaltkreiseinheiten
und anderer Elektronikbauteile bereitzustellen, die starre Kontaktflecken
für die
Verbindung verwenden.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
einer Prüfkopfstruktur,
die ein fester Bestandteil der nach außen führenden Leiterbahnen auf dem
Prüfträgermaterial
oder einem anderen Leiterplattenmittel ist, um die Länge des elektrischen
Leiters sowie den Kontaktwiderstand der Prüfkopffläche auf ein Mindestmaß zu verringern.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
eines Prüfkopfes
mit einer nachgiebigen Kontaktfläche,
um so geringfügige
Abweichungen in der Höhe
der starren Kontaktflecken auf der IC-Einheit sowie Schwankungen
in der Höhe der
Prüfkopfkontakte
auszugleichen.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
einer erhabenen Prüfspitze,
um einen Kontakt mit den vertieften Oberflächen auf der IC-Einheit herzustellen.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
einer Prüfkopfstruktur
mit elektrischen Eigenschaften für
eine niedrige Induktivität
und ein geringes Nebensprechen.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
einer Prüfkopfstruktur
mit einer verbesserten Lagetoleranz.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
einer Prüfkopfstruktur,
die für
die Prüfung
von Einzelchip- oder Mehrfachchip-Wafern mit hoher Leistung und
hoher Frequenz verwendet werden kann.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung stellt eine Prüfkopfstruktur nach
Anspruch 1 bereit.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Diese
und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden bei Betrachtung der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung
in Zusammenhang mit den Zeichnungsfiguren deutlich, bei denen:
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1 einen
Querschnitt durch die bevorzugte Ausführungsform des Hochleistungs-Prüfkopfes zeigt,
der mit einem Trägermaterial
verbunden ist und gegen die Aluminium- Kontaktflecken einer integrierten Schaltkreiseinheit
gedrückt
wird.
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Die 2 bis 6 die
Prozesse für
die Herstellung des nachgiebigen Prüfkopfes auf einem Trägermaterial
mit nach außen
führenden
Leiterbahnen zeigen.
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7 einen
Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform des Hochleistungs-Prüfkopfes zeigt.
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8 einen
Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform des Hochleistungs-Prüfkopfes zeigt.
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9 einen
Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform des Hochleistungs-Prüfkopfes zeigt.
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10 eine
Draufsicht auf eine Prüfkopfstruktur
ist, die Gruppen von Chipstellen auf einem Chip-Wafer zeigt.
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11 eine
schematische Darstellung verschiedener Formen von Prüfkopfdrähten zeigt,
die für die
praktische Durchführung
der vorliegenden Erfindung von Nutzen sind, wie beispielsweise S-förmig, C-förmig, durchgehend
gekrümmt,
teilweise gekrümmt,
teilweise gerade sowie Kombinationen dieser Formen.
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12 eine
schematische Darstellung alternativer Ausführungsformen der nachgiebigen
Gehäusestruktur
(17) zeigt, mit der die Struktur (20) für die Positionierung
der Prüfspitze
so getragen wird, dass sie in ihrer Lage bleibt und sich mit den
Enden (16) der Prüfspitze
bewegt, wenn diese in Kontakt mit den elektronischen Kontaktflecken
(31) gebracht werden.
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13 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung zeigt, mit der sich die
Prüfköpfe gemäß der vorliegenden
Erfindung so bewegen lassen, dass ein elektrischer Kontakt mit einem
Werkstück
wie z.B. einem geprüften
integrierten Schaltkreis (IC) hergestellt und unterbrochen werden
kann.
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Die 14 bis 17 ein
elektrochemisches Verfahren zeigen, mit dem die Strukturen gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt werden.
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Die 18 bis 20 verschiedene
Strukturen zeigen, mit denen sich für die mit dem Verfahren aus
den 14 bis 17 hergestellten äußeren Leiter
eine Eckverbindung herstellen lässt.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG
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1 zeigt
einen Querschnitt durch ein Prüfträgermaterial
(11) und einen Hochleistungs-Prüfkopf (10) gemäß der vorliegenden
Erfindung. Das Prüfträgermaterial
(11) stellt eine starre Basis für den Anschluss der Prüfköpfe (10)
und nach außen
führende Leiterbahnen
bereit, die von der hoch integrierten Anordnung der Prüfkopfkontakte
zu einem größeren Raster
von Anschlussstiften oder anderen Mitteln für die Verbindung mit der Vorrichtung
führt,
die für
die elektrische Prüfung
der integrierten Schaltkreiseinheit verwendet wird. Das Trägermaterial
mit nach außen
führenden
Leiterbahnen kann aus verschiedenen Materialien hergestellt sein
und verschiedene Bauweisen aufweisen, darunter Einzel- oder Mehrschichtkeramik
mit Dick- oder Dünnschichtleiterbahnen,
einem Silicium-Wafer mit Dünnschichtleiterbahnen
und einer Epoxid-Glasfaserlaminat-Bauweise mit Kupferleiterbahnanordnungen
von hoher Dichte. Die Prüfköpfe (10)
sind mit der ersten Oberfläche (12)
des Trägermaterials
(11) verbunden. Die Prüfköpfe dienen
zur elektrischen Kontaktierung der Aluminium-Kontaktflecken (31)
auf der geprüften
Einheit (30). Die geprüfte
Einheit (30) ist vorzugsweise ein IC-Chip. Die Kontaktflecken
(31), die üblicherweise aus
Aluminium bestehen, sind üblicherweise
gegenüber
der Oberfläche
der Passivierungsschicht (32) der integrierten Schaltkreiseinheit
(30) etwas vertieft ausgebildet. Die Geometrie des nachgiebigen
Prüfkopfes
(10) ist dahingehend optimiert, dass sie eine Wischkontaktfläche bereitstellt,
um die Oxide auf der Oberfläche
der Aluminium-Kontaktflecken
(31) zu durchdringen und so eine niederohmige Verbindung bereitzustellen.
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Der
Prüfkopf
(10) ist unmittelbar mit den nach außen führenden Leiterbahnen (13)
auf der ersten Oberfläche
(12) des Trägermaterials
(11) verbunden, um den Widerstand der Prüfkopfoberfläche auf ein
Mindestmaß zu
verringern. Die Prüfkopfgeometrie
ist für
die Bereitstellung einer biegsamen Kontaktfläche optimiert, welche die Richtung
und Länge
des Wischkontaktvorgangs steuert. Der Prüfkopfdraht (15) ist
von einem Polymermaterial (72) umgeben, das dem abgewinkelten
Draht (15) zusätzlichen
Halt und Elastizität
verleiht. Der Prüfkopfdraht
(15) und die erste Oberfläche (12) des Trägermaterials
(11) zwischen den Prüfköpfen (10)
mit Ausnahme der Prüfspitze
(16) sind vorzugsweise vollständig von dem Polymermaterial
(72) ummantelt. Eine dünne Schicht
eines elektrisch leitenden Materials (90) bedeckt vorzugsweise
die Oberfläche
des Polymermaterials (72), welches den Prüfkopfdraht
(15) umgibt, um so für
jeden Prüfkopfdraht
(15) einen eigenen Masseschirm bereitzustellen. Die Schicht
des elektrisch leitenden Materials (90) ist mit Masseanschlüssen (92)
auf der Oberfläche
(12) des Trägermaterials (11)
verbunden. Die Verbindung des elektrisch leitenden Materials (90)
mit Masse führt
zu einer erheblichen Verringerung des Nebensprechens zwischen den
sehr schnell zeitvariablen elektrischen Signalen, das entsteht,
indem ein unerwünschtes
elektrisches Signal in einem benachbarten Prüfkopfleiter induziert wird.
Die Stärke
und Zusammensetzung des Polymermaterials (72) kann variiert
werden, um die elastischen und elektrischen Eigenschaften des Hochleistungs-Prüfkopfes
(10) zu verändern.
Wenn der nachgiebige, hoch integrierte Prüfkopf (10) gegen die IC-Einheit
(30) gedrückt
wird, dreht sich der Prüfkopfdraht
(15) geringfügig,
und die Prüfspitze
(16) gleitet über
die Oberfläche
der Kontaktflecken (31) der IC-Einheit (30). Die
Länge des
Gleit- oder Wischkontaktvorgangs ist durch den Winkel und die Länge des Prüfkopfdrahtes
(15) und die Stärke
des Drucks des Prüfkopfes
(10) beschränkt.
Da jeder der Prüfköpfe (10)
von den benachbarten Prüfköpfen getrennt
ist, ist die Wärmeausdehnung
des Polymermaterials (72) für Anwendungen mit hohen Temperaturen
wie beispielsweise die Voralterung nicht von Belang. Bei dem Polymermaterial
(72) kann es sich z.B. um Polyimid, Polyamid-Imid und fluorierte
Polymere wie Teflon handeln.
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2 zeigt
einen Prozess, der zur Herstellung des Hochleistungs-Prüfkopfes
verwendet wird. Dabei werden mit einem Werkzeug für das kombinierte
Thermokompressions- und Ultraschallbonden Bondkugeln (14)
mit den nach außen
führenden
Leiterbahnen (13) auf der ersten Oberfläche (12) des starren
Trägermaterials
(11) verbunden. Das Drahtbondwerkzeug verwendet eine erste
Keramik-Kapillare (40), um das kugelförmige Ende des Bonddrahts (41)
gegen die erste Oberfläche
(12) des Trägermaterials
(11) zu drücken.
Druckkraft und Ultraschallenergie werden über die Spitze der ersten Kapillare
(40) ausgeübt,
während
die Wärmeenergie
von dem Drahtbondwerkzeug durch das Trägermaterial (11) übertragen
wird, um so das kugelförmige
Ende des Bonddrahts (41) auf die nach außen führenden
(13) der ersten Oberfläche
(12) des Trägermaterials
(11) zu kontaktieren. Der Bonddraht (41) ist in
einem Winkel angeordnet, und mit Hilfe einer Schneide (42) wird
der Bonddraht (41) so abgetrennt, dass ein abgewinkeltes
Drahtteilstück
(15) vertikal aus der Bondkugel (14) hervorsteht.
Die Bewegung der Keramik-Kapillare (40) wird während dieses
Vorgangs so gesteuert, dass ein kurzes gerades Teilstück des Drahts
(43) bereitgestellt wird, das rechtwinklig zur Oberfläche des
starren Trägermaterials
(11) ist.
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3 zeigt
einen (vorzugsweise Argon-Ionen-)Laser (50), mit dem die
Enden der kurzen geraden Teilstücke
des Drahts (43) geschmolzen werden, um einen kugelförmigen Kontakt
(16) herzustellen. Die glatte Oberfläche des kugelförmigen Kontakts (16)
eignet sich ideal als Wischkontaktfläche. Die Größe des kugelförmigen Kontakts
(16) am Ende des Prüfkopfdrahts
(15) wird durch die Leistungsdichte des Laserstrahls und
die Ausrichtung des Brennpunkts an der Spitze des geraden Drahtteilstücks (43)
gesteuert.
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4 zeigt
den Vorgang, mit dem die Enden der kugelförmigen Prüfkopfkontakte mit einem Schutzmaterial
(62) beschichtet werden. Das Schutzmaterial (62)
kann ein Polymer wie beispielsweise Polyimid oder Polyamid sein.
Das Trägermaterial (11) wird
so über
dem Behälter
(60) mit dem flüssigen Schutzmaterial
(61) angeordnet, dass die kugelförmigen Kontakte (16)
in die Flüssigkeit
(61) eintauchen. Nachdem die Prüfspitzen (16) mit
dem Schutzmaterial (62) beschichtet sind, wird das Trägermaterial
(11) wieder in seine Ausgangslage gebracht, und eine vorübergehende
Sperrschicht (70) wird um die Anordnung der Prüfkopfdrähte (15)
gelegt, wie aus 5 hervorgeht. Der durch die
vorübergehende
Sperrschicht (70) gebildete Hohlraum wird mit einem flüssigen Polymermaterial
(71) gefüllt,
das die Prüfkopfdrähte (15)
mit einer dünnen
Polymerbeschichtung (72) überzieht. Der Vorgang wird
so gesteuert, dass an jedem Prüfkopfdraht
(15) und auf der ersten Oberfläche (12) des Trägermaterials
(11) zwischen den Prüfkopfdrähten (15)
eine gleichförmige,
einheitliche Stärke
des Polymermaterials, bei dem es sich z.B. um Paraxylol (72)
handeln kann, entsteht. Alternativ kann die Prüfkopfstruktur (10)
nach dem Aufbringen der Schutzbeschichtung (62) auf den
Drahtenden (15) in eine Lösung getaucht werden, während gleichzeitig
ein Strom durch die Drähte
(15) fließt,
um so die Oberflächen
der Drähte
(15) mittels Elektrolyse mit einem Polymer wie beispielsweise
Polyimid zu beschichten. In diesem Zusammenhang nützliche Prozesse
werden in der US-Patentschrift 5 152 880 sowie in den US-Patentschriften
5 021 129, 5 242 713 und 5 242 551 beschrieben.
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6 zeigt
den Prozessschritt, mit dem die elektrische leitende Schicht (90)
auf die Oberfläche des
Polymermaterials (72) aufgebracht wird. Die elektrisch
leitende Schicht (90) kann mittels stromloser Plattierungs-,
elektrophoretischer Beschichtungs-, Zerstäubungs- oder Verdampfungsprozesse aufgebracht
werden, wobei Palladium, Chrom, Kupfer oder andere elektrisch leitende
Materialien eingesetzt werden können.
Auch elektrisch leitende Polymere können als Basisschicht (90)
auf der Oberfläche
des isolierenden Polymermaterials (72) verwendet werden.
Nach dem Aufbringen der elektrisch leitenden Schicht (90)
wird die Schutzbeschichtung (62) auf den Prüfspitzen
(16) entfernt, so dass die kugelförmigen Kontakte (16)
freiliegen. Die Beschichtung (62) kann ein wasserlösliches
Wachs oder ein anderes Wachs sein, das später mit gängigen Techniken entfernt werden
kann.
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Wenn
ein elektroaktives Material wie Polyimid als Schicht (72)
verwendet wird, kann die elektrisch leitende Schicht (90)
anhand der in US-Patentschrift 5 242 713 beschriebenen Verfahren
elektrochemisch aufgebracht werden. Wenn ein halogeniertes Polymermaterial,
z.B. ein perfluoriertes Polymer wie Teflon (eingetragenes Warenzeichen
der Firma Dupont), als Isolierschicht (70) verwendet wird,
kann eine elektrisch leitende Schicht gemäß den Lehren von US-Patentschrift
5 374 454 elektrochemisch darauf aufgebracht werden.
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7 zeigt
einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform des Hochleistungs-Prüfkopfes
(110). Diese Ausführungsform
(110) verwendet dieselbe Bauweise wie die Ausführungsform
(10) aus 1, jedoch ohne die elektrisch
leitende Schicht (90) auf der Oberfläche des Polymermaterials (72).
Zwar ist die elektrische Leitfähigkeit
dieser Ausführungsform
weniger gut als diejenige der bevorzugten Ausführungsform, sie bietet als
Hauptvorteil jedoch geringere Herstellungskosten. Bei dieser Ausführungsform
kann die Beschichtung (72) auch aus einem hoch elastischen
Material wie beispielsweise einem starren Metall, z.B. Invar, Cu/Invar/Cu oder
Nickel, bestehen, wodurch die Flexibilität des länglichen Leiters (15)
erhöht
wird.
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8 zeigt
einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform des Hochleistungs-Prüfkopfes
(120). Diese Ausführungsform
verwendet eine dünne
Schicht (81) (vorzugsweise Invar), um die Positionsgenauigkeit
der Prüfspitze
(16) zu steuern. Die dünne
Schicht (81) kann aus einem beliebigen Material wie Metall,
Polymer, Glas und Keramik bestehen. Invar wurde ausgewählt, da
sein thermischer Ausdehnungskoeffizient nahe bei dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten
des zu prüfenden IC-Chips
(30) mit Silicium-Wafer liegt. Andere Materialien mit einem
thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 2 ppm bis 8
ppm können
ebenfalls für
die Oberflächenschicht
(81) verwendet werden. In der dünnen Schicht (81)
werden eine Vielzahl von Öffnungen
(82) ausgebildet und an den entsprechenden Prüfspitzen
(16) ausgerichtet. Die dünne Invar-Schicht (81)
wird von einem Elastomergehäuse (80)
getragen, das die Prüfkopfanordnung
umgibt. Die dünne
Invar-Schicht (81) kann außerdem sowohl an der Ober-
als auch an der Unterseite mit einer dünnen Schicht eines Polymermaterials
beschichtet oder laminiert sein, um so die dünne Schicht (81) gegen
die Prüfspitze
(16) zu isolieren.
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9 zeigt
einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform des Hochleistungs-Prüfkopfes
(130). Diese Ausführungsform
hat insofern Ähnlichkeit
mit der Ausführungsform
aus 7, als sie eine dünne Invar-Schicht (81)
verwendet, um die Positionsgenauigkeit der Prüfspitze (16) zu steuern. Außerdem verwendet
diese Ausführungsform
ebenfalls ein nachgiebiges, elektrisch leitendes Polymer (83)
wie beispielsweise elektrisch leitendes Siloxan oder einen elektrisch
leitenden Elastomerschaum, um den Hohlraum zwischen den Prüfkopfdrähten (15)
zu füllen,
der durch das Elastomergehäuse
(80) und die dünne
Schicht (81) gebildet wird. Das nachgiebige, elektrisch
leitende Polymer (83) ist mit einem Masseanschluss (92)
auf der ersten Oberfläche
(12) des Trägermaterials
(11) kontaktiert und stellt für jeden Prüfkopfdraht (15) einen
Masseschirm bereit. Elektrisch leitende Polymere werden in US-Patentschrift
5 198 153 beschrieben.
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Wie
in 13 gezeigt, wird eine Struktur wie beispielsweise
diejenige aus 3 in einen Behälter (1302)
mit einer elektrolytischen Lösung
(1304) getaucht, wie sie beispielsweise in US-Patentschrift
5 152 880 beschrieben wird, um so ein Ausfällen von Polyimid aus einer
Polyimid-Lösung
oder ein Ausfällen
von Polyimid aus einer Polyisomid-Lösung zu erhalten, wie dies
in den US-Patentschriften 5 021 129, 5 242 713 und 5 242 551 beschrieben
wird, die durch Bezugnahme als Bestandteil dieser Patentanmeldung
gelten. Wie in diesen Patentschriften beschrieben, werden die geeigneten
Ströme
und Vorspannungen an die Drähte
(15) angelegt, indem die Ströme und Spannungen an Kontaktflecken
wie beispielsweise die Kontaktflecken (1317) angelegt werden,
die mit den einzelnen Drähten
(15) elektrisch verbunden sind, um so eine Polymerbeschichtung (1402)
aus 14 zu erhalten. Die Struktur 1404 aus 14 mit
polymerbeschichteten Drähten
(1406) kann dann in eine elektrolytische Lösung getaucht werden,
wie sie in US-Patentschrift 5 242 713 beschrieben wird, um auf der
Polymerbeschichtung (1402) eine Metallbeschichtung wie
beispielsweise eine Kupferbeschichtung abzulagern. Dies lässt sich erreichen,
indem die Lösung
(1304) aus 14 durch die Lösung aus
US-Patentschrift 5 242 713 ersetzt wird und die geeignete Vorspannung
und der geeignete Strom an den Kontakt (1317) angelegt werden,
um die Struktur aus 15 mit der Isolierbeschichtung
(1404) des elektrischen Leiters (1502) zu erhalten.
Wenn die Struktur aus 15 aus dem Behälter (1302)
entnommen wird, kann die Schutzschicht (62) wie oben beschrieben
entfernt werden, um so die Struktur aus 16 zu
erhalten.
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Wie
mit Blick auf 9 beschrieben, kann der Raum
zwischen den länglichen
Leitern mit einem Material (1704) gefüllt werden. Das Material kann
ein elektrisch leitendes Polymer sein, das eine gemeinsame elektrische
Verbindung zwischen der elektrisch leitenden Schicht (1502)
und den länglichen
Leitern (15) bereitstellt. Das Material (1704)
kann über
den Kontaktflecken (1702) elektrisch kontaktiert werden. Alternativ
kann das Material (1704) ein isolierendes Material sein,
das mit elektrisch leitenden Partikeln (1706), z.B. Metallpartikeln,
gefüllt
ist. Alternativ kann das Material (1704) eine Mischung
aus einem elektrisch nichtleitenden und einem elektrisch leitenden Polymer
sein. Alternativ kann eine dünne
Schicht (1808) wie beispielsweise (81) aus 9 auf
die Enden des koaxialen, länglichen
Leiters aufgebracht werden, wie aus 18 hervorgeht.
Die dünne Schicht
(1808) kann ein elektrischer Leiter oder eine mehrschichtige
Dünnschicht
mit einer elektrisch nichtleitenden und einer elektrisch leitenden
Schicht sein. Die dünne
Schicht (1802) kann mittels eines elektrisch leitenden
Klebstoffs oder einer Lötverbindung
an der Stelle (1804) auf dem äußeren Leiter (1502)
kontaktiert sein, um eine gemeinsame elektrische Verbindung zwischen
den äußeren Leitern (1402)
der einzelnen koaxialen, länglichen
Leiter (1806) zu bilden. Die elektrische Kontaktierung
kann auf der Dünnschicht
(1802) wie beispielsweise an der Stelle (1810)
hergestellt werden, damit diese ein festes Potenzial beibehält, wie
dies in den Patentschriften beschrieben wird, die durch Bezugnahme
als Bestandteil dieser Patentanmeldung gelten. Das Trägermaterial
(11) kann so gestaltet sein, dass die elektrisch leitenden
Kontaktflecken (21) auf der Oberfläche (19) mit den länglichen
Leitern (15) elektrisch verbunden sind, um so eine Vorspannung
für die elektrochemischen
Prozesse bereitzustellen. Wenn alternativ, wie in 15 gezeigt,
die elektrochemische Ablagerung der elektrisch leitenden Schicht (1502)
ausreichend lange dauern kann und wenn die elektrisch leitenden
Kontaktflecken (1902) aus 19 nahe
beieinander liegen, dann überbrücken die
elektrisch leitenden Schichten (1502) der nebeneinander
liegenden länglichen
Leiter (15) die Lücke zwischen
den Kontaktflecken (1502) und vereinigen sich, wie dies
an der Stelle (1704) gezeigt ist, um so einen gemeinsamen, äußeren elektrischen
Leiter zu bilden, der auf ein gemeinsames Potenzial vorgespannt
werden kann, wie dies an der Stelle (1906) gezeigt ist.
Alternativ kann in 14 die Schutzschicht (62)
weggelassen werden. Wenn der mittlere längliche Leiter (15)
vollständig
in die Lösung
aus 13 eintaucht, wird er vollständig mit der dielektrischen
Beschichtung (1406) und der elektrisch leitenden Schicht
(1502) überzogen.
Die beschichteten Enden des länglichen
Leiters (15) werden in Ätzmittel getaucht,
um die Schichten (1402) und (1502) an den Enden
zu entfernen und die Struktur aus 17 zu erhalten.
Alternativ kann ein Laser verwendet werden, um die Schichten (1402)
und (1502) an den Enden der länglichen Leiter (15)
wegzubrennen oder zu verdampfen. Alternativ können diese Schichten auch abgeschliffen
werden.
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17 ist
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, mit der sich die
Prüfkopfstruktur
(10) in Richtung der elektronischen Vorrichtung (204)
bewegen bzw. von dieser wegbewegen lässt, so dass die Prüfspitzen
(210) mit den elektrisch leitenden Kontaktflecken (212)
der elektronischen Vorrichtung (204) Kontakt bzw. keinen
Kontakt haben. Der Prüfkopf
(20) ist an einem Halter (200) befestigt, der
ein Mittel (214) aufweist, mit dem Strom durch die Prüfspitzen
(210) fließen
kann. Die elektronische Einheit (204) wird von einer Basis
(206) getragen. Der Halter (200) ist physisch
mit dem Tragelement (202) verbunden, das in den Arm (208)
und dieser wiederum in die Basis (206) übergeht. Das Tragelement (202) ist
für eine
Aufwärts-
und Abwärtsbewegung
geeignet. Beispiele für
eine Vorrichtung mit einem Mittel für das Tragen und die Aufwärts- und
Abwärtsbewegung können US-Patentschrift
5 439 161 und US-Patentschrift 5 132 613 entnommen werden, deren
Lehren durch Bezugnahme als Bestandteil dieser Patentanmeldung gelten.
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Diese
elektrisch leitenden Polymere können mit
elastomeren Materialien kombiniert werden, um so elastomere, elektrisch
leitende Polymermaterialien zu erhalten.
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Weitere
Ausführungsformen
des Hochleistungs-Prüfkopfes
sind möglich,
indem die Geometrie des Prüfkopfdrahts
oder der Prüfspitze
geändert wird.
So kann der Prüfkopfdraht
winkelförmig,
kurvenförmig
oder gerade und die Prüfspitze
kugelförmig,
gerade oder abgeflacht ausgeführt
sein.
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Außerdem wird
auf die Lehren der folgenden, gemeinsam anhängigen Patentanmeldungen hingewiesen:
US-Patentschrift
5 371 654 mit dem Titel „THREE
DIMENSIONAL HIGH PERFORMANCE INTERCONNECTION PACKAGE"
US-Patentanmeldung,
laufende Nummer 08/614 417, mit dem Titel „HIGH DENSITY CANTILEVERED PROBE
FOR ELECTRONIC DEVICES"
US-Patentanmeldung,
laufende Nummer 08/641 667, mit dem Titel HIGH DENSITY TEST PROBE WITH
RIGID SURFACE STRUCTURE"
US-Patentanmeldung,
laufende Nummer 08/527 733, mit dem Titel „INTERCONNECTOR WITH CONTACT
PADS HAVING ENHANCED DURABILITY"
US-Patentanmeldung,
laufende Nummer 08/752 469, mit dem Titel „FOAMED ELASTOMERS FOR WAFER
PROBING APPLICATIONS AND INTERPOSER CONNECTORS"
US-Patentanmeldung, laufende Nummer
08/744 903, mit dem Titel „INTEGRAL
RIGID CHIP TEST PROBE"
US-Patentanmeldung,
laufende Nummer 08/756 831, mit dem Titel „HIGH TEMPERATURE CHIP TEST
PROBE"
US-Patentanmeldung,
laufende Nummer 08/756 830, mit dem Titel „A HIGH DENSITY INTEGRAL TEST
PROBE AND FABRICATION METHOD"
US-Patentanmeldung,
laufende Nummer 08/754 869, mit dem Titel „HIGH DENSITY INTEGRATED CIRCUIT
APPARATUS, TEST PROBE AND METHODS OF USE THEREOF"