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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen das Gebiet von elektrischen
Verbindungs- (Kontakt-) Elementen und insbesondere Verbindungselemente
und Spitzenstrukturen, die zum Bewirken von Druckverbindungen zwischen
elektronischen Bauteilen geeignet sind.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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Im
Allgemeinen können
Verbindungen zwischen elektronischen Bauteilen in die zwei breiten Kategorien
von "relativ dauerhaft" und "leicht demontierbar" klassifiziert werden.
Ein Beispiel einer relativ dauerhaften Verbindung ist eine Lötverbindung.
Sobald zwei elektronische Bauteile aneinander gelötet sind,
muss ein Prozess des Entlötens
verwendet werden, um die Bauteile zu trennen. Eine Drahtbondverbindung
wie z.B. zwischen einem Halbleiterchip und den inneren Anschlussleitungen
eines Halbleitergehäuses
(oder den inneren Enden von Leiterrahmenzinken) ist ein weiteres
Beispiel für
eine relativ dauerhafte Verbindung.
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Ein
Beispiel für
eine leicht demontierbare Verbindung sind starre Anschlussstifte
eines elektronischen Bauteils, die von elastischen Steckfassungselementen
eines anderen elektronischen Bauteils aufgenommen werden. Die Steckfassungselemente üben eine
Kontaktkraft (Druck) auf die Anschlussstifte in einem Ausmaß aus, das
ausreicht, um eine zuverlässige
elektrische Verbindung zwischen diesen sicherzustellen. Eine weitere
Art einer leicht demontierbaren Verbindung sind Verbindungselemente (hierin
auch als Federn, Federelemente, Federkontakte oder Federkontaktelemente
bezeichnet), die selbst elastisch, federnd oder in und/oder an einem Federmedium
angebracht sind. Ein Beispiel eines solchen Federkontaktelements
ist eine Nadel eines Nadelkartenbauteils. Solche Federkontaktelemente sollen
typischerweise vorübergehende
Druckverbindungen zwischen einem Bauteil, an dem sie angebracht
sind, und Anschlüssen
eines anderen Bauteils wie z.B. eines zu prüfenden Halbleiterbauelements herstellen.
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Spitzenstrukturen
werden häufig
an einem Ende eines Verbindungselements angebracht (oder befestigt
oder mit diesem gekoppelt). Spitzenstrukturen sehen eine gewünschte Spitzenform
für die
Verbindungselemente vor und sind bei der Bereitstellung eines Kontakts
mit kleiner Fläche
mit einer gesteuerten Geometrie, der einen reproduzierbaren hohen Druck
erzeugt, besonders nützlich.
Spitzenstrukturen werden zunehmend kritisch, wenn die Verbindungselemente
selbst immer kleiner werden. Eine Spitzenstruktur kann auch topologische
Strukturen auf ihrer Oberfläche
aufweisen, um die Bereitstellung eines elektrischen Kontakts zwischen
den zwei elektrischen Bauteilen zu unterstützen. Der Zweck der Spitzenstruktur
besteht beispielsweise typischerweise darin, die nicht-leitende
Schicht (häufig
Korrosion, Oxidationsprodukte oder andere Arten von verunreinigten
Filmen) auf den Anschlüssen
des getesteten elektrischen Bauteils zu durchbrechen. Wenn eine Kontaktkraft aufgebracht
wird, bringt das Verbindungselement einen Druck auf den Anschluss
des zu prüfenden
elektronischen Bauteils auf und bewirkt, dass die Spitzenstruktur über den
Anschluss ausgelenkt wird. Diese kleine horizontale Bewegung der Spitzenstruktur über die
Oberfläche
des entsprechenden Anschlusses ermöglicht, dass die Spitzenstruktur
die nicht-leitende Schicht auf dem Anschluss durchdringt, wodurch
ein guter elektrischer Kontakt zwischen den zwei elektronischen
Bauteilen hergestellt wird. Die Spitzenstruktur 10, die
am Verbindungselement 12 (in 1A und 1B gezeigt) angebracht
ist, weist beispielsweise ein Messer 14 auf, das seitwärts über die
nicht-leitende Schicht kratzt, um einen elektrischen Kontakt zu
erzielen.
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Es
gibt eine Anzahl von Problemen, die mit dem Erzielen des vorstehend
beschriebenen elektrischen Kontakts verbunden sind. Wenn die Anschlusskontaktflächen auch
kleiner werden, wird erstens die horizontale Bewegung der Spitzenstruktur 10 ein
Problem. Wenn die Spitzenstruktur 10 dazu gebracht wird,
sich über
den Anschluss auszulenken (siehe 1B), kann
sie zweitens auch nach unten und vom Anschluss weggedrückt werden,
was verursacht, dass sich das Messer 14 der Spitzenstruktur 10 vom
Anschluss wegdreht, wenn die Spitzenstruktur 10 über den
Anschluss ausgelenkt wird. Die Drehung des Messers 14 weg
vom Anschluss des zu prüfenden
elektronischen Bauteils verringert die Möglichkeiten, dass die Spitzenstruktur
einen zuverlässigen
elektrischen Kontakt mit dem Anschluss des elektronischen Bauteils
erzielt. Wenn die Spitzenstruktur bei einem Versuch, die nicht-leitende
Oberfläche
zu durchdringen und einen guten elektrischen Kontakt herzustellen, über die
nicht-leitende Oberfläche
des Anschlusses kratzt, tritt ferner häufig eine Streuteilchenansammlung
entlang des Messers 14 und der oberen Oberfläche der
Spitzenstruktur 10 auf. Diese Ansammlung kann zu einem
hohen Kontaktwiderstand zwischen der Spitzenstruktur und dem Anschluss
beitragen, der ungenaue Spannungspegel während der Bauelementprüfung aufgrund
der über
der Spitzenstruktur erzeugten Spannung verursachen kann. Die ungenauen
Spannungspegel können
verursachen, dass ein Bauelement fälschlich versagt, was zu niedrigeren
Testausbeuten führt,
wenn der Kontakt in einer Bauelementtestumgebung verwendet wird.
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Ein
Doppelschleifenkontakt für
einen elektrischen Verbindungsstecker ist in
US 5 573 435 offenbart. Der Verbindungsstecker
ist mit einer mit Spitze versehenen Spitzenstruktur an beiden Enden
versehen, die in die Oberflächen
einer oberen und einer unteren Kontaktstelle eindringt, wenn ein
senkrechter Kontaktdruck ausgeübt
wird, indem die obere Kontaktstelle an die untere angenähert wird.
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In
US 5 230 632 ist ein elektrisches
Doppelelement-Kontaktelement
an beiden Enden mit Kontaktspitzen versehen. Zum Verbessern des
elektrischen Kontakts, wenn zwei Kontaktstellen verbunden werden,
werden dendritische Elemente auf beiden Kontaktspitzen des Kontaktelements
gezüchtet.
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US 5 092 782 offenbart eine
einteilige elastomere Kartensteckerleiste mit einer Vielzahl von
sägezahnförmigen Vorsprüngen, die
sich in einer geneigten Richtung von einer Oberfläche erstrecken.
Wenn ein elektrischer Anschluss kontaktiert wird, werden die Vorsprünge gebogen
und führen
eine Streifwirkung an dem kontaktierten Anschluss durch, um den elektrischen
Kontakt zu verbessern.
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Folglich
ist eine Spitzenstruktur, die die Teilchenansammlung entlang eines
Messers der Spitzenstruktur minimiert und den Kontaktdruck der Spitzenstruktur
mit einem zu kontaktierenden Anschluss maximiert, erwünscht, ebenso
wie eine elektrische Kontaktstruktur und eine Vorrichtung, die die Spitzenstruktur
verwendet, und ein Verfahren zur Herstellung derselben.
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Die
Erfindung ist in den Ansprüchen
1, 18, 19 bzw. 28 definiert.
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Spezielle
Ausführungsbeispiele
sind in den abhängigen
Ansprüchen
dargelegt.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Eine
Vorrichtung und ein Verfahren, die verbesserte Verbindungselemente
und Spitzenstrukturen zum Bewirken von Druckverbindungen zwischen Anschlüssen von
elektronischen Bauteilen bereitstellen, werden beschrieben. Die
Spitzenstruktur der vorliegenden Erfindung weist ein geschärftes Messer auf,
das auf der oberen Oberfläche
der Spitzenstruktur derart orientiert ist, dass die Länge des
Messers zur Richtung der horizontalen Bewegung der Spitzenstruktur,
wenn sich die Spitzenstruktur über
den Anschluss eines elektronischen Bauteils auslenkt, im Wesentlichen
parallel ist. Auf diese Weise durchschneidet das geschärfte, im
Wesentlichen parallel orientierte Messer sauber irgendeine (irgendwelche) nicht-leitende(n)
Schicht(en) auf der Oberfläche
des Anschlusses und sieht eine zuverlässige elektrische Verbindung
zwischen dem Verbindungselement und dem Anschluss des elektrischen
Bauteils vor.
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BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1A ist
eine Seitenansicht eines Verbindungselements und einer Spitzenstruktur,
die im Stand der Technik bekannt sind.
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1B ist
eine Seitenansicht eines Verbindungselements und einer Spitzenstruktur,
die im Stand der Technik bekannt sind, unter Auslenkung.
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2A ist
eine Seitenansicht eines Verbindungselements und einer Spitzenstruktur
der vorliegenden Erfindung.
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2B ist
eine bildhafte Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Spitzenstruktur
der vorliegenden Erfindung.
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2C ist
eine Seitenansicht, die ein Verbindungselement und eine Spitzenstruktur
der vorliegenden Erfindung unter Auslenkung zeigt.
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2D ist
eine Seitenansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels der vorliegenden
Erfindung, die ein Verbindungselement mit einem im Wesentlichen
parallel orientierten Messer an einem Ende zeigt.
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3A ist
eine Querschnittsansicht eines länglichen
Verbindungselements.
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3B ist
eine Querschnittsansicht eines länglichen
Verbindungselements.
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3C ist
eine Querschnittsansicht eines länglichen
Verbindungselements.
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4A ist
eine bildhafte Darstellung eines verallgemeinerten Ausführungsbeispiels
der Erfindung, die vorgefertigte Kontaktspitzenstrukturen und die
Verbindungselemente, mit denen sie verbunden werden, zeigt.
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4B ist
eine Querschnittsseitenansicht der Kontaktspitzenstrukturen von 4A,
die durch Hartlöten
mit den Verbindungselementen von 4A verbunden
sind.
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4C ist
eine Querschnittsseitenansicht der Kontaktspitzenstrukturen von 4A,
die durch Hartlöten
mit den Verbindungselementen von 1A verbunden
sind, nachdem das Opfersubstrat entfernt ist.
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5A–5C sind
Querschnittsansichten von Schritten bei einem Prozess zur Herstellung
von freitragenden Spitzenstrukturen auf einem Opfersubstrat für Verbindungselemente
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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5D ist
eine bildhafte Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer freitragenden
Spitzenstruktur, die auf einem Opfersubstrat ausgebildet ist, gemäß der Erfindung.
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5E ist
eine bildhafte Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer freitragenden Spitzenstruktur,
die auf einem Opfersubstrat ausgebildet ist, gemäß der Erfindung.
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5F ist
eine Seitenansicht, die die freitragende Spitzenstruktur von 5E an
einem erhabenen Verbindungselement auf einer Oberfläche eines elektronischen
Bauteils angebracht zeigt.
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5G ist
eine Vorderansicht der freitragenden Spitzenstruktur von 5E,
die an einem erhabenen Verbindungselement auf einer Oberfläche eines
elektronischen Bauteils angebracht ist.
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5H ist
eine Querschnittsansicht einer freitragenden Spitzenstruktur, die
an einem erhabenen Verbindungselement, das in 5D dargestellt ist,
angebracht ist.
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5I ist
eine Seitenquerschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels
zur Herstellung von freitragenden Spitzenstrukturen gemäß einem alternativen
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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5J ist
eine Querschnittsvorderansicht des Ausführungsbeispiels, das in 5I dargestellt ist.
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5K ist
eine Seitenquerschnittsansicht der freitragenden Spitzenstruktur,
die in den 5I und 5J dargestellt
und an einem elektronischen Bauteil angebracht ist, gemäß einem
alternativen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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6A ist
eine bildhafte Darstellung einer Spitzenstruktur der vorliegenden
Erfindung mit einem Messer mit pyramidenförmigen Kanten.
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6B ist
eine bildhafte Darstellung einer Spitzenstruktur der vorliegenden
Erfindung mit diamantförmigen
Kanten.
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7A ist
eine Draufsicht auf eine Spitzenstruktur der vorliegenden Erfindung
mit zwei Messern.
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7B ist
eine Querschnittsansicht einer Spitzenstruktur der vorliegenden
Erfindung mit zwei Messern, die durch eine Brücke verbunden sind.
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7C ist
eine Querschnittsansicht einer Spitzenstruktur der vorliegenden
Erfindung mit zwei Messern in einer nebeneinanderliegenden Position.
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8A ist
eine bildhafte Darstellung einer Spitzenstruktur der vorliegenden
Erfindung mit einem Messer, das ein primäres Messer und ein hinteres Messer
aufweist.
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8B ist
eine Querschnittsansicht der Spitzenstruktur von 8A.
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9A ist
eine Querschnittsansicht einer Spitzenstruktur und eines im wesentlichen
parallel orientierten Messers der vorliegenden Erfindung, die an
Kobra-Sonden befestigt ist.
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9B ist
eine Querschnittsansicht von Kobra-Sonden mit einem im Wesentlichen
parallel orientierten Messer an einem Ende.
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10 ist
eine bildhafte Darstellung einer Spitzenstruktur der vorliegenden
Erfindung mit einem freistehenden Messer.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Eine
Vorrichtung und ein Verfahren, die verbesserte Verbindungselemente
und Spitzenstrukturen bereitstellen, die zum Bewirken von Druckverbindungen
zwischen Anschlüssen
von elektronischen Bauteilen geeignet sind, werden beschrieben.
In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche spezielle Details
dargelegt, wie z.B. Materialarten, Abmessungen, Bearbeitungsschritte
usw., um für
ein gründlicheres
Verständnis
der vorliegenden Erfindung zu sorgen. Es ist jedoch für einen
Fachmann offensichtlich, dass die Erfindung ohne diese speziellen
Details ausgeführt
werden kann. In anderen Fällen
wurden gut bekannte Elemente und Bearbeitungsverfahren nicht in
speziellem Detail gezeigt, um zu vermeiden, dass die vorliegende
Erfindung unnötigerweise schwer
verständlich
wird. Obwohl die vorliegende Erfindung bezüglich der Verwendung als Nadel
eines Nadelkartenbauteils erörtert
wird, die eine elektrische Verbindung zwischen der Nadelkarte und
einem Anschluss eines zu prüfenden
elektrischen Bauteils bereitstellt, ist die vorliegende Erfindung
ferner nicht auf die Verwendung in einer Nadelkarte begrenzt und kann
verwendet werden, um elektrische Verbindungen zwischen anderen elektrischen
Bauteilen unter anderen Verhältnissen
vorzusehen.
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Überblick über die
vorliegende Erfindung
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Wie
vorher erörtert,
gibt es eine Anzahl von Problemen, die mit der Verwendung der Verbindungselemente
und Spitzenstrukturen verbunden sind, die derzeit auf dem Fachgebiet
bekannt sind, um einen guten elektrischen Kontakt zwischen zwei elektronischen
Bauteilen zu erzielen. Die vorliegende Erfindung wendet sich diesen
Problemen zu, indem sie ein Verbindungselement mit einer Spitzenstruktur mit
einem geschärften
Messer bereitstellt, das auf der oberen Oberfläche der Spitzenstruktur derart
orientiert ist, dass die Länge
des Messers im Wesentlichen parallel (innerhalb ungefähr ± 15° parallel)
zur Richtung der horizontalen Bewegung der Spitzenstruktur verläuft, wenn
die Spitzenstruktur über
den Anschluss des zu prüfenden
elektronischen Bauteils ausgelenkt wird. Durch die Verwendung der
vorliegenden Erfindung wird ein zuverlässiger elektrischer Kontakt
zwischen den elektronischen Bauteilen hergestellt. Sobald die Spitzenstruktur
den Anschluss des elektronischen Bauteils kontaktiert, drückt das Verbindungselement
die Spitzenstruktur so, dass sie sich über die Oberfläche des
Anschlusses auslenkt, so dass das Spitzenstrukturmesser die nicht-leitende(n)
Schicht(en) auf der Oberfläche
des Anschlusses durchschneidet (durchdringt). Das elektronische Bauteil
kann eine integrierte Schaltung, eine Verbindungsplatine, ein Halbleiterwafer
oder eine Leiterplatte sein.
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2A zeigt
eine Seitenansicht der vorliegenden Erfindung, die ein Federkontaktelement 24 darstellt,
das an einem Ende mit einem Substrat 26 gekoppelt ist und
eine Spitzenstruktur 20 aufweist, die an einem entgegengesetzten
Ende mit diesem gekoppelt ist. 2B ist
eine bildhafte Darstellung der Spitzenstruktur 20 der vorliegenden
Erfindung mit einem Messer 22 an der oberen Oberfläche der Spitzenstruktur 20.
Bei diesem Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung weist das Messer 22 ein Kontaktelement
auf, dessen Flächen,
wenn sie weitergeführt
sind, eine Linie im Raum bilden. Wenn die Spitzenstruktur 20 mit
einem Anschluss eines elektronischen Bauteils (nicht dargestellt)
in Kontakt gebracht und eine Kraft aufgebracht wird, wird die Spitzenstruktur 20 über die
Oberfläche
des Anschlusses ausgelenkt. Wenn sich die Spitzenstruktur 20 über den
Anschluss auslenkt, durchdringt das Messer 22 der Spitzenstruktur 20 die
nicht-leitende Schicht auf der Oberfläche des Anschlusses. 2C ist
eine Seitenansicht der vorliegenden Erfindung. Die gestrichelten
Linien von 2C zeigen das Verbindungselement 24 und
die Spitzenstruktur 22 nach der Auslenkung über den
Anschluss. ΔX
stellt das Ausmaß an
seitlicher (oder horizontaler) Auslenkung der Spitzenstruktur 20 dar.
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Das
Messer 22 ist auf der oberen Oberfläche der Spitzenstruktur 20 derart
orientiert, dass die Länge
(L) des Messers zur Richtung der horizontalen Bewegung (ΔX) der Spitzenstruktur 20,
wenn die Spitzenstruktur 20 über den Oberflächenanschluss
ausgelenkt wird (siehe 2C), im Wesentlichen parallel ist.
Die Orientierung des Messers 22 im Wesentlichen parallel
zur Richtung der horizontalen Bewegung der Spitzenstruktur ermöglicht,
dass das Messer 22 irgendeine (irgendwelche) nicht-leitende Schicht(en)
auf der Oberfläche
des Anschlusses durchtrennt (oder durchschneidet).
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2D stellt
ein alternatives Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung dar, wobei das Messer 26 vielmehr
am Ende des Federkontaktelements 28 selbst ausgebildet
ist, als dass es sich an einer separaten Spitzenstruktur befindet.
Auf diese Weise kann ein im Wesentlichen parallel orientiertes Messer 26 ohne überführte Spitzenstruktur
(wie z.B. die Spitzenstruktur 20 in 2A) ausgebildet
werden. Das Messer 26 kann am Ende des Federkontakts 28 durch
verschiedene Verfahren, einschließlich, jedoch nicht begrenzt
auf einen Plattierungs- oder maschinellen Bearbeitungsprozess (wie
z.B. die Verwendung eines Stempels, einer Matrize, von Elektropolieren
oder elektrostatischer Entladung), ausgebildet werden.
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Die
Orientierung des Messers 22 an der oberen Oberfläche der
Spitzenstruktur 20 (oder des Messers 26, das am
Ende des Federelements 28 ausgebildet ist) im wesentlichen
parallel zur Richtung der horizontalen Bewegungskomponente der Spitzenstruktur 20 (nachstehend
allgemein als parallele Orientierung bezeichnet) sieht zahlreiche
Vorteile gegenüber
Spitzenstrukturen des Standes der Technik vor. Erstens ermöglicht die
parallele Orientierung der geschärften
Kante entlang der Länge
(L) des Messers 22, dass das Messer 22 sauber
durch die nicht-leitende Schicht am Anschluss schneidet und eine
gute elektrische Verbindung mit dem Anschluss des zu prüfenden elektrischen
Bauteils herstellt. Im Gegensatz dazu sieht die im Wesentlichen
senkrechte Orientierung der Messer von Spitzenstrukturen des Standes
der Technik (d.h. wenn die Länge
des Messers auf der oberen Oberfläche der Spitzenstruktur im
Wesentlichen senkrecht zur Richtung der horizontalen Bewegungskomponente
der Spitzenstruktur orientiert ist, wenn sich die Spitzenstruktur über die Oberfläche des
getesteten Anschlusses auslenkt; siehe beispielsweise Messer 14 von 1A und 1B)
eine Kratzbewegung über
die nicht-leitende Schicht vor. Das Messer des Standes der Technik kratzt über die
Anschlussoberfläche
ganz wie ein Bulldozer eine Schmutzschicht beiseite kratzt. Die Kratzbewegung
von senkrecht orientierten Messern kann die Oberfläche des
Anschlusses beschädigen, verursacht
häufig
einen signifikanten Verschleiß und signifikante
Einrisse an den Messern, was zu einer kurzen Lebensdauer der Messer
führt,
und führt
häufig
zu einer Ansammlung von Streuteilchen und der nicht-leitenden Schichten
entlang des Messers. Im Gegensatz dazu umgeht das parallel orientierte
Messer 22 der vorliegenden Erfindung jedes der vorstehend
beschriebenen Probleme, indem es der Richtung der horizontalen Bewegungskomponente
der Spitzenstruktur folgt und die nicht-leitende Schicht auf dem
Anschluss sauber durchschneidet. Ferner entsteht, falls überhaupt,
eine minimale Ansammlung an Teilchen entlang der Oberfläche des
Messers 22, was zu einem niedrigeren Kontaktwiderstand
zwischen der Spitzenstruktur und dem Anschluss führt und genauere Spannungspegel
während
der Prüfung erzeugt.
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Die
parallele Orientierung des Messers 22 sieht auch eine zuverlässigere
elektrische Verbindung mit dem Anschluss des zu prüfenden elektronischen
Bauteils vor. Wenn die Anschlüsse
von elektronischen Bauteilen kleiner werden, wird jegliche Bewegung
durch das Messer signifikant, da die Möglichkeit zunimmt, dass irgendeine
Bewegung das Messer außerhalb
des Anschlusses bewegt, so dass das Messer außerstande ist, einen elektrischen
Kontakt mit dem Anschluss herzustellen. Wie in den 1B und 2C gezeigt,
kann die Auslenkung der Spitzenstruktur (10, 20) über den
Anschluss sowohl von dem Material als auch der Form des Verbindungselements
abhängen.
Bei einem Ausführungsbeispiel
wird die Spitzenstruktur entlang eines im Wesentlichen sich drehenden
Weges sowohl mit einer seitlichen (oder horizontalen) als auch einer
vertikalen Komponente zur Bewegung ausgelenkt, was sowohl zu einer
seitlichen als auch einer vertikalen Auslenkung führt, wenn
die Spitzenstruktur (10, 20) nach unten und vom
Anschluss weg geschoben wird. Es ist möglich, dass das senkrecht orientierte
Messer 14 infolge der Drehbewegung der Spitzenstruktur 10 außerhalb
die Anschlusskontaktfläche
geschoben wird. Wenn die Spitzenstruktur 20 über den
Anschluss ausgelenkt wird, liegt im Gegensatz dazu, selbst wenn
ein Teil des Messers 22 außerhalb die Anschlusskontaktfläche bewegt
wird, die restliche Länge
des Messers 22 (das Hinterende) weiterhin innerhalb der
Anschlusskontaktfläche.
Selbst wenn das Vorderende des Messers 22 dazu gebracht
wird, sich nach unten und von der Anschlusskontaktfläche weg zu
drehen, bleibt ebenso das Hinterende des Messers 22 mit
der Anschlussfläche
in Kontakt. Auf diese Weise sieht das parallel orientierte Messer 22 des vorliegenden
Erfinders eine zuverlässigere
elektrische Verbindung (oder Schnittstelle) mit dem Anschluss des
zu prüfenden
elektrischen Bauteils vor.
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Komponenten
der vorliegenden Erfindung
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Das
Verbindungselement und die Spitzenstruktur der vorliegenden Erfindung
können
durch eine Vielfalt von Verfahren und aus einer Vielfalt von Materialien
hergestellt werden. Die folgenden erörterten Verfahren zur Herstellung
und Arten von Materialien sind nur erläuternde Beispiele und sollen
die Erfindung in keiner Weise begrenzen. Andere auf dem Fachgebiet
bekannte Verfahren und Materialien können auch beachtet und/oder
verwendet werden.
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Verbindungselement
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Existierende
Verbindungselemente wie z.B. längliche
und/oder elastische Verbindungselemente können für das Verbindungselement der
vorliegenden Erfindung (Element 24 von 2A)
verwendet werden. Wenn elastische Verbindungselemente verwendet
werden, ist ein zusammengesetztes Verbindungselement eine bevorzugte
Form von Kontaktstruktur (Feder- oder federartiges Element). Die 3A–3C stellen
verschiedene Formen dar, die üblicherweise
für zusammengesetzte
Verbindungselemente verwendet werden. Die Spitzenstrukturen der
vorliegenden Erfindung können
an beliebigen federartigen Elementen verwendet werden, einschließlich jener,
die hierin nachstehend erörtert
sind, und jener, die im US-Patent Nr. 5 476 211 gezeigt sind.
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In 3A umfasst
ein elektrisches Verbindungselement 310 einen Kern 312 aus
einem "weichen" Material (z.B. einem
Material mit einer Dehngrenze von weniger als 2756 bar (40000 psi))
und einen Mantel (Überzug) 314 aus
einem "harten" Material (z.B. einem
Material mit einer Dehngrenze von mehr als 5512 bar (80000 psi)).
Der Kern 312 ist ein längliches
Element, das als im Wesentlichen gerader Auslegerbalken ausgebildet
(gestaltet) ist, und kann ein Draht mit einem Durchmesser von 12,7–76,2 μm (0,0005–0,0030
Inch) sein. Der Mantel 314 wird über den bereits geformten Kern 312 durch
einen beliebigen geeigneten Prozess wie z.B. durch einen geeigneten
Plattierungsprozess (z.B. durch elektrochemisches Plattieren) aufgebracht.
Es ist im Allgemeinen bevorzugt, dass die Dicke des Mantels (ob
ein einlagiger oder mehrlagiger Überzug)
dicker ist als der Durchmesser des Drahts, der überzogen wird. Durch seine "Härte" und durch Steuern seiner Dicke (6,35–508 μm (0,00025–0,02000
In.)) verleiht der Mantel 314 dem gesamten Verbindungselement 310 eine
gewünschte
Elastizität.
Auf diese Weise kann eine elastische Verbindung zwischen elektronischen Bauteilen
(nicht dargestellt) zwischen den zwei Enden 310a und 310b des
Verbindungselements 310 bewirkt werden.
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3A stellt
dar, was vielleicht die einfachste von Federformen für ein Verbindungselement
der vorliegenden Erfindung ist, nämlich einen geraden Auslegerbalken,
der in einem Winkel zu einer Kraft "F",
die an seiner Spitze 310b aufgebracht wird, orientiert
ist. Wenn eine solche Kontaktkraft (Druck) durch einen Anschluss
eines elektronischen Bauteils aufgebracht wird, mit dem das Verbindungselement einen
Druckkontakt herstellt, führt
die Abwärts-
(wie gesehen) Auslenkung der Spitze dazu, dass sich die Spitze in
einer "Streif"-Bewegung über den Anschluss
bewegt. Ein solcher Streifkontakt stellt sicher, dass ein zuverlässiger Kontakt
zwischen dem Verbindungselement und dem kontaktierten Anschluss
des elektronischen Bauteils hergestellt wird. Die Auslenkung (Elastizität) des Verbindungselements
ist im Allgemeinen teilweise durch die Gesamtform des Verbindungselements,
teilweise durch die dominante (größere) Dehngrenze des Überzugsmaterials
(gegenüber
jenem des Kerns) und teilweise durch die Dicke des Überzugsmaterials
festgelegt.
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In 3B umfasst
ein elektrisches Verbindungselement 320 ebenso einen weichen
Kern 322 (vergleiche 312) und einen harten Mantel 324 (vergleiche 314).
Bei diesem Beispiel ist der Kern 322 so geformt, dass er
zwei Biegungen aufweist, und kann somit als S-förmig betrachtet werden. Wie
in dem Beispiel von 3A kann eine elastische Verbindung
zwischen elektronischen Bauteilen (nicht dargestellt) zwischen den
zwei Enden 320a und 320b des Verbindungselements 320 bewirkt
werden. Beim Kontaktieren eines Anschlusses eines elektronischen
Bauteils würde
das Verbindungselement 320 einer Kontaktkraft (Druck) ausgesetzt
werden, wie durch den mit "F" bezeichneten Pfeil
angegeben.
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In 3C umfasst
ein elektrisches Verbindungselement 330 ebenso einen weichen
Kern 332 (vergleiche 312) und einen harten Mantel 334 (vergleiche 314).
Bei diesem Beispiel ist der Kern 332 so geformt, dass er
eine Biegung aufweist, und kann als U-förmig betrachtet werden. Wie
im Beispiel von 3A kann eine elastische Verbindung
zwischen elektronischen Bauteilen (nicht dargestellt) zwischen den
zwei Enden 330a und 330b des Verbindungselements 330 bewirkt
werden. Beim Kontaktieren eines Anschlusses eines elektronischen
Bauteils könnte das
Verbindungselement 330 einer Kontaktkraft (Druck) ausgesetzt
werden, wie durch den mit "F" bezeichneten Pfeil
angegeben. Alternativ könnte
das Verbindungselement 330 verwendet werden, um einen Kontakt anderswo
als an seinem Ende 330b herzustellen, wie durch den mit "F'" bezeichneten
Pfeil angegeben.
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Es
sollte selbstverständlich
sein, dass der weiche Kern leicht zu einer beliebigen federfähigen Form
ausgebildet werden kann – mit
anderen Worten, einer Form, die bewirkt, dass sich ein resultierendes
Verbindungselement als Reaktion auf eine an seiner Spitze aufgebrachte
Kraft elastisch auslenkt. Der Kern könnte beispielsweise zu einer
herkömmlichen
Spulenform ausgebildet werden. Eine Spulenform wäre jedoch aufgrund der Gesamtlänge des Verbindungselements
und der mit dieser verbundenen Induktivität (und dergleichen) und der
nachteiligen Wirkung derselben auf eine mit hohen Frequenzen (Geschwindigkeiten)
arbeitende Schaltung nicht bevorzugt. Ebenso muss das Kernelement
keinen runden Querschnitt aufweisen, sondern kann vielmehr ein flacher
Vorsprung ("Band") mit einem im Allgemeinen
rechteckigen Querschnitt sein, der sich von einer Platte erstreckt.
Andere nicht-kreisförmige Querschnitte,
wie z.B. C-förmige,
I-förmige,
L-förmige
und T-förmige
Querschnitte, können
auch für
das Verbindungselement verwendet werden.
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Das
Material des Mantels oder zumindest einer Schicht eines mehrlagigen
Mantels (nachstehend beschrieben) weist eine signifikant höhere Dehngrenze
auf als das Material des Kerns. Daher überschattet der Mantel den
Kern bei der Festlegung der mechanischen Eigenschaften (z.B. Elastizität) der resultierenden
Verbindungsstruktur. Verhältnisse
von Mantel:Kern-Dehngrenzen sind vorzugsweise mindestens 2:1 und
können
nicht niedriger als 10:1 sein. Es ist auch ersichtlich, dass der
Mantel oder zumindest eine äußere Schicht
eines mehrlagigen Mantels elektrisch leitend sein sollte, vor allem
in Fällen,
in denen der Mantel das Ende des Kerns bedeckt.
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Geeignete
Materialien für
den Kern (312, 322, 332) umfassen, sind
jedoch nicht begrenzt auf: Gold, Aluminium, Kupfer und ihre Legierungen.
Diese Materialien werden typischerweise mit kleinen Mengen anderer
Metalle legiert, um gewünschte
physikalische Eigenschaften zu erhalten, wie z.B. mit Beryllium,
Cadmium, Silizium, Magnesium und dergleichen. Es ist auch möglich, Silber,
Palladium, Platin; Metalle oder Legierungen wie z.B. Metalle der
Platingruppe der Elemente zu verwenden. Weichlot, das aus Blei,
Zinn, Indium, Wismut, Cadmium, Antimon und ihren Legierungen besteht,
kann verwendet werden. Im Allgemeinen wäre ein Draht aus einem beliebigen
Material (z.B. Gold), das für
Bonden zugänglich ist
(unter Verwendung von Temperatur, Druck und/oder Ultraschallenergie,
um das Bonden zu bewirken), zur Ausführung der Erfindung geeignet.
Es liegt innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung, dass ein
beliebiges Material, das für Überziehen
(z.B. Plattieren) geeignet ist, einschließlich nicht-metallischen Materials,
für den
Kern verwendet werden kann.
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Geeignete
Materialien für
den Mantel (314, 324, 334) umfassen,
sind jedoch nicht begrenzt auf: Nickel und seine Legierungen; Kupfer,
Kobalt, Eisen und ihre Legierungen; Gold (insbesondere hartes Gold)
und Silber, die beide ausgezeichnete Stromführungsfähigkeiten und gute Kontaktwiderstandseigenschaften
aufweisen; Elemente der Platingruppe; Edelmetalle; Halbedelmetalle
und ihre Legierungen, insbesondere Elemente der Platingruppe und
ihre Legierungen; Wolfram und Molybdän. In Fällen, in denen eine weichlotartige
Oberflächengüte erwünscht ist,
können
auch Zinn, Blei, Wismut, Indium und ihre Legierungen verwendet werden.
Das zum Aufbringen dieser Beschichtungsmaterialien über die verschiedenen
Kernmaterialien vorstehend dargelegte ausgewählte Verfahren variiert natürlich von Anwendung
zu Anwendung. Elektroplattieren und stromloses Plattieren sind im
Allgemeinen bevorzugte Verfahren.
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Eine
weitere Art von elektrischem Verbindungselement, das bei der vorliegenden
Erfindung verwendet werden kann, ist ein elastisches Verbindungselement,
das lithographisch ausgebildet wird. Ein orientiertes Messer der
Erfindung kann an einem Kontaktende eines lithographisch ausgebildeten elastischen
Verbindungselements ausgebildet werden. In einem Beispiel der Erfindung
kann ein orientiertes Messer auf einem Opfersubstrat ausgebildet werden
und dann zu einem Kontaktende eines lithographisch ausgebildeten
elastischen Verbindungselements überführt werden.
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Die
Verbindungselemente der vorliegenden Erfindung (Element 24 von 2A–2D)
können im
Allgemeinen auf einer beliebigen geeigneten Oberfläche eines
beliebigen geeigneten Substrats, einschließlich Opfersubstraten, hergestellt
oder an dieser angebracht werden, dann entweder von dieser entfernt
oder an Anschlüssen
von elektronischen Bauteilen angebracht werden.
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Kopplung von
Verbindungselementen mit Spitzenstrukturen
-
4A stellt
ein verallgemeinertes Ausführungsbeispiel
400 der Erfindung dar, wobei eine Vielzahl (vier von vielen gezeigt)
von Kontaktspitzenstrukturen 402 an einem Träger- (Opfer-) Substrat 404 auf
eine nachstehend beschriebene Weise vorgefertigt wurden. Eine entsprechende
Vielzahl (vier von vielen gezeigt) von Verbindungselementen 406 sind
zur Vorbereitung darauf, dass ihre freien Enden 406a mit
den Kontaktspitzenstrukturen 402 verbunden werden (oder
umgekehrt), gezeigt. Die freien Enden 406a der länglichen
Verbindungselemente 406 sind von entgegengesetzten Enden
(nicht dargestellt) der länglichen
Verbindungselemente 406 entfernt (distal), die sich typischerweise
von einer Oberfläche
eines elektronischen Bauteils (nicht dargestellt), wie z.B. eines
Halbleiterbauelements, eines mehrlagigen Substrats oder eines Halbleitergehäuses usw.,
wegerstrecken würden.
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4B stellt
in einer Seitenansicht einen nächsten
Schritt zum Verbinden der Kontaktspitzenstrukturen 402 mit
den länglichen
Verbindungselementen 406 durch Hartlöten dar. Ein resultierender Hartlotkegel 408 ist
dargestellt. Die Kontaktspitzenstrukturen 402 befinden
sich immer noch auf dem Opfersubstrat 404 in ihrer vorgeschriebenen
räumlichen
Beziehung zueinander. 4B stellt auch die Kontaktspitzenstrukturen 402 dar,
die mit den länglichen
Verbindungselementen mit leitendem Klebstoff (z.B. mit Silber gefülltem Epoxy)
oder dergleichen verbunden sind. Ein alternatives Verfahren zum
Verbinden der Kontaktspitzenstrukturen 402 mit den länglichen
Verbindungselementen 406 besteht im Überziehen zumindest des Übergangs
der Kontaktspitzenstrukturen 402 und der benachbarten Endteile der
länglichen
Verbindungselemente 406 mit einem Metallmaterial wie z.B.
Nickel durch Plattieren.
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4C stellt
in einer Seitenansicht einen anschließenden Schritt dar, bei dem
nach dem Verbinden der Kontaktspitzenstrukturen 402 mit
den länglichen
Verbindungselementen 406 das Träger- (Opfer-) Substrat 404 entfernt
wird. Das resultierende "mit
einer Spitze versehene" Verbindungselement 406 (wie
hierin verwendet ist ein "mit
Spitze versehenes" Verbindungselement
ein Verbindungselement, mit dem eine separate Kontaktspitzenstruktur
verbunden wurde) ist so gezeigt, dass eine Kontaktspitzenstruktur 402 auf
die mit Bezug auf 4B beschriebene Weise an dieses
hartgelötet
(408) wurde.
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Bei
den hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen
zum Ausbilden von freistehenden Verbindungselementen (entweder allein
oder an vorgefertigten Spitzenstrukturen) auf Opfersubstraten hat sich
die Erörterung
im Allgemeinen auf das Bonden eines Endes des Verbindungselements
(oder im Fall eines zusammengesetzten Verbindungselements das Bonden
eines länglichen
Kerns) an ein Opfersubstrat gerichtet. Es liegt innerhalb des Schutzbereichs dieser
Erfindung, dass andere Mittel (Verfahren) als Bonden verwendet werden
können.
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Spitzenstrukturen
-
5A–5H stellen
ein Verfahren 500 zur Herstellung von Spitzenstrukturen
mit einem parallel orientierten Messer und zum Anbringen derselben
an Verbindungselementen dar, die als Anschlüsse von elektronischen Bauteilen
dienen können,
und 5I–5K stellen
ein alternatives Verfahren 550 dar, das solche Spitzenstrukturen
verwendet. Diese Verfahren eignen sich besonders gut zum endgültigen Anbringen
von freistehenden Verbindungselementen an elektronischen Bauteilen
wie z.B. Halbleiterbauelementen, Raumtransformatorsubstraten von Nadelkartenanordnungen
und dergleichen.
-
5A stellt
ein Opfersubstrat 502 wie z.B. einen Wafer aus einkristallinem
Silizium dar, in dessen Oberfläche
eine Vielzahl (einer von vielen gezeigt) von Gräben 504 geätzt wird.
Eine strukturierte Maskierungsschicht wie z.B. ein Photoresist (nicht dargestellt)
wird zuerst auf dem Substrat 50 strukturiert, um die Länge und
Breite des Grabens 504 festzulegen. Als nächstes wird
der Graben 504 im Substrat 504 ausgebildet. Beim
bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird selektives Ätzen
mit Kaliumhydroxid (KOH) zwischen der 111- und 001-Kristallorientierung durchgeführt.
-
Man
beachte, dass andere Verfahren als selektives KOH-Ätzen verwendet
werden können,
um den Graben 504 auszubilden, der verwendet wird, um die
Messer der vorliegenden Erfindung auszubilden. Die Gräben können beispielsweise
auch mit reaktivem Ionenätzen
(RIE) ausgebildet werden. Ferner können auch nicht-lithographische
Verfahren verwendet werden, einschließlich, jedoch nicht begrenzt auf
Polieren (sowohl Elektropolieren als auch mechanisches Polieren),
Prägen
oder Abreiben der Spitzenstrukturen. Kombinationen von geradwandigen Strukturen
und Grabenstrukturen können
auch durch Kombinieren von verschiedenen Ätzverfahren hergestellt werden.
Solche Kombinationen können
erwünscht
sein, um freistehende Strukturen wie z.B. die in 10 dargestellte
zu erzeugen. Wie bei den hierin vorstehend erörterten Spitzenstrukturen besteht
die Spitzenstruktur 980 aus einer Spitzenbasis 982 und
einem Spitzenmesser 984. Die Spitzenstruktur 980 umfast
jedoch auch einen geradwandigen Abschnitt 986, der den
freien Abstand (D) für
die Spitzenstruktur 980 bereitstellt.
-
Das
bevorzugte Ausführungsbeispiel
umfasst eine Spitzenstruktur mit einem Messer an der oberen Oberfläche, wobei
das Messer eine geschärfte
Kante entlang der Länge
des Messers und einen dreieckigen Querschnitt aufweist. Die Gräben 504 erläutern jedoch
nur irgendeine Oberflächentextur-"Schablone" für die Spitzenstrukturen,
die auf dem Opfersubstrat 502 hergestellt werden. Das Layout
(Abstand und Anordnung) der Gräben 504 kann vom
Bondkontaktstellenlayout eines Halbleiterchips (nicht dargestellt),
der letztlich (bei der Verwendung) durch freistehende Verbindungselemente,
an denen die Spitzenstrukturen 504 letztlich befestigt
werden, kontaktiert (z.B. geprüft)
werden soll, abgeleitet werden (dieses kopieren). Die Gräben 504 können beispielsweise
in einer Reihe, einer einzelnen Linie, die Mitte des Opfersubstrats
hinab angeordnet werden. Viele Speicherchips werden beispielsweise
mit einer zentralen Reihe von Bondkontaktstellen hergestellt.
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5B stellt
dar, dass eine harte "Feld"-Schicht 506 auf
der Oberfläche
des Opfersubstrats 502, einschließlich in den Gräben 504,
abgeschieden wurde. Die Feldschicht 506 dient als Löseschicht.
Eine mögliche
Löseschicht
besteht aus Aluminium mit einer ungefähren Dicke von 500 nm (5000 Å). Eine
weitere Schicht 508 kann wahlweise über der Feldschicht 506 abgeschieden
werden, wenn die Feldschicht aus einem Material besteht, das für Plattieren
nicht geeignet ist. Typischerweise besteht die Schicht 508 aus
Kupfer mit einer ungefähren
Dicke von 500 nm (5000 Å).
(Wenn die Schicht 506 schwierig zu entfernen ist, kann
sie durch selektive Abscheidung (z.B. Strukturieren durch eine Maske
hindurch) aufgebracht werden, um eine solche Entfernung zu vermeiden.)
Nachdem die Kontaktstrukturen innerhalb des Grabens hergestellt
sind (siehe nachstehend), kann das Opfersubstrat 502 durch
einen beliebigen geeigneten Prozess wie z.B. durch selektives chemisches Ätzen entfernt
werden.
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Man
beachte jedoch auch, dass zusätzlich zu
einem chemischen Ätzmittel
eine geeignete Metallurgie in Verbindung mit Wärme verwendet werden kann,
um das Opfersubstrat 502 zu lösen. Bei einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung umfasst die Schicht 506 beispielsweise
ein nicht-benetzbares Material wie z.B. Wolfram (oder Titanwolfram), das
auf dem Substrat 502 durch ein Mittel wie z.B. Sputtern
abgeschieden wird. Als nächstes
wird die dünne
Schicht 508, die ein nicht-benetzbares Material wie z.B. plattierbares
Blei (oder Indium) umfasst, auf der Wolframschicht 506 abgeschieden.
Nachdem die Kontaktspitzenstrukturen innerhalb des Grabens hergestellt
sind (siehe nachstehend), kann dann ein Aufschmelzverfahren (unter
Verwendung von Wärme)
verwendet werden, um die Kontaktspitzenstrukturen an Verbindungselementen
anzubringen. Während
des Aufschmelzens schmilzt das Blei (Material 508) und
agglomeriert, da Wolfram (Material 506) bezüglich Blei
nicht benetzbar ist.
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Dies
bewirkt, dass die Kontaktspitzenstrukturen vom Opfersubstrat 502 gelöst werden.
Wahlweise kann eine zweite Schicht (nicht dargestellt) aus einem
nicht-benetzbaren Material (z.B. Wolfram) über der Schicht 508 aufgebracht
werden und wird zu einem Teil der resultierenden Kontaktspitzenstruktur, wenn
sie nicht (z.B. durch Ätzen)
entfernt wird. Ferner kann eine weitere Schicht aus einem Material, das
agglomeriert, wenn es erhitzt wird (z.B. Blei, Indium), über der
zweiten Schicht aus nicht-benetzbarem
Material (z.B. Wolfram) aufgebracht werden. Irgendwelches restliches
Blei auf der Oberfläche
der resultierenden Kontaktspitzenstruktur wird leicht entfernt oder
kann an der Stelle belassen werden. Alternativ kann eine Schicht
aus einem "Sperr"-Material zwischen
der zweiten Schicht aus einem Material, das agglomeriert, und der
ersten Schicht der hergestellten Kontaktspitzenstruktur abgeschieden
werden. Das "Sperr"-Material kann Wolfram,
Siliziumnitrid, Molybdän
oder dergleichen sein.
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Sobald
die Schichten 506 und 508 abgeschieden sind, wird
ein Maskierungsmaterial 510 (in 5C dargestellt),
wie z.B. Photoresist, aufgebracht, um eine Vielzahl von Öffnungen
für die
Herstellung von Spitzenstrukturen festzulegen. Die Öffnungen
in der Maskierungsschicht 510 legen einen Bereich um die
Gräben 504 fest.
Zuerst wird ein Kontaktmetall 512 abgeschieden, das typischerweise eine
minimale Dicke von ungefähr
0,5 mil aufweist. Dieses Kontaktmetall kann durch Sputtern, CVD, PVD
oder Plattieren abgeschieden werden. Bei einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung besteht das Kontaktmetall 512 aus
Palladium-Kobalt. Andere Materialien können auch für das Kontaktmetall 512 verwendet
werden, einschließlich,
jedoch nicht begrenzt auf Palladium, Rhodium, Wolframsilizid, Wolfram
oder Diamant. Als nächstes
wird eine Schicht 514, die aus einem Federlegierungsmaterial (wie
z.B. Nickel und seinen Legierungen) besteht, wahlweise abgeschieden
(wie z.B. durch Plattieren), um den Hauptteil der Spitzen struktur
zu erzeugen. Die Schicht 514 weist typischerweise eine
ungefähre Dicke
von 0–2
mils auf. Über
der Schicht 514 wird eine Schicht 516 abgeschieden,
die ein Material umfasst, das für
Hartlöten
oder Weichlöten
geeignet ist, falls sich an die Federlegierung nicht leicht bonden, weichlöten oder
hartlöten
lässt.
Die Federlegierungsschicht 514 wird durch ein beliebiges
geeignetes Mittel abgeschieden, wie z.B. Plattieren, Sputtern oder CVD.
Schließlich
wird eine Au-Hartlot-Verbindungsschicht 516 abgeschieden.
Die Au-Hartlotschicht ist für
eine AuSn-Hartlotbefestigung
spezifisch.
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Wie
durch die 5D und 5E dargestellt,
wird das Maskierungsmaterial 510 als nächstes zusammen mit demjenigen
Teil der Schichten (506 und 508), der unter dem
Maskierungsmaterial 510 liegt, abgelöst (entfernt), was zu einer
Vielzahl (eine von vielen gezeigt) von Spitzenstrukturen (520 und 520a)
führt,
die auf dem Opfersubstrat 502 hergestellt wurden. 5D zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel
einer Spitzenstruktur 520 der vorliegenden Erfindung mit
einem Messer 522, das sich über die ganze Länge des
Fußes
der Spitzenstruktur 520 erstreckt. 5E zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel
einer Spitzenstruktur 520a der vorliegenden Erfindung mit
einem Messer 522a, das sich entlang eines Teils des Fußes der
Spitzenstruktur 520a erstreckt. Die Spitzenstruktur 520a weist
auch einen hinteren Teil 521 auf, in dem sich das Messer 522a nicht über den
Fuß der
Spitzenstruktur 520a erstreckt. Die zwei alternativen Ausführungsbeispiele von
Spitzenstrukturen 520 und 520a dienen derselben
Funktion bei der Bereitstellung eines elektrischen Kontakts mit
dem Anschluss eines getesteten elektronischen Bauteils, sehen jedoch
verschiedene Oberflächen
zum Koppeln der Spitzenstruktur 520 und 520a mit
einem Verbindungselement vor.
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5F und 5G stellen
das Anbringen der Spitzenstrukturen 520a, die in 5E gezeigt sind,
an erhabenen Verbindungselementen 530 dar, die sich (z.B.
freistehend) von entsprechenden Anschlüssen (einer von vielen gezeigt) 532 eines
elektronischen Bauteils 534 erstrecken. 5F zeigt eine
Seitenansicht von angebrachten Spitzenstrukturen 520a und 5G zeigt
eine Vorderansicht von angebrachten Auslegerspitzenstrukturen 520.
Das Verbindungselement ist mit dem Fuß der Spitzenstruktur 520a entlang
des hinteren Teils 521 der Spitzenstruktur 520a gekoppelt,
wo sich das Messer 522a nicht erstreckt und die Oberfläche des
Fußes der
Spitzenstruktur 520a flach ist. Die vorgefertigten Spitzenstrukturen 520a werden
an den Spitzen (Oberseiten, wie gezeigt) der Verbindungselemente 530 auf
eine beliebige geeignete Weise wie z.B. Hartlöten oder Weichlöten angebracht.
-
5H stellt
das Anbringen der Spitzenstruktur 520, die in 5D gezeigt
ist, an erhabenen Verbindungselementen 530 dar, die sich
(z.B. freistehend) von entsprechenden Anschlüssen (einer von vielen gezeigt) 532 eines
elektronischen Bauteils 534 erstrecken. Bei diesem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird die Weichlotpaste oder das Hartlötmaterial,
das verwendet wird, um die Spitzenstruktur 520 am Verbindungselement 530 anzubringen,
innerhalb der Vertiefung 523 angeordnet. Das Endergebnis
ist eine angebrachte Spitzenstruktur ähnlich der in den 5F und 5G dargestellten, wobei
das Verbindungselement vielmehr an der Vertiefung 523 als
an einem flachen hinteren Abschnitt befestigt ist (siehe 521 von 5F).
Die Verwendung der Vertiefung, die ausgebildet wird, wenn das Messer 522 hergestellt
wird, unterstützt
die Positionierung der Weichlötpaste
oder des Hartlötmaterials
und sieht ein zuverlässigeres
Verfahren zum Ausbilden der mechanischen Verbindung zwischen dem
Verbindungselement 530 und dem Fuß der Spitzenstruktur 520 vor.
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Die
erhabenen Verbindungselemente 530 können beliebige freistehende
Verbindungselemente sein, einschließlich, jedoch nicht begrenzt
auf zusammengesetzte Verbindungselemente, und insbesondere einschließlich Kontakthöckern von
Sondenmembranen (in welchem Fall das elektronische Bauteil 534 eine
Sondenmembran wäre)
und Wolframnadeln von herkömmlichen
Nadelkarten. Das Verbindungselement kann lithographisch oder durch
einen Bond- und Plattierungsvorgang ausgebildet werden, wie im US-Patent
5 476 211. Die erhabenen Verbindungselemente können, obwohl sie typischerweise elastisch
sind und eine federartige Bewegung vorsehen, auch starre Stützen sein.
Man beachte, dass die Form des elastischen Elements, an dem die
Spitzenstrukturen befestigt werden, die Streifeigenschaft (d.h.
die horizontale Bewegung der Spitzenstruktur über die Oberfläche des
Anschlusskontakts des getesteten Bauelements) bei der Sondenprüfung beeinflusst.
Externe Kräfte
wie z.B. eine durch eine Maschine gesteuerte Bewegung können die
Streifeigenschaft auch beeinflussen. Somit können die Verbindungselemente
dazu ausgelegt werden, ein gewünschtes
Kontaktverhalten zu optimieren.
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Die 5I–K stellen
ein weiteres Verfahren 550 zur Verwendung von Spitzenstrukturen
dar, wobei die Spitzenstrukturen mit ihren eigenen erhabenen Kontakten
(Verbindungselementen) versehen werden, bevor sie an Anschlüssen eines
elektronischen Bauteils angebracht werden. Dieses Verfahren beginnt
mit denselben Schritten zum Ausbilden von Gräben 504 in einer Oberfläche eines
Opfersubstrats 502, Aufbringen einer Feldschicht 506,
Aufbringen einer wahlweisen Hartlötschicht 508 und Aufbringen
eines Maskierungsmaterials 510 mit Öffnungen, die die Stellen und
Formen der resultierenden Spitzenstrukturen festlegen. Vergleiche 5A–5C oben.
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In
einem nächsten
Schritt, wie durch 5I-J dargestellt (5I ist
eine Seitenansicht und 5J ist eine Vorderansicht) wird
ein freistehendes Verbindungselement 552 am hinteren Endteil der
Spitzenstruktur 530 angebracht. Unter Verwendung einer
Maskierungsschicht 510 wird dann eine Schicht aus hartem
(federnden) Material 554 über der Spitzenstruktur (und
wahlweise eine weitere Schicht wie z.B. 516, die hartlötbar ist,
siehe oben) abgeschieden. Die Maskierungsschicht 510 wird
abgelöst
und die Spitzenstruktur 570 kann an Anschlüssen 582 eines
elektronischen Bauteils 584 durch Weichlöten oder
Hartlöten
der Spitzen der freistehenden Verbindungselemente 552 an
Anschlüsse 582 angebracht
werden, wie durch den Weichlotkegel 586 angegeben. Man
beachte, dass in dem alternativen Montageverfahren, das in den 5I–K gezeigt ist,
der Kopplungsschritt (typischerweise Weichlöten oder Hartlöten) stattfindet,
wenn das Verbindungselement mit einem elektronischen Bauteil gekoppelt wird,
wobei beim ersten Montageverfahren, das in den 5A–H beschrieben
ist, der Kopplungsschritt die Spitzenstruktur mit dem Verbindungselement
verbindet. Mit anderen Worten, wenn die zwei Montageverfahren gegenübergestellt
werden, wird der Kopplungsschritt des Weichlötens oder Hartlötens an
entgegengesetzten Enden des Verbindungselements durchgeführt.
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In
diesen Beispielen sind die Verbindungselemente 520 und 570 als
zusammengesetzte Verbindungselemente mit Federformen dargestellt,
aber es sollte natürlich
selbstverständlich
sein, dass die Erfindung ausdrücklich
nicht darauf begrenzt ist. In beiden Fällen (500, 550)
besteht das Ergebnis darin, dass ein elektronisches Bauteil (534, 584)
mit einer Vielzahl von freistehenden Verbindungselementen (530, 552)
versehen ist, die sich von Anschlüssen desselben wegerstrecken,
wobei die Spitzen (freien Enden) der freistehenden Verbindungselemente 520 mit
Spitzenstrukturen mit einer Oberflächentextur versehen sind, die
während
des Prozesses der Herstellung der Spitzenstrukturen auf dem Opfersubstrat 502 verliehen
(festgelegt) wird.
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Aus
den vorangehenden Beschreibungen ist ersichtlich, dass die Verbindungselemente
allein (530, 552 (d.h. 552 mit 554 überzogen))
nicht elastisch sein müssen.
Die Elastizität
kann durch die Fähigkeit
der Auslegerspitzenstrukturen (520, 570), sich
als Reaktion darauf auszulenken, dass eine Druckverbindung mit einem
anderen elektronischen Bauteil (nicht dargestellt) hergestellt wird,
bereitgestellt werden, da die Spitzenstrukturen 504 entlang eines
Auslegerbalkens angeordnet sind. Vorzugsweise sind die freistehenden
Verbindungselemente 520 viel steifer als die Auslegerbalken,
so dass die Kontaktkraft, die sich aus einer Druckverbindung ergibt, gut
festgelegt und gesteuert werden kann.
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Bei
einer beliebigen Auslegerbalkenanordnung ist es bevorzugt, dass
ein Ende des Auslegers "fest" ist und das andere
Ende "beweglich" ist. Der Auslegerbalken
kann als Fuß für eine Spitzenstruktur dienen
oder ein Fuß einer
vorgefertigten Spitzenstruktur kann an einem separat hergestellten
Balken angebracht werden. Auf diese Weise werden Biegemomente leicht
berechnet. Daher ist es ersichtlich, dass die länglichen Verbindungselemente
(530, 552) vorzugsweise so starr wie möglich sind.
(In dem Fall, in dem die Verbindungselemente (530) Kontakthöcker an
einer Membransonde sind, wird die Elastizität durch die Membran (534)
selbst vorgesehen.) Es ist jedoch nicht gänzlich unangebracht, dass die
länglichen
Verbindungselemente als zusammengesetzte Verbindungselemente wie
z.B. die vorstehend erörterten
zusammengesetzten Verbindungselemente implementiert werden, die
zur gesamten Auslenkung der Spitzenstrukturen als Reaktion darauf,
dass Druckverbindungen mit den (durch die) Spitzenstrukturen hergestellt
werden, beitragen.
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Alternative
Ausführungsbeispiele
unter Verwendung der vorliegenden Erfindung
-
Der
Querschnitt des Spitzenabschnitts des Messers, wie vorstehend erörtert, ist
dreieckig. Andere Querschnitte können
jedoch auch verwendet werden. Ein Pyramidenstumpf könnte beispielsweise leicht
auf eine ähnliche
Weise zur vorstehend beschriebenen hergestellt werden. Man beachte
auch, dass eine Spitzenstruktur, die anfänglich so hergestellt wird,
dass sie ein scharfkantiges Messer entlang der Länge der Spitzenstruktur aufweist,
häufig eine
flache Oberseite bekommt, wenn sie bei Verwendung verschleißt. Diese "flache Oberseite" führt zu einem
Querschnitt, der zu einem Pyramidenstumpf sehr ähnlich ist. Eine Spitzenstruktur
mit einem Pyramidenstumpf-Querschnitt hält immer noch die Vorteile
eines vorstehend umrissenen parallel orientierten Messers aufrecht.
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Verschiedene
Ausführungsbeispiele
des parallel orientierten Messers der vorliegenden Erfindung können verschiedene
Vorder- und Hinterkanten aufweisen. In einigen Fällen können die Messer beispielsweise
geradlinige Kanten (d.h. Kanten, die zur Spitzenstruktur senkrecht
sind) aufweisen, wie z.B. das Messer 522, das in 5D hergestellt
wird. 6A zeigt ein alternatives Messer 600 mit
pyramidenförmigen
Vorder- und Hinterkanten 602. Am Messer 600 liegen
die Vorder- und Hinterkanten 602 in einem Winkel, der größer als
90° ist,
zum Fuß der
Spitzenstruktur 604. Ein zweites alternatives Messer 610 mit
einer Diamantform ist in 6B dargestellt.
Das Messer 610 wird durch Durchführen von KOH-Ätzen in
45° relativ
zur primären
Achse des Gitters und dann Festlegen des Photoresist-Ätzfensters
als mit 6 Seiten (oder als mit einer hexagonalen Form) ausgebildet.
Dies führt
zu einer Spitzenstruktur 614 mit einem Diamantformmesser 610 auf
ihrer oberen Oberfläche.
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Es
gibt viele weitere alternative Ausführungsbeispiele, die von den
zahlreichen Vorteilen profitieren, die durch das parallel orientierte
Messer der vorliegenden Erfindung bereitgestellt werden. Mehr als
ein Messer 700 kann beispielsweise an einer Spitzenstruktur
hergestellt werden, wie in einer Draufsicht auf die Spitzenstruktur 702 in 7A gezeigt.
Dieses Ausführungsbeispiel
wäre für die Sondenprüfung von
Lötkugeln
oder anderen kugelförmigen
Strukturen einer Chipverbindung mit kontrolliertem Einsacken (C4
Prozess) besonders nützlich.
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Eine
weitere Variation des Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung mit zwei oder mehr Messern, die an einem
einzelnen Fuß hergestellt sind,
ist in 7B gezeigt. 7B ist
eine Vorderansicht einer Spitzenstruktur 714, die zwei
Messer 710 zeigt, die durch eine Brücke 712 verbunden
sind und einen eingeschlossenen Abstand 716 aufweisen. Wenn
mehrere Messer an einer Spitzenstruktur ausgebildet sind, wäre der vorbestimmte
Abstand zwischen den Messern außerdem
bei der sphärischen Sondenprüfung mit
einem feinen Rastermaß besonders
nützlich.
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7C ist
eine Seitenansicht eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden
Erfindung mit zwei oder mehreren Messern, die an einem einzelnen
Fuß ausgebildet
sind. An der Spitzenstruktur 724 sind zwei Messer 720 in
einer nebeneinanderliegenden Position angeordnet und teilen sich
einen gemeinsamen Graben 722 mit einer Abstandshöhe H. Die
nebeneinanderliegenden Messer 720 sind in Situationen für Anwendungen
mit feinem Rastermaß mit
Kontaktflächen
in unmittelbarer Nähe
besonders nützlich.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel
unter Verwendung der vorliegenden Erfindung ist ein Messer mit mehreren Höhen wie
z.B. das in 8A und 8B gezeigte
Messer 800. Das Messer 800 weist ein primäres Messer 802 in
Richtung der Vorderkante der Spitzenstruktur 806 und ein
hinteres Messer 804 in Richtung der Rückseite der Spitzenstruktur 806 auf.
Das Messer 800 kann unter Verwendung eines Maskierungsprozesses
ausgebildet werden, bei dem die Maske, die das kürzere, hintere Messer 804 umgibt,
ein kleineres Loch vorsieht, so dass das Grabenätzen durch das KOH-Ätzmittel flach ist, und die Maske,
die das größere, vordere
Messer umgibt, ein größeres Loch
vorsieht, so dass das Grabenätzen durch
das KOH-Ätzmittel
tiefer und das Messer 806 größer ist.
-
Die
vorliegende Erfindung kann auch bei den herkömmlichen Kobra-Sonden verwendet
werden, von welchen eine Teilansicht in 9A gezeigt
ist. Sonden im Kobra-Stil verwenden vorgebogene Kontaktdrähte 906,
die vertikal angeordnet sind und durch zwei Führungsplatten 908 und 910 gehalten werden.
Die perforierten Führungsplatten 908 und 910 halten
und richten die Drähte 906 aus.
Die Kobra-Sonden leiden unter der Einschränkung, dass die Kontaktgeometrie
durch die Verwendung eines runden Drahts festgelegt ist und dass
die Kontaktmetallurgie jene der Feder selbst ist. Die Verwendung
von überführten Spitzenstrukturen
der vorliegenden Erfindung ergibt eine gesteuerte Geometrie, die
den Kontakt und die Federmetallurgie abkoppelt. Folglich ist es
vorteilhaft, die Spitzenstrukturen 900 an den Enden der
Kontaktdrähte 906 zu
befestigen. Die Führungsplatten 908 und 910 richten
dann sowohl die Kontaktdrähte 906 als
auch die Spitzenstrukturen 900 mit parallel orientierten
Messern 902 der vorliegenden Erfindung, die an diesen befestigt
sind, über die
Anschlüsse
eines getesteten elektronischen Bauteils aus. Auf diese Weise können verschiedene
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit Kobra-Sonden verwendet
werden, um eine zuverlässigere
elektrische Verbindung zwischen den Kobra-Sonden 906 und
dem Anschluss des zu prüfenden
elektrischen Bauteils vorzusehen.
-
Alternativ
stellt 9B ein weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung mit parallel orientierten Messern 912 an
den Enden von Kontaktdrähten 906 dar.
Auf dieselbe Weise, wie vorher mit Bezug auf 2D beschrieben,
können
die Messer 912 am Ende der Kontaktdrähte 906 beispielsweise durch
einen Plattierungsprozess oder maschinellen Bearbeitungsprozess
ausgebildet werden. Folglich weisen die Kontaktdrähte 906 eine
Messerspitze oder einen "gemeißelten" Kopf 912 ohne
die Verwendung einer überführten Spitzenstruktur
auf. Man beachte auch, dass jedes der vorstehend und nachstehend
mit Bezug auf die 6A, 6B, 7A, 7B, 7C, 8A und 8B erörterten
alternativen Ausführungsbeispiele
zur Verwendung mit einem Messer (wie z.B. einem Messer 912),
das am Ende eines Verbindungselements ausgebildet ist, das keine überführte Spitzenstruktur
verwendet, modifiziert werden kann.
-
Obwohl
das bevorzugte Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung das geschärfte
Messer der Spitzenstruktur aufweist, das derart orientiert ist, dass
die Länge
des Messers zur horizontalen Bewegung der Spitzenstruktur im Wesentlichen
parallel ist, wenn die Spitzenstruktur über die Oberfläche des
Anschlusses des getesteten elektronischen Bauteils ausgelenkt wird,
orientiert ein alternatives Ausführungsbeispiel
das Messer derart, dass die Länge
des Messers in einem geringen Winkel von der parallelen Ausrichtung
versetzt ist. Ein Ausführungsbeispiel kann
beispielsweise ein Messer umfassen, das in einem Winkel orientiert
ist, so dass die Länge
des Messers innerhalb ungefähr
45° der
zur horizontalen Bewegung der Spitzenstruktur parallelen Achse liegt, wenn
die Spitzenstruktur über
die Oberfläche
des Anschlusses des getesteten elektronischen Bauteils ausgelenkt
wird. Idealerweise liegt (liegen) das (die) Messer in einem ungefähren Winkel
von ± 30° zur parallel
orientierten Achse. Folglich kann dieses Ausführungsbeispiel eine modifizierte
Kratzbewegung über
die Oberfläche
des getesteten Anschlusses vorsehen, während die Menge an Ansammlung
an Teilchen, die sich entlang des Messers 800 ansammelt, minimiert
wird.
-
Die
Anlage zur Sondenprüfung
umfasst häufig
ein Ausrichtungsmerkmal. Eine solche Ausrichtungsanlage kann optische
Sensoren umfassen, die Lichtstrahlen verwenden, um die Reflexion
an den Spitzenstrukturen zu erfassen. Jedes der vorstehend beschriebenen
Ausführungsbeispiele
kann ferner so verbessert werden, dass es eine Messerkonstruktion mit
einer besseren Reflexion umfasst. Stärker reflektierende Messer
und/oder Spitzenstrukturen würden ein
Verfahren zur automatischen Erkennung für Klassifizierungs- und Ausrichtungszwecke
(z.B. Ausrichtungsoperationen, die automatisch in einem Waferprüfgerät durchgeführt werden)
bereitstellen. Die Reflexionsfähigkeit
eines Messers hängt
von einer flachen oberen Oberfläche
an der Spitze des Messers (d.h. einem Messer mit einem Querschnitt
eines Pyramidenstumpfs) ab. Die Menge an Reflexion wird durch Steuern
der Länge
der Zeit, in der der anfängliche
Graben (d.h. der zum Ausbilden des Messers verwendete Graben) geätzt wird,
gesteuert, so dass der Graben an seiner Spitze keinen spitzen Punkt
bekommt. Ein weiteres Verfahren zum Steuern der Menge an Reflexion
pro Messer beinhaltet das Einfügen
von Aufschmelzglas in den Boden des Grabens vor dem Abscheiden der
Aluminium- und Kupferschichten. Das Glas an der Spitze des Grabens
erweicht die Kante (oder Spitze) des Messers und führt zu einem
Messer mit einem Querschnitt ähnlich
eines Pyramidenstumpfs. Alternativ könnten die Messerspitzen auf
die vorstehend beschriebene Weise derart hergestellt werden, dass
sie eine geschärfte
Kante aufweisen, wobei die geschärfte
Kante dann sandgestrahlt (oder abgeschliffen) wird, so dass das
Messer eine flache obere Kante aufweist, die reflektierend ist.
Diese beiden alternativen Verfahren zum Erzeugen eines reflektierenden
Messers sind leicht in den Herstellungsprozess zu integrieren.
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Folglich
sind eine Vorrichtung und ein Verfahren, die verbesserte Verbindungselemente
und Spitzenstrukturen zum Bewirken von Druckverbindungen zwischen
Anschlüssen
von elektronischen Bauteilen bereitstellen, beschrieben. Das geschärfte Messer,
das an der oberen Oberfläche
der Spitzenstruktur derart orientiert ist, dass die Länge des
Messers zur Richtung der horizontalen Bewegung der Spitzenstruktur
im Wesentlichen parallel ist, wenn die Spitzenstruktur über den
Anschluss eines getesteten elektronischen Bauteils ausgelenkt wird,
stellt zahlreiche Vorteile gegenüber
dem Stand der Technik bereit. Das im Wesentlichen parallel orientierte
Messer ermöglicht,
dass die Spitzenstruktur der vorliegenden Erfindung sauber irgendwelche
nicht-leitenden Schichten auf der Oberfläche des Anschlusses durchschneidet
und einen zuverlässigen
elektrischen Kontakt herstellt, ohne die Oberfläche des Anschlusses zu beschädigen oder
eine Teilchenansammlung entlang der Oberfläche des Messers zu erreichen. Ferner
maximiert die parallele Orientierung des Messers der vorliegenden
Erfindung den Kontakt zwischen der Spitzenstruktur und dem Anschluss,
so dass der elektrische Kontakt selbst bei Anschlüssen mit
kleineren Kontaktflächen
nicht verloren geht, wenn die Spitzenstruktur über den Anschluss ausgelenkt
wird.