专利名称：测试探针板的制作方法
技术领域：
本发明总的来说涉及半导体，更具体地，涉及用于测试形成在半导体晶片上的集成电路的探针板。
背景技术：
现代半导体制造涉及多个步骤，包括光刻、材料沉积和蚀刻以在单个半导体硅晶片上形成多个独立的半导体器件或集成电路芯片(管芯)。如今制造的典型半导体晶片的直径可以为至少约6英寸或更多，12英寸直径的晶片为一个晶片的普通尺寸。然而，形成在晶片上的一些独立芯片可由于可在复杂的半导体制造工艺期间产生的差异和问题而具有缺陷。在晶片切割(其中，独立的集成电路芯片(管芯)与半导体晶片分离)之前，通过对多个芯片通电预定的时间周期来同时对它们执行电性能和可靠性测试(即，晶片级超负荷测试)。这些测试通�？梢园↙VS (布局对线路图)验证、IDDq测试等。通过具有测试电路的自动测试设备(ATE)来捕获和分析从每个芯片或DUT(被测试器件)生成的最终电信 号，以确定芯片是否具有缺陷。为了利于晶片级超负荷测试以及同时从晶片上的多个芯片捕获电信号，使用本领域公知的DUT板或探针板。探针板本质上为印刷电路板(PCB)，其包含与形成在用于半导体芯片的晶片上的多个对应电接触或终端紧密配合的多个金属电探针。每个芯片或管芯都具有多个接触或终端，它们本身必须分别被接入来用于测试。因此，典型的晶片级测试要求在大大超过1000个芯片接触或终端和ATE测试电路之间进行电连接。因此，对于进行精确的晶片级测试来说，精确将许多探针板接触与晶片上的芯片接触对准以及形成可靠电连接是很重要的。探针板通常安装在ATE中，并用作芯片或DUT与ATE的测试头之间的接口。随着半导体制造技术持续提高，半导体晶片上的管芯或芯片的电测试接触焊盘或凸块之间的临界尺寸或间隔(即，“间距”)持续缩短。目前半导体制造中的主要趋势为朝向具有异类芯片堆叠的3D IC芯片封装发展。这种3D IC芯片封装包括具有TSV (硅通孔)电互连结构的DUT，其中对应的微凸块测试接触细距阵列具有小于50微米(μπι)的微凸块间距。发生于现有已知测试探针板设计和组装技术相关联的技术瓶颈，其不能可靠地支持这种在3D IC芯片封装上遇到的小测试焊盘微凸块间距。存在与现有导向板制造(具有支持柔性且易于弯曲的小尺寸(例如，25微米)针状金属测试探针的紧密间隔的孔)、导向板组装技术、以及要求手动地将细长的探针通过小直径探针孔(例如，30微米)插入导向板的探针操作(这是非常耗时的操作，并且导致对结构上较细且较弱的探针造成过于频繁的损害)相关的限制。因此，我们需要一种改进的测试探针板及其制造方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种用于制造半导体测试探头的方法，包括提供由导电材料制成的工件；使用电火花配线在第一轴方向上切割工件中的多个第一通道；使用电火花配线在第二轴方向上切割工件中的多个第二通道，第一通道和第二通道交叉，并在第一通道和第二通道之间的交点处形成限定测试探针的多个柱；以及将探针连接至形成在支持衬底中的电导体，探针和衬底限定测试探头。其中，使用电火花机床中的反向配线电火花加工(R-WEDM)执行切割第一通道和
第二通道。其中，连接的步骤包括使用焊接回流工艺经由焊料块将探针焊接至导体。其中，衬底包括硅，并且导体通过多个金属硅通孔形成。其中，多个柱通过公共支持基底获得支持并从公共支持基底伸出，在切割第一通道和第二通道期间，公共支持基底与来自工件的测试探针柱集成形成。 其中，测试探针的每一个均在单个操作中同时被焊接至支持衬底中的对应导体。该方法还包括以下步骤在将测试探针焊接至支持衬底中的导体之后，将测试探针与公共支持基底切断。其中，使用电火花配线切断公共支持基底。其中，测试探针被加长，且横穿探针的长度看测试探针的形状为直线截面形。其中，测试探针具有大约20微米的最大横穿宽度。其中，测试探针具有大约40微米的间距。该方法还包括以下步骤形成从至少一个测试探针横向向外突出的阻挡件。在将探针连接至形成在支持衬底中的电导体之前，还包括以下步骤通过形成在支持衬底上方隔开的导向板中的开口插入至少一个测试探针的一端；以及将阻挡件与导向板接合，其中，通过导向板限制至少一个测试探针的插入深度。此外，本发明还提供了一种用于制造半导体测试探头的方法，包括(a)提供由导电金属材料制成的工件，工件限定X-Y-Z坐标系统；(b)将工件安装在具有铰接的电火花配线的电火花机床中；(C)沿着X轴在第一方向上移动电火花配线；(d)在沿着X轴隔开的多个间隔处沿着Z轴在第二方向上间歇地移动电火花配线通过工件，电火花配线切割在Y轴方向上延伸的工件中的多个第一通道；(e)沿着Y轴在第三方向上移动电火花配线；(f)在沿着Y轴隔开的多个间隔处沿着Z轴在第二方向上间歇地移动电火花配线通过工件，电火花配线切割在X轴方向上延伸的工件中的多个第二通道；(g)形成通过第一通道和第二通道切割限定的测试探针柱的阵列；(h)提供由具有多个金属硅通孔的硅所组成的支持衬底；以及(i)将探针焊接至导体，其中，支持衬底和测试探针柱限定测试探头。其中，测试探针柱从公共支持基底伸出，公共支持基底与来自工件的测试探针柱集成形成。此外，还提供了一种用于晶片级测试的测试探针板，包括安装组件；印刷电路板，包括测试电路并由安装组件支持；测试探头，包括探针阵列，探针阵列包括多个刚性金属测试探针，探针固定地附接至包括多个金属硅通孔的硅衬底并从硅衬底中伸出，探针电耦合至通孔并被配置为与半导体IC封装中的被测试器件中的对应测试接触件接合；其中，探针可用于在印刷电路板和被测试器件之间接收和发射电信号，用于进行晶片级测试。该测试探针板还包括导向板，设置在测试探针的相对端之间，并具有多个开口，测试探针插入导向板，其中，至少一个测试探针包括阻挡件，阻挡件被定位为与导向板接合并限制至少一个测试探针通过导向板的插入深度。其中，测试探针具有焊接至通孔的基底部或者与通孔耦合的导电表面接触焊盘。该测试探针板还包括插入件，设置在测试探头和印刷电路板之间，插入件包括被配置用于形成与测试探头中的通孔电连接的导体。其中，安装组件包括设置在测试探头和印刷电路板之间的可压缩弹性体或橡胶插入物，用于在与被测试器件接合时增加测试探头的柔性。
现在，将参照附图描述实施例的特征，类似地标记类似元件，其中图1是根据本公开的测试探针板的实施例的部分截面侧视图；
图2是图1中的测试探针头的一个实施例的透视图；图3是图1中的插入件(interposer)的一个实施例的部分截面侧视图；图4至图8是可在图1的测试探针板中使用的测试探针的示例性实施例；图9至图14示出了用于制造图2的测试探针头的示例性顺序方法步骤；图15是示出图9至图14中的基本方法步骤的框流程图；图16至图19是使用图9至图14所示方法制造测试探头期间得到的扫描电子显微镜图像；图20和图21示出了具有探针导向板的图2的测试探头的可选实施例的部分截面侧视图。所有附图只是示意性的，并且不按比例绘制。
具体实施例方式结合被认为是整个说明书一部分的附图阅读示例性实施例的描述。在本文所公开的实施例的描述中，方向或定向的任何参考仅仅是为了描述的方便，并不以任何方式来限制本公开的范围。诸如“下部”、“上部”、“水平”、“垂直”、“之上”、“之下”、“上”、“下”、“顶部”和“底部”的相对术语以及它们的派生词(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)应该是指在所讨论附图描述或所示的定向。这些相对术语仅仅是为了描述的方便，并且不要求以特定定向构造或操作装置。除非另有指定，诸如“附接”、“固定”、“连接”和“互连”的术语是指结构直接固定或附接至另一结构或通过中间结构间接地固定或附接至另一结构的关系以及可移动或刚性附接或关联。此外，通过参照实施例来示出本公开的特征和优点。因此，本公开显然不应限于示出可单独存在的特征的一些可能非限制组合或与其他特征组合的这些实施例，通过所附权利要求来限定本公开的范围。由于本文可以使用术语描述金属测试探针，所以刚性将具有其习惯的通常为缺乏柔性或没有柔性的结构含义。图1示出了根据本公开原理的探针板的一个示例性实施例。探针板200通常包括测试印刷电路板(PCB)210、空间变压器240、插入件230、以及具有包括多个配置为与设置在DUT(被测试器件)上的配套测试接触接合的多个测试探针300的横向延伸阵列的测试探头260。测试PCB 210包括本领域的技术人员已知的传统DUT测试电路和有源器件。测试PCB 210包括底面214和顶面212，其中，顶面包括用于与执行晶片级DUT测试的自动测试设备(ATE)(未示出)上的对应接触互连的电接触阵列。在一个实施例中，测试PCB 210 可以由硅制成。测试PCB 210包括传统的用于向晶片上的DUT 100施加电力负载以及接收和处理来自DUT的返回电信号的晶片测试电路，其在一些实施例中可以与晶片级DUT超负荷性能和可靠性测试相关联。
测试探针板200还包括安装组件270，其包括用于以传统方式将探针板固定至ATE 的固定或安装环220。在一些实施例中，安装环220可以由适当的金属制成，诸如但不限于不锈钢、铝、或钛。
继续参照图1，在一些实施例中，安装组件270可进一步包括以分离关系定位的上金属支持板272和下金属支持板274。在一些实施例中，如图所示，诸如弹性体或橡胶垫276 的可压缩可变性构件可以布置在上下支持板272、274之间，以向相对刚性的测试探针300 和测试探头260增加柔性。可压缩插入物276进一步用于补偿测试探针顶部潜在的非平面，增强探针顶部和DUT上的测试接触之间的位置接触，以及吸收将测试探头260与DUT接合的初始接触冲击力。安装组件270可以以任何适当的方式(包括如图所示的通孔螺纹扣件261)固定至安装环220。继续参照图1，空间变压器240设置在插入件230和测试探头 260之间。空间变压器240包括接收和固定穿过衬底的多个导电金属引线250的下端252 的衬底。在一些实施例中，类似于图14所示的表面接触焊盘261，引线250的端部可以耦合至设置在空间变压器的底面上的接触焊盘(未示出)。在一些实施例中，空间变压器240 衬底可以为多层有机(MLO)或多层陶瓷(MLC)互连衬底。引线250的上端254电连接至测试PCB 210的顶面212上的接触。下端252的间距或间隔可以小于或细于上端254。粘合剂256可以涂覆在空间变压器240的顶部以相对于空间变压器在适当的位置支持和固定引线250。在一个代表实施例中，粘合剂可以为来自诸如Henkel、3M、Shinetsu和Loctite的一般供应商的任何热固粘合剂。
如图1所示，空间变压器240可包括一个或多个定位销242，其可以与设置在安装组件270中的配套槽244对准并容纳在其中，以利于将空间变压器安装至安装组件。可以经由螺纹扣件261或任何其他适当的装置从安装组件270和/或测试PCB 210支持空间变压器240。在一 个实施例中，如图所示，空间变压器240可以安装至测试PCB 210和安装组件 270。
插入件230提供空间变压器240中的导电引线250与测试探头260上的接触之间的电接口。参照图1，插入件230可以为由包含多个完全穿过衬底的垂直定向圆柱形导电通孔232的衬底形成。在一个实施例中，如图3所示，衬底可以由诸如但不限于硅橡胶的可压缩材料制成以向测试探针板200增加柔性，以吸收测试期间当将测试探头260与DUT接合时发生的初始接触应力，和/或符合和补偿可能的DUT或探针非平面情况。可压缩的插入件230的上部可包括设置顶面附近或顶面上的细柔性聚合物网孔234，并且下部可包括由设置在底面附近或底面上的相对更多的网孔材料制成的片236。在一些实施例中，片236 可以为但不限于FR-4或FR-5 (用于阻燃剂类4或5的UL等级名称)玻璃加强环氧树脂层压片，其由玻璃纤维编织布和耐火的环氧树脂粘合剂制成。在一个实施例中，导电通孔232 可以由任何适当的导电金属粉末制成，诸如但不限于钨、铜、镍及其合金。
在可选实施例中，插入件230可以具有相对刚性的衬底结构，其由相对非压缩材料制成。这种材料可包括但不限于硅衬底、FR-4/FR-5玻璃加强环氧树脂层压片或用于插入的其他适当刚性材料。设置在刚性衬底中并且在一些实施例中可以为使用硅衬底的TSV的圆柱形导电通孔232可以由任何适当的导电材料制成，包括但不限于钨、铜、镍或它们的合金。在一些实施例中，刚性插入件可包括在一个表面上制造的重新分布层(称为RDL)。因此，插入件230可以将面对探测侧的密集/精细间距焊盘物理转换或电转换到配线侧上的松懈间距的焊盘。
插入件230可以通过本领域通用的任何适当的装置安装在空间变压器240的下方或下侧，诸如但不限于如图1所示一些实施例中的通孔螺纹扣件261。
再次参照图1，测试探头260包括支持衬底262、多个导电金属通孔(例如，衬底通孔或硅通孔(TSV) 264)以及多个电和结构上耦合至通孔的对应的导电金属测试探针300。 在一些实施例中，可以通过诸如本领域通用的硅的传统半导体衬底材料来形成支持衬底 262。
参照图1和图14，通孔264可以由任何适当的导电材料制成，包括但不限于诸如铜或钨的金属。通孔264完全地延伸穿过支持基底262，并且可以通过相对平坦和加宽的导电金属面接触焊盘266终止于每一端。通孔264用于通过支持基底衬底向/从测试PCB 210传送电测试信号，用于测试管芯或DUT 100。通孔264和接触焊盘266通过制造硅晶片中的半导体所使用的传统光刻、蚀刻和材料沉积技术来形成在支持衬底262中。
参照图1和图14，当测试探头260安装在插入件上时，接触焊盘266的上部集合被配置、定尺寸并分离，以进行与插入件230中的通孔232的电接触。因此，上部接触焊盘266 可具有与通孔232的间距匹配的横向间隔或间距，以消除对改变间距间隔的重新分布层导体的需要。如本文进一步描述的，接触焊盘266的下部集合将电耦合至测试探针300。
参照图1和图14，如图所示，测试探针300从支持衬底262向外延伸并且在一些实施例中基本垂直于该支持衬底。探针300被配置用于与将被测试的DUT 100上的对应测试接触110配合。测试探针300可具有与测试接触110的间距Pt匹配的间距Pp。在一个示例性实施例 中，间距Pp和Pt可以为大约40微米。在一些实施例中，如图1所示，测试接触110可以为测试焊盘或微凸块，诸如形成在3D IC封装上的那些部分。测试探针300提供用于使测试PCB 210与用于晶片级超负荷测试的晶片中的DUT 100电连接的导电路径。
参照图1、图4和图14,测试探针300通常为销状(pin-like)且垂直加长,可具有相对刚性的轴，其具有结构柱状的构造和配置。在一些实施例中，探针300可以从支持衬底 262伸出(cantilever),在每个探针的相对上端和下端附近没有中间或双支持。每个探针都具有基底部分302，附接至支持衬底262 ;顶部304，具有限定被配置为与DUT 100上的测试接触110结合的顶端303的自由端；以及中间部305。在其他实施例中，如作为实例且在本文进一步描述的图21所示，可以提供中间对准和支持导向板332，以帮助支持和防止除重复使用和热循环期间的可能破坏之外的探针顶端的横向永久变形和非平面将电负载施加至正在测试的晶片。
测试探针300可以为任何适当的长度、横向截面形状和结构，以适合预期的应用， 只要可以提供适当的间距间隔Pp来匹配用于晶片级测试的DUT 100上的测试接触110的间距Pt。在一些实施例中，如本文进一步描述的，测试探针300可具有基本呈直线的(例如， 正方形或长方形)截面形状(横贯探针的轴或长度看)，这在一些实施例中可以由一种可使用的示例性探针制造技术来产生，诸如一般用于MEMS制造的反向线充电加工(reversewire electrical discharge machining,“R-WEDM”)。在一个不例性实施例中，对于 3D IC 封装的晶片级测试，探针300可具有大约20微米的近似截面宽度(横穿每个平坦侧进行测量)，以支持DUT 100上的40微米间距Pt测试接触阵列中的多个20微米直径的微凸块测试接触110的测试。测试探头260中的这种探针300的间距Pp可以对应地也为40微米。
图4至他8示出了根据本公开的原理形成的测试探针的一些可能实施例和结构。 测试探针具有自由端相对支持衬底262，其具有被配置和定尺寸用于接触DUT 100上的对应测试焊盘110的顶端303。图4示出了具有矩形或正方形柱状的单个探针300。探针300 对于其整个长度具有均匀横向截面的尺寸。图5示出了基本上相同的结构，但探针310具有锥形或减小宽度的棱锥状顶部304，其用于与DUT 100上对应较小直径的测试微凸块接触110接合。图6示出了具有弯曲柱状的探针320，其具有从基部302轴向偏离的顶部304 以向探针增加柔性。另外，探针320可如图所示对于其整个长度具有均匀的横向截面，或者可选地具有与图5类似配置的锥形顶部304。此外，如图6进一步所示，任何探针都可以具有用于增强与DUT100 (如图1所示)的测试接触110的结合的圆形顶端，其在探针和探针阵列的制造期间形成。
类似于图4所示，图4至图8所示的每个测试探针都可以认为具有基部302、含限定顶端303的自由端的顶部304、以及中间部305。
图7和图8分别示出的示例性探针330和340在结构上类似于图4和图5所示的探针。然而，探针330和340具有形成在探针的至少一个横向侧面上的阻挡件306。阻挡件 306从探针330、340横向地向外突出，并且被定尺寸和配置为与图20和图21所示的中间对准和支持导向板340结合。这些附图示出了通过导向板332安装的探针330，然而，相同的原理可应用于具有阻挡件306的探针340。如图20和图21所示，导向板332可以经由隔离件338安装在测试探头260的支持衬底262上，其中，隔离件338将导向板与衬底262隔离开，在它们之间形成间隙。在一些实施例中，可以提供定位销334以经由隔离件338将导向板332与衬底262对准并安装至衬底262。在其他实施例中，可以省略定位销334。导向板 332和隔离件338可以由非导电和绝缘材料制成，以避免DUT 100的测试期间通过探针300 的电信号的短路。在一些实施例中，导向板332和隔离件338可以为一个整体结构/部件， 其由单种材料制成，诸如但不限于可加工的陶瓷、硅、或氮化硅。在其他实施例中，导向板和隔离件可以形成为两个或以上的隔离部件，其诸如通过粘合剂结合到一起或者通过螺钉机械地将它们紧固在一起。
继续参照图7至图8以及图20至图21，导向板332可包含多个开口 336，被配置和定尺寸用于在至少一端处接收穿过其的探针330 (或探针340)的一部分。因此，在测试探头的支持衬底262中针对每一个硅通孔264设置开口 336。开口 336被横向配 置和隔开， 以具有与通孔264的间距匹配的间距，使得开口分别与下面的对应通孔共心对准。在组装期间，探针330或340的一端插入到开口 336中，直到横向延伸阻挡件306与导向板332结合，从而限制探针的插入深度。
有利地，具有导向板332的前述探针组件用于提供改进的探针平面性(即，探针顶端沿着由探针顶端限定的单个平面均匀终止和下降)和用于完成本文进一步描述的回流焊接组装的探针的更好定位。在探针330的端部之间隔开阻挡件306，并且在一个实施例中与每个探针的顶端304相比可以更加朝向基部302定位。因此，导向板332提供经由开口 336提供了中间横向/横穿支持以及经由阻挡件306提供的轴向支持，从而增强了该测试探头400的结构强度。
在图21中示出了具有导向和支持的测试探针330的完成测试探头400。
应该理解，在一些实施例中，至少一个但不是所有测试探针需要具有阻挡件以限制整个探针阵列的插入深度。由于如图1OA和图1OB所示探针仍然共同附接至临时工件基底301，所以仅需要在探针阵列中设置如图7或图8所示设计的一些分离的探针330或340， 以有效地限制阵列中的所有探针通过导向板332的插入深度。因此，在一些实施例中，探针阵列可包括具有直线轴(例如，参见图4和图5)的探针300或310与具有阻挡件306的至少一个探针330或340的组合。
现在将描述如图1和图14所示用于制造测试探针300和组装测试探头260的示例性方法。具体参照图9至图15，图15示出了制造测试探头260所涉及的基本制造工艺的流程图。除非另有指定，可使用的各种工艺步骤包括光刻、材料沉积、材料去除、加工、形成以及下面参照已知且在MEMS (微机电系统)或半导体制造中通用的传统工艺所描述的其他工艺。
参照图9和图15，首先在第一步骤中提供以形成探针300的大量原材料的单块形式设置的工件W。材料块被定尺寸，使得用于测试探头260的测试探针300的完整横向延伸阵列可以同时由单块材料制造。在所示实施例中，在制造直线探针阵列(即，正方形或矩形)的情况下，原材料块具有互补的直线结构。
基于用于测试探针300的材料选择用于工件W的原 材料块。在一些实施例中，原材料可以为适合用作测试探针的任何导电金属或金属合金。在一些代表实施例中，不用于限制的目的，原材料可以为钨钯、碳化钨、钯、钴、镍、硬金、软金、钨、铼、铑或它们的合金。在其他实施例中，原材料可以为导电非金属材料，诸如块状的碳纳米管。
在图10和图15所示的下一步骤中，包含多个独立探针300的测试探针阵列接下来由单块原材料形成。在一个实施例中，通用于MEMS制造的反向配线电火花加工 (“R-WEDM”)可用于加工探针。该工艺能够精确地制造测试探针阵列，其具有适合与3D IC 封装微凸块阵列间距Pt(参见图1)配合的充分小的探针间距Pp。在一些实施例中，间距 Pp可以为大约40微米以下。
继续参照图10和图15，散装原材料块或工件W的一端将用作临时可扩展公共基底301，用于在探针形成和制造工艺期间支持各个测试探针300，直到附接至支持衬底262。 在一个实施例中，R-WEDM可用于在基本上为两部分的双向加工工艺中切割或形成完成的探针，为了方便将参照图2所示相对于制造基底301的任意X-Y-Z坐标系统进一步描述该工艺。所完成的测试探针300阵列将在X和Y方向上以及在与限定所完成测试探针的高度或长度的基底301正交的Z方向上对应地横向延伸。
R-WEDM基本上是自动CNC (计算机数字控制)工艺，其一般利用保持在计算机可控可移动导向板之间的金属电火花切割线的细的单线(single strand)。电火花配线被电激活并且通过散装原材料或工件W(其可以淹没在诸如去离子水的电介质液体箱中)供给，以进行一系列切割。线可以在多个方向和定向上铰接，以制造具有各种结构的机器部件。来自线的放电或火花切割或侵蚀工件材料。电火花机床(EDM)可以从多个公司购买到，诸如伊利诺斯州林肯郡的GF AgieCharmiIIesο
根据本公开用于形成测试探针阵列实施例的R-WEDM工艺的一个实施例可以利用微小尺寸的黄铜电火花配线402。在一个非限制代表实例中，电火花配线402可具有大约 20微米的直径，其可用于制造具有约40微米的间距间隔和约20微米的单个测试探针宽度的测试探针阵列。所使用线的直径将至少部分地基于测试探针300的间距间隔和最终宽度 (X和Y两个方向上)，并且还必须补偿切割大于线本身直径的路径或切口(B卩，过切)由线 402产生的火花或放电。
最终，探针散装材料块或工件W (参见图9)首先被安装和固定在能够实施R-WEDM 工艺的EDM机器中。接下来，通常通过线导板支持的电火花配线402被定位为接近工件W的一个横向侧面，并且与临时工件基底301 (参见图10)的端部轴向向内地(在Z轴方向上)隔开端距离。
现在，参照图2、图1OA和图15，两部分的双向R-WEDM探针切割工艺的第一部分包括在Y轴方向上切割横跨工件W延伸的多个通道Cy。在一个实施例中，这可以通过提前在横跨X-Y平面(参见图1OA中的虚线路径)中的散装材料块或工件的第一轴X轴方向上前进且水平地激活电火花配线402来完成。线402具有在Y轴方向上横跨工件W完全延伸的长度，使得用于形成探针300的通道Cy可以同时横跨工件的全宽度充分切割所有探针。随着电火花配线402轴向前进，线随后在Z轴方向上(沿着Y-Z平面)间歇且重复地垂直地移入移出工件W，以形成在Y轴方向上延伸的多个通道Cy并横贯电火花配线402的X轴运动方向。通道Cy沿着X轴隔开，伴随留下在X轴上隔开的探针材料的多个独立直线状片， 但是在Y轴方向上具有横跨工件W的连续宽度(例如，参见图16和图17中的扫描电子显微镜图像)。
如图1OA所示，沿着Z轴切入工件W的通道Cy的深度不完全延伸通过工件，使得临时工件基底301完整用于支持将针对整个探针形成工艺形成的多个探针。
因此，参照图10A，前述探针切割工艺的第一部分包括临时地以多个预定轴向间隔或切割位置X1. . . Xn(其中，η = X轴轴向切割位置的数量)停止电火花配线402的轴向运动以切割通道Cy。因此，电火花配线402水平且轴向移动至第一切割位置XI，然后，线沿着 Z轴移入移出工件W以形成第一通道Cy，然后，线402移动到下一轴向切割位置Xn，然后线垂直地再次移动以切割第二通道Cy，如此反复直到切割出期望的多个通道Cy。现在，已经沿着X轴利用探针的预期轴向宽度和间隔或间距部分地形成探针300，沿着Y轴的各个探针的宽度和间距也如以下所描述的进行切割。
前面的工艺通过自动CNC工艺和具有适当轴向切割位置、Z轴方向上的切割深度和其他相关工艺参数(包括对机器处理器编程的电火花配线402的可控移动)的R-WEDM机器进行控制。这在本领域的技术人员编程和控制R-WEDM机器切割工艺以实现在工件W中进行的切割的预期位置、深度和尺寸的范围之内。
接下来，参照图2、图1OB和图15，R-WEDM探针切割工艺的第二部分包括以与先前描述的相同方式在与图1OA中已经形成的通道Cy垂直且相交的X轴方向上切割横跨工件 W延伸的多个通道Cx。在一个实施例中，这可以通过预先在逐渐水平地横跨X-Y平面内的散装材料块或工件W的第二轴Y方向上激活电火花配线402来完成。因此，第二轴向切割方向A相对1OA所示的第一轴向切割方向定向90度。随着线402轴向前进，线停止在多个Y轴位置Yl... Yn，其中，线在Z轴方向上(X-Z平面中)移入移出工件W，以通过先前形成的探针材料的间隔片来切割通道Cx。探针材料片中的切割通道Cx在通道Cy和Cx之间的交点处形成多个独立的柱。每个柱都限定加长探针300，其现在被配置为在X和Y方向上隔开(也参见图17和图18中的扫描电子显微镜图像)。探针300的每一个通常都沿着 X轴和Y轴的具有预期的最终横向或轴向宽度以及间距或间隔。
在一些实施例中，如图2所示，经由切割通道Cy和Cx形成的探针300可在X-Y平面中具有直线(例如，正方形或矩形)截面形状。应该注意，在图1OA和图1OB中，所示目前形成的探针300的自由端(即，仍然没有附接至临时基底301的端部)实际上将限定用于附接至以下描述的支持衬底262的探针的基底部分302。
现在，参照图2、图11和图15，测试探头260制造和组装工艺接下来继续提高支持衬底262。衬底262已经包含完整形成的先前通过本领域已知的传统MEM或半导体制造工艺形成的硅通孔264和上/下接触焊盘266。多个传统的导电焊料微凸块268形成在图11 所示接触焊盘266上的衬底262的一侧上，其将用于将每个探针300电互连至对应的接触焊盘和通孔264。
现在，参照图2、图12和图15，测试探针300接下来物理且电地连接至测试探头 260的支持衬底162中的导体。在一个实施例中，探针可使用焊点连接至衬底262。为了完成该处理，具有多个完整测试探针300的工件W预先朝向衬底262。然后，图1OB所示每个最终测试探针300柱的自由端相对地与衬底262上的对应焊料块结合并保持在适当位置。 然后，探针衬底组件可被移动到回流焊接炉，使用诸如热气、红外加热等的任何适当热源加热以熔化焊料块268。熔化的焊料流动并建立于测试探针300的自由端的物理和电连接，这将限定每个探针的基底部分302。组装现在如图12所示具有附接至支持衬底262的每个探针的基底部分302，并且每个探针的相对顶部304仍然附接至临时制造基底301。
现在，参照图2、图13和图15，临时基底301接下来被切断并从探针组件中去除。 在一个实施例中，与衬底262相比，R-WEDM可用于与基底301更加接近地在X或Y轴方向上横跨探针300进行横向切割。最终的切割步骤将限定测试探针300的最终高度或长度。·
如图2和图14所示，完成的测试探头260现在准备用于安装至测试探针板200。 图18和图19示出了使用R-WEDM的根据本公开实施例形成的实际测试探针组件的扫描电子显微镜图像。
应该注意，除前面仅为了描述工艺的方便所提供的定向之外，可以以任何适当的定向进行工件W和R-WEDM加工工艺。因此，本公开不限于任何特定定向上的R-WEDM加工， 只要可以适当制造测试探针300即可。
前述探针形成工艺具有许多优点。首先，与现有技术手动探针测试操作中基于逐片单独组装相比，所有测试探针300在单个焊料回流操作中被同时形成并安装至测试探头。这样可以获得测试探针更加精确的尺寸精度，并且显著减少了将探针组装至测试探头的时间。本公开的工艺完全是自动的，并且消除了探针的手动操作和潜在损伤，从而形成较低的废品率。本公开的探针还具有比现有柔性测试探针或引脚更加刚性和耐用的构造。 此外，本公开的探针制造和测试探头组装步骤允许高探针计数和探针的精细/较小间距间隔，以满足DUT上的3D IC封装微凸块阵列的需求。
应该理解，如果制造如图21所示具有导向测试探针330、340的测试探头400，则在图12所示且如上所述的焊料回流工艺之前自由探针端部简单地通过开口 336插入导向板332 (参见图20)。本文描述的其他制造工艺步骤保持相同，除了用于探针330、340的R-WEDM 加工步骤包括形成阻挡件306作为工艺的一部分。
应该进一步理解，在一些实施例中，可以使用R-WEDM形成图4至图8所示任何测试探针结构和其他结构。计算机控制的R-WEDM机器能够沿着仅除X、Y和Z轴之外的多个轴在多个其他方向上移动放电W。因此，可以切割大量的复杂形状和形体，以形成具有用于适合预期测试应用的各种结构的测试探针。
根据本公开的一个实施例，用于晶片级测试的测试探针板包括安装组件；印刷电路板，包括由安装组件支持的晶片级测试电路；以及测试探头，包括探针阵列，其包括多个刚性金属测试探针。测试探针固定地附接至包括多个金属硅通孔的硅衬底并从硅衬底中悬出。测试探针电耦合至通孔并被配置为与半导体IC封装中的被测试器件中的对应测试接触结接合。探针可用于在印刷电路板和用于进行晶片级测试的被测试器件之间接收和发射电信号。在一些实施例中，测试探针经由焊接至通孔的探针的底部或者耦合至通孔的导电表面接触焊盘固定地附接至硅衬底。探针可使用倒装芯片焊接回流工艺进行焊接。在一些实施例中，测试探针板可进一步包括设置在测试探针的相对端之间的导向板。导向板包括多个开口，通过这些开口插入测试探针。至少一个测试探针包括阻挡件，其被定位为与导向板接合，从而通过导向板限制至少一个测试探针的插入深度，用于探针的适当定位。
在根据本公开的一个实施例中，用于制造半导体测试探头的方法包括提供由导电材料制成的工件；使用电火花配线在第一轴方向上在工件中切割多个第一通道；使用电火花配线在第二轴方向上在工件中切割多个第二通道，第一和第二通道交叉并在第一和第二通道之间的交点处形成多个限定测试探针的柱；以及将探针连接至形成在支持衬底中的电导体，探针和衬底限定测试探头。可以在电火花机床中使用反向配线电火花加工 (R-WEDM)来执行第一和第二通道的切割。可通过将使用焊料块和焊接回流工艺探针焊 接至耦合至通孔的导体或表面接触焊盘来执行连接步骤。
在另一实施例中，用于制造半导体测试探头的方法包括(a)提供由导电金属材料制成的工件，工件限定X-Y-Z坐标系统；(b)将工件安装在具有铰接的电火花配线的电火花机床中；(C)沿着X轴在第一方向上移动电火花配线；(d)以沿着X轴隔开的多个间隔沿着Z轴在第二方向上间歇地移动电火花配线通过工件，该线切割在Y轴方向上延伸的工件中的多个第一通道；(e)沿着Y轴在第三方向上移动电火花配线；(f)以沿着Y轴隔开的多个间隔沿着Z轴在第二方向上间歇地移动电火花配线通过工件，该线切割在X轴方向上延伸的工件中的多个第二通道；(g)形成通过第一和第二通道切割限定的测试探针柱的阵列；(h)提供由具有多个金属硅通孔的硅所组成的支持衬底；以及(i)将探针焊接至导体， 其中，支持衬底和测试探针柱限定测试探头。
虽然前面的描述和附图表示本公开的示例性实施例，但应该理解，在不背离所附权利要求的精神和范围的情况下，可以进行各种添加、修改和替换。具体地，本领域的技术人员清楚，可以以其他形式、结构、配置、比例、大小以及利用其他元件、材料和部件来具体化本公开，而不偏离其精神或本质特性。此外，可以进行本文描述可应用的方法/工艺和/ 或控制逻辑的各种变化而不背离公开的精神。本领域的技术人员进一步意识到，本公开可以使用结构、配置、比例、大小、材料和部件的许多修改并且在本公开的实践中使用，尤其适用于特定环境和操作要求而不背离本公开的原理。因此，本公开的实施例被认为在所有方面都是示例性而不是限制性的，通过所附权利要求及其等效物来限定公开范围，并且不限 于前述描述或实施例。此外，所附权利要求应该被广义解释以包括本领域技术人员可以进行的其他变化和公开的实施例，而不背离公开的等效范围。
权利要求
1.一种用于制造半导体测试探头的方法，包括提供由导电材料制成的工件；使用电火花配线在第一轴方向上切割所述工件中的多个第一通道；使用所述电火花配线在第二轴方向上切割所述工件中的多个第二通道，所述第一通道和所述第二通道交叉，并在所述第一通道和所述第二通道之间的交点处形成限定测试探针的多个柱；以及将所述探针连接至形成在支持衬底中的电导体，所述探针和衬底限定测试探头。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，使用电火花机床中的反向配线电火花加工 (R-WEDM)执行切割所述第一通道和所述第二通道。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述连接的步骤包括使用焊接回流工艺经由焊料块将所述探针焊接至导体。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述衬底包括硅，并且所述导体通过多个金属硅通孔形成。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述多个柱通过公共支持基底获得支持并从所述公共支持基底伸出，在切割所述第一通道和所述第二通道期间，所述公共支持基底与来自所述工件的测试探针柱集成形成。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述测试探针的每一个均在单个操作中同时被焊接至所述支持衬底中的对应导体。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括以下步骤在将所述测试探针焊接至所述支持衬底中的导体之后，将所述测试探针与所述公共支持基底切断。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，使用电火花配线切断所述公共支持基底。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述测试探针被加长，且横穿所述探针的长度看所述测试探针的形状为直线截面形。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述测试探针具有大约20微米的最大横穿宽
全文摘要
本发明涉及测试探针板，为此，本发明提供了一种用于晶片级测试半导体IC封装器件的测试探针板。该卡包括电路板，其包括测试电路和测试探头。探头包括具有附接至包括多个导电通孔的衬底的多个金属测试探针的探针阵列。在一个实施例中，探针具有相对刚性的构造，并具有可使用倒装芯片组件焊料回流工艺耦合至通孔的一端。在一个实施例中，探针可以使用反向电火花线处理由导电材料的单块形成。
文档编号G01R1/073GK103000546SQ20121004255
公开日2013年3月27日 申请日期2012年2月22日 优先权日2011年9月15日
发明者郭永炘, 洪文兴, 姚博熙 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司
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