专利名称：平面化插入器的制作方法
技术领域：
本发明涉及探针卡组件的制造，该探针卡组件用于测试形成于半导体晶片例如硅或砷化镓上的集成电路的电连续性。
背景技术：
在用于进行该测试的探针卡的标准设计中，多层陶瓷(MLC)板插入探针头和印刷电路板(PCB)之间，该探针头有多个小直径探针，这些探针布置成与进行测试的集成电路上的电路接触，该印刷电路板与测试设备的电仪表或其它装置进行连接。该板是有导电线的空间变换器(spacetransformer)，该导电线有穿过该板延伸的导电通路。MLC空间变换器的目的是使电信号从在探针头上非常精细节距的电触点图形到在印刷电路板上的更粗糙节距图形进行重新布线(re-route)。“节距”的意思是在相邻导线或通路之间存在的间距。在测试集成电路的方法中，必须在MLC和印刷电路板之间进行电连接。这样的连接通常通过用工业标准钎焊技术将MLC钎焊到PCB上以便形成硬钎焊连接而实现。当在升高的温度下进行该测试时，例如在75摄氏度和125摄氏度之间时，希望使探针头由热膨胀系数(CTE)与要进行测试的硅晶片的热膨胀系数接近匹配的材料制成。硅的CTE是3.2ppm/℃。因此，优选是探针头的CTE为硅的大约2倍，例如小于7ppm/℃。
因为MLC与在探针头上的精细节距的触点进行电接触，因此，也必须使它的CTE与硅的CTE接近匹配。优选是，MLC的CTE在硅的CTE的2倍以内。当使MLC与PCB配合时，该要求产生一个问题，因为PCB的CTE通常为17ppm，比硅的CTE高得多。因为在MLC和PCB之间有不同的膨胀率，硬钎焊连接点可能在由于对构件进行加热和/或冷却而引起的机械应力的作用下破裂。
通常，探针头的所有探针都必须具有平面(整)性，公差在千分之几英寸之内。因此，需要对制造和装配公差进行认真控制，还需要附加的研磨和抛光处理，以便保持这样程度的平面性。现有的电路测试方法和装置并没有考虑到这样的CTE差别。例如，标题为“Membrane Probing ofCircuits”的美国专利No.5623213和标题为“Exchangeable MembraneProbe Testing of Circuits”的美国专利No.5841291涉及使用在柔性基质或膜上的导电凸块来测试电路。其中并没有系统对于整个系统中固有的CTE差别进行补偿的建议或说明。
同样，标题为“Programmable High-Density Electronic Device Testing”的美国专利No.5973504涉及一种用于测试高密度电子装置的系统。更特别地，该专利公开了使用具有多芯片�？榈牟馐韵低常员阍诮胁馐缘淖爸玫暮概�/焊点(pad)和测试电路之间发送信号。该系统使用一个膜探针卡和导电电路连接凸块。膜探针卡螺纹连接到使用框架环的壳体上，并布置在压力结构和进行测试的装置之间。导电凸块在膜上分组，以便与连接焊盘阵列相对应。在一个可选实施例中，电连接可以利用电按钮连接器来保持。同时，它也没有提出该系统应当设计成对测试系统中固有的CTE差别进行补偿。
标题都为“Temperature compensated Vertical Pin Probing Device”的美国专利No.6163142和No.6297657涉及用于在较大温度范围对集成电路进行测试的改进的探测装置。这两个专利都公开了与本文中所公开的方法和装置互补的方法和装置。
因此，需要一种用于调节探针头在装配后的平面性以便对不对齐进行校正的方法和装置。理想的是，该方法和装置将使对关键机加工和装配处理的需求减至最少。
发明内容
概述本发明的一个目的是找到一种使MLC与PCB进行电和机械连接的方法，该方法允许有不同的膨胀率，同时保持电接触。
另外，本发明的一个目的是提供一种方法，通过该方法可以调节MLC相对于PCB的平面化/度(planarization)。
本发明的一个新颖方面涉及将MLC以这样的方式安装在PCB上，即允许有不同的热膨胀率和能够使探针头平面化，同时保持MLC和PCB之间的电接触。
为了补偿不同的热膨胀率，本发明合适地采用了平面化插入件，该插入件包括板，该板布置在MLC和PCB之间，同时保持柔顺(compliant)电连接。在本说明书中，“柔顺电连接”应当指这样的连接，不管热膨胀率不同，但它能够保持在互连装置的两侧的部件的电连接和完整性，并允许对测试头组件进行平面化。与进行测试的装置(集成电路)的柔顺电连接可以利用金属丝网弹性连接元件(fuzz button)或导电凸块(bump)来保持。在使用金属丝网弹性连接元件的实施例中，板有钻成一定图形的多个孔(也称为通路或通路孔)，该图形与在PCB上的电触点的图形匹配。然后将金属丝网弹性连接元件定位于孔内。在使用导电凸块的实施例中，导电凸块丝网印刷/制(screen)或沉积在MLC和/或PCB的基板栅格阵列焊盘(Land Grid Array Pads LGA)上。
在第一实施例中，公开了一种用于测试集成电路的探针卡组件，包括布置在探针头和印刷电路板之间的多层电介质板，该印刷电路板在它的表面上排列有第一多个电触点，这些第一电触点布置成一定图形，该电介质板在它的表面上排列有第二多个电触点，这些第二电触点布置成基本与第一多个电触点相匹配的图形；一个布置在陶瓷板和印刷电路板之间的平面化插入件，该平面化插入件有一定图形的孔，该孔的图形与印刷电路板和电介质板上的电触点图形相匹配；安装环，该安装环夹在板上，且该安装环安装在印刷电路板上；以及第三多个柔顺电连接器，这些柔顺电连接器布置于在平面化插入件上排列成一定图形的多个孔中，该电连接器和该第一多个电触点与该第二多个电触点进行电接触。
在第二实施例中，公开了一种调节探针卡组件的平面化的方法，该方法包括以下步骤(a)将调节螺钉充分拧紧，从而使安装环紧邻印刷电路板；(b)判断所述探针头的平面化；以及(c)调节螺钉的紧度，以便达到对探针头的希望程度的平面化。
在第三实施例中，公开了一种装配探针卡组件的方法，该方法包括以下步骤(a)利用导电工具将多个金属丝网弹性连接元件分别插入通路孔中；以及(b)确认在多层电介质板和印刷电路板之间的电连接性。
在第四实施例中，公开了一种装配如权利要求1所述的探针卡组件的方法，包括以下步骤(a)提供暂时使用的板来确认电连接；以及(b)在测试之前用多层电介质更换该暂时使用的板。
附图的简要说明
图1是根据本发明的探针卡组件的示意图。
图2是探针卡组件的剖视图。
图3是探针卡组件的剖视图，表示金属丝网弹性连接元件的使用。
图3a是探针卡组件的剖视图，其中，在PCB中的通孔用于对齐目的。
图4是探针卡组件的剖视图，表示通孔填充的金属丝网弹性连接元件的使用。
图5是探针卡组件的剖视图，表示导电凸块在PCB和空间变换器之间的使用。
图6是探针卡组件的剖视图，表示导电凸块在PCB和MLC之间的使用。
发明的详细说明本发明包括一种平面化插入件，该平面化插入件位于一个MLC或其它多层电介质与PCB之间。该插入件采用柔顺互连结构(总体在图1中表示)，例如金属丝网弹性连接元件(图2、3和4中所示)、针栅阵列(图5中所示)、或导电凸块(图6中所示)，以便保持PCB和MLC之间的电连接。在本说明书中所指的MLC也包括其它合适的多层电介质板。
在图1中，插入件20包括一板，该板有多个通孔，这些通孔形成一定图形，且该图形与在PCB 10上的第一多个电触点的图形匹配。优选地，板由电介质例如硬塑料形成。最优选地，该板由Ouadrant EngineeringPlastic Products制造的Techtron PPS而形成。第一多个电触点通常布置成节距为1.27mm(0.05英寸)的阵列。尽管通常为0.05英寸，但是本领域技术人员应当知道，也可以合适地采用其它节距。电连接器布置在通孔内，以便提供电通路。优选的电连接器是称为金属丝网弹性连接元件(fuzzbutton)的较小柱形元件。该金属丝网弹性连接元件是由细导电金属线例如铍铜组成的商品，它被压入一个模中以便形成柱形块，并有类似于弹簧的特性。优选的金属丝网弹性连接元件的示例包括由Cranford，New Jersey的Technit制造的产品。
MLC 30可以夹在安装环40上，该安装环40再以下述方式安装在PCB10上，该方式允许调节环的平面化。安装环40利用多个螺钉45安装在PCB 10上。优选结构采用三个螺钉。在每个螺钉上，在环40和PCB10之间布置有刚性弹簧25，如图2所示。合适的刚性弹簧包括弹簧垫片，例如由Lodi，New Jersey的HK Metalcraft Inc.制造的Belleville垫片。更优选是，螺钉45穿过安装环40和弹簧垫片25，这样，转动该螺钉可以调节安装环的平面性。MLC30可以选择地布置在安装环40中的支承部位55上。优选地，MLC 30夹在环中的支承部位上。
优选地，安装环40安装成使MLC30紧邻PCB10的表面。所产生的压力使得MLC30靠着插入件20中的金属丝网弹性连接元件90(如图2所示)而保持在环中。因此，金属丝网弹性连接元件使MLC 30和PCB 10之间电连接。因为电连接并非刚性，因此，PCB 10能够以不同于MLC 30的膨胀率而自由地膨胀，同时持续形成电接触。这时，探针头(也称为测试头)50(图2中所示)可以置于确定探针头50的平面化程度的测试器中。当需要调节时，合适的调节螺钉45可以稍微拧松，以便使探针头50平齐。选择Belleville垫片25为在环40和PCB 10之间提供足够的预负载，以便确保该环不会在探针测试过程中施加的正常负载下运动。如图2所示，在MLC 30或PCB 10上可以沉积或(硬)钎焊可选择的焊盘185。
在一个可选实施例中，如图3所示，PCB 10有空心的镀层通路或通路孔100。金属丝网弹性连接元件90插入该通路孔100中。优选地，金属丝网弹性连接元件90的直径稍微大于通路100，这样，金属丝网弹性连接元件90通过压力保持就位。例如，通路孔100的直径可以近似为0.76mm(0.03英寸)，金属丝网弹性连接元件90稍微大一些。在该实施例中，不需要插入件(图2中以参考标号20表示)，从而节约了插入件20的较大成本部分，且不需要使框架与PCB 10对齐。因此，因为必然能够确保对齐，该实施例提高了可靠性。
优选地，金属丝网弹性连接元件90从PCB 10的非测试侧160插入，并推过该PCB 10，直到确认金属丝网弹性连接元件90和MLC 30之间有电接触。非测试侧是指板的、与测试头50相反的一侧。这样的结构确保所有的金属丝网弹性连接元件90相对于MLC30的最终高度都几乎相同。为了简化装配过程，希望能暂时使用铝板来代替MLC。使用该板将简化电连接的确认。优选地，使用导电的工具来将金属丝网弹性连接元件90推过通路100，这样，当形成从工具通过金属丝网弹性连接元件90到暂时使用的板并返回工具的闭合电通路时，可以确认形成接触。该暂时使用的板(未示出)暂时代替MLC 30，以便给金属丝网弹性连接元件90加载，然后取下该板，并以MLC 30代替。所希望的是使该暂时使用的板稍微比实际使用的MLC30厚一些，这样，金属丝网弹性连接元件90压靠该暂时使用的板。取下该板然后用MLC 30替代会使得金属丝网弹性连接元件90可以稍微松弛，同时保持电接触，从而使施加在MLC 30上的压力减至最小。
该结构确保金属丝网弹性连接元件90相对于PCB 10对齐。为了进一步简化MLC 30与金属丝网弹性连接元件90的对齐，可以选择地在MLC的在与测试头50相反的一侧上的MLC触点阵列(未示出)上使用附加的焊盘185。MLC触点阵列的图形与PCB 10上的LGA图形匹配。在PCB 10中的两个相应孔可以用于通过该PCB 10对准焊盘。然后可以将MLC 30调节成使该焊盘在孔的中心。优选的结构包括两个对齐插针，例如用于MLC针栅阵列中的插针，这两个对齐插针钎焊在焊盘上。这些焊盘(针)穿过两个对应的在PCB 10中的附加通路孔，从而使MLC的LGA阵列与PCB的通路阵列对齐。
在一个可选实施例(未示出)中，可以取消刚性Belleville垫片25或由低刚性垫片代替，且平面化螺钉45可以埋头沉入安装环中。在该可选实施例中，环可以在测试过程中相对于PCB 10自由浮动以及自动平面化，同时，当除去测试负载时，埋头螺钉合适地使环重新定心。环和PCB之间的浮动程度通过柔顺电接触件(金属丝网弹性连接元件或导电凸块)来补偿。
图3a表示了使用定位孔200来帮助对齐组件。
在另一实施例中，如图4所示，更长和更柔软的金属丝网弹性连接元件可以用于多个盲通路110。在该实施例中，通路110的非测试端160被堵住，这样通路的深度允许金属丝网弹性连接元件的一部分从PCB 10凸出。在本实施例中，通路110的直径可以大于金属丝网弹性连接元件90的直径，因为摩擦力不再优选地用于保持该金属丝网弹性连接元件90的位置。
在一个可选实施例中，如图5所示，插入件20利用钎焊到MLC30的接触焊盘上的针栅阵列(PGA)180构成。该PGA与PCB中的镀层通路配合，并插入该镀层通路中。弹簧垫片25(例如Belleville垫片)布置在安装环40下面多个位置处，优选是三个位置。调节螺钉45(也如图1所示)穿过垫片25，以便能够调节环的平面性。一旦正确地平面化，PGA的通过PCB的背面(非测试面)凸出的尖端钎焊到PCB通路100的背面上。可选择地，为了缩短插针180的电通路，导电膏例如导电环氧树脂或钎料可以注入或丝网印刷到板的测试头侧的通路内。优选地，通路的内径大于插针的，这样，当插针插入该通路中时，该导电膏充满插针和通路之间的空间，以便产生电连接。这样的结构缩短了电通路，从而可以使用更短的插针。然后，MLC 30可以利用上述方法来对齐。因为在MLC 30和PCB 10之间产生了电连接，测试头可以安装在安装环和MLC 30上，并可以对完成的组件进行最终平面性检查。需要时，可以调节该平面性。一旦合适地对齐，使该组件固化，例如通过低温固化周期，以便使导电膏固化。一旦确认一平面性，环氧树脂填料可以注入到MLC 30下面，以便充满MLC 30和PCB 10之间的间隙，从而增加MLC 30和PCB 10之间的粘接强度。
在如图6所示的一个可选实施例中，金属丝网弹性连接元件90可以由柔顺导电凸块120代替。优选地由导电环氧树脂，例如具有小于0.005欧姆-cm的电阻率的金属或石墨聚合物，制成的这些导电凸块120丝网印刷或沉积在MLC 30和/或PCB 10的基板栅格阵列焊盘上当MLC 30和PCB10接触时，凸块120形成在MLC 30和PCB 10之间的柔顺电通路。然后，测试头(未示出)安装在安装环40上，并与MLC 30对齐。然后，对测试头的平面化进行测试，以确�：鲜实钠矫嫘裕⒃谛枰蓖ü鹘诼荻�45(见图1)进行调节，从而使测试头的高侧(high side)更接近PCB 10。然后对该PCB 10和空间变换器130进行加热，直到环氧树脂固化，这样，将空间变换器130保持在PCB 10上。然后将环氧树脂下部填料(under-filler)注射到MLC 30下面。
可选择地，导电凸块可以由焊膏制成，优选是采用低熔点例如100℃的焊料。优选地，该焊料在室温下为固体。在测试过程中随着温度的升高，焊料软化并重新流动，从而消除机械应力，同时保持电接触。当冷却时，该焊料重新固化。
因此，已经表示和介绍了在测试之前对探针卡组件进行平面化的装置和方法。本领域技术人员应当知道，在不脱离本发明的总目的的情况下，也可以采用其它实施例和变化形式。本领域技术人员知道的所有这些变化和应用都将落入本申请的范围内。
权利要求
1.一种用于测试集成电路的探针卡组件，其特征在于布置在一探针头(50)和印刷电路板(10)之间的多层电介质板(30)，所述印刷电路板(10)在它的表面上排列有第一多个电触点，这些第一电触点布置成一定图形，所述电介质板(30)在它的表面上排列有第二多个电触点，这些第二电触点布置成基本上与所述第一多个电触点相匹配的图形；布置在所述电介质板和所述印刷电路板(10)之间的平面化插入件(20)，所述平面化插入件(20)有呈一定图形的孔，所述孔的图形与所述印刷电路板(10)和所述电介质板(30)上的电触点图形相匹配；夹在所述板(30)上的安装环(40)，且所述安装环(40)安装在所述印刷电路板(10)上；以及第三多个柔顺电连接器，这些柔顺电连接器布置于在所述平面化插入件(20)上排列成一定图形的多个所述孔中，所述电连接器和所述第一多个电触点与所述第二多个电触点进行电接触。
2.根据权利要求1所述的探针卡组件，其特征在于所述安装环(40)通过多个螺钉(45)而安装在所述印刷电路板(10)上。
3.根据权利要求2所述的探针卡组件，其特征在于在各所述各个螺钉(45)和所述印刷电路板(10)之间布置有一个垫片(25)。
4.根据权利要求3所述的探针卡组件，其特征在于各所述垫片(25)是弹簧垫片。
5.根据权利要求4所述的探针卡组件，其特征在于所述电触点布置成节距为大约1.27的阵列。
6.根据权利要求4所述的探针卡组件，其特征在于所述第三多个柔顺电连接器包括多个金属丝网弹性连接元件(90)。
7根据权利要求1所述的探针卡组件，其特征在于所述多个螺钉(45)埋头装入所述安装环(40)内。
8.根据权利要求1所述的探针卡组件，其特征在于所述印刷电路板(10)包括一个或多个通路孔(100、110)。
9.根据权利要求8所述的探针卡组件，其特征在于所述金属丝网弹性连接元件(90)插入所述通路孔(100、110)中。
10.根据权利要求9所述的探针卡组件，其特征在于所述金属丝网弹性连接元件(90)的直径大于所述通路孔(100、110)的直径。
11.根据权利要求8所述的探针卡组件，其特征在于所述一个或多个通路孔是盲通路(110)。
12.根据权利要求11所述的探针卡组件，其特征在于所述金属丝网弹性连接元件(90)插入所述盲通路(110)中。
13.根据权利要求12所述的探针卡组件，其特征在于所述金属丝网弹性连接元件(90)插入成朝着所述多层电介质板(30)凸出到印刷电路板(10)的上面。
14.根据权利要求1所述的探针卡组件，其特征在于所述第三多个柔顺电连接器包括多个导电凸块(120)，这些导电凸块丝网印刷在所述第一多个电触点上。
15.根据权利要求1所述的探针卡组件，其特征在于所述第三多个柔顺电连接器的特征是沉积在所述第一多个电触点上的多个导电凸块(120)。
16.根据权利要求15所述的探针卡组件，其特征在于所述平面化插入件(20)，其中所述第一多个电触点的特征是一个或多个基板栅格阵列焊盘(180)，其中，所述导电凸块(120)施加在所述焊盘上。
17.根据权利要求16所述的探针卡组件，其特征在于所述导电凸块(120)由焊膏组成。
18.根据权利要求17所述的探针卡组件，其特征在于所述焊膏具有低熔点。
19.根据权利要求18所述的探针卡组件，其特征在于所述焊膏的熔点低于或等于100℃。
20.根据权利要求1所述的探针卡组件，其特征在于所述多层电介质板(30)还包括钎焊到所述多个接触焊盘上的针栅阵列(180)。
21.一种调节如权利要求5所述的探针卡组件的平面化的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤(a)将所述调节螺钉(45)充分拧紧，从而使所述安装环(40)紧邻所述印刷电路板(10)；(b)判断所述探针头(50)的平面化；以及(c)调节所述螺钉(45)的紧度，以便达到对所述探针头(50)的希望程度的平面化。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于所述安装环(40)相对于印刷电路板(10)浮动。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于所述螺钉(45)是沉头螺钉，且所述方法还包括在测试过程中利用所述沉头螺钉(45)对安装环(40)重新定心的步骤。
24.一种装配如权利要求6所述的探针卡组件的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤(a)利用导电工具将所述多个金属丝网弹性连接元件(90)分别插入所述通路孔(100、110)中；以及(b)确认在所述多层电介质板(30)和所述印刷电路板(10)之间的电连接性。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于所述金属丝网弹性连接元件(90)从印刷电路板(10)的非测试侧(190)插入。
26.一种装配如权利要求1所述的探针卡组件的方法，其特征在于它包括以下步骤(a)提供暂时使用的板来确认电连接；以及(b)在测试之前用所述多层电介质(30)更换所述暂时使用的板。
27.一种用于测试集成电路的探针卡组件，其特征在于一布置在一探针头(50)和印刷电路板(10)之间的多层电介质板(30)，所述印刷电路板(10)在它的表面上排列有第一多个电触点，这些第一电触点布置成一定图形，所述电介质板(30)在它的表面上排列有第二多个电触点，这些第二电触点布置成基本上与所述第一多个电触点相匹配的图形；夹在所述板(30)上的安装环(40)，且所述安装环(40)安装到所述印刷电路板(10)上；以及多个金属丝网弹性连接元件(90)，这些金属丝网弹性连接元件(90)布置成与所述第一多个电触点相对应的图形，所述第二多个电触点与所述第一多个电触点以及所述第二多个电触点进行电接触。
28.一种用于测试集成电路的探针卡组件，其特征在于布置在探针头(50)和印刷电路板(10)之间的多层电介质板(30)，所述印刷电路板(10)在它的表面上排列有第一多个电触点，这些第一电触点布置成一定图形，所述电介质板(30)在它的表面上排列有第二多个电触点，这些第二电触点布置成基本上与所述第一多个电触点相匹配的图形；夹在所述板(30)上的安装环(40)，且所述安装环(40)安装到所述印刷电路板上；以及多个导电凸块(120)，这些导电凸块(120)布置成与所述第一多个电触点和所述第二多个电触点相对应的图形，并与所述第一多个电触点以及所述第二多个电触点进行电接触。
全文摘要
一种用于补偿不同热膨胀率的探针卡组件，包括布置在探针头(50)和印刷电路板(10)之间的多层电介质板(30)。该印刷电路板(10)在它的表面上排列有第一多个电触点，这些第一电触点布置成一定图形。电介质板(30)具有第二多个电触点，这些第二电触点布置成与所述第一多个电触点相匹配的图形。平面化插入件(20)布置在板(30)和印刷电路板(10)之间，并有呈一定图形的孔，该孔的图形与印刷电路板和板上的电触点图形相匹配。该组件还包括电连接器，这些电连接器布置于在平面化插入件(20)上排列成一定图形的每个所述孔中，导电凸块(120)或金属丝网弹性连接元件(90)和第一多个电触点与第二多个电触点进行电接触。
文档编号G01R31/28GK1489695SQ02804425
公开日2004年4月14日 申请日期2002年1月30日 优先权日2001年1月31日
发明者A·布兰多尔夫, W·P·帕迪, A 布兰多尔夫, 帕迪 申请人:文特沃思实验室公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
