CN101002103A - 探针尖部镀 - Google Patents

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爱德华·L·马兰托尼奥
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安德鲁·赫梅尔
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Abstract

一种处理探针元件的方法，包括：(a)提供包括第一导电材料的探针元件，以及(b)用第二导电材料只涂布探针元件的尖部。

Description

探针尖部镀
相关申请
本申请涉及并要求于2004年8月5日提交的第60/599,492号美国临时专利申请的优先权，其全部内容结合于此作为参考。
技术领域
本发明涉及用于晶片测试的探针，更具体地，涉及具有能够减少磨损和增加耐用性的镀层的改进探针尖部。
背景技术
探针被用作在被测器件(DUT)和测试装置之间提供电气通信的互连线。传统的探针通常由例如铍铜(Be-Cu)的基材构成，且具有形成在基材上的一个或多个外层。在一些情况中，没有为探针镀上镀层。当镀了镀层时，那些镀层的外层包括例如，镍、金、或铑和钯(有或没有钴)镀层。通常，通过添加外层来增加探针的硬度以及减少探针的磨损。提供增加的硬度通常是为了破坏形成在被测接触焊盘上的氧化层。氧化层对焊盘或凸起(bump)和探针之间的导电性有不利影响，所以希望探针能够刺穿氧化层从而实现改进的电连接。
在一些传统的探针中，在整个探针上形成外部镀层。这具有多个缺点。首先，涂布整个探针成本很高。其次，探针上的镀层会对探针的机械特性(特别是探针的弹性特性)产生不利影响。第三，在探针的循环工作过程中，探针的弹性部件/部分上的非常硬的涂层可能会脱落。
因此，希望提供一种改进的电镀探针，该探针具有较低的制造成本且具有增加的耐用性，同时使探针的弹性特性的改变最小。
发明内容
根据本发明的一个示例性实施例，提供了一种处理探针元件的方法。该方法包括：提供包括第一导电材料的探针元件。该方法还包括：用第二导电材料只涂布探针元件的尖部。
根据本发明的另一个示例性实施例，提供了一种用于只将探针元件的尖部涂布涂层的涂布系统。该涂布系统包括用于保持涂布材料的容器。涂布系统还包括邻近容器的用于在涂布处理过程中容纳部分涂布材料的多孔板。该多孔板被配置以将部分涂布材料置于邻近其表面的位置。该部分涂布材料被配置以在涂布过程中与探针元件的尖部接触。
根据本发明的又一个示例性实施例，提供了一种探针卡组件。该探针卡组件包括探针基板和由探针基板支撑的多个探针元件。每个探针元件都包括第一导电材料，且只有每个探针元件的尖部涂布有第二导电材料。
探针基板可以以多种结构中的任何一种来支撑探针元件，例如，可以将每个探针元件(a)与探针基板的各个导电区直接机械结合，或(b)由探针头支撑，以使探针元件可以相对于探针基板的导电区移动。
探针卡组件可以包括多个其他元件(例如，PCB、插入机构等)。
附图说明
图1是根据本发明的示例性实施例的提供用于涂布探针尖部的工艺概述的流程图；
图2是根据本发明的示例性实施例的用于形成探针尖部的工艺的示意图；
图3是根据本发明的示例性实施例的覆盖有镀层的探针尖部的示意图；
图4是示出根据本发明的示例性实施例的用于涂布探针尖部的工艺的流程图；
图5是图4的工艺的示意图；以及
图6是根据本发明的示例性实施例的进行电镀前的具有形成在探针体上的光刻胶的探针的一部分的横截面图。
具体实施方式
本发明涉及一种在探针尖部形成涂层的方法，其中，探针是用于测试集成电路的探针卡组件的一部分。将涂层涂在所选择的探针区域(例如，探针尖部)。在使探针的成本和弹性特性的改变最小化的同时，可以对涂层进行配置以提供增加的硬度和磨损保护。
本文中使用的术语“探针(probe)”、“探针脚(probe pin)”、和“探针元件(probe element)”指的是被配置来与被测试的半导体器件接触的接触元件。典型的探针包括线焊(wire bonded)接触元件、取放型接触元件、电镀(plated-up)接触元件、以及被配置来接触(例如，通过半导体器件上的接触焊盘等)待测半导体器件的多种其他接触元件结构中的任何一种。
本文中所描述的探针元件的“探针尖部”或“尖部”指的是根据本发明被配置为待涂布的探针元件的部分。实际上，只有非常小部分长度的探针元件被涂布，以提供理想的尖部质量(例如，耐磨损)；然而，为了确保对尖部进行适当地涂布(例如，使用相机或观察系统等)，较为可取的是将探针元件的稍微大一点的部分用作进行涂布的尖部。根据本发明的一些示例性实施例，被涂布的尖部少于探针元件长度的50％。在其他实施例中，被涂布的尖部少于探针元件长度的25％。在又一些实施例中，被涂布的尖部少于探针元件长度的10％。
在晶片测试应用中，根据本发明的探针尖部涂层或镀层可以有助于电连接的热稳定循环(thermally stable cycling)(即，在晶片测试过程中进行的周期(cyclical)电连接)，其中，希望在晶片测试过程中的高温下，探针尖部的涂层是完全非氧化性的和/或非腐蚀性的。在本发明的一些示例性实施例中，还希望具有在提供良好的接触电阻的同时，还阻止污染物(例如，擦掉的结合焊盘材料、焊料凸起材料等)的附着的探针尖部材料。探针的设计和操作为探针尖部在被测金属上的擦除动作做好了准备，结合焊盘的作用在于形成到器件的内部部件的连接。通过减少所设计的擦除功能下的磨损，探针尖部在一定程度上可以形成具有最小焊盘形变的可靠的、低电阻连接，从而可以减少留在焊盘上的检测记号并可以最小化检测记号对结合焊盘的引线接合的影响。
本发明可广泛用于包括棱锥、尖锥、以及楔形的各种探针尖部或其他探针尖部，并且特别适用于具有小于10μm的直径的探针尖部。由于这种探针的小尺寸，变硬的尖部对于防止这种探针的磨损以及增加这种探针的耐用性非常有益。减少尖部磨损的好处之一在于减少了可能影响电接触电阻的小颗粒的形成。
如上所述，一些现有的涂布方法给整个探针都涂布外部涂层。涂布工艺通常使得涂布材料通过毛细现象而达到探针的整个长度。相反，本发明提供了一种用于将外层涂层涂到探针尖部的新工艺，以造成实际上只有尖部被涂布。该工艺还允许有选择地控制涂布。由于该工艺造成仅在探针的一小部分上放置所需的材料，因此总地来说，该工艺成本更低并且涂布更快。由于形成的涂层具有较低的摩擦系数，所以减少了杂质的附着。
参照图1和图2，示意地描述了用于涂布探针尖部的示例性实施例。在步骤100中，例如，通过使用诸如光刻的传统探针形成工艺形成一根探针12，并将其设置在薄板14上的阵列中。通过使用光刻技术来形成探针是本领域技术人员公知的。一般的工艺包括：层压所需的材料、使层压的材料形成掩模以限定精细的产品形状、对形成掩模的材料进行UV成像、去除掩模、以及随后显影形成图像的材料。然后，使用电镀(plate up)工艺在露出的抗蚀图的边界中形成探针。
形成之后，可以将薄板14分割成多行探针12，尽管为了实施本发明并不必须这样做。在图1中的步骤102中，将一行探针12连接到背板或其他合适的支撑物18上。背板18可以由例如不锈钢材料制成，在涂布工艺中，不锈钢材料提供足以支撑和操作探针12的刚度。探针12到背板的连接是导电性的，从而使得探针12和背板18之间能够传输电流(如下面将更详细讨论的)。在本发明的一个示例性实施例中，使用了施加导电连接的弹簧夹紧装置，所以可以轻易地将探针条从背板上取下(以及重新插入另一探针条)以快速生产。
通常，探针基板的厚度与探针的厚度相同，对基板来说这样的面积和长度被认为太薄而不能够在涂布操作中提供足够的用于支撑的厚度。由于这个原因(以及其他原因)，可以使用背板18。
在本发明的一个示例性实施例中，可以结合最终产品来执行涂布操作，该最终产品为诸如具有带有探针12的、连接至PCB 18的(例如，经由插入机构或直接连接)的基板14(例如，多层陶瓷、多层有机或单层陶瓷)的探针卡。可以通过利用导电布或一些其他布线装置(wiring fixture)在部短路PCB迹线(trace)/管脚来实现管脚/探针的电连接。
如图2所示，诸如高密度聚乙烯容器的非导电容器20用于存储所需的涂布溶液22。尽管优选耐腐蚀塑料容器，但也可以考虑用诸如陶瓷或玻璃材料的其他材料制成容器20。示出的示例性容器20位于集料器24中。
在一个实施例中，横跨容器上部放置一层导电泡沫26。泡沫26例如由铝材料形成。泡沫层26设计为允许电镀溶液流过。这样旨在将泡沫层作为用于在电解液中限定电场的一个边界的阳极电极。示例性泡沫的厚度可以基于电镀系统的整体规模而在2mm到12mm的范围内变化。泡沫26通过容器20的壁进行电连接，以连接至电源34。
在本发明的另一个实施例中，电极由作为场边界并允许电镀溶液流过的铂筛或金属丝网形成。示例性阳极的面积在待电镀的表面面积的1到2倍的范围内。阳极的上部是薄的多孔陶瓷板28，板28的多孔性设计为允许电镀溶液从容器20渗透到板28的上表面上。例如来自Refractron Technologies Corporation，Newwark，NewYork的那些具有从1到10微米的多个孔的多孔陶瓷已经被成功实现。该位置处的材料用作阳极和待电镀的探针12(阴极)之间的绝缘体。可以以较低的成本制造具有所需的多孔性和刚度特性的各种陶瓷材料(以及其他材料)。陶瓷板28可以连接至阳极26或直接放置在容器20上部。陶瓷板28可以从容器20上取下，以便于可以对其进行更换。可以根据需要定期清洗多孔陶瓷板28。
将所需的电镀溶液22放置到或用泵抽取到容器20中。在本发明的一个示例性实施例中，电镀溶液22是钯钴(palladium cobalt)溶液。按重量算，Pd和Co的典型比例为80/20。(关于钯钴的材料特性和接触可靠性的其他信息可以在J.A.Abys，E.J.Kudrak and C.Fan，“The Material Properties and Contact Reliability of PalladiumCobalt” Trans.IMF，77(4)，1999中找到，其内容结合于此作为参考)。根据本发明的一个示例性实施例，完成大约3～5微米的涂层厚度需要进行10～15分钟的处理。另一种示例性电镀溶液是PdNi(例如，按重量算，比例为80/20)。PdCo可以提供更少的多孔且可以比其他常用涂层更好地形成在探针表面上。其具有精细的颗粒结构并具有较低的摩擦系数(例如，与硬金相比)，这使得探针的表面光滑并防止从接触焊盘粘附金属碎屑。由于减少或消除了在反复接触诸如焊料凸起的触点/端子(例如，在PbSn、Cu或SnAgCu凸起上和晶片上的Al或Cu焊盘上)的过程中在探针尖部上累积的碎屑，所以PdCo尖部镀层为接触电阻提供了探针的热稳定性并提供了更好的探测性能。例如，PdCo镀层具有HV600的维氏硬度。比较起来，BeCu的硬度只有HV350，(硬)Au的硬度只有HV150。为了电连接的热稳定循环，在高温晶片测试过程中，需要探针尖部上要有非氧化和非腐蚀涂层。还希望探针尖部具有在提供良好的接触电阻的同时，能够阻止杂质附着的材料(诸如焊料凸起材料)。
关于PdCo镀层的附加信息可以在“Electroplating of PdCo Alloyfor Connector Application，”Proc.29th IICIT Connector andInterconnection Symposium，p.219，1996，authored by Boguslavsky，Abysand Eckert中找到，将其内容结合于此作为参考。此外，可以在PdCo镀层和BeCu或镍合金的底层探针(base probe)之间使用一层Au。
再次参照图2，泵30连接至容器20，用于向容器20提供电镀溶液22的连续流，以使电镀溶液22流过阳极26(例如，导电泡沫26)和陶瓷板28。在流过陶瓷板28之后，多余的电镀溶液22从陶瓷板28排出并进入集料器24中。泵30还用于从集料器24回收多余的溶液22。电镀溶液贮液器32可以通过液体管道连接至泵30，其中，电镀溶液贮液器32用于提供另外的电镀溶液源。
设置了电源34(诸如电池)，该电源包括正和负端子。正端子通过导线34a连接至阳极26(也可以直接或通过连接器连接至容器20)。负端子通过导线34b连接至探针12。将探针12电连接至负端子的示例性方法是利用将导线连接至导电背板18。可选地，可以在接触探针12的背板18上形成导电层(未示出)。
在图1的步骤104中，为了电镀探针尖部，降低背板18以使探针12与陶瓷板28上的纤维板36接触。一旦探针尖部接触到纤维板36，电镀溶液22就将探针12的尖部浸湿。在本发明的一个实施例中，在电镀过程中，在将电气系统保持在大约4伏且将电流密度保持在大约10asf的同时，通过使用保持在以电炉42加热的玻璃槽40中的水浴器38将电镀溶液22保持在大约50摄氏度。
一旦电镀溶液22被抽取穿过并到达多孔陶瓷板28上，溶液22就充满到由陶瓷板28的边缘处的表面张力确定的高度上。为了在表面上浸渍探针尖部，以使电镀溶液22仅浸湿尖部，将纤维板36设置到了陶瓷板28上。纤维板36可以是例如纤维素或类似于用作滤纸的合成纤维的其他合成纤维。来自Whatman InternationalLtd.，Clifton，NJ.的材料是这些材料的实例。已经通过试验发现，这些纤维板36的结合在控制表面张力方面是有效的，其中，表面张力使得液体(例如，电镀溶液22)在探针12之间通过毛细管作用向上流动。由于对更长的探针12进行电镀会影响探针12的机械特性并使用更多量的电镀溶液22，所以通常不希望探针12之间的电镀溶液的向上流动。为了使电镀溶液22的表面张力最小化，以防止或最小化探针12之间的电镀溶液22的毛细现象，可以将非导电材料36的薄板36(或这些纤维板的组合)放置在陶瓷板28的上面。适当可选的示例性非导电板包括尼龙、聚碳酸酯、和玻璃。一旦将尖部下降至纤维板(组)36上，这种软接触就可以在不必使探针12受到任何明显的压缩力的情况下，使液体22浸湿尖部(如图1的步骤106所示施加了电流)。
可以使用具有在接触到湿纤维板36时用于观察尖部的诸如显微镜或相机的器件的装置(例如，可以在轨道上平行于条滑动的装置)来确定条的平行性，并对其进行调整以基本一致地浸湿尖部。
图3示出了根据本发明的示例性实施例的具有电镀的探针尖部的多个探针12。可以看出，镀层302从尖部开始沿探针体304只延伸了很短的距离。
结合图4～图6，示出用于形成具有电镀的尖部的探针的另一个示例性工艺。该工艺包括通过与上述方式相类似的方式来形成探针12(图4中所示的步骤400)。又如上所述，探针12还被示为连接至背板18(图4中所示的步骤402)。
接下来，参照图6(以及图4中的步骤406)，为了确保只将涂层涂到探针12的尖部，还可以在涂布步骤之前，将光刻胶(resitcoating)52涂在探针上。光刻胶52是可选的，且可以(例如)通过层压处理来涂布光刻胶。适用于本发明的光刻胶52的一个实例是可以从Morton Electronic Materials Chicago，IL或IntermountainCircuit Supply，Scottsdale，AZ.得到的NIT215或NT250干膜。光刻胶52可以形成为具有大约30μm和50μm的厚度，并且光刻胶52可以通过光可确定(photodefinable)材料的片状形式涂布探针12(而不是涂布探针尖部)。这可以通过首先(例如)将光刻胶52涂到整个探针12上，然后通过光成像和显影步骤去除尖部的部分光刻胶52(参见图4所示的步骤406和408)。例如，将光刻胶52从探针尖部去除直到大约10mil，从而露出探针尖部。
如图5所示，提供了一种具有电镀溶液22的容器20。容器20可以用绝缘材料形成，阳极26可以置于电镀溶液中。电极和探针12以如上参照图2所述的类似方式连接至电源34。在将电气系统保持在大约4伏且将电流密度保持在大约10asf的同时，通过使用保持在以电炉42加热的玻璃槽40中的水浴器38将电镀溶液22保持在(例如)大约50摄氏度。
为了电镀探针尖部，将背板18降低以将探针尖部浸入电镀溶液22中(参见图4的步骤410)。从电源34提供电流(参见图4的步骤412)以通过传统方式使电镀溶液22附着至探针尖部。
在附着了镀层以后，将探针12从电镀溶液中取出，并可以通过使用各种传统技术去除光刻胶52(参见图4的步骤414)。例如，通过使用诸如可以从RBP Chemical Technology，Milwaukee，WI.得到的ADC40的剥离槽(stripper bath)。可选地，可以使用诸如N甲基吡咯酮(NMP)的其他材料来去除。
虽然结合一些结构(例如，图2和图5)和一些方法步骤(例如，图1和图4)对本发明进行了初步的描述，但是本发明并不限于此。例如，可以使用其他电镀/涂布系统。此外，关于图1和图4的流程图，只要可以实现所需的涂层，可以根据需要省略、替代、或重新排列某些步骤。
本发明提供了一种用于只电镀弹性探针尖部的新工艺。虽然将镀层描述为直接涂布到了基材上，但是也可考虑使用本方法或任何其他的适合的电镀方法将中间层涂布到探针上。
尽管本文中参照具体实施例示出并描述了本发明，但是本发明并不限于示出的细节。相反，在权利要求的等同物的范围内且不背离本发明的情况下，可以对细节做各种改变。

Claims (20)

1.一种处理探针元件的方法，包括以下步骤：
提供包括第一导电材料的探针元件；以及
用第二导电材料只涂布所述探针元件的尖部。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二导电材料比所述第一导电材料硬。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述提供步骤包括：
利用光刻形成作为多个探针元件之一的所述探针元件。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述涂布步骤包括：
用所述第二导电材料涂布所述尖部，其中，所述尖部小于所述探针元件的长度的50％。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述涂布步骤包括：
用所述第二导电材料涂布所述尖部，其中，所述尖部小于所述探针元件的长度的25％。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述涂布步骤包括：
用所述第二导电材料涂布所述尖部，其中，所述尖部小于所述探针元件的长度的10％。
7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：
提供涂布系统，所述涂布系统包括：(a)用于保持涂布材料的容器；以及(b)邻近于所述容器的用于容纳部分所述涂布材料的多孔板。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述涂布步骤包括：
使(a)所述探针元件或(b)所述涂布系统中的至少一个向另一个移动，以使所述探针元件的所述尖部从所述涂布系统接收所述涂布材料。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述涂布系统包括用于提供流过所述探针元件的电流的电源。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述涂布系统包括邻近于所述多孔板的表面设置的纤维板，所述纤维板被配置以与所述探针元件的所述尖部接触。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述提供步骤包括：提供作为探针卡组件的部件的所述探针元件。
12.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：
将光刻胶涂到所述探针元件的至少一部分上，以将所述第二导电材料的所述涂布限制于所述尖部。
13.一种用于将涂层涂到探针元件的尖部的涂布系统，所述涂布系统包括：
容器，用于保持涂布材料；以及
多孔板，邻近于所述容器，用于在涂布过程中容纳部分
所述涂布材料，所述多孔板被配置以将所述涂布材料的一部分置于邻近其表面的位置，所述部分被配置以与所述探针元件的所述尖部接触。
14.根据权利要求13所述的涂布系统，还包括邻近于所述多孔板的表面设置的纤维板，所述纤维板被配置以与所述探针元件的所述尖部接触。
15.根据权利要求13所述的涂布系统，还包括用于提供流过所述探针元件的电流的电源。
16.一种探针卡组件，包括：
探针基板；以及
多个探针元件，由所述探针基板支撑，每个所述探针元件都包括第一导电材料，其中，只有每个所述探针元件的尖部涂布有第二导电材料。
17.根据权利要求16所述的探针卡组件，其中，所述第二导电材料比所述第一导电材料硬。
18.根据权利要求16所述的探针卡组件，其中，所述尖部小于所述探针元件的长度的50％。
19.根据权利要求16所述的探针卡组件，其中，所述尖部小于所述探针元件的长度的25％。
20.根据权利要求16所述的探针卡组件，其中，所述尖部小于所述探针元件的长度的10％。
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