CN1148581C - 微电子装置的电连接器及其测试头装置 - Google Patents

Abstract

一种机械可适连接器，用于在微电子装置的接触焊点上形成可靠的电连接。连接器可用于晶片级的集成电路的强化试验。附加装置包括用于测试集成电路的探针板和用于倒焊芯片的插座。连接器的一种结构包括探针，每个探针具有凸出在薄细长弹簧83上的针尖81。弹簧被柱85支撑在基板89之上，使得探针针尖响应探针针尖上的接触力而自由垂直移动。探针针尖的偏移由薄弹簧的弯曲和伸展而可适地限制。针尖的机械可适性允许探针阵列与其中焊点不是精确平面的集成电路上的焊点接触。

Description

微电子装置的电连接器及其测试头装置

                  对有关申请的交叉参考

本申请利用了题名为“可适探针装置”的共同待审的申请。

                        技术领域

本发明涉及微电子装置的强化试验(burn-in)和检测，具体地涉及探针，它用于适合与单一芯片或晶片形式内的集成电路形成连接的插座组件中。

                        背景技术

微电子装置在生产过程中要经受一系列测试过程以证实功能性和可靠性。测试过程通常包括晶片探针测试，其中微电子装置芯片在从晶片上切下而进行封装前被测试，以确定每块芯片的工作情况。由长悬臂线(cantileverwires)构成的探针板用于测试一个或几个处于晶片级的芯片。

一般地，在晶片探针测试时，发现并非所有晶片上的芯片是可运行的，这导致的结果是合格装置少于100％。晶片被切成单独的芯片，且合格芯片装配进外壳内。通过装入强化试验板的插座中，且在从125℃至150℃的温度上通电运行8至72小时的强化试验时间，封装好的装置动态地进行强化试验以毁坏任何有缺陷的装置。强化试验加速了导致装置初期破坏或早期毁坏的毁坏机制，并且允许这些有缺陷的装置在它们进行商业应用前通过功能电测试而筛除。

全面的功能测试在封装好的装置上进行，该测试以不同的速度进行，以通过运行的最大速度将每个装置归类。测试分立的封装好的装置还允许除去在强化试验过程中所毁坏的所有装置。封装好的装置的强化试验和测试通过特别地分别适用于强化试验条件和高速测试的插座而完成。由于通过一套冗长的步骤对独立的分立装置的反复处理和测试，所以传统的生产工艺昂贵而耗时，该步骤为装置的总体生产时间又增加了几个星期。

在成本和加工时间上的明显益处可以通过在晶片切割成分立装置前对晶片的强化试验和测试而得到。通过在晶片切割成分立装置前，在晶片上的每个装置上制造芯片尺寸的外壳，可以获得额外的节省。半导体工业已经作出了巨大的努力来开发晶片级封装、强化试验和测试的有效方法，以获得大为简化且缩短的微电子装置的生产工艺的利益。为了得到这些利益，需要提供装置，以便在它们从晶片上切割成独立的分立装置前进行强化试验和快速测试芯片。

传统悬臂线探针不适于晶片上装置的强化试验和快速测试。悬臂线探针太长太大而不能对晶片上所有装置同时接触，如同为了晶片上所有装置的同时强化试验所要求的。另外，长悬臂线探针不适于高速装置的功能测试，这是因为包括该探针的长而平行的线的较高自感和互感。

对于晶片强化试验和测试过程的实际应用，需要能以低成本制造的小型高性能探针。为了有益于晶片强化试验和测试，探针必须可靠地接触在未切割晶片上的被测装置上的所有焊点。用于接触晶片的探针必须给装置上的焊点提供电接触，在装置上，焊点在晶片表面上的高度是变化的。另外，探针必须打破接触焊点表面上的所有氧化层以得到与每个焊点的可靠电接触。对于用于强化试验和测试的探测晶片，已经尝试了许多方法来提供成本利用高且可靠的装置，但没有成功。

已经尝试了许多努力来提供小型垂直的可适探针(compliant probe)以可靠接触晶片上装置上的焊点。根据以David R.Robillard和Robert L.Michaels的美国专利第4189825号为代表的发明，悬臂探针用于检测集成电路装置。图1中，悬臂28在芯片23上的铝接触焊点24上支撑着尖锐的针尖26。可适部件25被向下推动以将针尖26移动至与焊点24接触。焊点24上的氧化铝层由尖锐针尖26打破，在针尖26和焊点24的金属铝间形成电接触。当不存在向悬臂施加力的外部装置时，小悬臂梁的刚度通常不足以向针尖加载使之打破接触焊点上的氧化铝层所需的力。对于玻璃、硅、陶瓷材料和钨的悬臂梁，人们已经尝试了多种结构，但在提供具有足够力和弹性的强化试验探针方面没有成功。

图2A所示的弹性隔膜探针在IBM技术公告1972年10月号第1513页的“弹性接触探针”中得以描述。弹性介电膜32包括适于与集成电路上的焊点形成电接触的接线端33。接线端33通过贴附在接线端33上的接触焊点35上的弹性金属丝34与测试电子设备相连。在弹性聚酰亚胺片上制造的探针在Leslie等人在IEEE国际测试会议(1998)进展中得以描述。弹性片允许少量的垂直移动以与受测晶片上集成电路中连接焊点的高度变化相适应。诸如Leslie等人描述的隔膜探针为高性能测试提供了与集成电路芯片的连接。然而，在强化试验温度循环中，隔膜的尺寸稳定性不足以允许与整个晶片上焊点的接触。

图2B示出了对二氧化硅薄膜上接触部的制造，它在Glenn J.Leedy的美国专利第5225771号中得以描述。二氧化硅薄膜40比聚酰亚胺具有更好的尺寸稳定性，因而在一定程度上改善了强化试验测试中与晶片上接触焊点配合的尺寸稳定性问题。探针针尖41通过穿过薄膜40的通道44而被连接到电路线路45上，该线路被连接到介电层43上方的另外一层电路42上。对于用在半导体晶片上装置的强化试验中，二氧化硅薄膜40上测试探针的有限垂直弯曲量使得探针阵列的使用不可靠。

半导体晶片上强化试验探针阵列的生产在美国专利第4585991号中得以描述，如分别为顶部平面图和剖视图的图3A和3B所示。探针51是一角锥，通过悬臂54贴附在半导体晶片基板52上。材料53从半导体晶片52中去除，以机械隔离探针51。如图3A的探针提供了有限的垂直移动，但是它没有在基板上给出金属丝所需的空间，该金属丝用于将探针阵列连接到动态强化试验所需的测试电子设备上。

向装置接触焊点提供柔性探针的途径包括使用弹性金属丝或柱连接测试电路至焊点。Gobina Das等人在美国专利第5977787号中对图4A所示的柔性探针进行了描述。探针60是弯曲梁，Ronald Bove在美国专利第3806801号中对其进行了较早的概述。探针60适于在晶片上装置的强化试验中使用。夹持探针60的引导体61和62具有与被测晶片相似的膨胀系数。探针针尖63偏离较小的距离60用于为梁60提供偏斜的确定形状。虽然弯曲梁很适用于测试独立的集成电路芯片，但是它们太昂贵以至于不能被用于需要数千接触点的晶片强化试验。此外，因为梁的充分弯曲所需要的长度，弯曲梁探针的电性能是有限的。

Arnold W.Yanof和William Dauksher在美国专利第5513430号中公开了如图4B所示的另一种使用弹性柱的方法。图4B示出了为柱66的形式的柔性探针，它们能够响应探针针尖67上的力而弯曲。柱66以相对于基板69成一角度成型，以允许它们响应针尖67上来自配合接触焊点的力而垂直弯曲。为了便于弯曲，柱66具有从底端68到针尖67的一锥度65。

如Benjamin N.Eldridge等人在美国专利第5878486号中所公开的，图4C中还示出了另外一种使用弹性金属丝和柱的方法。图4C所示的探针包括在弹簧丝71上的探针针尖72，弹簧丝被弯曲成特殊的形状以便于弯曲。弹簧丝71通过传统的线接头73而连接到基板74上。图4C所示类型的探针要求长的弹簧长度，以获得晶片强化试验所需的接触力和柔度。另外，这种使用独立弹簧丝的探针对于用在晶片强化试验中太昂贵，在强化试验中，每块晶片均要求数千探针。

提供柔性探针的其它方法包括使用置于测试头和被测装置之间的可适层，于是测试头上的接线端被电连接至装置上的匹配接触焊点。WillemLuttmer在美国专利第3795037号中描述的电连接器使用了埋置在弹性体材料内的弹性导体，以在导电连接区的匹配对之间形成连接，该导电连接区被压而与电连接器的顶表面和底表面接触。弹性导体的多种变型包括有斜度的金属丝、导电填充聚合体、电镀柱和其它弹性体材料内的导体装置，以形成可适插入体层。

在提供高性能探针方面，其中该探针使在晶片被切割成分立芯片前对晶片上微电子装置的经济的强化试验和快速测试成为可能，上面所列的方法和其它尝试没有成功。

                         发明内容

根据本发明，公开了一种包括导电针尖的小型可适探针，针尖以一种允许探针上的针尖相对于支撑表面弹性移动的方式定位于支撑表面上。当焊点偏斜在针尖上时，探针针尖响应匹配接触焊点的力而垂直移动。探针的机械弯曲允许在探针和微电子装置上对应接触焊点之间可靠地形成电接触，其中，机械弯曲适应了接触焊点高度上的变化。

本发明的一个目的是提供一种方法和装置以形成与未切割晶片上微电子装置上接触焊点的电接触，以便在它们被切割成分立芯片前对该装置进行强化试验。本发明的可适探针允许可靠的电连接同时地形成在排列在晶片表面上的所有接触焊点上，使得晶片上的微电子装置可以经济地进行强化试验。

本发明的另一个目的是为未切割芯片上的微电子装置的强化试验提供夹具。该夹具将每个装置上的接触焊点电连接至驱动电路，该电路向该装置提供高温下动态强化试验过程所需要的电信号。电信号和电源被同时提供给晶片上的所有芯片。夹具中探针的机械弯曲适应了接触焊点高度和探针针尖的变化，使得每个探针针尖在强化试验工艺的整个温度循环中保持与其匹配接触焊点的接触。

本发明的再一个目的是提供一种电探针板，它允许未封装微电子装置的高速测试。如本发明中所教导的，小型可适探针用于与装置上的对应焊点形成临时连接，以向该装置加载电测试信号并测量来自该装置的电信号。由于与现有技术中使用的金属丝探针相关的额外的电感或电容，小尺寸的可适探针允许高速电信号无损失地来回传送给该装置。

本发明的进一个目的是为强化试验、测试和运行微电子装置提供一种方法和装置，其中，装置上的电连接设置在装置表面上方的区域阵列中。如本发明中所教导的，小型可适探针被用于与装置上接触点形成可靠的电连接，其中接触点排列成区域振列。机械弯曲允许每个探针的针尖保持与装置上匹配的接触点的电接触，尽管装置上接触点高度在室温和装置的运行温度范围内有变化。

本发明的另一个目的是提供一种小型插座，用于将集成电路芯片连接到电子电路而实现强化试验、测试和运行该芯片的目的。在该插座中每个探针接触点的小尺寸允许安装在该插座中的芯片高速运行。如本发明中所教导的，探针的机械弯曲允许在最小封装或无封装的刚性芯片上形成可靠的电连接。根据本发明的可适探针使得用于芯片级封装和倒焊芯片的小型经济的插座能够形成。

本发明的这些目的和其它目的可通过提供机械可适电探针而实现，其中探针针尖设置在弹性材料制成的细长薄弹簧的两端之间。细长薄弹簧被弹簧两端的柱支撑在基板上，因而允许针尖在垂直方向上被弹簧材料的弯曲和伸缩弹性移动。

根据本发明一方面的用于与微电子装置上接触焊点形成电接触的探针，包括：

(a)导电材料形成的细长弹簧，具有顶面和底面，以及具有第一端和第二端；

(b)具有顶面和底面的刚性基板；

(c)电接线端，其设置在所述刚性基板的所述顶面上；

(d)两个导电柱，其中每个导电柱连接到所述薄弹簧的底面上，并且连接到所述基板顶面上的所述电接线端中的一个上，使得所述薄弹簧被支撑在基板顶面上方一预设距离处；

(e)导电针尖，其具有设置在所述薄弹簧顶面上的基部和在所述薄弹簧顶面上方的凸起，由此所述导电针尖的顶面提供到所述微电子装置上所述接触焊点上的临时连接；

(f)其中，所述导电针尖设置在所述弹簧上距每个所述导电柱一预定距离处，所述导电针尖在垂直方向上是弹性可动的。

此外，根据本发明另一方面的用于与微电子装置上接触焊点形成电连接的探针，包括：

(a)导电材料形成的薄细长弹簧，其具有顶面和底面，以及具有第一端和第二端；

(b)具有顶面和底面的刚性基板；

(c)两个刚性导电柱，其中所述导电柱中的一个连接到所述薄弹簧的所述第一端的底面上，所述导电柱中的另一个连接到所述第二端的底面上，使得该薄弹簧被支撑在基板顶面上方的预设距离处；

(d)导电针尖，具有设置在所述弹簧顶面上在所述顶面上凸出的基部，由此该凸起适于接触所述接触焊点；

(e)设置在所述刚性基板上与所述导电柱底面连接的电接线端；

(f)其中，所述导电针尖设置在所述导电弹簧上距每个所述支撑柱一距离处，由此该针尖在垂直方向上是可动的。

此外，本发明还提供了一种用于微电子装置的测试头装置，其中所述装置具有实质上平坦的表面，该表面上设置有接触焊点的阵列，所述测试头装置包括：

(a)具有顶面和底面的基板；

(b)多个可适探针，用于形成到所述接触焊点的电连接，其中该探针被设置成在所述基板顶面上的阵列；

(c)电路装置，它们连接到所述可适探针上，由此当可适探针连接至所述接触焊点时，所述微电子装置运行；

(d)其中，每个所述可适探针包括导电材料形成的薄细长弹簧，该弹簧由在所述第一端和在所述第二端的至少一个刚性柱支撑在底面上；以及

(e)其中，每个所述可适探针包括探针针尖，该针尖设置在所述薄细长弹簧顶面上距每个刚性柱一预设距离处，使所述探针针尖可移动。

此处公开的探针比传统悬臂探针有明显改进，因为它为任意给定探针力和探针尺寸提供了探针针尖的更大范围的可适移动。传统悬臂探针受限于移动范围，它响应所给定的力，达到探针材料的弹性极限。悬臂探针的最大机械应力集中在夹具点处悬臂材料的表面上。本发明为给定弹簧材料和探针力在其达到该材料的弹性极限前提供了更大的移动范围。

通过可靠地提供晶片级的测试和强化试验功能，且同时减小测试夹具的尺寸，本发明提高了微电子装置的生产效率。机械可适探针提供了相对于探针尺寸的大范围的移动。在形成与具有不完全在同一平面中的接触焊点的装置的连接中，移动范围是重要的。可适探针针尖灵活地移动以适应匹配的接触焊点高度上的不同，同时保持接触焊点上探针针尖充足的力以确保其间的可靠电接触。

                        附图说明

本发明自身以及其它特点和优点将针对附图通过参照下述详细说明将得以最好地理解，其中：

图1示出了现有技术悬臂探针的剖视图；

图2A和图2B示出了现有技术的弹性隔膜探针的横剖视图；

图3A和图3B示出了现有技术中制造在硅晶片上的探针的视图，其中，图3A示出了探针的顶部平面图，而图3B示出了探针的剖视图；

图4A至图4C示出了现有技术的弹性柱探针；

图5示出了本发明的可适探针的视图；

图6示出了结合有接地平面屏蔽的可适探针的可替换结构的视图；

图7A至图7C示出了可适探针的一个实施例，其中，图7A是顶部平面图，图7B是托架上探针的剖视图，以及图7C是探针被力F驱动时的剖视图；

图8A至图8D示出用于本发明可适探针的探针结构的可替换实施例的顶部平面图；

图9A至图9D示出用在本发明可适探针结构中的探针针尖；

图10示出了可适探针的一实施例的视图；

图11示出结合弹性体封装材料的可适探针实施例的视图；

图12A至图12C示出了具有其电路连接的可适探针的实施例，其中，图12A是顶部平面图，图12B是托架上探针的剖视图，而图12C是探针由力F驱动时的剖视图；

图13A至图13B示出具有集成接地屏蔽的可适探针的实施例，其中图13A是顶部平面图，而图13B是剖视图；

图14示出具有集成接地屏蔽的可适探针的可替换实施例的剖视图；

图15A示出结合可适探针的测试头装置；

图15B是图15A中可适探针的剖视图。

                    具体实施方式

根据本发明的原理，可适探针的第一优选实施例示于图5。被公开的探针允许在诸如集成电路(IC)、倒焊芯片、无源装置和芯片规模封装件(chipscale package)等微电子装置的接触焊点上形成可靠地电连接。探针响应针尖上的力而提供探针针尖81的弹性垂直运动。于是，当接触焊点被趋使成与探针针尖81接触时，结构的机械弯曲允许针尖以一个力形成与匹配接触焊点的接触，此力足以使探针针尖81穿透焊点上的绝缘氧化膜。探针的机械弯曲适应了微电子装置区中接触焊点的高度变化，同时在每个探针针尖上提供了足够的力以确保针尖81与相应接触焊点之间的可靠电连接。此外，焊点的机械弯曲需要允许针尖在测试或强化试验循环中维持与相应焊点间的连接，其中，热膨胀可能导致装置和探针支撑的翘曲。

在图5中，探针针尖81被支撑在电导材料制作的细长薄弹簧83上。薄弹簧83在细长薄弹簧83两端由柱85支撑，该柱85与接触焊点84接合。探针针尖81响应垂直加载在针尖81上的力而能弹性移动。针尖81的垂直移动导致薄弹簧83的弹性弯曲和伸张，于是弯曲恢复力被压在针尖81上。

在图5所示的可适探针中，柱85被接线端86支撑在基板89上，该接线端电连接至电路迹线87上。电路迹线87通过通孔88依次连接到基板89中的电路上。上述一系列连接将探针针尖81连接至基板89的电路上，以便运行连接在探针上的装置。在诸如强化试验的应用中，基板89由硅或低膨胀陶瓷材料制作，以获得较大温度范围的尺寸稳定性，其温度范围一般从25℃到150℃。

对于在高频下运行，从探针81到通孔88的电连接设置成使到探针针尖81的连接的电感最小化。环的感应通过将通孔88大致设置在探针针尖81下面而最小化。当通孔88不能总是这样理想定位时，在要求高频操作的那些应用场合中，针尖81和通孔88之间的距离应当很小。

图6示出了可适探针的第二实施例，其中，细长薄弹簧93与基板99上的电路由接地平板屏蔽92屏蔽开。接地平板屏蔽92由弹性体层98A和98B电绝缘。弹性体层98A夹在基板99的顶面和接地平板92之间。弹性体层98B是弹性体介电材料，它夹在接地平板92和薄弹簧93之间。弹性体层98B优选从包括硅氧烷、氟硅氧烷、碳氟化合物和氨基甲酸乙酯聚合物的组合中选取。弹性体层98B将薄弹簧93与接地平板92绝缘，同时允许弹簧93垂直弯曲。

在图6中，细长薄弹簧93每端的接触焊点94与柱95连接，而该柱支撑在基板99上的焊点96上。到探针针尖91的电连接通过薄弹簧93形成在接触焊点94上，接触焊点连接在支撑于接线端96的柱95上，该接线端通过电路迹线97连接到基板99的电路上。

如图6所示，探针针尖91设置在薄弹簧93上沿细长薄弹簧93两端的柱95之间的中心线的预设位置处。探针针尖91上的垂直力导致薄弹簧93的弹性弯曲和伸张，以及弹性体层98B的变形。探针针尖91上的垂直力受到薄弹簧93的弹性弯曲和伸张、以及弹性体层98B的变形产生的反作用力的对抗。

图7A示出图5所示常规类型可适探针第一实施例的平面俯视图。细长薄弹簧103由包括形成在金属片两端的接触焊点104的金属片制成。金属薄弹簧103被选择为具有高屈服强度和中度极限断裂延伸率。诸如钼、铌、不锈钢、铍铜、铜镍、亚铜镍、镍、钛及其合金的金属是优选的。一种合适的金属是ASTM Spec.公司的第B534号铍铜合金，其屈服强度为550兆帕。另一种合适的金属是含有1个钛、8个铝、1个钼、1个钒的钛合金，其屈服强度为910兆帕。

图7A所示的探针针尖101被支撑在薄弹簧103上，使得探针针尖101将响应施加在探针针尖上的垂直力F而向基板109垂直下压。探针针尖101的垂直下压示于图7B和图7C的剖视图中。施加在探针针尖101上的力F弹性弯曲薄弹簧103而允许针尖101向基板109下压。如图7C中剖视图所示，探针针尖101的垂直运动归结于薄弹簧103的弯曲和伸张。

探针针尖101是一角锥，它通过复制用公知工艺形成在结晶的硅表面(100)内的蚀坑(an etch pit)而形成。54.75°的顶角由硅的晶面(111)确定，该晶面形成角锥的面。针尖101的材料是钨，它形成一尖锐的硬的点，它能打破经常用在半导体IC装置上的铝接触焊点上的氧化铝层。适于制造硬探针针尖的材料包括铜镍、钼、镍合金、锇、Paliney 7、铑、铼、钛、钨及其合金。

通过对硅中蚀坑的复制而制造尖锐探针针尖在本领域是公知的，并在1973年由D.A.Kiewit在“科学仪器述评”第44卷第1741页至1742页的公开物中进行了充分描述。Kiewit描述了探针针尖的成型，该针尖通过在蚀坑中沉积镍硼合金而复制硅中的蚀坑，然后将硅基材料除去而制造。Kiewit通过用沸的水合肼处理硅表面而在硅的表面(100)上形成了角锥状蚀坑。

薄弹簧103由柱105支撑在上述基板109上，柱105结合在细长薄弹簧103两端的接触焊点104上。柱105由电镀金属制造，该金属优选从包括硬铜、镍、亚铜镍合金或硬质金的组合中选取。探针针尖101到测试电路的电连接通过经薄弹簧103、接触焊点104、柱105、接线端106、电路迹线107和通孔108的传导而形成。从通孔108到探针101的电路被配置而形成封闭可能的最小面积的环，以便减小电感并因而允许以高频率或数据速率运行。

可适探针的几个备选构型示于图8A至图8D中。某些构型便于对在集成电路上线性阵列中紧密间隔的接触焊点的针测。现代集成电路上的接触焊点具有小至60微米的中心间距。为了接触紧密间隔的探针焊点，特殊结构的探针嵌套在特殊结构的阵列中。图8A至图8D所示的结构提供了接触受测集成电路装置上接触焊点的紧密间隔阵列的装置。

图8A所示的可适探针允许探针在沿与探针针尖111的线性阵列的轴成一角度的方向取向的薄细长弹簧的阵列中的嵌套。该结构包括具有设置在薄弹簧的短段113和长段112之间的探针针尖111的弹簧。接触焊点114和116分别设置在短段113和长段112的端部。弹簧由短段113下的柱115和长段112下的柱117支撑。柱115和117的交错定位允许探针彼此紧密间隔。

图8B中，示出了一种可适探针，它包括具有在接触焊点124终止的短段123和在接触焊点126终止的长段122的细长薄弹簧。探针针尖121设置在长段122和短段123之间。接触焊点126由柱127支撑，而接触焊点124由柱125支撑。通过在具有交替的短段和长段的线上排列图8B的多个探针，探针嵌套成适宜测试具有小焊点间隔的集成电路的紧密间隔阵列。

图8C中，示出了一种可适探针，它包括夹持在两个接触焊点134和136之间的细长薄弹簧133。探针针尖131设置在弹簧133上的分别与接触焊点134和136结合的柱135和另一柱137之间的中间点处。细长柱135和137，以及细长接触焊点134和136按一角度取向，此角度允许探针嵌套成图8C所示的紧密间隔阵列。

图8D中的可适探针包括具有在接触焊点144终止的短段143和在接触焊点146终止的长段142的细长薄弹簧。探针针尖141设置在薄弹簧上长段142和短段143之间。椭圆形柱145和147分别支撑接触焊点144和146，使得探针可以被嵌套成密集间隔的阵列。当装置上的接触焊点抵靠在探针针尖141上时，弹簧长段142和短段143被弹性弯曲和伸张。

图9A至图9D所示的探针针尖构造成用于微电子装置的测试和强化试验中的特殊应用场合。这些探针针尖和其它的探针针尖在集成电路工业中已经公知。此处所示例子是多类正在使用的探针针尖的代表。生产方法对生产电子接触领域中的技术熟练人员是公知的。

图9A所示的探针针尖对于针探集成电路上铝结合焊点是优选的，其中尖锐顶角153适于打破铝结合焊点上的氧化层。角锥152通过复制结晶取向的硅表面(100)上的蚀坑而成型。角锥152被支撑在薄弹簧151上。角锥152的顶角153尖锐地成型，它在角锥相对面间具有54.75°的夹角。硬质材料用于制造探针针尖152，其中，该材料优选从包括铜镍、钼、镍、锇、Paliney7、铑、铼、钛、钨及其合金的组合中选取。在针测柔软接触部时，诸如锇、铑和钨的材料是优选的，这是因为它们与焊料和其它软质材料的反应缓慢。

图9B所示的探针针尖优选用于接触贵金属接触焊点。薄盘157被支撑在设置于薄弹簧155表面上的金属柱156上。柱156被化学刻蚀工艺切开以露出盘157的边缘。薄盘157由惰性金属材料制造，它优选从包括金、Paliney7、铂、铑及其合金的组合中选取。

图9C所示的探针针尖为接触焊料和其它软性材料而优选。磨圆的金属针尖161在金属柱162上，金属柱162设置在弹簧片160上。磨圆的金属针尖161通过闪烁激光熔融与将高温材料重熔成球形部件的形状而成型。适合于磨圆的金属针尖161的材料包括由铜镍、镍、铂、铑、亚铜镍合金、铍铜合金及Paliney7、钛构成的组合中选出的金属。

图9D所示的探针针尖优选用于接触小的接触焊点和在一起紧密间隔的焊点。具有顶部边缘166的探针针尖167设置在薄弹簧165的顶部表面上。探针针尖167优选地通过电镀牺牲材料(sacrificial material)的边缘、然后除去该牺牲材料以留下在垂直方向取向的探针针尖167而形成。

图10示出可适探针的第三实施例，其中细长薄弹簧172提供了由沿薄弹簧172长轴的横向方向的褶皱173所导致的增强的弹性。一个或更多的褶皱使得弹簧172更容易弯曲和伸展，允许响应探针针尖171上垂直力的更大的弹性。褶皱173通过对形成在硅晶面(100)上的细长蚀坑的复制而成型。如1978年《IEEE电子装置学报》第ED-25卷第10期第1184页上Ernest Bassous的文章“通过各向异性刻蚀硅晶面(100)和(110)而制造新型三维微结构”中所述，在硅表面上刻蚀细长坑的方法是公知的。褶皱通过在刻蚀坑长轴的横向方向上沉积金属条而制成。

在图10中，在细长薄弹簧172两端的接线端174结合到柱175上，该柱175将弹簧支撑在基板179上方一预设距离处。柱175停靠在接触焊点176上，该接触焊点176通过电路迹线177和通孔178而连接在基板179的电路上。

图10中，探针针尖171设置在薄弹簧172上离细长薄弹簧172两端上的柱175一预设距离处。探针针尖171上的垂直力使薄弹簧172弹性弯曲和伸展，这由褶皱173的弯曲所增强。褶皱173的高度通过控制其宽度而确定，于是它不接触受测装置的顶部。

图11示出可适探针的第四实施例，其中基板189表面上的电路187由夹在薄弹簧182和基板189的顶部表面之间的弹性体密封材料188所保护。密封材料188保护不受腐蚀和机械损坏，同时允许薄弹簧182随着探针针尖181被驱动以压在受测装置的匹配的接触焊点上时可适地移动。

在第四实施例中，细长薄弹簧182具有一个或多个褶皱183，该褶皱沿薄弹簧182长轴的横向取向。弹簧182被结合在细长薄弹簧182两端的接线端184上的柱185支撑在基板189上方一预设高度处。柱185停靠在接触焊点186上，该焊点通过通孔88由电路迹线187连接到基板189的电路上。

对于结合有两个褶皱193的结构，第三实施例的详细视图示于图12A至图12C。图12A中的顶部平面图示出了其中探针针尖191设置在薄弹簧192上的可适探针。弹簧192是蒙乃尔合金K-500的亚铜镍薄膜。薄弹簧192的厚度在10至75微米之间，更优选地在25至50微米的范围内。薄弹簧192的宽度在20至150微米之间，更优选地宽度在30至75微米之间。弹簧192第一端194处柱195的质心与弹簧192第二端194处柱195的质心之间的距离约200至1500微米长。更优选地，柱之间中心到中心的距离为250至750微米长。

探针针尖191对垂直力F的响应示于图12B和12C，示出力F施加前与后探针的剖视图。如图12C所示，作用在探针针尖191上的力F朝基板199向下弯折薄弹簧192。弹簧192弹性弯折和伸展，于是产生反作用力，该力在针尖受到力F的作用时柔性地抵抗针尖191的的进一步偏移。褶皱193通过增加弹簧192的伸展和弯曲运动而强化柔韧性。特殊地，褶皱193减小了弹簧192的轴向张力，较大地释放由弹簧192的伸张导致的应力。

探针针尖191连接在用来运行受测装置的电路上。探针191被由柱195支撑的弹簧192连接，柱195结合到细长薄弹簧192两端处的接触焊点194上。柱195停靠在基板199表面上的接线端196上。依次地，接线端196连接至电路迹线197，该电路迹线197被导电通孔198连接到基板199的电路上。可选的是，接地平板可以插入探针针尖191和基板199的电路之间，以便将针尖191与基板199上邻近电路迹线中的信号屏蔽开。

图13A和图13B示出提供了集成电路的高性能测试所需的低电感的可适探针。图13B示出探针针尖201设置在薄弹簧202上的可适探针的剖视图。弹簧202中信号的接地回路路径通过金属层212得以设置，该金属层通过夹在弹簧和金属层之间的介电层211同弹簧202绝缘。

探针针尖201的信号和相关的接地回路均被短电路连接至基板209上各自的电路上。探针针尖201连接至与弹簧202上接触焊点204结合的支撑柱205。柱205停靠在与电路迹线207相连的接线端206上，而该电路迹线207连接至基板209的测试电路上。电极212上的相应接地回路连接至支撑柱215上。柱215停靠在与接地迹线217相连的接线端216上，该接地迹线217依次连接到基板209的接地电路上。

图14示出具有图13A和图13B所示的接地回路的可适探针的另一个示例。图14中的探针是机械耐用的，这是因为具有应力释放皱纹(stress reliefcorrugations)223的细长薄弹簧222直接支撑在柱225两端上。探针针尖221通过弹簧222、接触焊点224、柱225和连接到基板229的测试电路上的接线端226的链接连接到基板229的测试电路上。接地电极235与弹簧222因夹在二者之间的介电层而绝缘。接地回路从接地电极235通过柱236到基板229上的接地接线端233。

接地电极235附着在独立的柱236上，该柱236附着在基板229的接地引线端233上。接地电极235与弹簧222因夹在二者之间的介电膜231而绝缘。

图15A示出结合了具有接地回路电极的可适探针的测试头装置。该测试头提供了一种测试高性能集成电路芯片的装置。高性能电接触部连接芯片上的焊点到驱动电路259上，该驱动电路259连接到高速芯片测试仪的输入/输出通道上。每个探针由终止在陶瓷基板249上接线端257处的电路迹线258连接到芯片测试仪的通道(S1，S2，S3，S4，......)上。

测试头建立在提供机械和热稳定性的陶瓷基板249上。每个可适探针包括设置在薄弹簧242上的探针针尖241，该薄弹簧242由柱245支撑在基板249表面上方的一预设距离处。探针针尖241在垂直方向上弹性移动，以适应芯片上接触焊点高度的所有变化，同时维持与芯片上接触焊点的可靠连接。

图15A的可适探针的机械运作可以参考图15B中的剖视图而更好地理解。探针针尖241设置在结合了皱纹243以增加探针的柔韧性的薄弹簧242上。细长薄弹簧242两端的接触焊点244结合到柱245上。柱245停靠在电路迹线247上的接线端246上，该电路迹线247连接至基板249上各自的电路迹线258上。

图15B所示的可适探针在弹簧242的顶部结合了接地回路255。接地回路255与弹簧242因夹在二者之间的薄介电膜251绝缘。接地回路255由柱256连接至接地接线端253。这种结构避免了弹簧242中的机械应力向接地电路255的传送。

虽然本发明的若干优选实施例已经得以描述，但是在不脱离本发明的精髓和范围的前提下，本领域中的普通技术人员可以对其作出多种修改与替换。

Claims (18)

1.一种用于与微电子装置上接触焊点形成电接触的探针，所述探针包括：

(a)导电材料形成的细长弹簧，具有顶面和底面，以及具有第一端和第

   二端；

(b)具有顶面和底面的刚性基板；

(c)电接线端，其设置在所述刚性基板的所述顶面上；

(d)两个导电柱，其中每个导电柱连接到所述薄弹簧的底面上，并且连

   接到所述基板顶面上的所述电接线端中的一个上，使得所述薄弹簧

   被支撑在基板顶面上方一预设距离处；

(e)导电针尖，其具有设置在所述薄弹簧顶面上的基部和在所述薄弹簧

   顶面上方的凸起，由此所述导电针尖的顶面提供到所述微电子装置

   上所述接触焊点上的临时连接；

(f)其中，所述导电针尖设置在所述弹簧上距每个所述导电柱一预定距

   离处，所述导电针尖在垂直方向上是弹性可动的。

2.根据权利要求1所述的探针，其特征在于，所述薄弹簧是实质上平坦的弹簧，其最长尺寸在200至1500微米之间，且薄弹簧的厚度在10至75微米之间。

3.根据权利要求1所述的探针，其特征在于，所述薄弹簧是包括有一个或多个在所述薄弹簧最长尺寸的横向方向取向的褶皱的金属弹簧。

4.根据权利要求1所述的探针，其特征在于，所述导电材料选自于包括铍铜、铌、铜镍、钼、镍、镍钛、钛、钨、及其合金的组合中。

5.根据权利要求4所述的探针，其特征在于，所述导电针尖的所述顶面由硬质合金制造，它选自包括铜镍、镍、锇、Paliney 7、铂、铼、铑、钨、及其合金的组合中。

6.根据权利要求1所述的探针，其特征在于，电路图案位于所述薄弹簧之下，且到所述电路图案的电路连接位于所述导电针尖之下。

7.根据权利要求1所述的探针，其特征在于，所述探针针尖是角锥，它是刻蚀在单晶硅表面中的坑的复制。

8.根据权利要求1所述的探针，其特征在于，所述探针针尖是电镀的凸起。

9.一种用于与微电子装置上接触焊点形成电连接的探针，所述探针包括：

(a)导电材料形成的薄细长弹簧，其具有顶面和底面，以及具有第一端

   和第二端；

(b)具有顶面和底面的刚性基板；

(c)两个刚性导电柱，其中所述导电柱中的一个连接到所述薄弹簧的所

   述第一端的底面上，所述导电柱中的另一个连接到所述第二端的底

   面上，使得该薄弹簧被支撑在基板顶面上方的预设距离处；

(d)导电针尖，具有设置在所述弹簧顶面上在所述顶面上凸出的基部，

   由此该凸起适于接触所述接触焊点；

(e)设置在所述刚性基板上与所述导电柱底面连接的电接线端；

(f)其中，所述导电针尖设置在所述导电弹簧上距每个所述支撑柱一距

   离处，由此该针尖在垂直方向上是可动的。

10.根据权利要求9所述的探针，其特征在于，还包括设置在所述薄细长弹簧的所述底面与所述基板的所述顶面之间的弹性体材料。

11.根据权利要求10所述的探针，其特征在于，所述弹性材料选自包括硅氧烷、氟硅氧烷、碳氟化合物和氨基甲酸乙酯聚合物的组合中。

12.用于微电子装置的测试头装置，其中所述装置具有实质上平坦的表面，该表面上设置有接触焊点的阵列，所述测试头装置包括：

(a)具有顶面和底面的基板；

(b)多个可适探针，用于形成到所述接触焊点的电连接，其中该探针被

   设置成在所述基板顶面上的阵列；

(c)电路装置，它们连接到所述可适探针上，由此当可适探针连接至所

   述接触焊点时，所述微电子装置运行；

(d)其中，每个所述可适探针包括导电材料形成的薄细长弹簧，该弹簧

   由在所述第一端和在所述第二端的至少一个刚性柱支撑在底面上；

   以及

(e)其中，每个所述可适探针包括探针针尖，该针尖设置在所述薄细长

   弹簧顶面上距每个刚性柱一预设距离处，使所述探针针尖可移动。

13.根据权利要求12所述的测试头装置，其特征在于，所述基板由硅材料制成。

14.根据权利要求13所述的测试头装置，其特征在于，所述微电子装置是多个在未切割硅晶片上排列的集成电路。

15.根据权利要求13所述的测试头装置，其特征在于，所述硅材料是厚度在100微米到500微米之间的硅晶片。

16.根据权利要求12所述的测试头装置，其特征在于，所述基板由陶瓷材料制成。

17.根据权利要求16所述的测试头装置，其特征在于，所述基板是金属-陶瓷多层结构，由此每个探针连接至用于所述微电子装置的测试和强化试验的电路装置上。

18.根据权利要求12所述的测试头装置，其特征在于，接地屏蔽设置于所述薄细长弹簧下。

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