DE19617488A1 - Kontaktelement für lösbare elektrische Verbindungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kontaktelement für lös­ bare elektrische Verbindungen, insbesondere zur Prüfung von Bauteilen der Mikroelektronik.

Lösbare elektrische Verbindungen sind bekannt. Diese werden unter anderem bei der Prüfung von Bau­ teilen der Mikroelektronik benötigt. So werden bei­ spielsweise mittels federnder Kontaktnadeln Leiter­ bahnen von Leiterplatten oder Pads auf Wafern kon­ taktiert und geprüft. Aufgrund der Lösbarkeit der elektrischen Verbindungen stellt die Zuverlässig­ keit des Prüfvorgangs häufig ein Problem dar. Eine vergleichsweise geringe Zuverlässigkeit der elek­ trischen Prüfung kann nämlich dazu führen, daß ein­ wandfreie elektrische oder elektronische Bauteile als defekt eingestuft und verworfen werden. Lösbare elektrische Verbindungen müssen daher neben einer guten elektrischen Leitfähigkeit und einem über die Lebensdauer des Kontaktelementes gleichmäßigen Kon­ taktwiderstand auch ausgezeichnete elastische Ei­ genschaften aufweisen, um eine zuverlässige Kontak­ tierung zu ermöglichen.

Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende technische Problem liegt also darin, Kontaktele­ mente bereitzustellen, die verbesserte elastische Eigenschaften aufweisen und gleichzeitig einen ge­ ringen und während der Gebrauchsdauer des Kontakte­ lementes konstanten Kontaktwiderstand sowie hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen.

Die Erfindung sieht demgemäß insbesondere vor, ein Kontaktelement mit einem Grundkörper aus Wolfram oder einer Wolfram-Legierung zur Herstellung einer lösbaren elektrischen Verbindung bereitzustellen, wobei der Grundkörper des Kontaktelementes zumin­ dest teilweise mit einer nickelhaltigen Grund­ schicht und einer diese überdeckenden kupfer-, sil­ ber- oder goldhaltigen Kontaktschicht versehen ist. Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, den Grundkör­ per aus Wolfram oder einer Wolfram-Legierung herzu­ stellen. Wolfram weist ein besonders hohes Elasti­ zitätsmodul und eine hohe Elastizitätsgrenze auf, so daß sich ein hohes Energiespeichervermögen und damit ein ausgezeichnetes Federungsvermögen ergibt. Die Federkraft und die Bruchsicherheit eines derar­ tiges Kontaktelementes sind somit in vorteilhafter­ weise hoch. Zudem erhöht sich aufgrund der Aniso­ tropie der elastischen Eigenschaften des kubisch­ raumzentrierten Gitters des Wolframkristalls bei der Verarbeitung zu Draht die Steifigkeit des Grundkörpers, da die Kristallite im federnden Bau­ teil entsprechend ausgerichtet werden.

Die Erfindung sieht in einer weiteren Ausführungs­ form auch vor, den Grundkörper aus einer Wolfram- Legierung herzustellen, wobei vorzugsweise minde­ stens 50 Gewichtsprozent Wolfram in der Legierung vorhanden ist. Bei der Auswahl der Legierungsbe­ standteile und deren Mengenverhältnissen ist unter anderem ausschlaggebend, daß die vorteilhaften fe­ dernden Eigenschaften des Wolframs auch in Form seiner Legierung möglichst erhalten bleiben.

Die Erfindung sieht in vorteilhafter Weise vor, den Grundkörper zumindest teilweise mit einer Grund­ schicht zu überdecken, die aus Nickel besteht oder dieses enthält. Beispielsweise kann die Nickel­ schicht zusätzlich Bor oder Phosphor enthalten. Vorzugsweise enthält die Grundschicht mindestens 50 Gewichtsprozent Nickel, besonders bevorzugt minde­ stens 90 Gewichtsprozent Nickel. Die Grundschicht bedeckt die Oberfläche des Grundkörpers, insbeson­ dere in dem Bereich, in dem eine Kontaktierung mit dem Prüfling erfolgt. Selbstverständlich kann je­ doch auch der gesamte Grundkörper mit der nickel­ haltigen Grundschicht überzogen sein. Die Erfindung sieht ferner vor, daß die nickelhaltige Grund­ schicht mit einer Kontaktschicht überzogen ist, die Kupfer, Gold oder Silber enthält oder aus diesen besteht. Neben den genannten Elementen kann die Kontaktschicht auch Nickel, Phosphor, Bor, Wasser­ stoff oder ähnliche enthalten, wobei vorzugsweise mindestens 50 Gewichtsprozent Kupfer, Gold oder Silber, besonders bevorzugt mindestens 90 Gewichts­ prozent Kupfer, Silber oder Gold in der Kontakt­ schicht enthalten sind. Die erfindungsgemäßen Kon­ taktelemente weisen einen niedrigen Kontaktwider­ stand auf, der auch bei längerem Gebrauch konstant bleibt. Die erfindungsgemäßen Kontaktelemente wei­ sen zudem aufgrund des wolframhaltigen Grundkörpers dessen hervorragende elastische Eigenschaften auf, sind jedoch in überraschender und vorteilhafter Weise gegenüber Verschmutzungen und/oder Oxidation unanfällig. Wolfram selbst überzieht sich aufgrund seiner hohen Affinität zu Sauerstoff an Luft rasch mit einer unerwünscht isolierenden Oxidschicht. Zu­ dem werden Kontaktelemente aus reinem Wolfram bei­ spielsweise beim Testen von Wafern, insbesondere beim Kontaktieren von Aluminium-Pads, schnell mit einer festhaftenden Fremdschicht überzogen, die teilweise aus Aluminiumoxid besteht und den Kon­ taktwiderstand erheblich erhöht. Außerdem kann Wolfram Poren enthalten, die ebenfalls zur Aufnahme von Fremdmaterial führen, so daß sich auch hier ein unerwünscht erhöhter Kontaktwiderstand ergeben kann. All diese Nachteile werden durch den Überzug eines Grundkörpers aus Wolfram mit einer nickelhal­ tigen Grundschicht und einer diese überdeckenden Kontaktschicht überwunden. Die Nickelschicht wirkt dabei als Diffusionssperre, beispielsweise für die Gold- oder Silberatome.

In vorteilhafter Weise bleiben die guten Kontaktei­ genschaften der erfindungsgemäßen Kontaktelemente auch erhalten, wenn nach einer längeren Gebrauchs­ dauer die unmittelbar nach dem Aufbringen der Kon­ taktschicht entstandene Gold-, Silber- oder Kupfer­ färbung nicht mehr sichtbar ist. Die Diffusion der Gold-, Silber- oder Kupferatome in das Gitter der Nickelschicht beeinträchtigt die Wirksamkeit der Gold-, Silber- oder Kupferatome kaum.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sieht die Erfindung Kontaktelemente vor, deren nic­ kelhaltige Grundschicht eine unmittelbar auf dem Grundkörper aufgetragene galvanisch aufgebrachte Nickelschicht (Basisschicht) sowie eine diese über­ deckende weitere Schicht aus chemisch aufgebrachtem Nickel (Deckschicht) umfaßt. In vorteilhafter Weise weist die chemisch aufgebrachte Nickeldeckschicht eine Dicke von 1 µm bis 2 µm auf. Die Nickeldeck­ schicht zeichnet sich durch eine hohe Härte von über 550 HV (Vickershärte) aus und ist besonders abriebfest. Das chemisch erfolgende Auftragen die­ ser Schicht hat den Vorteil, daß auch im Fall von sehr kleinen Spitzenradien der Kontaktelemente eine gleichmäßige Dicke erreicht werden kann.

Im Zusammenhang der vorliegenden Erfindung wird un­ ter galvanischem Aufbringen ein Aufbringen einer metallischen Schicht auf elektrochemischen Weg ver­ standen. Unter chemischen Aufbringen wird ein Auf­ bringen einer metallischen Schicht auf rein chemi­ schen beziehungsweise physikalischen Weg, bei­ spielsweise durch Behandlung mit Metallsalzlösungen und Reduktionsmitteln, Vakuummetallisieren, Plat­ tieren, Aufdiffundieren, Aufspritzen oder Überzie­ hen mit schmelzflüssigen Metallen verstanden.

Die Erfindung betrifft auch einen Federkontaktstift für Prüfvorrichtungen zum Prüfen von elektrischen, insbesondere elektronischen Prüflingen, wie Leiter­ platten oder dergleichen, wobei der Federkontakt­ stift ein Zylinderglied aufweist, in dessen Zylin­ der der Kolben eines federbelasteten Kontaktbolzens gleitbar gelagert ist, und wobei der Kontaktbolzen ein erfindungsgemäßes Kontaktelement ist oder die­ ses enthält. Die erfindungsgemäßen Federkontakt­ stifte weisen aufgrund der verwendeten Kontaktele­ mente ausgezeichnete elastische Eigenschaften, hohe Steifigkeit, geringe Kontaktwiderstände und gute elektrische Leitfähigkeit auf. Die Erfindung be­ trifft auch Prüfkarten zur Prüfung von Chips auf Wafern, die Halterungen mit daran befestigten er­ findungsgemäßen Kontaktelementen aufweisen. Ferner betrifft die Erfindung Nadelträger, die beispiels­ weise mittels Lötverbindungen befestigte erfin­ dungsgemäße Kontaktelemente aufweisen.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Her­ stellung der erfindungsgemäßen Kontaktelemente, wo­ bei zunächst eine gegebenenfalls auf dem Grundkör­ per aus Wolfram oder einer Wolframlegierung beste­ hende Oxidschicht entfernt wird, eine Nickelgrund­ schicht und anschließend eine gold-, silber- oder kupferhaltige Kontaktschicht aufgebracht wird. In besonders vorteilhafter Weise wird auf den Grund­ körper zunächst eine Nickelschicht galvanisch abge­ schieden und anschließend eine weitere Schicht aus Nickel chemisch aufgebracht. Auf die so aufge­ brachte Nickeldeckschicht wird die Kontaktschicht aus Gold, Silber, Kupfer oder deren Legierungen chemisch oder galvanisch aufgebracht. In besonders vorteilhafter Weise sieht die Erfindung vor, das Kontaktelement nach dem Aufbringen der Nickeldeck­ schicht einer Wärmebehandlung zu unterziehen, wobei diese vorzugsweise im Hochvakuum durchgeführt wird. In besonders bevorzugter Weise findet die Wärmebe­ handlung bei einer Temperatur von 400° bis 600° Celsius über eine Zeit von 30 Minuten bis 120 Minu­ ten statt.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausfüh­ rungsbeispiele und Figuren näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Kontaktnadel,

Fig. 2A einen stark vergrößerten Ausschnitt des Kontaktelements nach Fig. 1 und Fig. 5,

Fig. 2B einen stark vergrößerten Ausschnitt einer anderen Ausführungsform des Kontaktele­ mentes nach Fig. 1 und Fig. 5,

Fig. 3 einen Ausschnitt einer Anordnung von Kon­ taktnadeln auf einer Prüfkarte zur Wafer­ prüfung,

Fig. 4 eine Kontaktnadel nach Fig. 1, aufgelö­ tet auf einen Nadelträger,

Fig. 5 einen Federkontaktstift mit erfindungsge­ mäßen Kontaktelement.

Die Fig. 1 stellt ein erfindungsgemäßes als Kon­ taktnadel 1 ausgeführtes Kontaktelement 20 dar, wie sie beispielsweise auf einer Prüfkarte zur Prüfung von Chips auf Wafern verwendet wird. Der Kreis zeigt den Ausschnitt der Fig. 2A und 2B an. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, wird in diesem Fall eine Anzahl von erfindungsgemäßen Nadeln 1 in Kunstharz 2 eingebettet derart, daß die Nadelspitzen 3 die Pads auf dem zu prüfenden Chip treffen. Der Kunst­ harzkörper, meist als Ring oder Oval ausgebildet, wird von einer Prüfkarte 4 getragen, die einzelne den Nadeln entsprechende Leiterbahnen 5 aufweist.

Auf diesen werden die rückwärtigen Enden 6 der Na­ deln elektrisch leitend befestigt.

An Stelle eines Kunststoffrings 2, wie in Fig. 3 dargestellt, können die Nadeln auch nach Fig. 4 auf speziellen Haltern aus Metall befestigt werden, die ihrerseits wieder auf einer Prüfkarte aufge­ bracht werden. Die Fig. 4 zeigt einen Nadelträger 7, auf welchem die Nadel 1 mittels einer Lötverbin­ dung 9 elektrisch leitend befestigt ist.

Ferner kann ein erfindungsgemäßes Kontaktelement 20 auch als Kontaktkolben 10 in Federkontaktstiften 8 Verwendung finden, wie in Fig. 5 dargestellt ist:
Der erfindungsgemäße Kontaktkolben 10 wird von ei­ nem Mantelrohr 11 (Zylinderglied) axial beweglich geführt. Eine Druckfeder 12, die sich auf das Man­ telrohr 11 und auf ein auf dem Kolben 10 zum Bei­ spiel durch Preßsitz festsitzendes Begrenzungsstück 13 abstützt, liefert die zur Ankontaktierung not­ wendige Kontaktkraft. Die Bewegung des Kolbens 10 wird durch ein das rückwärtige Ende des Zylinders bildendes, dort festsitzendes Rohrstück 14 be­ grenzt, welches auch zur Befestigung eines An­ schlußdrahtes dient. In dem zuletzt beschriebenen Fall kommt der Steifigkeit des Kontaktelements 20 große Bedeutung zu, da insbesondere bei der Ankon­ taktierung von Lötstellen auf bestückten Leiter­ platten unter Umständen beträchtliche Querkräfte auftreten können.

Die Fig. 2A stellt in vergrößerter, schematischer Darstellungsweise den Aufbau des Kontaktelementes 20 dar. Das Kontaktelement 20 weist einen vorzugs­ weise einstückigen Grundkörper 24 aus Wolfram oder einer Wolfram-Legierung auf. Dem erfindungsgemäßen Kontaktelement 20 wird dadurch ein hohes Energie­ speichervermögen und Federungsvermögen verliehen. Der Grundkörper 24 ist mit einer nickelhaltigen Grundschicht 26 versehen. Diese Schicht weist vor­ zugsweise eine Dicke von 1 µm bis 5 µm, besonders bevorzugt 1,5 µm bis 3 µm auf. Die Grundschicht 26 ist von einer Kontaktschicht 28 aus Gold, Silber, Kupfer oder einer Legierung dieser Metalle, bei­ spielsweise mit Nickel, überzogen. Die Kontakt­ schicht 28 weist vorteilhafterweise eine Dicke von < 1 µm, vorzugsweise von 0,1 µm bis 0,3 µm auf.

Die Fig. 2B verdeutlicht eine Variante des in den Fig. 1 und 5 dargestellten Kontaktelementes 20, das einen anderen Aufbau als in Fig. 2A aufweist. Der Wolfram-Grundkörper 24 ist mit einer nickelhal­ tigen Grundschicht 26 überzogen, die aus einer nic­ kelhaltigen Basisschicht 32 und einer nic­ kelhaltigen Deckschicht 30 besteht. Die Basis­ schicht 32 überzieht unmittelbar den Grundkörper 24 und ist galvanisch abgeschieden. Auf der Basis­ schicht 32 befindet sich die Deckschicht 30, die aus chemisch aufgebrachtem Nickel besteht und bei­ spielsweise eine Dicke von 1 µm bis 2 µm aufweist. Die Deckschicht 30 zeichnet sich durch eine hohe Härte von über 550 HV aus und ist besonders abrieb­ fest. Da sie nicht galvanisch, sondern chemisch aufgebracht ist, weist sie den Vorteil auf, daß auch sehr kleine Spitzenradien von Kontaktelementen mit Schichten gleichmäßiger Dicke versehen werden können. Über der Deckschicht 30 befindet sich die Kontaktschicht 28.

Die Erfindung sieht vor, daß das gesamte Kontakte­ lement 20 den in den Fig. 2A oder B beschriebe­ nen schichtweisen Aufbau aufweist. Selbstverständ­ lich kann jedoch auch vorgesehen sein, daß nur der Bereich der Oberfläche des Kontaktelementes 20 die erfindungsgemäßen Grund-, Kontakt-, Deck- oder Ba­ sisschichten aufweist, der mit der zu kontaktieren­ den Prüfstelle in Kontakt kommt.

Das in dem erfindungsgemäßen Federkontaktstift 2 zu verwendende Kontaktelement 20 wird hergestellt, in­ dem ein Grundkörper aus Wolfram oder einer Wolfram- Legierung zunächst einem Verfahren zur Desoxidation unterzogen wird, um eine eventuell auf dem Wolfram vorhandene Oxidschicht zu entfernen. Verfahren zur Desoxidation sind bekannt und werden beispielsweise in der DE 41 18 624 beschrieben. Ohne erneuten Kon­ takt mit atmosphärischem Sauerstoff erfolgt dann das Beschichten mit Nickel mittels eines üblichen galvanischen Prozesses in einem sauren Bad. Die Kontaktschicht 28 wird anschließend entweder che­ misch oder galvanisch auf die nickelhaltige Grund­ schicht 26 aufgebracht. In vorteilhafter Weise wird das Aufbringen in Form einer chemischen Abscheidung vorgenommen, da dadurch eine gleichmäßige Dicke der Kontaktschicht 28 erzielt wird, so daß auch an Stellen starker Krümmung eine Schicht derselben Dicke wie an Stellen weniger starker Krümmung auf­ gebracht wird.

Soll eine Ausführungsform gemäß der Fig. 2B herge­ stellt werden, wird zunächst eine nickelhaltige Ba­ sisschicht 32 galvanisch abgeschieden, auf die an­ schließend eine nickelhaltige Deckschicht 30 che­ misch aufgebracht wird. Nach dem Aufbringen der nickelhaltigen Deckschicht 30 wird das Kontaktele­ ment 20 einer Wärmebehandlung unter Hochvakuum aus­ gesetzt, die bei einer Temperatur von 400°C bis 600°C über eine Zeit von 30 Minuten bis 120 Minuten durchgeführt wird.

Claims (15)

1. Kontaktelement, insbesondere zur Herstellung einer lösbaren elektrischen Verbindung, umfassend einen Grundkörper aus Wolfram oder einer Wolfram- Legierung, dadurch gekennzeichnet, daß der Grund­ körper (24) zumindest teilweise mit einer nickel­ haltigen Grundschicht (26) und einer diese überdec­ kenden gold-, silber- oder kupferhaltigen Kontakt­ schicht (28) versehen ist.

2. Kontaktelement nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Kontaktelement (20) vollstän­ dig mit einer Grundschicht (26) und einer darüber befindlichen Kontaktschicht (28) versehen ist.

3. Kontaktelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundschicht (26) aus einer auf dem Grundkörper (24) galvanisch aufgebrachten nickelhaltigen Basisschicht (32) und einer diese überdeckenden, chemisch aufgebrachten nickelhaltigen Deckschicht (30) aufgebaut ist.

4. Kontaktelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktschicht (28) weniger als 50 Gewichtsprozent Nickel enthält.

5. Kontaktelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktschicht (28) dünner als eine der darunterliegenden Grund-, Basis- oder Deckschichten (26, 32, 30) ist.

6. Kontaktelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Grund-, Basis- oder Deckschicht (26, 32, 30) 1 µm bis 5 µm, vorzugsweise 1,5 µm bis 3 µm, beträgt.

7. Kontaktelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Kon­ taktschicht (28) kleiner als 1 µm, vorzugsweise 0,1 µm bis 0,3 µm, ist.

8. Kontaktelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktelement (20) als Nadel oder Kolben ausgeführt ist.

9. Federkontaktstift für Prüfvorrichtungen zum Prüfen von elektrischen, insbesondere elektroni­ schen, Prüflingen, wie Leiterplatten oder derglei­ chen, wobei der Federkontaktstift ein Zylinderglied aufweist, in dessen Zylinder der Kolben eines fe­ derbelasteten Kontaktelementes geleitbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktelement (20) ein Kontaktelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ist.

10. Verfahren zur Herstellung eines Kontaktelemen­ tes, insbesondere eines Kontaktelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine gegebenenfalls auf dem Grundkörper aus Wolfram oder einer Wolfram- Legierung befindliche Oxidschicht entfernt, eine nickelhaltige Grundschicht aufgebracht und diese mit einer Kontaktschicht überzogen wird, die Gold, Silber oder Kupfer enthält oder aus diesen besteht.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Grundschicht galvanisch aufge­ bracht wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Grundschicht zunächst Nickel galvanisch aufgebracht wird und auf die so aufgebrachte nickelhaltige Ba­ sisschicht chemisch eine nickelhaltige Deckschicht aufgebracht wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktschicht che­ misch aufgebracht wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aufbringen der Deckschicht eine Wärmebehandlung im Hochvakuum er­ folgt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Wär­ mebehandlung 400°C bis 600°C beträgt.