DE69635227T2 - Kontakträger zum bestücken von substraten mit federkontakten - Google Patents

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L. Gaetean MATHIEU
H. Thomas DOZIER
D. William SMITH
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    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/10—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern
    • H05K3/20—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern by affixing prefabricated conductor pattern

Description

  • TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft die Herstellung von zeitweiligen Druckverbindungen zwischen elektronischen Bauteilen und insbesondere Verfahren zum Durchführen von Prüf- und Voralterungsprozeduren an Halbleiterbauelementen vor ihrer Verkappung, vorzugsweise bevor die einzelnen Halbleiterbauelemente von einem Halbleiterwafer vereinzelt werden.
  • RÜCKVERWEISUNG AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Diese Patentanmeldung ist eine Teilfortführung der im gemeinsamen Besitz stehenden, gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 08/452 255 (nachstehend "HAUPTAKTE"), eingereicht am 26. Mai 95, und ihres Gegenstücks, der PCT-Patentanmeldung Nummer PCT/US95/14909, eingereicht am 13. NOV. 95, die beide Teilfortführungen der im gemeinsamen Besitz stehenden, gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 08/340 144, eingereicht am 15. Nov. 94, und ihres Gegenstücks, der PCT-Patentanmeldung Nummer PCT/US94/13373, eingereicht am 16. Nov. 94 (veröffentlicht am 26. Mai 95 als WO 95/14314), sind, die beide Teilfortführungen der im gemeinsamen Besitz stehenden, gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 08/152 812, eingereicht am 16. Nov. 93 (nun USP 5 476 211, 19. Dez. 95), sind.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Verfahren zur Herstellung von Druckverbindungen mit zusammengesetzten Verbindungselementen (elastischen Kontaktstrukturen) wurden in der im gemeinsamen Besitz stehenden, gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 08/450 255, eingereicht am 26. Mai 95 ("HAUPTAKTE"), erörtert.
  • Wie in der im gemeinsamen Besitz stehenden, gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 08/554 902, eingereicht am 09. Nov. 95, erörtert, werden einzelne Halbleiter-(integrierte Schaltungs-)Bauelemente (Chips) typischerweise durch Erzeugen von mehreren identischen Bauelementen auf einem Halbleiterwafer unter Verwendung von bekannten Verfahren der Photolithographie, Abscheidung und dergleichen hergestellt. Im Allgemeinen sollen diese Prozesse eine Vielzahl von vollständig funktionstüchtigen integrierten Schaltungsbauelementen erzeugen, bevor die einzelnen Chips vom Halbleiterwafer vereinzelt (abgetrennt) werden. In der Praxis führen jedoch bestimmte physikalische Defekte im Wafer selbst und bestimmte Defekte in der Bearbeitung des Wafers unvermeidlich dazu, dass einige der Chips "gut" (voll funktionstüchtig) sind und einige der Chips "schlecht" (nicht funktionstüchtig) sind.
  • Es ist im Allgemeinen erwünscht, identifizieren zu können, welche der Vielzahl von Chips auf einem Wafer gute Chips sind, bevor sie verkappt werden und vorzugsweise bevor sie vom Wafer vereinzelt werden. Dazu kann vorteilhafterweise ein Wafer-"Prüfgerät" oder eine Wafer-"Prüfsonde" verwendet werden, um eine Vielzahl von diskreten Druckverbindungen mit einer gleichen Anzahl von diskreten Verbindungskontaktstellen (Bondkontaktstellen) auf den Chips herzustellen. Auf diese Weise können die Halbleiterchips getestet und geprüft werden, bevor die Chips vom Wafer vereinzelt werden.
  • Ein herkömmliches Bauteil eines Waferprüfgeräts ist eine "Nadelkarte", mit der eine Vielzahl von Sondenelementen verbunden werden – wobei Spitzen der Sondenelemente die Druckverbindungen mit den jeweiligen Bondkontaktstellen der Halbleiterchips bewirken.
  • Jedem Verfahren zur Sondenprüfung von Halbleiterchips wohnen bestimmte Schwierigkeiten inne. Moderne integrierte Schaltungen umfassen beispielsweise viele Tausende von Transistorelementen, die viele Hunderte von Bondkontaktstellen erfordern, die in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet sind (z.B. 127 μm (5 mils) von Zentrum zu Zentrum). Überdies muss die Anordnung der Bondkontaktstellen nicht auf einzelne Reihen von Bondkontaktstellen, die nahe den Umfangskanten des Chips angeordnet sind, begrenzt sein (siehe z.B. US-Patent Nr. 5 453 583).
  • Um zuverlässige Druckverbindungen zwischen den Sondenelementen und dem Halbleiterchip zu bewirken, muss man verschiedene Parameter berücksichtigen, einschließlich, jedoch nicht begrenzt auf: Ausrichtung, Sondenkraft, Übersteuerung, Kontaktkraft, ausgeglichene Kontaktkraft, Scheuern, Kontaktwiderstand und Planarisierung. Eine allgemeine Erörterung dieser Parameter ist im US-Patent Nr. 4 837 622 mit dem Titel HIGH DENSITY PROBE CARD, zu finden, das eine Epoxyring-Nadelkarte mit hoher Dichte offenbart, die eine einheitliche Leiterplatte mit einer zentralen Öffnung umfasst, die dazu ausgelegt ist, eine vorgeformte Epoxyringmatrix von Sondenelementen aufzunehmen.
  • Im Allgemeinen umfassen Nadelkartenanordnungen des Standes der Technik eine Vielzahl von Wolframnadeln (Sondenelementen), die sich als Ausleger von einer Oberfläche einer Nadelkarte erstrecken. Die Wolframnadeln können auf eine beliebige geeignete Weise an der Nadelkarte montiert sein, wie z.B. durch die Zwischenschaltung eines Epoxyrings, wie vorstehend erörtert. Im Allgemeinen sind die Nadeln in jedem Fall mit Anschlüssen der Nadelkarte durch die Zwischenschaltung eines separaten und unterschiedlichen Drahts, der die Nadeln mit den Anschlüssen der Nadelkarte verbindet, verdrahtet.
  • Nadelkarten sind typischerweise als kreisförmige Ringe ausgebildet, wobei sich Hunderte von Sondenelementen (Nadeln) von einem inneren Umfang des Rings erstrecken (und mit Anschlüssen der Nadelkarte verdrahtet sind). Schaltungsmodule und Leiterbahnen (Leitungen) mit vorzugsweise gleicher Länge sind jedem der Sondenelemente zugeordnet. Diese Ringformanordnung macht es schwierig und in einigen Fällen unmöglich, eine Vielzahl von unvereinzelten Halbleiterchips (mehrere Stellen) auf einem Wafer zu prüfen, insbesondere wenn die Bondkontaktstellen jedes Halbleiterchips anders als in zwei linearen Matrizes entlang zwei entgegengesetzten Kanten des Halbleiterchips angeordnet sind.
  • Waferprüfgeräte können alternativ eine Sondenmembran mit einem zentralen Kontakthöcker-(Sondenelement-)Bereich verwenden, wie im US-Patent Nr. 5 422 574 mit dem Titel LARGE SCALE PROTRUSION MEMBRANE FOR SEMICONDUCTOR DEVICES UNTER TEST WITH VERY HIGH PIN COUNTS, erörtert ist. Wie in diesem Patent angegeben, "umfasst ein Testsystem typischerweise eine Teststeuereinheit zum Ausführen und Steuern einer Reihe von Testprogrammen, ein Waferausgabesystem zum mechanischen Handhaben und Positionieren von Wafern zur Vorbereitung auf das Testen und eine Nadelkarte zum Aufrechterhalten eines genauen mechanischen Kontakts mit dem zu testenden Bauelement (DUT)" (Spalte 1, Zeilen 41–46).
  • Zusätzliche Bezugsquellen, die den Stand der Technik für das Testen von Halbleiterbauelementen angeben, umfassen US-Patent Nrn. 5 442 282 (TESTING AND EXERCISING INDIVIDUAL UNSINGULATED DIES ON A WAFER); 5 382 898 (HIGH DENSITY PROBE CARD FOR TESTING ELECTRICAL CIRCUITS); 5 378 982 TEST PROBE FOR PANEL HAVING AN OVERLYING PROTECTIVE MEMBER ADJACENT PANEL CONTACTS); 5 339 027 (RIGID-FLEX CIRCUITS WITH RAISED FEATURES AS IC TEST PROBES); 5 180 977 (MEMBRANE PROBE CONTACT BUMP COMPLIANCY SYSTEM); 5 066 907 (PROBE SYSTEM FOR DEVICE AND CIRCUIT TESTING); 4 757 256 (HIGH DENSITY PROBE CARD); 4 161 692 (PROBE DEVICE FOR INTEGRATED CIRCUIT WAFERS); und 3 990 689 (ADJUSTABLE HOLDER ASSEMBLY FOR POSITIONING A VACUUM CHUCK).
  • Im Algemeinen können Verbindungen zwischen elektronischen Bauteilen in die zwei breiten Kategorien von "relativ dauerhaft" und "leicht demontierbar" klassifiziert werden.
  • Ein Beispiel einer "relativ dauerhaften" Verbindung ist eine Lötverbindung. Sobald zwei Bauteile aneinander gelötet sind, muss ein Prozess des Loslötens verwendet werden, um die Bauteile zu trennen. Eine Drahtbondverbindung ist ein weiteres Beispiel einer "relativ dauerhaften" Verbindung.
  • Ein Beispiel einer "leicht demontierbaren" Verbindung sind starre Anschlussstifte eines elektronischen Bauteils, die von elastischen Sockelelementen eines anderen elektronischen Bauteils aufgenommen werden. Die Sockelelemente üben eine Kontaktkraft (Druck) auf die Anschlussstifte in einem Ausmaß aus, das ausreicht, um eine zuverlässige elektrische Verbindung zwischen diesen sicherzustellen.
  • Verbindungselemente, die einen Druckkontakt mit Anschlüssen eines elektronischen Bauteils herstellen sollen, werden hierin als "Federn" oder "Federelemente" bezeichnet. Im Allgemeinen ist eine gewisse minimale Kontaktkraft erwünscht, um einen zuverlässigen Druckkontakt mit elektronischen Bauteilen (z.B. mit Anschlüssen an elektronischen Bauteilen) zu bewirken. Eine Kontakt(Last-)Kraft von ungefähr 15 Gramm (einschließlich nicht größer als 2 Gramm oder weniger und nicht weniger als 150 Gramm oder mehr pro Kontakt) kann beispielsweise erwünscht sein, um sicherzustellen, dass eine zuverlässige elektrische Verbindung mit einem Anschluss eines elektronischen Bauteils hergestellt wird, das mit Filmen auf seiner Oberfläche verunreinigt sein kann oder das Korrosions- oder Oxidationsprodukte auf seiner Oberfläche aufweist. Die für jede Feder erforderliche minimale Kontaktkraft verlangt entweder, dass die Dehngrenze des Federmaterials oder dass die Größe des Federelements erhöht wird. Als allgemeiner Vorschlag gilt, je höher die Dehngrenze eines Materials ist, desto schwieriger ist mit diesem zu arbeiten (z.B. Stanzen, Biegen usw.). Und der Wunsch, die Federn kleiner zu machen, schließt es im Wesentlichen aus, sie im Querschnitt größer zu machen.
  • Sondenelemente (im Gegensatz zu Kontakthöckern von Membransonden) sind eine Klasse von Federelementen mit spezieller Relevanz für die vorliegende Erfindung. Sondenelemente des Standes der Technik werden üblicherweise aus Wolfram, einem relativ harten Material (mit hoher Dehngrenze) hergestellt. Wenn es erwünscht ist, solche relativ harten Materialien an Anschlüssen eines elektronischen Bauteils zu montieren, sind relativ "feindliche" (z.B. hohe Temperatur) Prozesse wie z.B. Hartlöten erforderlich. Solche "feindlichen" Prozesse sind im Allgemeinen im Zusammenhang mit bestimmten relativ "zerbrechlichen" elektronischen Bauteilen wie z.B. Halbleiterbauelementen nicht erwünscht (und häufig nicht brauchbar). Im Gegensatz dazu ist Drahtbonden ein Beispiel von relativ "freundlichen" Prozessen, welcher viel weniger potentiell die zerbrechlichen elektronischen Bauteile beschädigt als Hartlöten. Weichlöten ist ein weiteres Beispiel eines relativ "freundlichen" Prozesses. Sowohl Weichlot als auch Gold sind jedoch relativ weiche Materialien (mit niedriger Dehngrenze), die als Federelemente nicht gut funktionieren.
  • Ein subtiles Problem, das mit Verbindungselementen, einschließlich Federkontakten, verbunden ist, besteht darin, dass die Anschlüsse eines elektronischen Bauteils häufig nicht perfekt koplanar sind. Verbindungselemente, denen ein gewisser Mechanismus fehlt, der in diese integriert ist, um diesen "Toleranzen" Rechnung zu tragen (grobe Nicht-Planaritäten), werden intensiv gedrückt, um einen Kontakt mit konsistentem Kontaktdruck mit den Anschlüssen des elektronischen Bauteils herzustellen.
  • Die folgenden US-Patente werden als von allgemeinem Interesse in Anbetracht der Herstellung von Verbindungen, insbesondere Druckverbindungen, mit elektronischen Bauteilen angeführt: US-Patent Nrn. 5 386 344 (FLEX CIRCUIT CARD ELASTOMERIC CABLE CONNECTOR ASSEMBLY); 5 336 380 (SPRING BIASED TAPERED CONTACT ELEMENTS FOR ELECTRICAL CONNECTORS AND INTEGRATED CIRCUIT PACKAGES); 5 317 479 (PLATED COMPLIANT LEAD); 5 086 337 (CONNECTING STRUCTURE OF ELECTRONIC PART AND ELECTRONIC DEVICE USING THE STRUCTURE); 5 067 007 (SEMICONDUCTOR DEVICE HAVING LEADS FOR MOUNTING TO A SURFACE OF A PRINTED CIRCUIT BOARD); 4 989 069 (SEMICONDUCTOR PACKAGE HAVING LEADS THAT BREAK-AWAY FROM SUPPORTS); 4 893 172 (CONNECTING STRUCTURE FOR ELECTRONIC PART AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME); 4 793 814 (ELECTRICAL CIRCUIT BOARD INTERCONNECT); 4 777 564 (LEADFORM FOR USE WITH SURFACE MOUNTED COMPONENTS); 4 764 848 (SURFACE MOUNTED ARRAY STRAIN RELIEF DEVICE); 4 667 219 (SEMICONDUCTOR CHIP INTERFACE); 4 642 889 (COMPLIANT INTERCONNECTION AND METHOD THEREFOR); 4 330 165 (PRESS-CONTACT TYPE INTERCONNECTORS); 4 295 700 (INTERCONNECTORS); 4 067 104 (METHOD OF FABRICATING AN ARRAY OF FLEXIBLE METALLIC INTERCONNECTS FOR COUPLING MICROELECTRONICS COMPONENTS); 3 795 037 (ELECTRICAL CONNECTOR DEVICES); 3 616 532 (MULTILAYER PRINTED CIRCUIT ELECTRICAL INTERCONNECTION DEVICE); und 3 509 270 (INTERCONNECTION FOR PRINTED CIRCUITS AND METHOD OF MAKING SAME).
  • In der vorstehend erwähnten HAUPTAKTE sind Verfahren zur Herstellung von zusammengesetzten Verbindungselementen (elastischen Kontaktstrukturen, Federelementen) direkt auf elektronischen Bauteilen offenbart. In Fällen, in denen eine große Anzahl von solchen Federelementen erforderlich ist, kann ein Fehler beim Erzeugen (erfolgreiche Herstellung) nur eines der sehr vielen Federelemente dazu führen, dass das gesamte Bauteil fehlerhaft ist (unbrauchbar ist oder bestenfalls eine umfangreiche Überarbeitung erfordert).
  • In Fällen, in denen es erwünscht ist, sehr viele Federkontakte über eine große Oberfläche herzustellen, beispielsweise um eine vollständige Halbleiterwaferprüfung in einem Durchgang vorzusehen, ist es überdies schwierig, ein geeignetes (z.B. hinsichtlich des Wärmeausdehnungskoeffizienten abgeglichenes) Substrats zu finden, an dem die sehr vielen Federkontakte erfolgreich angebracht werden können.
  • US 4 357 062 schlägt eine universelle Leiterplatten-Prüfvorrichtung vor, die eine Vielzahl von Leiterplattenarten mit einem Diagnosesystem verbinden kann. Eine Stützplatte ist mit einem Gitter von Löchern versehen, die selektiv mit Metallstiften für Drahtwickelverbindungen bestückt werden können. Eine gegenüberliegende separate Plattform ist mit durch Federn vorgespannten Stiften in einem Gitter von Löchern versehen, die betätigt werden können. Zum Betätigen der durch Federn vorgespannten Stifte und Herstellen eines elektrischen Kontakts mit den Stiften einer Schaltung (DUT) werden Doppelreihen-(DIP)Module oder einzelne Stifte zwischen die Stützplatte und die separate Plattform eingefügt. Die DIP-Module oder einzelnen Stifte verschieben die entsprechenden durch Federn vorgespannten Stifte, wenn die Unterlageplatte in Richtung der separaten Plattform bewegt wird.
  • KURZE BESCHREIBUNG (ZUSAMMENFASSUNG) DER ERFINDUNG
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Anbringen einer großen Vielzahl von Sondenelementen an einem Substrat wie z.B. einer Nadelkarte, Bedecken einer großen Fläche und Vermeiden der Probleme, die mit der Ausbeute (erfolgreichen Herstellung) der Sondenelemente verbunden sind, insbesondere Sondenelemente, die Federelemente sind, durch Vermeiden der Probleme (z.B. Ausbeute), die mit der Herstellung der Sondenelemente direkt auf dem Substrat verbunden sind, bereitzustellen.
  • Die Erfindung ist im Anspruch 1 bzw. 17 definiert. Spezielle Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
  • Gemäß der Erfindung werden Sondenelemente wie z.B. Federkontakte auf einzelnen Federkontaktträgern ("Fliesen") vorgefertigt. Eine Anzahl von diesen Fliesen wird an einem anderen Bauteil (wie z.B. einem Raumtransformator-Substrat oder einer Leiterplatte) in einer festgelegten Beziehung zueinander angebracht, vorzugsweise so, dass die Spitzen der Federkontakte zueinander koplanar sind. Die Fliesensubstrate sind vorzugsweise relativ kostengünstig und für eine erfolgreiche Ausbeute von Federkontakten dienlich. Anschlüsse auf einer entgegengesetzten Oberfläche der Fliese werden mit Anschlüssen eines elektronischen Bauteils wie z.B. eines Raumtransformator-Substrats oder eines oder mehrerer Halbleiterbauelemente (einschließlich unvereinzelter Halbleiterbauelemente) durch Weichlot, leitenden z-Achsen-Klebstoff oder dergleichen verbunden.
  • Die Federkontakte sind vorzugsweise zusammengesetzte Verbindungselemente. Ein beliebiger geeigneter Federkontakt kann jedoch auf die Art der Erfindung ausgelegt werden, wie z.B. monolithische Federkontakte und Membransondenabschnitte.
  • Wie hierin verwendet, umfasst der Begriff "Sondenelement" ein beliebiges Element wie z.B. ein zusammengesetztes Verbindungselement, einen Federkontakt, ein Federelement, einen Kontakthöcker oder dergleichen, das zum Bewerkstelligen einer Druckverbindung mit Anschlüssen (z.B. Bondkontaktstellen) eines elektronischen Bauteils (z.B. eines Halbleiterchips, einschließlich unvereinzelter Halbleiterchips, die sich auf einem Halbleiterwafer befinden) geeignet ist.
  • Wie hierin verwendet, umfasst der Begriff "Fliese" ein beliebiges Bauteil mit Sondenelementen auf einer Oberfläche desselben, von denen eine Vielzahl (vorzugsweise identischen) an einem größeren Substrat angebracht werden kann, wodurch die Herstellung der Sondenelemente direkt auf dem größeren Substrat vermieden wird.
  • Wie hierin verwendet, umfasst der Begriff "Fliesensubstrat" ein massives Substrat (z.B. 602, 902, 922, 942, 962) sowie einen Rahmen (z.B. 1002, 1002a, 1002b, 1002c) oder dergleichen.
  • Wie hierin verwendet, ist der Begriff "ein größeres Substrat" ein beliebiges Substrat, an dem eine Vielzahl von Fliesen an dessen Oberfläche angebracht werden können. Im Allgemeinen würden mindestens vier Fliesen an dem größeren Substrat angebracht werden, was vorgibt, dass die Oberfläche des größeren Substrats mindestens viermal so groß wäre wie die Oberfläche einer einzelnen Fliese. Dies umfasst insbesondere den "Raumtransformator" der Nadelkartenanordnung.
  • Wie es hierin verwendet werden kann, stellt ein "Funke" eine elektrische Entladung dar.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung können eine Vielzahl von solchen Fliesen an einem einzelnen Raumtransformator-Bauteil einer Nadelkartenanordnung befestigt und mit diesem verbunden werden, um eine Prüfung auf Waferebene (an mehreren Stellen) zu bewerkstelligen, wobei ein ganzer Halbleiterwafer vorgealtert und/oder geprüft werden kann, indem gleichzeitige Druckverbindungen zwischen der Vielzahl von Sondenelementen und einer Vielzahl von Bondkontaktstellen (Anschlüssen) der Halbleiterbauelemente, die sich auf dem Halbleiterwafer befinden, hergestellt werden.
  • Gemäß einem Merkmal der Erfindung können die Fliesen einlagige Substrate sein oder können mehrlagige Substrate sein, die einen Grad an Raumtransformation bewirken.
  • Gemäß einem Merkmal der Erfindung kann eine Vielzahl von Fliesen mit Federkontaktelementen, die auf einer Oberfläche derselben hergestellt sind, aus einem einzelnen, kostengünstigen Substrat wie z.B. einem Keramikwafer hergestellt werden, der anschließend zertrennt wird, so dass er eine Vielzahl von separaten, vorzugsweise identischen Fliesen ergibt, die einzeln an der Oberfläche eines Raumtransformators oder an der Oberfläche eines Halbleiterwafers oder eines anderen elektronischen Bauteils angebracht werden können.
  • Um die Selbstjustierung von einer oder mehreren Fliesen an der entsprechenden Oberfläche des elektronischen Bauteils, an dem sie angebracht werden, zu verbessern, werden das elektronische Bauteil und die Fliese(n) gemäß einem Aspekt der Erfindung jeweils mit mindestens einer lötfähigen Struktur versehen, die, wenn Weichlot zwischen diesen angeordnet wird, und während Aufschmelzerwärmung, ein verbessertes Moment zum Bewirken der Selbstjustierung des Fliesensubstrats am elektronischen Bauteil vorsieht.
  • Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass Fliesen direkt an Halbleiterbauelementen, einschließlich vollständig bestückter C4-Chips mit aktiven Bauelementen, entweder vor oder nach ihrer Vereinzelung vom Halbleiterwafer angebracht werden können. Auf diese Weise werden Federkontaktelemente leicht an Halbleiterbauelementen angebracht, während die Herstellung der Federkontaktelemente direkt auf den Halbleiterbauelementen vermieden wird.
  • Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Fliesen, auf denen die Federelemente hergestellt werden, ein existierendes "C4"-Gehäuse mit Löthöckern auf einer Oberfläche entgegengesetzt zu den Federelementen sein können. Auf diese Weise können die Fliesen an der Oberfläche eines elektronischen Bauteils (z.B. Raumtransformators, Halbleiterwafers oder dergleichen) durch Aufschmelzerwärmen angebracht werden.
  • Ein Vorteil für das Verfahren der Verwendung von Fliesen anstatt der Herstellung der Federelemente direkt auf der Oberfläche des elektronischen Bauteils besteht darin, dass das elektronische Bauteil leicht überarbeitet wird, indem einfach ausgewählte der einen oder der mehreren Fliesen, die an diesem befestigt/mit diesem verbunden sind, ausgetauscht werden.
  • Die vorliegende Erfindung eignet sich zur Verwendung von Fliesen zum Bestücken größerer Substrate und die Sondenelemente auf den Fliesen können auch Kontakthöcker der in Membransonden zu findenden Art sein.
  • Gemäß einem Merkmal der Erfindung werden Halbleiterbauelemente, an denen Federkontaktelemente auf die vorstehend erwähnte Weise angebracht wurden, unter Verwendung einer einfachen Testvorrichtung, die so einfach sein kann wie eine Leiterplatte (PCB) mit Anschlüssen (Kontaktstellen), die so angeordnet sind, dass sie mit den Spitzen der Federkontaktelemente (durch Druckkontakt) einen Kontakt herstellen, leicht geprüft und/oder vorgealtert.
  • Das Raumtransformator-Substrat, an dem Fliesen montiert sind, wird geeigneterweise als Komponente einer Nadelkartenanordnung verwendet, die eine Nadelkarte (elektronisches Bauteil) mit einer oberen Oberfläche, einer unteren Oberfläche und einer Vielzahl von Anschlüssen an deren oberer Oberfläche; eine Zwischenschalteinrichtung (elektronisches Bauteil) mit einer oberen Oberfläche, einer unteren Oberfläche, einer ersten Vielzahl von elastischen Kontaktstrukturen, die sich von Anschlüssen auf deren unterer Oberfläche erstrecken, und einer zweiten Vielzahl von Kontaktstrukturen, die sich von Anschlüssen auf deren oberer Oberfläche erstrecken, umfasst. Die Zwischenschalteinrichtung befindet sich zwischen der Nadelkarte und dem Raumtransformator, wie in der im gemeinsamen Besitz stehenden, gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 08/554 902 beschrieben.
  • Die Verwendung des Begriffs "zusammengesetzt" in der ganzen hierin dargelegten Beschreibung ist mit einer "allgemeinen" Bedeutung des Begriffs konsistent (z.B. aus zwei oder mehr Elementen ausgebildet) und soll nicht mit irgendeiner Verwendung des Begriffs "zusammengesetzt" auf anderen Anstrengungsgebieten verwechselt werden, wie er beispielsweise auf Materialien wie z.B. Glas, Kohlenstoff oder andere Fasern, die in einer Harzmatrix oder dergleichen getragen werden, angewendet werden kann.
  • Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff "Federform" auf theoretisch jegliche Form eines langgestreckten Elements, das eine elastische (Rückstell-)Bewegung eines Endes (Spitze) des langgestreckten Elements bezüglich einer auf die Spitze aufgebrachten Kraft aufweist. Dies umfasst langgestreckte Elemente, die so geformt sind, dass sie eine oder mehrere Biegungen aufweisen, sowie im Wesentlichen gerade langgestreckte Elemente.
  • Wie hierin verwendet, beziehen sich die Begriffe "Kontaktfläche", "Anschluss", "Kontaktstelle" und dergleichen auf irgendeine leitende Fläche auf irgendeinem elektronischen Bauteil, an dem ein Verbindungselement montiert ist oder mit dem es einen Kontakt herstellt.
  • Alternativ wird der Kern vor dem Montieren an einem elektronischen Bauteil geformt.
  • Alternativ wird der Kern an einem Opfersubstrat montiert oder ist ein Teil von diesem, welches kein elektronisches Bauteil ist. Das Opfersubstrat wird nach dem Formen und entweder vor oder nach dem Überziehen entfernt. Gemäß einem Aspekt der Erfindung können Spitzen mit verschiedenen Topographien an den Kontaktenden der Verbindungselemente angeordnet werden. (Siehe auch 11A–11F der HAUPTAKTE.)
  • Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der ein "weiches" Material mit einer relativ niedrigen Dehngrenze aufweisende Kern mit einem "harten" Material mit einer relativ hohen Dehngrenze überzogen. Ein weiches Material wie z.B. ein Golddraht wird (z.B. durch Drahtbonden) beispielsweise an einer Bondkontaktstelle eines Halbleiterbauelements angebracht und mit einem harten Material wie z.B. Nickel und seinen Legierungen überzogen (z.B. durch elektrochemisches Plattieren).
  • In Anbetracht des Überziehens des Kerns werden ein- und mehrlagige Überzüge, "raue" Überzüge mit Mikrovorsprüngen (siehe auch 5C und 5D der HAUPTAKTE) und Überzüge, die sich auf der gesamten Länge oder nur eines Teils der Länge des Kerns erstrecken, beschrieben. Im letzteren Fall kann die Spitze des Kerns geeigneterweise freiliegen, um einen Kontakt mit einem elektronischen Bauteil herzustellen (siehe auch 5B der HAUPTAKTE).
  • In der gesamten hierin dargelegten Beschreibung wird im Allgemeinen der Begriff "Plattieren" als beispielhaft für eine Anzahl von Verfahren zum Überziehen des Kerns verwendet. Es liegt innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung, dass der Kern mit einem beliebigen geeigneten Verfahren überzogen werden kann, einschließlich, jedoch nicht begrenzt auf: verschiedene Prozesse, die die Abscheidung von Materialien aus wässerigen Lösungen beinhalten; elektrolytisches Plattieren; stromloses Plattieren; chemische Gasphasenabscheidung (CVD); physikalische Gasphasenabscheidung (PVD); Prozesse, die die Abscheidung von Materialien durch induzierten Zerfall von flüssigen oder festen Präkursoren bewirken; und dergleichen, wobei alle diese Verfahren zum Abscheiden von Materialien im Allgemeinen gut bekannt sind.
  • Zum Überziehen des Kerns mit einem Metallmaterial wie z.B. Nickel sind im Allgemeinen elektrochemische Prozesse bevorzugt, insbesondere stromloses Plattieren.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Kern ein langgestrecktes Element aus einem "harten" Material, das sich von Natur aus zum Funktionieren als Federelement eignet, und ist an einem Ende an einem Anschluss eines elektronischen Bauteils montiert. Der Kern und mindestens ein benachbarter Bereich des Anschlusses ist mit einem Material überzogen, das die Verankerung des Kerns am Anschluss verbessert. Auf diese Weise ist es nicht erforderlich, dass der Kern vor dem Überziehen gut am Anschluss montiert wird, und Prozesse, die weniger potentiell das elektronische Bauteil schädigen, können verwendet werden, um den Kern für das anschließende Überziehen an die Stelle zu "heften". Diese "freundlichen" Prozesse umfassen Weichlöten, Kleben und Bohren eines Endes des harten Kerns in einen weichen Teil des Anschlusses.
  • Vorzugsweise liegt der Kern in Form eines Drahts vor. Alternativ ist der Kern eine flache Kontaktnase (leitendes Metallband).
  • Repräsentative Materialien sowohl für den Kern als auch für die Überzüge werden offenbart.
  • Nachstehend werden im großen und ganzen Verfahren beschrieben, die mit einem relativ weichen (niedrige Dehngrenze) Kern, welcher im Allgemeinen eine sehr kleine Abmessung (z.B. 3,0 mil oder weniger) aufweist, beginnen. Weiche Materialien wie z.B. Gold, die sich leicht an der Metallisierung (z.B. Aluminium) von Halbleiterbauelementen befestigen lassen, fehlt es im Allgemeinen an ausreichender Elastizität, um als Federn zu funktionieren. (Solche weichen Metallmaterialien weisen vielmehr hauptsächlich eine plastische als elastische Verformung auf.) Andere weiche Materialien, die sich leicht an Halbleiterbauelementen befestigen lassen und geeignete Elastizität aufweisen, sind häufig elektrisch nicht-leitend, wie im Fall der meisten Elastomermaterialien. In jedem Fall können die gewünschten strukturellen und elektrischen Eigenschaften dem resultierenden zusammengesetzten Verbindungselement durch den über dem Kern aufgebrachten Überzug verliehen werden. Das resultierende zusammengesetzte Verbindungselement kann sehr klein gemacht werden und kann dennoch geeignete Kontaktkräfte aufweisen. Überdies kann eine Vielzahl von solchen zusammengesetzten Verbindungselementen in einem feinen Rastermaß (z.B. 10 mils) angeordnet werden, selbst wenn sie eine Länge (z.B. 100 mils) aufweisen, die viel größer ist als der Abstand zu einem benachbarten zusammengesetzten Verbindungselement (wobei der Abstand zwischen benachbarten Verbindungselementen "Rastermaß" genannt wird).
  • Es liegt innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung, dass zusammengesetzte Verbindungselemente in einem Mikrominiaturmaßstab, beispielsweise als "Mikrofedern" für Verbindungsstecker und Sockel mit Querschnittsabmessungen in der Größenordnung von fünfundzwanzig Mikrometern (μm) oder weniger hergestellt werden können. Diese Fähigkeit, eine zuverlässige Verbindung mit in Mikrometern anstatt mils gemessenen Abmessungen herzustellen, wendet sich genau den sich entwickelnden Bedürfnissen der existierenden Verbindungstechnologie und der zukünftigen Flächenmatrixtechnologie zu.
  • Die zusammengesetzten Verbindungselemente der Erfindung weisen überlegene elektrische Eigenschaften auf, einschließlich elektrischer Leitfähigkeit, Lötfähigkeit und niedrigen Kontaktwiderstandes. In vielen Fällen führt eine Auslenkung des Verbindungselements als Reaktion auf aufgebrachte Kontaktkräfte zu einem "Schleif"-Kontakt, der hilft sicherzustellen, dass ein zuverlässiger Kontakt hergestellt wird.
  • Ein zusätzlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass Verbindungen, die mit den Verbindungselementen der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, leicht demontierbar sind. Weichlöten zum Bewirken der Verbindung mit einem Anschluss eines elektronischen Bauteils ist wahlweise, ist jedoch auf einer Systemebene im Allgemeinen nicht bevorzugt.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung werden Verfahren zur Herstellung von Verbindungselementen mit gesteuerter Impedanz beschrieben. Diese Verfahren beinhalten im Allgemeinen das Überziehen (z.B. elektrophoretisch) eines leitenden Kerns oder eines gesamten zusammengesetztes Verbindungselements mit einem dielektrischen Material (Isolationsschicht) und das Überziehen des dielektrischen Materials mit einer äußeren Schicht aus einem leitenden Material. Durch Erden der äußeren leitenden Materialschicht kann das resultierende Verbindungselement wirksam abgeschirmt und seine Impedanz kann leicht gesteuert werden. (Siehe auch 10K der HAUPTAKTE).
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung können Verbindungselemente als einzelne Einheiten zur späteren Befestigung an elektronischen Bauteilen vorgefertigt werden. Verschiedene Verfahren zum Bewerkstelligen dieser Aufgabe werden hierin dargelegt. Obwohl in diesem Dokument nicht speziell erfasst, wird es als relativ unkompliziert erachtet, eine Maschine herzustellen, die das Anbringen einer Vielzahl von einzelnen Verbindungselementen an einem Substrat oder alternativ das Aufhängen einer Vielzahl von einzelnen Verbindungselementen in einem Elastomer oder an einem Trägersubstrat handhabt.
  • Es sollte klar verständlich sein, dass sich das zusammengesetzte Verbindungselement der vorliegenden Erfindung drastisch von Verbindungselementen des Standes der Technik unterscheidet, die beschichtet wurden, um ihre elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften zu verbessern oder ihre Beständigkeit gegen Korrosion zu verbessern.
  • Der Überzug der vorliegenden Erfindung ist speziell vorgesehen, um die Verankerung des Verbindungselements an einem Anschluss eines elektronischen Bauelements wesentlich zu verbessern und/oder dem resultierenden zusammengesetzten Verbindungselement gewünschte elastische Eigenschaften zu verleihen. Spannungen (Kontaktkräfte) werden auf Teile der Verbindungselemente gerichtet, die speziell zum Absorbieren der Spannungen vorgesehen sind.
  • Es sollte auch erkannt werden, dass die vorliegende Erfindung im Grunde ein neues Verfahren zur Herstellung von Federstrukturen bereitstellt. Die wirksame Struktur der resultierenden Feder ist im Allgemeinen vielmehr ein Produkt des Plattierens als des Biegens und Formens. Dies öffnet die Tür für die Verwendung einer breiten Vielfalt von Materialien, um die Federform herzustellen, und einer Vielfalt von "freundlichen" Prozessen zum Befestigen des "Schalgerüsts" des Kerns an elektronischen Bauteilen. Der Überzug funktioniert als "Überbau" über dem "Schalgerüst" des Kerns, deren beide Begriffe ihre Ursprünge auf dem Gebiet des Bauwesens haben.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann eine beliebige der elastischen Kontaktstrukturen als mindestens zwei zusammengesetzte Verbindungselemente ausgebildet werden.
  • Eine besonders nützliche Anwendung für die vorliegende Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Sondenprüfung (elektrischen Kontaktierung) eines prüffähigen Bereichs eines elektronischen Bauteils mit einer Vielzahl von Federkontaktelementen durch Bestücken eines größeren Substrats (Anbringen und Verbinden) mit einer Vielzahl von Kontaktträgern (Fliesensubstraten) und Drücken des großen Substrats und des elektronischen Bauteils aufeinander hin, so dass die Federkontaktelemente, die sich von einer Oberfläche der Fliesensubstrate erstrecken, mit entsprechenden Anschlüssen am prüffähigen Bereich des elektronischen Bauteils einen Kontakt herstellen. Das elektronische Bauteil kann ein Halbleiterwafer sein, in welchem Fall der prüffähige Bereich einer Vielzahl von Chipstellen auf dem Halbleiterwafer entspräche. Die Fähigkeit aller Federkontakte, mit einer Vielzahl von Chipstellen, allen auf einmal, einen Kontakt herzustellen, kann solche Prozesse wie Waferebenen-Voralterung erleichtern. Es ist jedoch nicht erforderlich, dass das gesamte elektronische Bauteil auf einmal kontaktiert wird. Vorteile erwachsen, wenn ein beträchtlicher Teil wie z.B. mindestens eine Hälfte des elektronischen Bauteils auf einmal kontaktiert wird. Das elektronische Bauteil kann beispielsweise auch eine Leiterplatte (PCB) oder ein Flüssigkristallanzeige-(LCD)Paneel sein.
  • Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden angesichts von deren folgender Beschreibung ersichtlich.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Auf bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung wird im einzelnen Bezug genommen, von welchen Beispiele in den zugehörigen Zeichnungen dargestellt sind. Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit diesen bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben wird, sollte es selbstverständlich sein, dass dies nicht den Gedanken und Schutzbereich der Erfindung auf diese speziellen Ausführungsbeispiele begrenzen soll.
  • In den hierin dargestellten Seitenansichten sind häufig Teile der Seitenansicht der Deutlichkeit halber im Querschnitt dargestellt. In vielen der Ansichten ist beispielsweise der Drahtschaft (Kern) vollständig, als fette Linie gezeigt, während der Überzug im wahren Querschnitt (häufig ohne Schraffierung) gezeigt ist.
  • In den hierin dargestellten Figuren ist die Größe bestimmter Elemente der Deutlichkeit halber häufig übertrieben (nicht maßstäblich gegenüber anderen Elementen in der Figur) dargestellt.
  • 1A ist eine Querschnittsansicht eines Längsteils, einschließlich eines Endes, eines zusammengesetzten Verbindungselements gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 1B ist eine Querschnittsansicht eines Längsteils, einschließlich eines Endes, eines zusammengesetzten Verbindungselements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 1C ist eine Querschnittsansicht eines Längsteils, einschließlich eines Endes, eines zusammengesetzten Verbindungselements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 1D ist eine Querschnittsansicht eines Längsteils, einschließlich eines Endes, eines zusammengesetzten Verbindungselements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 1E ist eine Querschnittsansicht eines Längsteils, einschließlich eines Endes, eines zusammengesetzten Verbindungselements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 2A ist eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen zusammengesetzten Verbindungselements, das an einem Anschluss eines elektronischen Bauteils angebracht ist und einen mehrlagigen Mantel aufweist.
  • 2B ist eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen zusammengesetzten Verbindungselements mit einem mehrlagigen Mantel, wobei eine Zwischenschicht aus einem dielektrischen Material besteht.
  • 2C ist eine perspektivische Ansicht einer Vielzahl von erfindungsgemäßen Verbindungselementen, die zusammengesetzte Verbindungselemente sein können und die an einem elektronischen Bauteil (z.B. einem Nadelkarteneinsatz) angebracht sind.
  • 2D ist eine Querschnittsansicht eines beispielhaften ersten Schritts eines Verfahrens zur Herstellung von Verbindungselementen mit texturierten Spitzen gemäß der Erfindung.
  • 2E ist eine Querschnittsansicht eines beispielhaften weiteren Schritts des Verfahrens von 2D zur Herstellung von Verbindungselementen gemäß der Erfindung.
  • 2F ist eine Querschnittsansicht eines beispielhaften weiteren Schritts des Verfahrens von 2E zur Herstellung von Verbindungselementen gemäß der Erfindung.
  • 2G ist eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Vielzahl von erfindungsgemäßen einzelnen Verbindungselementen, die gemäß dem Verfahren von 2D–2F hergestellt wurden.
  • 2H ist eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Vielzahl von erfindungsgemäßen Verbindungselementen, die gemäß dem Verfahren von 2D–2F hergestellt wurden und in einer vorgeschriebenen räumlichen Beziehung zueinander verbunden sind.
  • 2I ist eine Querschnittsansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels zur Herstellung von erfindungsgemäßen Verbindungselementen, welche ein Ende eines Elements zeigt.
  • 3 ist eine Querschnittsansicht eines allgemeinen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Zwischenschaltbauteils.
  • 4 ist eine Querschnittsansicht eines allgemeinen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Raumtransformator-Bauteils.
  • 5 ist eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Nadelkartenanordnung in auseinandergezogener Anordnung teilweise im Querschnitt.
  • 5A ist eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Raumtransformator-Bauteils, das zur Verwendung in der Nadelkartenanordnung von 5 geeignet ist.
  • 5B ist eine perspektivische Ansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Raumtransformator-Bauteils, das zur Verwendung in der Nadelkartenanordnung von 5 geeignet ist.
  • 6 ist eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Fliesenbauteils.
  • 6A ist eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Anbringen einer Vielzahl von Fliesenbauteilen an einem Raumtransformator-Bauteil (größeren Substrat) in auseinandergezogener Anordnung.
  • 7 ist eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels zum Aufbringen von einem oder mehreren Fliesenbauteilen auf ein größeres Substrat wie z.B. ein elektronisches Bauteil, wie z.B. einen Halbleiterwafer.
  • 8A ist eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Fliesenbauteilen.
  • 8B ist eine Querschnittsansicht eines weiteren Schritts in dem erfindungsgemäßen Verfahren von 8A.
  • 8C und 8D sind Querschnittsansichten eines erfindungsgemäßen Opfersubstrats, das mit Spitzenstrukturen zum späteren Anbringen an Spitzen von Verbindungselementen vorbereitet ist.
  • 8E ist eine Seitenansicht, teilweise im Querschnitt und teilweise vollständig, von einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Fliesensubstratbauteilen.
  • 8F ist eine Seitenansicht, teilweise im Querschnitt und teilweise vollständig, des erfindungsgemäßen Fliesenbauteils von 8C, das mit den vorgefertigten Spitzenstrukturen von 8C–8D verbunden ist.
  • 8G ist eine Seitenansicht, teilweise im Querschnitt und teilweise vollständig, von einem weiteren Schritt beim Verbinden der Spitzenstrukturen mit Federelementen an dem Fliesenbauteil von 8D gemäß der Erfindung.
  • 9A ist eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Halten einer Vielzahl von Fliesensubstraten in korrekter Ausrichtung auf ein größeres Substrat.
  • 9B ist eine Querschnittsansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens zum Halten einer Vielzahl von Fliesensubstraten in korrekter Ausrichtung auf ein größeres Substrat.
  • 9C ist eine Querschnittsansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens zum Halten einer Vielzahl von Fliesensubstraten in korrekter Ausrichtung auf ein größeres Substrat.
  • 9D ist eine Querschnittsansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens zum Halten einer Vielzahl von Fliesensubstraten in korrekter Ausrichtung auf ein größeres Substrat.
  • 10A ist eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Federkontaktträgers (Fliese), insbesondere für Sondenelemente.
  • 10B ist eine Querschnittsansicht der erfindungsgemäßen Fliese von 10A.
  • 10C ist eine Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Federkontaktträgers (Fliese), insbesondere für Sondenelemente.
  • 10D ist eine Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Federkontaktträgers (Fliese), insbesondere für Sondenelemente.
  • 10E ist eine Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Federkontaktträgers (Fliese), insbesondere für Sondenelemente.
  • 11A ist eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Durchführen einer Voralterung auf Waferebene.
  • 11B ist eine Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Durchführen einer Voralterung auf Waferebene.
  • 11C ist eine Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Durchführen einer Voralterung auf Waferebene.
  • 12A ist eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Anbringen einer Vielzahl von Fliesen an einem größeren Substrat (z.B. Raumtransformator der Nadelkartenanordnung der Erfindung) und (a) zum Ändern des gesamten Wärmeausdehnungskoeffizienten dieser Anordnung (z.B. um ihn an jenen eines Bauteils anzupassen, dessen Prüfung erwünscht ist, wie z.B. eines Halbleiterwafers), und (b) zum Verbinden mit dem größeren Substrat (wie z.B. mit einer Zwischenschalteinrichtung der Nadelkartenanordnung der Erfindung).
  • 12B ist eine Querschnittsansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens zum Anbringen einer Vielzahl von Fliesen an einem größeren Substrat (z.B. Raumtransformator der Nadelkartenanordnung der Erfindung) und (a) zum Ändern des gesamten Wärmeausdehnungskoeffizienten dieser Anordnung (z.B. um ihn an jenen eines Bauteils anzupassen, dessen Prüfung erwünscht ist, wie z.B. eines Halbleiterwafers), und (b) zum Verbinden mit dem größeren Substrat (wie z.B. mit einer Zwischenschalteinrichtung der Nadelkartenanordnung der Erfindung).
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die im gemeinsamen Besitz stehende, gleichzeitig anhängige US-Patentanmeldung Nr. 08/554 902 ist auf Nadelkartenanordnungen, deren Komponenten und Verfahren zur Verwendung derselben gerichtet. Wie aus der folgenden Beschreibung ersichtlich wird, ist die Verwendung von elastischen Kontaktstrukturen, um Druckverbindungen mit Anschlüssen eines elektronischen Bauteils zu bewirken, wesentlich. Die elastischen Kontaktstrukturen (Federelemente, Federkontakte, Sondenelemente) werden geeigneterweise als "zusammengesetzte Verbindungselemente" implementiert, wie sie z.B. in der Offenbarung der im gemeinsamen Besitz stehenden, gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 08/452 255, eingereicht am 26.5.95 ("HAUPTAKTE"), beschrieben wurden, die durch den Hinweis hierin aufgenommen wird, können jedoch auch "monolithische" (im Gegensatz zu "zusammengesetzten") Federelemente sein, die aus einem Material mit an sich einer hohen Dehngrenze bestehen (ohne den Bedarf für einen Überzug aus einem Material mit hoher Dehngrenze).
  • Die folgende Erörterung beginnt mit dem Zusammenfassen einer Anzahl der in der HAUPTAKTE offenbarten Verfahren anhand der Erörterungen der 1A–1E und 2A–2I.
  • Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein "zusammengesetztes" (im Gegensatz zu einem "monolithischen") Verbindungselement ausgebildet werden kann durch Beginnen mit einem Kern (der an einem Anschluss eines elektronischen Bauteils montiert sein kann), dann Überziehen des Kerns mit einem geeigneten Material zum: (1) Festlegen der mechanischen Eigenschaften des resultierenden zusammengesetzten Verbindungselements; und/oder (2) wenn das Verbindungselement an einem Anschluss eines elektronischen Bauteils montiert ist, zum sicheren Verankern des Verbindungselements am Anschluss. Auf diese Weise kann ein elastisches Verbindungselement (Federelement) beginnend mit einem Kern aus einem weichen Material, das sich leicht zu einer federfähigen Form formen lässt und das sich leicht an auch den zerbrechlichsten elektronischen Bauteilen anbringen lässt, hergestellt werden. Angesichts der Verfahren des Standes der Technik zum Ausbilden von Federelementen aus harten Materialien ist es nicht leicht ersichtlich und ist wohl gegenintuitiv, dass weiche Materialien die Basis von Federelementen bilden können. Ein solches "zusammengesetztes" Verbindungselement ist im Allgemeinen die bevorzugte Form einer elastischen Kontaktstruktur zur Verwendung bei den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Wie vorstehend erwähnt, können die Federkontakte der vorliegenden Erfindung jedoch vielmehr monolithisch als zusammengesetzt sein.
  • 1A, 1B, 1C und 1D stellen in einer allgemeinen Weise verschiedene Formen für zusammengesetzte Verbindungselemente gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
  • Nachstehend werden im großen und ganzen zusammengesetzte Verbindungselemente, die Elastizität aufweisen, beschrieben. Es sollte jedoch selbstverständlich sein, dass nicht-elastische zusammengesetzte Verbindungselemente in den Schutzbereich der Erfindung fallen.
  • Ferner werden nachstehend größtenteils zusammengesetzte Verbindungselemente, die einen weichen (leicht geformten und zum Befestigen durch freundliche Prozesse an elektronischen Bauteilen zugänglichen) Kern aufweisen, der mit harten (federnden) Materialien überzogen ist, beschrieben. Es liegt jedoch innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung, dass der Kern ein hartes Material sein kann – wobei der Überzug hauptsächlich zum sicheren Verankern des Verbindungselements an einem Anschluss eines elektronischen Bauteils dient.
  • In 1A umfasst ein elektrisches Verbindungselement 110 einen Kern 112 aus einem "weichen" Material (z.B. einem Material mit einer Dehngrenze von weniger als 40000 psi) und einen Mantel (Überzug) 114 aus einem "harten" Material (z.B. einem Material mit einer Dehngrenze von mehr als 80000 psi). Der Kern 112 ist ein langgestrecktes Element, das als im Wesentlichen gerader Auslegerbalken geformt (gestaltet) ist, und kann ein Draht mit einem Durchmesser von 0,0005–0,0030 Inch (0,001 Inch = 1 mil ≈ 25 Mikrometer (μm)) sein. Der Mantel 114 wird über den bereits geformten Kern 112 durch einen beliebigen geeigneten Prozess aufgebracht, wie z.B. durch einen geeigneten Plattierungsprozess (z.B. durch elektrochemisches Plattieren).
  • 1A stellt dar, was vielleicht die einfachste von Federformen für ein Verbindungselement der vorliegenden Erfindung ist – nämlich einen geraden Auslegerbalken, der in einem Winkel zu einer Kraft "F", die an seiner Spitze 110b aufgebracht wird, orientiert ist. wenn eine solche Kraft durch einen Anschluss eines elektronischen Bauteils aufgebracht wird, mit dem das Verbindungselement einen Druckkontakt herstellt, führt die Abwärts-(wie gesehen)Auslenkung der Spitze offensichtlich dazu, dass sich die Spitze über den Anschluss in einer "Schleif"-Bewegung bewegt. Ein solcher Schleifkontakt stellt sicher, dass ein zuverlässiger Kontakt zwischen dem Verbindungselement und dem kontaktierten Anschluss des elektronischen Bauteils hergestellt wird.
  • Aufgrund seiner "Härte" und durch Steuern seiner Dicke (0,00025–0,00500 Inch) verleiht der Mantel 114 dem gesamten Verbindungselement 110 eine gewünschte Elastizität. Auf diese weise kann eine elastische Verbindung zwischen elektronischen Bauteilen (nicht dargestellt) zwischen den zwei Enden 110a und 110b des Verbindungselements 110 bewirkt werden. (In 1A gibt die Bezugsziffer 110a einen Endteil des Verbindungselements 110 an und das tatsächliche Ende entgegengesetzt zum Ende 110b ist nicht gezeigt.) Beim Kontaktieren eines Anschlusses eines elektronischen Bauteils würde das Verbindungselement 110 einer Kontaktkraft (Druck) ausgesetzt werden, wie durch den mit "F" bezeichneten Pfeil angegeben.
  • Das Verbindungselement (z.B. 110) biegt sich als Reaktion auf eine aufgebrachte Kontaktkraft durch, wobei die Durchbiegung (Elastizität) teilweise durch die Gesamtform des Verbindungselements, teilweise durch die dominante (größere) Dehngrenze des Überzugsmaterials (gegen jene des Kerns) und teilweise durch die Dicke des Überzugsmaterials festgelegt ist.
  • Wie hierin verwendet, werden die Begriffe "Ausleger" und "Auslegerbalken" verwendet, um anzugeben, dass eine langgestreckte Struktur (z.B. der überzogene Kern 112) an einem Ende montiert (befestigt) ist und das andere Ende sich frei bewegen kann, typischerweise als Reaktion auf eine Kraft, die im Allgemeinen quer zur Längsachse des langgestreckten Elements wirkt. Keine andere spezifische oder begrenzende Bedeutung soll durch die Verwendung dieser Begriffe vermittelt oder suggeriert werden.
  • In 1B umfasst ein elektrisches Verbindungselement 120 ebenso einen weichen Kern 122 (vergleiche 112) und einen harten Mantel 124 (vergleiche 114). In diesem Beispiel ist der Kern 122 so geformt, dass er zwei Biegungen aufweist, und kann somit als S-förmig betrachtet werden. Wie im Beispiel von 1A kann auf diese Weise eine elastische Verbindung zwischen elektronischen Bauteilen (nicht dargestellt) zwischen den zwei Enden 120a und 120b des Verbindungselements 120 bewirkt werden. (In 1B gibt die Bezugsziffer 120a einen Endteil des Verbindungselements 120 an und das tatsächliche Ende entgegengesetzt zum Ende 120b ist nicht gezeigt.) Beim Kontaktieren eines Anschlusses eines elektronischen Bauteils würde das Verbindungselement 120 einer Kontaktkraft (Druck) ausgesetzt werden, wie durch den mit "F" bezeichneten Pfeil angegeben.
  • In 1C umfasst ein elektrisches Verbindungselement 130 ebenso einen weichen Kern 132 (vergleiche 112) und einen harten Mantel 134 (vergleiche 114). In diesem Beispiel ist der Kern 132 so geformt, dass er eine Biegung aufweist, und kann als U-förmig betrachtet werden. Wie im Beispiel von 1A kann auf diese Weise eine elastische Verbindung zwischen elektronischen Bauteilen (nicht dargestellt) zwischen den zwei Enden 130a und 130b des Verbindungselements 130 bewirkt werden. (In 1C gibt die Bezugsziffer 130a einen Endteil des Verbindungselements 130 an und das tatsächliche Ende entgegengesetzt zum Ende 130b ist nicht gezeigt.) Beim Kontaktieren eines Anschlusses eines elektronischen Bauteils könnte das Verbindungselement 130 einer Kontaktkraft (Druck) ausgesetzt werden, wie durch den mit "F" bezeichneten Pfeil angegeben. Alternativ könnte das Verbindungselement 130 verwendet werden, um einen Kontakt anderswo als an seinem Ende 130b herzustellen, wie durch den mit "F'" bezeichneten Pfeil angegeben.
  • 1D stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines elastischen Verbindungselements 140 mit einem weichen Kern 142 und einem harten Mantel 144 dar. In diesem Beispiel ist das Verbindungselement 140 im Wesentlichen ein einfacher Ausleger (vergleiche 1A) mit einer gekrümmten Spitze 140b, die einer Kontaktkraft "F" ausgesetzt ist, die quer zu seiner Längsachse wirkt.
  • 1E stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines elastischen Verbindungselements 150 mit einem weichen Kern 152 und einem harten Mantel 154 dar. In diesem Beispiel ist das Verbindungselement 150 im Allgemeinen "C-förmig", vorzugsweise mit einer geringfügig gekrümmten Spitze 150b, und eignet sich zur Herstellung eines Druckkontakts, wie durch den mit "F" bezeichneten Pfeil angegeben.
  • Es sollte selbstverständlich sein, dass der weiche Kern leicht zu einer beliebigen federfähigen Form geformt werden kann – mit anderen Worten, einer Form, die bewirkt, dass sich ein resultierendes Verbindungselement als Reaktion auf eine an seiner Spitze aufgebrachte Kraft elastisch durchbiegt. Der Kern könnte beispielsweise zu einer herkömmlichen Spulenform geformt werden. Eine Spulenform wäre jedoch aufgrund der Gesamtlänge des Verbindungselements und der mit dieser verbundenen Induktivitäten (und dergleichen) und der nachteiligen Wirkung derselben auf eine Schaltung, die mit hohen Frequenzen (Geschwindigkeiten) arbeitet, nicht bevorzugt.
  • Das Material des Mantels oder zumindest eine Schicht eines mehrlagigen Mantels (nachstehend beschrieben) weist eine signifikant höhere Dehngrenze auf als das Material des Kerns. Daher überschattet der Mantel den Kern beim Festlegen der mechanischen Eigenschaften (z.B. Elastizität) der resultierenden Verbindungsstruktur. Verhältnisse der Mantel:Kern-Dehngrenzen sind vorzugsweise mindestens 2:1, einschließlich mindestens 3:1 und mindestens 5:1, und können nicht niedriger als 10:1 sein. Es ist auch ersichtlich, dass der Mantel oder zumindest eine äußere Schicht eines mehrlagigen Mantels elektrisch leitend sein sollte, hauptsächlich in Fällen, in denen der Mantel das Ende des Kerns bedeckt. (Die Hauptakte beschreibt jedoch Ausführungsbeispiele, bei denen das Ende des Kerns freiliegt, in welchem Fall der Kern leitend sein muss.)
  • Aus wissenschaftlichem Gesichtspunkt ist es nur erforderlich, dass der federnde (federförmige) Teil des resultierenden zusammengesetzten Verbindungselements mit dem harten Material überzogen ist. Von diesem Gesichtspunkt ist es im Allgemeinen nicht wesentlich, dass beide der zwei Enden des Kerns überzogen sind. Praktisch ist es jedoch bevorzugt, den gesamten Kern zu überziehen. Spezielle Gründe für und Vorteile, die aus dem Überziehen eines Endes des Kerns, das an einem elektronischen Bauteil verankert (befestigt) ist, erwachsen, werden nachstehend genauer erörtert.
  • Geeignete Materialien für den Kern (112, 122, 132, 142) umfassen, sind jedoch nicht begrenzt auf: Gold, Aluminium, Kupfer und ihre Legierungen. Diese Materialien werden typischerweise mit kleinen Mengen anderer Metalle legiert, um gewünschte physikalische Eigenschaften zu erhalten, wie z.B. mit Beryllium, Cadmium, Silizium, Magnesium und dergleichen. Es ist auch möglich, Silber, Palladium, Platin; Metalle oder Legierungen, wie z.B. Metalle der Platingruppe der Elemente, zu verwenden. Weichlot, das aus Blei, Zinn, Indium, Wismut, Cadmium, Antimon und ihren Legierungen besteht, kann verwendet werden.
  • Im Hinblick auf die Befestigung eines Endes des Kerns (Drahts) an einem Anschluss eines elektronischen Bauteils (nachstehend genauer erörtert) wäre im Allgemeinen ein Draht aus einem beliebigen Material (z.B. Gold), das dem Bonden (unter Verwendung von Temperatur, Druck und/oder Ultraschallenergie zum Bewirken des Bondens) zugänglich ist, zur Ausführung der Erfindung geeignet. Es liegt innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung, dass ein beliebiges Material, das für ein Beschichten (z.B. Plattieren), geeignet ist, einschließlich nicht-metallischem Material, für den Kern verwendet werden kann.
  • Geeignete Materialien für den Mantel (114, 124, 134, 144) umfassen (und, wie nachstehend erörtert wird, für die einzelnen Schichten eines mehrlagigen Mantels), sind jedoch nicht begrenzt auf: Nickel und seine Legierungen; Kupfer, Kobalt, Eisen und ihre Legierungen; Gold (insbesondere hartes Gold) und Silber, die beide eine ausgezeichnete Strombelastbarkeit und gute Kontaktwiderstandseigenschaften aufweisen; Elemente der Platingruppe; Edelmetalle; Halbedelmetalle und ihre Legierungen, insbesondere Elemente der Platingruppe und ihre Legierungen; Wolfram und Molybdän. In Fällen, in denen eine weichlotartige Oberflächengüte erwünscht ist, können Zinn, Blei, Wismut, Indium und ihre Legierungen auch verwendet werden.
  • Das Verfahren, das zum Aufbringen dieser Beschichtungsmaterialien auf die verschiedenen Kernmaterialien, die vorstehend dargelegt sind, ausgewählt wird, variiert natürlich von Anwendung zu Anwendung. Elektroplattieren und stromloses Plattieren sind im Allgemeinen bevorzugte Verfahren. Im Allgemeinen wäre es jedoch gegenintuitiv, über einen Goldkern zu plattieren.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist es, wenn ein Nickelmantel über einen Goldkern plattiert (insbesondere stromlos plattiert) wird, erwünscht, zuerst eine dünne Kupferstartschicht über dem Golddrahtschaft abzuscheiden, um den Plattierungbeginn zu erleichtern.
  • Ein beispielhaftes Verbindungselement, wie es z.B. in den 1A–1E dargestellt ist, kann einen Kerndurchmesser von ungefähr 25,4 μm (0,001 Inch) und eine Manteldicke von 25,4 μm (0,001 Inch) aufweisen – wobei das Verbindungselement somit einen Gesamtdurchmesser von ungefähr 76,2 μm (0,003 Inch) (d.h. Kerndurchmesser plus zweimal die Manteldicke) aufweist. Im Allgemeinen liegt diese Dicke des Mantels in der Größenordnung von 0,2–5,0 (ein Fünftel bis fünf) Mal der Dicke (z.B. Durchmesser) des Kerns.
  • Einige beispielhafte Parameter für zusammengesetzte Verbindungselemente sind:
    • (a) Ein Golddrahtkern mit einem Durchmesser von 38,1 μm (1,5 mils) wird so geformt, dass er eine Gesamthöhe von 1016 μm (40 mils) und eine im Allgemeinen C-förmige Krümmung (vergleiche 1E) mit einem Radius von 228,6 μm (9 mils) aufweist, wird mit 19 μm (0,75 mils) Nickel (Gesamtdurchmesser = 1,5 + 2 × 0,75 = 3 mils = 76,2 μm) plattiert und erhält wahlweise einen Endüberzug von 50 Mikroinch Gold (z.B., um den Kontaktwiderstand zu senken und zu verbessern). Das resultierende zusammengesetzte Verbindungselement weist eine Federkonstante (k) von ungefähr 0,118–0,197 g/μm (3–5 Gramm/mil) auf. Bei der Verwendung führt eine Auslenkung von 76,2–127 μm (3–5 mils) zu einer Kontaktkraft von 9–25 Gramm. Dieses Beispiel ist im Zusammenhang mit einem Federelement für ein Zwischenschaltbauteil nützlich.
    • (b) Ein Golddrahtkern mit einem Durchmesser von 25,4 μm (1,0 mils) wird so geformt, dass er eine Gesamthöhe von 883 μm (35 mils) aufweist, wird mit 31,75 μm (1,25 mils) Nickel (Gesamtdurchmesser = 1,0 + 2 × 1,25 = 3,5 mils = 89 μm) plattiert und erhält wahlweise einen Endüberzug von 1270 μm (50 Mikroinch) Gold. Das resultierende zusammengesetzte Verbindungselement weist eine Federkonstante (k) von ungefähr 0,118 g/μm (3 Gramm/mil) auf und ist im Zusammenhang mit einem Federelement für eine Sonde nützlich.
  • Wie nachstehend genauer erläutert wird, muss der Kern keinen runden Querschnitt aufweisen, sondern kann vielmehr eine flache Kontaktnase (mit einem rechteckigen Querschnitt) sein, die sich von einer Fläche erstreckt. Es sollte selbstverständlich sein, dass, wie hierin verwendet, der Begriff "Kontaktnase" (tab) nicht mit dem Begriff "TAB" (Automatikfilmbonden) zu verwechseln ist.
  • Außerdem liegt es innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung, dass der Querschnitt eines Drahtschafts (Kerns) rechteckig sein oder andere nicht-kreisförmige Formen aufweisen kann.
  • MEHRLAGIGE MÄNTEL
  • 2A stellt ein Ausführungsbeispiel 200 eines Verbindungselements 210 dar, das an einem Anschluss 214 eines elektronischen Bauteils 212 montiert ist. In diesem Beispiel ist ein weicher (z.B. Gold) Drahtkern 216 an einem Ende 216a an den Anschluss 214 gebondet (an diesem befestigt), ist so gestaltet, dass er sich vom Anschluss erstreckt und eine Federform aufweist (vergleiche die in 1B gezeigte Form) und ist abgetrennt, so dass er ein freies Ende 216b aufweist. Das Bonden, Formen und Abtrennen eines Drahts auf diese Weise wird unter Verwendung einer Drahtbondanlage durchgeführt. Die Bondstelle am Ende 216a des Kerns bedeckt nur einen relativ kleinen Teil der freiliegenden Oberfläche des Anschlusses 214.
  • Ein Mantel (Überzug) ist über dem Drahtkern 216 angeordnet, der in diesem Beispiel als mehrlagig mit einer inneren Schicht 218 und einer äußeren Schicht 220 gezeigt ist, von denen beide Schichten geeigneterweise durch Plattierungsprozesse aufgebracht werden können. Eine oder mehrere Schichten des mehrlagigen Mantels wird (werden) aus einem harten Material (wie z.B. Nickel und seinen Legierungen) ausgebildet, um dem Verbindungselement 210 eine gewünschte Elastizität zu verleihen. Die äußere Schicht 220 kann beispielsweise aus einem harten Material bestehen und die innere Schicht kann aus einem Material bestehen, das als Puffer- oder Sperrschicht (oder als Aktivierungsschicht oder als Klebeschicht) beim Plattieren des harten Materials 220 auf das Kernmaterial 216 wirkt. Alternativ kann die innere Schicht 218 das harte Material sein und die äußere Schicht 220 kann ein Material (wie z.B. weiches Gold) sein, das überlegene elektrische Eigenschaften, einschließlich elektrischer Leitfähigkeit und Lötfähigkeit, aufweist. Wenn ein Kontakt vom Weichlöt- oder Hartlöttyp erwünscht ist, kann die äußere Schicht des Verbindungselements Blei-Zinn-Weichlöt- bzw. Gold-Zinn-Hartlötmaterial sein.
  • VERANKERUNG AM ANSCHLUSS
  • 2A stellt auf eine allgemeine weise ein weiteres Schlüsselmerkmal der Erfindung dar – nämlich, dass das elastische Verbindungselement sicher an einem Anschluss an einem elektronischen Bauteil verankert werden kann. Das befestigte Ende 210a des Verbindungselements wird infolge einer Druckkraft (Pfeil "F"), die auf das freie Ende 210b des Verbindungselements aufgebracht wird, einer signifikanten mechanischen Spannung ausgesetzt.
  • Wie in 2A dargestellt, bedeckt der Überzug (218, 220) nicht nur den Kern 216, sondern auch die gesamte restliche (d.h. andere als die Bondstelle 216a) freigelegte Oberfläche des Anschlusses 214 benachbart zum Kern 216 auf eine durchgehende (ununterbrochene) Weise. Dies verankert das Verbindungselement 210 sicher und zuverlässig am Anschluss, wobei das Überzugsmaterial einen wesentlichen (z.B. größer als 50%) Beitrag zur Verankerung des resultierenden Verbindungselements am Anschluss liefert. Im Allgemeinen ist es nur erforderlich, dass das Überzugsmaterial zumindest einen Teil des Anschlusses benachbart zum Kern bedeckt. Es ist jedoch im Allgemeinen bevorzugt, dass das Überzugsmaterial die gesamte restliche Oberfläche des Anschlusses bedeckt. Vorzugsweise ist jede Schicht des Mantels metallisch.
  • Allgemein behauptet eignet sich die relativ kleine Fläche, an der der Kern am Anschluss befestigt (z.B. an diesen gebondet) ist, nicht gut zur Aufnahme von Spannungen, die sich aus Kontaktkräften ("F") ergeben, die dem resultierenden zusammengesetzten Verbindungselement auferlegt werden. Dadurch, dass der Mantel die gesamte freiliegende Oberfläche des Anschlusses (im Gegensatz zur relativ kleinen Fläche, die die Befestigung des Kernendes 216a am Anschluss umfasst), bedeckt, wird die gesamte Verbindungsstruktur fest am Anschluss verankert. Die Haftfestigkeit und die Fähigkeit des Überzugs, auf Kontaktkräfte zu regieren, übersteigt weitaus jene des Kernendes (216a) selbst.
  • Wie hierin verwendet, umfasst der Begriff "elektronisches Bauteil" (z.B. 212), ist jedoch nicht begrenzt auf: Verbindungs- und Zwischenschaltsubstrate; Halbleiterwafer und -chips, die aus einem beliebigen geeigneten Halbleitermaterial wie z.B. Silizium (Si) oder Gallium-Arsenid (GaAs) bestehen; Produktionsverbindungssockel; Testsockel; Opferbauelemente, -elemente und -substrate, wie in der Hauptakte beschrieben; Halbleitergehäuse, einschließlich Keramik- und Kunststoffgehäusen, und Chipträger; und Verbindungsstecker.
  • Das Verbindungselement der vorliegenden Erfindung eignet sich besonders gut zur Verwendung als:
    • • Verbindungselemente, die direkt an Siliziumchips montiert sind, wobei der Bedarf für ein Halbleitergehäuse beseitigt wird;
    • • Verbindungselemente, die sich als Feder-(Sonden-)Elemente von Substraten (nachstehend genauer beschrieben) zum Testen von elektronischen Bauteilen wegerstrecken; und
    • • Verbindungselemente von Zwischenschalteinrichtungen (nachstehend genauer erörtert).
  • Das Verbindungselement der vorliegenden Erfindung ist insofern einzigartig, als es von den mechanischen Eigenschaften (z.B. hohe Dehngrenze) eines harten Materials profitiert, ohne durch die zugehörige typischerweise schlechte Bondeigenschaft von harten Materialien begrenzt zu sein. Wie in der Hauptakte ausgearbeitet, wird dies weitgehend durch die Tatsache möglich gemacht, dass der Mantel (Überzug) als "Überbau" über dem "Schalgerüst" des Kerns funktioniert, zwei Begriffe, die aus der Umgebung des Bauwesens ausgeliehen sind. Dies steht in merklichem Gegensatz zu irgendwelchen plattierten Verbindungselementen des Standes der Technik, bei denen die Plattierung als Schutz-(z.B. Antikorrosions-)Beschichtung verwendet wird und im Allgemeinen nicht in der Lage ist, der Verbindungsstruktur die gewünschte mechanische Eigenschaft zu verleihen.
  • Zu den zahlreichen Vorteilen der vorliegenden Erfindung zählt, dass eine Vielzahl von freistehenden Verbindungsstrukturen auf Substraten von verschiedenen Ebenen derselben, wie z.B. einer PCB mit einem Entkopplungskondensator, leicht bis zu einer gemeinsamen Höhe über dem Substrat ausgebildet werden kann, so dass ihre freien Enden miteinander koplanar sind. Außerdem werden sowohl die elektrischen als auch die mechanischen (z.B. plastischen und elastischen) Eigenschaften eines gemäß der Erfindung ausgebildeten Verbindungselements leicht für spezielle Anwendungen zugeschnitten. Es kann beispielsweise bei einer gegebenen Anwendung erwünscht sein, dass die Verbindungselemente sowohl eine plastische als auch elastische Verformung aufweisen. (Eine plastische Verformung kann erwünscht sein, um groben Nicht-Planaritäten bei Bauteilen Rechnung zu tragen, die durch die Verbindungselemente miteinander verbunden werden.) Wenn elastisches Verhalten erwünscht ist, ist es erforderlich, dass das Verbindungselement ein minimales Schwellenausmaß an Kontaktkraft erzeugt, um einen zuverlässigen Kontakt zu bewirken. Es ist auch vorteilhaft, dass die Spitze des Verbindungselements aufgrund der gelegentlichen Anwesenheit von Verunreinigungsfilmen auf den Kontaktflächen einen Schleifkontakt mit einem Anschluss eines elektronischen Bauteils herstellt.
  • Wie hierin verwendet, impliziert der Begriff "elastisch", wenn auf Kontaktstrukturen angewendet, Kontaktstrukturen (Verbindungselemente), die hauptsächlich elastisches Verhalten als Reaktion auf eine aufgebrachte Last (Kontaktkraft) zeigen, und der Begriff "nachgiebig" impliziert Kontaktstrukturen (Verbindungselemente), die sowohl elastisches als auch plastisches Verhalten als Reaktion auf eine aufgebrachte Last (Kontaktkraft) zeigen. Wie hierin verwendet, ist eine "nachgiebige" Kontaktstruktur eine "elastische" Kontaktstruktur. Die zusammengesetzten Verbindungselemente der vorliegenden Erfindung stellen einen Spezialfall von entweder nachgiebigen oder elastischen Kontaktstrukturen dar.
  • In der HAUPTAKTE werden mehrere Besonderheiten im einzelnen behandelt, einschließlich jedoch nicht begrenzt auf: Herstellung der Verbindungselemente auf Opfersubstraten; Simultanüberführung einer Vielzahl von Verbindungselementen zu einem elektronischen Bauteil; Versehen der Verbindungselemente mit Kontaktspitzen, vorzugsweise mit einer rauen Oberflächengüte; Verwenden der Verbindungselemente an einem elektronischen Bauteil, um vorübergehende, dann dauerhafte Verbindungen mit dem elektronischen Bauteil herzustellen; Anordnen der Verbindungselemente so, dass sie einen anderen Abstand an ihren einen Enden als an ihren entgegengesetzten Enden aufweisen; Herstellen von Federklemmen und Ausrichtungsstiften in denselben Prozessschritten wie der Herstellung der Verbindungselemente; Verwenden der Verbindungselemente, um Unterschieden der Wärmeausdehnung zwischen verbundenen Bauteilen Rechnung zu tragen; Beseitigen des Bedarfs für diskrete Halbleitergehäuse (wie z.B. für SIMMs); und wahlweise Weichlöten von elastischen Verbindungselementen (elastischen Kontaktstrukturen).
  • GESTEUERTE IMPEDANZ
  • 2B zeigt ein zusammengesetztes Verbindungselement 220 mit mehreren Schichten. Ein innerster Teil (inneres langgestrecktes leitendes Element) 222 des Verbindungselements 220 ist entweder ein unbeschichteter Kern oder ein Kern, der überzogen wurde, wie vorstehend beschrieben. Die Spitze 222b des innersten Teils 222 ist mit einem geeigneten Maskierungsmaterial (nicht dargestellt) maskiert. Eine dielektrische Schicht 224 ist über den innersten Teil 222 wie z.B. durch einen elektrophoretischen Prozess aufgebracht. Eine äußere Schicht 226 aus einem leitenden Material ist über der dielektrischen Schicht 224 aufgebracht.
  • Bei der Verwendung führt das elektrische Erden der äußeren Schicht 226 dazu, dass das Verbindungselement 220 eine gesteuerte Impedanz aufweist. Ein beispielhaftes Material für die dielektrische Schicht 224 ist ein Polymermaterial, das auf eine beliebige geeignete Weise und mit einer beliebigen geeigneten Dicke (z.B. 2,45–76,2 μm (0,1–3,0 mils)) aufgebracht wird.
  • Die äußere Schicht 226 kann mehrlagig sein. In Fällen, in denen der innerste Teil 222 beispielsweise ein unbeschichteter Kern ist, ist mindestens eine Schicht der äußeren Schicht 226 ein Federmaterial, wenn es erwünscht ist, dass das gesamte Verbindungselement Elastizität aufweist.
  • ÄNDERUNG DES RASTERMASSES
  • 2C stellt ein Ausführungsbeispiel 250 dar, bei dem eine Vielzahl (sechs von vielen dargestellt) von Verbindungselementen 251 ... 256 an einer Oberfläche eines elektronischen Bauteils 260 wie z.B. eines Nadelkarteneinsatzes (einer Unterbaugruppe, die auf eine herkömmliche Weise an einer Nadelkarte montiert ist) montiert ist. Die Anschlüsse und Leiterbahnen des Nadelkarteneinsatzes sind bei dieser Ansicht für die Klarheit der Darstellung weggelassen. Die befestigten Enden 251a ... 256a der Verbindungselemente 251 ... 256 entspringen mit einem ersten Rastermaß (Abstand), wie z.B. 0,127–0,254 cm (0,05–0,10 Inch). Die Verbindungselemente 251 ... 256 sind so geformt und/oder orientiert, dass ihre freien Enden (Spitzen) in einem zweiten, feineren Rastermaß, wie z.B. 127–254 μm (0,005–0,010 Inch), liegen. Eine Verbindungsanordnung, die Verbindungen von einem Rastermaß zu einem anderen Rastermaß herstellt, wird typischerweise als "Raumtransformator" bezeichnet.
  • Wie dargestellt, sind die Spitzen 251b ... 256b der Verbindungselemente in zwei parallelen Reihen angeordnet, wie z.B. zur Herstellung eines Kontakts mit (zum Testen und/oder Voraltern eines) einem Halbleiterbauelement mit zwei parallelen Reihen von Bondkontaktstellen (Kontaktpunkten). Die Verbindungselemente können so angeordnet werden, dass sie andere Spitzenmuster aufweisen, um einen Kontakt mit elektronischen Bauteilen mit anderen Kontaktpunktmustern wie z.B. Matrizes herzustellen.
  • Obwohl in den gesamten hierin offenbarten Ausführungsbeispielen nur ein Verbindungselement gezeigt sein kann, ist die Erfindung im Allgemeinen auf die Herstellung einer Vielzahl von Verbindungskomponenten und die Anordnung der Vielzahl von Verbindungselementen in einer vorgeschriebenen räumlichen Beziehung zueinander, wie z.B. in einem Umfangsmuster oder in einem Muster einer rechteckigen Matrix, anwendbar.
  • VERWENDUNG VON OPFERSUBSTRATEN
  • Die Montage von Verbindungselementen direkt an Anschlüssen von elektronischen Bauteilen wurde vorstehend erörtert. Im Allgemeinen können die Verbindungselemente der vorliegenden Erfindung auf einer beliebigen geeigneten Oberfläche eines beliebigen geeigneten Substrats, einschließlich Opfersubstraten, hergestellt oder an dieser montiert werden.
  • Die Aufmerksamkeit wird auf die HAUPTAKTE gerichtet, die beispielsweise bezüglich der 11A–11F die Herstellung einer Vielzahl von Verbindungsstrukturen (z.B. elastischen Kontaktstrukturen) als separate und unterschiedliche Strukturen für die anschließende Montage an elektronischen Bauteilen beschreibt und die bezüglich der 12A–12C die Montage einer Vielzahl von Verbindungselementen an einem Opfersubstrat (Träger), dann die Überführung der Vielzahl von Verbindungselementen massenweise zu einem elektronischen Bauteil beschreibt.
  • 2D–2F stellen ein Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von Verbindungselementen mit vorgeformten Spitzenstrukturen unter Verwendung eines Opfersubstrats dar.
  • 2D stellt einen ersten Schritt des Verfahrens 250 dar, bei dem eine strukturierte Schicht aus Maskierungsmaterial 252 auf eine Oberfläche eines Opfersubstrats 254 aufgebracht wird. Das Opfersubstrat 254 kann als Beispiel aus einer dünnen (1–10 mil) Kupfer- oder Aluminiumfolie oder einem Siliziumsubstrat bestehen und das Maskierungsmaterial 252 kann üblicher Photoresist sein. Die Maskierungsschicht 252 wird so strukturiert, dass sie eine Vielzahl (drei von vielen dargestellt) von Öffnungen an den Stellen 256a, 256b, 256c aufweist, an denen es erwünscht ist, Verbindungselemente herzustellen. Die Stellen 256a, 256b und 256c sind in dieser Hinsicht mit den Anschlüssen eines elektronischen Bauteils vergleichbar. Die Stellen 256a, 256b und 256c werden vorzugsweise in dieser Stufe behandelt, damit sie eine raue oder mit Strukturen versehene Oberflächentextur aufweisen. Wie gezeigt, kann dies mechanisch mit einem Prägewerkzeug 257 durchgeführt werden, das in der Folie 254 an den Stellen 256a, 256b und 256c Vertiefungen ausbildet. Alternativ kann die Oberfläche der Folie an diesen Stellen chemisch geätzt werden, so dass sie eine Oberflächentextur aufweist. Ein beliebiges Verfahren, das sich für diesen allgemeinen Zwecks eignet, liegt innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung, beispielsweise Sandstrahlen, Kugelstrahlen und dergleichen.
  • Als nächstes wird eine Vielzahl (eine von vielen dargestellt) von leitenden Spitzenstrukturen 258 an jeder Stelle (z.B. 256b) ausgebildet, wie durch 2E dargestellt. Dies kann unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Verfahrens wie z.B. Elektroplattieren durchgeführt werden und kann Spitzenstrukturen mit mehreren Materialschichten umfassen. Die Spitzenstruktur 258 kann beispielsweise eine dünne (z.B. 0,254–2,54 μm (10–100 Mikroinch)) Sperrschicht aus Nickel aufweisen, die auf das Opfersubstrat aufgebracht wird, gefolgt von einer dünnen (z.B. 0,254 μm (10 Mikroinch)) Schicht aus weichem Gold, gefolgt von einer dünnen (z.B. 0,508 μm (20 Mikroinch)) Schicht aus hartem Gold, gefolgt von einer relativ dicken (z.B. 5,08 μm (200 Mikroinch)) Schicht aus Nickel, gefolgt von einer dünnen (z.B. 2,54 μm (100 Mikroinch)) Endschicht aus weichem Gold. Im Allgemeinen wird die erste dünne Sperrschicht aus Nickel bereitgestellt, um die anschließende Schicht aus Gold davor zu schützen, dass sie durch das Material (z.B. Aluminium, Kupfer) des Substrats 254 "vergiftet" wird, die relativ dicke Schicht aus Nickel soll der Spitzenstruktur Festigkeit verleihen und die dünne Endschicht aus weichem Gold sieht eine Oberfläche vor, an die leicht gebondet wird. Die Erfindung ist nicht auf irgendwelche Besonderheiten dessen begrenzt, wie die Spitzenstrukturen auf dem Opfersubstrat ausgebildet werden, da diese Besonderheiten von Anwendung zu Anwendung unvermeidlich variieren würden.
  • Wie durch 2E dargestellt, kann eine Vielzahl (einer von vielen dargestellt) von Kernen 260 für Verbindungselemente an den Spitzenstrukturen 258, wie z.B. durch ein beliebiges der Verfahren zum Bonden eines weichen Drahtkerns an einen Anschluss eines elektronischen Bauteils, die vorstehend beschrieben wurden, ausgebildet werden. Die Kerne 260 werden dann mit einem vorzugsweise harten Material 262 auf die vorstehend beschriebene Weise überzogen und das Maskierungsmaterial 252 wird dann entfernt, was zu einer Vielzahl (drei von vielen dargestellt) von freistehenden Verbindungselementen 264, die an einer Oberfläche des Opfersubstrats montiert sind, wie durch 2F dargestellt, führt.
  • Auf eine Weise analog zum Überzugsmaterial, das zumindest den benachbarten Bereich eines Anschlusses (214) bedeckt, was mit Bezug auf 2A beschrieben wurde, verankert das Überzugsmaterial 262 die Kerne 260 fest an ihren jeweiligen Spitzenstrukturen 258 und verleiht, falls erwünscht, den resultierenden Verbindungselementen 264 elastische Eigenschaften. Wie in der HAUPTAKTE angegeben, kann die Vielzahl von am Opfersubstrat montierten Verbindungselementen zu den Anschlüssen eines elektronischen Bauteils simultanüberführt werden. Alternativ können zwei weit auseinanderlaufende Wege eingeschlagen werden.
  • Es liegt innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung, dass ein Siliziumwafer als Opfersubstrat verwendet werden kann, auf dem die Spitzenstrukturen hergestellt werden, und dass so hergestellte Spitzenstrukturen mit elastischen Kontaktstrukturen, die bereits an einem elektronischen Bauteil montiert wurden, verbunden (z.B. weichgelötet, hartgelötet) werden können. Die weitere Erörterung dieser Verfahren ist in den 8A–8E nachstehend zu finden.
  • Wie durch 2G dargestellt, kann das Opfersubstrat 254 einfach durch einen beliebigen geeigneten Prozess wie z.B. selektives chemisches Ätzen entfernt werden. Da die meisten selektiven chemischen Ätzprozesse ein Material mit einer viel größeren Rate ätzen als ein anderes Material und das andere Material in dem Prozess geringfügig geätzt werden kann, wird dieses Phänomen vorteilhaft verwendet, um die dünne Sperrschicht aus Nickel in der Spitzenstruktur gleichzeitig mit der Entfernung des Opfersubstrats zu entfernen. Wenn es jedoch erforderlich ist, kann die dünne Nickelsperrschicht in einem anschließenden Ätzschritt entfernt werden. Dies führt zu einer Vielzahl (drei von vielen gezeigt) von einzelnen, diskreten, vereinzelten Verbindungselementen 264, wie durch die gestrichelte Linie 266 angegeben, die später an Anschlüssen an elektronischen Bauteilen montiert (wie z.B. durch Weichlöten oder Hartlöten) werden können.
  • Es ist erwähnenswert, dass das Überzugsmaterial in dem Prozess der Entfernung des Opfersubstrats und/oder der dünnen Sperrschicht auch geringfügig verdünnt werden kann. Es ist jedoch bevorzugt, dass dies nicht geschieht.
  • Um die Verdünnung des Überzugs zu verhindern, ist es bevorzugt, dass eine dünne Schicht aus Gold oder beispielsweise ungefähr 10 Mikroinch weiches Gold, das über ungefähr 20 Mikroinch hartes Gold aufgebracht wird, als Endschicht über das Überzugsmaterial 262 aufgebracht wird. Eine solche äußere Schicht aus Gold ist hauptsächlich wegen ihrer überlegenen Leitfähigkeit, ihres überlegenen Kontaktwiderstandes und ihrer überlegenen Lötfähigkeit vorgesehen und ist im Allgemeinen für die meisten Ätzlösungen, deren Verwendung zum Entfernen der dünnen Sperrschicht und des Opfersubstrats in Betracht gezogen wird, sehr undurchlässig.
  • Alternativ, wie durch 2H dargestellt, kann vor dem Entfernen des Opfersubstrats 254 die Vielzahl (drei von vielen gezeigt) von Verbindungselementen 264 in einer gewünschten räumlichen Beziehung zueinander durch eine beliebige geeignete Trägerstruktur 266 wie z.B. durch eine dünne Platte mit einer Vielzahl von Löchern darin "befestigt" werden, woraufhin das Opfersubstrat entfernt wird. Die Trägerstruktur 266 kann aus einem dielektrischen Material oder aus einem leitenden Material, das mit einem dielektrischen Material überzogen ist, bestehen. Weitere Bearbeitungsschritte (nicht dargestellt), wie z.B. Montieren der Vielzahl von Verbindungselementen an einem elektronischen Bauteil wie z.B. einem Siliziumwafer oder einer Leiterplatte, können dann vor sich gehen. Außerdem kann es in einigen Anwendungen erwünscht sein, die Spitzen (entgegengesetzt zu den Spitzenstrukturen) der Verbindungselemente 264 gegen eine Bewegung zu stabilisieren, insbesondere wenn Kontaktkräfte auf diese aufgebracht werden. Dazu kann es auch erwünscht sein, die Bewegung der Spitzen der Verbindungselemente mit einer geeigneten Platte 268 mit einer Vielzahl von Löchern, wie z.B. einem aus dielektrischem Material bestehenden Netz, einzuschränken.
  • Ein deutlicher Vorteil des vorstehend beschriebenen Verfahrens 250 besteht darin, dass die Spitzenstrukturen (258) aus theoretisch jeglichem gewünschten Material und mit theoretisch jeglicher gewünschter Textur ausgebildet werden können. Wie vorstehend erwähnt, ist Gold ein Beispiel eines Edelmetalls, das ausgezeichnete elektrische Eigenschaften von elektrischer Leitfähigkeit, niedrigem Kontaktwiderstand, Lötfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit aufweist. Da Gold auch kaltverformbar ist, ist es als Endüberzug, der über irgendwelche der hierin beschriebenen Verbindungselemente aufgebracht wird, insbesondere die hierin beschriebenen elastischen Verbindungselemente, äußerst gut geeignet. Andere Edelmetalle weisen ähnliche wünschenswerte Eigenschaften auf. Bestimmte Materialien, wie z.B. Rhodium, die solche ausgezeichneten elektrischen Eigenschaften aufweisen, wären jedoch im Allgemeinen für das Überziehen eines ganzen Verbindungselements ungeeignet.
  • Rhodium ist beispielsweise besonders brüchig und kann seine Aufgabe als Endüberzug auf einem elastischen Verbindungselement nicht gut erfüllen. In dieser Hinsicht beseitigen Verfahren, die durch das Verfahren 250 veranschaulicht werden, leicht diese Begrenzung. Die erste Schicht einer mehrlagigen Spitzenstruktur (siehe 258) kann beispielsweise Rhodium (anstatt Gold, wie vorstehend beschrieben) sein, wodurch seine überlegenen elektrischen Eigenschaften für die Herstellung eines Kontakts mit elektronischen Bauteilen ausgenutzt werden, ohne überhaupt irgendeine Auswirkung auf das mechanische Verhalten des resultierenden Verbindungselements zu haben.
  • 2I stellt ein alternatives Ausführungsbeispiel 270 zur Herstellung von Verbindungselementen dar. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein Maskierungsmaterial 272 auf die Oberfläche eines Opfersubstrats 274 aufgebracht und so strukturiert, dass es eine Vielzahl (eine von vielen dargestellt) von Öffnungen 276 aufweist, auf eine Weise ähnlich zum vorstehend mit Bezug auf 2D beschriebenen Verfahren. Die Öffnungen 276 legen Bereiche fest, in denen Verbindungselemente als freistehende Strukturen hergestellt werden. (Wie in den gesamten hierin dargelegten Beschreibungen verwendet, ist ein Verbindungselement "freistehend", wenn ein Ende desselben an einen Anschluss eines elektronischen Bauteils oder an eine Fläche eines Opfersubstrats gebondet ist und das entgegengesetzte Ende des Verbindungselements nicht an das elektronische Bauteil oder Opfersubstrat gebondet ist.)
  • Die Fläche innerhalb der Öffnung kann auf eine beliebige geeignete Weise texturiert sein, so dass sie eine oder mehrere Vertiefungen aufweist, wie durch die einzelne Vertiefung 278 angegeben, die sich in die Oberfläche des Opfersubstrats 274 erstreckt.
  • Ein Kern (Drahtschaft) 280 wird an die Oberfläche des Opfersubstrats innerhalb der Öffnung 276 gebondet und kann eine beliebige geeignete Form aufweisen. In dieser Darstellung ist nur ein Ende eines Verbindungselements für die Deutlichkeit der Darstellung gezeigt. Das andere Ende (nicht dargestellt) kann an einem elektronischen Bauteil befestigt sein. Es kann nun leicht wahrgenommen werden, dass sich das Verfahren 270 vom vorstehend erwähnten Verfahren 250 insofern unterscheidet, als der Kern 280 vielmehr direkt an das Opfersubstrat 274 als an eine Spitzenstruktur 258 gebondet wird. Als Beispiel wird ein Golddrahtkern (280) leicht unter Verwendung von herkömmlichen Drahtbondverfahren an die Oberfläche eines Aluminiumsubstrats (274) gebondet.
  • In einem nächsten Schritt des Prozesses (270) wird eine Schicht 282 aus Gold über den Kern 280 und auf die freigelegte Fläche des Substrats 274 innerhalb der Öffnung 276, einschließlich innerhalb der Vertiefung 278, (z.B. durch Plattieren) aufgebracht. Der Hauptzweck dieser Schicht 282 besteht darin, eine Kontaktfläche am Ende des resultierenden Verbindungselements (d.h. sobald das Opfersubstrat entfernt ist) auszubilden.
  • Als nächstes wird eine Schicht 284 aus relativ hartem Material, wie z.B. Nickel, über der Schicht 282 aufgebracht. Wie vorstehend erwähnt, besteht ein Hauptzweck dieser Schicht 284 darin, dem resultierenden zusammengesetzten Verbindungselement gewünschte mechanische Eigenschaften (z.B. Elastizität) zu verleihen. Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht ein weiterer Hauptzweck der Schicht 284 darin, die Haltbarkeit der am unteren (wie gesehen) Ende des resultierenden Verbindungselements hergestellten Kontaktfläche zu verbessern. Eine Endschicht aus Gold (nicht dargestellt) kann über der Schicht 284 aufgebracht werden, um die elektrischen Eigenschaften des resultierenden Verbindungselements zu verbessern.
  • In einem Endschritt werden das Maskierungsmaterial 272 und das Opfersubstrat 274 entfernt, was entweder zu einer Vielzahl von vereinzelten Verbindungselementen (vergleiche 2G) oder zu einer Vielzahl von Verbindungselementen mit einer vorbestimmten räumlichen Beziehung zueinander (vergleiche 2H) führt.
  • Dieses Ausführungsbeispiel 270 ist für ein Verfahren zur Herstellung von texturierten Kontaktspitzen an den Enden von Verbindungselementen beispielhaft. In diesem Fall wurde ein ausgezeichnetes Beispiel für eine Kontaktspitze mit "Gold über Nickel" beschrieben. Es liegt jedoch innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung, dass andere analoge Kontaktspitzen an den Enden von Verbindungselementen gemäß den hierin beschriebenen Verfahren hergestellt werden könnten. Ein weiteres Merkmal dieses Ausführungsbeispiels 270 besteht darin, dass die Kontaktspitzen vielmehr vollständig auf dem Opfersubstrat (274) als innerhalb der Oberfläche des Opfersubstrats (254), wie durch das vorherige Ausführungsbeispiel 250 in Erwägung gezogen, hergestellt werden.
  • ZWISCHENSCHALTEINRICHTUNGEN UND RAUMTRANSFORMATOREN IM ALLGEMEINEN
  • Die vorstehend beschriebenen Verfahren legen im Allgemeinen ein neues Verfahren zur Herstellung von zusammengesetzten Verbindungselementen dar, deren physikalische Eigenschaften leicht so zugeschnitten werden, dass sie einen gewünschten Grad an Elastizität aufweisen, und die Spitzenstrukturen mit einer Oberflächentextur versehen sein können, die für die Herstellung von Druckverbindungen mit Anschlüssen von elektronischen Bauteilen gut geeignet ist.
  • Im Allgemeinen werden die zusammengesetzten Verbindungselemente der vorliegenden Erfindung leicht an einem Substrat angebracht (oder auf diesem hergestellt), das als Zwischenschalteinrichtung fungiert, die zwischen zwei elektronischen Bauteilen angeordnet wird und diese miteinander verbindet, wobei auf jeder Seite der Zwischenschalteinrichtung eines der beiden elektronischen Bauteile angeordnet wird. Die Herstellung und Verwendung der zusammengesetzten Verbindungselemente in Zwischenschalteinrichtungen ist im einzelnen in der im gemeinsamen Besitz stehenden, gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 08/526 426 erörtert. Die HAUPTAKTE offenbart verschiedene Verfahren zur Sondenprüfung von Halbleiterbauelementen.
  • Der Gegenstand der Verwendung der Verbindungselemente der Erfindung in Zwischenschalteinrichtungen wurde vorstehend erwähnt. Wie hierin verwendet, ist eine "Zwischenschalteinrichtung" im Allgemeinen ein Substrat mit Kontakten auf zwei entgegengesetzten Oberflächen desselben, die zwischen zwei elektronischen Bauteilen angeordnet wird, um die zwei elektronischen Bauteile miteinander zu verbinden. Häufig ist es erwünscht, dass die Zwischenschalteinrichtung es ermöglicht, dass mindestens eines der zwei miteinander verbundenen elektronischen Bauteile entfernt werden kann (z.B. zum Austauschen, Aufrüsten, Implementieren von Konstruktionsänderungen und dergleichen).
  • 3 stellt ein Ausführungsbeispiel einer "allgemeinen" Zwischenschalteinrichtung 300, wie z.B. irgendeiner von einer Anzahl von Zwischenschalteinrichtungen, die vorher in verschiedenen der vorstehend erwähnten, im gemeinsamen Besitz stehenden Patentanmeldungen beschrieben wurden, dar.
  • Im Allgemeinen ist ein Isolationssubstrat 302, wie z.B. ein Substrat vom PCB-Typ, mit einer Vielzahl (zwei von vielen gezeigt) von Anschlüssen 304 und 306 an einer Oberfläche 302 desselben und einer gleichen Vielzahl von Anschlüssen 308 und 310 auf einer entgegengesetzten Oberfläche 302b desselben versehen. Federkontakte 312 und 314 (der Darstellungsdeutlichkeit halber sind die Überzüge weggelassen) sind an den Anschlüssen 304 bzw. 306 angebracht und Federkontakte 316 und 318 (der Darstellungsdeutlichkeit halber sind die Überzüge weggelassen) sind an den Anschlüssen 308 bzw. 310 angebracht. Diese Federkontakte sind vorzugsweise zusammengesetzte Verbindungselemente der in 2A vorstehend offenbarten Art, aber die Federkontakte können monolithische Federelemente sein.
  • Wie in der im gemeinsamen Besitz stehenden, gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 08/554 902 angegeben, kann die Zwischenschalteinrichtung unterschiedliche Sätze von Federelementen auf jeder Seite derselben umfassen (siehe 3A in 08/554 902) oder kann einzelne Federelemente umfassen, die (wie z.B. durch Weichlot oder Elastomer) in Löchern abgestützt sind, die sich durch das Trägersubstrat 302 erstrecken (siehe 3B und 3C in 08/554 902).
  • Die Federelemente 312, 314, 316 und 318 von 3 werden geeigneterweise als zusammengesetzte Verbindungselemente ausgebildet, wie vorstehend beschrieben, obwohl ein Überzug der Deutlichkeit der Darstellung halber in der Figur weggelassen wurde.
  • Es sollte natürlich selbstverständlich sein, dass ein beliebiges elastisches Verbindungselement (Feder) verwendet werden kann, einschließlich monolithischer Federelemente, die aus Materialien bestehen, die von Natur aus federnd sind, wie z.B. Phosphorbronze und Berylliumkupfer. Dies gilt für verschiedene der hierin offenbarten Ausführungsbeispiele, die zusammengesetzte Verbindungselemente darstellen.
  • Die vorliegende Erfindung ist auch auf die Ausbildung von Verbindungselementen anwendbar, die aus weichen Metallblechen, die strukturiert (wie z.B. durch Prägen oder Ätzen) sind, zu flachen langgestreckten Elementen (Kontaktnasen, Bändern) ausgebildet werden und mit einem harten Material überzogen werden. Dieser Gegenstand ist in der im gemeinsamen Besitz stehenden, gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 08/526 246 ausgeführt.
  • "Raumtransformation" (manchmal als "Rastermaßspreizung" bezeichnet) ist ein wichtiges Konzept, das auf die vorliegende Erfindung anwendbar ist. Einfach ausgedrückt, ist es oft wichtig, dass die Spitzen (distalen Enden) der elastischen Kontaktstrukturen enger voneinander beabstandet sind (relativ feines Rastermaß) als Verbindungen mit ihren Basen. Wie in vorstehend erörterter 2C dargestellt, kann dies durch Formen und Orientieren der einzelnen Federelemente (251 ... 256) derart, dass sie aufeinander zulaufen, durchgeführt werden, was zu einer Tendenz führt, dass die einzelnen elastischen Kontaktstrukturen verschiedene Längen aufweisen. Im Allgemeinen ist es im Zusammenhang mit einer Nadelkartenanordnung sehr wichtig, dass alle Sondenelemente (elastischen Kontaktstrukturen) dieselbe Länge zueinander aufweisen, um eine Konstanz in der Vielzahl von beteiligten Signalwegen sicherzustellen.
  • 4 stellt eine beispielhafte Konstruktion eines Raumtransformator-Bauteils 400 dar (Federelemente der Darstellungsdeutlichkeit halber weggelassen), wobei die gewünschte Raumtransformation vielmehr durch das Substrat 402 des Raumtransformators als durch das Formen der einzelnen elastischen Kontaktstrukturen (nicht dargestellt), die an diesem befestigt sind, durchgeführt wird.
  • Das Raumtransformator-Substrat 402 weist eine obere (wie gesehen) Oberfläche 402a und eine untere (wie gesehen) Oberfläche 402b auf und ist vorzugsweise als mehrlagiges Bauteil mit abwechselnden Schichten aus Isolationsmaterial (z.B. Keramik) und leitendem Material ausgebildet. In diesem Beispiel ist eine Verdrahtungsschicht als mit zwei (von vielen) Leiterbahnen 404a und 404b dargestellt.
  • Eine Vielzahl (zwei von vielen gezeigt) von Anschlüssen 406a und 406b sind auf der oberen Oberfläche 402a des Raumtransformator-Substrats 402 in einem relativ feinen Rastermaß (relativ eng zueinander) angeordnet (oder in diese versenkt). Eine Vielzahl (zwei von vielen gezeigt) von Anschlüssen 408a und 408b sind auf der unteren Oberfläche 402b des Raumtransformator-Substrats 402 in einem relativ groben Rastermaß (relativ zu den Anschlüssen 406a und 406b weiter voneinander entfernt) angeordnet (oder in diese versenkt). Die unteren Anschlüsse 408a und 408b können beispielsweise in einem Rastermaß von 50–100 mil (vergleichbar zu Rastermaßeinschränkungen von Leiterplatten) angeordnet sein und die oberen Anschlüsse 406a und 406b können als Rastermaß von 5–10 mil (vergleichbar zum Abstand von Halbleiterchip-Bondkontaktstellen von Mitte zu Mitte) angeordnet sein, was eine Rastermaßtransformation von 10:1 ergibt. Die oberen Anschlüsse 406a und 406b sind mit den entsprechenden unteren Anschlüssen 408a bzw. 408b durch zugehörige Leiter 410a/412a bzw. 410b/412b verbunden, welche die Anschlüsse mit den Leiterbahnen 404a bzw. 404b verbinden. Dies ist alles im Allgemeinen im Zusammenhang mit mehrlagigen Kontaktfleck-Gittermatrix-(LGA)Trägersubstraten und dergleichen gut bekannt.
  • NADELKARTENANORDNUNG
  • Die folgenden 5, 5A und 5B sind direkt aus der im gemeinsamen Besitz stehenden, gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 08/554 902 entnommen. Wie nachstehend genauer beschrieben wird, ist die vorliegende Erfindung in Verbindung mit dem Raumtransformator von 08/554 902 von großem Nutzen, ist jedoch nicht auf die Verwendung mit diesem begrenzt.
  • 5 stellt ein Ausführungsbeispiel einer Nadelkartenanordnung 500 dar, die als ihre Hauptfunktionsbauteile eine Nadelkarte 502, eine Zwischenschalteinrichtung 504 und einen Raumtransformator 506 umfasst und die bei der Verwendung zur Herstellung von vorübergehenden Verbindungen mit einem Halbleiterwafer 508 geeignet ist. In dieser Querschnittsansicht in auseinandergezogener Anordnung sind bestimmte Elemente von bestimmten Bauteilen der Deutlichkeit der Darstellung halber übertrieben wiedergegeben. Die vertikale (wie gezeigt) Ausrichtung der verschiedenen Bauteile ist jedoch durch die gestrichelten Linien in der Figur korrekt angegeben. Es sollte beachtet werden, dass die Verbindungselemente (514, 516, 524, die nachstehend genauer erörtert werden) vielmehr vollständig als im Schnitt dargestellt sind.
  • Die Nadelkarte 502 ist im Allgemeinen ein herkömmliches Leiterplattensubstrat mit einer Vielzahl (zwei von vielen gezeigt) von Kontaktflächen (Anschlüssen) 510, die auf dessen oberer (wie gesehen) Oberfläche angeordnet sind. Zusätzliche Bauteile (nicht dargestellt) können an der Nadelkarte montiert sein, wie z.B. aktive und passive elektronische Bauteile, Verbindungsstecker und dergleichen. Die Anschlüsse 510 auf der Leiterplatte können typischerweise in einem Rastermaß von 100 mil (Rastermaß ist vorstehend definiert) angeordnet sein. Die Nadelkarte 502 ist geeigneterweise rund mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 12 Inch.
  • Die Zwischenschalteinrichtung 504 umfasst ein Substrat 512 (vergleiche das Substrat 302). Auf die vorstehend beschriebene Weise werden eine Vielzahl (zwei von vielen gezeigt) von elastischen Verbindungselementen 514 (durch ihre proximalen Enden) an der unteren (wie gesehen) Oberfläche des Substrats 512 montiert und erstrecken sich von dieser nach unten (wie gesehen), und eine entsprechende Vielzahl (zwei von vielen gezeigt) von elastischen Verbindungselementen 516 werden (durch ihre proximalen Enden) an der oberen (wie gesehen) Oberfläche des Substrats 512 montiert und erstrecken sich von dieser nach oben (wie gesehen). Beliebige der vorstehend erwähnten Federformen sind für die elastischen Verbindungselemente 514 und 516 geeignet, die vorzugsweise die zusammengesetzten Verbindungselemente der vorliegenden Erfindung sind. Als allgemeiner Vorschlag liegen die Spitzen (distalen Enden) sowohl der unteren Vielzahl 514 als auch der oberen Vielzahl 516 von Verbindungselementen 514 und 516 in einem Rastermaß, das jenem der Anschlüsse 510 der Nadelkarte 502 entspricht, beispielsweise 100 mils.
  • Die Verbindungselemente 514 und 516 sind der Deutlichkeit der Darstellung halber in übertriebenem Maßstab wiedergegeben. Typischerweise würden sich die Verbindungselemente 514 und 516 zu einer Gesamthöhe von 20–100 mils von der jeweiligen unteren und oberen Oberfläche des Zwischenschaltsubstrats 512 erstrecken. Im Allgemeinen wird die Höhe der Verbindungselemente durch das erwünschte Ausmaß an Nachgiebigkeit vorgeschrieben.
  • Der Raumtransformator 506 umfasst ein geeignetes mit Schaltungen versehenes Substrat 518 (vergleiche 402, vorstehend beschrieben), wie z.B. ein mehrlagiges Keramiksubstrat mit einer Vielzahl (zwei von vielen gezeigt) von Anschlüssen (Kontaktflächen, Kontaktstellen) 520, die auf dessen unterer (wie gesehen) Oberfläche angeordnet sind, und einer Vielzahl (zwei von vielen gezeigt) von Anschlüssen (Kontaktflächen, Kontaktstellen) 522, die auf dessen oberer (wie gesehen) Oberfläche angeordnet sind. Bei diesem Beispiel ist die untere Vielzahl von Kontaktstellen 520 im Rastermaß der Spitzen der Verbindungselemente 516 (z.B. 100 mils) angeordnet und die obere Vielzahl von Kontaktstellen 522 ist in einem feineren (engeren) Rastermaß (z.B. 50 mils) angeordnet. Diese elastischen Verbindungselemente 514 und 516 sind vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, die zusammengesetzten Verbindungselemente der vorliegenden Erfindung (vergleiche 210 vorstehend).
  • Eine Vielzahl (zwei von vielen gezeigt) von elastischen Verbindungselementen 524 ("Sonden", "Sondenelementen") sind (durch ihre proximalen Enden) direkt (d.h. ohne Zwischenschaltung von zusätzlichen Materialien wie z.B. Drähten, die die Sondenelemente mit den Anschlüssen verbinden, oder Hartlöten oder Weichlöten der Sondenelemente an die Anschlüsse) an den Anschlüssen (Kontaktstellen) 522 montiert und erstrecken sich von der oberen (wie gesehen) Oberfläche des Raumtransformator-Substrats 518 nach oben (wie gesehen). Wie dargestellt, sind diese elastischen Verbindungselemente 524 geeignet angeordnet, so dass ihre Spitzen (distalen Enden) in einem noch feineren Rastermaß (z.B. 10 mils) beabstandet sind als ihre proximalen Enden, wodurch die Rastermaßverringerung des Raumtransformators 506 gesteigert wird. Diese elastischen Kontaktstrukturen (Verbindungselemente) 524 sind vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, die zusammengesetzten Verbindungselemente der vorliegenden Erfindung (vergleiche 210 vorstehend).
  • Es liegt innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung, dass die Sondenelemente (524) auf einem Opfersubstrat (vergleiche 2D–2F) hergestellt und anschließend einzeln an den Anschlüssen (522) des Raumtransformator-Bauteils (506) montiert (vergleiche 2G) oder zu diesen simultanüberführt (vergleiche 2H) werden können.
  • Wie bekannt ist, umfasst ein Halbleiterwafer 508 eine Vielzahl von Chipstellen (nicht dargestellt), die durch Photolithographie, Abscheidung, Diffusion und dergleichen auf seiner vorderen (unteren, wie gesehen) Oberfläche ausgebildet werden. Typischerweise werden diese Chipstellen so hergestellt, dass sie zueinander identisch sind. Wie jedoch bekannt ist, können Defekte entweder im Wafer selbst oder in irgendeinem der Prozesse, denen der Wafer unterzogen wird, um die Chipstellen auszubilden, dazu führen, dass bestimmte Chipstellen gemäß gut begründeten Prüfkriterien nicht funktionstüchtig sind. Aufgrund der mit der Sondenprüfung von Chipstellen vor dem Vereinzeln von Halbleiterchips von einem Halbleiterwafer verbundenen Schwierigkeiten, wird die Prüfung häufig nach dem Vereinzeln und Verkappen der Halbleiterchips durchgeführt. Wenn ein Defekt nach dem Verkappen des Halbleiterchips entdeckt wird, wird der Nettoverlust durch die mit dem Verkappen des Chips verbundenen Kosten verschlimmert. Halbleiterwafer weisen typischerweise einen Durchmesser von mindestens 6 Inch, einschließlich mindestens 8 Inch, auf.
  • Jede Chipstelle weist typischerweise eine Anzahl von Kontaktflächen (z.B. Bondkontaktstellen) auf, die an einem beliebigen Ort und in einem beliebigen Muster auf der Oberfläche der Chipstelle angeordnet sein können. Zwei (von vielen) Bondkontaktstellen 526 von einer der Chipstellen sind in der Figur dargestellt.
  • Eine begrenzte Anzahl von Verfahren sind zum Prüfen der Chipstellen vor dem Vereinzeln der Chipstellen in einzelne Halbleiterchips bekannt. Ein repräsentatives Verfahren des Standes der Technik beinhaltet das Herstellen eines Nadelkarteneinsatzes mit einer Vielzahl von Wolfram-"Nadeln", die in ein Keramiksubstrat eingebettet sind und sich von diesem erstrecken, wobei jede Nadel eine vorübergehende Verbindung mit einer gegebenen der Bondkontaktstellen herstellt. Solche Nadelkarteneinsätze sind teuer und etwas komplex herzustellen, was zu ihren relativ hohen Kosten und zu einer signifikanten Vorbereitungszeit zum Erhalten führt. In Anbetracht der breiten Vielfalt von Bondkontaktstellenanordnungen, die in Halbleiterchips möglich sind, erfordert jede spezielle Anordnung einen anderen Nadelkarteneinsatz.
  • Die Schnelligkeit, mit der spezielle Halbleiterchips hergestellt werden, hebt den dringenden Bedarf für Nadelkarteneinsätze mit einer kurzen Durchlauf zeit hervor, die einfach und kostengünstig herzustellen sind. Die Verwendung einer Zwischenschalteinrichtung (504) und eines Raumtransformators (506) als Nadelkarteneinsatz wendet sich genau diesem zwingenden Bedarf zu.
  • Bei der Verwendung wird die Zwischenschalteinrichtung 504 auf der oberen (wie gesehen) Oberfläche der Nadelkarte 502 angeordnet und der Raumtransformator 506 wird auf (wie gesehen) die Zwischenschalteinrichtung 504 gestapelt, so dass die Verbindungselemente 514 einen zuverlässigen Druckkontakt mit den Kontaktanschlüssen 510 der Nadelkarte 502 herstellen und so dass die Verbindungselemente 516 einen zuverlässigen Druckkontakt mit den Kontaktstellen 520 des Raumtransformators 506 herstellen. Ein beliebiger geeigneter Mechanismus zum Stapeln dieser Bauteile und zum Sicherstellen solcher zuverlässigen Druckkontakte kann verwendet werden, von welchem ein geeigneter nachstehend beschrieben wird.
  • Die Nadelkartenanordnung 500 umfasst die folgenden Hauptkomponenten zum Stapeln der Zwischenschalteinrichtung 506 und des Raumtransformators 506 auf der Nadelkarte 502:
    eine hintere Montageplatte 530, die aus einem starren Material wie z.B. rostfreiem Stahl besteht,
    eine Stellglied-Montageplatte 532, die aus einem starren Material wie z.B. rostfreiem Stahl besteht,
    eine vordere Montageplatte 534, die aus einem starren Material wie z.B. rostfreiem Stahl besteht,
    eine Vielzahl (zwei von vielen gezeigt, drei sind bevorzugt) von Differentialschrauben mit einem äußeren Differentialschraubenelement 536 und einem inneren Differentialschraubenelement 538,
    einen Montagering 540, der vorzugsweise aus einem federnden Material wie z.B. Phosphorbronze besteht und der ein Muster von federnden Kontaktnasen (nicht dargestellt) aufweist, die sich von diesem erstrecken,
    eine Vielzahl (zwei von vielen gezeigt) von Schrauben 542 zum Halten des Montagerings 538 an der vorderen Montageplatte 534, wobei der Raumtransformator 506 zwischen diesen eingeschlossen ist,
    wahlweise einen Abstandsring 544, der zwischen dem Montagering 540 und dem Raumtransformator 506 angeordnet ist, um Fertigungstoleranzen Rechnung zu tragen, und
    eine Vielzahl (zwei von vielen gezeigt) von Drehkugeln 546, die auf (wie gesehen) den Differentialschrauben (z.B. auf dem inneren Differentialschraubenelement 538) angeordnet sind.
  • Die hintere Montageplatte 530 ist eine Metallplatte oder ein Metallring (als Ring dargestellt), die oder der auf der unteren (wie gezeigt) Oberfläche der Nadelkarte 502 angeordnet ist. Eine Vielzahl (eines von vielen gezeigt) von Löchern 548 erstrecken sich durch die hintere Montageplatte.
  • Die Stellglied-Montageplatte 532 ist eine Metallplatte oder ein Metallring (als Ring dargestellt), die oder der auf der unteren (wie gezeigt) Oberfläche der hinteren Montageplatte 530 angeordnet ist. Eine Vielzahl (eines von vielen gezeigt) von Löchern 550 erstrecken sich durch die Stellglied-Montageplatte. Bei der Verwendung ist die Stellglied-Montageplatte 532 an der hinteren Montageplatte 530 auf eine beliebige geeignete Weise befestigt, wie z.B. mit Schrauben (aus der Figur der Darstellungsdeutlichkeit halber weggelassen).
  • Die vordere Montageplatte 534 ist ein starrer Ring vorzugsweise aus Metall. Bei der Verwendung ist die vordere Montageplatte 534 an der hinteren Montageplatte 530 auf eine beliebige geeignete Weise befestigt, wie z.B. mit Schrauben (aus der Figur der Darstellungsdeutlichkeit halber weggelassen), die sich durch entsprechende Löcher (aus der Figur der Darstellungsdeutlichkeit halber weggelassen) durch die Nadelkarte 502 erstrecken, wodurch die Nadelkarte 502 sicher zwischen der vorderen Montageplatte 534 und der hinteren Montageplatte 530 festgehalten wird.
  • Die vordere Montageplatte 534 weist eine flache untere (wie gesehen) Oberfläche auf, die an der oberen (wie gesehen) Oberfläche der Nadelkarte 502 angeordnet ist. Die vordere Montageplatte 534 weist eine große zentrale Öffnung durch diese hindurch auf, die durch eine innere Kante 552 derselben festgelegt ist, die so bemessen ist, dass sie ermöglicht, dass die Vielzahl von Kontaktanschlüssen 510 der Nadelkarte 502 innerhalb der zentralen Öffnung der vorderen Montageplatte 534 liegen, wie gezeigt.
  • Wie erwähnt, stellt die vordere Montageplatte 534 eine ringartige Struktur mit einer flachen unteren (wie gesehen) Oberfläche dar. Die obere (wie gesehen) Oberfläche der vorderen Montageplatte 534 ist abgestuft, wobei die vordere Montageplatte in einem äußeren Bereich derselben dicker (vertikale Ausdehnung, wie gesehen) ist als in einem inneren Bereich derselben. Die Stufe oder der Absatz befindet sich an der Stelle der gestrichelten Linie (mit 554 bezeichnet) und ist so bemessen, dass er ermöglicht, dass der Raumtransformator 506 den äußeren Bereich der vorderen Montageplatte freimacht und auf dem inneren Bereich der vorderen Montageplatte 534 aufliegt (obwohl, wie zu sehen ist, der Raumtransformator tatsächlich auf den Drehkugeln 546 aufliegt).
  • Eine Vielzahl (eines von vielen gezeigt) von Löchern 554 erstrecken sich in den äußeren Bereich der vorderen Montageplatte 534 von deren oberer (wie gesehen) Oberfläche zumindest teilweise durch die vordere Montageplatte 534 (diese Löcher sind in der Figur als sich nur teilweise durch die vordere Montageplatte 534 erstreckend dargestellt), die, wie zu sehen ist, die Enden einer entsprechenden Vielzahl der Schrauben 542 aufnehmen. Dazu sind die Löcher 554 Gewindelöcher. Dies ermöglicht, dass der Raumtransformator 506 an der vorderen Montageplatte durch den Montagering 540 befestigt wird und daher an die Nadelkarte 502 gedrückt wird.
  • Eine Vielzahl (eines von vielen gezeigt) von Löchern 558 erstrecken sich vollständig durch den dünneren, inneren Bereich der vorderen Montageplatte 534 und sind auf eine Vielzahl (eines von vielen gezeigt) von entsprechenden Löchern 560 ausgerichtet, die sich durch die Nadelkarte 502 erstrecken und die wiederum auf die Löcher 548 in der hinteren Montageplatte und die Löcher 550 in der Stellglied-Montageplatte 538 ausgerichtet sind.
  • Die Drehkugeln 546 sind locker innerhalb der ausgerichteten Löcher 558 und 560 am oberen (wie gesehen) Ende der inneren Differentialschraubenelemente 538 angeordnet. Die äußeren Differentialschraubenelemente 536 werden in die (Gewinde-)Löcher 550 der Stellglied-Montageplatte 532 und die inneren Differentialschraubenelemente 538 in eine Gewindebohrung der äußeren Differentialschraubenelemente 536 geschraubt. Auf diese Weise können sehr feine Einstellungen bezüglich der Positionen der individuellen Drehkugeln 546 vorgenommen werden. Die äußeren Differentialschraubenelemente 536 weisen beispielsweise ein Außengewinde mit 72 Windungen pro Inch auf und die inneren Differentialschraubenelemente 538 weisen ein Außengewinde mit 80 Windungen pro Inch auf. Durch Vorschieben eines äußeren Differentialschraubenelements 536 um eine Drehung in die Stellglied-Montageplatte 532 und durch Halten des entsprechenden inneren Differentialschraubenelements 538 stationär (bezüglich der Stellglied-Montageplatte 532), ist die Nettoänderung in der Position der entsprechenden Drehkugel 546 "plus" 1/72 (0,0139) "minus" 1/80 (0,0125 Inch) oder 0,0014 Inch. Dies ermöglicht eine leichte und genaue Einstellung der Planarität des Raumtransformators 506 gegenüber der Nadelkarte 502. Daher können die Positionen der Spitzen (oberen Enden, wie gesehen) der Sonden (Verbindungselemente) 524 geändert werden, ohne die Orientierung der Nadelkarte 502 zu ändern. Dieses Merkmal, ein Verfahren zum Durchführen der Ausrichtung der Spitzen der Sonden, und alternative Mechanismen (Mittel) zum Einstellen der Planarität des Raumtransformators sind in der im gemeinsamen Besitz stehenden, gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 08/554 902 genauer erörtert. Offensichtlich stellt die Zwischenschalteinrichtung 504 sicher, dass elektrische Verbindungen zwischen dem Raumtransformator 506 und der Nadelkarte 502 im gesamten Einstellbereich des Raumtransformators aufgrund der elastischen oder nachgiebigen Kontaktstrukturen, die auf den zwei Oberflächen der Zwischenschalteinrichtung angeordnet sind, aufrechterhalten werden.
  • Die Nadelkartenanordnung 500 wird durch Anordnen der Zwischenschalteinrichtung 504 innerhalb der Öffnung 552 der vorderen Montageplatte 534, so dass die Spitzen der Verbindungselemente 514 die Kontaktanschlüsse 510 der Nadelkarte 502 kontaktieren, Anordnen des Raumtransformators 506 auf der Zwischenschalteinrichtung 504, so dass die Spitzen der Verbindungselemente 516 die Kontaktstellen 520 des Raumtransformators 506 kontaktieren, wahlweises Anordnen eines Abstandhalters 544 auf dem Raumtransformator 506, Anordnen des Montagerings 540 über dem Abstandhalter 544 und Einfügen der Schrauben 542 durch den Montagering 540, durch den Abstandhalter 544 und in die Löcher 554 der vorderen Montageplatte 534 und Montieren dieser "Unterbaugruppe" an der Nadelkarte 502 durch Einfügen von Schrauben (eine teilweise als 555 dargestellt) durch die hintere Montageplatte 530 und durch die Nadelkarte 502 in Gewindelöcher (nicht dargestellt) in der unteren (wie gesehen) Oberfläche der vorderen Montageplatte 534 einfach zusammengesetzt. Die Stellglied-Montageplatte 538 kann dann mit der hinteren Montageplatte 530 zusammengefügt werden (z.B. mit Schrauben, von denen eine teilweise als 556 dargestellt ist), wobei die Drehkugeln 560 in die Löcher 550 der Stellglied-Montageplatte 532 fallen gelassen werden und die Differentialschraubenelemente 536 und 538 in die Löcher 550 der Stellglied-Montageplatte 532 eingesetzt werden.
  • Auf diese Weise wird eine Nadelkartenanordnung mit einer Vielzahl von elastischen Kontaktstrukturen (524) bereitgestellt, die sich von dieser zur Herstellung eines Kontakts mit einer Vielzahl von Bondkontaktstellen (Kontaktflächen) auf Halbleiterchips vor ihrer Vereinzelung von einem Halbleiterwafer in einem feinen Rastermaß, welches dem heutigen Bondkontaktstellen-Abstand entspricht, erstrecken. Bei der Verwendung würde die Anordnung 500 im Allgemeinen von dem, was in der Figur gezeigt ist, auf dem Kopf stehend verwendet werden, wobei der Halbleiterwafer (durch externe Mechanismen, nicht dargestellt) auf die Spitzen der elastischen Kontaktstrukturen (524) nach oben geschoben werden würde.
  • Wie aus der Figur ersichtlich ist, legte die vordere Montageplatte (Basisplatte) 534 die Position der Zwischenschalteinrichtung 504 gegenüber der Nadelkarte 502 fest. Um eine genaue Positionierung der vorderen Montageplatte 534 gegenüber der Nadelkarte 502 sicherzustellen, können eine Vielzahl von Ausrichtungsmerkmalen (aus der Figur der Darstellungsdeutlichkeit halber weggelassen), wie z.B. Stifte, die sich von der vorderen Montageplatte erstrecken, und Löcher, die sich in die Nadelkarte 502 erstrecken, vorgesehen sein.
  • Es liegt innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung, dass beliebige geeignete elastische Kontaktstrukturen (514, 516, 524) auf der Zwischenschalteinrichtung (504) und/oder dem Raumtransformator (506) verwendet werden, einschließlich Kontaktnasen (Bändern) aus Phosphorbronzematerial oder dergleichen, die an Kontaktflächen auf der jeweiligen Zwischenschalteinrichtung oder dem Raumtransformator hartgelötet oder weichgelötet sind.
  • Es liegt innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung, dass die Zwischenschalteinrichtung (504) und der Raumtransformator (506) vorab miteinander zusammengefügt werden können, wie z.B. mit Federklemmen, die als Element 486 von 29 der vorstehend erwähnten, gleichzeitig anhängigen, im gemeinsamen Besitz stehenden PCT/US94/13373 beschrieben sind und sich vom Zwischenschaltsubstrat erstrecken.
  • Es liegt innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung, dass die Zwischenschalteinrichtung (504) weggelassen wird und stattdessen eine Vielzahl von elastischen Kontaktstrukturen vergleichbar zu 514 direkt an den Kontaktstellen (520) auf der unteren Oberfläche des Raumtransformators montiert werden. Das Erzielen einer Koplanarität zwischen der Nadelkarte und dem Raumtransformator wäre jedoch schwierig. Eine Hauptfunktion der Zwischenschalteinrichtung besteht darin, Nachgiebigkeit bereitzustellen, um eine solche Koplanarität sicherzustellen.
  • DAS RAUMTRANSFORMATOR-SUBSTRAT
  • Wie vorstehend erwähnt, ist die vorliegende Erfindung sehr vorteilhaft, wenn sie in Verbindung mit einem Raumtransformator verwendet wird, der eine Komponente einer Prüfanordnung ist.
  • Während der Raumtransformator 506 der Prüfanordnung, die in der im gemeinsamen Besitz stehenden, gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 08/554 902 beschrieben ist, vorzugsweise mit Feder-(Sonden-)Elementen konstruiert wurde, die an seiner oberen Oberfläche angebracht (direkt auf dieser hergestellt) wurden, vermeidet die vorliegende Erfindung Probleme, die mit dem Anbringen von Federelementen an der oberen Oberfläche der Raumtransformator-Komponente verbunden sind, und erweitert den Verwendungsbereich der gesamten Prüfanordnung.
  • 5A stellt in einer perspektivischen Ansicht ein geeignetes Raumtransformator-Substrat 518 für die Nadelkartenanordnung 500 von 5 dar. Wie darin gezeigt, ist das Raumtransformator-Substrat 518 geeigneterweise ein rechteckiger fester Körper mit einer Länge "L", einer Breite "W" und einer Dicke "T". In dieser Figur ist die obere Oberfläche 518a des Raumtransformator-Substrats 518 sichtbar, an welcher die Prüfverbindungselemente (vergleiche 524) montiert werden. wie gezeigt, sind eine Vielzahl (wie z.B. mehrere hundert) von Kontaktstellen 522 auf der oberen Oberfläche 518a des Raumtransformator-Substrats 518 in einer gegebenen Fläche desselben angeordnet. Die gegebene Fläche ist durch die mit 570 bezeichneten gestrichelten Linien angegeben und, wie ersichtlich ist, können die Kontaktstellen 522 in einem beliebigen geeigneten Muster innerhalb der gegebenen Fläche 570 angeordnet sein.
  • Wie vorstehend erwähnt, ist das Raumtransformatorsubstrat 518 geeigneterweise als mehrlagiges Keramiksubstrat mit abwechselnden Schichten aus keramischem und strukturiertem leitenden Material ausgebildet.
  • Die Herstellung von solchen mehrlagigen Keramiksubstraten ist gut bekannt und wird beispielsweise bei der Herstellung von Kontaktfleck-Gittermatrix-(LGA)Halbleiterbausteinen verwendet. Durch geeignete Leitungsführung des strukturierten leitenden Materials innerhalb eines solchen mehrlagigen Substrats ist es einfach und unkompliziert, Kontaktstellen (in dieser Ansicht nicht sichtbar, vergleiche 520) auf der unteren Oberfläche (in dieser Ansicht nicht sichtbar) des Substrats 518 in einem Rastermaß anzuordnen, das anders ist als (z.B. größer als) das Rastermaß der Kontaktstellen 522 auf der oberen Oberfläche 518a des Substrats 518, und die Kontaktstellen 520 mit den Kontaktstellen 522 intern innerhalb des Substrats 518 miteinander zu verbinden. Das Erzielen eines Rastermaßes von ungefähr 10 mils zwischen den Kontaktstellen 522 auf einem solchen Substrat ist sehr brauchbar.
  • 5A stellt ein bevorzugtes Merkmal des Raumtransformatorsubstrats 518 dar. Wie erwähnt, ist das Substrat 518 ein rechteckiger fester Körper mit einer oberen Oberfläche 518a, einer unteren Oberfläche (von der Ansicht in dieser Figur verborgen) und mit vier Seitenkanten 518b, 518c, 518d und 518e. Wie gezeigt ist, sind Kerben 572b, 572c, 572d und 572e entlang der Schnittstellen der jeweiligen Seitenkanten 518b, 518c, 518d und 518e und der oberen Oberfläche 518a des Substrats 518 entlang fast der gesamten Länge (ausschließlich der Ecken) der jeweiligen Seitenkanten 518b ... 518e vorgesehen. Diese Kerben 572b ... 572e erleichtern im Allgemeinen die Herstellung des Raumtransformatorsubstrats 518 als mehrlagige Keramikstruktur und sind auch in der Darstellung von 5 sichtbar. Es sollte selbstverständlich sein, dass die Kerben keine Notwendigkeit darstellen. Da die vier Ecken des Substrats 518 offensichtlich nicht gekerbt sind (was grundsätzlich durch den Prozess der Herstellung eines mehrlagigen Keramiksubstrats vorgeschrieben wird), muss die Montageplatte (540 von 5) offensichtlich diese Ecken-"Merkmale" aufnehmen.
  • 5B stellt ein Ausführungsbeispiel eines Raumtransformatorsubstrats 574 dar, das zum Raumtransformatorsubstrat 518 der vorherigen Darstellung vergleichbar ist und das ebenso in der Nadelkartenanordnung 500 von 5 verwendet werden kann. In diesem Fall sind eine Vielzahl (vier von vielen gezeigt) von Flächen 570a, 570b, 570c und 570d festgelegt, in jeder von denen eine Vielzahl von Kontaktstellen 522a, 522b, 522c leicht in einem beliebigen gewünschten Muster angeordnet werden kann. Es ist im Allgemeinen beabsichtigt, dass der Abstand der Flächen 570a ... 570d dem Abstand von Chipstellen auf einem Halbleiterwafer entspricht, so dass eine Vielzahl von Chipstellen gleichzeitig mit einem einzigen "Durchlauf" der Nadelkarte geprüft werden können. (Dies ist zur Sondenprüfung von mehreren Speicherchips, die sich auf einem Halbleiterwafer befinden, besonders nützlich.) Typischerweise ist das Muster der Kontaktstellen 522a ... 522d innerhalb der jeweiligen Flächen 570a ... 570d des Substrats 574 zueinander identisch, obwohl dies nicht absolut erforderlich ist.
  • Im Zusammenhang mit der Prüfanordnung der im gemeinsamen Besitz stehenden, gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 08/554 902 wurde erörtert, dass die Darstellung von 5B deutlich demonstriert, dass ein einzelner Raumtransformator mit Sondenelementen zur Sondenprüfung (Herstellung von Druckkontakten mit) einer Vielzahl (z.B. vier, wie dargestellt) von benachbarten Chipstellen auf einem Halbleiterwafer versehen werden kann.
  • Dies ist beim Verringern der Anzahl von Absetzungen (Schritten), die zum Prüfen von vielen oder allen Chipstellen auf einem Wafer erforderlich sind, vorteilhaft. Wenn sich beispielsweise einhundert Chipstellen auf einem Wafer und vier Sätze von Sondenelementen auf dem Raumtransformator befinden, muss der Wafer nur fünfundzwanzigmal am Raumtransformator positioniert werden (wobei für die Zwecke dieses Beispiels ignoriert wird, dass die Effizienz an der Kante (Umfang) des Wafers etwas geschwächt wäre). Es liegt innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung, dass die Anordnung von Sondenstellen (z.B. 570a ... 570d) sowie die Orientierung der einzelnen Sondenelemente (z.B. versetzt) optimiert werden können, um die Anzahl von Aufsetzungen (Durchläufen), die zum Prüfen eines ganzen Wafers erforderlich sind, zu minimieren. Es liegt auch innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung, dass die Sondenelemente auf der Oberfläche des Raumtransformators auf eine Weise so angeordnet werden können, dass abwechselnde Sondenelemente mit verschiedenen von zwei benachbarten Chipstellen auf dem Wafer einen Kontakt herstellen. Vorausgesetzt, dass es im Allgemeinen erwünscht ist, dass die Sondenelemente alle dieselbe Gesamtlänge aufweisen, ist es ersichtlich, dass die uneingeschränkte Weise, auf die die Sondenelemente direkt an irgendeinem Punkt auf der zweidimensionalen Oberfläche des Raumtransformators befestigt (montiert) werden können, gegenüber jeglichem Verfahren überlegen ist, das den Ort einschränkt, an dem die Sondenelemente an einer Nadelkarte befestigt werden können (z.B. Ringanordnungen, wie vorstehend beschrieben). Es liegt auch innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung, dass eine Vielzahl von nicht-benachbarten Chipstellen auf einem Wafer auf diese Weise geprüft werden könnten. Die vorliegende Erfindung ist für die Sondenprüfung von unvereinzelten Speicherbauelementen auf einem Wafer besonders vorteilhaft und ist zur Sondenprüfung von Chipstellen mit einem beliebigen Seitenverhältnis nützlich.
  • Das Raumtransformator-Substrat 574 stellt ein Beispiel eines "größeren Substrats" dar, das mit kleineren Fliesensubstraten mit Federkontakten oder Sondenelementen oder dergleichen, die auf einer Oberfläche desselben angeordnet sind, bestückt werden kann, wie nachstehend genauer erörtert wird.
  • Die Darstellungen und Beschreibungen der 5C, 6A, 6B, 7, 7A, 8A und 8B von der im gemeinsamen Besitz stehenden, gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 08/554 902 werden bei dieser Anmeldung als nicht wesentlich weggelassen.
  • FLIESEN UND BELEGEN (BESTÜCKEN) DES RAUMTRANSFORMATORSUBSTRATS
  • Wie vorstehend erörtert, können Federkontakte, die Sondenelemente (z.B. 524, 526) sind, direkt an der Oberfläche des Raumtransformator-Substrats (z.B. 506, 518, 574) einer Nadelkartenanordnung (z.B. 500) montiert werden. Diese Methode hat jedoch bestimmte innewohnende Begrenzungen. Der Raumtransformator kann typischerweise ein relativ teures Substrat umfassen, an dem Feder-(Sonden-)Elemente herzustellen sind. Ausbeute-(erfolgreiche Herstellung)Probleme können beim Prozess der Herstellung von zusammengesetzten Verbindungselementen auf der Oberfläche desselben eintreten, was bestenfalls zu einer schwierigen (d.h. zeitaufwändigen und teuren) Überarbeitung des Raumtransformator-Bauteils führt. Außerdem ist es ein kostspieliger Vorschlag, verschiedene Raumtransformatoren für absolut jede Prüfanwendung (d.h. Anordnung von Bondkontaktstellen/Anschlüssen am elektronischen Bauteil, das kontaktiert/geprüft wird) zu entwerfen. Überdies wäre es erwünscht, die Fähigkeit zu haben, einen gesamten Halbleiterwafer in einem einzigen Durchlauf zu prüfen, was einen entsprechend großen Raumtransformator mit den vorstehend erwähnten Begrenzungen des Entwurfs und den verschlimmerten Ausbeuteproblemen erfordern würde.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden Sondenelemente auf relativ kostengünstigen Substraten hergestellt, die hierin "Fliesen" genannt werden. Diese Fliesen werden leicht an der Oberfläche eines Raumtransformators befestigt (montiert, mit dieser verbunden) und mit dessen Anschlüssen elektrisch verbunden, wie z.B. durch Weichlöten oder mit einem leitenden z-Achsen-Klebstoff. Eine Vielzahl von solchen Fliesen können an einem einzelnen Raumtransformator-Bauteil befestigt und mit diesem verbunden werden, um eine Waferebenenprüfung zu bewirken. Die Fliesen können einlagige Substrate sein oder können mehrlagige Substrate (vergleiche 4) sein, die einen Grad an Raumtransformation bewirken. Der z-Achsen-Abstand zwischen der (den) Fliese(n) und der Oberfläche des Raumtransformators wird durch das Volumen an Weichlot, z-Achsen-Klebstoff oder dergleichen, das/der verwendet wird, um die Befestigung(en)/Verbindung(en) herzustellen, leicht gesteuert.
  • Eine Vielzahl von Fliesen mit Federkontaktelementen, die auf einer Oberfläche derselben hergestellt sind, können aus einem einzelnen, kostengünstigen Substrat wie z.B. einem Keramikwafer hergestellt werden, das anschließend zerlegt wird, was zu einer Vielzahl von separaten, vorzugsweise identischen Fliesen führt, die einzeln an der Oberfläche eines Raumtransformators oder (wie nachstehend erörtert) an der Oberfläche eines Halbleiterwafers oder eines anderen elektronischen Bauteils angebracht werden können.
  • Zur Waferebenenprüfung (einschließlich Voralterung) können eine Vielzahl von solchen Fliesen, an denen Feder-(Sonden-)Elemente hergestellt wurden, an einem einzelnen, großen Raumtransformator-Bauteil befestigt/mit diesem verbunden werden, um eine Waferebenenprüfung (Prüfung) eines gesamten Halbleiterwafers in einem einzelnen Durchlauf zu bewirken.
  • Es liegt innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung, dass ein Fliesensubstrat (z.B. 600, nachstehend beschrieben) leicht an ein existierendes Substrat wie z.B. ein "C4"-Gehäuse (ohne Halbleiterchip) weichgelötet werden kann. Solche "C4"-Gehäuse sind leicht erhältlich.
  • Ein Vorteil des Verfahrens der Verwendung von Fliesen anstatt der Herstellung von Federkontaktelementen direkt auf der Oberfläche des Raumtransformators besteht darin, daß der Raumtransformator leicht überarbeitet werden kann, indem einfach ausgewählte der einen oder mehreren Fliesen, die an diesem befestigt/mit diesem verbunden sind, ausgetauscht werden.
  • 6 stellt ein Ausführungsbeispiel einer Fliese 600 mit einem Substrat 602, das aus einem Isolationsmaterial wie z.B. Keramik ausgebildet ist, Anschlüssen (zwei von vielen gezeigt) 604 und 606, die auf (oder innerhalb) einer oberen (wie gesehen) Oberfläche 602a desselben angeordnet sind, und Anschlüssen (zwei von vielen gezeigt) 608 und 610, die auf einer entgegengesetzten, unteren Oberfläche 602b derselben angeordnet sind, dar. Das Fliesensubstrat 602 ist zum Zwischenschaltsubstrat 302 von 3 oder zum Raumtransformator-Substrat 402 von 4 ähnlich. Ausgewählte der Anschlüsse 604 und 606 sind mit entsprechenden ausgewählten der Anschlüsse 608 bzw. 610 auf eine beliebige geeignete Weise wie z.B. mit leitenden Kontaktlöchern (nicht dargestellt), die sich durch das Substrat 602 erstrecken, elektrisch verbunden. (Kontaktlöcher durch und eine interne Verdrahtung innerhalb eines Substrats sind gut bekannt und beispielsweise in 4 gezeigt.)
  • Eine Vielzahl (zwei von vielen gezeigt) von Federelementen 612 und 614 sind an den Anschlüssen 604 bzw. 606 angebracht und können zusammengesetzte Verbindungselemente, wie sie z.B. vorstehend beschrieben wurden, oder monolithische Verbindungselemente, wie sie z.B. vorstehend beschrieben wurden, sein.
  • Wie hierin verwendet, bedeutet der Begriff "Federkontaktträger" ein Fliesensubstrat (z.B. 602) mit Federkontakten (z.B. 612, 614), die an einer Oberfläche derselben angebracht sind.
  • In 6 sind die Federelemente 612 und 614 als mit derselben Konfiguration wie die Sondenelemente 524, die in 5 gezeigt sind, dargestellt. Dies ist lediglich erläuternd und es sollte selbstverständlich sein, dass beliebige Federelemente mit einer beliebigen Konfiguration (Form) an der Oberfläche 602a des Fliesensubstrats 602 befestigt werden können.
  • Wie vorstehend erwähnt, wird ein solches Fliesensubstrat, an dem Federelemente befestigt sind, leicht an einem Raumtransformator-Bauteil (z.B. 506) einer Nadelkartenanordnung (z.B. 500) angebracht und mit diesem verbunden. Wie dargestellt, werden Löthöcker 616 und 618 leicht an den Anschlüssen 608 bzw. 610 ausgebildet, so dass die Fliese 600 mit entsprechenden Kontaktstellen (Anschlüssen) eines Raumtransformator-Bauteils durch Aufschmelzerwärmung verbunden werden kann, wobei Lötverbindungen zwischen den Anschlüssen des Fliesenbauteils und den Anschlüssen des Raumtransformator-Bauteils ausgebildet werden. Alternativ kann ein leitender z-Achsen-Klebstoff (nicht dargestellt) anstelle des Weichlots verwendet werden, um elektrische Verbindungen zwischen den Anschlüssen des Fliesenbauteils und den Anschlüssen des Raumtransformator-Bauteils zu bewirken.
  • 6A stellt die Art und Weise dar, auf die eine Vielzahl (eine von vielen gezeigt) von Fliesen 620 (vergleichbar der Fliese 600 von 6) an der Oberfläche eines Raumtransformator-Bauteils 622 (vergleichbar dem Raumtransformator-Bauteilsubstrat 574, das in 5B dargestellt ist) angebracht werden können.
  • Die obere (sichtbare) Oberfläche des Raumtransformator-Bauteils weist eine Vielzahl (vier von vielen gezeigt) von Flächen 624a, 624b, 624c und 624d (vergleichbar zu 570a, 570b, 570c und 570d) auf, in jeder von denen eine Vielzahl von Kontaktstellen (nicht dargestellt, vergleiche 522a, 522b, 522c, 522d) in einem beliebigen gewünschten Muster angeordnet sind.
  • In 6A sind die Löthöcker (z.B.) auf der Oberfläche des Fliesensubstrats entgegengesetzt zu den Federelementen der Darstellungsdeutlichkeit halber weggelassen. Wenn eine Aufschmelzerwärmung durchgeführt wird, um das Fliesensubstrat an das Raumtransformator-Substrat zu löten, justieren sich die Fliesen 620 gewöhnlich selbst auf die Flächen 624a ... 624d des Raumtransformators 622. Kleine Weichlotstrukturen (wie z.B. C4-Höcker) können jedoch nicht immer ein ausreichendes Ausmaß an Oberflächenspannungskraft aufweisen, um eine solche Selbstjustierung zu bewirken.
  • Um die Selbstjustierung jeder Fliese 620 auf jede Fläche 624a ... 624d zu verbessern, ist gemäß einem Aspekt der Erfindung die obere (in der Figur sichtbare) Oberfläche des Raumtransformator-Substrats 622 mit mindestens einer lötbaren Struktur 626 versehen und die entsprechende untere (in der Figur sichtbare) Oberfläche des Fliesensubstrats 620 ist mit mindestens einer entsprechenden lötbaren Struktur 628 versehen. Während der Aufschmelzerwärmung sieht Weichlot, das auf diesen zwei entsprechenden zusammenpassenden Strukturen 626 und 628 angeordnet ist und diese benetzt, ein verbessertes Moment zum Bewirken der Selbstjustierung des Fliesensubstrats auf das Raumtransformator-Substrat vor. Das Weichlot kann auf eine der zusammenpassenden Strukturen vor der Aufschmelzerwärmung aufgebracht werden.
  • 6A stellt ein signifikantes Merkmal der vorliegenden Erfindung dar – nämlich, dass eine Vielzahl von Fliesen an einem einzelnen Raumtransformator-Bauteil einer Nadelkartenanordnung angebracht werden können, um ein Prüfen von mehreren Chipstellen auf einem Halbleiterwafer mit mehreren Köpfen in einem einzelnen Durchlauf (Abwärtsberührung), einschließlich Wafermaßstabsprüfung, zu bewirken. Ein Raumtransformator-Substrat, an dem eine Vielzahl von Fliesen befestigt sind, funktioniert leicht als Prüfkopf für mehrere Bauelemente.
  • Es liegt innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung, dass sich die Federelemente sowohl in diesem Ausführungsbeispiel als auch in dem nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel der Belegung von Halbleiterwafern über den Umfang des Fliesensubstrats hinaus erstrecken können.
  • Eine weitere Erörterung der Aufrechterhaltung einer zweckmäßigen Ausrichtung zwischen einer Vielzahl von Fliesen und einem größeren Bauteil ist nachstehend mit Bezug auf die 9A–9D zu finden.
  • Es ist wichtig zu erkennen, dass das Volumen des Weichlots für jede Lötverbindung (einschließlich der Ausrichtungsmerkmale 626/628) sorgfältig gesteuert werden sollte, um einen genauen Abstand (Spalt) zwischen der Rückfläche der Fliesensubstrate und der Vorderfläche des größeren Substrats herzustellen. Irgendwelche Abweichungen des Weichlotvolumens können unannehmbare Höhen-(z-Achsen-)Schwankungen verbreiten. Wenn eine Höhengleichmäßigkeit erwünscht ist, kann ein beliebiges geeignet genaues Mittel zum Steuern des Weichlotvolumens verwendet werden, einschließlich der Verwendung von genau ausgebildeten Weichlotvorformen, Systemen zum Liefern von genauen Mengen an Weichlotpaste, Weichlotkugeln mit genauem Volumen und dergleichen.
  • FLIESEN UND BELEGEN EINES HALBLEITERWAFERS ZUR PRÜFUNG/VORALTERUNG
  • In bestimmten Fällen kann es nicht erwünscht sein, Federelemente direkt auf der Oberfläche von bestimmten Halbleiterbauelementen herzustellen. Die Herstellung der zusammengesetzten Verbindungselemente der vorliegenden Erfindung auf vollständig bestückten "C4"-Chips (Halbleiterbauelementen) mit aktiven Bauelementen kann beispielsweise das Bauelement beschädigen oder den Zugang zu bestimmten Strukturen des Bauelements verhindern.
  • Gemäß diesem Aspekt der Erfindung können Fliesen direkt an Halbleiterbauelementen, einschließlich vollständig bestückten C4-Chips mit aktiven Bauelementen, entweder vor oder nach ihrer Vereinzelung vom Halbleiterwafer angebracht werden. Auf diese Weise werden Federkontaktelemente leicht an Halbleiterbauelementen angebracht, während die Herstellung der Federkontaktelemente direkt auf den Halbleiterbauelementen vermieden wird.
  • Gemäß einem Merkmal dieses Aspekts der Erfindung können Halbleiterbauelemente, an denen Federkontaktelemente auf die vorstehend erwähnte Weise angebracht wurden, unter Verwendung einer einfachen Prüfvorrichtung, die so einfach sein kann wie eine Leiterplatte (PCB) mit Anschlüssen (Kontaktstellen), die so angeordnet sind, dass sie mit den Spitzen der Federkontaktelemente einen Kontakt (durch Druckkontakt) herstellen, leicht geprüft und/oder vorgealtert werden.
  • Im Allgemeinen sind die Vorteile der Anbringung von Fliesen an Halbleiterbauelementen, insbesondere bevor sie vom Halbleiterwafer vereinzelt werden, ähnlich zu den Vorteilen, die aus der vorstehend erwähnten Belegung eines Raumtransformator-Substrats erwachsen – es ist nämlich nicht erforderlich, den gesamten Wafer zu fertigen, die Überarbeitung wird erheblich erleichtert und beliebige (d.h. zusammengesetzte oder monolithische) Federelemente können leicht an Halbleiterbauelementen angebracht und mit diesen verbunden werden.
  • Dieses Verfahren zum Anbringen von Fliesen an Halbleiterbauelementen ist in bestimmten Fällen dem Verfahren zum Drahtbonden von Substraten, an denen Federelemente hergestellt wurden, an Halbleiterbauelemente, wie z.B. in der im gemeinsamen Besitz stehenden US-Patentanmeldung Nr. 08/-tbd-, eingereicht am 15.02.96, offenbart, überlegen.
  • 7 stellt ein Verfahren 700 dar, bei dem eine Vielzahl (drei von vielen gezeigt) von Fliesensubstraten 702 eine Oberfläche eines größeren Substrats 706 belegen, das ein Siliziumwafer mit einer Vielzahl von Chipstellen 704 sein kann (oder nicht). Das größere Substrat 706 ist beispielsweise ein Raumtransformator-Bauteil einer Nadelkartenanordnung.
  • Jedes Fliesensubstrat 702 weist eine Vielzahl (zwei von vielen gezeigt) von freistehenden Verbindungselementen 710 auf, die sich von der oberen (wie gesehen) Oberfläche desselben erstrecken. Diese Verbindungselemente 710 können monolithische Verbindungselemente oder zusammengesetzte Verbindungselemente sein und können Spitzenstrukturen aufweisen oder nicht, die an ihren freien Enden befestigt sind. Die Verbindungselemente 710 sind vorzugsweise Federelemente und sind geeigneterweise Sondenelemente. Jedes Fliesensubstrat 702 wird mittels Lötverbindungen 708 an entsprechenden Anschlüssen (nicht dargestellt) auf der oberen (wie gesehen) Oberfläche des größeren Substrats 706 angebracht. Die Lötverbindungen 708 können "C4"-Lötverbindungen sein.
  • Auf diese Weise wird ein größeres Substrat (706) mit einer Vielzahl von Federkontaktträgern (d.h. Fliesensubstraten 702) bestückt. Unter den zahlreichen Vorteilen dieses Verfahrens (700) sind jene, dass irgendwelche Probleme mit der Ausbeute (erfolgreichen Herstellung) der Verbindungselemente nur die kleineren Fliesensubstrate (702) beeinflussen und nicht das größere Substrat (706).
  • SIMULTANÜBERFÜHRUNG DER FEDERELEMENTE ZUM FLIESENSUBSTRAT
  • Im Großen und Ganzen wurden vorstehend Verfahren zur Herstellung von zusammengesetzten Verbindungs-(elastischen Kontakt-)Strukturen durch Bonden eines Endes eines Drahts an einen Anschluss eines elektronischen Bauteils beschrieben, durch Gestalten des Drahts derart, dass dieser ein Drahtschaft mit einer federfähigen Form ist, und Überziehen des Drahts mit einem elastischen Material (mit hoher Dehngrenze) beschrieben. Auf diese Weise können elektrische Kontaktstrukturen direkt an Anschlüssen eines elektronischen Bauteils wie z.B. der Fliese der vorliegenden Erfindung hergestellt werden.
  • Gemäß der Erfindung werden eine Vielzahl von Federelementen ohne Montage der Federelemente (elastischen Kontaktstrukturen) am elektronischen Bauteil zur anschließenden (nachdem die elastischen Kontaktstrukturen hergestellt sind) Montage (wie z.B. durch Hartlöten) am elektronischen Bauteil vorgefertigt.
  • Gemäß einem Verfahren kann ein Vorrat (z.B. "Eimer") von Federelementen hergestellt und zur späteren Befestigung (Montage) wie z.B. durch Hartlöten an den Anschlüssen von elektronischen Bauteilen gelagert werden. Vergleiche 2G. Gemäß einem weiteren Verfahren können eine Vielzahl von Federelementen an einem Opfersubstrat vorgefertigt, dann zu den Anschlüssen des elektronischen Bauteils (z.B. Fliese) simultan überführt werden. Diese zwei Verfahren sind in der HAUPTAKTE (siehe z.B. 11A–11F und 12A–12E darin) erörtert.
  • Die 8A und 8B stellen das Verfahren 800 zur Simultanüberführung einer Vielzahl von vorgefertigten Kontaktstrukturen 802 zu den Anschlüssen eines elektronischen Bauteils 806 (wie z.B. des Fliesenbauteils 600 von 6) dar. In dieser Darstellung bewirkt das Fliesenbauteil eine gewisse Raumtransformation, aber dies ist nicht erforderlich.
  • Wie in 8A dargestellt, werden die Vielzahl von Federelementen 802, beispielsweise der in 1E dargestellten Art, an Spitzenstrukturen 808, die in einem Opfersubstrat 810 ausgebildet wurden, gemäß den vorstehend oder in irgendeiner der vorstehend erwähnten im gemeinsamen Besitz stehenden, gleichzeitig anhängigen Patentanmeldungen beschriebenen Verfahren hergestellt.
  • Wie in 8B dargestellt, können die Federelemente 802 massenweise, wie z.B. durch Weichlöten 812, an den Anschlüssen 804 des elektronischen Bauteils 806 montiert (simultan zu diesen überführt) werden, wonach das Opfersubstrat 810 leicht entfernt werden kann (wie z.B. durch selektives Naßätzen). Lötkugeln 814 werden leicht an den Anschlüssen auf der entgegengesetzten Oberfläche des Fliesensubstrats befestigt. Das Fliesensubstrat von 8B ist dem Fliesensubstrat von 6 insofern vergleichbar, als beide Lötkugeln auf einer Oberfläche und Federelemente auf der entgegengesetzten Oberfläche aufweisen.
  • Die Vorteile dessen, dass die Federelemente texturierte Spitzen aufweisen, um zuverlässigere Druckverbindungen mit Anschlüssen anderer elektronischer Bauteile zu bewirken, wurden im einzelnen in verschiedenen der vorstehend erwähnten, im gemeinsamen Besitz stehenden Patentanmeldungen beschrieben. 8B stellt eine von vielen Weisen dar, auf die ein Fliesensubstrat mit Federelementen mit (falls erwünscht) texturierten Spitzen versehen werden kann.
  • PLANARISIERUNG UND MONTAGE VON SPITZEN AN DEN FEDERELEMENTEN
  • Die Vorteile dessen, dass die distalen Enden (Spitzen) der Federelemente koplanar sind, und die Leichtigkeit, mit der dies bewerkstelligt wird, wurde im einzelnen in verschiedenen der vorstehend erwähnten, im gemeinsamen Besitz stehenden Patentanmeldungen beschrieben.
  • Die 8C–8G stellen beispielhafte Verfahren zum Ausbilden von Spitzenstrukturen auf einem Opfersubstrat und zum Überführen der vorgefertigten Spitzenstrukturen zu Spitzen von an einem Fliesensubstrat angebrachten Verbindungselementen dar.
  • 8C stellt ein Verfahren 820 zur Herstellung von Spitzenstrukturen an einem Opfersubstrat für die anschließende Befestigung an Spitzen von Verbindungselementen, die sich von einer Oberfläche eines elektronischen Bauteils (z.B. eines Fliesensubstrats) erstrecken, dar und ist besonders nützlich für, jedoch nicht begrenzt auf die vorstehend erwähnten zusammengesetzten Verbindungselemente. Bei diesem Beispiel wird ein Siliziumsubstrat (Wafer) 822 mit einer oberen (wie gesehen) Oberfläche als Opfersubstrat verwendet. Eine Schicht 824 aus Titan wird (z.B. durch Sputtern) auf der oberen Oberfläche des Siliziumsubstrats 822 abgeschieden und weist eine Dicke von ungefähr 250 Å (1 Å = 0,1 nm = 10–10 m) auf. Eine Schicht 826 aus Aluminium wird (z.B. durch Sputtern) auf der Titanschicht 824 abgeschieden und weist eine Dicke von ungefähr 10000 Å auf. Die Titanschicht 824 ist wahlfrei und dient als Haftschicht für die Aluminiumschicht 826. Eine Schicht 828 aus Kupfer wird (z.B. durch Sputtern) auf der Aluminiumschicht 826 abgeschieden und weist eine Dicke von ungefähr 5000 Å auf. Eine Schicht 830 aus Maskierungsmaterial (z.B. Photoresist) wird auf der Kupferschicht 828 abgeschieden und weist eine Dicke von ungefähr 2 mils auf. Die Maskierungsschicht 830 wird auf eine beliebige geeignete Weise verarbeitet, so dass sie eine Vielzahl (drei von vielen gezeigt) von Löchern 832 aufweist, die sich durch die Photoresistschicht 830 zur darunterliegenden Kupferschicht 828 erstrecken. Jedes Loch 822 kann beispielsweise einen Durchmesser von 6 mils aufweisen und die Löcher 832 können in einem Rastermaß (Mitte zu Mitte) von 10 mils angeordnet sein. Das Opfersubstrat 822 wurde auf diese Weise zur Herstellung einer Vielzahl von mehrlagigen Kontaktspitzen innerhalb der Löcher 832 folgendermaßen vorbereitet:
    Eine Schicht 834 aus Nickel wird wie z.B. durch Plattieren auf der Kupferschicht 828 abgeschieden und weist eine Dicke von ungefähr 1,0–1,5 mils auf. Wahlweise kann eine dünne Schicht (nicht dargestellt) aus einem Edelmetall wie z.B. Rhodium auf der Kupferschicht vor der Abscheidung des Nickels abgeschieden werden. Als nächstes wird eine Schicht 836 aus Gold wie z.B. durch Plattieren auf dem Nickel 834 abgeschieden. Die mehrlagige Struktur aus Nickel und Aluminium (und wahlweise Rhodium) dient als hergestellte Spitzenstruktur (840, wie in 8D gezeigt).
  • Wie in 8D dargestellt, wird als nächstes der Photoresist 830 abgelöst (unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Lösungsmittels), wobei eine Vielzahl von hergestellten Spitzenstrukturen 840 belassen werden, die auf der Kupferschicht 828 sitzen. Als nächstes wird das Kupfer (828) einem schnellen Ätzprozess unterzogen, wodurch die Aluminiumschicht 826 freigelegt wird. Wie ersichtlich ist, ist Aluminium in anschließenden Schritten nützlich, da es in Bezug auf Weichlöt- und Hartlötmaterialien im Wesentlichen nicht benetzbar ist.
  • Es ist erwähnenswert, dass es bevorzugt ist, den Photoresist mit zusätzlichen Löchern zu strukturieren, in denen "Ersatz"-Spitzenstrukturen 842 in denselben Prozessschritten, die zur Herstellung der Spitzenstrukturen 840 verwendet werden, hergestellt werden können. Diese Ersatzspitzenstrukturen 842 dienen zum Vereinheitlichen der vorstehend erwähnten Plattierungsschritte auf eine Weise, die gut bekannt und verständlich ist, indem abrupte Gradienten (Ungleichmäßigkeiten), die sich über der plattierten Oberfläche zeigen, verringert werden. Solche Strukturen (842) sind auf dem Gebiet der Plattierung als "Räuber" bekannt.
  • Als nächstes wird Weichlöt- oder Hartlötpaste ("Verbindungsmaterial") 844 auf den oberen (wie gesehen) Oberflächen der Spitzenstrukturen 840 abgeschieden. (Es besteht kein Bedarf, die Paste auf den Oberseiten der Ersatzspitzenstrukturen 842 abzuscheiden.) Dies wird auf eine beliebige geeignete Weise ausgeführt, wie z.B. mit einem Sieb oder einer Schablone aus rostfreiem Stahl. Eine typische Paste (Verbindungsmaterial) 844 würde eine Gold-Zinn-Legierung (in einer Flussmatrix) enthalten, die beispielsweise Kugeln (Kügelchen) von 1 mil aufweist.
  • Die Spitzenstrukturen 840 sind nun bereit, an Enden (Spitzen) von Verbindungselementen, beispielsweise den zusammengesetzten Verbindungselementen der vorliegenden Erfindung, montiert (z.B. hartgelötet) zu werden. Es ist jedoch bevorzugt, dass die Verbindungselemente zuerst speziell "vorbereitet" werden, um die Spitzenstrukturen 840 aufzunehmen.
  • 8E stellt ein Verfahren 850 zum Vorbereiten eines Fliesensubstrats 852 (vergleiche 602) mit einer Vielzahl (zwei von vielen gezeigt) von Verbindungselementen 854 (vergleiche 612, 614) in Erwartung darauf, dass vorgefertigte Spitzenstrukturen (840) an den Enden der Verbindungselemente 854 montiert werden, dar. Die Verbindungselemente (Federkontakte) 854 sind vollständig (anstatt im Querschnitt) dargestellt.
  • Bei diesem Beispiel sind die zusammengesetzten Verbindungselemente 854 mehrlagige zusammengesetzte Verbindungselemente (vergleiche 2A) und weisen einen Gold-(Draht)Kern, der mit einer Schicht (nicht dargestellt) aus Kupfer überzogen ist und ferner mit einer Schicht (nicht dargestellt) aus Nickel (vorzugsweise einer Nickel-Kobalt-Legierung mit Anteilen von 90:10 von Ni:Co) überzogen ist und ferner mit einer Schicht (nicht dargestellt) aus Kupfer überzogen ist, auf. Es ist bevorzugt, dass die Nickelschicht nur mit einem wesentlichen Teil (z.B. 80%) ihrer gewünschten Enddicke abgeschieden wird, wobei der restliche kleine Teil (z.B. 20%) der Nickeldicke in einem anschließenden Schritt, der nachstehend beschrieben wird, abgeschieden wird.
  • Bei diesem Beispiel ist das Fliesensubstrat 852 mit einer Vielzahl (zwei von vielen gezeigt) von säulenartigen Strukturen 856 versehen, die sich von seiner oberen (wie gesehen) Oberfläche erstrecken und die, wie ersichtlich ist, als Polier-"Anschläge" funktionieren. Es ist nicht erforderlich, dass eine große Anzahl dieser Polieranschläge vorhanden ist, und sie werden leicht mit und aus demselben Material wie das Substrat (z.B. Keramik) ausgebildet und können nach dem Polieren entfernt werden (nachstehend erörtert).
  • Das Fliesensubstrat 854 wird dann mit einem geeigneten Gießmaterial 858, wie z.B. einem wärmeschmelzbaren, in Lösung löslichen Polymer, das zum Abstützen der Verbindungselemente 854, die sich von der oberen Oberfläche des Fliesensubstrats 852 erstrecken, "begossen". Die obere (wie gesehen) Oberfläche des überformten Substrats wird dann einem Poliervorgang unterzogen, wie z.B. mit einem Polierrad 860, das auf die obere Oberfläche des Gießmaterials herabgedrückt (wie gesehen) wird. Die vorstehend erwähnten Polieranschläge 858 legen die Endposition des Polierrades fest, wie durch die mit "P" bezeichnete gestrichelte Linie angegeben. Auf diese Weise werden die Spitzen (oberen Enden, wie gesehen) der Verbindungselemente 854 so poliert, dass sie im Wesentlichen perfekt miteinander koplanar sind.
  • Wie vorstehend erörtert, wird ein Mechanismus (z.B. Differentialschrauben oder ein automatisierter Mechanismus) in der gesamten Nadelkartenanordnung (500) bereitgestellt, um das Raumtransformator-Substrat so zu orientieren, dass sichergestellt wird, dass sich die Spitzen der elastischen Kontaktstrukturen, die sich von dem an diesen montierten Fliesensubstrat erstrecken, mit einem geprüften Halbleiterwafer koplanar sind und dass die Spitzen der Feder-(Sonden-)Elemente so planarisiert werden, dass sie einen im Wesentlichen gleichzeitigen Kontakt mit dem Wafer herstellen. Das Beginnen mit den Spitzen, die durch Polieren (oder durch irgendein anderes geeignetes Mittel) planarisiert wurden, trägt sicher zum Erzielen dieses wichtigen Ziels bei. Das Sicherstellen, dass die Spitzen der Sondenelemente (854) anfangs koplanar sind, lockert (verringert) überdies die dem Zwischenschaltbauteil (534) auferlegten Zwänge, um Nicht-Planaritäten in den Spitzen der Sondenelemente (854), die sich vom Fliesenbauteil erstrecken, Rechnung zu tragen (durch Nachgiebigkeit).
  • Nachdem die Spitzen der Verbindung-(z.B. Sonden-)Elemente 854 durch Polieren planarisiert wurden, wird das Gießmaterial 858 mit einem geeigneten Lösungsmittel entfernt. (Die Polieranschläge 856 werden zu diesem Zeitpunkt entfernt.) Gießmaterialien sind ebenso wie ihre Lösungsmittel gut bekannt. Es liegt innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung, dass Gießmaterialien wie z.B. Wachs, die einfach weggeschmolzen werden können, verwendet werden können, um die Sondenelemente (854) zum Polieren abzustützen. Die Federelemente (854) der Fliese (852) wurden auf diese Weise vorbereitet, um die vorstehend erwähnten Spitzenstrukturen (840) aufzunehmen.
  • Ein vorteilhafter Nebeneffekt des Poliervorgangs besteht darin, dass das Material, das den Golddrahtschaft (Kern) eines Verbindungselements 854 überzieht, das ein zusammengesetztes Verbindungselement ist, an der Spitze entfernt wird, wobei der Goldkern freigelassen wird. Insofern als es erwünscht ist, Spitzenstrukturen (840) an die Spitzen der zusammengesetzten Verbindungselemente hartzulöten, ist es erwünscht, dass freigelegtes Goldmaterial zum Hartlöten an dieses vorliegt.
  • Es ist bevorzugt, das Fliesensubstrat 852 zum Aufnehmen der Spitzenstrukturen 840 weiter "vorzubereiten", indem zuerst ein zusätzlicher Plattierungsschritt durchgeführt wird – nämlich Nickelplattieren der zusammengesetzten Verbindungselemente 854, um die zusammengesetzten Verbindungselemente mit dem vorstehend erwähnten restlichen kleinen Teil (z.B. 20%) ihrer gewünschten gesamten Nickeldicke zu versehen. Falls erwünscht, kann die vorher erwähnte freiliegende Goldspitze (siehe vorheriger Absatz) während dieses zusätzlichen Plattierungsschritts maskiert werden.
  • Das Opfersubstrat 822 mit den Spitzenstrukturen 840 wird auf dem vorbereiteten Fliesensubstrat 852 zum Aufliegen gebracht. Wie in 8F gezeigt, werden die Spitzenstrukturen 840 (nur zwei Spitzenstrukturen sind wegen der Darstellungsklarheit in der Ansicht von 8F gezeigt) auf die Spitzen der freistehenden Verbindungselemente 854 unter Verwendung von Standard-Flip-Chip-Verfahren (z.B. Zerlegungsprisma) ausgerichtet und die Anordnung wird durch einen Hartlötofen geleitet, um das Verbindungsmaterial 844 aufzuschmelzen, wodurch die vorgefertigten Spitzenstrukturen 840 mit den Enden der Kontaktstrukturen 854 verbunden (z.B. an diese hartgelötet) werden.
  • Es liegt innerhalb der Schutzbereichs dieser Erfindung, dass dieses Verfahren zum Verbinden (z.B. Hartlöten) von vorgefertigten Spitzenstrukturen mit (an) Enden von nicht-elastischen Kontaktstrukturen, elastischen Kontaktstrukturen, zusammengesetzten Verbindungselementen, monolithischen Verbindungselementen und dergleichen verwendet werden kann.
  • In einem Endschritt wird das Opfersubstrat 822 auf eine beliebige geeignete Weise entfernt, was zu einem Fliesensubstrat 852 mit einer Vielzahl von freistehenden Verbindungselementen 854 jeweils mit vorgefertigten Spitzenstrukturen 840 führt, wie in 8G dargestellt. (Man beachte, dass das Verbindungsmaterial 844 als "Lotkegel" an Endteilen der Verbindungselemente 854 aufgeschmolzen ist.)
  • Es liegt innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung, dass die Hartlöt-(Weichlöt-)Paste 844 weggelassen wird und an ihrer Stelle eine Schicht aus eutektischem Material (z.B. Gold-Zinn) auf die elastischen Kontaktstrukturen vor der Montage der Kontaktspitzen (840) an diesen plattiert wird.
  • AUSRICHTUNG VON FLIESEN AUF GROSSEN SUBSTRATEN
  • Wie vorstehend erörtert, kann ein relativ großes Substrat (z.B. 622), wie z.B. das Raumtransformator-Substrat einer Nadelkartenanordnung, mit einer Vielzahl von relativ kleinen Fliesen mit Federkontakten auf einer Oberfläche desselben (z.B. 620) versehen werden, um die Herstellung von Druckverbindungen mit einem anderen elektronischen Bauteil mit einer relativ großen Oberfläche, wie z.B. einem gesamten Halbleiterwafer, zu erleichtern, wodurch ermöglicht wird, dass Prozesse wie z.B. Waferebenen-Voralterung (WLBI) durchgeführt werden.
  • Bei dem Prozess der Montage einer Vielzahl von Fliesen mit jeweils einer Vielzahl von freistehenden Federelementen an einem größeren Substrat muss eine korrekte Ausrichtung aufrechterhalten werden durch:
    • (1) in der z-Achse Aufrechterhalten einer vorgeschriebenen Höhe (typischerweise koplanar) für die Spitzen (distalen, freien Enden) der Federelemente; und
    • (2) in der x- und y-Achse Aufrechterhalten eines vorgeschriebenen Abstands zwischen den Spitzen der Federelemente.
  • Im Allgemeinen ist der Prozess der Herstellung einer Vielzahl von freistehenden Federelementen auf Fliesensubstraten insofern in hohem Maße festgelegt, als die Höhe (z-Achse) und der Abstand (x- und y-Achse) der Vielzahl von Federelementen auf einzelnen Fliesen vor der Montage der Fliesen an einem größeren Substrat geprüft (untersucht) werden können. Fliesen mit Federelementen mit fehlerhafter Höhe oder fehlerhaftem Abstand können entweder überarbeitet oder weggeworfen werden.
  • Wie mit Bezug auf 6A vorstehend erörtert, können eine Vielzahl von Fliesen (z.B. 620) an größeren Substraten (z.B. 622) durch Aufschmelzlöten angebracht werden. Große, sorgfältig angeordnete (z.B. lithographisch) Lötstrukturen (z.B. 628, 626) können im Wesentlichen die x-y-Ausrichtung der Fliese in Bezug auf das Substrat steuern. Und durch sorgfältiges Steuern der Menge an verwendetem Weichlot ist es möglich, eine beträchtliche Kontrolle über den Raum zwischen der Rückseite (z.B. 602b) der Fliese und der Vorderfläche des größeren Substrats (z.B. 622) auszuüben. Und, wie vorstehend erwähnt, nimmt dies vernünftigerweise an, dass die Spitzen der freistehenden Federelemente in Bezug auf die Rückfläche des Fliesensubstrats festgelegt sind.
  • 9A stellt ein alternatives Verfahren 900 zum Halten einer Vielzahl (drei von vielen gezeigt) von Fliesensubstraten 902 (vergleiche 620) in einer korrekten Ausrichtung auf ein größeres Substrats 904 dar. In diesem Fall ist die vordere (obere, wie gesehen) Oberfläche des größeren Substrats 904 mit einer Vielzahl (drei von vielen gezeigt) von Aussparungen (Vertiefungen) 906 versehen, die so bemessen sind, dass sie die einzelnen Fliesen 902 aufnehmen und sie in einer vorgeschriebenen x-y-Ausrichtung zueinander halten. Wie in dem Beispiel von 6A kann eine sorgfältige Steuerung des Weichlotvolumens einen reproduzierbaren z-Achsen-(vertikalen in der Figur)Abstand zwischen den Rückflächen der Fliesen und der Vorderfläche des Substrats 904 sicherstellen. Dieses Verfahren ist im Allgemeinen nicht bevorzugt, da es ein Komplexitätsgrad zum größeren Substrat 904 hinzufügt.
  • 9B stellt ein alternatives Verfahren 920 zum Halten einer Vielzahl (drei von vielen gezeigt) von Fliesensubstraten 922 (vergleiche 902) in korrekter Ausrichtung auf ein größeres Substrat 924 (vergleiche 904) dar. In diesem Fall sind die vorderen (oberen, wie gesehen) Oberflächen der Fliesen 922 jeweils mit einer Vielzahl (zwei von vielen gezeigt) von freistehenden Federkontakten 926 versehen, die auf eine Weise (z.B. Materialien, Federform) hergestellt sind, so dass sie hauptsächlich vielmehr in einer elastischen als plastischen Art wirken. Die hinteren (unteren, wie gesehen) Oberflächen der Fliesen 922 sind jeweils mit einer Vielzahl (zwei von vielen gezeigt) von Kontaktelementen 928 versehen, die auf eine Weise hergestellt sind, so dass sie im Wesentlichen in einer Art mit plastischer Verformung wirken. (Diese Kontaktelemente 928 werden "nachgiebige Verbindungen" genannt.) Die Fliesen 922 sind an das Substrat 924 auf eine beliebige geeignete Weise weichgelötet und die Oberflächenspannung hält gewöhnlich die Fliesen in einer x-y-Ausrichtung zueinander. Um Koplanarität der Spitzen (oberen Enden, wie gesehen) der vielen Federelemente 926 herzustellen, wird eine Druckplatte 930 gegen die Spitzen der Federelemente nach unten gedrückt, bis ein Kontakt mit allen Federelementen 926 hergestellt ist. Die plastische Verformung der Federelemente 928 ermöglicht, dass sich einzelne Fliesen in der z-Achse nach unten bewegen. Nach dem Sicherstellen, dass die Spitzen aller Federelemente 926 koplanar sind, wird die Druckplatte 930 entfernt und die Fliesen 922 können mit einer Vergussverbindung (nicht dargestellt) wie z.B. Epoxy an der Stelle befestigt werden. Die Vergussverbindung sollte den Raum zwischen den Fliesen und dem Substrat zumindest "unterfüllen" und kann auch die Fliesen bedecken (solange nur die Unterseiten der freistehenden Federkontakte 926 bedeckt sind). Dieses Verfahren ist im Allgemeinen nicht bevorzugt, da es nicht zur Überarbeitung – Entfernen und Austauschen eines einzelnen der vielen Fliesensubstrate 922 – dienlich ist.
  • Wie beispielsweise in den 9A–9B dargestellt, erzielen die Fliesensubstrate 902 und 922 eine gewisse Raumtransformation (z.B. sind in 9A die Lötkugeln weiter voneinander entfernt als die Basen der freistehenden Federkontakte (vergleiche 8A)). Es liegt innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung, dass die Federkontakte im gleichen oder in einem größeren Abstand (Rastermaß) liegen können als die Lötkugeln in diesen und anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung.
  • 9C stellt ein alternatives Verfahren 940 zum Halten einer Vielzahl (drei von vielen gezeigt) von Fliesensubstraten 942 (vergleiche 922) in einer korrekten Ausrichtung, z-Achsen-Ausrichtung, zueinander dar. Für Zwecke der Deutlichkeit der Darstellung sind das größere Substrat (z.B. 904, 924) und die Verbindungen (z.B. Lötkugeln) auf der hinteren (unteren, wie gesehen) Oberfläche der Fliesensubstrate in dieser Figur weggelassen.
  • In diesem Fall sind die Seitenkanten der Fliesensubstrate 942 mit verriegelnden "Zungen- und Nut"-Merkmalen, wie z.B. konvexen Merkmalen 944, die mit konkaven Merkmalen 946 in Eingriff kommen, versehen. Zwei benachbarte Seitenkanten eines quadratischen oder rechteckigen Fliesensubstrats hätten beispielsweise konkave Merkmale, die restlichen zwei benachbarten Seitenkanten hätten konvexe Merkmale. Dieses Verfahren ist im Allgemeinen nicht bevorzugt, da es einen Komplexitätsgrad in das Fliesensubstrat einbezieht und die Überarbeitung problematisch wäre.
  • In allen vorstehend beschriebenen Verfahren wurde das Ziel der Aufrechterhaltung der Ausrichtung der Spitzen von Federkontakten an Fliesen etwas indirekt angegangen – nämlich durch Steuern der Ausrichtung der Rückseite und/oder Kanten der Fliesensubstrate gegenüber der Vorderfläche eines größeren Substrats, an dem die Vielzahl von Fliesensubstraten angebracht wird.
  • Eine "direktere" Vorgehensweise bestünde darin, sicherzustellen, dass die Spitzen der Federelemente ungeachtet der Ausrichtung der Rückfläche des Fliesensubstrats korrekt ausgerichtet werden, wobei die Rückflächen der Fliesensubstrate nur ausreichend ausgerichtet werden, um eine korrekte Verbindungsfähigkeit mit dem größeren Substrat sicherzustellen.
  • 9D stellt ein Verfahren 960 dar, bei dem eine Vielzahl (drei von vielen gezeigt) von Fliesen 962 (vergleiche 600) vielmehr durch ihre vorderen (oberen, wie gesehen) Oberflächen als durch ihre Rückflächen aufeinander ausgerichtet werden. Jede Fliese 962 weist eine Vielzahl (zwei von vielen gezeigt) von Federkontakten 964 auf, die sich von ihrer oberen Oberfläche erstrecken, und ist mit Lötkugeln (oder Kontaktstellen) 966 auf ihrer Rückfläche versehen. Es wird angenommen, dass die Fliesensubstrate 962 vor der Montage von Federkontakten (964) an diesen sorgfältig geprüft werden können und dass die Federkontakte 964 an der Oberfläche des Fliesensubstrats auf eine in hohem Maße gesteuerte Weise hergestellt werden können (oder auf einem Opfersubstrat und an den Fliesensubstraten simultan montiert) oder dass die Fliesen, an denen Federn angebracht sind, leicht geprüft werden können, um sicherzustellen, dass nur "gute" Fliesen am größeren Substrat 968 (vergleiche 622) montiert werden. Im Allgemeinen ist es relativ unkompliziert und zuverlässig (und reproduzierbar), eine Vielzahl von Federkontakten (964) auf der Oberfläche eines Substrats (962) gemäß den vorstehend dargelegten Verfahren (siehe z.B. 2A) herzustellen, wobei sich jeder der Federkontakte (964) in eine vorgeschriebene Höhe über der Oberfläche des Substrats (962) erstreckt, wobei die Spitzen der Federkontakte gut aufeinander ausgerichtet (voneinander beabstandet) sind. Dieses Verfahren ist im Allgemeinen nicht bevorzugt.
  • Ein Versteifungssubstrat 970 wird vorgesehen und weist eine Vielzahl von Löchern 972 auf, die sich durch dieses erstrecken. Ein hoher Grad an Genauigkeit bezüglich der Lage der Löcher kann durch lithographische Festlegung ihrer Lagen erzielt werden. Die Versteifungseinrichtung 970 kann ein relativ starres Isolationsmaterial oder kann ein Metallsubstrat sein, das mit einem Isolationsmaterial bedeckt ist.
  • In diesem Fall werden die Fliesensubstrate 962 mit ihren vorderen (oberen, wie gesehen) Oberflächen an der hinteren (unteren, wie gesehen) Oberfläche der Versteifungseinrichtung montiert, wobei sich jeder der Federkontakte 964 durch ein entsprechendes der Löcher 972 im Versteifungssubstrat 970 erstreckt. Dies kann mit einem geeigneten Klebstoff (nicht dargestellt) durchgeführt werden und während des Prozesses der Montage der Fliesen am Versteifungssubstrat kann ein optisches Erkennungssystem verwendet werden, um sicherzustellen, dass die Spitzen der Federkontakte von Fliese zu Fliese aufeinander ausgerichtet werden. Mit anderen Worten, dies kann mit einem hohen Grad an Genauigkeit leicht durchgeführt werden.
  • Nachdem alle Fliesensubstrate (962) ausgerichtet (x-y) und am Versteifungssubstrat befestigt sind, kann die Baugruppe aus Fliesen/Versteifungseinrichtung auf eine beliebige geeignete Weise am größeren Substrat 968 montiert werden, wie z.B. durch Lötkugeln 966 und entsprechende Kontaktstellen 976 auf der vorderen (oberen, wie gesehen) Oberfläche des größeren Substrats 968.
  • Es liegt innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung, dass die Fliesen 962 vorübergehend am Versteifungssubstrat 970 befestigt werden, so dass das Versteifungssubstrat 970 entfernt werden kann, sobald die Anordnung von Fliesen 962 am größeren Substrat 968 montiert wurde.
  • Zur Überarbeitung (Austauschen von einzelnen Fliesen vom größeren Substrat) im Fall eines dauerhaft montierten Versteifungssubstrats könnte die gesamte Baugruppe der Versteifungseinrichtung/Fliesen vom größeren Substrat entfernt werden (wie z.B. durch Loslöten), die einzelne(n) Fliese(n) ausgetauscht und die Baugruppe wieder am größeren Substrat montiert werden. Im Fall eines provisorischen Versteifungssubstrats, das kein Teil der Endbaugruppe (von Fliesen am größeren Substrat) ist, kann (können) (eine) einzelne Fliese(n) entfernt werden und (eine) Ersatzfliese(n) unter Verwendung eines Überarbeitungs-Versteifungssubstrats (nicht dargestellt), das dieselbe Größe aufweist wie oder kleiner ist als (eine Fläche von nur ein paar benachbarten Fliesen bedeckt) das Versteifungssubstrat (970), installiert werden.
  • Wie beispielsweise in den 9A–9D dargestellt, sind die freistehenden Federkontakte C-förmig (vergleiche 1E). Es liegt innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung, dass die freistehenden Federelemente eine beliebige geeignete Form aufweisen, und sie können entweder zusammengesetzte Verbindungselemente oder monolithische Verbindungselemente sein.
  • MEMBRANFLIESEN
  • Es liegt innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung, dass eine Vielzahl von Fliesen mit anderen als Federkontakten (ob monolithisch oder zusammengesetzt), die sich von einer Oberfläche derselben erstrecken, für den Zweck der Durchführung einer Waferebenen-Voralterung und dergleichen an einem größeren Substrat montiert werden können, wobei die vorstehend erwähnten Vorteile aus demselben erwachsen.
  • Man betrachte beispielsweise eine typische Membransonde, wie sie z.B. im vorstehend erwähnten US-Patent Nr. 5 180 977 ("Huff") und 5 422 574 ("Kister") offenbart ist. Wie bei Huff angemerkt, kann eine Membransonde eine Matrix von Mikrokontakten, die im Allgemeinen als Kontakthöcker bekannt sind, auf einer dünnen dielektrischen Schicht, d.h. einer Membran, umfassen. Für jeden Kontakthöcker ist eine Mikrostreifen-Übertragungsleitung auf der Membran zur elektrischen Verbindung mit der "Leistungsplatine" (Nadelkarte) ausgebildet. Die Kontakthöcker werden durch ein Metallplattierungsverfahren ausgebildet und können ausgebildet werden, um eine große Anzahl von Kontakten mit hoher Sondendichte zu erzeugen. Wie bei Kister angegeben, umfasst eine Membransonde typischerweise eine Matrix von Mikrokontakten (Kontakthöckern) auf einem vorstehenden Teil einer dünnen, biegsamen Membran aus einer dielektrischen Schicht. Die Membran kann einen zentralen Kontakthöckerbereich und eine Vielzahl von Signalverbindungsabschnitten, die durch dreieckige Erhebungen in der Membran getrennt sind, aufweisen. Das System von dreieckigen Erhebungen in einer Membran ermöglicht, dass die Membran derart verzogen wird, dass der zentrale Kontakthöckerbereich über die allgemeine Ebene der Nadelkarte angehoben werden kann.
  • 10A und 10B stellen ein alternatives Ausführungsbeispiel 1000 der vorliegenden Erfindung dar. Wie darin gezeigt, kann ein Fliesensubstrat 1002 als Ring (z.B. als quadratischer Ring) oder Rahmen mit einer zentralen Öffnung 1004 anstatt als massives Substrat (vergleiche z.B. 902, 922, 942, 962) ausgebildet werden. Alternativ könnte die zentrale Öffnung 1004 einfach ein vertiefter zentraler Bereich in einem massiven Substrat sein, wie durch das in 10C gezeigte Fliesensubstrat 1002a dargestellt.
  • Eine dünne dielektrische Schicht 1006 ist über der oberen (wie in den Figuren gesehen) Oberfläche des Fliesenrahmens 1002 (oder Substrats 1002a) angebracht und dient als Membran. Alternativ könnte die dünne dielektrische Schicht 1006 sandwichartig zwischen zwei Hälften, einer oberen Hälfte 1008a und einer unteren Hälfte 1008b eines Fliesenrahmens 1002b, eingefügt werden, wie durch 10D dargestellt.
  • Eine Vielzahl (vier von vielen gezeigt) von Kontakthöckern 1010 sind auf der oberen (wie gesehen) Oberfläche der Membran 1006 ausgebildet. (In einem Fall, wie z.B. in 10D gezeigt ist, wäre es erforderlich, auf eine beliebige geeignete Weise sicherzustellen, dass sich die Kontakthöcker 1010 über die Ebene des oberen Rings 1008a hinaus erstrecken.)
  • Signalleitungen 1012 (z.B. Mikrostreifen-Übertragungsleitungen) sind auf der Membran ausgebildet und sind in einer beliebigen geeigneten Weise durch den Fliesenrahmen oder das Substrat zur elektrischen Verbindung mit einem größeren Substrat (nicht dargestellt) wie z.B. der "Leistungsplatine" (Nadelkarte) geführt. Ein Beispiel ist in 10E gezeigt, in der der Fliesenrahmen 1002c eine obere Fliesenrahmenhälfte 1018a (vergleiche 1008a) umfasst, die mit leitenden Kontaktlöchern 1020 (1020a und 1020b) und Leitungen 1022, die in Löthöckern (oder Kontaktstellen) 1024 enden, versehen ist. Wie durch 10E dargestellt, ist die unterste Struktur der resultierenden Baugruppe (in diesem Beispiel der oberen Fliesenrahmenhälfte 1018a, der unteren Fliesenrahmenhälfte 1018b und der Membran 1006) die Lötkugeln 1024 oder dergleichen, die verwendet werden, um die einzelnen Fliesen mit einem größeren Substrat (nicht dargestellt) auf irgendeine der vorstehend beschriebenen Weisen zu verbinden.
  • Ein üblicher Fachmann, den die Erfindung am ehesten betrifft, wird erkennen, dass 10E stilisiert ist und dass die Höckerkontakte die höchsten (obersten, wie gesehen) Strukturen sein sollten, damit irgendein geeignetes Mittel zur Herstellung von Verbindungen zwischen einer Nadelkarte und diesen Kontakthöckern verwendet werden kann, und damit (in Anbetracht von allen 10C–10E) ein Elastomer hinter der Membran (z.B. 1006) verwendet werden kann.
  • Waferebenen-Voralterung (WLBI)
  • Wie vorstehend erwähnt, besteht ein Vorteil der Belegung von größeren Substraten mit einer Vielzahl von Federkontaktträgern darin, dass eine ausreichende Anzahl von Sondenelementen auf einer Nadelkartenanordnung bereitgestellt werden kann, um zu ermöglichen, dass ein ganzer Halbleiterwafer auf einen Schlag (mit einer einzelnen Druckverbindung zwischen der Nadelkartenanordnung und dem Halbleiterwafer) kontaktiert wird (zur Prüfung und/oder Voralterung). Wie hierin verwendet, umfasst der Begriff "Waferebenen-Voralterung" eine beliebige elektrische Funktion, die an einem ganzen Halbleiterwafer auf diese Weise durchgeführt wird.
  • 11A stellt ein Ausführungsbeispiel 1100 eines Verfahrens zum Durchführen einer Waferebenen-Voralterung dar. Eine Vielzahl (sechs von vielen gezeigt) von Fliesen 1102 mit Sondenelementen 1106, einschließlich, jedoch nicht begrenzt auf freistehende Federkontakte (wie dargestellt), Kontakthöcker von Fliesen vom Membrantyp (z.B. 1000) oder dergleichen, sind an einem größeren Substrat 1104 angebracht, das ein Raumtransformator einer Nadelkartenanordnung (vergleiche 5) sein kann. Eine Vielzahl (sechs von vielen gezeigt) von Halbleiterchips 1108 befinden sich (unvereinzelt) auf einem Halbleiterwafer 1110. In diesem Ausführungsbeispiel ist jede Fliese 1102 einem bestimmten der Halbleiterchips 1108 zugeordnet (auf diesen ausgerichtet) und die Sondenelemente 1106 wären daher in einem Muster entsprechend den interessierenden Bondkontaktstellen des Halbleiterchips angeordnet.
  • 11B stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel 1120 eines Verfahrens zum Durchführen einer Waferebenen-Voralterung dar. Eine Vielzahl (drei von vielen gezeigt) von Fliesen 1122a, 1122b und 1122c mit Sondenelementen 1126 (wieder einschließlich, jedoch nicht begrenzt auf freistehende Federkontakte, Kontakthöcker von Fliesen vom Membrantyp oder dergleichen) sind an einem größeren Substrat 1124 (das wieder ein Raumtransformator einer Nadelkartenanordnung sein kann) angebracht. Eine Vielzahl (sechs von vielen gezeigt) von Halbleiterchips 1128a–1128f befinden sich (unvereinzelt) auf einem Halbleiterwafer 1130. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist jede Fliese 1122a–1122c zwei benachbarten Halbleiterchips 1128a–1128f zugeordnet (auf diese ausgerichtet). Die Fliese 1122a ist mit zwei Sätzen von Sondenelementen 1126 versehen, wobei jeder Satz in einem Muster entsprechend den interessierenden Bondkontaktstellen auf einem der zwei entsprechenden Halbleiterchips 1128a und 1128b angeordnet ist. Die Fliese 1122b ist mit zwei Sätzen von Sondenelementen 1126 versehen, wobei jeder Satz in einem Muster entsprechend den interessierenden Bondkontaktstellen auf einem der zwei entsprechenden Halbleiterchips 1128c und 1128d angeordnet ist. Die Fliese 1122c ist mit zwei Sätzen von Sondenelementen 1126 versehen, wobei jeder Satz in einem Muster entsprechend den interessierenden Bondkontaktstellen auf einem der zwei entsprechenden Halbleiterchips 1128e und 1128f angeordnet ist.
  • 11C stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel 1140 eines Verfahrens zum Durchführen einer Waferebenen-Voralterung dar. Eine Vielzahl (sechs von vielen gezeigt) von Fliesen 1142a–1142f mit Sondenelementen 1106 (wieder einschließlich, jedoch nicht begrenzt auf freistehende Federkontakte, Kontakthöcker von Fliesen vom Membrantyp oder dergleichen) sind an einem größeren Substrat 1144 (das wieder ein Raumtransformator einer Nadelkartenanordnung sein kann) angebracht. Eine Vielzahl (fünf von vielen gezeigt) von Halbleiterchips 1148a–1148e befinden sich (unvereinzelt) auf einem Halbleiterwafer 1150. Man beachte, dass in dieser Figur die Kanten des Halbleiterwafers 1150 gezeigt sind und dass weder ein vollständiger Halbleiterchip auf der linken Seite (wie gesehen) des Halbleiterchips 1148a hergestellt werden kann noch ein vollständiger Halbleiterchip auf der rechten Seite (wie gesehen) des Halbleiterchips 1148e hergestellt werden kann.
  • In diesem Ausführungsbeispiel 1140 ist dargestellt, dass, obwohl (im Allgemeinen) eine Fliese für jeden Halbleiterchip vorhanden ist, die Sondenelemente auf jeder Fliese so angeordnet sind, dass sie nur einen Teil der Bondkontaktstellen auf einem Halbleiterchip und einen Teil der Bondkontaktstellen auf einem anderen, benachbarten Halbleiterchip berühren. Die Sondenelemente auf der Fliese 1142b berühren beispielsweise den rechten (wie gesehen) Teil des Halbleiterchips 1148a und den linken (wie gesehen) Teil des Halbleiterchips 1148b.
  • Die Fliese 1142a erstreckt sich über eine unnutzbare Chipstelle an der Kante des Halbleiterwafers und muss nur den linken (wie gesehen) Teil des Halbleiterchips 1148a berühren. Daher muss die Fliese 1142a nicht mit einem vollen Satz von Sondenelementen versehen sein und unterscheidet sich von der Mehrheit (1142b–1142e) der Fliesen. Ein ähnliches Ergebnis tritt bei der Fliese 1142f ein. Es liegt jedoch innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung, dass die Fliesen 1142a und 1142f zu den Fliesen 1142b–1142e identisch sein können.
  • Bei den vorangehenden Beispielen (Ausführungsbeispielen) von Verfahren zur Durchführung einer Waferebenen-Voralterung wird vernünftigerweise angenommen, dass alle Halbleiterchips auf dem Halbleiterwafer in der Konstruktion und in der Anordnung zueinander identisch sind. Daher sind die Fliesen im Allgemeinen zueinander identisch (mit Ausnahme der peripheren Fliesen 1142a und 1142f). Es liegt jedoch innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung, dass eine Vielzahl von verschiedenen Fliesen mit verschiedenen Anordnungen von Sondenelementen an einem größeren Substrat zur Waferebenen-Voralterung oder für irgendeine andere Anwendung angebracht werden können, bei der eine Vielzahl von Druckverbindungen erforderlich sind.
  • ÜBERLEGUNGEN ZU DEN WÄRMEAUSDEHNUNGSKOEFFIZIENTEN
  • Wie vorstehend dargelegt, kann ein Nadelkartenelement wie z.B. ein Raumtransformator-Bauteil (z.B. 622) mit einer Vielzahl von Fliesen (z.B. 600) auf einer Oberfläche desselben bestückt werden, wobei die Fliesen jeweils eine Vielzahl von Federkontaktelementen (z.B. 612, 614) tragen, die leicht auf Fliesenniveau hergestellt werden, dann mit einer Oberfläche des größeren Substrats (z.B. dem Nadelkartenelement) durch Flip-Chip verbunden werden, um beispielsweise die Waferebenen-Voralterung zu erleichtern.
  • Bei einem solchen Bestreben ist es häufig erforderlich, die Wärmeausdehnungskoeffizienten der verschiedenen beteiligten Bauteile, einschließlich des geprüften Bauteils, zu berücksichtigen (z.B. den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Nadelkarte auf jenen eines Halbleiterwafers abzugleichen). Wie bekannt ist, entsprechen die Wärmeausdehnungskoeffizienten von verschiedenen Materialien im Allgemeinen nahezu (ausreichend) jenem von Silizium, einschließlich eines Kupfer-Invar-Kupfer-Laminats, Aluminiumnitrid-Keramik (ein Isolationsmaterial) und Glaskeramik (ein Isolationsmaterial). Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Molybdän nähert sich jenem von Keramik.
  • 12A ist eine Querschnittsansicht eines Verfahrens 1200 zum Anbringen einer Vielzahl (eine von vielen gezeigt) von Fliesen 1202 (vergleiche 602) an einem größeren Substrat 1204 (vergleiche 622), das geeigneterweise das Raumtransformator-Bauteil der vorstehend erwähnten Nadelkartenanordnung ist, auf eine Weise, die den gesamten Wärmeausdehnungskoeffizienten dieser Baugruppe ändert, so dass er angemessen jenem eines geprüften Halbleiterwafers (nicht dargestellt) wie z.B. zur Waferebenen-Voralterung entspricht, und zum Herstellen von beispielhaften erforderlichen Verbindungen mit dem größeren Substrat 1204 mit einem anderen Verbindungsbauteil 1206 wie z.B. dem Zwischenschaltbauteil (z.B. 504) der Nadelkartenanordnung der Erfindung.
  • Eine Vielzahl (sechs von vielen gezeigt) von Federelementen 1210 sind an der oberen (wie gesehen) Oberfläche des Fliesensubstrats 1202 auf eine vorstehend beschriebene beliebige geeignete Weise wie z.B. an auf diesem angeordneten Anschlüssen angebracht. In diesem Beispiel führen die Fliesensubstrate 1202 keine Raumtransformation durch. Die Fliesensubstrate 1202 sind an der oberen (wie gesehen) Oberfläche des größeren Substrats 1204, das auf seiner oberen Oberfläche Anschlüsse in einem Rastermaß (Abstand) und auf seiner unteren (wie gesehen) Oberfläche Anschlüsse in einem anderen, größeren (gröberen) Rastermaß aufweist, durch Flip-Chip montiert. Das größere Substrat 1204 ist geeigneterweise ein mehrlagiges Verdrahtungssubstrat wie z.B. das vorstehend erwähnte Raumtransformator-Bauteil der vorstehend erwähnten Nadelkartenanordnung.
  • Ein "passives" Substrat 1220 ist mit einem geeigneten Klebstoff 1222 an der unteren (wie gesehen) Oberfläche des größeren Substrats 1204 angebracht und ist mit einer Vielzahl (zwei von vielen gezeigt) von Öffnungen 1226 versehen, die auf die Anschlüsse auf der unteren (wie gesehen) Oberfläche des größeren (Raumtransformator) Substrats 604 ausgerichtet sind. Der Zweck des passiven Substrats 1220 besteht darin, den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Baugruppe der Fliesen (1202) und des Raumtransformators (1204) zu steuern (z.B. zu ändern), vorzugsweise ihn an jenen des durch die Spitzen (oberen Enden, wie gesehen) der Federelemente 1210 geprüften Bauteils anzupassen.
  • In diesem Beispiel ist ein passives Substrat 1220 ein leicht erhältliches Kupfer/Invar/Kupfer-Laminat, das elektrisch leitend ist. Um einen Kurzschluss der Anschlüsse auf der unteren Oberfläche des Raumtransformator-Substrats zu vermeiden (eigentlich um auch den Kurzschluss der nachstehend beschriebenen Federelemente 1230 zu vermeiden), ist das Substrat 1220 mit einem geeigneten Isolationsmaterial 1224 wie z.B. Parylen beschichtet.
  • Verbindungen mit den unteren (wie gesehen) Anschlüssen des Raumtransformator-(größeren)Substrats 1204 können mit Spitzen (oberen Enden, wie gesehen) von Federelementen 1230 bewirkt werden, die geeigneterweise zusammengesetzte Verbindungselemente (wie gezeigt) der vorliegenden Erfindung sind, die durch ein Trägersubstrat 1232, das Öffnungen aufweist, durch die sich die Federelemente 1230 erstrecken und durch eine geeignete Elastomerverbindung 1234 festgehalten werden, in einer festgelegten räumlichen Beziehung zueinander gehalten werden.
  • 12B ist eine Querschnittsansicht eines alternativen Verfahrens 1250 zum Montieren einer Vielzahl (eine von vielen gezeigt) von Fliesen 1202 an einem größeren Substrat 1204 auf die vorstehend erwähnte Weise mit der folgenden Variation.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel 1250 berühren die oberen (wie gesehen) Enden der Verbindungselemente 1230 die Anschlüsse auf der unteren (wie gesehen) Oberfläche des größeren Substrats 1204 nicht direkt. Vielmehr sind die Löcher (Öffnungen) 1226 im Substrat 1220 mit einem Verbindungsmaterial 1252, wie z.B. leitendem z-Achsen-Klebstoff oder leitendem (z.B. mit Silber gefüllten) Epoxy, gefüllt. Dies lockert die Zwänge für die Form und Höhe der Verbindungselemente 1230, die sich nicht durch die Löcher 1226 erstrecken müssen.
  • Dies ermöglicht, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient (TCE) einer Baugruppe von Fliesen, die ein größeres Substrat belegen, auf den TCE eines anderen elektronischen Bauteils, das von den Federkontakten auf den Fliesen kontaktiert wird, (im Wesentlichen) abgeglichen wird.
  • Obwohl die Erfindung in den Zeichnungen und in der vorangehenden Beschreibung im einzelnen dargestellt und beschrieben wurde, soll dasselbe als im Charakter erläuternd und nicht einschränkend betrachtet werden – wobei es selbstverständlich ist, dass nur bevorzugte Ausführungsbeispiele gezeigt und beschrieben wurden und dass es erwünscht ist, dass alle Änderungen und Modifikationen, die innerhalb des Erfindungsgedankens liegen, geschützt sind. Zweifellos kommen viele andere "Veränderungen" an den vorstehend dargelegten "Themen" einem üblichen Fachmann in den Sinn, den die vorliegende Erfindung am ehesten berührt, und solche Änderungen sollen innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung, wie hierin offenbart, liegen. Verschiedene dieser Änderungen sind in der Hauptakte dargelegt.
  • In irgendeinem der hierin beschriebenen oder vorgeschlagenen Ausführungsbeispiele, in denen beispielsweise ein Maskierungsmaterial (z.B. Photoresist) auf ein Substrat aufgebracht und wie z.B. durch Belichten mit Licht, das durch eine Maske hindurchtritt, und chemisches Entfernen von Teilen des Maskierungsmaterials (d.h. herkömmliche photolithographische Verfahren) strukturiert wird, können alternative Verfahren verwendet werden, einschließlich Richten eines geeigneten kollimierten Lichtstrahls (z.B. von einem Excimerlaser) auf Teile des Maskierungsmaterials (z.B. unstrukturierter, gehärteter Photoresist), dessen Entfernung angestrebt wird, wodurch diese Teile des Maskierungsmaterials abgetragen werden, oder direktes (ohne Verwendung einer Maske) Härten von Teilen des Maskierungsmaterials mit einem geeigneten kollimierten Lichtstrahl, dann chemisches Abwaschen des nicht-gehärteten Maskierungsmaterials.
  • Vorstehend wurde angedeutet, dass die zusammengesetzten Verbindungselemente der vorliegenden Erfindung nur ein Beispiel von geeigneten elastischen Kontaktstrukturen sind, die direkt an Anschlüssen eines Fliesenbauteils einer Nadelkartenanordnung montiert werden können. Es liegt beispielsweise innerhalb der Schutzbereichs dieser Erfindung, dass Nadeln aus einem von Natur aus elastischen Material (mir relativ hoher Dehngrenze), wie z.B. Wolfram, mit einem Material, wie z.B. Weichlot oder Gold, überzogen werden kann, um sie lötfähig zu machen, wobei sie wahlweise in einem gewünschten Muster abgestützt werden und an die Anschlüsse der Fliese weichgelötet werden.
  • Ein Fliesensubstrat mit leitenden Kontaktlöchern, die sich von Anschlüssen auf einer Oberfläche zu Anschlüssen auf einer entgegengesetzten Oberfläche desselben durch dieses erstrecken, kann beispielsweise Federelemente aufweisen, die an den Anschlüssen auf der einen Oberfläche angebracht sind, wobei ein Halbleiterchip direkt (wie z.B. durch C4-Lötverbindungen) an den Anschlüssen auf der entgegengesetzten Seite montiert ist, und eingekapselt ist, um als Halbleiterchip-Baugruppe zu dienen.
  • Es liegt auch innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung, dass die Fliesensubstrate aus einem durchscheinenden (oder transparenten) Material bestehen, um die Fähigkeit vorzusehen, den "Versatz" der Spitzen der Federkontakte auf der einen Oberfläche des Fliesensubstrats von den Anschlüssen auf der anderen entgegengesetzten Oberfläche des Fliesensubstrats zu ermitteln. Um eine solche Ermittlung durchzuführen, müsste ansonsten eine Instrumentenausrüstung wie z.B. ein optisches Erkennungssystem mit zwei Kameras oder Röntgenstrahlen oder dergleichen verwendet werden.
  • Das größere Substrat, das mit den Fliesen bestückt ist, kann beispielsweise elektronische Bauteile in (vergraben) oder auf ihm aufweisen, wie z.B. Widerstände und Kondensatoren, Strombegrenzungsbauelemente (typischerweise Widerstandsnetzwerke), aktive Umschaltbauteile (z.B. zum Leiten von Signalen zu ausgewählten Anschlüssen) und dergleichen.
  • Abstandselemente (vergleiche 856) können beispielsweise auf der hinteren (Rück-)Seite des Fliesensubstrats (oder alternativ auf der vorderen (Vorder-)Seite des größeren Substrats) integriert werden, um ein "Aufschmelzquetschen" zu verhindern (ein Phänomen, das auftreten kann, wenn Fliesen, die an ein größeres Substrat gelötet werden, gegen ein elektronisches Bauteil (z.B. Halbleiterwafer) gedrückt werden (wie z.B. zur Waferprüfung) und die Temperatur erhöht wird – was zur Erweichung der Lötverbindungen, die die Fliesen mit dem größeren Substrat verbinden, führt).
  • Die Spitzen einer Vielzahl von Federkontakten, die sich von einer Vielzahl von Fliesen erstrecken, die an einem größeren Substrat montiert sind, können beispielsweise durch Drücken der Spitzen in ein Ausrichtungssubstrat (vergleiche 930, 9B), das mikrobearbeitete Vertiefungen an den gewünschten Stellen (Abstand, Ausrichtung) der Spitzen aufweist, ausgerichtet werden.

Claims (25)

  1. Verfahren zum Prüfen eines elektronischen Bauteils, wobei das Verfahren das Kontaktieren des elektronischen Bauteils (508) mit einer Vielzahl von Federkontaktelementen umfasst, mit den Schritten: Vorsehen eines Substrats (622, 706, 904, 924, 968, 1104, 1124, 1144, 1204), das so groß ist wie ein prüfbarer Bereich des elektronischen Bauteils (508), dessen Prüfung erwünscht ist, wobei das Substrat eine Vorderfläche aufweist; Anbringen und Verbinden mindestens eines Kontaktträgers (620, 702, 806, 852, 902, 922, 942, 962, 1006, 1122, 1102, 1142, 1202) an bzw. mit der Vorderfläche des Substrats (622, 706, 904, 924, 968, 1104, 1124, 1144, 1204), wobei jeder Kontaktträger eine Vielzahl von freistehenden Federkontaktelementen (710, 926, 964, 1106, 1126, 1146, 1210) aufweist, die an einer Oberfläche desselben angebracht sind und sich von dieser erstrecken; und Drücken des Substrats und des elektronischen Bauteils (508) zueinander hin, so dass die Federkontaktelemente (710, 926, 964, 1106, 1126, 1146, 1210) mit dem elektronischen Bauteil einen Kontakt herstellen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: das elektronische Bauteil (508) ein Halbleiterwafer ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass: der prüfbare Bereich eine Vielzahl von Chipstellen auf dem Halbleiterwafer (508) ist; und die Federkontaktelemente (710, 1106) mit allen der Vielzahl von Chipstellen auf einmal einen Kontakt herstellen.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: der prüfbare Bereich des elektronischen Bauteils (508) zumindest die Hälfte einer ganzen Oberfläche des elektronischen Bauteils ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: das elektronische Bauteil (508) eine Leiterplatte ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: das elektronische Bauteil (508) ein Flüssigkristallanzeigefeld ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: die Federkontaktelemente (710, 1106) zusammengesetzte Verbindungselemente sind.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: die Federkontaktelemente Kontakthöcker sind, die auf einer Membran angeordnet sind.
  9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch: Lötverbindungen (708) zwischen dem mindestens einen Kontaktträger (702, 1102) und dem Substrat (706, 1104).
  10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass: das Substrat (706, 1104) ein Raumtransformator ist, der in einer Nadelkartenanordnung (500) angeordnet ist.
  11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass: das elektronische Bauteil (508) ein Halbleiterwafer ist; und die Federkontaktelemente (710, 1106) von jedem Kontaktträger (702, 1102) einzelne Halbleiterchips auf dem Halbleiterwafer auf einer Eins-zu-Eins-Basis kontaktieren.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass: das elektronische Bauteil (508) ein Halbleiterwafer ist; und die Federkontaktelemente (1126, 1146) jedes Kontaktträgers (702, 1102) mindestens zwei Halbleiterchips auf dem Halbleiterwafer kontaktieren.
  13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: der mindestens eine Kontaktträger (702, 1102) durch Lötverbindungen (708) auf das Substrat ausgerichtet wird.
  14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass: das Substrat (706, 1104) mit dem mindestens einen an diesem angebrachten Kontaktträger (702, 1102) an einer Nadelkarte (502) angebracht wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass: das Substrat durch eine Zwischenschalteinrichtung (504) mit der Nadelkarte (502) verbunden wird.
  16. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Kontaktträger (702, 1102) an der Vorderfläche des Substrats (706, 1104) angebracht und mit dieser verbunden werden.
  17. Nadelkartenanordnung mit einer Nadelkarte (502) und einer Vielzahl von Sondenelementen mit: einem Substrat (622, 706, 904, 924, 968, 1104, 1124, 1144, 1204) mit einer oberen Oberfläche, einer unteren Oberfläche, einer ersten Vielzahl von Anschlüssen, die auf der oberen Oberfläche angeordnet sind, und einer zweiten Vielzahl von Anschlüssen, die auf der unteren Oberfläche angeordnet sind; mindestens einem Kontaktträger (620, 702, 806, 852, 902, 922, 942, 962, 1006, 1122, 1102, 1142, 1202), wobei der mindestens eine Kontaktträger eine obere Oberfläche und eine untere Oberfläche aufweist, einem Mittel (708) zum Bewirken von elektrischen Verbindungen zwischen dem mindestens einen Kontaktträger (620, 702, 806, 852, 902, 922, 942, 962, 1006, 1122, 1102, 1142, 1202) und dem Substrat (622, 706, 904, 924, 968, 1104, 1124, 1144, 1204); und einer Vielzahl von Sondenelementen (710, 926, 964, 1106, 1126, 1146, 1210), die auf der oberen Oberfläche des mindestens einen Kontaktträgers (620, 702, 806, 852, 902, 922, 942, 962, 1006, 1122, 1102, 1142, 1202) angeordnet sind, wobei die Sondenelemente freistehende Federkontakte sind, die an einer Oberfläche des mindestens einen Kontaktträgers angebracht sind und sich von dieser erstrecken.
  18. Nadelkartenanordnung nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch: Spitzenstrukturen, die an den Enden der Vielzahl von freistehenden Federkontakten (710, 1106) angebracht sind.
  19. Nadelkartenanordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass: die freistehenden Federkontakte (710, 1106) zusammengesetzte Verbindungselemente sind.
  20. Nadelkartenanordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, gekennzeichnet durch: Lötverbindungen (708) zwischen dem mindestens einen Kontaktträger (702, 1102) und dem Substrat (706, 1104).
  21. Nadelkartenanordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass: die Federkontaktelemente (710, 1106) jedes Kontaktträgers (702, 1102) dazu ausgelegt sind, einzelne Halbleiterchips auf einem zu prüfenden Halbleiterwafer (508) auf einer Eins-zu-Eins-Basis zu kontaktieren.
  22. Nadelkartenanordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass: die Federkontaktelemente (1126, 1146) jedes Kontaktträgers (702, 1102) dazu ausgelegt sind, mindestens zwei Halbleiterchips auf einem zu prüfenden Halbleiterwafer (508) zu kontaktieren.
  23. Nadelkartenanordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass: das Substrat (706, 1104) durch eine Zwischenschalteinrichtung (504) mit der Nadelkarte (502) verbunden ist.
  24. Nadelkartenanordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 23, wobei das Substrat (706, 1104) ein Raumtransformator ist.
  25. Nadelkartenanordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 24, gekennzeichnet durch mindestens zwei Kontaktträger (702, 1102), die mit dem Substrat (706, 1104) durch das Mittel (708) elektrisch verbunden sind.
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