TW201348466A - 用於製造供測試針使用之線材的銠合金 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於用於製造供測試針使用之線材的基於銠之合金，該基於銠之合金包括0.01重量%至1重量%鋯。本發明亦係關於包括由此類型之基於銠之合金製備之線材的測試針及用於自金屬合金製造測試針、具體而言製造由此類型之基於銠之合金製備之測試針之方法，其中該測試針係自線材形成且隨後藉助溫度處理來硬化，藉此藉助該溫度處理來調節硬度。

Description

用於製造供測試針使用之線材的銠合金
本發明係關於用於製造用來測試端子墊之接觸之測試針的金屬間合金。
本發明亦係關於包括由基於銠之合金製備之線材之測試針及用於自金屬合金製造測試針、具體而言製造由此類型之基於銠之合金製備之測試針之方法，其中該測試針係自線材形成。
在晶片製造期間，使晶圓在處理後立即與測試針接觸以測試積體電路(IC)在鋸割之前之條件下之功能。將測試針整合於匹配晶圓之設計之探針卡中。在測試製程期間，將晶圓按壓至針上且在針與延伸穿過鈍化層之IC墊之間建立接觸。然後，測試各種參數，例如接觸、在高電流密度下之連續性特徵及溫度改變後之電特性。
由鎢、碳化鎢及鎢-錸作為材料製備之測試針廣泛用於對鋁墊之測試。該等測試針特別堅硬，藉此使鋁墊比金墊更堅固且對使用硬針之測試之耐受性強於金墊。
對於金墊上之應用而言，已知Pd合金，例如由Deringer Ney製備之Paliney® H3C或由Advanced Probing製備之NewTec®。此外，用於測試針之PtNi30合金亦有市售。自US 2010/0239453 A1及EP 2 248 920 A1已知摻雜有低濃度銥之合金可用於製造測試針。
US 2006/0197542 A1揭示用於製造測試針之基於銥之合金及基於鉑之合金。該等合金具有介於300 HV與500 HV之間之高硬度以能夠 在配置於金墊上之整個塗料層上建立優良接觸。
銥之缺點之處在於，其具有低於其他金屬之導熱率及導電率。
與該等合金相關之另一缺點在於需要將尖端磨利，此製程昂貴且通常需手工實施。
此外，測試結構僅在較小程度上可藉由微系統技術來製造。相關高製造成本亦不利。
儘管合金硬度對於塗覆有塗料之金墊足夠，但自該合金製造之測試針對於鋁墊而言將有利地甚至更硬，此乃因鋁墊較不敏感。
因此，本發明之目標係克服先前技術之缺點。特定而言，欲鑑別可自其製造導熱率及導電率較高之測試針之金屬或合金。此外，由該金屬或合金製備之表面之耐氧化性應足以使其不因氧化而鈍化。此外，材料應具有足夠高的硬度以保證較長使用壽命且僅對金墊造成極小損害或無損害。同時，應可將硬度調節至較高值以作為用於鋁墊之測試針來使用。本發明之另一目標係使處理儘可能地容易以在標準製程中製造具有0.05 mm至0.15 mm(例如0.08 mm)之線材，且在於可將測試針製造成高度筆直以使得能夠準確接觸觸點(金墊或鋁墊)。同時，本發明之合金或本發明之金屬應具有足夠彈性以使得測試針在接觸期間不經歷塑性變形且在含有該等測試針之探針卡之製造中保持儘可能高的耐受性。
本發明之另一目標係提供滿足上文所指定準則之測試針。
本發明之目標係藉由用於製造用於測試針之線材的基於銠之合金來滿足，該基於銠之合金包括0.01重量%至1重量%鋯。
在此背景下，本發明可提供包括以下之基於銠之合金：0.001重量%至1重量%釔及/或0.001重量%至1重量%鈰，較佳0.01重量%至0.5重量%釔及/或0.01重量%至0.5重量%鈰。
此外，本發明可提供包括以下之基於銠之合金：0.01重量%至30 重量%鉑及/或0.01重量%至30重量%銥，較佳5重量%至30重量%鉑及/或4重量%至30重量%銥，尤佳5重量%至15重量%鉑及/或4重量%至15重量%銥。
可經由將鉑及/或銥添加至合金來改良基於銠之合金之機械性質。具體而言，改良自此類型之基於銠之合金製造之測試針之彈性。
尤佳基於銠之合金之特徵可在於提供包括晶粒細化、具體而言等徑晶粒之微結構之基於銠之合金。
晶粒細化及/或等徑晶粒之微結構允許基於銠之合金獲得優良變形性，以使得可拉出用於製造測試針之長線材。
在此背景下，本發明可提供具有以下平均粒徑之銠基合金：介於0.01 μm與2 μm之間，較佳介於0.02 μm與0.5 μm之間，尤佳介於0.05 μm與0.1 μm之間。
此外，本發明可提供具有350 HV至800 HV之硬度，較佳在硬拉條件下500 HV至750 HV之硬度及/或在熱處理條件下400 HV至650 HV之硬度之基於銠之合金。
該等硬度值適用於接觸金墊及鋁墊二者。
本發明亦可提供電阻率介於5 μΩ cm與5.5 μΩ cm之間之基於銠之合金。
此外，本發明可提供具有面心立方晶體結構之基於銠之合金。
根據本發明，本發明之另一尤佳細化可提供包括0.05重量%至0.8重量%鋯、較佳0.1重量%至0.6重量%鋯之基於銠之合金。
該等組成具有使材料能進行尤佳後續硬化之效應，以使得可在之後的時間點調節硬度，此尤其對作為測試針之應用尤其有利。
本發明之潛在目標亦係藉由包括由此類型之基於銠之合金製備之線材之測試針來滿足。
在此背景下，本發明可提供具有20 μm至200 μm之直徑、較佳50 μm至150 μm之直徑、尤佳70 μm至90 μm之直徑之線材。
本發明亦可提供電連接至電壓測試器之線材，其中電壓測試器可連接至或已連接至欲測試之電組件。
本發明之目標亦係經由自金屬合金、具體而言自此類型之基於銠之合金製造測試針之方法來滿足，其中自該金屬合金製造、具體而言拉伸或捲繞線材，且隨後經由溫度處理硬化材料，藉此藉助溫度處理調節硬度，藉此自線材形成測試針。
在此背景下，本發明可提供在介於150℃與600℃之間之溫度、較佳在介於200℃與400℃之間之溫度下進行之溫度處理，且溫度處理進行至少10分鐘之時間段。
此外，在此背景下本發明可提供欲經由蝕刻形成之測試針尖端。
本發明係基於以下驚人發現：合金化鋯與銠使得可提供可硬化、具有用作測試針所需要之彈性及硬度之材料，且該材料最初可易於處理以使得可不費力地製造測試針。隨後，可經由使線材及/或預製測試針退火及/或回火來調節硬度，藉此可以可變方式來調節適用於測試經塗料塗覆之金墊或鋁墊之接觸之硬度。此外，本發明之基於銠之合金可易於蝕刻以使得可以容易且廉價之方式蝕刻測試針之尖端。
因此，本發明之特點亦係基於使用由低合金化基於銠之合金製備之測試針以按非破壞性且安全之方式來接觸金墊或鋁墊之構思。
對適宜合金之要求如下：1)高導電及導熱率；2)優良耐氧化性；3)高硬度以保證較長使用壽命，且若適用，則對金墊僅有較小損害或無損害； 4)測試針高度筆直以供精確接觸；5)必須可易於處理，即適於在標準製程中自該合金製造直徑為0.05至0.15 mm、例如0.08 mm之線材；6)足夠彈性，此乃因針在接觸期間不應經歷變形。
該等要求係藉由本發明之基於銠之合金來滿足。
1‧‧‧測試針
2‧‧‧金墊
4‧‧‧載體/晶圓
6‧‧‧電導線
8‧‧‧電壓計
10‧‧‧RhZr0.2基於銠之合金
11‧‧‧RhZr0.5Y0.05Ce0.05基於銠之合金
12‧‧‧RhZr0.2Y0.005Ce0.005基於銠之合金
13‧‧‧RhZr0.5基於銠之合金
圖1顯示由本發明之基於銠之合金製備之本發明測試針1之剖面示意圖。
圖2用來展示本發明之基於銠之合金之硬化能力。
圖3藉助在多個退火溫度下之硬度量測顯示本發明合金之硬化能力。
與銥合金或摻雜太低且尖端必須磨利(此係通常需要手工實施之昂貴製程)之基於鉑之合金不同，本發明之基於銠之合金可經蝕刻，其比不可蝕刻之材料顯著節約。
根據本發明之尤佳實施例，本發明之基於銠之合金之特徵可在於，在合金中不僅將鋯添加至銠，且亦摻雜有小於500 ppm之釔及/或鈰。
本發明之基於銠之合金之微結構的與將鋯或鋯與其他金屬(例如鈰或釔)添加至合金相關之晶粒細化即使在高溫下亦阻礙晶粒生長，且因此在高達50 μm至150 μm之直徑範圍內實現優良變形性。該變形性之影響在於亦可在連續生產中以廉價方式製造自本發明之基於銠之合金製備之測試針。接觸墊之密度因技術要求而保持增加，從而使得亦需要減小測試針之直徑，此在使用本發明之基於銠之合金時可行。此外，添加上文所指定之元素產生與純銠不同之可硬化合金。此意味著材料可在變形至目標直徑後藉由退火來硬化。
在此背景下，本發明之基於銠之合金在硬拉條件下之硬度值係 500 HV至750 HV，而本發明之基於銠之合金在熱處理條件下之硬度值係在400 HV至650 HV範圍內。
總之，出於所給出之目的，添加少量鋯及上文所指定之其他元素(例如釔及/或鈰)僅在較小程度上對非合金銠之優良電性質造成不良影響。銠之電阻率(4.73 μΩ cm，36.5% IACS，相對於銅(100% IACS)之標準導電率)與本發明之基於銠之合金之電阻率(5.20 μΩ cm，33.2% IACS)相當。
根據本發明由Rh合金製備之低合金化測試針不僅提供優於所使用其他合金之導電率及導熱率，且亦提供以下優點：
該等測試針具有用於持續較低接觸電阻之優良耐氧化性。
該等測試針具有用於較長使用壽命之高硬度。
此外，本發明之基於銠之合金產生顯示高彈性及高筆直度以使得可用於精確接觸之測試針。
最後但並非最不重要的是，上文所闡述之本發明之基於銠的合金係與其可經蝕刻之主要優點相關。銠薄層之優良可蝕刻性有利於製造及維護測試針。用於使薄銠層結構化之蝕刻介質闡述於(例如)US 3,240,684 A中。
在下文中基於顯示示意圖之圖1及圖2及圖3中之兩條曲線來圖解說明本發明之實例性實施例，但不限制本發明之範疇。
在圖中，圖1顯示由本發明之基於銠之合金製備之本發明測試針1之剖面示意圖。將測試針1按壓在晶圓4上之金墊2上以測試由晶圓4產生之電子結構之品質。出於此目的，將測試針1經由電導線6及電壓計8連接至晶圓4之電子結構之另一部件(未顯示)。
若電子結構完整，則抵靠金墊2按壓之測試針1閉合電路。可使用電壓計8來檢測電路是否閉合。此外，亦可測試由此產生之電連接之品質。
在探針卡中，藉助卡體牢固連接複數個該等測試針1以藉由應用一次探針卡來測試複數個電連接。
亦可使用電壓計8來測試該等電連接之品質。已知相應測試程序為先前技術之一部分且此處不再詳細論述。
使用針對純銠之測試來證實製造供測試針使用之直徑高達0.08 mm之線材的可行性。然而，純銠顯示過高塑性特性。因此，按壓至欲測試表面上之由此製造之測試針在過低壓力下顯示塑性變形，即不可逆變形。
此外，製造多種低合金化基於銠之合金且測試鍛造特性。所有經測試合金皆顯示優良至極佳變形特性。
變形特性係經由鍛造及捲繞製程(熱/冷)來測試且合金之硬化能力係在高達500℃之溫度下測試。
所有合金皆變形而無撕裂且一些顯示顯著較佳之硬化能力，推測此與合金中之沈澱形成有關。在室溫下，硬度較478 HV之起始硬度增加高達51 HV(圖2)。因此，顯示本文所論述之基於銠之合金之一些代表滿足重要的基本先決條件以滿足上文所指定之要求。
以製造直徑(D)為0.080 mm之線材為目的處理適宜候選合金。出於此目的，在電弧或離子束熔融或電子束熔融中製造由相應預合金及99.9%純銠組成之合金。在1,200℃下將鑄錠熱鍛造若干輪。隨後，使鑄錠經歷有槽捲繞，且首先將線材熱拉至D=0.3 mm且然後冷拉至D=0.080 mm且在熱拉與冷拉之間反覆退火。
機械性質係使用拉伸測試及硬度分析經由以下來評價及/或量測：研磨，藉助線材撕裂頻率之處理，及以克為單位之整件分配，藉助溫度-硬度曲線來評價及/或量測硬化能力，及藉助在一段1,000 mm長之線材上之4點量測來評價及/或量測導電率。
表1：下表1藉由其各別組成界定純銠之參照A及四種不同的本發 明之基於銠之合金B至E：
圖2用來展示本發明之基於銠之合金之硬化能力。在測試中，該等合金中之一些合金因沈澱而顯示最高硬度及最強硬化。所指定合金化範圍包括本發明之基於銠之合金之其他合金組成。圖2之曲線顯示四種尤佳的基於銠之合金之維氏硬度(Vickers hardness,[HV10])對回火或退火溫度([℃])。最頂端曲線10顯示含有0.2重量%鋯之基於銠之合金(合金C)之硬度，在400℃下退火後具有第二高硬度之自頂端之第二條曲線11顯示含有0.5重量%鋯、0.05重量%釔及0.05重量%鈰之基於銠之合金(合金D)的硬度，在200℃下退火後具有第二高硬度之自頂端之第三條曲線12顯示含有0.2重量%鋯、0.005重量%釔及0.005重量%鈰之基於銠之合金(合金E)之硬度，且在200℃下退火後具有所有基於銠之合金中之最低硬度之自頂端之第四條曲線13顯示含有0.5重量%鋯之基於銠之合金(合金B)之硬度。此外，圖2顯示含有小於50 ppm污染物之退火純銠之硬度(虛線)。明確顯示本發明之基於銠之合金在200℃及以上之溫度下退火後之優越性。在每一情形下，退火皆進行30分鐘之退火時間。
在對本發明之基於銠之合金之測試中亦量測顯著改良之機械性質。該等測試係在硬拉條件下實施。
表2：銠及基於銠之合金之機械性質. 用於測定維氏硬度之測試壓模(stamp)之重量係0.025 g(HV0.025)。
此外，發現將鋯以及釔與鈰添加至銠顯著改良高達0.050 mm之細線材橫截面的可處理性。
表3：本發明合金及銠之可處理性：在保持製造條件不變之情形下測定每100米拉伸線材之線材撕裂數。亦顯示由此製造之線材之平均重量，即表明拉伸線材在撕裂之前可獲得之平均重量。
此處所呈現合金之硬化能力藉助在不同退火溫度下之硬度量測顯示於圖3中。在此背景下，圖3顯示維氏硬度(HV)隨退火溫度(℃)而變之變化。後續硬化使得最終硬度可在之後有所增加。此允許在對重整結果(例如測試針之筆直度)具有有益效應之較低強度下進行重整。此外，根據本發明，可使用硬化調節來調節材料在金墊或鋁墊中之應用。
由於在溫度處理後純銠之硬度降低，因此可首先使本發明之基於銠之合金經歷重整或用於製造測試針，且隨後可調節硬度及/或具體而言經由後續溫度處理提高硬度。
測試顯示在上文所指定之濃度範圍下使用之鋯對銠之可處理性及硬化具有有益效應。將鋯添加至合金(具體而言以0.2重量% Zr及0.5重量% Zr之量)使得可將本發明之基於銠之合金處理成直徑為0.080 mm之無撕裂線材。可獲得之硬度大於620 HV。作為測試針之應用需要450 HV至500 HV之硬度且可藉助後續調節-退火處理來調節本發明之基於銠之合金之硬度以優化測試針之筆直度。經釔及鈰摻雜亦提高硬度並改良可處理性。純銠或經製程相關量之高達100 ppm之鉑及銥污染之銠並未顯示此效應(參見圖2及圖3)。研發使用由該純銠製備之測試針處理成直徑為0.080 mm之無撕裂線材之可行性未達到適於大量生產之程度。
對由RhPt5Zr0.05及RhIr6Zr0.05製備之線材之彎曲測試顯示，材料之該等組成非常適於滿足對測試針彈性之特殊要求。
總之，發現本發明之合金家族係高導電性合金，其特徵在於其與市場上確立之鈀合金相比極高之導電率。
鈀及銠之導電率分別僅為9.26×106 A/(V m)及23.3×106 A/(V m)(40% IACS)，而含有0.2重量%鋯之基於銠之合金(合金C)經量測具有18.5×106 A/(V m)(32% IACS)之導電率，含有0.5重量%鋯、0.05重量%釔、及0.05重量%鈰之基於銠之合金(合金D)經量測具有16.8×106 A/(V m)(29% IACS)之導電率，含有0.2重量%鋯、0.005重量%釔及0.005重量%鈰之基於銠之合金(合金E)經量測具有18×106 A/(V m)(31% IACS)之導電率，且含有0.5重量%鋯之基於銠之合金(合金B)經量測具有18×106 A/(V m)之導電率。導電率係在下列條件下測定：4點量測，U=10 V且I=10 mA。自電壓降之量測值計算電阻。為計算%IACS值，使比導電率與退火銅之比導電率(100% IACS=58 MS/m)相關。
因此，儘管在溫度處理後本發明之基於銠之合金之硬度顯著改 良，但導電率僅略有降低。因此，本發明之基於銠之合金可製造比鈀更適於製造測試針之細線材，而由純銠製備之相應線材無法用於所述目的之製造。有利地，本發明之基於銠之合金允許在製造測試針後經由溫度處理使材料進行後續硬化。
將少量釔、鈰及鋯添加至銠顯著提高重結晶溫度且改良機械性質。此大概與銠-鋯相在晶界處之沈澱相關。銠由於具有對電接觸材料至關重要之高導電率而備受關注。
一些純元素及合金之導電率呈現在下文中。因此，銠合金因導電率之改良而受到關注。銥亦滿足該等要求，但該材料之蝕刻性不如本發明之基於銠之合金。此性質對針尖端之有效製造途徑至關重要。因此，可蝕刻本發明之基於銠之合金，而無須在費力程序以模具刻磨測試針。
導電率值如下：銅59×106 A/(V m)，銠23.3×106 A/(V m)，鉑9.43×106 A/(V m)，鈀9.26×106 A/(V m)，PtNi20(主要在亞洲用作標準品之合金)3.77×106 A/(V m)，及Pd35Ag30Au10Pt10CuZn 5.8×106 A/(V m)，其中後一合金為廣泛使用之測試針材料。
如上文所解釋，在電接觸技術中，導電率對材料之功能具有核心重要性。儘管本發明之基於銠之合金因添加有鋯(Zr)、鈰(ce)、釔(Y)而損失高達20%之導電率，但該合金與供測試針使用之已知合金相比具有極高導電率。該導電率顯著高於導電率低於7×106 A/(V m)之市售材料PtNi,PdAgCu。
各自含有小於100 ppm鋯及100 ppm至1.1重量%釔及鈰且剩餘部分為銠之基於銠之合金及含有1.1重量%鋯且剩餘部分為銠之基於銠之合金允許如上文所闡述拉伸線材，只是該線材頻繁撕裂(每100 m線材至少有17處線材撕裂)。由於該等合金因線材撕裂頻繁而不可能大量生產，故並未測定每一線材之最高分配。
基於本發明者對鉑及銥之可混溶性及可合金化性及對該等混合物及合金之材料性質的考慮，推斷將鉑及/或銥添加至本發明之基於銠之合金將對材料性質具有有益整體效應。因此，含有0.01重量%至1重量%鋯及0.01重量%至30重量%鉑及/或0.01重量%至30重量%銥之基於銠之合金係本發明之尤佳基於銠之合金。
自相應二元相圖可明瞭元素銠與來自4重量%鉑之量之鉑的完全可混溶性及元素銠與來自5重量%銥之量之銥的完全可混溶性，且因此推斷出在本發明之基於銠之合金中亦顯而易見。
將鉑添加至合金可減少本發明之基於銠之合金之彈性模數且增加彈性。此對於暴露於頻繁變化之負載之接觸組件、具體而言測試針係有利性質。
如上文所闡述，本發明合金之工業適用性在於，該等合金可用於製造用來製造具有高導電及導熱率且同時具有高硬度之且比由純銠及用於此目的之其他已知合金製備之測試針更適於量測積體電路(IC)之接觸之測試針之線材。與純銠相比，本發明合金之表面在作為如本發明所指定之測試針之應用中之經改良耐磨性及較少氧化尤其有利。
在先前說明以及申請專利範圍、圖式及實例性實施例中單獨或以彼此之任何組合揭示之本發明之特徵可對實施本發明之各個實施例至關重要。
1‧‧‧測試針
2‧‧‧金墊
4‧‧‧載體/晶圓
6‧‧‧電導線
8‧‧‧電壓計

Claims (15)

  1. 一種用於製造供測試針(1)使用之線材之基於銠之合金，其包括0.01重量%至1重量%鋯。
  2. 如請求項1之基於銠之合金，其中該基於銠之合金包括0.001重量%至1重量%釔及/或0.001重量%至1重量%鈰，較佳0.01重量%至0.5重量%釔及/或0.01重量%至0.5重量%鈰。
  3. 如請求項1或2之基於銠之合金，其中該基於銠之合金包括0.01重量%至30重量%鉑及/或0.01重量%至30重量%銥，較佳5重量%至30重量%鉑及/或4重量%至30重量%銥，尤佳5重量%至15重量%鉑及/或4重量%至15重量%銥。
  4. 如前述請求項中任一項之基於銠之合金，其中該基於銠之合金包括晶粒細化、具體而言等徑晶粒之微結構。
  5. 如請求項4之基於銠之合金，其中該基於銠之合金之平均粒徑係介於0.01 μm與2 μm之間，較佳介於0.02 μm與0.5 μm，尤佳介於0.05 μm與0.1 μm之間。
  6. 如前述請求項中任一項之基於銠之合金，其中該基於銠之合金具有350 HV至800 HV之硬度、較佳在硬拉條件下500 HV至750 HV之硬度及/或在熱處理條件下400 HV至650 HV之硬度。
  7. 如前述請求項中任一項之基於銠之合金，其中該基於銠之合金具有介於5 μΩ cm與5.5 μΩ cm之間之電阻率。
  8. 如前述請求項中任一項之基於銠之合金，其中該基於銠之合金具有面心立方晶體結構。
  9. 如前述請求項中任一項之基於銠之合金，其中該基於銠之合金包括0.05重量%至0.8重量%鋯，較佳0.1重量%至0.6重量%鋯。
  10. 一種測試針，其包括由如前述請求項中任一項之基於銠之合金製備之線材。
  11. 如請求項10之測試針，其中該線材具有20 μm至200 μm之直徑、較佳50 μm至150 μm之直徑、尤佳70 μm至90 μm之直徑。
  12. 如請求項10或11之測試針，其中將該線材電連接至電壓測試器，其中該電壓測試器可連接至或已連接至欲測試之電組件。
  13. 一種用於自金屬合金、具體而言自如請求項1至9中任一項之基於銠之合金製造測試針(1)之方法，其特徵在於自該金屬合金製造、具體而言拉伸或捲繞線材，且隨後經由溫度處理硬化材料，藉此藉助該溫度處理調節硬度，藉此自該線材形成該測試針(1)。
  14. 如請求項13之方法，其中該溫度處理係在介於150℃與600℃之間之溫度、較佳介於200℃與400℃之間之溫度下進行，且其中該溫度處理進行至少10分鐘之時間段。
  15. 如請求項13或14之方法，其中該測試針(1)之尖端係經由蝕刻形成。
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