1342872 (1) 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明是關於半導體製造及測試以及電子封裝。 【先前技術】 個體半導體（積體電路）裝置（晶粒）典型係使用光 微影術，沈積，及其類似的已知技術由建立數個一致的晶 粒於半導體晶圓上產生。通常，這些處理係想要在自半導 體晶圓切單（切斷）個體晶粒之前建立多個全功能積體電 路裝置。然而，實際上，晶圓本身的某些物理缺陷及晶圓 的處理中某些缺陷不可避免地引至一些晶粒是”好的“）。 通常想要在它們封裝之前，且最好在它們自晶圓被切單之 前，能夠識別晶圓上多個晶粒的哪個是好晶粒。 爲這目的，晶圓測試系統也許係有益地用以使多個分 離的壓力連接成像多個分離的連接墊（接合或接觸墊）於 _ 該晶粒。以此方式，半導體晶粒在自晶圓切單晶粒之前可 被測試且運用。晶圓測試系統習知的元件是可能包括耦合 測試處理電路及探針元件間的電信號的一些元件的”探針 卡probe card組件“（亦稱爲，，探針卡“）。探針元件在測 試及內燃期間有影響壓力連接至半導體晶粒的個別墊的尖 端。 圖1是習知測試系統1 00的簡圖。測試系統1 00包括 夾盤1 10，晶圓120，測試下裝置（DUT) 125 ,探針元件 130 ’探針卡組件140以及測試器15〇。夾盤丨10支撐晶圓 -4- (2) 1342872 1 2 0。夾盤1 1 〇係耦合於在測試期間定位探針元件1 3 〇有 關的DUT 125控制機制（未顯示）。晶圓120包括一或更 多D U Τ 1 2 5。例如，D U Τ 1 2 5可能是在製程中進行測試的 晶圓1 20上製造的一些半導體晶粒。 探針卡組件1 4 0定位於晶圓1 2 0及測試器1 5 0之間。 耦合探針元件130及測試器150間的信號是由於探針卡組 件140的關係。在測試期間，探針元件130的探針尖端 135在預定位置定位的墊126接觸各DUT 125。測試器 1 5 0接著執行任意數目習知的測試例行程序。 圖2顯示進一步詳細地探針卡組件1 40範例。探針卡 組件140包括空間變壓器210，介片220，印刷電路板（ PCB) 230。互接元件215耦合空間變壓器210及介片220 。互接器22 5耦合介片220及印刷電路板230。要注意的 是爲清楚起見僅兩互接元件215及兩互接元件22 5被顯示 ，然而，可使用許多這樣的互接元件215，225。探針元件 1 3 0的電信號係經由空間變壓器2 1 0帶至互接元件2 1 5， 至介片220，至互接元件225，且最後至PCB 230。PCB 23 0接著與如圖1所示之測試器I 50協調。類似地，包括 測試命令的電信號及由測試器1 5 0發出的信號測試式樣通 過PCB 230，互接元件225，介片220，互接元件215，空 間變壓器2 1 0，且最後至探針元件1 3 0。 隨同時被測試的DUT 125數目增加且各DUT 125的 接觸墊126的數目及間距增加，探針元件130的數目及它 們的密度增加。空間變壓器2 1 0主要包括被動電路元件如 -5- (3) 1342872 接線或其它電導線管作爲耦合自探針元件1 3 0的信號 大幾何空間的互接元件215。電容器有時也係用在空 壓器210以進一步決定電信號通過那裏。簡單地，低 電子元件如繼電器有時也係用以允許個別DUT 125上 的測試的電源開及關的分開控制。 介片220耦合遊走於互接元件215及225間的信 介片2 2 0是選擇性的且係當空間變壓器2 1 0的位置係 直於晶圓（如，晶圓120 )的表面的”ζ”方向調整時用 一步維護校正。PCB 230耦合互接元件22 5及測試器 間的信號。P C Β 2 3 0可包括任何類型支持測試的電子 。例如，PCB 230經常包括介面單元以耦合信號至測 150上的埠及自測試器150上的埠的信號。PCB 230 包括對於特定數目的預期測試下裝置而將由測試器1 ί 測試式樣發送的信號轉換成指定處理中真正數目的測 裝置。以此方式，如果測試器1 50係組構以對於64 在64通道發送測試式樣且僅32 DUT係出現在特別處 ，PCB 230可包括處理電路以在適當的32通道發出 式樣。要注意的是探針卡組件1 40係示例。通常，不 型的探針卡組件以不同元件及組態存在。例如，某些 卡組件不包括介片且某些探針卡組件也許不包括印刷 板。 探針卡組件1 40的一設計目的是提供一致的輸出 至測試器1 5 0。數種因素正增加根據探針卡組件1 40 的需求。首先，輸出入（I/O )速度繼續增加。因此 至較 間變 功率 執行 號。 以垂 以進 150 電路 試器 也可 丨〇以 試下 DUT 理中 測試 同類 探針 電路 信號 所做 ，測 (4) 1312872 試器1 5 0的時脈速率繼續以將MHz範圍增加至甚至GHz 範圍。第二，探針元件130的數目及密度繼續隨著dUT 125上引線（亦稱爲墊）數增加而增加。進一步，DUT 1 2 5的墊及間距大小繼續降低，藉此增加接觸探針元件 130的密度。根據探針卡組件140的這些需求使提供一致 的輸出信號更困難。問題如接腳對接腳歪斜，上升時間的 差異，以及隨著電信號在測試期間遊走通過探針卡組件 1 40時其它衍生可能發生。當電信號必需遊走於探針元件 1 30及測試器1 50間廣闊的路徑時，此問題被惡化。 處理增加根據探針卡組件1 4 0需求的方法是倂入額外 硬體在探針卡組件1 40以實行測試功能。例如，主動式電 子元件可被裝在印刷電路板230上。這些主動式電子元件 可實行某些測試功能。以此方式，電信號路徑的長度被減 少，因爲某些電信號在被處理之前僅需要自探針元件130 遊走至PCB 23 0。此解答可能有點是限定的優點，然而， 因爲探針元件130及PCB 23 0間的電路徑也許仍太大以致 於無法充分地減少寄生。因此想要能定位可支援測試功能 甚至更接近探針元件130的主動式電子元件。然而，將主 動式電子元件移動接近於探針元件130導致迄今在探針卡 組件中未面對的設計問題。特別地，探針元件1 3 0的密集 封裝建構將需要主動式電子元件同樣被密集地封裝。在其 它事情之間，此導致在探針卡組件之前未遭遇的熱度問題 關於晶圓的熱度問題已被認知。不同的測試系統曾提 (5) 1312872 供晶圓的冷卻機制。冷卻機制係提供以控制溫度且維護晶 圓各處的過熱。例如，在某些測試及內燃應用中特定溫度 條件必需被維持。也見美國專利案號5,198,752，發至
Miyata等人以及美國專利案號6，140,616，發至Andberg 〇 一旦DUT 125被測試，它們被切單成塊。電子封裝可 外封一或更多晶粒’然而，晶粒上的主動式電子元件在操 作期間產生熱。這樣的熱需要自封裝移除以避免過熱及效 能受減。隨著想要被外封在單一封裝的晶粒數增加且各晶 粒的操作負載增加，熱管理的需要變更大。例如，熱管理 是顯著的關於包括在相當小區域中多重晶粒的高密度封裝 。進一步，晶粒係連續地預期以包括更多數目的主動式電 子元件如電晶體，且以更大的時脈速率及輸出入（I/O ) 速度操作。散熱的需要以高時脈速率實行顯著的處理作業 的晶粒在高密度封裝中更形重要。 i 由IBM公司及NEC公司發展的兩習知的方法提出在 高效能電腦中封裝層次基礎上散熱的問題。IBM的方法使 用熱導模組（TCM )以冷卻高密度flip晶片多晶片模組（ MCM )。然而，此方法係受限於背面冷卻。NEC的方法提 供液態冷卻模組（L C Μ )。然而，這些L C Μ僅接觸整個 封裝的外表。在此例中也是，冷卻封裝外表不直接冷卻封 裝中flip晶片接合晶粒的作用面。不規則的熱量梯度及熱 斑塊在晶粒各處可能仍上升。見，如，重點在多晶片模組 的進階電子封裝，由W. Brown編輯，第1 3章，”主機封 -8 - (6) 1312872 裝：熱導模組“，由 I.E.E.E·印製，Piscataway,NJ，1999,pp. 4 92-50 5。電子封裝內主動式電子元件更有效的冷卻係需 要的。 【發明內容】 本發明提供探針卡冷卻組件及經冷卻的半導體封裝。 探針卡冷卻組件或封裝包括一或更多晶粒。各晶粒係由存 在經冷卻封裝內的冷卻劑直接地在一或更多側冷卻。以此 方式，晶粒一或更多表面上由主動式電子元件產生的熱係 自主動式電子元件轉離。根據本發明的探針卡組件或封裝 這樣的晶粒表面的直接冷卻最小化各晶粒各處的溫度變化 且減少電參數變化；因此，改進了如上升時間及接腳對接 腳歪斜的輸出測試信號特徵的一致性。晶粒表面上的熱斑 點被減少或消除，允許晶粒的操作溫度範圍被增加。 在一實施例中，經冷卻的封裝包括封閉空腔的外罩。 外罩有至少一允許冷卻劑環繞於空腔內的冷卻劑埠。各晶 粒係裝在環繞冷卻劑之經封閉且密封的空腔內的基底上。 在一範例中，一晶粒係裝在外罩的空腔內。在另一範例中 ，多片晶粒係裝在外罩的空腔內。在另一範例中，高密度 經冷卻封裝被提供，其中密集地經封裝晶粒的陣列係在外 罩的空腔內整備。探針卡組件中高密度經冷卻封裝對於某 些實施例在附加電子元件支援測試操作可被緊密地定位在 或在探針元件附近進一步是有利的。在一較佳範例中，高 密度經冷卻封裝包括所裝的密集地經封裝晶粒的陣列以致 -9- (7) 1312872 於主動式電子元件的晶粒表面面對外罩的空腔內的基底。 在一範例中，經冷卻封裝的外罩包括由密封物耦合的 頂及底基底。冷卻系統係耦合於冷卻劑循環系統以提供液 態或氣態冷卻劑進出一或更多外罩中的冷卻埠。在一建構 中，外罩包括兩冷卻埠。例如，兩埠如單向流閥可以0環 密封提供耦合頂及底基底。一埠使冷卻劑流進空腔且另一 埠流出空腔。以此方式，熱係直接地轉離晶粒的作用表面 〇 根據進一步的特性，一或更多晶粒包括耦合於至少一 基底的依從互接。此依從互接允許冷卻劑繞著空腔內晶粒 的所有表面循環而維持有效結構以及於各晶粒及基底間的 電接點。本發明的較佳實施例中，依從互接是耦合晶粒至 底基底的彈簧式端子接點。晶粒可被焊接至彈簧式端子接 點或由與設置在槽組構中的校正輔助的摩擦接觸固定。彈 簧式端子接點提供允許液態或氣態冷卻劑運轉於基底及各 晶粒一或更多側之間柔韌，有彈力的支座絕緣子，包括與 晶粒的作用表面直接接觸以對於高功率應用提供均勻冷卻 。此彈簧式端子接點允許冷卻劑循環及熱轉離晶粒的作用 表面，甚至在包括一或更多裝設以面對外罩的空腔內基底 的晶粒的本發明實施例中。 根據進一步的特性，非接觸依從互接也係設在晶粒表 面。非接觸依從互接可能是任何類型的依從互接如彈簧。 這些非接觸依從互接不接觸基底，但作用以將熱導離晶粒 表面的區域。此進一步改進根據本發明經冷卻封裝中晶粒 -10- (8) 1312872 的冷卻。 一實施例中，經冷卻的封裝包括一或更多以堆疊晶粒 建構裝設的晶粒。在此建構中，一或更多晶粒是接合於頂 基底的覆晶。頂基底接著係由依從互接耦合至底基底。 在根據本發明的經冷卻封裝的一實施例中，一或更多 晶粒及外部元件間的電連接係在底基底的周邊透過輸出接 點達成。在另一實施例中，一或更多晶粒及外部元件間的 電連接係在頂基底透過輸出接點達成。根據進一步的特性 ’附加電連接可直接地跑過於頂及底基底間的經冷卻封裝 〇 本發明的優點是本發明的實施例可包括用在定位直接 經冷卻封裝在或探針元件附近的測試系統的探針卡冷卻組 件。一或更多晶粒接著可實行高功率應用如在或探針元件 附近的測試操作。附加的主動式電子元件在或探針元件附 近可被包括在一或更多晶粒而不會達到使測試信號品質惡 化到不可接受程度的過熱狀況。放主動式電子元件在或探 針元件附近而非在更遠的測試器也減少信號的傳導路徑且 進一步增加效能。在一實施例中，提供了定位主動式電子 測試元件在探針元件附近的例行程序。此例行程序包括密 封主動式元件在封裝中，耦合該封裝於探針元件，以及在 測試中主動式元件的操作期間經冷卻劑循環於封裝。 根據本發明直接冷卻的探針卡冷卻組件的一附加優點 是維護及修理的拆卸是容易的。根據本發明直接冷卻的探 針卡冷卻組件的另一優點是組裝是不貴的。另一優點是在 -11 - (9) 1312872 某些實施例中對封裝的頂及底部可做電互接。 進一步，本發明的另一實施例中，根據本發明的探針 卡冷卻組件或封裝包括具有一或更多散熱器的冷卻構件及 經冷卻封裝如冷卻散熱片。經冷卻封裝包括封閉空腔的外 罩。冷卻劑塡充空腔。一或更多晶粒係裝在空腔內的基底 且係直接地由環繞冷卻劑冷卻。然而，在此實施例中，熱 係由一或更多散熱器轉離至冷卻構件。 本發明進一步的特性及優點，以及本發明的各種實施 例的結構及操作，係參考附圖於下詳細地說明。 【實施方式】 內容的表格 1. 槪述及討論 2. 技術 3. 探針卡冷卻組件 4. 具有一或更多晶粒的經冷卻封裝 5. 高密度經冷卻封裝 6 .在探針元件附近具有主動式電子元件的例行程序 7.彈簧式端子接點的類型 8 .附加實施例 9 ·具有一或更多晶粒的經冷卻封裝 10.結語 下列說明是目前打算實踐發明的最佳模式。本說明不 是採取限定的意思，但僅係做爲說明本發明一般原理的目 -12- (10) 1312872 的。本發明的範圍應係參考申請專利範圍而斷定。發明的 說明中遵循，類似的數字或參考表示式在整個規格書中將 用以參考類似的零件或元件。 1. 槪述及討論 本發明提供探針卡冷卻組件或經冷卻半導體封裝。探 針卡冷卻組件包括具有一或更多晶粒的經冷卻封裝。各晶 粒係由出現在經冷卻封裝內的冷卻劑直接地冷卻一或更多 側。參考經冷卻高密度封裝而說明本發明的實施例。本發 明可包括但不限於經冷卻高密度封裝。通常，根據本發明 的探針卡冷卻組件在經冷卻封裝內可僅包括一晶粒或多個 以任何組構或佈局建構的晶粒。 本發明是就測試系統環境而說明。例如，本發明可與 商用測試系統或自 Teradyne，Advamtest，Electro-Glass， TSK，TEL，Agilent其它製造商的測試器一起使用。這些 術語的說明係僅爲便利而提供。不是想要使發明受限於這 些範例環境的應用。事實上，讀了下列說明後，那些熟知 此技藝之人如何在另一現在已知或未來發展的環境製作發 明將變得明顯。 2. 技術 爲清楚地描述本發明，整個規格書中盡力儘可能堅持 下列術語一致性。 術語”晶粒”指的是任何積體電路，晶片，矽晶或其它 -13- (11) 1312872 半導體或電子裝置。 術語”互接”及”互接元件’，指的是任何電連接’包括但 不限於依從互接。 術語”依從互接“指的是非硬質的電連接’但不限於， 自FormFctor公司用的彈簧式端子接點及在此說明的彈簧 式端子接點的類型。 術語”主動式電子元件“指的是任何包括但不限於電晶 體，開關，電阻，邏輯閘，或積體電路的熱產生電子元件 〇 用作說明本發明的術語”主動式電子元件的直接冷卻” 指的是以放在與主動式電子元件的熱接觸的冷卻劑而影響 主動式電子元件。 3 .探針卡冷卻組件 圖3 A是包括根據本發明的探針卡冷卻組件3 02的探 針卡組件3 0 0的圖。探針卡組件3 0 0進一步包括探針元件 3 05，介片3 02，以及印刷電路板33 0。探針卡冷卻組件 3 02係耦合於探針元件3 05及電互接3 15之間。介片320 係耦合於電互接3 1 5及電互接3 2 5之間。印刷電路板3 3 0 係耦合於電互接3 2 5及電腦（未顯示）之間。探針元件 3 0 5可包括，但不限於’鎢針，立式探針，眼鏡蛇式探針 (cobra probe )，L型探針，撞針，彈簧式端子接點探針 ，以及於構件上形成的接觸撞擊探針。電互接3 1 5及3 2 5 可能是任何類型的電互接。在一較佳實施例中，使用了依 -14- (12) 1312872 從互接。例如，依從互接可在commonly-assigned美國專 利案號5,974,662，發給Eldridge等人（見，例如，圖5 的探針卡組件5 00 )被用作說明，在此整個內容併入參考 。介片320及印刷電路板3 3 0係示例的且不想要限制發明 。例如介片320及印刷電路板3 3 0可被省略，且探針卡冷 卻組件320係直接耦合於電腦或測試器系統的其它裝置。 探針卡冷卻組件3 02包括作用探針頭3 1 0，冷卻劑循 環系統3 1 2，以及冷卻系統3 1 4。作用探針頭3 1 0是包括 —或更多主動式電子元件（在圖3A中未顯示）。。封裝 包括封閉空腔3 1 3的外罩3 1 1。在實施例中，作用探針頭 3 1 0是具有多個以緊密組構建構的晶粒的高密度封裝。具 有一或更多晶粒的經冷卻封裝的範例係參考圖3 B -3 D於下 說明。根據本發明用在作用探針頭3 1 0的經冷卻高密度封 裝進一步的範例係參考圖4-6於下說明。 經冷卻封裝的外罩進一步包括耦合於冷卻劑循環系統 的冷卻劑埠3 1 7，3 1 9。冷卻劑埠3 1 7允許冷卻劑進入如方 向箭頭316所示的空腔313。冷卻劑埠319允許循環的冷 卻劑退出如方向箭3 1 8所示的空腔3 1 3。冷卻劑在空腔 313中循環且直接地接觸主動式電子元件。主動式電子元 件可被定位在或一或更多晶粒表面的附近以致於熱係自該 表面轉離至冷卻劑。並且，在實施例中，冷卻劑可直接地 接觸晶粒一或更多側大部分或所有的表面積。 冷卻系統3 1 4係經由冷卻劑循環系統3 1 2耦合於作用 探針頭3 1 0的冷卻劑埠3 1 7，3 1 9。冷卻劑循環系統3 1 2可 -15- (13) 1312872 能是任何類型的管線或導管作爲將冷卻劑帶至作用探針頭 3 1 0及冷卻系統3 1 4且自作用探針頭3 1 0及冷卻系統3 1 4 帶出。冷卻系統3 1 4是任何類型習知的冷卻系統作爲循環 冷卻劑且轉移熱。多重冷卻劑埠及機械裝置可能係用以均 勻地散佈冷卻劑於空腔內或以特別方式散佈冷卻劑。也可 使用一雙向冷卻劑埠。在一範例中，貯液態冷卻劑的箱係 用在冷卻系統3 1 4中。幫浦係用以驅趕液體至冷卻劑循環 系統1 2及自冷卻劑循環系統3 1 2驅趕液體。冷凍櫃線圈 係設在箱中以冷卻冷卻劑至想要的溫度。如果想進一步的 控制冷卻劑的溫度，加熱線圈也被加至箱中。 冷卻系統3 1 4可循環任何類型的液態冷卻劑及或氣態 冷卻劑。冷卻劑的範例類型包括，但不限於，乙烯乙二醇 ，液態氮，碳氟化合物，全氟化物（FLORINERT )，二氯 二氟代甲烷，以及二氯二氟代甲烷及不結凍液體的組合。 圖3B顯示探針卡冷卻組件3 50的另一實施例。探針 卡冷卻組件3 5 0包括在晶粒大約想要的作業溫度沸騰的液 態冷卻劑。冷卻劑係經由冷卻劑循環系統3 1 2抽吸入外罩 3 60內的空腔以致於一或更多晶粒3 62係浸在冷卻劑水平 面3 64下的液態冷卻劑中。在測試作業期間，各晶粒3 62 也許產生足夠的熱以造成晶粒的作用表面附近微沸。此微 沸轉轉一些液態冷卻劑成氣態。此提供額外的優點在於環 繞各晶粒3 62的液態冷卻劑在沸騰期間通常留在常溫。此 也作爲增加晶粒的作業溫度範圍。圖3 C是示例液態冷卻 劑一般在沸騰範圍3 70期間如何保留在常溫的原理的範例 -16- (14) 1312872 繪點。液態及氣態（或僅氣態）的組合接著退去外罩3 6 Ο 且遊走過冷卻劑循環系統312至液化器3 52。液化器352 在將冷卻劑抽吸或循環回外罩3 60之前將冷卻劑自氣相轉 回液相。 可用在作用探針頭3 1 0的經冷卻封裝的範例現在將參 考圖3 D及4 - 6進一步詳細地說明。這些範例是示例且不 想限制本發明。 4 .具有一或更多晶粒的經冷卻封裝 圖3D是根據本發明進一步的實施例可用在作用探針 頭的經冷卻封裝的圖。經冷卻封裝3 8 0包括由室3 8 1及底 基底3 82組成的外罩。室381可能係陶瓷，壓印金屬（ stamped metal )，鑄模塑膠，澆鑄金屬等做的。底基底 3 82可能是任何類型的基底包括，例如，但不限於，FR-4 ，陶瓷，銅-因鋼-銅（copper-invar-copper)做的基底等 〇 一或更多晶粒3 62係耦合於底基底3 82的表面且定位 在室381的空腔3 83內。一晶粒3 62也許被使用如圖3D 所示。另外，也許使用多個晶粒362。晶粒362可能以任 何想要的佈局於底基底3 8 2的表面上而建構。各晶粒3 6 2 係經由個別的互接388而耦合於底基底382。互接388可 能是任何類型的電互接元件，包括但不限於依從互接。依 從互接的範例係進一步說明於下。在一較佳實施例中，各 晶粒3 62係經由各群依從互接3 8 8而耦合於底基底3 82。 -17- (15) 1312872
晶粒3 62係進一步裝設以致於晶粒3 62的作用表面 向底基底3 82的內側。探針元件305自底基底382 延伸以致於探針元件3 0 5上的尖端與晶圓上的DUT 示）嚙合。 在圖3D中，顯示了兩冷卻劑埠384，386。冷 3 84允許自冷卻系統314的冷卻劑如方向箭頭387 進入室3 8 1。冷卻劑埠3 8 6允許室3 8 1內的冷卻劑 箭頭3 8 9所示地退出冷卻系統3 1 4。在一範例中， 埠3 84，3 8 6是單向流體流動閥。在一範例中，可 何類型的一埠或許多埠。此埠及/或其它機械裝置 冷卻劑單向或雙向流動。 室3 8 1的空腔內，冷卻劑自由地繞著互接3 8 8 3 62的所有側面循環。冷卻劑直接地冷卻晶粒3 62 動式電子元件。以此方式，本發明減少遍佈各晶粒 度的大小且使剩餘的熱量梯度（若有）更均勻地遍 粒。熱斑點被減少或消除。晶粒操作溫度範圍被增〕 根據本發明的一特性，晶粒3 62最好係沿著平 基底382的平面以及測試下晶圓（未顯示）及探 3 0 5的平面的平面建構。經冷卻封裝3 8 0有直接地 底基底3 82的探針元件3 05。進一步，部分或所有 路及處理可倂入一或更多晶粒3 62。以此方式，自 件3 05至作用測試電路的電路徑的距離被最小化。 化遍佈以直接冷卻晶粒的溫度變化且最小化在其上 信號的電路徑長度，經冷卻封裝3 8 0減少電參數變 3 8 5面 的外面 (未顯 卻劑埠 所示地 如方向 冷卻劑 使用任 可允許 及晶粒 上的主 熱量梯 佈各晶 IP ° 行於底 針元件 輔合於 測試電 探針元 由最小 遊走的 化及寄 -18- (16) 1312872 生，且提供輸出信號特徵經改進的均勻性如上升時間及接 腳對接腳歪斜。 經冷卻封裝380進一步包括耦合於底基底382的—表 面的輸出接點（未顯不）。輸出接點可設於底基底382或 室3 8 1上。經冷卻封裝3 8 0的任何類型的輸出接點可被使 用包括’但不限於’任何類型的互接元件，如，彈簧式端 子接點’接腳’焊柱，幫浦，接點元件，等等。示範的輸 出接點進一步係參考用在圖4 -6的高密度經冷卻封裝的互 接元件說明。 5 .高密度經冷卻封裝 圖4A是根據本發明實施例的高密度經冷卻封裝400 的圖。高密度經冷卻封裝400由底陶瓷基底410及頂陶瓷 基底420組成的外罩。頂及底陶瓷基底410及420係由封 劑440密封且封閉空腔4〇2。封劑440可能是可留住冷卻 劑任何類型的封劑。在一範例中，封劑440是Ο環。 晶粒4 3 0 a- 4 3 0 c的陣列係耦合於空腔4 0 2內底陶瓷基 底4 1 0的表面。任意數目的晶粒4 3 0也許係用以覆蓋底空 腔4 02內底陶瓷基底410的表面上的可用表面積（亦稱爲 經冷卻封裝元件面積）。在一實施例中，64晶粒係提供在 密集地經封裝，多晶片建構。 在一較佳實施例中，各晶粒43 0a-43 0c係經由個別依 從互接432a-432c而耦合於底陶瓷基底410。晶粒430係 進一步裝設以面對底陶瓷基底410。特別地，晶粒430a的 -19- (17) 1312872 作用表面。其它晶粒43 0b-403c的作用表面類似地面對底 陶瓷基底4 1 0。 圖4A中，顯示了兩冷卻劑埠442及444。冷卻劑埠 4 42允許自冷卻系統3 14 (未顯示在圖4A中）的冷卻劑進 入空腔402。冷卻劑埠444允許空腔402內的冷卻劑回流 向冷卻系統314。在一範例中，冷卻劑璋442，444是單向 流體流動閥。在空腔402內，冷卻劑自由地繞著依從互接 432及晶粒430的所有側面循環。以此方式，本發明減少 遍佈各晶粒熱量梯度的大小且使剩餘的熱量梯度更均勻地 遍佈各晶粒。熱斑點被減少或消除。 晶粒43 0最好係沿著平行於底陶瓷基底410的平面以 及晶圓及探針元件305的平面的平面建構。高密度封裝有 直接地耦合於底陶瓷基底4 1 0的探針元件3 0 5。進一步， 部分或所有測試電路及處理可倂入晶粒43 0。以此方式， 自探針元件3 0 5至作用測試電路的電路徑的距離被最小化 。由最小化遍佈以直接冷卻晶粒的溫度變化且最小化在其 上遊走的信號的電路徑長度，高密度封裝400減少寄生且 提供輸出信號特徵經改進的均勻性如上升時間及接腳對接 腳歪斜。 高密度封裝40 0進一步包括耦合於底陶瓷基底410的 一表面的輸出接點413。輸出接點413係設於底陶瓷基底 4 1 0的邊緣區域且係電耦合於互接元件4 1 5。在一範例中 ，輸出接點4 1 3可能是基板柵格陣列（LG A )圖樣。互接 元件4 1 5可能是任何類型的電互接元件，包括但不限於依 -20- (18) 1312872 從互接。互接4 1 5進一步係耦合於任何外部元件。在測試 環境中，互接4 1 5可能係耦合於介片或印刷電路板，或測 試系統中另一外部元件。 圖4B是顯示根據本發明實施例以堆疊建構裝設的晶 粒430a，430b。晶粒430a，430b係接合於頂基底420的 覆晶。頂基底420接著係由依從互接482耦合至底基底 4 1 0。堆疊晶粒建構可以在此說明的經冷卻封裝，包括但 不限於高密度經冷卻封裝，製作。冷卻劑繞著晶粒43 0a， 430b循環以直接地冷卻晶粒表面。 圖4 C是示例根據本發明進一步的特性設在晶粒表面 43 0a上的非接觸依從互接494的圖。冷卻劑繞著晶粒 43 0a ’依從互接432a，以及非接觸依從互接494循環以直 接地冷卻晶粒表面。非接觸依從互接4 9 4可能是任何類型 的依從互接如彈簧。如圖4 C所示，非接觸依從互接4 9 4 不接觸底基底410，但作爲直接將熱帶離晶粒表面的區域 。此進一步改進根據本發明經冷卻封裝中晶粒的冷卻。具 有非接觸依從互接的一或更多晶粒的此建構可以任何在此 說明的經冷卻封裝’包括但不限於高密度經冷卻封裝，製 作。 圖5是根據本發明進一步的實施例高密度封裝的圖。 高密度封裝500包括封閉空腔502的外罩。外罩包括底陶 瓷基底510及頂陶瓷基底520。頂及底陶瓷基底510及 5 2 0係由封劑4 4 0耦合在經密封的封裝。冷卻劑璋4 4 2及 444允許液態冷卻劑經由空腔5 〇2循環，如以上參考圖4 -21 - (19) 1312872 說明。在測試環境中，底陶瓷基底5 ! 〇係耦合在探針元件 3 0 5的一表面上。底陶瓷基底5丨〇的另一表面係經由依從 互接432耦合至晶粒43 0。 不像封裝400，封裝500包括設於頂陶瓷基底520的 頂面5 2 1的輸出接點5〗3。輸出接點5丨3，例如，可能是 LGA圖樣（如圖6所示）。而且，互接515係經由空腔 5 〇 2設於頂及底陶瓷基底$ i 〇，5 2 〇之間。如想要可提供任 意數目的互接515。封裝500有關於封裝4〇〇以上說明的 所有優點’其中晶粒4 3 〇的熱量梯度被減少且自探針元件 至晶粒43〇的電路徑是相當短。封裝5〇〇是更加緊密 ’其中輸出接點不必要被設於底陶瓷基底51〇的頂表面上 。取而代之’輸出接點5 i 3係設於頂陶瓷基底5 2 〇的頂表 面521上。以此方式，電信號可通過輸出接點513至外部 元件如圖5所示的彈簧式端子接點介片。圖5所示的實施 例中’介片550有基底552，連接基底552的表面至輸出 接點5 1 3的第—組互接5 54，以及自連接另一元件（未顯 示）的基底552的對面延伸的第二組互接556。介片55〇 是選擇性的’且通常，輸出接點5 i 3可能係耦合至測試系 統中任何外部元件或其中電子封裝環境。 圖6是根據本發明進一步實施例的高密度封裝6〇〇的 圖。高密度封裝600是與封裝500 —樣，除了晶粒430係 以槽組構而耦合至底陶瓷基底5丨〇外。晶粒校正杆6 7 0及 672係對於各晶粒43〇提供。圖6中，晶粒校正杆670a及 6 7 2 a係設於晶粒4 3 0 a的對側。晶粒4 3 〇 &係由與晶粒校正 -22- (20) 1312872 杆670a及612a的摩擦接觸，且由依從互接432a及680a 固定，以維持它的位置。特別地，依從互接6 80a提供向 下壓力以固定晶粒430s在槽中適當的地點。設於空腔502 內的冷卻劑仍能夠在晶粒43 0的曝露側循環。即使圖6顯 示關於高密度封裝500的晶粒的槽組構，本發明不是如此 限制。特別地，槽組構也可由提供晶粒校正杆而被用在具 有任何數目晶粒或任何佈局晶粒的任何經冷卻封裝中。 6. 在探針元件附近具有主動式電子元件的例行程序 圖7是根據本發明實施例（步驟71 0-730 )在探針元 件附近具有主動式電子元件的例行程序700的流程圖。步 驟710中，主動式電子元件係密封在封裝中。這些 ACE 可實行測試器中實行部分或所有功能以測試DUT。步驟 72〇中，封裝係耦合於探針元件。步驟73 0中，冷卻劑係 在測試中的主動式元件操作期間經由封裝循環以減少遍佈 晶粒的熱度變化。 -23- 1 彈簧式端子接點的類型 根據本發明進一步的特性，彈簧式端子接點係用在經 冷卻封裝內以耦合一或更多晶粒至基底。此彈簧式端子接 點有優點在於它們允許冷卻劑繞著晶粒的所有側面及繞著 彈簧式端子接點本身循環而不損害晶粒及基底間的電連接 。彈簧式端子接點不完全是硬質的且在循環冷卻劑的出現 中可維持它們的物理完整性。而且，彈簧式端子接點可加 (21) 1312872 強直接冷卻隨著它們允許有冷卻劑循環的長度且即使晶粒 係裝設以面對基底時晶粒作用表面的散熱。彈簧式端子接 點本身也是相當強的且不需要將減少直接由循環冷卻劑冷 卻的晶粒上的表面積的其它材料或環氧化物的使用。 任何類型的彈簧式端子接點可被用在根據本發明進一 步特性的經冷卻封裝彈簧式端子接點（亦稱爲接觸彈簧或 彈簧）可包括，但不限於，自FormFactor公司，Delaware 公司的任何現在或未來可用的彈簧式端子接點。圖8-11 是三類可用在經冷卻封裝的示範彈簧式端子接點的圖。三 類彈簧式端子接點係接線接合，多部分光微影術，以及整 體形成的彈簧。 圖8-11是三類可用在經冷卻封裝的示範彈簧式端子 接點的圖。第一類是接線接合彈簧。圖8A示例也許係縛 於基底802上的輸出入端子804的示範導電彈簧式端子接 點810。示範彈簧式端子接點810包含可快速成形材料做 的內核83 0以及彈性材料做的塗覆材料832。彈簧式端子 接點810最好係由接合內核83 0至輸出入端子804的接線 做的。因爲內核83 0係可快速成形材料做的，內核也許係 大槪任何可想像的形狀形成的，包括不限於具有如圖8 B 所示的方向彎曲或改變的形狀，及具有方向多重改變的形 狀。接著，塗覆材料832係應用於內核83 0。塗覆材料 8 3 2給予彈簧式端子接點8 1 0彈性。彈簧8 1 0的許多變化 是可能的。例如，額外層的材料也許係爲了各種目的而加 至彈簧式端子接點。 -24- (22) 1312872 圖8B顯不具有兩彎管的示範彈簧810，。 彈蓄810, 包括可快速成形材料做的內核83 0,以及彈性材料做的塗覆 材料83 2’。彈簧式端子接點810,最好係由接合內核83 0, 至輸出入端子804’的接線做的。接著’塗覆材料832,係應 用於內核83 0’。此彈簧式端子接點進一步的範例係在在此 整個內容倂入參考的 commonly-assigned 美國專利案號 5,476,211，5，917,707，以及 6,110,823 中說明。 圖9A’ 9B’ 10A-10C及11示例以微影術而非由圖 8A及8B所示的接線接合技術做的彈簧式端子接點。此彈 簧式端子接點係使用類似於用作製作積體電路的技術的微 影術製作。也就是，一或更多遮罩層係用以建立形成彈簧 式端子接點的元件的圖樣。圖9A及9B示例以微影術形成 接觸彈簧的範例。如所示一或更多遮罩層9 3 0係形成於基 底902上。遮罩層930形成開口於基底902的輸出入端子 904上且也定出彈簧式端子接點的形狀。材料94〇接著係 沈積於由遮罩層93 0形成的圖樣。如圖9B所示，遮罩層 接著被移除，留下繫於輸出入端子9〇4的彈簧式端子接點 9 1 〇。彈簧也許係單一，有彈性的材料做的。另外，彈簧 也許係多層材料做的。例如，沈積於遮罩層9 3 0的最初材 料940也許是有彈性的材料如形成圖8A及8B所示的彈簧 的內核。該材料也許接著被塗覆，例如，在移除遮罩層後 ，如以關於圖8A及8B上述的彈性材料。 以微影術形成的接觸彈簧的形狀及組構大多是沒有限 制的。圖1 0 A - 1 0 C及1 1示例此形狀及組構非獨有的範例 -25- (23) 1312872 。圖10A中，多個遮罩層1 032，1 034，1 036規定輸出入 端子1〇4〇的彈簧形狀。如圖10B及10C所示，沈積彈簧 材料或各種材料1 04 0於遮罩層且接著移除遮罩層形成具 有繫於輸出入端子1〇〇4，吊杆部分1052，及接觸部分 1 054的基礎部分1 05 0的彈簧1〇1〇。 圖1 1示例多部分以微影術形成的彈簧式端子接點 1110，其中與其它不同的杆 U22，吊杆1124，及尖端 1126部分被建立。典型地，杆1122係由形成第一遮罩層 (未顯示）而建立於界定杆1122的輸出入端子1104上具 有開口的基底1102上。開口接著被塡充，形成杆n22。 之後’第二遮罩層（未顯示）係形成於第一遮罩層上，界 定包括杆II22及界定吊杆1124的開口。吊杆1124接著 係以材料將開口塡滿而建立。該處理接著被重複而界定尖 端1126的第三遮罩層（未顯示）。 應要注意的是’非形成彈簧於基底上，彈簧也許係自 基底個別地形成’ 一旦形成後，附加於基底上。以微影術 形成的彈簧式端子接點進一步的說明也許在commonly-assigned 美國專 利案號 〇9/〇32,473 ， 刊於 1998,2 月 26 曰 (PCT 發刊 WO 9852224)，美國專利案號 09/205,023， 刊於1 998,1 2月2日以及美國專利案號6,2 5 5，126發現， 在此三案的整個內容都倂入參考。 這些彈簧式端子接點是依從互接元件的示範範例且不 想要限制本發明。包括，但不限於，依從互接元件的任何 互接元件也許係用以耦合根據本發明的探針卡冷卻組件中 -26- (24) 1312872 經冷卻封裝內一或更多晶粒。 8.附加實施例 進一步’如圖12所示，本發明的另一實施例中，探 針卡冷卻組件120〇包括冷卻構件1220及具有一或更多散 熱器1210如冷卻翼1210a-121〇e的經冷卻封裝經冷卻封 裝包括封閉空腔1 205的室1281。液態或氣態冷卻劑係經 由閥1202加入以塡充空腔1205且浸一或更多362於基底 3 82。在操作期間’晶粒3 62係直接地由環繞的冷卻劑冷 卻。熱係由一或更多散熱器1210自冷卻劑轉離至冷卻構 件1 220。冷卻構件1 220包括經由冷卻構件1 220循環的液 態或氣態冷卻劑以進一步除熱。 根據本發明的探針卡冷卻組件不限於冷卻作用探針頭 的晶粒。在此所述的冷卻組件也可被置於探針卡組件內的 介片及/或印刷電路板上。例如，根據本發明的探針卡冷 卻組件也可包括一或更多外封介片，印刷電路板，及/或 晶粒的經冷卻封裝。冷卻系統3 1 4及冷卻劑循環系統3 1 2 接著可直接地冷卻介片，印刷電路板，及/或晶粒。 9 ·具有一或更多晶粒的經冷卻封裝 雖然各晶粒3 6 2，4 3 0 a - 4 3 0 c係以上說明作爲執行部 分或所有測試DUT 1 25的功能的主動電子，各晶粒另外可 能被測試且自晶圓如晶圓120切單晶粒，且圖3A的各封 裝或冷卻組件3 0 2 ,圖3 B的3 5 0，圖3 D的3 8 0，圖4 A - -27- (25) 1312872 4C的400，圖5的500，圖6的600’以及圖12的1200 也許是封裝一或更多這樣的晶粒的經冷卻封裝而非探針卡 冷卻組件。在這樣的例子中’各晶粒3 6 2 ’ 4 3 0 a -4 3 〇 C也 許是任何類型的晶粒，且它的封閉封裝也許係與任何類型 的系統板或其它電路元件互接以形成電子系統。例如，晶 粒3 6 2，4 3 0 a- 4 3 0 c也許是記憶體電路且經封裝的晶粒也 許形成記憶體模組。基底3 82，410 ’ 420 ’ 510，520形成 經冷卻封裝，且探針3 05是作爲連接封裝至系統板或其它 電路元件的互接。也許如此使用任何基底382，410，420 ，5 1 0，5 2 0及探針3 0 5。以此方式，封閉一或更多晶粒的 封裝也許係以任何上述的方式冷卻。 圖13示例製作包含一或更多晶粒的經冷卻封裝的示 範方法。圖13是根據本發明的實施例主動式電子元件的 直接冷卻的例行程序1 3 0 0的流程圖。（步驟1 3 0 2 - 1 3 0 6 ) 。步驟1302中，主動式電子元件係以面對封裝的內面的 作用表面附接於封裝。主動式電子元件可被直接或間接地 稱合於封裝。在實施例中，具有主動式電子元件的一或更 多晶粒係經由互接元件耦合於基底以致於主動式電子元件 面對基底。槽組構也可被用以固定基底相關一或更多晶粒 以致於主動式電子元件面對基底。在一範例中，附接步驟 包括經由一或更多依從互接而耦合各晶粒至基底。 步驟1 3 〇4中，經附接的主動式電子元件係密封在封 裝中。步驟1 3 0 6中，冷卻劑係經由封裝循環以直接地接 觸主動式電子元件的作用表面。 -28- (26) 1312872 1 〇.結語 較佳實施例的先前說明係供以致使任何那些熟知此技 藝之人製作或使用本發明。同時發明已參考其較佳實施例 被特別地顯示且說明，由那些熟知此技藝之人將了解也許 不違背發明的精神及範疇而做了形式及細節的各種改變。 【圖式簡單說明】 在此倂入且形成規格書一部分的附圖示例本發明且， 與說明一起，進一步作爲解釋發明的原理且使那些熟知此 技藝之人製作及使用發明。在附圖中： 圖1是用在包括探針卡及晶圓的習知測試系統的某元 件的側圖。 圖2是用在圖1的測試系統的習知探針卡組件的側圖 〇 圖3 A是根據本發明的實施例的探針卡冷卻組件的探 針卡組件的側圖。 圖3 B是根據本發明的實施例的探針卡冷卻組件的圖 〇 圖3C是示例液態冷卻劑一般在圖3B所示的探針卡冷 卻組件的操作期間的沸騰範圍期間如何保留在常溫的原理 的範例繪點。 圖3 D是根據本發明實施例的探針卡冷卻組件的圖。 圖4A是根據本發明實施例在基底的邊緣具有輸出接 -29- (27) (27)1312872 點的高密度封裝的圖。 圖4B是顯示根據本發明實施例以堆疊晶粒建構裝設 的晶粒的圖。 圖4C是示例根據本發明進一步的特性設在晶粒表面 上的非接觸依從互接的圖。 圖5是在頂陶瓷基底上經由外封空腔及輸出接點具有 電連接的高密度封裝的圖。 圖6是示例根據本發明實施例以槽組構附接的晶粒的 高密度封裝的圖。 圖7是根據本發明實施例在探針元件附近具有主動式 電子元件的例行程序的流程圖。 圖8 -1 1是根據本發明進一步的特性可用在經冷卻封 裝的彈簧式端子接點的類型的圖。圖8a及8B示例可用在 經冷卻封裝的接線接合式彈簧式端子接點的範例。圖9A ’ 9B，10A-10C及1 1示例光刻地製作而非由接線接合技 術的彈簧式端子接點。 圖1 2是根據本發明進一步實施例的探針卡冷卻組件 的圖。 圖13是根據本發明的實施例主動式電子元件的直接 冷卻的例行程序的圖。 【主要元件符號說明】 I 00 :測試系統 II 〇 :夾盤 -30- (28)1312872 120 ： 125 ： 13 0： 140 ： 150： 135 ： 126 ： 210 ：
220 ： 2 15： 23 0 ： 22 5 ： 3 00 ： 3 02 ： 3 05 ：
3 3 0 ： 3 15： 3 2 5 ： 5 00 ： 3 10： 3 11： 3 12： 3 14: 晶圓 測試下裝置 探針元件 探針卡組件 測試器 探針尖端 墊 空間變壓器 介片 互接元件 印刷電路板 互接元件 探針卡組件 探針卡冷卻組件 探針元件 介片 印刷電路板 電互接 電互接 探針卡組件 作用探針頭 外罩 冷卻劑循環系統 冷卻系統 -31 (29) 1312872 3 1 3 :空腔 3 1 7 :冷卻劑埠 3 1 9 :冷卻劑埠 3 1 6 :箭頭 3 1 8 :箭頭 3 5 0 :探針卡冷卻組件 3 6 0 :外罩 3 6 2 :晶粒
3 6 4 :冷卻劑水平面 3 7 0 :沸騰範圍 3 5 2 :液化器 3 8 0 :經冷卻封裝 3 8 1 :室 3 82 :底基底 3 8 8 :互接 3 8 5 :作用表面 3 8 4 :冷卻劑埠 3 8 6 :冷卻劑埠 3 8 7 :箭頭 3 8 9 :箭頭 400 :高密度經冷卻封裝 4 1 0 :底陶瓷基底 4 2 0 :頂陶瓷基底 402 :空腔 -32- (30) (30)1312872 440 ：封齊lj 4 3 0 :晶粒 4 3 0 a :晶粒 430b:晶粒 4 3 0 c :晶粒 4 3 2 a :依從互接 432b :依從互接 43 2c :依從互接 4 4 2 :冷卻劑埠 444 :冷卻劑埠 43 2 :依從互接 4 1 3 :輸出接點 4 1 5 :互接 494 :非接觸依從互接 5 00 :高密度封裝 502 :空腔 5 1 0 :底陶瓷基底 5 2 0 :頂陶瓷基底 5 1 3 :輸出接點 5 1 5 :互接 5 2 1 :頂面 550 :介片 5 5 2 :基底 5 5 4 ·•互接 (31) (31)1312872 5 5 6 :互接 600 :高密度封裝 670 :晶粒校正杆 672 :晶粒校正杆 670a :晶粒校正杆 672a :晶粒校正杆 6 8 0a :依從互接 430s ：晶粒 700 :例行程序 8 1 0 :彈簧式端子接點 804:輸出入端子 802 :基底 8 3 0 :內核 8 3 2 :塗覆材料 8 1 0 ’ ：彈簧式端子接點 8 3 2 ’ ：塗覆材料 830’：內核 93 0 :遮罩層 940 :最初材料 1 0 0 4 :輸出入端子 1 03 2 :遮罩層 1 03 4 :遮罩層 1 03 6：遮罩層 1 0 1 0 :彈簧 -34 (32) 1312872 1 Ο 5 Ο :基礎部分 1 Ο 5 2 :吊杆部分 1 〇 5 4 :接觸部分 1040:材料 9 1 0 :彈簧式端子接點 902 :基底 904:輸出入端子 1122：杆 _ 1 1 2 4 :吊杆 1126 :尖端 1102：基底 1 104 :輸出入端子 1 1 1 0 :彈簧式端子接點 1 200 :探針卡冷卻組件 1 2 1 0 :散熱器 1 2 1 0 a :冷卻翼 φ 12 10b :冷卻翼 1 2 1 0 c :冷卻翼 1 2 1 0 d :冷卻翼 1 2 1 0 e :冷卻翼 1 220 :冷卻構件 1205 :空腔 1281 :室 1202 :閥 1 3 00 :例行程序 -35