專利名稱：探針卡和強制空氣冷卻探針頭組件的制作方法
探針卡和強制空氣冷卻探針頭組件
本申請是2008年3月24日提交的、名稱為“垂直探針卡和空氣冷卻探針頭系統(tǒng)”、 申請?zhí)枮?00680035220.1的中國專利申請的分案申請。技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明大致涉及半導(dǎo)體集成電路(IC)的測試及裝置，且尤其是涉及這種電路及裝 置在加熱環(huán)境中的長期測試。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體晶片內(nèi)的集成電路及裝置的電參數(shù)的電檢測和測量中，具有多個針的探 針卡方便了對晶片中的一個或多個裝置內(nèi)的大量電路觸點的并行訪問。通常一個或多個探 針卡被水平地排列成與晶片平行、并與晶片間隔開，從而使得“整體并行”測量可以在單個 晶片上進行?？蛇x擇的是，可以制成具有多個針式探頭和多種類著陸方式的單個卡，但是對 材料、制造、及多著陸點的平面度的需求使得這費用太過高昂。
進行對半導(dǎo)體裝置的長期測試，諸如漏電、時變介質(zhì)擊穿及負偏壓溫度不穩(wěn)定性 (NBTI)，來確定該裝置的長期穩(wěn)定性及壽命。為縮短這些測試所需時間，這些測試常在介于 125°C 400°C之間的高溫執(zhí)行。
主要問題產(chǎn)自對探針卡和探針頭系統(tǒng)的加熱。水平的探針卡是最靠近熱卡盤的構(gòu) 件，該熱卡盤支持半導(dǎo)體晶片，并可以承受由于隨溫度變化的泄漏電流而產(chǎn)生的性能的急 劇降低。水平探針卡的最大暴露面積加劇了探針性能的降低。探針卡的材料選擇可以減少 與溫度相關(guān)的若干問題，但是，例如當(dāng)與在印刷電路板制造中使用的常規(guī)材料相比時，費用 及特殊材料處理的考慮事項限制了使用諸如陶瓷和液晶聚合物這樣的材料的實踐性。
另一個問題涉及到加熱將探針卡的多個針與測試設(shè)備連接所必需的布線系統(tǒng)。為 了將布線系統(tǒng)保持在可管理的尺度，通常使用一種定制的柔性(撓曲)電纜。然而，來自熱 晶片卡盤的熱空氣對流可以導(dǎo)致無法接受的泄漏電流通過該撓曲電纜。在這些較低成本的 柔性印刷電路板中使用的材料，以及尤其是本文中所用的粘合劑，具有低的(例如，40°C到 80°C)的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度(Tg)，且在跡線之間的泄漏電流將導(dǎo)致電纜在高于Tg的溫度下無 用。在具有若干探針頭及高密度信道軌跡的系統(tǒng)中，其它材料，諸如液晶聚合物及高玻璃化 相變物，熱固化性粘合劑，具有較好的高溫性能，但是更加昂貴。
而且，探針卡通常是可以由手動控制旋鈕在XYZ對準(zhǔn)裝置中移動的探針頭的部 分。然而，與探針頭關(guān)聯(lián)的該控制旋鈕可以變得非常熱而不能觸及。
因此，具有若干探針頭的系統(tǒng)對于高溫下的長期、高度并行的晶片測試而言是理 想的，其中每個探針頭具有若干針式探針。本發(fā)明旨在提供這樣一種系統(tǒng)，其克服與常規(guī)測 試探針頭及系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的若干問題。發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，探針卡通常被安裝成垂直于或是正交于受測的晶片的表面。這樣的一種排布限制了探針卡暴露到支撐受測裝置的熱卡盤的加熱環(huán)境，且唯一的到卡的熱傳導(dǎo) 是通過空氣對流到達最接近加熱表面的探針卡邊緣，以及傳導(dǎo)熱流穿過探針尖端而接觸到 測試晶片表面。然而，兩個熱傳導(dǎo)的通道均不妨礙使用常規(guī)聚合物或其它類似的印刷電路 板材料和使用常規(guī)技術(shù)裝配探針卡。
探針卡是垂直地安裝在受測的晶片上方的軌道支承件上。使探針卡與測試設(shè)備互 連的撓曲電纜被支撐到該軌道支承件上。該軌道支承件包括強制空氣冷卻系統(tǒng)，該強制空 氣冷卻系統(tǒng)將冷空氣傳送入并圍繞每個探針頭，以擾亂從支持測試晶片向上的熱夾盤到探 針頭和軌道支承件的熱空氣的對流。冷空氣可以由冷卻系統(tǒng)通過在軌道支承件內(nèi)的開口， 例如它們的尺寸、形狀和方位是所需冷卻能力及測試晶片溫度的函數(shù)的孔或狹縫，而排放 出。
當(dāng)結(jié)合附圖時，由下列的具體說明及所附權(quán)利要求，本發(fā)明及其目標(biāo)和特征將更 加顯而易見。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的探針卡的立體透視圖；圖2是圖1的探針卡的平面圖；圖3是圖1的探針卡的側(cè)視圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例的軌道和探針頭組件的立體透視圖；圖5是圖4的軌道和探針頭組件的剖切側(cè)視圖；圖6是具有安裝于其上的多個探針頭的軌道的立體透視圖，并進一步圖示了冷卻系統(tǒng)；圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的探針頭的構(gòu)件的分解立體透視圖，并進一步圖示了 氣流；圖8是圖7的探針頭中的支撐框架的放大的立體透視圖；圖9是示出了其組件的圖7的探針頭的各構(gòu)件的更具體的分解透視圖。
具體實施方式
圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的印刷電路板12的探針卡10的立體透視圖，其 包括具有多個貫穿其中的槽14，用于促進冷空氣流動。在電路板12的一端是在陶瓷支承件 18內(nèi)包括了多個金屬探針尖端16的尖端組件，且在印刷電路板12的相對端是用作將探針 卡物理地支撐在測試系統(tǒng)中，并將尖端16連接到柔性(撓曲)電纜的電連接件和緊固件20。
圖2是示出了印刷電路板12、及將探針尖端16與在電路板12的相對端上的電觸 點24電互連的金屬跡線22的平面圖。該金屬跡線或離散絲線22的導(dǎo)電圖形將若干單獨 的探針尖端互連到觸點24之一。如圖所示，陶瓷支承件18與支撐在其中的探針尖端16通 過螺紋緊固件被附接到電路板12。
圖3是探針卡的側(cè)視圖，示出了接合到支撐裝置內(nèi)的一個插口內(nèi)以將探針卡10支 持在相對于受測晶片大致垂直或正交位置內(nèi)的電連接件及緊固件20。僅是尖端16的若干 端部接合受測的裝置，由此限制了通過探針尖端的熱傳導(dǎo)流。探針卡10的垂直對準(zhǔn)限制了 卡暴露到由加熱裝置卡盤所排放的熱。而且，從加熱卡盤到探針卡及支撐裝置的空氣對流被支撐組件所提供的冷空氣流所擾亂，如下所述。
圖4是將探針卡10和大致在32處所示出的探針頭支撐到受測裝置及加熱支承卡盤之上的支承軌道30的立體透視圖。常規(guī)情況下，探針頭32可以通過控制旋鈕34、36、38 沿三個運動軸線手工調(diào)整。撓曲電纜40被支承在軌道30的頂部并將探針卡10與外部測試設(shè)備互連。如上所述，如果過熱，撓曲電纜40可能性能降低。
圖5是軌道30的剖視圖，其包括用于空氣流動的內(nèi)部通道42、44以冷卻探針頭 32、探針卡10及撓曲電纜40。來自內(nèi)部通道的空氣通過軌道30中的若干開口而排放，且空氣被引導(dǎo)通過探針頭32和探針卡10，用于擾亂來自支撐該受測裝置的加熱卡盤的對流熱空氣流。因此，可以避免測試探針10的撓曲電纜40和印刷電路板的過熱。在此實施例中， 應(yīng)注意到通道30包括具有若干鳩尾凸緣的元件48，大致在圖示50處接合相匹配的探針頭 32的鳩尾凸緣。
圖6是支承三個探針頭32的軌道30的另一立體透視圖。在此實施例中，在探針頭上示出了僅僅一個探針卡10，以進一步圖示若干開口或槽，用于促進冷空氣從框架30的開口 54中流經(jīng)探針頭32、并流經(jīng)探針卡10中的開口 14。應(yīng)注意到在此實施例中，每個探針頭32具有大致在56處示出的杠桿機構(gòu)，該杠桿機構(gòu)可以用于將探針頭鎖定在軌道30的鳩尾凸緣50中。然而，該鎖定機構(gòu)不是本發(fā)明的組成部分且在本文中不再進一步說明。
圖7是探針頭和各構(gòu)件的分解的立體透視圖，并圖示了通過探針頭和探針卡的空氣流動。在此實施例中，該探針頭包括三個支撐框架60、62、64，且第一支撐框架60通過緊固件20接收探針卡10，第二支撐框架62支撐著框架60，并允許支撐框架60通過控制旋鈕 34而沿著第一運動軸的運動，且第三支撐框架64支撐著框架62并允許框架62通過控制旋鈕36和38而沿著第二及第三運動軸的運動。附接到各支撐框架的其它的彈簧偏壓緊固件在此視圖中未示出，以方便對不構(gòu)成本發(fā)明的組成部分的氣流的圖解。如圖所示，由軌道30 中的開口 54 (圖6)排放的空氣直接地流經(jīng)支撐框 架62中的槽66并通過支撐框架64中的下部槽68，并隨后通過支撐框架60中的開口到達探針卡10中的槽14。蓋70被緊固到支撐框架60的頂部表面，以保護具有用于接收探針卡10的緊固件20的插口的水平傳送PC 板(印刷電路板)72 (圖9)。
圖8是進一步示出了促進氣流從支撐軌道通過槽并向上通過探針頭組件的槽68 的布局的支撐框架64的一部分的放大的立體透視圖。孔或其它開口可以被設(shè)置在軌道30 的底部，以促進這種空氣流動。來自于軌道下部部分的側(cè)部圓形突出部的這些附加的孔可以如圖5所示而相對于測試晶片的表面成一角度(Θ XTC )。可以由表面溫度、從孔流出的冷空氣的流率、及設(shè)置于晶片表面的溫度均勻性上的約束來取定該角度。因為從各孔流出的冷空氣可能導(dǎo)致表面溫度擾動，該溫度擾動取決于氣流及流動角度，則這些參數(shù)將是對取決于測試所需的最大晶片溫度的系統(tǒng)的定制調(diào)節(jié)。該氣流出口的目的也是幫助使來自于晶片表面的熱空氣的垂直對流遠離探針頭的手動控制。另外，這些孔可以被橫向或縱向槽、 或若干槽和孔的組合所取代，或可以在不需要的情況下都不存在。如果孔存在，則隨后流出側(cè)部出口的冷空氣，在除了探針頭所在位置以外的軌道區(qū)域各處，被來自軌道底部處的側(cè)部圓形突出部上的出口的空氣向上推動。為了避免空氣循環(huán)并反射回到晶片表面上(這將導(dǎo)致晶片的局部溫度有相當(dāng)大的改變)，在垂直于允許空氣在水平方向內(nèi)溢出的表面的方向內(nèi)，在探針頭組件內(nèi)構(gòu)造有垂直狹縫。而且，氣流的供給裝置可能不限于狹縫，且可以包括若干孔、孔或狹縫的陣列，或它們兩者的組合。此外，在探針頭內(nèi)可以構(gòu)造若干通道或肋 狀部分，以將流出軌道底部處圓形突出部的空氣抬升并在軌道上方排出。
圖9是示出了圖7的探針頭的各構(gòu)件的組件的更詳細的分解透視圖。在圖7和圖 9中，相同的元件具有相同的附圖標(biāo)記。此處水平傳送的印刷電路板72接合電連接件和緊 固件20，用于在印刷電路板12和撓曲電纜40之間(圖4)提供連接。多個橫軋輥軸承74被 緊固到ZY行進框架62，用于使Y行進框架60在其上運動。同樣地，橫軋輥軸承76和78提 供了 XZ行進框架80在X夾持桿框架64上的運動。凸輪桿56和凸輪隨動件橋接并緊固到 框架64，且在軌道支承件30上(圖6)提供了鎖定功能。
探針卡和對準(zhǔn)的探針頭的布置大致為垂直于用于受測裝置的加熱卡盤并在該加 熱卡盤之上，伴以使用冷空氣的流動來擾亂對流的熱空氣流，限制了暴露到高溫的卡面積， 并減輕了由于來自加熱卡盤的對流熱空氣流的對探針卡和撓曲電纜的加熱。
本發(fā)明已經(jīng)參考特定實施例進行了說明，此說明是解說本發(fā)明，而不應(yīng)理解為限 制本發(fā)明。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以想到各種不同的應(yīng)用，而不離開由所附權(quán)利要求所取定 的本發(fā)明的宗旨和范疇。
權(quán)利要求
1.一種探針卡，通常被安裝成垂直于加熱的受測裝置以在測試過程中減少對探針卡的熱傳遞，所述探針卡包括 a)印刷電路板， b)尖端組件，其包括在電路板一端上用于接合受測裝置的多個探針尖端， c)在電路板的相對端上的多個電觸點， d)電路板上的導(dǎo)電圖形，其用于將電路板一端上的尖端電連接到電路板相對端上的電觸點， e)緊固件，其用于將受測裝置上方的支承件與大致垂直對準(zhǔn)了受測裝置的印刷電路板相接合，其中，大致垂直的對準(zhǔn)在測試過程中減少從加熱的受測裝置到印刷電路板的熱傳遞，和 f)貫穿印刷電路板的多個開口，其用于促進冷卻空氣流動，以便冷卻探針卡。
2.如權(quán)利要求I所述的探針卡，其特征在于，受測裝置是半導(dǎo)體晶片。
3.如權(quán)利要求I或2所述的探針卡，其特征在于，尖端組件包括用于多個尖端的陶瓷支承件。
4.如權(quán)利要求1-3中任一項所述的探針卡，其特征在于，緊固件包括與支承件中的插口相匹配的突起連接件。
5.如權(quán)利要求1-4中任一項所述的探針卡，其特征在于，冷卻空氣從受測裝置上方的支承件流動。
6.如權(quán)利要求5所述的探針卡，其特征在于，支承件包括用于冷卻空氣流動的內(nèi)部通道。
7.如權(quán)利要求6所述的探針卡，其特征在于，來自內(nèi)部通道的冷卻空氣被導(dǎo)向貫穿印刷電路板的開口。
8.一種探針卡，通常被安裝成垂直于加熱的受測裝置并在加熱的受測裝置上方以在測試過程中減少對探針卡的熱傳遞，所述探針卡包括 a)印刷電路板，其被安裝成與受測裝置大致垂直對準(zhǔn)，其中，印刷電路板包括貫穿印刷電路板的多個開口，其用于促進冷卻空氣流動，以便冷卻探針卡， b)尖端組件，其包括在電路板一端上用于接合受測裝置的多個探針尖端， c)在電路板的相對端上的多個電觸點，和 d)電路板上的導(dǎo)電圖形，其用于將電路板一端上的探針尖端電連接到電路板相對端上的電觸點。
9.如權(quán)利要求8所述的探針卡，還包括緊固件，其用于接合受測裝置上方的支承件，其中，支承件包括用于冷卻空氣流動的內(nèi)部通道和開口。
10.如權(quán)利要求9所述的探針卡，其特征在于，支承件中的開口將冷卻空氣流導(dǎo)向貫穿印刷電路板的開口。
11.如權(quán)利要求9或10所述的探針卡，其特征在于，支承件中的開口是成角度的。
全文摘要
本發(fā)明涉及探針卡和強制空氣冷卻探針頭組件，具體涉及一種探針卡，其在加熱環(huán)境中被垂直地安裝成大致正交于接受壽命測試的晶片，以限制探針卡暴露到來自于晶片夾盤的熱量。該探針卡及探針頭組件被安裝到支撐軌道上，該支撐軌道具有一個或多個通道，用于使冷空氣流到探針頭組件及探針卡，且同時其保護撓曲電纜不受熱卡盤影響。冷空氣流擾動從加熱卡盤向上流到探針卡及探針頭的對流熱空氣流，并促進了探針卡和探針頭的冷卻。
文檔編號G01R1/073GK102981029SQ20121055062
公開日2013年3月20日 申請日期2006年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月3日
發(fā)明者M.L.安德森, E.A.麥勞德, S.莫斯塔謝德, M.A.卡索洛 申請人:夸利陶公司