金屬化彈性探針結構的製作方法

2023-10-24 06:05:27

專利名稱：金屬化彈性探針結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及電學連接，更具體而言涉及用於電學連接兩個以上表面的改 進技術。
背景技術：
，通常包括多個接觸的焊盤格柵陣列(LGA) —般被用做電子裝置的元件 之間的插入機構(interposer)。例如，LGA可存在於晶片模塊上的金屬焊盤 的二維陣列與也稱為印刷電路板(PCB)的印刷布線板(PWB)上的相應金 屬焊盤之間，其中該LGA的接觸將電學信號從晶片模塊傳導到PWB。當採用LGA時，恰當的導電性是一個重要的考量。亦即，電學信號必 須以高完整性通過LGA傳導，且能夠容納相當大的安培數。在許多應用中， 這提出了巨大的挑戰。例如，大多數晶片模塊和PWB不是完美平面的，其 尺寸趨於為針對具體應用而特別的。尺寸從一個LGA到另 一個LGA也會變 化。這些尺寸變化使得形成跨過傳統LGA所有接觸的恰當電學連接是困難 的，即使縱然是可能的話。因此存在對於電學連接表面特別是非平面表面的技術的需求，該技術不 遭遇常規電學連接方法所出現的 一個或多個問題。發明內容本發明通過在示範性實施例中提供用於電子裝置的增強探針結構，由此 滿足上述需求。根據本發明一個方面，該探針結構包括具有橫貫其平面的一 個或多個接觸結構的電學絕緣載體。各個接觸結構包括一種彈性體材料，其 具有沿其至少一個表面連續地伸展穿過載體平面的導電層。該探針結構包括 用於連接到測試設備的一個或多個其他接觸結構。依據本發明一個實施例，通過在該導電層至少一部分上形成連續地伸展 穿過載體平面的絕緣層，以及在該絕緣層至少一部分上形成連續地伸展穿過 載體平面的第二導電層(例如，金屬層)，提供了一種同軸探針結構。該第 二導電層可以連接到公共信號接地。依據本發明另一個方面，形成用於電子裝置的探針結構的方法包括步 驟在電學絕緣載體上形成一個或多個接觸結構，所述一個或多個接觸^構 橫貫載體平面，該一個或多個接觸結構的每一個包括彈性體材料，該彈性體材料具有沿其至少一個表面連續地伸展穿過載體平面的導電層；以及形成用 於連接到測試設備的一個或多個其他接觸結構。形成該一個或多個接觸結構的步驟優選地包括步驟在載體上沉積彈性 體材料；以及金屬化該彈性體材料，從而形成穿過載體平面並沿該彈性體材 料表面連續地伸展的導電層。依據本發明又一個方面，晶片探針互連裝置包括具有橫貫其平面的一個 或多個接觸結構的電學絕緣載體。各個接觸結構包括彈性體材料，該彈性體 材料具有沿其至少 一個表面連續地伸展穿過載體平面的導電層。該晶片探針 互連裝置還包括用於連接到測試設備的一個或多個接觸結構。由結合附圖閱讀的對本發明示範性實施例的下述詳細描述，本發明的這 些和其他特徵與優點變得顯而易見。


圖1為描繪根據本發明示範性實施例形成的示範性電學接觸陣列的自頂 向下^L圖。圖2為根據本發明實施例的圖1所示電學接觸陣列的剖面視圖。 圖3為根據本發明實施例的圖1所示電學接觸陣列的另一個剖面視圖。 圖4為描繪根據本發明另 一個實施例形成的示範性電學接觸陣列的自頂 向下碎見圖。圖5為根據本發明實施例的圖4所示電學接觸陣列的剖面視圖。 圖6為根據本發明實施例的圖4所示電學接觸陣列的另一個剖面視圖。 圖7為描繪根據本發明實施例形成的具有細長開口的示範性載體的自頂 向下浮見圖。圖8為描繪根據本發明實施例形成的在具有細長開口的載體上形成的示 範性彈性體凸塊陣列的自頂向下視圖。圖9為描繪根據本發明實施例形成的在具有細長開口的載體上形成的示 範性電學接觸陣列的自頂向下視圖。圖IO為根據本發明實施例的圖9所示的電學接觸陣列的剖面視圖。圖11為根據本發明實施例的圖9所示的電學接觸陣列的另一個剖面視圖。圖12為描繪衝艮據本發明另一個實施例形成的在具有細長開口的載體上 形成的示範性電學接觸陣列的自頂向下視圖。圖13為示出根據本發明實施例，圖12所示電學接觸陣列沿線1238截 取的剖面視圖。圖14為示出4艮據本發明實施例，圖12所示電學接觸陣列沿線1240截 取的剖面視圖。方法的圖示。圖16為根據本發明實施例形成電學接觸所用的示範性模具的圖示。圖17為示出根據本發明實施例形成電學接觸所用的模具的底半部的側 面圖和自頂向下視圖的圖示。圖18為示出根據本發明實施例形成電學接觸所用的模具的頂半部的側 面圖和自頂向下視圖的圖示。圖19為示出根據本發明另一個實施例在載體上製作電學接觸的示範性 方法的圖示。圖20為示出根據本發明實施例，在其上沉積有介電塗層的圖13的示範 性結構的剖面視圖。圖21為示出衝艮據本發明實施例，在介電塗層上沉積有導電材料的圖20 的示範性結構的剖面視圖。圖22為示出才艮據本發明實施例，包括導電圖案的圖21的示範性結構的自頂向下視圖的圖示。圖23為描症會才艮據本發明示範性實施例，圖22所示導電圖案的兩種示範 性形狀的自頂向下視圖的圖示。圖24為描繪根據本發明實施例，介電塗層的特定部分被選擇性從其除 去的圖21的示範性結構的剖面視圖。圖25為描繪根據本發明實施例，具有在其上形成的探針尖端(probetip) 的圖24的示範性結構的剖面^L圖。圖26為描繪才艮據本發明實施例，具有在其上形成的焊盤的圖24的示範 性結構的剖面視圖。圖27為描繪根據本發明示範性實施例，使用本發明導電結構的示範性 應用的圖示。
具體實施方式
所有下述公開結合於此作為參考美國專利申請No. 09/254,769， 1999 年3月11日提交，其為1997年9月12日提交的國際專利申請No. PCT/US97/16264的美國國家階段，其主張1996年9月13日提交的美國臨 時專利申請No. 60/026,088的優先權；美國專利申請No. 09/254,768， 1999 年3月11日提交，其於2003年3月4日公布為美國專利No. 6,528,984，其 為1997年9月12提交的國際專利申請No. PCT/US97/16265的美國國家階 段，其主張1996年9月13日提交的美國臨時專利申請No. 60/026,088的優 先權；美國專利申請No. 09/254,798, 1999年3月11日提交，其於2002年 9月17公布為美國專利No. 6,452,406,其為1997年9月12日提交的國際專 利申請No. PCT/US97/13698的美國國家階段，其主張1996年9月13日提 交的美國臨時專利申請No. 60/026,050的優先權；美國專利申請No. 08/756,831， 1996年11月20日提交，其為1995年4月20提交，現在放棄 的美國專利申請No. 08/425,639的連續申請；美國專利No. 5,821,763;美國 專利No. 6,062,879;美國專利No. 6,295,729;美國專利No. 6,329,827;美國 專利No. 6,286,208;美國專利No. 6，054，651;美國專利No. 6,104,201;以及 美國專利No. 5,531,022。在此將在示範性電學接觸的上下文中描述本發明。然而應該理解，本發 明不限於這些或任何其他具體電學接觸結構。相反，本發明更廣泛地適用於提供兩個或多個表面之間增強的電學連接的技術。儘管本發明的實施在此是具體相對於LGA插入機構連接器及形成其的示範性方法進行描述，但是應該理解，本發明不限於這些應用與/或這種製作方法，且也可以類似地採用例 如半導體探測等的其他合適的應用與/或製作技術，這對於本領域4支術人員而言是顯而易見的。圖1為示出示範性電學接觸陣列的自頂向下視圖的圖示。僅示例性地，圖1所示2乘2 (2x2)電學接觸陣列可構成焊盤格柵陣列(LGA)插入機 構連接器。具有電學接觸的插入機構例如描述於2003年11月17日提交的 題為"Interposer With Electrical Contact Button and Method"的美國專利申i青 No. 10/715,288，其公開內容於此引入作為參考。各個電學接觸，例如接觸2, 包括彈性體凸塊4，例如包括彈性橡膠。如下面結合圖2的說明所述，在與 彈性體凸塊4相對的載體8 —側上存在類似的對應彈性體凸塊。採用具有彈性體接觸的LGA插入機構連接器提供了若干顯著的益處。 例如，為了獲得恰當的導電性，LGA插入機構連接器通常受到壓力保持在 恰當位置，例如在通過彈簧和驅動硬體而施加的力下夾在連接的表面之間。 然而，由於連接的表面，例如晶片模塊和印刷布線板(PWB)通常不是完美 平面，LGA插入機構連接器上的一些接觸經受的力將大於其他接觸經受的 力。由於彈性體材料的可變形但回彈的性質，彈性體接觸非常適於容忍這些 力變化並確保在所有接觸上的恰當導電性。該彈性體接觸可包括任意合適的彈性體材料，包括但不限於聚二曱基矽 氧烷(PDMS)橡膠、矽橡膠、以及包括至少一種前述彈性體材料的組合。 根據示範性實施例， 一個或多個彈性體凸塊包括PDMS橡膠，且通過光聚合 矽氧烷前驅體形成。除了上述橡膠化合物之外，其他彈性體材料適於形成彈性體凸塊。這些材料包括但不限於聚氨酯、環氧、含丁二烯的聚合物、以及包括至少一種前 述彈性體材料的組合。下面將結合圖15的說明，描述才艮據本發明的形成彈性體凸塊的示範性 方法。彈性體凸塊4包括位於其外表面上的金屬層6。具體而言，將結合下面 的圖2的說明更詳細地描述，金屬層6優選地從彈性體凸塊4的頂部或頂點 到位於載體8相對面上的相對彈性體凸塊的頂點是連續的，例如從LGA的源側到端側。優選地，金屬層6在彈性凸塊的最遠點之間連續延伸。開口 (例如，載體8內的開口 10)允許金屬層6在頂點之間無中斷地延伸。通過彈性和延展性的某些組合，金屬層6會具有與彈性體材料的良好粘 合，且是機械耐用的，例如抗破裂。因此，當例如如上所述，接觸在晶片衝莫 塊和PWB之間被壓縮時，金屬層6首先接觸模塊和PWB，隨後進一步被壓 縮，直到該力施加到陣列上的所有接觸以形成接觸。因此，由於連接表面的 偏離完美平面的拱形或其他形貌變形，某些接觸較其他接觸將被進一步壓 縮。金屬層6優選地包括適於有效導電的任何金屬，包括但不限於銅、金、 鎳鈦合金、以及包括至少一種前述金屬的組合。此外，通過任何合適的金屬 沉積技術，包括但不限於濺鍍、蒸鍍、電鍍、無電鍍、以及包括至少一種前 述金屬沉積技術的組合，可以施加金屬層6，即彈性體凸塊4可以金屬化。僅示例性地，可以採用等厚金屬化技術來施加金屬層6。具體而言，可 以通過電鍍例如足夠厚度的銅，通過等厚金屬化所有暴露表面而施加金屬層 6。優選地，在該電鍍之後，施加光致抗蝕劑，並例如通過光掩^^由光隨後 曝光該光致抗蝕劑。該光致抗蝕劑被顯影，暴露期望被蝕刻掉的區域。隨後可以從載體8蝕刻掉不想要的金屬材料。在蝕刻之後，可以從各個 彈性體凸塊4除去不想要的光致抗蝕劑，僅留下呈期望幾何形狀的金屬條， 例如從彈性體凸塊4的頂部，沿彈性體凸塊4側面連續向下，通過開口 10 到達位於載體8另一側上的彈性體凸塊(未示出)的頂點。金屬層6隨後可選地例如通過選擇性無電鍍而用金塗覆，從而向接觸賦 予抗腐蝕性。備選地，可以通過其他選擇性金屬化工藝，包括但不限於電鍍， 使用包括但不限於鎳的其他金屬，塗覆金屬層6。根據另一個示範性實施例，使用固體掩模施加金屬層6,該固體掩模具 有置於需要金屬化的彈性體凸塊的區域上。用於形成金屬層6的材料隨後通 過常規沉積技術被施加，包括但不限於濺鍍、蒸鍍、鍍覆、噴鍍(例如，含 金屬的溶液，諸如含有用於後續鍍覆的諸如錫或靶的籽化合物的溶液)、以 及包括至少一種前述施加技術的組合。此外，通過例如以相對於彈性體凸塊主軸的一個或多個角度施加用於形 成金屬層6的材料，這些常規沉積技術即濺鍍、蒸鍍、鍍覆和噴鍍可以用於 選擇性地將金屬層6施加到彈性體凸塊上，從而使金屬層6僅沉積到彈性體凸塊的選定區域上。可以使用或不使用固體掩模進行該選擇性沉積。例如， 用於形成金屬層6的材料可以按照某一角度(例如從一側)噴鍍在彈性體凸 塊上，從而使金屬層6基本上僅沉積在彈性體凸塊的該側上。根據又一個示範性實施例，選擇性鍍覆技術用於金屬化彈性體凸塊。具 體而言，通過將彈性體凸塊全部暴露於選擇性吸引、吸附或吸收到彈性體材料上或內的籽化合物，由此施加金屬層6。合適的籽化合物包括但不限於純 液體或者在溶液中的，含苯磷茂(phenylphosphene)的化合物、聚磷茂 (polyphosphene )、鉑、釔、錫、錫鹽、以及包括至少一種前述化合物的組 合。例如，含苯磷茂的化合物會吸收到PDMS內，且已知結合傳統的鈀錫膠 體催化劑系統，用於銅、鎳和其他金屬的無電鍍沉積。此外，苯磷茂系統可以共價地結合到彈性體凸塊的矽氧烷交聯網絡以最 大化鍍覆的金屬層的粘著。結果為彈性體凸塊完全被金屬包住，這提供了在 機械和電學性能方面優點和缺點的不同的平衡。該陣列隨後可全部暴露於無電鍍浴。"籽"彈性體凸塊，而不是載體， 隨後將被金屬化。此外，如上所述，光致抗蝕劑和蝕刻可以用於從彈性體凸 塊除去任何不想要的冶金部分。備選地，彈性體凸塊可以首先通過上述技術選擇性地鍍覆，隨後在鍍層 上通過旋塗沉積而沉積光致抗蝕劑。光致抗蝕劑隨後可以被光顯影，且金屬 化的不想要部分被除去。這會在彈性體凸塊上形成期望的圖案(與完全金屬 包封相反)，且同時提供了一種為無電鍍沉積形成籽的溼法工藝手段，無電 鍍沉積成本通常低於濺鍍和蒸鍍技術。相反，上述的等厚鍍覆技術通常需要 賊鍍沉積粘著與籽層。根據另一個示範性實施例，光致抗蝕劑被首先施加到陣列，且隨後顯影 以形成期望的金屬化圖案。用於形成金屬層6的材料隨後全部沉積到陣列上， 例如通過濺鍍、蒸鍍或其組合。其餘光致抗蝕劑隨後可以被除去，隨之除去 不想要的冶金部分。虛線12表示圖2所示陣列的剖面視圖的路徑。虛線14表示圖3所示陣 列的剖面視圖的路徑。圖2為圖1所示電學接觸陣列例如沿虛線12的剖面視圖的圖示。圖2 示出了彈性體凸塊4具有從與彈性體凸塊4相對的載體8 —側向外伸展的相 應彈性體凸塊5。才艮據該配置，該彈性體凸塊對，例如彈性體凸塊4和彈性體凸塊5，在載體8上方和下方連續地延伸，例如通過載體8內的開口 10 和13。該彈性體凸塊對，例如彈性體凸塊4和5以及相關的金屬層例如金屬 層6,包括單個電學接觸。如結合圖1有關金屬層6的說明在上文中類似地描述，開口 13允許彈 性體材料連續地通過載體8。因此，彈性體凸塊在載體的兩個相對側上存在 正浮雕。載體8的合適的開始材料包括但不限於穿孔電學絕緣材料，例如穿孔陶 瓷或塑料片，諸如Kapton聚醯亞胺片(由E.I. du Pont de Nemours and Company, Circleville， OH製造)、或者玻璃織片。在載體中，開口 13可以衝 孔或雷射鑽孔成規則圖案，例如lmm節距的二維陣列。相同節距的另一個 開口 IO圖案隨後疊加在開口 13的圖案上，但是位置偏移了例如約一個半徑 (如由彈性體凸塊的中心到其外邊緣的距離所決定)。具有兩個開口陣列的載體隨後置於模具內，且PDMS被注射或轉移成型 為載體平面上方和下方延伸的浮雕特徵。彈性體凸塊的形狀也可以J^於具體 應用進行調整。例如，彈性體凸塊的高度可以被改變。此外，彈性體凸塊可 以形成為圓錐形剖面(例如，具有平頂部和底部)。備選地，彈性體凸塊可 以形成為具有圓頂部或多點頂部。圓頂部是有利的，例如與平頂部相比，因 為圓頂部對於金屬化提供了平滑連續表面。多點頂部是有利的，因為其提供 了多點接觸並用於集中從其產生而施加到接觸的力。本發明的重要特徵為，彈性體材料僅部分(例如， 一半)延伸跨過開口 10。該特徵例如示於圖2。按照這種方式，總是與空氣接觸的平滑連續表面 將從彈性體凸塊4的最頂部沿其一側向下，通過載體8內的開口 10，並沿在 載體8另一側上的彈性體凸塊5的一側到其頂點。然而，預期所沉積的金屬 層6會沿延伸到該路徑其餘部分，且有效地堵住開口 10。發生這種情形不會 影響該接觸的功能。注意，從圖2的描述，彈性體凸塊4和5基本在軸向上以開口 13上方載體內的開口上方為中心，但是採用這種配置是有利的。例如，將彈性體凸 塊在軸向上以載體內的開口為中心可以有益於成型工藝期間的材料轉移並 確保彈性體凸塊恰當地錨定到載體。通過使用填充有導電顆粒(例如，金屬顆粒)的彈性體材料，可以有利地根據期望增加根據本發明的彈性體凸塊，例如圖l所示彈性體凸塊4的導 電性。備選地，可以採用填充有固有導電的聚合物的彈性體材料。適用於本發明的導電聚合物例如在美國專利No. 6,149,840和5，776，587中描述，其全 部內容於此引入作為參考。圖3為示出圖1所示電學接觸陣列例如沿虛線14的另一個剖面視圖的 圖示。圖3示出了金屬層6存在於彈性體凸塊4和5的頂點上。圖4為示出了另一個示範性電學接觸陣列的自頂向下視圖的圖示。各個 電學接觸例如接觸42包括彈性體凸塊44,該彈性體凸塊如上所述是連續的， 且對應的彈性體凸塊在載體47對側上。彈性體凸塊44包括金屬層49。與圖 1至3所示配置相反，4又使用存在於接觸外邊緣的載體內的開口例如開口 45a 和45b形成圖4中的電學接觸，從而將材料從載體一側轉移到另一側。因此， 不需要靠近各個彈性體凸塊中心軸的載體內的開口，例如上述圖2中的開口 13。根據圖4所示實施例，開口 45a用做形成金屬層49的管道(conduit), 並具有與上述圖2中開口 IO相似的功能。開口 45b作為用於形成彈性體凸 塊44的彈性體材料的導管。開口 45b不用於電學目的。例如，開口45b在 形成金屬層時不起作用。然而，開口 45b也用於將彈性體凸塊44錨定到載 體47。因此，本文中考慮的配置具有多個開口例如45a和45b,.不具有中心 位於彈性體凸塊44下方的開口 。虛線46表示圖5所示陣列的剖面視圖的路徑。虛線48表示圖6所示陣 列的剖面視圖的路徑。圖4所示另一個特徵為，由於存在用於形成金屬層的導管的兩個開口， 例如開口 45a，因此形成了兩個相對的傳導金屬線。與單個非對稱導體路徑. 相比，採用這種配置是有利的。例如，具有兩個傳導線可以增強可靠性，並 有助於控制對信號完整性的電感應貢獻。此外，金屬層的形狀(例如寬度、凸塊表面上的路徑、以及厚度)可以 調整以增強性能。例如，金屬層的形狀可以通過選擇不同光掩模圖案而調整。 其他形狀，例如當傳導線延伸到彈性體凸塊的頂和底部時，彈性體凸塊頂部 上從左到右擺動(約為正弦形狀)或者盤旋的傳導線在特定應用中具有機械 以及電學方面的優點。圖5為示出了圖4所示的電學接觸陣列例如沿虛線46的剖面一見圖。與例如如上所述圖2所示接觸配置相反，圖5示出的金屬層(金屬層49 )從彈 性體凸塊44的頂點沿其兩個相對側向下延伸，形成兩個傳導電^各線。圖6為示出了圖4所示的電學接觸陣列例如沿虛線48的剖面視圖。與 例如如上所述圖3所示接觸配置相似，圖6示出的金屬層例如金屬層49存 在於彈性體凸塊43和44的頂點上。圖6還示出了存在於彈性體凸塊44兩 側上的開口45b。如上文所強調的，這些開口在形成彈性體凸塊時作為彈性 體材料的導管，且在彈性體凸塊形成後將彈性體凸塊錨定到載體，例如其作 為機械連接點。載體內的開口可以具有各種形狀和尺寸。例如，圖7為示出了具有細長 開口的載體的自頂向下視圖的圖示。即，在圖7中，載體72具有細長開口 74。細長開口 74可以包括長槽口，或者具有高縱;鏡比的其他橢圓形開口， 其最長尺寸大於將注射到其中的彈性體凸塊的直徑。圖8為示出形成於具有細長開口的載體上的示範性彈性體凸塊陣列的自 頂向下^L圖的圖示。如圖8所示，彈性體材料注射到載體72上並通過載體對應彈性體凸塊(未示出)。該配置提供了沿彈性體凸塊整個垂直側面的連 續表面以用於後續金屬化。圖9為描述形成於具有細長開口的載體上的示範性電學接觸陣列的自頂 向下視圖的圖示。如圖9所示，金屬層92沿彈性體凸塊82兩側向下延伸， 例如通過載體72內的細長開口 74。虛線94表示圖IO所示陣列的剖面視圖的路徑。虛線96表示圖11所示 陣列的剖面視圖的路徑。圖10為示出圖9所示的電學接觸陣列例如沿虛線94的剖面視圖的圖示。 圖10示出了，如上所述，彈性體凸塊82以及彈性體凸塊83為該接觸的一 對彈性體凸塊的一部分。此外，如結合圖9的說明中上文所述，金屬層92 沿彈性體凸塊的兩個相對側延伸。剛才示範性實施例的 一個優點為，如果在彈性體凸塊形成過程中形成縫 隙，則金屬層92用於橫貫該縫隙並提供該接觸的結構連續性。圖11為示出圖9所示的電學接觸陣列例如沿虛線96的另一個剖面視圖 的圖示。圖11示出了金屬層92存在於彈性體凸塊82和83的頂點上。圖12為形成於具有細長開口的載體上的另一個示範性電學接觸陣列的自頂向下視圖的圖示。在圖12中，載體1201包括接觸1202、 1204、 1206 和1208。接觸1202、 1204、 1206和1208分別包括彈性體凸塊1210、 1212、 1214和1216。而且，彈性體凸塊1210、 1212、 1214和1216分別包括僅沿 其一側延伸的金屬層1218、 1220、 1222和1224。重要的是要注意圖12中金屬層的取向。即，金屬層1218和1224分別 沿接觸1202和1208的相同面對的側面延伸，而金屬層1220和1222分別沿 接觸1204和1206的相同面對的側面延伸，但是與接觸1202和1208相對。這種配置是有利的，因為所形成的金屬接觸是不對稱的，這可以增強界 面在使用時的橫向刮擦(磨損界面以除去例如氧化物層，並提供更好的接觸) 並防止在某一特定方向或取向形成合力。對於合力，當相同數目的金屬層， 例如如圖12所示，或者基本上相同數目的金屬層指向相對的方向時，淨橫 向力為零。合力趨於引起這些連接器裝置沿一個維度橫向地"行走"或移動， 並導致接觸例如相對於晶片上的焊盤隨時間錯位。然而，採用這種配置，由 垂直壓縮引起的橫向力的方向得到平衡。如下所述，虛線1238表示圖13所示陣列的剖面視圖的路徑。虛線1240 表示圖14所示陣列的剖面視圖的路徑。圖13為示出圖12所示電學接觸陣列例如沿虛線1238的剖面視圖的圖 示。圖13示出了，如上所述，彈性體凸塊1210和1216分別與彈性體凸塊 1211和1217 —起分別包括接觸1202和1204的彈性體凸塊對。此外，如上 文中結合圖2的說明所述，金屬層1218和1224分別沿各個接觸1202和1208 的單個相同面對的側面延伸。圖14為示出圖12所示電學接觸陣列例如沿虛線1238的剖面視圖的圖 示。與上文中結合圖13的說明所述的接觸1202和1208相似，彈性體凸塊 1212和1214分別與彈性體凸塊1213和1215 —起分別包括接觸1204和1206 的彈性體凸塊對。圖15為示出在載體上製作電學接觸的示範性方法的圖示。在步驟1502， 提供包括底半部1512和底半部1514的模具，底半部1514安裝有毛坯載體 (blank carrier) 1511。才莫具的底半部1514也包括注射進入埠 1516。在步驟1504,才莫具的頂半部1512和底半部1514相互對準並牢固接觸。 該模具隨後準備接收彈性體材料注射，例如通過注射進入埠 1516。在步驟1506，彈性體材料1518已經注射到模具內。彈性體材料隨後允許在才莫具內反應，例如固化。在步驟1508，形成於載體1511上的彈性體凸塊對1520從模具釋放。大 部分從注射進入埠殘留的額外彈性體材料1518，例如見上述步驟1506, 已經被除去(折斷或清除)，僅在凸塊的非關鍵部分上留下小的不均勻1522。 在步驟1510，隨後發生成型彈性體凸塊的金屬化，形成延伸橫跨載體1511 的平面的連續金屬層1524。圖16為示出用於形成電學接觸的示範性模具的圖示。在圖16中，模具 1600包括頂半部1602和底半部1604。與例如上文結合圖15的說明所述的 上述模具相反，模具1600不包含對於各對形成的彈性體凸塊的注射進入端 口，而是包含僅位於模具橫向邊緣的入口。圖17為示出用於形成電學接觸的模具的底半部的側面視圖和自頂向下 視圖的圖示。具體而言，圖17示出了例如上文中結合圖16的說明所述的模 具1600的底半部1604的剖面視圖1702和自頂向下視圖1704。模具1600 的底半部1604的剖面視圖1702和自頂向下視圖1704呈現衝莫具空腔1706的 負浮雕和立柱1708的正浮雕。正浮雕立柱1708用於防止在該區域成型。圖18為示出用於形成電學接觸的模具的頂半部的側面和自頂向下視圖 的圖示。具體而言，圖18示出了例如上文中結合圖16的說明所述的模具1600 的頂半部1602的剖面視圖1802和自頂向下視圖1804。模具1600的頂半部 1602的剖面視圖1802和自頂向下視圖1804呈現模具空腔1806的負浮雕。圖19為示出在載體上製作電學接觸的另一個示範性方法的圖示。在步 驟1902提供模具，例如在上文中結合圖16的說明所述並包括上半部1602 和下半部1604的模具1600。模具的上半部1602和下半部1604相互對準並 接觸，載體1910置於其間。載體1910佔據未被才莫具的空腔1706和1806佔 據的許多空間。空體積1912構成模具的上半部1602和下半部1604之間的 剩餘間隙。在步驟1904，彈性體材料1914已經注射到;f莫具的上半部1602和下半部 1604之間的所有空區域內，包括空腔1706和1806、間隙1912以及載體1910 內的可滲入體積。這有助於將彈性體材料錨定到載體，也穩定了載體平面， 特別是當載體包括例如玻璃織物的載體。在步驟1906,包括彈性體凸塊1918的所得單塊成型體從模具釋放。該 成型體將包括被載體1910強化的部分1916,這有助於防止成型體的變形。在步驟1908,隨後發生彈性體凸塊的金屬化，形成延伸橫跨載體1910的平 面的連續金屬層1920。本文所述接觸除了應用於LGA插入機構裝置之外，還可以應用於晶片 探針或模塊探針互連裝置。晶片探測通常涉及仍在晶片階段時，例如在完整 未切割晶片上測試集成電路晶片的電學功能的工藝。在晶片探測時，晶片探 針互連裝置通常連接到特定一個或多個晶片的輸入/輸出(IO)焊盤。即， 需要一種互連平面陣列，其可以同時將各個相關晶片位置內待測試的各個10 焊盤(可包括所有10焊盤)連接到測試儀器上相應的接觸焊盤的平面。因 此，晶片底部上C4 10連接的每一個或其子集可以可逆地同時連接到測試裝 置上的匹配的IO連接的陣列。這提供了一種可靠但臨時的連接，這種連接 對於測試目的而言是理想的，例如將給定晶片上良好晶片位置與出錯晶片位 置區分開。根據本發明該實施例，晶片探針結構包括載體以及用於晶片底部上各個 連接(或期望的子集)的金屬化彈性體接觸。晶片上的C4連接的節距、直 徑和高度通常小於LGA插入機構連接器，儘管使用基本上相同的製作方法。 然而需要注意一些差異。在LGA插入機構中，單個插入機構上的接觸的數目為幾十萬到幾萬， 且尺寸通常為中心到中心的節距約為lmm,高度約40mil ( 1.016mm),直 徑約為300微米。相比之下，晶片探針上接觸的數目為數百萬，中心到中心 的節距約為100微米，直徑為50微米，高度50微米。此處提供的尺寸僅僅 是示範性的，以提供說明性的比較。本領域普通技術人員將會理解，當LGA 和晶片/晶片IO的總接觸數目增大時，LGA插入機構連接器和晶片/晶片10 的接觸和節距可能減小。此外，如果晶片上IO的數目非常大，則才艮據本實施例，通過分組成型 凸塊而用彈性體接觸密布載體是有用的，而不是使用單個模具形成所有數目 的按鈕。此外，當接觸或IO尺寸變小時，製作模具的方法本身會改變。例如， 當接觸直徑在0.5mm的量級時，可以通過提供良好形狀和深度控制的高速 自動銑床製作模具。這種銑床將掃描柵格，直到完成所有接觸位。然而，對 於非常小的接觸尺寸，優選使用光刻技術將空腔和特徵蝕刻入模具。備選地， 雷射蝕刻或雷射鑽孔可以用於定義模具。更進一步，可以採用下述方法形成模具添加或相減方法或其組合的立體光刻、或者通過平版印刷、電鑄和成 型(LIGA)方法、或者最常用於在金屬或矽或玻璃內形成微機電系統 (MEMS)類型結構的其他立體製作方法。模具還可以通過壓印技術形成。 模具可以由玻璃或石英製成，以允許在彈性體材料注射到模具內之後光固化 該彈性體材料。用於按照與集成電路裝置上接觸的尺寸和間距相對應的間距和尺寸注 射成型焊料堆(solder mound)的設備和方法例如描述於Ference等人的美國 專利No. 5，244，143以及Gruber等人的美國專利No. 6,708,872 B2，其全部內 容於此引入作為參考。這些方法容易應用於以非常小的尺寸、間距和尺度形 成本發明的結構。根據本文的教導以及如下文進一步所述，可以製作同軸彈性體電學探 針。圖20示出了圖13的結構，其接觸1202和1208分別塗敷有介電塗層2002 和2004。介電塗層可包括任何合適的介電材料，例如聚醯胺(polymide)。 沉積合適介電材料的方法對於本領域技術人員而言是顯而易見的，這些方法 例如描述於Beaman等人的美國專利No. 6,452,406 Bl ，其全部內容於此引入 作為參考。如圖21所示，介電塗層2002和2004其上分別沉積有導電材料2102和 2104。導電材料2102和2104可以按照與導電材料1218和1224相同的方式 沉積。因此，導電材料2102和2104可以具有任何期望圖案。圖22為示出圖21的結構的自頂向下視圖。該圖示出了電學導體圖案 2102和2104。相應的電學導體分別為接觸1206和1204上的2106和2108。 導電圖案2102、 2104、 2106和2108可以如圖22所示連接在一起，儘管本 發明不限於所示的連接布置。從圖顯而易見，導電圖案2102、 2104、 2106 和2108可以通過導電圖案2202連接在一起，並用於連接到公共信號接地。 導電圖案2202可以使用與用於形成導電圖案2102、 2104、 2106和2108相 同的工藝形成。互連的電學導體2102、 2104、 2106和2108為電學導體2102、 2104、 2106和2108的每一個提供了公共電勢，特別是地勢。導電圖案例如2102和2104可以具有任何形狀。圖23為示出圖22所示 兩個代表性形狀的自頂向下視圖。圖案2102，為徑向輻條圖案，圖案2104， 為螺旋圖案。可以使用任何其他圖案。圖24示出了圖21的結構，可用作同軸輻條的同軸連接器2410和2412的尖端2402、 2404、 2406和2408處的介電材料2002和2004被選擇性除去。 如上文所教導，圖12和其他相關附圖的結構可以用作電子裝置的探針， 例如包括半導體晶片的集成電路晶片的封裝基板。這種用途的細節例如描述 於Beaman等人的美國專利No. 5,635,846和Beaman等人的美國專利No. 5,371,654,其全部內容與此引入作為參考。當用於探測應用時，圖12和相 關圖示的結構可以包括用於連接到測試設備的一個或多個附加接觸結構。可 以如美國專利No. 6，452，406 Bl所述完成介電材料2002和2004的選擇性去 除，該專利於此引入作為參考。例如，如果材料2002和2004為聚醯胺，則 可以使用氧反應離子蝕刻(RIE)工藝蝕刻聚醯胺。與用於形成圖13所示導 電圖案1218和1224的掩模操作相似的掩模操作，可以用於圖案化圖20的 介電材料2002和2004以形成圖24所示的結構。當圖24的結構，或者例如圖12和13所示的非同軸結構用作探針時， 期望在結構的端部上具有突出，其能夠穿透正被探測的焊盤上任何表面層從 而形成與被探測焊盤的良好電學接觸。例如，參考圖25,探針尖端2502和 2504可以分別形成和接合到導電圖案1218和1224的位置2506和2508。探 針尖端2502和2504例如可以依據上文中結合於此作為參考的美國專利No. 5,371,654闡述的教導以及其圖23所示進行製作，其中端部2506和2508例 如通過上文中結合於此作為參考的美國專利No. 5,635,846中圖14和15所示 的引線鍵合焊料結合器雷射焊接而結合。備選地，如圖26所示，焊盤2602 和2604可以分別接合到端部2402和2404。具有尖峰2606和2608的焊盤 2602和2604可以如Eldridge等人的美國專利No. 6,110,823所述製作，其公 開內容於此引入作為參考(具體而言，參考其圖50b)。圖27示出了使用本文公開的結構作為晶片與/或模塊探測(例如直流和 交流測試)且在晶片水平燒入的集成電路晶片探針的示意性配置。集成電路 晶片2702具有示意性示為2704、 2706和2708的多個晶片位置。各個位置 具有多個電學接觸位置2710、 2712和2714。根據本發明的結構2716設置成 與基板2718電學連通。結構2716具有根據本發明的多個電學連接器2726。 基板2718例如可以是多級印刷電路板(PCB)或者例如用於在多級基板上 封裝半導體晶片的多級陶瓷基板。這些基板通常由陶瓷材料製成並具有70 以上的級別。基板2718的第 一側2720優選地具有置於其上的多個第一電學接觸位置2722。根據本發明的各個電學連接器2726優選地具有與基板2718的相應電 學接觸位置2722電學連通的端部2728。端部2728例如4吏用夾具(未示出) 通過壓力接觸以將結構2716保持在相對於基板2718第一側2720的恰當位 置，由此保持與接觸位置2722電學連通。備選地，圖27中(示意性所示的) 端部2728可以通過焊料2730或者備選連接布置而接合到電學接觸位置 2722。壓力接合或焊料接合提供的優點為，如果不同的足印是期望的或者如 果結構2716出現缺陷，則結構2716可以從基板2718容易地除去。電學接觸位置2722優選地與形成於與一側2720相對的基板2718第二 側2734上的多個第二電學接觸位置2732電學連通，通過位於基板2718的 一側2734上的電學接觸位置2732，通過示意性示為2736的導電圖案，以及 通過可以將一側2720上接觸位置足印的散開提供到一側2734上更大的接觸 位置足印的基板2718。電學接觸位置2732可以置成與測試設備電學連通， 其可以通過印刷電路板以提供電學連接的散開。電學連接器2726例如在探 測操作中當用於接觸電學接觸位置2710、 2712和2714時，如本文所述，具 有安裝到連接器2726的端部2740的相應的接觸尖端2738。為了形成尖端2738和相應接觸位置2710、 2712和2714之間的良好電 學接觸，應在基板2718和晶片2702之間提供足夠的壓力。適用於本發明的 用於在基板2718和晶片2702之間提供這種壓力的一種方法例如描述於2004 年8月27日提交的共同擁有的美國專利申請No. 10/928,473，其公開內容於 此引入作為參考。備選地，為了形成良好電學接觸，尖端2738可以相對於 對應的接觸位置2710、 2712和2714例如通過利用振動而橫向移動，如美國 專利申請No. 10/928,473所述，其公開內容在上文中結合作為參考。儘管本文中已經結合附圖描述了本發明的示意性實施例，應該理解，本 發明不限於這些精確實施例，且本領域技術人員在不背離權利要求範圍的情 況下可以進行各種其他改變和改進。
權利要求
1. 一種用於電子裝置的探針結構，包括電學絕緣載體；以及橫貫所述載體的平面的一個或多個接觸結構，所述一個或多個接觸結構的每一個包括彈性體材料，其具有沿其至少一個表面連續地伸展穿過所述載體的平面的導電層，其中所述探針結構包括用於連接到測試設備的一個或多個其他接觸結構。
2. 權利要求1所述的探針結構，還包括電學連接到各個所述一個或多 個接觸結構並用於電學接觸所述電子裝置至少一部分的一個或多個探針尖端。
3. 權利要求1所述的探針結構，其中至少一個所述一個或多個接觸結 構還包括.-形成於所述導電層至少一部分上的絕緣層；以及 形成於所述絕緣層至少 一部分上的第二導電層。
4. 權利要求3所述的探針結構，其中所述絕緣層連續地伸展穿過所述 載體平面。
5. 權利要求3所述的探針結構，其中所述第二導電層連續地伸展穿過 所述載體平面。
6. 權利要求3所述的探針結構，其中所述第二導電層形成為基本上螺 旋圖案和徑向輻條圖案的至少之一。
7. 權利要求3所述的探針結構，其中所述第二導電層用於連接到公共 信號接地。
8. 權利要求1所述的探針結構，其中所述一個或多個接觸結構的至少 一部分^v中心到中心的節距約為約IO(H數米。
9. 權利要求1所述的探針結構，其中彈性體材料在所述載體相對表面 上形成彈性體凸塊。
10. 權利要求1所述的探針結構，其中所述載體包括多個開口， 一個或 多個所述開口允許所述彈性體材料橫貫所述載體的平面。
11. 權利要求1所述的探針結構，其中所述載體包括多個開口， 一個或多個所述開口允許所述導電層橫貫所述載體的平面。
12. 權利要求l所述的探針結構，其中所述載體包括一個或多個細長開 口 ，所述開口允許所述彈性體材料和導電層之一或多個橫貫所述載體的平面。
13. 權利要求1所述的探針結構，其中所述彈性體材料包括聚二曱基矽 氧烷橡膠。
14. 權利要求1所述的探針結構，其中所述彈性體材料包括聚氨酯、環 氧樹脂和含丁 二烯的聚合物的至少之一 。
15. 權利要求1所述的探針結構，其中所述導電層包括金屬層。
16. 權利要求1所述的探針結構，其中所述導電層包括銅、金、鈦、鋁、 鎳、鉬、鎳鈦合金、以及鈹銅合金的至少之一。
17. 權利要求1所述的探針結構，其中所述導電層沿所述彈性體材料的 一個表面伸展，形成4黃貫所述載體的平面的單個電學接觸。
18. 權利要求1所述的探針結構，其中所述導電層沿所述彈性體材料的 多個表面伸展，形成;f黃貫所述載體的平面的多個電學接觸。
19. 權利要求1所述的探針結構，其中所述導電層形成為徑向輻條圖案 和螺旋圖案的至少之一。
20. 權利要求1所述的探針結構，其中所述導電層僅形成於所述彈性體 材料的選定區域上。
21. —種形成電子裝置的探針結構的方法，所述方法包括步驟在電學絕緣載體上形成一個或多個接觸結構，所述一個或多個接觸結構橫貫所述載體平面，所述一個或多個接觸結構的每一個包括彈性體材料，所 述彈性體材料具有沿其至少一個表面連續地伸展穿過載體平面的導電層；以及形成用於連接到測試設備的一個或多個其他接觸結構。
22. 權利要求21所述的方法，還包括步驟形成電學連接到各個所述 一個或多個接觸結構並用於電學接觸所述電子裝置至少一部分的至少一個 探針尖端。
23. 權利要求21所述的方法，還包括步驟 在所述導電層至少一部分上形成絕緣層；以及 在所述絕緣層至少一部分上形成第二導電層。
24. 權利要求23所述的方法，其中所述第二導電層形成為基本上螺旋 圖案和徑向輻條圖案的至少之一。
25. 權利要求21所述的方法，其中形成所述一個或多個接觸結構的步 驟包括在所述載體上沉積所述彈性體材料；以及金屬化所述彈性體材料，從而形成連續地伸展穿過所述載體平面並沿所 述彈性體材料表面的導電層。
26. 權利要求25所述的方法，其中所述彈性體材料使用模具沉積在所 述載體上。
27. 權利要求25所述的方法，其中所述金屬化步驟還包括在所述彈性 體材料上通過硬掩模內一個或多個開口，使用賊鍍、蒸鍍、電鍍、無電鍍和 噴鍍的 一種或多種而形成金屬的步驟。
28. 權利要求25所述的方法，其中所述金屬化步驟還包括在所述彈性 體材料一側或多側上選擇性地使用濺鍍、蒸鍍、電鍍、無電鍍和噴鍍的一種 或多種而形成金屬的步驟。
29. 權利要求25所述的方法，其中所述金屬化步驟還包括步驟 在所述彈性體材料上沉積金屬；將光致抗蝕劑材料施加到所述金屬上；圍繞導電層的期望的幾何形狀選擇性蝕刻所述光致抗蝕劑材料；以及 除去殘留的光致抗蝕劑材料以顯露所述導電層。
30. 權利要求25所述的方法，其中所述金屬化步驟還包括步驟 將光致抗蝕劑材料施加到所述彈性體材料上；選擇性蝕刻所述光致抗蝕劑材料以形成金屬化圖案； 在蝕刻光致抗蝕劑材料上沉積金屬；以及 除去所述光致抗蝕劑材料。
31. 權利要求25所述的方法，其中所述金屬化步驟還包括步驟 通過將鍍覆籽化合物結合到所述彈性體材料並選擇性地在所述彈性體材料上鍍覆金屬，由此在所述彈性體材料上沉積金屬； 將光致抗蝕劑施加到所述金屬上；圍繞導電層的期望的幾何形狀選擇性蝕刻所述光致抗蝕劑材料；以及 除去殘留在所述金屬上的光致抗蝕劑材料以顯露所述導電層。
32. 權利要求31所述的方法，其中所述鍍覆籽化合物包括苯磷茂、聚 磷茂、柏、把、錫、錫鹽的至少之一。
33. 權利要求31所述的方法，其中在所述彈性體材料上沉積金屬的步 驟包括以相對於所述彈性體材料主軸的一個或多個角度施加所述鍍覆籽化 合物，使得面向所述鍍覆籽化合物施加方向的所述彈性體材料第 一側上形成 的金屬化顯著大於與所述鍍覆籽化合物施加方向相對的所述彈性體材料至 少第二側上形成的金屬化。
34. 權利要求29所述的方法，其中所述彈性體材料以相對於所述彈性 體材料主軸的一個或多個角度沉積在所述彈性體材料上，使得所述金屬僅施 加在所述彈性體材料的選定區域。
35. 權利要求34所述的方法，其中所述金屬通過濺鍍和蒸鍍的至少之 一而沉積。
36. 權利要求21所述的方法，還包括步驟 在所述電學絕緣載體上沉積一個或多個彈性前驅體；以及 光聚合所述彈性前驅體以形成所述彈性體材料。
37. —種晶片4果針互連裝置，包括 電學絕緣載體；以及橫貫所述載體的平面的一個或多個接觸結構，所述一個或多個接觸結構 的每一個包括彈性體材料，其具有沿其至少一個表面連續地伸展穿過所述載 體的平面的導電層，其中所述晶片探針互連裝置包括用於連接到測試設備的一個或多個其 他接觸結構。
38. —種使用至少一個探針結構探測電子裝置的方法，所述至少一個探 針結構包括電學絕緣載體；以及橫貫所述載體的平面的一個或多個接觸結構，所述一個或多個接觸結構 的每一個包括彈性體材料，其具有沿其至少一個表面連續地伸展穿過所述載體的平面的導電層，其中所述至少 一個探針結構包括用於連接到測試設備的一個或多個其 他接觸結構。
全文摘要
提供了一種用於電子裝置的探針結構的技術。一方面，該探針結構包括具有橫貫其平面的一個或多個接觸結構的電學絕緣載體。各個接觸結構包括一種彈性體材料，其具有沿其至少一個表面連續地伸展穿過載體平面的導電層。該探針結構包括用於連接到測試設備的一個或多個其他接觸結構。
文檔編號G01R31/02GK101218515SQ200580043424
公開日2008年7月9日 申請日期2005年9月30日 優先權日2004年12月16日
發明者丹尼爾·P·莫裡斯, 喬安娜·羅斯納, 保羅·W·科託伊斯, 加雷思·G·霍夫阿姆, 史蒂文·A·科德斯, 奧爾方索·P·蘭澤塔, 尼沙·約翰南, 艾利·阿弗扎利, 謝裡夫·A·戈瑪, 馬修·J·法理內利 申請人:國際商業機器公司