带双角腔的集成电路器件测试工具的制作方法

带双角腔的集成电路器件测试工具
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年09月25日递交的、正在审理中的美国临时申 请第63/083,575号(代理人所卷号es-2001-p)的权益和优先权，该临时 申请通过引用整体合并于此。
技术领域
3.本发明涉及用于封装集成电路(ic)器件的可靠测试工具的系统和方 法。具体地，提供了用于ic器件测试工具的改进的接地探头结构。


背景技术：

4.目前的用于封装ic器件的测试插接解决方案由于生命周期磨损和撕 裂应力而在接触点的穿透能力方面并且因此在电气连通性方面存在偏差和 不一致。这些不可避免的影响继续导致无效测试故障、更高的重测率、更 长的测试工具停机时间，并导致更高的ic设备测试成本。尤其是，随着 许多消费电器中的工作频率从一两百兆赫显著增加到几千兆赫，测试插接 解决方案的各方面变得更加重要。尽管大多数信号连接能够容忍因探头组 件磨损而引入的串联电阻的劣化，但接地连接对引入串联电阻的容忍度要 低得多，因为地电流会导致信号连接之间的串扰以及信号失真。
5.一般而言，现有ic设备测试工具的拥有成本(coo)仍然很高，因为 它们的生命周期通常实际上能达到100,000-500,000次，这取决于ic器件 测试环境、ic器件连接层质量、污染和氧化敏感性、以及其他负面影响因 素，例如为了更低成本ic器件的经济压力。
6.用于测试ic器件的测试工具的接触探头通常由导电金属和金属合金 (例如becu、黄铜和钢合金)制成。取决于具体应用，这些接触探头还 可以涂覆和/或电镀合适的导电材料，例如金、铱、镍、钯和钴。
7.然而，在ic器件的重复测试期间，例如，在100,000次测试循环之 后，测试工具的这些接触探头将持续受到反复连接到待测ic器件和从待 测ic器件断开的影响。因此，接触探头经常会因电镀的导电层剥落、金 属氧化、异物附着等而遭受接触劣化，导致接触能力大幅下降。尽管当涉 及小电流时，信号连接可以容忍将电阻引入电路，但大电流区域(例如共 享接地连接)表现出严重的问题。为避免接地回路(这是描述由于电流流 过器件中其他地方而导致的虚假信号电压施加的技术术语)，重要的是不 在共享接地连接中发生无意的电阻增加，因为这会导致输入信号发生变 化。
8.此外，在对上述ic器件进行反复连续测试之后，测试工具接触探头 的穿透能力也受到由对应接触探头主体或柱所容纳的弹簧或弹性元件所产 生的内在柔顺力(compliant force)的大量损失的影响。ic器件的减小的 触点节距大小(例如，从1.27毫米到0.2毫米或更小)加剧了这个问题。
9.因此，很明显，迫切需要提高ic测试工具的接地接触探头在重复测 试后的可靠性。这种改进的接触探头允许在更长的时间内对不断缩小的ic 器件进行可靠的测试，而不会带来与接触探头的故障或显著劣化相关联的 ic测试工具的任何不必要的停机时间。


技术实现要素：

10.为实现上述目的并根据本发明，提供了用于封装高速集成电路(ic) 器件的可靠测试的系统和方法。
11.在一个实施例中，一种测试探头组件被配置用于测试封装集成电路 (ic)器件。该测试探头组件包括：多个探头(探针)、允许测试探头或 探针连接在测试设备的一侧的终止焊盘中介层、以及确保被测器件的可重 复对准的对接(docking)组件。多个探头被配置为当在柔顺力作用下时反 复地维持与被测器件(dut)上对应的多个触点的可靠电接触。中介焊盘 (interposing pad)为多个探头提供机械和电耦合，并且还提供用于从各个 测试设备布线的终止点，各个测试设备用于向dut发送信号和从dut接 收信号。
12.在一些实施例中，测试探头组件包括用于容纳多个探头的上部块、主 块和下部块。主块包括取向为与测试探头组件的竖直轴成第一锐角的多个 倾斜的主探头腔，而上部块包括取向为与该竖直轴成第二锐角的多个倾斜 的上部探头腔。第一锐角和第二锐角相对于彼此偏移一个小增量角
13.要指出的是可以单独地或组合地实践上述本发明的各种特征。下面将 在对本发明的具体描述中并且结合附图来详细描述本发明的这些和其他特 征。
附图说明
14.为了更清楚地确认本发明，将参考附图通过示例的方式来描述一些实 施例，其中：
15.图1a是示出了典型高密度测试夹具的平面图，为了更容易观察而放 大了很多；
16.图1b示出了图1b中看到的典型测试探头设置的一小部分的代表性视 图；
17.图2a示出了简单电路的示意图，以帮助理解接地问题；
18.图2b示出了图2a中阐述的问题的代表性解决方案；
19.图3a示出了高频下不充分接地的示例性俯视图；
20.图3b示出了在升高的频率下的正确接地策略的截面图；
21.图4示出了代表制造所述测试夹具所使用的类型的单个对称可按压的 触针组件的平面图；
22.图5a示出了测试系统中一些元件的截面图；
23.图5b是图5a的部分图示的详细视图；
24.图6示出了根据本发明的示例性测试夹具的一个实施例的改进的性能 布局；以及
25.图7是示出图6所示实施例的优点的曲线图。
具体实施方式
26.现在将参考附图中所示的本发明的几个实施例来详细描述本发明。在 以下描述中，阐述了众多具体细节以提供对本发明的实施例的透彻理解。 然而对本领域中的技术人员而言明显的是，一些实施例可以在没有这些具 体细节中的一些或全部的情况下实践。在其它实例中，未特别详细地描述 公知的处理步骤和/或结构以免不必要地模糊本发明。参考附图和随后的讨 论可以更好地理解实施例的特征和优点。
27.本发明的示例性实施例的各方面、特征和优点将通过以下结合(一个 或多个)附
图的描述而变得更好理解。本领域技术人员应当清楚，这里提 供的本发明所描述的实施例仅是说明性的而非限制性的，仅以示例的方式 呈现。除非另有明确说明，否则本说明书中公开的所有特征都可以被用于 相同或相似目的的替代特征替换。因此，本发明的修改的许多其他实施例 被预期落入本文所定义的本发明及其等同物的范围内。因此，使用绝对和/ 或顺序术语，例如“将”、“将不”、“应”、“不应”、“必须”、
ꢀ“
不得”、“首先”、“最初”、“接下来”、“随后”、“之前”、
ꢀ“
之后”、“最后”和“最终”并不意味着限制本发明的范围，因为这里 公开的实施例仅仅是示例性的。
28.本发明涉及用于封装集成电路(ic)器件的可靠测试工具的改进的接触 探头的系统和方法。本文档中所述类型的探头通常允许一套复杂的测试设 备连接到具有大量连接的集成电路，该测试设备经常包括电源、信号源或 发生器、数据收集设备和分析设备。测试设备可以硬连线到任何测试探头 组件，但测试仪的现代实现方式例行地使设备终止于终止盘或板、中介焊 盘上，该终止盘或板、中介焊盘然后赴附接到包含探头的组件。以此方 式，构成探头组件的探针的一端耦合到终止板，使得另一端则准备好连接 到被测器件。需要牢记的一个重要方面是自动化测试设备旨在测试大量器 件，因此重复连接和断开是基础设计考虑。
29.重复连接和断开导致探针组件在与探针组件相关联的探针台中的磨 损，这种磨损的后果是导致与dut的连接质量发生变化。劣化是有问题 的，因为由此导致的对于正被测试部件的不当拒绝会产生严重的成本影 响，尤其是就现代的高密度技术而言。连接密度非常显著，因为我们经常 发现互连节距从大约0.020英寸或约0.8毫米或更小，低至0.5毫米。此探 针密度的实际探针布局和分布当然由要测试的个体组件部分来决定。通过 将用于测试设备的终止板与包含触针的探头组件分开构建，无论是在探针 开始磨损时还是根据打算的维护计划，有效地更换探头组件变得可行，从 而避免测试设备中的计划外生产损失；要指出的是，探头组件和中介焊盘 之间的连接仅在放置新的探头组件以替换旧的磨损部件时才会改变。如上 所述，本发明的目的是提供一种用于提高包括触针及其安装夹具的组件的 性能以及延长探针本身的性能的机制。
30.为便于讨论，图1a是用于测试示例性高密度部件的探针(探头)的 布局的平面图。应当指出，左侧和右侧标注的“场地a”和“场地b”分 别容纳根据本发明的各种实施例的探针(探头)布置，包括参考标准探针 和/或测试探针。要指出的是，在该示例性测试夹具典型部分的简单描述 中，该夹具中的典型探针间隔一般在0.5和0.8毫米之间。
31.图1b是示出具有高探针密度的ic测试夹具的一小部分的平面图。这 里，测试夹具的大部分或主体100通常是通过加工一块铝以对齐其上表面 和下表面并打孔来制成的，这些孔将允许插入连接探针或探头。虽然相同 的物理探头或探针组件可用于任何孔位置，但在给定应用中，功能可划分 为以下三种类型之一：电源连接，例如电压；接地连接；和信号输入或输 出连接。如图1b所示，信号输入110被示出在相邻的接地连接120旁 边，并且电源输入130也与接地或回线(return)连接120邻近，dut的 信号输出140也与接地或回线连接120邻近。
32.在简单的系统中，只找到单一电源连接和单一共享接地连接的情况并 不少见。然而，在输入电路非常敏感且输出电路消耗大量电力的系统和电 路中，它们之间的相互作用可能是非常值得关注的问题。经常通过确保输 入电路与输出电路适当隔离来解决此问题。
事实上，困难可能如此严重， 以至于制造商经常通过建议的印刷布线布局来发布要遵循的指南，以确保 正确操作。两个常见的关注点是在使用的器件的高电流和低电流部件之间 共享电流路径，以及必须正确设计和规划高速传输线以使信号反射的影响 最小化。谨慎选择电流路径的相同注意事项也适用于同时存在模拟和数字 电路的器件。在本发明中，我们特别关注由于在规划电流路径时接地不足 而引起的共模问题。
33.举个简单的例子，考虑在音频系统的情况下最熟悉的两个反馈源。通 常被认为是大声尖叫的“嚎叫声”经常是由来自扬声器的声学信号被接收 然后被麦克风电路重新放大引起的。礼堂的声学特性和放大系统的频率响 应将确定其性质。这通常可以简单地通过降低放大器的增益或通过在礼堂 中悬挂吸收窗帘来衰减一些声学反射来解决。然而，第二个常见且恼人的 问题是系统中的残余嗡嗡声，这是由麦克风电路检测到的电压变化不是来 自麦克风而是来自接地连接(其中除麦克风电流外的其他电流也被汲取， 即“接地回路”)引起的。一般而言，布线布局经常是罪魁祸首，必须对 其进行更改以减少或消除这种“嗡嗡声”。接地回路的一个补充效应是使 施加的信号失真，从而输出听起来粗糙或令人不快。
34.现在，通过对接地回路问题的解释，转向图2a的电路，其中显示了 简单的音频放大器。在本示例中，放大器200被示出为连接到其电源205 并经由导体245连接到其接地回线(ground return)240；在单端系统中， 接地回线经常是电源负极的连接点。输出驱动也通过导体245接地的扬声 器210，麦克风220也经由导体245连接在输入和地之间。所以导体245 中流动的电流包括放大器电流253，该放大器电流253与可由扬声器电路 汲取的电流250以及由麦克风产生的电流255一起被汲取以运行设备。在 点247测得的电压用于参考，麦克风输入与实际接地240不同，因为导体 245的电阻“r”不为零；这个电压实际上是施加的麦克风信号减去一电 压，该电压即导体的电阻乘以流入其中的三个电流250、253和255的总 和，该电压将是变化的电压，因为放大器消耗由于放大器放大音频信号而 随着时间发生改变。所以放大器输入电压235将不同于施加的麦克风电压 230。
35.因为放大器汲取的电流和扬声器汲取的电流根据麦克风产生的信号而 变化，而麦克风信号由在电247处产生的变化改变，系统将放大这两个信 号的组合。这意味着传送到扬声器的信号版本将是来自麦克风的预期信号 的失真版本。这种发生在系统的接地部分的事实导致了术语“接地回 路”，尽管它可能不是严格意义上的回路。重要的方面是共享接地连接会 导致明显的噪声或干扰，从而改变系统响应。该问题的解决方案是确保放 大器只感测麦克风信号，而不是共享电流路径引起的信号组合。
36.图2b示出了用于放大器的麦克风接地回线243现在与电源和扬声器 接地回线245分离。在这种情况下，麦克风信号的参考在240处位于地电 势并且不再取决于流入245中的电流。这说明倾向于使得测试夹具中的接 地连接是独立的而不依赖于可能会导致信号路径中出现不想要的失真的共 享路径。典型地，数字设备中的这些失真类别经常被视为定时抖动，其中 所施加信号脉冲的失真导致dut出现故障，因为未在必要的时间规范内 达到信号电平。
37.回到系统中正在测试的dut，其中信号电平相对较高，例如逻辑系 统，在该系统中逻辑零(0)约低于该部分的电源电压(在规范表的常规 式样中为v
cc
或v
dd
)的三分之一，而逻辑一(1)是高于该电源电压的三 分之二的电压，噪声水平通常不是很重要。然而，在电源电压非常低(作 为示例，在1.1到1.8伏特附近)并且电流可能足以使测试夹具中连接探 针
处的电压参考点失调的系统中，所产生的噪声可能会在呈现给该部分的 逻辑电平中引入不确定性。这类似于上述音频放大器系统中的“嗡嗡声
”ꢀ
问题。知道常见的干扰源是系统接地不当，其中允许电流沿着用作对于敏 感输入的参考连接的路径流动，因此需要谨慎的解决方案。另一个虽然不 太常见的关注点是静电屏蔽(例如屏蔽电缆的编织物)的不当接地，这允 许来自附近发射器的辐射噪声出现在输入线上并以某种方式进行整流以使 输入放大级的参考电压失调。
38.在例如在现代高速集成电路中发现的高频探头系统中，简单的解决方 案一般不太清楚。由于测试频率的波长非常短，因此高质量的接地对于防 止由于电流路径之间的物理距离是所施加的信号的波长的相当大一部分而 导致的干扰至关重要。这就要求靠近信号连接并且不依赖于测试夹具中其 他名义上的接地点的接地连接；这里要指出的是，即使直流测试可能会显 示各个接地点处于相同的电势，但在工作频率下这很少适用。实际上，在 射频下，易于提供一种结构，该结构在工作频率下看起来是开路，而为了 电源电流的目的而处于地电势。
39.为将流入被测器件的接地路径或回线的电流产生的噪声降至最低，因 为随着设备技术的不断进步，接地点之间的距离在更高的测试频率下可能 是波长的较大分数甚至是倍数，确保接地路径尽可能短很重要。在大多数 高频印刷电路设计中看到路径长度最小化的示例，其中多个过孔(导电镀 孔，它们连接到覆盖电路板一侧的大部分的接地面)位于信号路径导体附 近，从而减少接地电流必须行进的距离。
40.考虑图3a，实际接地点被设置为距预期接地四分之一波长的情况。 晶体管305的发射极通过导电元件310连接到直流接地320，该导电元件 310的长度为某一频率下的四分之一波长。在这种情况下，在该频率下， 晶体管将不会看到接地而是开路，即使来自实际接地的电流仍然能够到达 晶体管以允许其偏置来进行操作。一个典型的影响是电路可能表现出不受 控制振荡的趋势，但当然，也有一些示例可以利用这种影响，例如使距离 为特定频率下的半波长，从而仅可在该特定频率下获得有效接地；这是一 种可以创建滤波器的方式。这类问题，即实际接地点的位置不确定，是使 用双面电路板的主要原因，其中连接层位于电路板的一侧，另一侧几乎完 全是代表实际信号地的导电层。取决于实际电路，接地可能仅在板的某些 区域中是连续的，并且部件可以连接到该板的名义接地侧；在复杂的布置 中，电源连接和接地连接可能被埋在夹层布置中，并且只能在板的任一物 理侧上接入组件连接。
41.现在转到图3b，示出了图3a的图示的截面图，其中除图3a的细节 外，可在基板层340下方添加导电层325，提供元件310、导电链接315 以连接到接地层325，从而在元件310的一端的连接点处接地看起来更加 正确并且不再被依赖于频率的元件取代。322处的线表示接地片320的上 边缘，在图3a中元件310连接于此。这种理解现在可用于制定在为关键 应用(例如高速、低压集成电路的测试)开发测试夹具时出现的接地问题 的解决方案。
42.当需要测试夹具必须单独将高频信号传递到被测器件(dut)时，测 试夹具允许仅使用少量探针进行相对简单的接地连接并不少见。因为一些 测试应用要求为dut提供信号和接地连通性，以不仅保持信号保真度而 且提供与传入和传出dut的其他信号的隔离并保持阻抗匹配以减少由于 信号的意外反射而导致的信号失真，所以必须为高密度的探针进行配设以 使得状态良好的接地成为可能。
保持块530固定触针组件的壳体，并与匹配的下保持块532协力，匹配的 下保持块532将与接地探针外壳保持良好接触。绝缘垫圈507捕获任一端 的信号探针并确保它与接地连接绝缘。
49.图5b阐明了这一点。接地质量很快成为一个关注点，因为反复连接 和断开导致探针随着在夹具中移动而磨损。这样做的结果是接地探针505 的电阻变得不确定，一般随着磨损而增加。图7示出了这一点。对信号连 接探针510的类似影响一般不太关注，因为它经常连接到dut上阻抗较 大的点，因此影响较小。在一种实现方式中，工作规范要求任何接地连接 不得超过100ω，因此测试夹具实现方式要求采取步骤来补偿磨损。绝缘 垫圈507在这个图中更容易辨别。
50.图6示出了根据本发明一个实施例的示例性双角(“da”)测试夹具 600当处于加载的操作位置时的截面图。这里，信号线和电源线附接于其 上的终止板是印刷电路板组件660，该终止板位于组件的下部。未示出对 准到接触探针682的接触焊盘及其到驱动器件以进行测试的外部测试设备 的连接。下部块或保持层650可以是任何合适的材料，并且一般是复合材 料或塑料材料，它们被钻孔以在探针组件被放置到夹具的主块640中时接 收探针组件。上部块具有至少一个带有孔轴676的探头腔，该孔轴676从 交叉偏置轴678旋转偏移一定角度。这样做的效果是使探针组件的外部壳 体在组装后即非常紧密地结合在一起。该偏移角是主块640中的孔的纵轴 与上部块620中的孔的纵轴之间的差，该偏移角大约在2
°
到5
°
之间；例 如2.9
°
。
51.通常，将固定上保持层620的层压层630粘附在主块上，探针组件简 单地推过去。可以在插入探针组件之前将层压层630开洞以产生孔，或者 可以简单地刺穿层压层630以简化探针插入任务。dut 610被定位为使得 它与夹具的接触位置对准。由于如图4中所示弹簧将两个探针分开并且就 着探针组件的壳体将它们预加载，所以在该未加载状态下，探针的侧面可 能会有轻微接触，但是随着通过将测试夹具定位为顶着终止板660来加载 探针，由于探针的有角度定位导致的侧向力引起朝向壳体的壁的移动并与 之接触，建立初始接触区域689。类似地，当dut 610被推向探针组件中 的对端探针时，这种致动导致相对于壳体壁的进一步位移，从而产生另外 的接触区域686，并且还在致动期间为顶部的探针提供内在支持。
52.由此产生的布置有效地消除了探针组件内的弹簧的任何电效应。在一 些实施例中，替代上部块620和主块640之间的位置偏移，选择图6所示 的角度偏移。当容差适当时，这在探针组件上产生相同的锁定效果并易于 构造。值得注意的是，探针组件不需要依赖于主块640来进行任何电连 接，容纳探针组件的接收孔优选地被钝化；这可以是阳极氧化工艺以获得 绝缘，或者如果软导电层是优选的，则可以是铬酸阳极化(alodining)处 理。探针组件的外围壳层也可被钝化，如果存在高压，这可能会有所帮 助。
53.现在转向图7，已经进行了广泛的实验室测试来验证图6的双角实施 例的性质并记录其有利的性能。使用图1a所示的测试夹具，开发了一种 系统来测试本发明的实现方式的接地性能。该图示出了在任一实现方式中 实现的以最佳水平标准化的接地的有效性。因此，100％性能被定义为通 过测试夹具中(指定场地a)的探针的双角设置实现的。此da探针设置 使用图7的主块中的孔(即交叉偏置角#1 678)和上部块620中的孔(即 角#2 676)之间的角度偏移。这里，该实现方式的中心线的角度变化使得 探针受到孔的各个侧面的机械
约束。水平刻度示出了施加于测试夹具的连 接-断开循环次数，可以看出，在一万次循环时，接地性能下降了大约 0.5％，但随着测试继续，开始发生略微加快的磨损率。
54.现实世界的测试已表明，在实际设备上进行的一组特定测试(这些测 试引发了对接地性能的特殊管理的这种迫切需求)的可接受限制通常设置 为70％。在此之下，错误拒绝率是完全不可接受的。从维护的角度来看， 使用设置为80％接地性能的保护带指示来保证对设备测试的准确性，显然 da设置提供了测试可靠的确定性。本次提交之日的实际验证结果表明性 能在300,000次循环后仍然可以接受。
55.相比之下，场地b的传统夹具设置，即参考设置，表明不仅是测试开 始时接地性能已经处于令人惊讶的低水平，比da设置差近6％，而且随 着使用性能下降很快。仅在5,000次循环后，传统设置就已经侵入了保护 空间，这通常用作即将进行维护的警报。在10,000次循环时，性能劣化将 传统设置置于失败的风口浪尖，不久之后设备就会出现不可接受的错误拒 绝率。此时，设备制造商面临着不可避免的维护需求。
56.对从服务中移除的测试夹具进行维修拆除，之后是对剥离的基块进行 一段时间的超声波清洗，然后重新组装，表明接地性能确实发生了部分恢 复，但仅恢复到略高于保护带水平的水平，并且这可能只会将测试夹具的 寿命延长少于另外的10,000次循环。根本原因尚不清楚，除了夹具的某种 污染，但使用da设置大大减少了这种情况，不需要中期修复处理。
57.虽然本发明已经根据几个实施例进行了描述，但是存在落入本发明范 围内的变更、修改、置换和替代等同物。例如，许多修改是可能的，并且 来自各种实施例的上述特征可以单独或组合使用。还预期上述系统和方法 的(一个或多个)新颖的特征可用于非接地探针结构。尽管提供了分节标 题以帮助描述本发明，但这些标题仅是说明性的，并不旨在限制本发明的 范围。
58.还应指出的是，有许多替代方式来实现本发明的方法和装置。因此， 意在将所附权利要求书解释为包括落入本发明的真实精神和范围内的所有 这些变更、修改、置换和替代等同物。