CN1497794A - 尖锐的、取向的接触尖端结构 - Google Patents

尖锐的、取向的接触尖端结构 Download PDF

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Abstract

描述了用于在电子元件的端子之间进行压力连接的改进的互连元件和尖端结构的装置和方法。本发明的尖端结构具有一在该尖端结构的上表面上取向的尖锐刀刃，当尖端结构横向于电子元件的端子偏移时，刀刃的长度方向基本上平行于尖端结构的水平运动方向。以这种方式，尖锐的、基本上平行取向的刀刃可完全削破端子表面上的一层或多层不导电层，并在互连元件和电子元件之间提供可靠的电接触。

Description

尖锐的、取向的接触尖端结构
本申请是申请人为佛姆法克特股份有限公司、申请日为1999年11月10日、申请号为99813155.5(PCT/US99/26787)的中国专利申请的分案申请。
技术领域
本发明总的涉及电气互连(接触)元件领域，尤其是适用于在电子元件之间进行压力连接的互连元件和尖端结构。
背景技术
通常，电子元件之间的互连可以分为“相对永久的”和“易于拆开的”两大类。相对永久连接的一个例子是焊接连接。一旦两电子元件相互焊接，必须使用拆焊加工才能分开这两元件。例如在一半导体小片(die)和一半导体组件的内引线(或引线框触头的内端)之间的导线接头是相对永久连接的另一个例子。
易于拆开连接的一个例子是被另一个电子元件的弹性插座部分所接受的一电子元件的刚性插销。插座部分在插销上施加一个充分大的接触力(压力)以保证它们之间的可靠的电连接。易于拆开连接的另一种型式是自身为弹性的或安装在一弹性介质内和/或上的互连元件(在此也称为弹簧、弹性件、弹性触头或弹性接触件)。这种弹性接触元件的一个例子是探测卡的一根针。这些弹性接触元件通常用来在它们所安装的一元件和另一元件(例如试验中的一半导体装置)的端子之间实施暂时的压力连接。
尖端结构通常安装(或固定或连接)于一互连元件的一端。尖端结构对互连元件提供所需的尖端形状，特别是能提供与可产生可重复高压的受控几何形状接触的一个小区域。当互连元件本身变得越来越小时，尖端结构越来越成为关键问题。一尖端结构在它的表面上也可以具有拓扑学的特征以有助于在两个电气构件之间提供电接触。例如，尖端结构的目的通常是划破试验中的电气元件的端子上的不导电层(通常是腐蚀、氧化产品或污染薄膜的其它型式)。当施加一接触力时，互连元件对试验中的电子元件上的端子施加一压力，并使尖端结构横向于该端子偏移。尖端结构的横向于相应端子表面的小的水平移动使尖端结构划破该端子上的不导电层，从而在两电子元件之间建立良好的电接触。例如，安装于互连元件12的尖端结构10(示出在图1A和1B中)有一刀刃14，该刀刃可刮去不导电层，以便实现电接触。
存在许多与实现上述电接触有关的问题，首先，随着端子接触面积也变得较小，尖端结构10的水平移动就会成为问题。第二，当尖端结构10被迫横向于端子偏移时(见图1B)，它也被迫向下并离开该端子，使得触点结构10横向于端子偏移时使尖端结构10的刀刃14转动离开该端子。刀刃14偏移离开试验中的电子元件的端子降低了实现与电子元件的端子形成可靠电接触的可能性。并且，当尖端结构横向于端子的不导电层刮削企图穿透不导电层并建立良好的电接触时，沿尖端结构10的刀刃14和上表面经常有许多散逸的微粒并集聚起来。这种集聚可以在尖端结构和端子之间形成高接触阻力，这样就可能由于在尖端结构两端产生电压而在装置试验期间造成不准确的电压电平。这种不准确的电压电平可能导致设备工作失误，当在设备试验环境中利用这种接触时会造成低的试验输出。
因此，希望有这样的互连元件和尖端结构，它们在尖端结构横向于端子的表面偏移时，使沿着尖端结构的刀刃的微颗集聚最小，并使尖端结构和试验中的电子元件的端子之间的接触压力最大。
发明内容
将描述提供改进的互连元件和尖端结构以便在电子元件的端子之间实施压力连接的一种装置和方法。本发明的尖端结构具有一在尖端结构的上表面上的取向的、尖锐的刀刃，当尖端结构横向于电子元件的端子偏移时，刀刃的长度方向基本平行于尖端结构的水平运动方向。以这方式，尖锐的基本平行取向的刀刃可完全削破端子表面上的一个或多个不导电层，并在互连元件和电气构件的端子之间提供可靠的电连接。
附图说明
图1A是现有技术中已知的一互连元件和尖端结构的侧视图。
图1B是现有技术中已知的一互连元件和尖端结构在偏移时的侧视图。
图2A是本发明的一互连元件和尖端结构的侧视图。
图2B是本发明的尖端结构的一实施例的立体图。
图2C是本发明的互连元件和尖端结构偏移时的侧视图。
图2D是本发明另一实施例的侧视图，它示出了一在一端具有一基本平行取向的刀刃的互连元件。
图3A是一细长的互连元件的剖视图。
图3B是一细长的互连元件的剖视图。
图3C是一细长的互连元件的剖视图。
图4A是本发明的一普通实施例的立体图，示出了将要结合的预制接触尖端结构和互连元件。
图4B是钎焊连接到图4A所示互连元件的图4A所示接触尖端结构的侧剖视图。
图4C是在去除牺牲基片之后，钎焊连接到图1A所示互连元件的图4A所示接触尖端结构的侧剖视图。
图5A-5C是按照本发明的一实施例的、为了互连元件、在一牺牲基片上制造悬臂尖端结构的多加工步骤的剖视图。
图5D是按照本发明在一牺牲基片上形成一悬臂尖端结构的一个实施例的立体图。
图5E是按照本发明在一牺牲基片上形成一悬臂尖端结构的第二实施例的立体图。
图5F是安装在一电子元件表面的一突起互连元件上的、图5E所示悬臂尖端结构的侧视图。
图5G是安装在一电子元件表面上的一突起互连元件上的、图5E所示悬臂尖端结构的正视图。
图5H是安装在图5D所示的一突起互连元件上的悬臂尖端结构的剖视图。
图5I是按照本发明另一实施例的、制造悬臂的尖端结构的另一实施例的侧向剖示图。
图5J是图5I所示实施例的正剖视图。
图5K是按照本发明另一实施例的、图5I和5J所示的、安装在一电子元件上的悬臂尖端结构的侧向剖示图。
图6A是具有一带棱锥边缘的刀刃的本发明尖端结构的立体图。
图6B是带钻石形边缘的本发明尖端结构的立体图。
图7A是具有两刀刃的本发明尖端结构的俯视图。
图7B是具有用一桥接部分连接的两刀刃的本发明尖端结构的剖视图。
图7C是具有两并列刀刃的本发明尖端结构的剖视图。
图8A是具有一带一主刀刃和一后刀刃的刀刃的本发明尖端结构的立体图。
图8B是图8A的尖端结构的剖视图。
图9A是固定于Cobra型探头的本发明尖端结构和基本平行取向的刀刃的剖视图。
图9B是在一端具有一基本平行取向的刀刃的Cobra型探头的剖示图。
图10是具有一有支座刀刃的本发明尖端结构的立体图。
具体实施方式
下面将叙述提供适合于在电子元件的端子之间进行压力连接的、改进的互连元件和尖端结构的装置和方法。在以下叙述中，为了充分理解本发明，例如对材料类型、尺寸、加工步骤等进行了非常详细的说明。但是，对于本领域的熟练人员显而易见的是，可以不用这些具体细节来实施本发明。另方面，为了避免不必要地模糊本发明，没有特别详细地说明已公知的部分和加工技术。并且，虽然就利用可在探测卡和试验中的一电子元件的端子之间提供电连接的一探测卡元件的针讨论了本发明，但是本发明并不限制于用于探测卡，可以用来在其它环境中的其它电气构件之间提供电连接。
如以上所讨论的，为实现两电子元件之间的良好是接触，现有技术的互连元件和尖端结构存在许多问题。本发明是这样来解决这一问题的，即提供一尖端结构的一互连元件，在尖端结构的上表面上具有带一尖锐的、定向的刀刃，以致当尖端结构横向于试验中的电子元件的端子偏移时，刀刃的长度基本平行(在平行线的约±15°的范围之内)于尖端结构的水平运动的方向。利用本发明，可在电子元件之间建立可靠的电接触。一旦尖端结构接触电子元件的端子，互连元件迫使尖端结构横向于端子的表面偏移，以致尖端结构的刀刃削破(穿透)该端子的表面上的不导电层(多层)。电子元件可以是一集成电路、一互连板、一半导体晶片或一印刷线路板。
图2A是本发明的一侧视图，示出了一在一端连接于一基板26的弹性接触元件24和一连接于相对端的尖端结构20。图2B是本发明的尖端结构20的立体图，在该尖端结构的上表面有一刀刃22。在本发明的该实施例中，刀刃22包括一接触元件，其表面在延伸时于空间形成一直线。当将尖端结构20与一电子元件(未示出)接触并施加一作用力时，尖端结构20将横向于端子的表面偏移。当尖端结构20横向于端子偏移时，尖端结构20的刀刃22将划破端子表面上的不导电层。图2C是本发明的侧视图。图2C的虚线示出了横向于端子偏移后的互连元件24和尖端结构20。ΔX代表尖端结构20的侧向(或水平)偏移量。
刀刃在尖端结构20的上表面的取向是，刀刃的长度(L)基本平行于当尖端结构20横向于表面端子偏移(见图2C)时，尖端结构20的水平移动(ΔX)的方向。刀刃22的取向基本平行于尖端结构的水平移动方向，这使刀刃可削(或切)破端子的表面上的任何不导电层(多层)。
图2D示出了本发明的另一实施例，其中刀刃26形成在弹性接触元件自身的端部上，而不是在一单独的尖端结构上。以这方式，可以形成一基本平行取向的刀刃26，不必借助一传动的尖端结构(例如图2A中的尖端结构20)。可以用若干方法，包括但不限于电镀或机加工(例如利用冲压、锻造、电抛光或静电放电)在弹性接触元件28的端部形成刀刃26。
在尖端结构20的上表面上的刀刃22(或在弹性部分28的端部形成的刀刃26)的取向基本平行于尖端结构20的水平运动分量的方向(以后统称为平行取向)与现有尖端结构相比提供了许多优点。首先，沿刀刃22的长度(L)的尖锐边缘的平行取向允许刀刃22完全切破端子上的不导电层，并与正被试验的电气元件的端子建立良好的电连接。相反，现有技术尖端结构的刀刃的基本垂直的取向(即，尖端结构的上表面上的刀刃的长度取向为基本垂直于在尖端结构横向于试验中的端子表面偏移时的尖端结构的水平移动分量的方向，见图1A和1B的刀刃14)提供了横向于不导电层的刮削运动。现有技术刀刃横向刮削端子表面很像一推土机刮去一层土的情况。垂直取向的刀刃的刮削运动可能损坏端子表面，经常在刀刃上引起显著磨损，缩短刀刃的使用寿命，并经常沿刀刃产生散逸的颗粒和不导电层的堆集。相反，本发明的平行取向的刀刃22靠跟随着尖端结构的水平运动分量的方向和完全划破端子上的不导电层而解决了上述问题。而且，沿刀刃22的表面如果有任何集聚也将是最少的，从而使尖端结构和端子之间的接触阻力较小，进而在试验时产生较准确的电压电平。
刀刃22的平行取向也提供了与试验中的电子元件的端子的较可靠的电连接。随着电子元件端子变小，由于刀刃运动到端子之外的可能性增加，造成刀刃与端子将不能建立电接触，所以刀刃的任何运动都变得很重要。如图1B和2C所示，尖端结构(10，20)横向于端子的偏移可以取决于互连元件的材料和形状。在一实施例中，当尖端结构(10，20)被向下推离端子时，尖端结构沿着一基本转动的路径偏移，该偏移路径具有一侧向的(或水平)和一垂直的运动分量，造成一侧向偏移和一垂直偏移。作为尖端结构10的转动运动的结果，垂直取向的刀刃14有可能被推出端子接触区之外。相反，当尖端结构20横向于端子偏移时，即使刀刃20的一部分运动到端子接触区之外，刀刃22的其余长度(后端)继续保持与端子接触。同样地，使当刀刃22的前端被迫向下转动并离开端子接触区域时，刀刃22的后端仍然与端子表面接触。以这方式，本发明的平行取向的刀刃22提供了与试验中的电子元件的端子较可靠的电连接(或接触)。
本发明的元件
本发明的互连元件和尖端结构可以用多种方法和多种材料制造。以下讨论的制造方法和材料类型仅是说明性的例子，并不是以任何方式来限制本发明。也可以遵循和/或利用本领域已知的其它方法和材料。
互连元件
本发明的互连元件，例如细长的和/或弹性互连元件可以用于本发明的互连元件(图2A的部分24)。当使用弹性互连元件时，一种复合的互连元件是接触结构的较佳形式(弹簧或弹簧状元件)。图3A-3C示出了通常用于复合的互连元件的多种形状。本发明的尖端结构可以用在任何弹簧状元件上，其中包括以下所讨论的那些元件和揭示在1995年12月19日提出的美国专利号5,476,211中的那些元件，该美国专利转让给了本发明的受让人，并结合在此以供参考。
在图3A中，一电互连接部分310包括一“软”材料(例如屈服强度小于40,000磅/平方英寸的材料)的芯子312和一“硬”材料(例如屈服强度大于80,000磅/平方英寸的材料)的外壳(外涂层)314。芯子312是形状(外形)如一基本直的悬臂梁的细长部分，并且可以是直径为0.0005-0.0030英寸的金属丝。可以用任何适当的工艺将外壳314施加在已成形的芯子312上，例如用适当的电镀工艺(例如电化学电镀法)。通常较佳的是外壳(一层或多层外涂层)的厚度比所包覆的金属丝的直径大。藉助它的“硬度”和控制它的厚度(0.00025-0.02000英寸)，外壳314可给予整个互连元件所需的弹性。以此方式，在互连元件310的两端310a和310b之间可以实现两电子元件(未示出)之间的弹性互连。
图3A示出了用于本发明的互连元件的或许是最简单的弹簧形状，即以相对于在其尖端310b处的一作用力“F”成一角度的一个直的悬臂梁。当一与互连元件压力接触的电子元件的端子施加这样一个接触力(压力)时，尖端的向下偏移(如图所示)造成该尖端横向于该端子运动，形成一“擦抹”运动。这一擦抹接触保证了互连元件和电子元件的被接触端子之间产生可靠接触。互连元件的偏移(弹性)总的来说部分地取决于互连元件的总形状、部分地取决于外涂层材料的主要的(较大的)屈服强度(相对于芯子的屈服强度而言)和部分地取决于外涂层材料的厚度。
在图3B中，一电互连元件320类似地包括一软芯子322(对比312)和一硬外壳(对比314)。在该例子中，将芯子322成形为有两个弯头，形成S形状。如同在图3A的例子中一样，在互连元件320的两端部320a和320b之间可实现电子元件(未示出)之间的弹性连接。在接触一电子元件的端子时，互连元件320受到一接触力(压力)，如箭头“F”所示。
在图3C中，一电互连元件330类似地包括一软芯子332(对比312)和一硬外壳334(对比314)。在该例子中，成形芯子332使其具有一个弯头，即成U形。如同在图3A的例子中一样，在互连元件330的两端330a和330b之间可实现电子元件(未示出)之间的弹性互连。在接触一电子元件的端子时，互连元件330可受到一接触力(压力)，如箭头“F”所示。或者，可以利用互连元件330在它的端部330b之外进行接触，如箭头“F′”所示。
应该理解，软芯子易于成形为任何有弹性的形状，换句话说，就是能响应施加于尖端的作用力而使互连元件弹性偏转的形状。例如，芯子可以成形为普通盘旋形状。但是，盘旋形状不是较佳的，这是由于互连元件的总长度和与此关联的电感(及类似因素)以及会在高频(速度)时对电路运行造成不利的效果。同样，芯子部分不一定非要是圆形横截面，但是可以是具有一总的为矩形的横截面和从一片材延伸的平薄片(“带子”)。对于互连元件也可以用其它非圆横截面，例如C形、I形、L形和T形横截面。
外壳材料、或多层外壳的至少一层(如下所述)比芯子材料具有大得多的屈服强度。因此，外壳覆盖芯子可建立所产生的互连结构的机械特性(例如弹性)。外壳屈服强度与芯子屈服强度之比较佳的至少是2∶1，也可高达10∶1。显然，外壳或多层外壳的至少一个外层应该是导电的，尤其是在外壳包覆芯子端部的地方。
芯子(312、322、332)的适合材料包括但不局限于：金、铝、铜和它们的合金。这些材料通常与少量其它材料形成合金，以获得所需的物理性能，例如与铍、镉、硅、镁等。也可以利用银、钯、铂；金属或合金例如铂族元素的金属。也可以利用由铝、锡、铟、铋、镉、锑和它们的合金所构成的焊料。通常，适合于结合(利用温度、压力和/或超声能量实施结合)的任何材料(例如金)的金属丝都可用于实施本发明。适合于包覆(例如电镀)的任何材料(包括非金属材料)都可用于芯子，这也在本发明的范围之内。
适合于外壳(314、324、334)的材料包括但不限制于：镍和它的合金；铜、钴、铁和它们的合金；金(特别是硬金)和银，这两种金属有极好的导电性能和妆好的接触阻力特性；铂族元素；贵金属；半贵金属和它们的合金，特别是铂族元素和它们的合金；钨和钼。在需要一焊料状最后加工的地方，也可以利用锡、铅、铋、铟和它们的合金。用于将这些包覆材料施加到以上所列出的各种芯子材料上而选择的技术当然随使用情况而变化。通常电镀和化学镀是较佳的技术。
可以用于本发明的电互连元件的另一型式是用金属版印刷法形成的弹性互连元件。本发明的取向刀刃可以形成在用金属版印刷法形成的弹性互连元件的接触端上。在本发明的一个例子中，取向的刀刃可以先形成在一牺牲基片上，然后转移到一由金属版印刷法形成的弹性互连元件的接触端上。
本发明的互连元件(图2A-2D的元件24)通常可以制造在或安装在任何适当基片(包括牺牲基片)的任何适当表面。然后从其取出或安装到电子元件的端子上。
互连元件与尖端结构的连接
图4A示出了本发明的一个概括性的实施例，其中多个(图中示出了四个)接触尖端结构402用以下叙述的方式预制在一支承(牺牲)基片404上。所示的相对应的多个(示出了四个)互连元件406准备使它们的自由端406a连接于接触尖端结构402(反之亦然)。细长的互连元件406的自由端406a远离细长互连元件406的相对端(未示出)，这些互连元件通常从一电子元件(未示出)例如一半导体装置、一多层基片、一半导体组件等的表面延伸出来。
图4B以一侧视图示出了利用焊接将接触尖端结构402连接到细长互连元件的下一步骤。示出了一所产生的角焊接头408。接触尖端结构402还以它们预定的相互空间关系固定在牺牲基片404上。图4B也示出了用导电粘结剂(例如含银的环氧树脂等)将接触尖端结构402连接于细长的互连元件。将接触尖端结构402连接到细长互连元件406的另一方法是用金属材料例如镍电镀至少覆盖接触尖端结构402的连接处和细长互连元件406的相邻端部。
图4C以一侧视图示出了再下一个步骤，在将接触尖端结构402连接于细长互连元件406之后，去除支承(牺牲的)基片404。由于已以图4B所示的方式对一接触尖端结构402进行了焊接(408)，从而示出了所产生的“具有尖端的”互连元件406(如在这里所利用的，“具有尖端的”互连元件是一个已有一连接到其上的单独的接触尖端结构的互连元件)。
在此所述的、在牺牲基片上形成自由竖立的互连元件(或由它们自己或在预制的尖端结构上)的实施例中，通常讨论的是将互连元件的一端连接于(或在一复合的互连元件的情况下，连接一细长的芯子)一牺牲基片。利用除连接以外的工具(技术)也在本发明的范围内。
尖端结构
图5A-5H示出了一种用于制造具有平行取向刀刃的尖端结构和将它安装到可以用作为电子元件的端子的互连元件的技术500，图5I-5K示出了利用该尖端结构的另一技术550。这些技术特别适用于将自由竖立的互连元件最终安装到电子元件(例如半导体装置、探测卡组件的空间变压器基板等)上。
图5A示出了一牺牲基片502，例如一单晶硅的晶片，在其中蚀刻有多条沟槽(示出了一条)。首先在基片502上形成一有图案的掩蔽层，例如一光致抗蚀剂(未示出)以限定沟槽504的长度和宽度。其次，在基片502上形成沟槽504。在较佳实施例中，在110和001晶体取向之间进行氢氧化钾(KOH)选择性蚀刻。
注意也可以利用除KOH选择性馒刻之外的其它方法来形成用于形成本发明刀刃的沟槽504。例如，也可以用反应离子蚀刻(RIE)形成沟槽。而且，也可以利用非金属版印刷方法，包括但不限制于抛光(电抛光和机械抛光)冲压或磨削尖端结构。利用组合的不同蚀刻技术也可以产生直壁的和沟槽结构的组合。为产生例如图10所示的有支座的结构，可能需要这些组合。正如以上讨论的尖端结构一样，结构980包括尖端支座982和尖端刀刃984。但是，尖端结构980还包括为尖端结构980提供支座距离(D)的直壁部分986。
该较佳实施例包括一在上表面带有一刀刃的尖端结构，其中刀刃具有沿刀刃长度的尖锐边缘和三角形横截面。但是，沟槽540仅仅是将被制造在牺牲基片上的、用于尖端结构的任何表面结构“模板”的示例。沟槽504的配置(间隔和排列)可以从一半导体小片(未示出)的焊片(bond pads)配置得到(复制)，它最终用于接触自由竖立的互连元件(例如被探测)，尖端结构504最终连接于互连元件。例如，沟槽504可被布置成在牺牲基片中心之下的一行单列。例如许多存储芯片是用中间行的焊片制造的。
图5B示出了设置在牺牲基片502的表面上的一个硬“场(field)”层，并包含在沟槽504内。该场层506将用作为释放层。一种可用的释放层是由厚度约为5000 A(埃)的铝构成的。如果场层是不适合电镀的金属，则在场层506上可选择地设置另一层508，层508由厚度约为5000(埃)的铜构成。如果层506难以去除，它可以用选择性的沉积作用(例如通过一遮蔽层构成图形)来施加，以避免分离。在将接触结构制造在沟槽(见以下内容)中之后，可以用任何合适的方法，例如用选择性的化学蚀刻去除牺牲基片502。
但是也要注意到，除了化学蚀刻，可以用适当的冶金术与加热相结合来释放牺牲基片502。例如，在本发明的一实施例中，层506包括例如用溅射方法设置在基片502上的一个不可润湿的材料例如钨(或钛钨合金)。接着，在钨层506上设置由不可润湿的材料例如可电镀的铅(或铟)构成的薄层508。然后，当接触尖端结构已在沟槽中制造完成之后(见以下内容)，可利用回流技术(借助热量)将接触尖端结构安装在互连元件上。在回流期间，由于钨(材料506)对铅不可润湿，铅(材料508)将熔化并成球状。这将导致接触尖端结构从牺牲基片502释放。可选择地，可以在层508上施加不可润湿材料(例如钨)的第二层，并使之成为所产生的接触尖端结构的一部分，除非将其去除(例如用蚀刻)。并且，可在不可润湿的材料(例如钨)的第二层上施加在受热时将成球状的另一层材料(例如铅、铟)。在所产生的接触尖端结构的表面上的任何残留的铅都容易被去除，或可以留在适当地方。或者，可以在将成球状的第二层材料和制造成为接触尖端结构的第一层之间，设置一层“阻挡”材料。该“阻挡”材料可以是钨、四氮化三硅、钼等。
一旦沉积了层506和508，就可施加一掩蔽材料510(示出在图5C中)例如光致抗蚀剂，以形成用于制造尖端结构的多个开口。在掩蔽层510中的多个开口界定了围绕沟槽504的一个区域。首先，设置接触金属512，其通常具有约为0.5密耳的最小厚度。可以用溅射、CVD、PVD或电镀来沉积该接触金属。在本发明的一实施例中，接触金属包括钯-钴合金。对于接触金属512也可利用其它材料，包括但不限制于钯、铑、硅化钨、钨或钻石。其次，可选择地沉积(例如通过电镀)包含弹簧合金材料(例如镍和它的合金)的层514以产生尖端结构的主体。层514通常具有约为0-2密耳的厚度。如果弹簧合金不易粘接、焊接或钎焊，可以在层514上沉积包含适于钎焊或焊接的材料的层516。可以用任何适合的方法例如电镀、溅射或CVD来沉积弹簧合金层514。最后沉积Au-Braze(金钎焊)接合层516。该Au-Braze是对AuSn(金锡)钎焊连接所特有的。
其次，如图5D和5E所示，将掩蔽材料510与其下方的层(506和508)的那部分一起撕去(去除)，生成制造在牺牲基片502上的多个(图中示出了一个)尖端结构(520和520a)。图5D示出了本发明的尖端结构520的第一实施例，它具有一沿尖端结构520的整个长度沿伸的刀刃522。图5E示出了本发明尖端结构520a的第二实施例，它具有一沿着尖端结构520a底座的一部分延伸的刀刃522a。尖端结构520a还具有一后部521，在那里刀刃522a并不延伸通过尖端结构520a的底座。尖端结构的两个可替换的实施例520和520a的功能相同，用于和试验中的电子元件的端子接触，但是提供了将尖端结构520和520a连接于互连元件的不同表面。
图5F和5G示出了将图5E所示的尖端结构520a安装在从一电子元件534的相关端子(示出了一个)延伸(例如自由竖立)突出的互连元件530上。图5F是安装后的尖端结构520a的侧视图，图5G是安装后的悬臂尖端结构520的正视图。互连元件沿尖端结构520a的后部521连接于尖端结构520a的底座，在该后部处刀刃522a并不延伸并且尖端结构520a的底座的表面是平的。预制的尖端结构520a能以任何合适的方式，例如钎焊或焊接安装到互连元件530的末端(如图所示，一顶端)。
图5H示出了将图5D所示的尖端结构520安装到从一电子元件534的相关端子532(示出了一个)延伸(例如自由竖立的)的突起的互连元件530。在本发明的该实施例中，用于将尖端结构520安装到互连元件530的焊料或钎焊材料位于沟槽(divot)532之内。最后的结果是一个与图5F和5G所示的相类似的被安装的尖端结构，其中互连元件固定于沟槽523而不是一个平的后部(见图5F的521)。利用在制造刀刃时形成的沟槽有助于定位焊料或钎焊材料，并在互连元件530和尖端结构520的底座之间提供了形成机械连接的较可靠的方法。
突出的互连元件530可以是任何自由竖立的互连元件，包括但不限制于复合的互连元件，尤其是包括探测薄膜的接触凸起(在此情况下，电子元件534是一探测薄膜)和普通探测卡的钨针。互连元件可以如美国专利5,476,211所述的用金属版印刷术或通过粘结和电镀加工来形成。突起的互连元件虽然通常有弹性并能提供弹簧状运动，但也可以是刚性柱。要注意，连接尖端结构的弹性元件的形状将影响探测中的擦抹特性(即尖端结构横向于试验中的装置的端子接触表面的水平运动)。外力，例如机械控制的运动可以影响擦抹特性。这样，可以将互连元件设计成能优化所需的接触性能。
图5I-K示出了利用尖端结构的另一技术550，其中尖端结构在被安装到电子元件的端子之前带有它们自己的突起接触元件(互连元件)。该技术以与在一牺牲基片502的表面上形成沟槽504的步骤相同的步骤开始，施加一场层506，施加一可选择的钎焊层508和施加一带有诸开口的掩蔽材料510以便限定所产生的尖端结构的位置和形状。与以上的图5A-5C作比较。
在下一步骤中，如图5I-J所示(图5I是一侧视图，而图5J是一正视图)，自由竖立的互连元件552安装于尖端结构530的后端部。然后，用一掩蔽层510将一层硬(有弹性)材料554沉积在尖端结构上(以及如上所述可选择的另一可钎焊层例如516)。剥去掩蔽层510，将自由竖立的互连元件552的尖端用焊接或钎焊固定于端子582，如角焊接头586所示，从而将尖端结构570安装于一电子元件的端子582。要注意，在图5I-K的另一安装技术中，连接步骤(通常是焊接或钎焊)发生在将互连元件连接于一电子元件时，其中用图5A-H所示的第一安装技术，该连接步骤将尖端结构连接于互连元件。换句话说，当比较两个安装技术时，焊接或钎焊的连接步骤是在互连元件的两相对端进行的。
在这些例子中，示出的互连元件520和570是具有弹簧形状的复合互连元件，但是应该理解本发明明显地不限制于此。在任一情况(500，550)下，其结果是一电子元件(534，584)带有从其端子延伸的多个自由竖立的互连元件(530，552)，自由竖立的互连元件520的尖端(自由端)设置有在一牺牲基片502上制造尖端结构的加工过程中所给予的(或限定的)一表面结构。
显然从以上叙述可知，单独的互连元件((530，552)即被554包覆的552)不一定需要弹性。因为尖端结构504沿一悬臂梁设置，因而悬臂的尖端结构(520，570)响应与另一电子元件(未示出)形成压力连接而具有的偏移能力可以提供弹性。较佳地，自由竖立的互连元件比悬臂梁刚性大得多，从而可以限定和控制由一压力连接所产生的接触力。
在任何悬臂梁结构中，较佳的是悬臂梁的一端是“固定的”而另一端是“可动的”。悬臂梁可以用作为尖端结构的底座，或者可以将预制的尖端结构的底座安装在一单独制造的梁上。以此方式，可以很容易地计算弯矩。因此，显然细长的互连元件(530，552)应该尽可能地刚硬。(在互连元件(530)是在一薄膜探测器上的接触突起，弹性由薄膜本身提供的情况下)但是，将细长的互连元件做成复合的互连元件，例如以上所讨论的复合的互连元件并不是完全不恰当的，复合的互连元件将有助于尖端结构响应于对(由)尖端结构所产生的压力连接的总偏移。
利用本发明的另外的实施例
如上讨论的尖端部分刀刃的横截面是三角形的。但是，也可以利用其它横截面。例如，对于以上所述的刀刃可用类似方式很方便地制成为截头棱锥形。也要注意到，最初制造的尖端结构具有沿着尖端结构长度方向的尖锐边缘，随着它的使用而发生磨损，通常会变成平的顶端。这种“平顶”造成横截面很像一截头棱锥。一具有截头棱锥横截面的尖端结构将保持以上所述的平行取向刀刃的优越性。
本发有的平行取向刀刃的不同实施例可以具有不同的前和后边缘。例如，在某些情况下，刀刃可以具有直线边缘(即边缘是垂直于尖端结构)，例如图5D中所制造的刀刃522。图6A示出了带有棱锥的前和后边缘602的另一刀刃600。在刀刃600上，前和后边缘602与尖端结构604的底座之间的夹角大于90°。图6B中示出了具有一钻石形状的第二变化型刀刃610。以相对晶格的主轴线成45°进行KOH蚀刻，然后形成为具有6边的光致抗蚀刻窗(或为具有六边形)。这造成尖端结构614在它的顶表面具有一钻石形刀刃610。
还有许多得益于本发明的平行取向刀刃所提供的许多优越性的其它变化型实施例。例如，可以在一尖端结构上制造多个刀刃700，如图7A中的尖端结构702的俯视图中所示。该实施例尤其可用于探测受控制的损坏(collapse)芯片连接(C4)焊接球或其它球形结构。
在图7B中示出了在一单个底座上制造有两个或多个刀刃的本发明的另一变化的实施例。图7B是具有由一桥接部分712连接的两个刀刃710并具有支座716的尖端结构714的正视图。另外，在一法端结构上带有多个刀刃的情况下，在刀刃之间有事先确定的节距对于具有小节距的球形探测特别有用。
图7C是在一单个底座上具有两个或多个刀刃的本发明的第三实施例的侧视图。在尖端结构724上，两个刀刃720并列地设置并共用支座高度为H的公共沟槽722。在带有很靠近的接触表面的小节距应用场合，并列的刀刃720特别有用。利用本发明的另一实施例是如图8A和8B所示的具有多个高度的刀刃800。刀刃800具有一向着尖端结构806的前边缘的主刀刃802和一向着尖端结构806的后部的后刀刃804。可以利用掩蔽工艺形成刀刃800，其中围绕着短的后刀刃804的遮盖层可提供一较小的孔，使得由KOH蚀刻法所蚀刻的沟槽较浅，围绕较高的前刀刃的遮盖层提供一较大的孔，使得由KOH蚀刻法所蚀刻的沟槽较深，刀刃806将较高。
本发明也可用于传统的Cobra型探头，它的部分视图表示在图9A中。Cobra型探头使用由两个导板908和910垂直定位和保持的预弯曲的接触金属丝906。穿孔的导板908和910可保持和引导金属丝906。Cobra型探头受到以下限制，即，接触的几何形状取决于所用的圆形金属丝，以及接触冶金学是弹簧自身的冶金学。使用本发明的转移的尖端结构可产生一受控的几何形状、去联接的接触和弹簧冶金学。这样有利于将尖端结构900固定于接触金属丝906端部。随后，导板908和910将引导接触金属丝906和带有本发明的平行取向刀刃902的尖端结构900，刀刃横向于试验中的一电子元件的端子而被固定。以此种方式，本发明的各种实施例可与Cobra型探头结合使用，以在Cobra型探头906和试验中的电子元件的端子之间提供更可靠的电连接。
或者，图9B示出了在接触金属丝906的端部带有平行取向的刀刃912的本发明的另一实施例。以前面对于图2D所述的相同方式，例如用电镀或机加工工艺可以在接触金属丝906的端部形成刀刃912。这样，接触金属丝906具有一刀刃尖端或“凿尖头”912而不使用转移的尖端结构。还要注意，以上和以下参考图6A、6B、7A、7B、8A和8B所讨论的每一个实施例都可以修改，以便采用在互连元件的端部形成一刀刃(例如刀刃912)的结构，而不利用一转移的尖端结构。
虽然本发明的较佳实施例具有尖端结构的尖锐的刀刃，并且该刀刃是取向为在尖端结构横向于试验中的电子元件的端子的表面偏移时刀刃的长度方向基本平行于尖端结构的水平运动，但是变化型的实施例可以使刀刃取向为使刀刃的长度方向相对于平行方向偏离一个较小的角度。例如，一实施例可以具有以一角度取向的刀刃，当尖端结构横向于试验中的电子元件的端子的表面偏移时，刀刃的长度在平行于尖端结构水平运动方向的大约45°范围内。较理想地，一个或多个刀刃可在离平行取向轴线大约±30度的位置。因此，该实施例能够提供横向于试验中的端子的表面的一种改进的刮擦运动，同时使沿刀刃800的聚集量最小。
用于探测的装置经常包括一对准的结构。对准装置可以包括光传感器，它利用光束检测离开尖端结构的反射。可以进一步改进以上所叙述的每一个实施例以便包含具有较好反射性能的刀刃设计。具有较好反射性能的刀刃和/或尖端结构提供了一用于分类和对准目的(例如在一晶片探测器中自动进行的对准操作)的自动识别方法。刀刃的反射能力取决于在该刀刃(即具有一截头棱锥横截面的刀刃)尖端处的平的上表面。反射量由蚀刻最初的沟槽(即用于形成刀刃的沟槽)的时间长短来控制，使沟槽在它的尖端处不形成为一尖点。控制每个刀刃的反射量的另一个方法包括在沉积铝和铜层之前将回流玻璃插入该沟槽的底部。在沟槽尖端处的玻璃可软化刀刃的边缘(或尖端)并造成刀刃的横截面类似于一截头棱锥。或者，可以用上述方式使刀刃尖端具有一尖锐的边缘，然后对该尖锐边缘进行砂磨(或磨削)，使该刀刃具有一可反射的平顶边缘。这两种产生一可反射刀刃的变化型方法易于结合在制造加工中。
这样，描述了用于在电子元件的端子之间进行压力连接的、改进的互连元件和尖端结构的装置和方法。在尖端结构的上表面上使尖锐的刀刃这样取向，即，当尖端结构横向于试验中的一电子元件的端子偏移时该刀刃的长度方向基本平行于尖端结构的水平运动方向，这样取向的尖锐的刀刃相比现有技术有很多优越性。这种基本平行取向的刀刃允许本发明的尖端结构完全削破端子表面上的任何不导电层，并进行可靠的电接触，不会损坏端子表面或沿该刀刃的表面有微粒集聚。而且，本发明的刀刃的平行取向使尖端结构和端子之间的接触最大，因而当尖端结构横向于端子偏移时不会失去电接触，即使对于具有较小接触面积的端子也是如此。

Claims (69)

1.一种电气装置，它包括：
在一互连元件的一端上的至少一个刀刃，所述刀刃具有一给定长度，并在所述互连元件上取向为：当把互连元件安置成与一电气端子成擦抹接触时，使所述长度方向基本平行于所述刀刃的水平擦抹运动相对于所述电气端子延伸。
2.如权利要求1所述的电气装置，其特征在于，当所述刀刃与电气端子进行电接触时，产生所述刀刃的水平运动。
3.如权利要求2所述的电气装置，其特征在于，所述刀刃具有一截头棱锥形截面结构。
4.如权利要求2所述的电气装置，其特征在于，所述刀刃沿所述刀刃的所述长度方向具有一尖锐边缘。
5.如权利要求4所述的电气装置，其特征在于，所述刀刃的截面结构为，在所述刀刃的所述长度方向的第一端带有一前边缘，在所述刀刃的所述长度的第二端带有一后边缘。
6.如权利要求5所述的电气装置，其特征在于，所述前和后边缘是直线的。
7.如权利要求5所述的电气装置，其特征在于，所述前和后边缘是棱锥形的。
8.如权利要求5所述的电气装置，其特征在于，所述前和后边缘具有两条边，使所述刀刃具有六边形形状。
9.一种尖端结构，它包括：
一具有一上表面和一下表面的底座；以及
在所述底座的所述上表面的至少一个刀刃，所述刀刃具有一给定长度，所述长度方向基本平行于所述底座的水平擦抹运动方向延伸。
10.如权利要求9所述的尖端结构，其特征在于，当所述尖端结构与一电气端子进行电接触时产生所述底座的水平运动。
11.如权利要求9所述的尖端结构，其特征在于，还包括一连接于所述底座的所述下表面的弹性接触元件。
12.如权利要求9所述的尖端结构，其特征在于，所述刀刃具有一沿所述刀刃的所述长度方向的尖锐边缘。
13.如权利要求12所述的尖端结构，其特征在于，所述刀刃具有一在所述刀刃前端的主边缘和在所述刀刃后端的后边缘。
14.如权利要求12所述的尖端结构，其特征在于，在所述底座的所述上表面上有第一和第二刀刃。
15.如权利要求14所述的尖端结构，其特征在于，所述第一和第二刀刃由一桥接部分连接。
16.如权利要求14所述的尖端结构，其特征在于，所述第一和第二刀刃处于并列位置。
17.如权利要求12所述的尖端结构，其特征在于，所述刀刃具有一种三角形截面结构，其在所述刀刃的所述长度方向的第一端带有一前边缘，在所述刀刃的所述长度方向的第二端带有一后边缘。
18.如权利要求17所述的尖端结构，其特征在于，所述前和后边缘是直线形的。
19.如权利要求17所述的尖端结构，其特征在于，所述前和后边缘是棱锥形的。
20.如权利要求17所述的尖端结构，其特征在于，所述前和后边缘有两条边，使所述刀刃具有六边形形状。
21.一种尖端结构，它包括：
一具有一上表面和一下表面的底座；以及
在所述底座的所述上表面上的至少一个刀刃，所述刀刃具有一给定长度，并取向为使所述长度方向在平行于所述底座的水平擦抹运动轴线的大约±45°范围内延伸。
22.如权利要求21所述的尖端结构，其特征在于，所述刀刃具有一沿所述刀刃的所述长度方向的尖锐边缘。
23.如权利要求22所述的尖端结构，其特征在于，在所述底座的所述上表面上具有第一和一第二刀刃。
24.如权利要求23所述的尖端结构，其特征在于，所述第一和第二刀刃由一桥接部分连接。
25.如权利要求23所述的尖端结构，其特征在于，所述第一和第二刀刃处于并列位置。
26.如权利要求22所述的尖端结构，其特征在于，所述刀刃具有一种三角形截面结构，其在所述刀刃的所述长度方向的第一端带有一前边缘，在所述刀刃的所述长度方向的第二端带有一后边缘。
27.如权利要求26所述的尖端结构，其特征在于，所述前和后边缘是直线形的。
28.如权利要求26所述的尖端结构，其特征在于，所述前和后边缘是棱锥形的。
29.如权利要求26所述的尖端结构，其特征在于，所述前和后边缘具有两条边，使所述刀刃具有六边形形状。
30.一种电接触结构，它包括：
设置成彼此相关的多个互连元件；
固定于所述互连元件中相应一个的多个尖端结构，每个所述尖端结构还包括：
在相应的一个所述互连元件的一接触点上的至少一个刀刃，所述刀刃具有一给定长度并在相应的一个所述互连元件上取向为：当所述互连元件中相应的一个横向于一电子元件的端子偏移而形成电接触时，所述长度方向基本平行于相应的互连元件的水平擦抹运动方向延伸。
31.如权利要求30所述的电接触结构，其特征在于，在所述尖端结构与一电气表面进行电接触时产生所述底座的水平运动。
32.如权利要求31所述的电接触结构，其特征在于，所述刀刃具有一沿所述刀刃的所述长度方向的尖锐边缘。
33.如权利要求32所述的电接触结构，其特征在于，所述刀刃具有一种三角形截面结构，其在所述刀刃的所述长度方向的第一端带有一前边缘，在所述刀刃的所述长度方向的第二端带有一后边缘。
34.如权利要求33所述的电接触结构，其特征在于，所述前和后边缘是直线形的。
35.如权利要求33所述的电接触结构，其特征在于，所述前和后边缘是棱锥形的。
36.如权利要求33所述的电接触结构，其特征在于，所述前和后边缘有两条边，使所述刀刃具有六边形形状。
37.制造一电接触结构的方法，它包括下列步骤：
在一牺牲基片上形成一沟槽；
在所述沟槽内沉积至少一种导电材料的至少一层，以形成一具有一给定长度、一上表面和一下表面的刀刃；以及
将一互连元件连接于所述刀刃的所述下表面，其中使所述刀刃取向为所述刀刃的所述长度方向基本平行于所述刀刃的水平擦抹运动方向延伸。
38.如权利要求37所述的方法，其特征在于，还包括从所述牺牲基片释放所述刀刃的步骤。
39.如权利要求38所述的方法，其特征在于，从所述牺牲基片释放所述刀刃的所述步骤还包括用一加工工艺从所述牺牲基片释放所述刀刃，所述加工工艺是从包括热和化学蚀刻的加工工艺中选择的。
40.如权利要求37所述的方法，其特征在于，所述形成沟槽的步骤还包括用一氢氧化钾选择性蚀刻法在一基片中蚀刻一沟槽。
41.如权利要求40所述的方法，其特征在于，所述蚀刻沟槽的步骤还包括在111和001晶体方向之间用氢氧化钾蚀刻法在一基片内蚀刻一沟槽。
42.如权利要求37所述的方法，其特征在于，所述形成沟槽的步骤还包括在一基片内形成一沟槽，其中所述沟槽具有三角形横截面。
43.如权利要求37所述的方法，其特征在于，所述形成沟槽的步骤还包括在一基片内形成一沟槽，其中所述沟槽具有截头棱锥形横截面。
44.如权利要求37所述的方法，其特征在于，将所述互连元件连接于所述刀刃的所述下表面的所述步骤还包括将所述互连元件焊接于所述刀刃的所述下表面。
45.如权利要求37所述的方法，其特征在于，将所述互连元件连接于所述刀刃的所述下表面的所述步骤还包括将所述互连元件钎焊于所述刀刃的所述下表面。
46.一种装置，包括：
一基板；
一设置在所述基板上的互连元件；
一设置在所述互连元件一端的尖端结构，所述尖端结构包括一刀刃，该刀刃取向为使所述刀刃的长度方向在平行于所述尖端结构的水平擦抹运动的轴线的大约±45°范围内延伸。
47.如权利要求46所述的装置，其特征在于，所述尖端结构与所述互连元件形成为一体。
48.如权利要求46所述的装置，其特征在于，所述尖端结构包括一底座，所述刀刃设置在所述底座上。
49.如权利要求46所述的装置，其特征在于，所述尖端结构还包括多个所述刀刃。
50.如权利要求49所述的装置，其特征在于，所述多个刀刃相互间隔地设置。
51.如权利要求49所述的装置，其特征在于，所述尖端结构还包括一位于所述多个刀刃中的一对刀刃之间的桥接部分。
52.如权利要求49所述的装置，其特征在于，所述多个刀刃包括一主刀刃和一副刀刃。
53.如权利要求52所述的装置，其特征在于，所述主刀刃和所述副刀刃具有不同的尺寸。
54.如权利要求46所述的装置，其特征在于，所述尖端结构还包括一支座，所述刀刃设置在所述支座上。
55.如权利要求46所述的装置，其特征在于，所述刀刃是棱锥形的。
56.如权利要求46所述的装置，其特征在于，所述刀刃是截头棱锥形的。
57.如权利要求46所述的装置，其特征在于，所述刀刃是钻石形的。
58.如权利要求46所述的装置，其特征在于，所述互连元件包括一金属丝。
59.如权利要求58所述的装置，其特征在于，所述互连元件还包括一包覆所述金属丝的外壳。
60.如权利要求46所述的装置，其特征在于，所述互连元件包括一Cobra型探头。
61.如权利要求46所述的装置，其特征在于，所述互连元件是弹性的。
62.如权利要求46所述的装置，其特征在于，所述刀刃取向为使所述刀刃的长度方向在平行于所述尖端结构的水平擦抹运动的轴线的大约±30°范围内延伸。
63.如权利要求46所述的装置，其特征在于，所述刀刃取向为使所述刀刃的长度方向在平行于所述尖端结构的水平擦抹运动的轴线的大约±15°范围内延伸。
64.如权利要求46所述的装置，其特征在于，所述刀刃包括一沿其长度方向的尖锐边缘。
65.如权利要求46所述的装置，其特征在于，还包括：
多个所述互连元件；以及
多个所述尖端结构。
66.如权利要求46所述的装置，其特征在于，所述尖端结构包括一第一材料，其由钯、钴、铑、钨或钻石中的至少一种构成。
67.如权利要求66所述的装置，其特征在于，所述尖端结构包括一由弹簧合金构成的第二材料。
68.如权利要求66所述的装置，其特征在于，所述尖端结构包括一由镍构成的第二材料。
69.如权利要求46所述的装置，其特征在于，所述尖端结构通过钎焊或焊接固定于所述互连元件。
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