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Die
Erfindung betrifft einen Sondenhalter für eine Sonde gemäß Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Zur
Prüfung
der Funktionsfähigkeit
von Halbleiterbauelementen werden die Halbleiterbauelemente, die
zu diesem Zeitpunkt meist noch im Verbund mit anderen Halbleiterbauelementen
auf einem Wafer angeordnet sind, in einer dafür vorgesehenen Prüfvorrichtung
auf einem beweglichen Prüftisch (Chuck)
abgelegt und befestigt. Das Halbleiterbauelement wird anschließend mittels
einer Sonde kontaktiert, so dass Messungen vorgenommen werden können. Die
Sonde, die die Form einer Nadel hat und auch als Probe oder Probe
Tip bezeichnet wird, ist üblicherweise
an einer Trägereinrichtung,
beispielsweise einer Trägerplatte
(Probecard) oder einem Sondenhalterarm (Probearm) so befestigt,
dass sie bezüglich
der Oberfläche
des Halbleiterbauelements schräg
angeordnet ist. Das Bauteil, das die Sondennadel mit der Trägereinrichtung
verbindet, wird nachfolgend einheitlich als Sondenhalter bezeichnet.
Ein verbesserter Sondenhalter dieser Art ist Gegenstand der vorliegenden
Erfindung.
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Zum
Herstellen des elektrischen Kontakts zwischen der Sondennadel und
dem zu testenden Halbleiterbauelement (device under test, DUT) wird die
Sondennadel über
dem Halbleiterbauelement positioniert und durch Absenken des Sondenhalters
mit einer Kontaktfläche,
beispielsweise einer Bondinsel des Halbleiter bauelements, in Berührung gebracht. Die
dabei auf die Sondennadel in vertikaler Richtung einwirkende Kraft
führt zu
einer Verformung des Sondenhalters oder/und der Sondennadel oder,
wenn die Sondennadel nicht starr eingespannt ist, zu einer Verdrehung
der Sondennadel um eine horizontale Achse. Die dadurch hervorgerufene
Verschiebung der Spitze der Sondennadel in horizontaler Richtung (Horizontalversatz)
führt zu
schwer kontrollierbaren Ungenauigkeiten bei der Positionierung der
Sondennadel während
der Prüf-
und Messvorgänge.
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Aus
US 3,648,169 ist eine Sondennadelhalteeinrichtung
bekannt, bei der an dem die Sondennadel tragenden Halter ein relativ
biegeweicher Bereich vorgesehen ist, der in gewissen Grenzen wie
ein Gelenk wirkt. Der gesamte Halter einschließlich des biegeweichen Bereichs
ist einstückig
hergestellt und daher sehr aufwändig
zu fertigen und relativ kostspielig. Außerdem ist das Gelenk weit
oberhalb der Spitze der Sondennadel angeordnet. Dadurch ist die
Sondennadel relativ zum Mittelpunkt der Drehbewegung so angeordnet,
dass bereits geringste Verschiebungen der Sondennadel aufgrund einer
Vertikalkraft unvermeidlich zu einer deutlichen Auslenkung der Spitze
der Sondennadel in horizontaler Richtung führen.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung darin, einen Sondenhalter anzugeben, der die Nachteile des
Standes der Technik überwindet
und insbesondere einen geringeren Horizontalversatz der Sondennadel
bei Einwirkung einer Vertikalkraft aufweist.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe gelöst durch
Gegenstand des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Der
erfindungsgemäße Sondenhalter
für eine
Sondennadel, der zur Befestigung und elektrischen Kontaktierung
an einer Trägereinrichtung
einer Prüfvorrichtung
ausgebildet ist und einen Halterarm mit einer am freien Ende des
Halterarms angeordneten Nadelaufnahme zur Befestigung der Sondennadel
und einen Befestigungsarm zur Verbindung des Sondenhalters mit der
Trägereinrichtung
aufweist, wobei der Halterarm und der Befestigungsarm durch ein
Gelenk miteinander verbunden sind und ist dadurch gekennzeichnet,
dass das Gelenk mit einem senkrechten Abstand zum Halterarm unterhalb
des Halterarms angeordnet ist.
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Die
Sondennadel ist am Halterarm üblicherweise
so angeordnet, dass ihre Spitze in der bestimmungsgemäßen Einbaulage
in der Prüfvorrichtung unterhalb
des Halterarms endet. Um den Horizontalversatz der Sondennadel aufgrund
einer Vertikalkraft möglichst
gering zu halten, muss versucht werden, den Bahnverlauf der Ausweichbewegung
so zu gestalten, dass die Tangente an den Bahnverlauf möglichst
steil ist, das heißt
möglichst
wenig von der Vertikalen abweicht. Dies wird dadurch erreicht, dass das
Gelenk in Richtung der Spitze der Sondennadel verschoben wird.
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Beispielsweise
kann vorgesehen sein, dass das Gelenk mit einem senkrechten Abstand
zum Halterarm angeordnet ist, der in einer vorteilhaften Ausgestaltung
annähernd
dem senkrechten Abstand der Spitze der Sondennadel vom Halterarm
entsprechen kann. In diesem Fall ist die Tangente an die Bewegungsbahn
an der Stelle der Spitze der Sondennadel zum Beginn der Ausweichbewegung
exakt vertikal ausgerichtet. Zu beachten ist jedoch, dass das Gelenk
nicht mit dem zu testenden Halbleiterbauelement oder dem das Halbleiterbauelement
enthaltenden Wafer kollidieren darf.
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Der
Grundgedanke der Erfindung basiert auf der Überlegung, dass der Horizontalversatz
der Nadelspitze aufgrund äußerer Kräfte dadurch
verringert oder sogar verhindert werden kann, dass der Radius der
Ausweichbewegung der Sondennadel aufgrund einer Relativverdrehung
der Sondennadel gegenüber
dem Halterarm oder aufgrund einer Biegeverformung des Halterarms
vergrößert wird,
so dass die Krümmung
der Bahn, auf der sich die Spitze der Sondennadel während dieser
Ausweichbewegung bewegt, verringert. Eine Verringerung der Bahnkrümmung bewirkt,
dass sich das Verhältnis
der Horizontalkomponente zur Vertikalkomponente der Ausweichbewegung
verringert, das heißt
das für
eine gegebene Vertikalverschiebung der Spitze der Sondennadel der
Horizontalversatz geringer wird.
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Dies
wird erfindungsgemäß dadurch
erreicht, dass der die Sondennadel tragende Halterarm an dem der
Nadelaufnahme gegenüberliegenden Ende
gelenkig gelagert wird. Das hierfür verwendete Gelenk benötigt seinerseits
ebenfalls eine Lagerung, welche durch den Befestigungsarm bereitgestellt wird.
Der Befestigungsarm selbst ist an seinem freien Ende, das heißt dem der
Nadelaufnahme gegenüberliegenden
Ende, zur Verbindung und Kontaktierung mit der Trägereinrichtung
einer Prüfvorrichtung ausgebildet.
Es versteht sich, dass zur bestmöglichen
Erreichung des Ziels der Erfindung der Halterarm möglichst
lang ausgebildet sein sollte, um einen möglichst großen Radius für die Ausweichbewegung der
Sondennadel zu erzielen. Da der zur Verfügung stehende Bauraum für den Einbau
des Sondenhalters in einer Prüfvorrichtung
im allgemeinen begrenzt ist, wird der Fachmann bei der Ausführung der
Erfindung den Befestigungsarm zu Gunsten des Halterarms möglichst
kurz gestalten.
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Im
eingebauten Zustand innerhalb einer Prüfvorrichtung zum Testen von
Halbleiterbauelementen wird der Sondenhalter üblicherweise horizontal oder
schräg
oberhalb des üblicherweise
horizontal angeordneten zu testenden Halbleiterbauelements angeordnet
sein. Soweit nachfolgend die Begriffe "horizontal" und "vertikal" verwendet werden, beziehen sich diese
auf den bestimmungsgemäßen Einbau
des Sondenhalters in einer Prüfvorrichtung der
eben beschriebenen Art.
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Unter
einem Gelenk im Sinne dieser Anmeldung soll ein zwischen dem Trägerarm und
dem Befestigungsarm anbringbares Bauelement verstanden werden, das
bei Einwirkung einer äußeren Vertikalkraft
auf die Spitze der Sondennadel eine Schwenkbewegung des Halterarms
um dieses Bauelement, das heißt
eine rein rotatorische Bewegung des Halterarms und der daran angebrachten
Sondennadel ohne translatorische Komponente, bewirkt. Derartige Gelenke
können
auf vielfältige
Weise ausgestaltet sein, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.
Beispielsweise könnte
das Gelenk so ausgeführt
sein, dass der Halterarm mindestens einen horizontal und quer zum
Halterarm angeordneten Stift aufweist, der in einem am Befestigungsarm
vorgesehenen Gleitlagerauge drehbar gelagert ist. Aufgrund der geringen
Maße der
Bestandteile des Sondenhalters wäre
eine solche Lösung
aber vermutlich relativ aufwändig
zu fertigen und daher kostspielig. Nachfolgend werden einige vorteilhafte
Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens erläutert.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Gelenk mindestens
einen biegeweichen Festkörper,
der mit seinem einen Ende mit dem Halterarm und mit seinem anderen
Ende mit dem Befestigungsarm verbunden ist. Biegeweich im Sinne
der Erfindung soll bedeuten, dass der Festkörper bezogen auf eine horizontale,
quer zur Längsrichtung
des Halterarms verlaufende Biegeachse eine geringere Biegesteifigkeit
EI aufweist als der Halterarm. Dies bedeutet, dass entweder der
Elastizitätsmodul
E oder das Flächenträgheitsmoment
I (auch als Flächenmoment
2. Grades bezeichnet) oder beide geringer sind als die entsprechenden
Werte des Halterarms. Entscheidend ist, dass das Produkt aus E und I
des Festkörpers
geringer ist als beim Halterarm.
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Ein
biegeweicher Festkörper
in diesem Sinne könnte
beispielsweise ein zwischen dem Halterarm und dem Befestigungsarm
angeordnetes, relativ kurzes Verbindungselement aus einem Elastomer oder
einem anderen, relativ weichen Polymer sein, dessen Querschnitt
dem von Halterarm und Befestigungsarm entspricht. In diesem Falle
wäre der
Elastizitätsmodul
E des Festkörpers
geringer als beim Halterarm, während
beide das gleiche Flächenträgheitsmoment
I aufweisen, so dass die Biegesteifigkeit EI des Festkörpers geringer
ist als die des Halterarms.
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Alternativ
kann vorgesehen sein, dass das Gelenk mindestens ein langgestrecktes
Verbindungselement umfasst, das mit seinem einen Ende mit dem Halterarm
und mit seinem anderen Ende mit dem Befestigungsarm verbunden ist.
Das langgestreckte Verbindungselement könnte beispielsweise ein Metallstreifen
sein, der mit je einem seiner beiden Enden mit dem Halterarm und
dem Befestigungsarm starr verbunden ist. In diesem Fall ist das
Flächenträgheitsmoment
I des Verbindungselements geringer als beim Halterarm, während der
Elastizitätsmodul
E gleich oder größer ist
als beim Halterarm. Jedenfalls muss darauf geachtet werden, dass
die Biegesteifigkeit des langgestreckten Verbindungselements, das
heißt
das Produkt aus Elastizitätsmodul und
Flächenträgheitsmoment,
geringer ist als die Biegesteifigkeit des Halterarms.
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Diese
Ausgestaltung wie auch die oben beschriebene Ausgestaltung mit einem
biegeweichen Festkörper
stellt ein Gelenk dar, das gleichzeitig die Eigenschaft hat, eine
Rückstellkraft
zu entwickeln, wenn das Gelenk aus seiner neutralen Position ausgelenkt
wird.
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Demgegenüber ist
es für
Gelenke, die diese Eigenschaft nicht aufweisen, vorteilhaft vorzusehen, dass
weiterhin mindestens ein Federelement zur Erzeugung einer Rückstellkraft
am Gelenk angeordnet ist. Ein derartiges Federelement könnte beispielsweise
eine Spiralfeder aus Federstahl oder auch ein zwischen dem Halterarm
und dem Befestigungsarm gespannter elastischer Faden sein.
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Für den Fall,
dass das Gelenk zumindest teilweise aus einem Polymer gefertigt
ist, ist es vorteilhaft vorzusehen, dass das Polymer elektrisch
leitend ist. Hierdurch ist es möglich,
Testsignale von der Trägereinrichtung über den
Befestigungsarm, das Gelenk und den Halterarm zur Sondennadel zu
leiten. Zur Erzielung der elektrischen Leitfähigkeit kann dem Polymer beispielsweise
Graphit beigemischt sein.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein,
dass das Gelenk elektrisch leitende Pfade aufweist. Wird dem Polymer hierzu
Graphit beigemischt, so ist darauf zu achten, dass es Gebiete mit
Graphitanteil gibt, die von anderen Gebieten mit Graphitanteil durch
graphitfreie Gebiete getrennt sind. Durch die Bereitstellung leitender Pfade,
die selbstver ständlich
auch auf anderem Wege, beispielsweise durch Einbettung von Metallfäden in das
Polymer erzeugt werden können,
wird die Möglichkeit
geschaffen, Testsignale auf mehreren Leiterbahnen zur Sondennadel
zu leiten.
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Die
Erfindung ist selbstverständlich
auch in Verbindung mit einer Prüfvorrichtung
zur Prüfung
von Halbleiterbauelementen zu sehen, die einen Sondenhalter der
oben beschriebenen Art aufweist.
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Nachfolgend
wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels und einer zugehörigen Zeichnung
näher erläutert. Dabei
zeigt die einzige 1 einen erfindungsgemäßen Sondenhalter.
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Der
dargestellte Sondenhalter umfasst einen Halterarm 1 mit
einer Nadelaufnahme, in der eine Sondennadel 2 befestigt
ist, sowie einen Befestigungsarm 3, der zur Befestigung
und Herstellung eines elektrischen Kontakts mit einer Trägereinrichtung 4 ausgebildet
ist und im Ausführungsbeispiel
auch mit der Trägereinrichtung 4 verbunden
ist. Der Halterarm 1 und der Befestigungsarm 3 sind
miteinander durch ein Gelenk verbunden, das im Ausführungsbeispiel
zwei auf gleicher Höhe
parallel zueinander angeordnete, langgestreckte Verbindungselemente 5 umfasst,
die mit je einem als Kragarm 6 ausgebildeten Abschnitt
des Befestigungsarms 3 und des Halterarms 1 starr
verbunden sind. In der gewählten
Darstellung ist nur das erste der beiden Verbindungselemente 5 sichtbar;
das zweite Verbindungselement wird vom ersten Verbindungselement 5 verdeckt.
Die Kragarme 6 erstrecken sich von den horizontal angeordneten
Abschnitten des Befestigungsarms 3 und des Halterarms 1 abwärts bis
in die Nähe
des Höhenniveaus
der Spitze der Sondennadel.
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Um
zu verhindern, dass die unteren Enden der Kragarme 6 oder
die Verbindungselemente 5 mit dem zu testenden Halbleiterbauelement
oder Wafer kollidieren, verbleibt zwischen den Verbindungselementen 5 und
der Spitze der Sondennadel 2 eine Höhendifferenz 8.
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In
der Mitte des Gelenks 5 befindet sich der Schwenkmittelpunkt 7,
um den die Spitze der Sondennadel 2 bei Einwirkung einer
Vertikalkraft auf einer kreisbogenförmigen Bewegungsbahn 9 verschoben
wird. Das Gelenk 5 ist aufgrund der sich abwärts erstreckenden
Kragarme 6 von Halterarm 1 und Befestigungsarm 3 unterhalb
des horizontal angeordneten Halterarms 1 angeordnet, so
dass die Tangente an die Bewegungsbahn 9 der Spitze während der Ausweichbewegung
nahezu vertikal bleibt. Dadurch ist der Horizontalversatz der Spitze
der Sondennadel 2 während
der Aufwärtsbewegung
sehr gering. Da der Schwenkmittelpunkt 7 des Gelenks 5 jedoch
nicht auf demselben Höhenniveau
wie die Spitze der Sondennadel 2 angeordnet ist, sondern
zwischen dem Schwenkmittelpunkt 7 und der Spitze der Sondennadel 2 eine
Höhendifferenz 8 verbleibt,
verschwindet der Horizontalversatz nicht vollständig. Durch diesen geringen
verbleibenden Horizontalversatz ist sichergestellt, dass die Spitze
der Sondennadel 2 eine möglicherweise auf der Kontaktfläche des
zu testenden Halbleiterbauelements vorhandene Oxidschicht durchstößt, so dass
eine sichere Kontaktierung gewährleistet
ist.
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Die
Verbindungselemente 5 sind streifenförmig ausgebildet und bestehen
aus einem metallischen Werkstoff. Ihre Biegesteifigkeit ist in Summe geringer
als die Biegesteifigkeit des Halterarms 1, so dass sie
für den
Halterarm 1 als Gelenk wirken, um dessen Schwenkmittelpunkt 7 der
Halterarm 1 bei Belastung mit einer Vertikalkraft relativ
zum Befestigungsarm 3 geschwenkt wird. Das Gelenk erzeugt aufgrund
der elastischen Eigenschaften der Verbindungselemente 5 ohne
zusätzliche
Federelemente eine Rückstellkraft,
die den Halterarm 1 bei Entlastung wieder in seine Ausgangslage
zurückbewegt. Aufgrund
der leitenden Eigenschaft des metallischen Materials der Verbindungselemente 5 können diese besonders
vorteilhaft als Bestandteile von Leiterbahnen genutzt werden, die
von der Kontaktstelle des Befestigungsarms 3 mit der Trägereinrichtung 4 zur Sondennadel 2 geführt sind.
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- 1
- Halterarm
- 2
- Sondennadel
- 3
- Befestigungsarm
- 4
- Trägereinrichtung
- 5
- Gelenk
- 6
- Kragarm
- 7
- Schwenkmittelpunkt
- 8
- Höhendifferenz
- 9
- Bewegungsbahn