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Hintergrund
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Kontaktvorrichtung zum Herstellen
einer Verbindung zu einer Elektronikschaltungsvorrichtung und betrifft Verfahren
zur Herstellung und Verwendung einer derartigen Kontaktvorrichtung,
z. B. in der Fertigung von Halbleiter- oder anderen Bauelementen.
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Ein
wichtiger Aspekt bei der Herstellung von integrierten Schaltungschips
ist das Testen der in dem Chip verwirklichten Schaltung, um zu verifizieren,
dass sie spezifikationsgemäß funktioniert.
Zwar könnte
die Prüfung
der Schaltung nach dem Packaging des Chips durchgeführt werden;
wegen des Aufwands, der mit dem Zertrennen (Dicing) des Wafers und
Packaging der Einzelchips verbunden ist, ist es jedoch vorzuziehen,
die Schaltung möglichst
früh im
Fertigungsprozess zu prüfen,
so dass keine unnötigen
Leistungen für
fehlerhafte Bauelemente aufgewendet werden. Es ist daher wünschenswert,
die Schaltungen entweder unmittelbar nach Vollendung der Wafer-Fertigung,
noch vor dem Zertrennen in Einzelchips, oder nach dem Dicing, aber
noch vor dem Packaging zu testen. In jedem Fall ist es notwendig,
eine elektrische Verbindung mit den externen Verbindungspunkten
der Schaltung (üblicherweise
Bond-Pads) auf zerstörungsfreie
Weise herzustellen, so dass nachfolgende Packaging- und Verbindungsoperationen
nicht beeinträchtigt
werden.
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US-Patent
Nr. 5 221 895 offenbart eine Testvorrichtung zum Testen von integrierten
Schaltungen. Die Testvorrichtung umfasst ein steifes Metallsubstrat,
welches zum Beispiel aus einer Beryllium-Kupfer-Legierung hergestellt
ist. Das Substrat weist eine im Wesentlichen dreieckige Gestalt
auf und hat zwei Ränder,
die von einem Haltebereich zu einem im Wesentlichen rechteckigen
Spitzenbereich hin konvergieren. Über einer Hauptfläche des
Substrates befindet sich eine Polyimid-Schicht, und über der
Polyimid-Schicht sind Goldleiterzüge gebildet. Die Leiterzüge und das
Metallsubstrat bilden Microstrip-Übertragungsleitungen. Die Leiterzüge erstrecken
sich parallel zueinander über
den Spitzenbereich und breiten sich fächerförmig zu dem Haltebereich hin
aus. Ein Kontakthöcker
ist an dem Ende jedes Leiterzugs, welches in dem Spitzenbereich
liegt, deponiert. Der Spitzenbereich des Substrates ist zwischen
zwei benachbarten Leiterzügen
geschlitzt, wodurch der Spitzenbereich in mehrfache separat flexible
Finger unterteilt ist, die in freitragender Weise vom Hauptteil
des Substrates vorspringen.
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Die
in US-Patent Nr. 5 221 895 gezeigte Testvorrichtung ist zur Verwendung
in einer Teststation ausgebildet. Eine derartige Teststation kann
vier Testvorrichtungen aufweisen, welche die in dem US-Patent Nr.
5 221 895 gezeigte Konfiguration aufweisen, wobei die Testvorrichtungen
in einer annähernd
horizontalen Orientierung mit ihren Kontakthöckern nach unten gerichtet
angeordnet sind, mit den vier Reihen von Kontakthöckern entlang
den vier Rändern
eines Rechtecks. Das zu prüfende
Bauelement (Prüfling)
ist im Wesentlichen rechteckig und weist Verbindungs-Pads entlang
den Rändern
einer Fläche
auf. Der Prüfling
wird mit seinen Verbindungs-Pads nach oben in eine Vakuumaufspannvorrichtung
platziert. Die Vakuumaufspannvorrichtung fährt den Prüfling aufwärts, in Kontakt mit der Testvorrichtung
und fährt
den Prüfling
um eine vorgegebene Distanz über
den ersten Kontakt hinaus weiter ("Überfahren"). Gemäß derzeitigen
Industriestandards ist eine solche Teststation dazu ausgebildet, eine
nominelle Kontaktkraft von 10 g an jedem Verbindungs-Pad zu erzeugen.
Also wird das Ausmaß des Überfahrens
so berechnet, dass, wenn an allen Verbindungs-Pads gleichzeitig
Kontakt hergestellt ist, so dass jeder Kontakthöcker um den gleichen Betrag ausgelenkt
wird, die Gesamtkontaktkraft 9,8·10–2 N (10
g Kraft) multipliziert mit der Zahl der Verbindungs-Pads beträgt.
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US-Patent
Nr. 5 416 429 offenbart eine Testvorrichtung zum Prüfen von
integrierten Schaltungen. Ein Testring ist mit leitfähigen Bahnen
versehen, welche sich über
das Ende eines dielektrischen Films hinaus erstrecken, der den Testring
bedeckt, und als ein Testfinger enden.
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Wenn
das Material des Testvorrichtungssubstrates eine Beryllium-Kupfer-Legierung
ist und jeder flexible Finger eine Länge von ca. 0,75 mm, eine Breite
von ca. 62 μm
und eine Höhe
von ca. 250 μm hat,
und die Testvorrichtung so gehalten ist, dass die mechanische Masse
an der Wurzel der Finger liegt, dann beträgt die an der Spitze des Fingers
erzeugte Kontaktkraft ca. 7,5·10–2 N
(7,7 g) pro Mikrometer Auslenkung der Spitze des Fingers. Wenn also
die Kontakthöcker
an den Spitzen der Finger koplanar sind und die Verbindungs-Pads des Prüflings koplanar
sind und die Ebene der Kontakthöcker
parallel zu der Ebene der Verbindungs-Pads liegt, dann wird ein Überfahren
des ersten Kontaktes um ca. 1,3 μm
in der gewünschten
Kontaktkraft von 9,8·10–2 N
an jedem Verbindungs-Pad resultieren. Sollte sich jedoch eines der
Verbindungs-Pads
1,3 μm weiter
weg von der Ebene der Kontakthöcker
befinden als die anderen Verbindungs-Pads, dann wird es, wenn der
Prüfling
um 1,3 μm über den
ersten Kontakt hinaus verschoben wird, keine Kontaktkraft zwischen
diesem Verbindungs-Pad und seinem Kontakthöcker geben, und alle Kontaktkraft,
die erzeugt wird, wird von den anderen Kontakten verbraucht. Geht
man davon aus, dass die Kontaktkraft an einem Verbindungs-Pad mindestens
50% der nominellen Kontaktkraft betragen muss, damit eine zuverlässige Verbindung
zustandekommt, dann beträgt
die maximale Varianz von der nominellen Höhe, die von dieser Konstruktion aufgefangen
werden kann, ±0,7 μm. Die Höhenvariationen
von Kontakthöckern
und Verbindungs-Pads, welche nach den Standardprozessen erzeugt
werden, die derzeit in der Halbleiterindustrie verwendet werden, überschreiten
jedoch typisch 5 μm.
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Ferner,
selbst wenn die Kontakthöcker
koplanar sind und die Verbindungs-Pads koplanar sind, machen es Toleranzen
in der Testvorrichtung unmöglich
zu gewährleisten,
dass die Ebene der Verbindungs-Pads parallel zur Ebene der Kontakthöcker ist, und
um diese Toleranzen aufzufangen, ist es notwendig, den Prüfling um
75 μm zu
verschieben, um Kontakt an allen Verbindungs-Pads sicherzustellen.
Würde man
die Dimensionen des Fingers ändern,
um eine Verschiebung von 70–80 μm (75 μm ± 5 μm) aufzufangen,
dann würde
die Testvorrichtung viel weniger robust werden. Würde man
die Testvorrichtung an einem Ort haltern, der weiter hinter den
Wurzeln der Finger liegt, so dass der größte Teil der Auslenkung mehr
von dem Substrat als von den Fingern getragen würde, dann wäre die Anpassungsfähigkeit der
Finger begrenzt auf 13 μm/N
(0,13 μm/g)
Auslenkung, die an den Fingern selbst erzeugt wird.
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Die
Verbindungs-Pads des Prüflings
sind nicht koplanar, ebenso wenig die Anschlusshöcker an der Testvorrichtung.
Unter der Annahme, dass die nominelle Ebene der Verbindungs-Pads
(die Ebene, für
die die Summe der Entfernungsquadrate der Pads von der Ebene ein
Minimum ist) parallel zur nominellen Ebene der Kontakthöcker liegt,
beträgt
die Variation in der Entfernung zwischen dem Verbindungs-Pad und
dem korrespondierenden Kontakthöcker
bis zu 5 μm,
wenn sowohl der Prüfling
als auch die Testvorrichtung von guter Qualität sind.
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Gegenwärtig weisen
die Verbindungspunkte auf einem integrierten Schaltungschip eine
Teilung von wenigstens 150 μm
auf, aber es ist zu erwarten, dass es machbar sein wird, die Teilung
innerhalb von ein paar Jahren auf ca. 100 μm zu reduzieren.
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Mit
zunehmendem Bedarf, Verbindungen mit immer feineren Teilungen herzustellen,
wird die Spannung in einer Testvorrichtung der Art, wie sie in US-Patent
Nr. 5 221 895 aufgezeigt ist, wachsen. Wenn die Verbindungs-Pads
in einem Abstand von 75 μm
angeordnet sind, impliziert dies, dass die Breite der Finger kleiner
als ca. 50 μm
sein muss, und um die Spannung unter der Fließgrenze zu halten, muss die
Höhe der
Finger mindestens 400 μm
betragen.
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Die
benötigte
Höhe der
Finger kann vermindert werden durch die Verwendung eines Metalls, dessen
Fließgrenze
höher ist
als die von Beryllium-Kupfer. Wenn zum Beispiel das Substrat aus Edelstahl
ist, der einen Elastizitätsmodul
von 207 × 109 N/m2 aufweist,
kann die maximale Höhe
der Finger auf ca. 350 μm
vermindert werden. Es folgt jedoch, dass die Auslenkung auf einen
Wert ver mindert wird, der unter dem liegt, der notwendig ist, um
den typischen Höhenvariationen,
welche in der Industrie gefunden werden, gerecht zu werden. Hinzu
kommt, dass der spezifische Widerstand von Edelstahl wesentlich
höher als
der von Beryllium-Kupfer ist, und dies beschränkt die Frequenz der Signale,
die auf den Microstrip-Übertragungsleitungen
ohne nicht hinnehmbare Verschlechterung ausbreitungsfähig sind.
Allgemein haben die bisherigen Techniken begrenzte Anwendung gefunden
wegen der Schwierigkeiten, geeignete Auslenkung mit der notwendigen Kraft
zur Erreichung zuverlässiger
Verbindungen zu erzielen und dabei den erzeugten Spannungen standzuhalten.
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Ferner
weist zwar die Microstrip-Übertragungsleitung
geeignete Charakteristika für
Signale bis zu einer Frequenz von 5 GHz auf, und es wurde gefunden,
dass die sogenannte Stripline-Konfiguration für höhere Frequenzen wünschenswert
ist.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird eine Testvorrichtung mit den Merkmalen
nach Anspruch 1 bereitgestellt. Im Besonderen umfasst eine derartige
Testvorrichtung zur Verwendung beim Prüfen einer integrierten Schaltung,
welche in einem integrierten Schaltungschip realisiert ist, ein
Halteglied mit einer im Wesentlichen Planaren Bezugsfläche, ein
im Wesentlichen planares elastisches Testglied mit einem proximalen Ende
und einem distalen Ende, mindestens ein Befestigungsglied zum Befestigen
des Testgliedes an seinem proximalen Ende an dem Halteglied mit
dem Testglied in Kontakt mit der Bezugsfläche, mindestens ein Stellglied,
welches zwischen dem Halteglied und einem Ort an dem Testglied,
der zwischen dem proximalen und dem distalen Ende desselben liegt, wirksam
ist, um das distale Ende des Testgliedes von dem Halteglied weg
zu drängen,
wodurch das Testglied eine elastische Auslenkung erfährt.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, welches
die in Anspruch 14 enthaltenen Schritte umfasst. Ein derartiges
Verfahren zum Testen/Herstellen von Bauelementen, wie integrierten
Schaltungen oder Anzeigevorrichtungen (z. B. LCD-Bildschirme), kann
die folgenden Schritten umfassen: Durchführen eines Herstellungspro zesses
für den
Prüfling, z.
B. ein Verfahren zur Herstellung einer planaren integrierten Schaltung,
Positionieren des Prüflings
auf einer Positioniervorrichtung, z. B. einer Vakuumaufspannvorrichtung
(im Falle von integrierten Schaltungen kann der Prüfling in
Form eines Wafers oder Chips vorliegen, etc.), Bewirken der Ausrichtung
einer Kontaktvorrichtung in Einklang mit der vorliegenden Erfindung
mit dem Prüfling
in dem zum richtigen Platzieren erforderlichen Umfang, Bewirken
einer Relativbewegung des Prüflings
in Bezug auf die Kontaktvorrichtung, um einen anfänglichen
Kontakt hierzu herzustellen (wie auf elektrischem Wege oder durch
mechanische Mittel bestimmt), Überfahren
der Relativbewegung, um eine zuverlässige elektrische Verbindung
herzustellen, wobei Spannungen unter den abstehenden Fingern der
Kontaktvorrichtung und dem Substrat der Kontaktvorrichtung wünschenswerterweise
geteilt werden, Anlegen von Testsignalen an den Prüfling und
Bestimmen, ob der Prüfling
defekt oder sonst innerhalb oder außerhalb akzeptabler Spezifikationen
liegt, Aufzeichnen des Gut-/Schlecht-Zustandes des Prüflings (was
eine mechanische Kennzeichnung umfassen kann, zum Beispiel das Markieren
des Prüflings,
falls fehlerhaft, mit einem Tintenpunkt (Inken) etc., oder durch
Datenerfassung), Entnehmen des Prüflings aus der Positioniervorrichtung
und Packaging und Montage des Prüflings,
falls akzeptabel.
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Mit
der vorliegenden Erfindung können
Bauelemente, welche Verbindungspunkte mit feiner Teilung aufweisen,
zuverlässig
getestet und hergestellt werden.
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Kurzbeschreibung
der Figuren
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Zum
besseren Verständnis
der Erfindung und um aufzuzeigen, wie dieselbe in die Praxis umgesetzt
werden kann, wird nun beispielhaft auf die beigefügte zeichnerische
Darstellung Bezug genommen; in der Zeichnung zeigen:
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1 bis 5 verschiedene
Schritte während
der Fertigung einer Kontaktvor richtung, welche eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt, wobei die 1 und 4 in
der Draufsicht und die 2, 3 und 5 im
Schnitt dargestellt sind;
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6 eine
perspektivische Teilansicht einer Kontaktvorrichtung, welche eine
Ausführungsform der
Erfindung darstellt;
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6A eine
Schnittdarstellung entlang der Linie VIA-VIA von 6;
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7 eine
Gesamtansicht, teilweise im Schnitt, eines Halbleiter-Testers;
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8 eine
Draufsicht auf eine Schaltungsplatte und Montageplatte, welche Teil
des Prüfkopfs des
Testers von 7 bilden;
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9 eine
vergrößerte perspektivische
Darstellung der Montageplatte, wobei ferner Stützblöcke gezeigt sind, die an der
Montageplatte befestigt sind;
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9A, 9B und 9C Schnittzeichnungen,
die zeigen, wie die Stützblöcke an der
Montageplatte befestigt sind;
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10 eine
vergrößerte Darstellung
einer flexiblen Schaltung, welche zum Verbinden der Schaltungsplatte
mit der Kontaktvorrichtung verwendet wird;
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11A und 11B Schnittzeichnungen, die
zeigen, wie die Kontaktvorrichtung und die flexible Schaltung relativ
zu dem Montageblock positioniert sind; und
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12A und 12B Schnittzeichnungen, die
zeigen, wie die Montageplatte und die flexible Schaltung relativ
zu der Schaltungsplatte positioniert sind.
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Detailbeschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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1 zeigt
ein Substrat 4 von einem elastischen Metall mit einer oberen
Hauptfläche 6 und
einer unteren Hauptfläche.
In einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist das Substrat Edelstahl und hat eine Dicke von
ca. 125 μm.
Das Substrat weist eine im Wesentlichen dreieckige Form auf mit
zwei Rändern 8,
welche von einem Haltebereich 10 zu einem im Wesentlichen
rechteckigen Spitzenbereich 12 hin konvergieren. Das Substrat
ist im Wesentlichen spiegelsymmetrisch um eine Mittelachse 18.
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Es
wird nun auf 2 Bezug genommen, gemäß welcher
ein dünner
Film 14 von Gold auf der oberen Hauptfläche 6 des Substrates 4 durch
Aufdampfen oder Sputtern aufgebracht ist. Der Goldfilm kann durch
Plattieren erweitert werden, falls gewünscht. Ein Isolatormaterial,
wie Polyimid, wird auf die obere Hauptfläche des Films 14 in
der Flüssigphase
aufgeschleudert oder aufgespritzt und wird dann gehärtet, um
eine Schicht 16 mit einer Dicke von ca. 25 μm zu bilden.
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Eine
Schicht 20 von Gold ist durch Aufdampfen oder Sputtern über die
obere Hauptfläche 22 der Schicht 16 aufgebracht.
Die Schicht 20 wird mit konventionellen photolithographischen
Techniken strukturiert, um Streifen 26 zu bilden, welche
sich parallel zu der Mittelachse 18 über den Spitzenbereich 12 der Testvorrichtung
erstrecken und sich fächerförmig von dem
Spitzenbereich über
den dreieckigen Teil des Substrates 4 in Richtung auf den
Haltebereich 10 ausbreiten, die aber in dem Haltebereich
miteinander verbunden sein können.
Jeder Streifen weist ein proximales Ende und ein distales Ende relativ
zu dem Haltebereich 10 auf. Sodann wird zusätzliches
Metall durch Plattieren über
die Streifen aufgebracht. Nach Aufbau der Streifen auf die gewünschte Dicke,
die bei ca. 12 μm
liegen kann, wird eine Schicht 30 von Photomaskenmaterial
(5) über
die Oberseite der in 3 und 4 gezeigten
Struktur aufgebracht, und es werden Löcher 32 in dieser
Schicht über
dem distalen Ende jedes Streifens 26 gebildet, wie in Teil
(a) von 5 gezeigt. In diese Löcher wird
ein hartes Kontaktmaterial, z. B. Nickel, durch Plattieren deponiert
(5, Teil (b)), und sodann wird das Photomaskenmaterial
entfernt (5, Teil (c)). Die Verbindungen
zwischen den Streifen werden durch Ätzen entfernt. Auf diese Weise
werden separate Leiterzüge über der
Schicht 16 gebildet, und jeder Leiterzug weist einen Kontakthöcker 34 über seinem
distalen Ende auf. Die Leiterzüge
sind 50 μm
breit und weisen einen Mittenabstand von ca. 125 über dem
Spitzenbereich auf.
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Es
wird nun auf 6 Bezug genommen, gemäß welcher
eine Deckschicht 40 von Polyimid über den Leiterzügen 26 über einem
Bereich des Substrates gebildet ist, der hinter dem rechteckigen Spitzenbereich 12,
d. h. in Richtung auf den Haltebereich 10 hin liegt, und
eine Schicht 44 von Gold ist durch Aufdampfen oder Sputtern über die
Schicht 40 aufgebracht. Die Schicht 44 kann durch
Plattieren erweitert werden. Das Resultat der oben beschriebenen
Fertigungsschritte ist eine mehrschichtige Struktur, welche das
Substrat 4, den Goldfilm 14, die Polyimidschicht 16,
die Goldleiterzüge 26,
die Polyimidschicht 40 und die Goldschicht 44 umfasst.
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Der
Spitzenbereich der Mehrschichtstruktur wird dann geschlitzt, wodurch
der Spitzenbereich in mehrfache separat flexible Finger 48 aufgeteilt
wird, die freitragend von dem Hauptteil der Struktur vorstehen.
Ein gegebener Finger des Substrates kann den distalen Endbereich
eines einzelnen Leiterzuges tragen oder er kann die distalen Endbereiche
von zwei benachbarten Leiterzügen
tragen. Das Schlitzen des Spitzenbereichs kann durch Ablation mit
einem UV-Laser durchgeführt werden.
Die schlechte Wärmeleitfähigkeit
von Edelstahl ist ein günstiger
Faktor im Hinblick auf den Laserablationsprozess. Die Breite der
Schnittfuge, die hergestellt wird, beträgt ca. 17 μm, so dass die Breite eines
Fingers entweder ca. 108 μm
oder ca. 233 μm
beträgt.
Die Länge
jedes Fingers beträgt
ca. 1 mm.
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Die
in 6 gezeigte Struktur kann als Kontaktvorrichtung
zum Herstellen einer elektrischen Verbindung mit Kontakt-Pads einer
elektrischen Schaltungsvorrichtung, z. B. einem integrierten Schaltungschip
oder einer Flachbildschirmanzeigevorrichtung, verwendet werden.
Die Nickel-Kontakthöcker 34 dienen
als Testelemente zum Kontaktieren der Verbindungs-Pads der Schaltungsvorrichtung. Bei
im Einsatz befindlicher Kontaktvorrichtung kontaktiert jeder Nickel-Kontakthöcker ein
einzelnes Verbindungs-Pad der Schaltungsvorrichtung. Ein Kontakthöcker 34a,
der dazu gedacht ist, ein Masse-Pad der Schaltungsvorrichtung zu
kontaktieren, kann mit dem Substrat mittels Vias 46, welche
in Löchern
in der Schicht 16 vor Deposition der Schicht 20 gebildet werden,
verbunden sein. Mehrfache Vias 46 können entlang der Länge des
Leiterzuges 26, der an dem Kontakthöcker 34a endet, vorgesehen
sein, um sicherzustellen, dass der Kontakthöcker 34a sicher geerdet
ist.
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Die
Konfiguration der Leiterzüge
und deren Abstände
resultieren darin, dass eine Stripline-Übertragungsleitungsumgebung
hinter der vorderen Grenze der Schicht 44 vorhanden ist,
während
eine Microstrip-Übertragungsleitungsumgebung
vor der Schicht 44 vorhanden ist. Natürlich führt das Schlitzen des Spitzenbereichs
zu einer Verschlechterung der Microstrip-Übertragungsleitungsumgebung.
In dem Falle, dass die Finger ca. 1 mm lang sind, erstreckt sich
die Microstrip-Übertragungsleitungsumgebung
bis zu einem Punkt, der ca. 2 mm von den Kontakthöckern entfernt
ist. Jedoch ist die Verschlechterung nicht so stark, dass Signale
bei Frequenzen unterhalb ca. 10 GHz in nicht hinnehmbarem Grade
verzerrt werden.
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Die
in 6 gezeigte Struktur kann zum Testen einer Schaltungsvorrichtung
in einem Halbleiter-Tester verwendet werden, wie unter Bezugnahme auf
die 7 bis 11 beschrieben.
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Es
wird nun auf 7 Bezug genommen, gemäß welcher
der Tester eine Testvorrichtung 102 mit einem Rahmen 102a aufweist,
der als mechanische Masse dient. Eine Bauelement-Positioniervorrichtung 104 mit
einer Vakuumaufspannvorrichtung 106 ist innerhalb oder
als Teil der Testvorrichtung 102 angeordnet. Die Testvorrichtung
umfasst Schrittmotoren (nicht gezeigt), welche auf die Bauelement-Positioniervorrichtung
wirken, um die Vakuumaufspannvorrichtung relativ zu dem Rahmen 102a in
zwei senkrechten horizontalen Richtungen (X und Y) und vertikal
(Z) zu verschieben und um die Vakuumaufspannvorrichtung um eine
vertikale Achse zu drehen. Die Vakuumaufspannvorrichtung hält ein zu
prüfendes
Bauelement oder einen Prüfling 108. 7 zeigt den
Prüfling 108 als
einen Chip, der zuvor von anderen Chips auf dem Wafer, in dem er
gefertigt wurde, getrennt worden ist; es wird jedoch erkennbar sein, dass
mit geeigneten Modifikationen die Vorrichtung zum Testen eines Halbleiterbauelementes
in der Wafer-Stufe verwendet werden könnte. Wie in 7 gezeigt,
weist der Prüfling 108 Kontakt-Pads 112 auf.
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Der
Tester umfasst ferner einen Prüfkopf 116,
der an der Testvorrichtung angedockt werden kann, so dass er sich
in einer zuverlässig
reproduzierbaren Position relativ zu dem Testvorrichtungsrahmen 102a befindet.
Der Prüfkopf 116 weist
eine im Wesentlichen steife Schaltungsplatte 122 (8) auf,
welche ein Isolatorsubstrat und Leiterzüge 126, welche an
der unteren Hauptfläche
des Substrates zugänglich
sind, umfasst. Vias (nicht gezeigt) erstrecken sich durch das Substrat
und enden an Kontakt-Pads 128, die an der oberen Hauptfläche des Substrates
zugänglich
sind. Die Schaltungsplatte 122 ist in dem Prüfkopf mittels
Schrauben, welche durch Löcher 130 in
der Schaltungsplatte hindurchgehen, trennbar verbunden. Wenn der
Prüfkopf 116 an
der Testvorrichtung 102 angedockt und die Schaltungsplatte 122 in
dem Testkopf installiert ist, ist die Schaltungsplatte 122 horizontal
angeordnet und die Kontakt-Pads 128 sind mit Pogo-Pins 132,
welche schematisch in 7 gezeigt sind, in Eingriff,
wodurch die Kontakt-Pads der Schaltungsplatte mit Stimulus-und-Antwort-Instrumenten
(nicht gezeigt) verbunden sind zum Zwecke der Durchführung geeigneter
Tests an dem Prüfling.
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Eine
Montageplatte 136 ist an der Schaltungsplatte 122 gesichert.
Die Montageplatte ist relativ zu der Schaltungsplatte positioniert
durch Führungsstifte 134,
welche von der Montageplatte nach unten ragen und in korrespondierende
Löcher
in der Schaltungsplatte eintreten. Die Art und Weise, in der die
Montageplatte an der Schaltungsplatte befestigt wird, ist im Folgenden
beschrieben.
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Die
Montageplatte weist eine im Wesentlichen zylindrische Außenfläche auf,
deren Mittelachse 138 als die Achse der Platte angesehen
wird. Die Platte 136 ist so angeordnet, dass ihre Achse 138 vertikal
verläuft,
und definiert eine kreuzförmige Durchgangsöffnung (9),
die spiegelsymmetrisch um die Ebenen X-Z und Y-Z, welche die Achse 138 schneiden,
ist. Am äußeren Ende
jedes Arms des Kreuzes ist die Platte 136 mit einer Kerbe 140 ausgebildet,
welche sich nur teilweise durch die Platte hindurch erstreckt und
in der vertikalen Abwärtsrichtung durch
eine horizontale Oberfläche 142 begrenzt
ist.
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Ein
Stützblock 146,
der in der Draufsicht im Wesentlichen die Gestalt eines Trapezes
zeigt, welches auf einer rechteckigen Basis sitzt, ist mit seiner rechteckigen
Basis in einer der Kerben 140 positioniert. Ähnliche
Stützblöcke 148 sind
in den anderen Kerben montiert. Die folgende Beschreibung des Stützblocks 146 und
zugehöriger
Komponenten gilt gleichermaßen
für die
Stützblöcke 148.
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Die
rechteckige Basis des Stützblocks 146 weist
eine planare Montagefläche 150 auf
(7), welche an der horizontalen Oberfläche 142 am Grund
der Kerbe 140 anliegen kann. Zur Montage des Stützblocks 146 an
der Montageplatte 136 ist der Stützblock mit einem Loch 152 versehen,
welches sich durch seine rechteckige Basis hindurch erstreckt, und
die Montageplatte ist mit einem Blindloch 156 ausgebildet,
das parallel zu der Achse der Montageplatte angeordnet ist und in
die Platte 136 an der horizontalen Oberfläche 142 eintritt.
Ein Führungsstift 160 ist
durch das Loch 152 in dem Stützblock und in das Blindloch 156 in
der Montageplatte eingeführt,
und auf diese Weise ist der Stützblock
mit einem moderaten Grad an Präzision
relativ zu der Montageplatte positioniert.
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Sodann
wird der Stützblock 146 durch
eine vertikale Klemmschraube 164 (8, 9A),
welche durch ein Freiloch 168 in dem Stützblock 146 hindurchgreift
und in eine Gewindebohrung 172 in der Montageplatte 136 eintritt,
und eine horizontale Klemmschraube 176 (7),
welche durch ein Freiloch 180 in der Montageplatte hindurchgreift
und in eine Gewindebohrung 184 in dem Stützblock
eintritt, an der Montageplatte 136 befestigt. Damit ist
der Stützblock 146 an
der Montageplatte befestigt, und nun wird der Führungsstift 160 entfernt.
Die Freilöcher 168 und 180 erlauben
eine kleine horizontale und vertikale Bewegung des Stützblocks
relativ zu der Montageplatte.
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Zwei
horizontale Schrauben 186, welche horizontal beabstandet
sind und von denen jeweils eine auf jeder Seite der Schraube 176 angeordnet
ist, werden durch Gewindelöcher
in der peripheren Wandung der Platte 136 eingeführt und
treten in nicht durchgehende Freilöcher in dem Stützblock
ein. Ähnlich
werden zwei vertikale Schrauben 190, welche horizontal
beabstandet sind und von denen jeweils eine auf jeder Seite der
Schraube 164 angeordnet ist, durch Gewindelöcher in
dem Stützblock 146 eingeführt und
kommen mit der Oberfläche 142 der
Montageplatte 136 in Anlage. Die Schrauben 176 und 186 können dazu
verwendet werden, die horizontale Position des Stützblocks
relativ zu der Montageplatte 136 anzupassen. Durch selektives
Drehen der Schrauben 176 und 186 kann der Stützblock
linear vorwärtsbewegt
oder zurückgezogen
und/oder um eine vertikale Achse gedreht werden. Auf ähnliche Weise
kann mit den Schrauben 164 und 190 der Stützblock
relativ zu der Montageplatte angehoben oder abgesenkt werden und/oder
um eine horizontale Achse geneigt werden. Wenn der Stützblock
in der gewünschten
Position und Ausrichtung ist, werden die Klemmschrauben angezogen.
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Die
in den 7 bis 10 gezeigte Vorrichtung umfasst
ferner eine mit dem Stützblock 146 assoziierte
Kontaktvorrichtung 194. Die Kontaktvorrichtung 194 ist
im Wesentlichen dreieckig und weist zwei Ränder auf, welche von einem
Haltebereich zu einem im Wesentlichen rechteckigen Spitzenbereich hin
konvergieren. Der Spitzenbereich der Kontaktvorrichtung ist in mehrfache
Finger aufgeteilt, die sich parallel zu einer Symmetrieachse der
Kontaktvorrichtung erstrecken. Die Kontaktvorrichtung weist Leiterzüge auf,
die sie von dem Haltebereich zu dem Spitzenbereich erstrecken, und
ein Zug erstreckt sich entlang jedem Finger in dem Spitzenbereich.
Im Haltebereich sind die Leiterzüge
der Kontaktvorrichtung auf der Unterseite der Kontaktvorrichtung
zugänglich.
Die Kontaktvorrichtung kann nach dem Verfahren hergestellt sein,
welches im Vorstehenden unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 beschrieben worden
ist.
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Innenseitig
der rechteckigen Basis erstreckt sich der trapezförmige Bereich
des Stützblocks 146 nach
unten in Richtung auf die Mittelachse 138. Die Kontaktvorrichtung 194 ist
unterhalb der geneigten Unterseite des Stützblocks 146 angeordnet
und ist relativ zu dem Stützblock
positioniert durch Führungsstifte 202 (z.
B. 11A und 11B),
welche von dem Stützblock
vorspringen und durch Justieröffnungen 204 in
der Kontaktvorrichtung hindurchgehen. Die Art und Weise, in der
die Kontaktvorrichtung an dem Stützblock
befestigt wird, ist im Folgenden beschrieben.
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Die
Vorrichtung umfasst ferner eine flexible Schaltung 208 mit
einem Innenrandbereich 208A und einem Außenrandbereich 208B (z.
B. 10). Die flexible Schaltung umfasst ein Substrat
von Polyimid oder einem ähnlichen
Isolatormaterial, eine Masseebene (nicht gezeigt) an der Unterseite
des Substrates und mehrfache diskrete Leiterzüge 210 an der Oberseite
des Substrates. Über
dem Innenrandbereich 208A korrespondiert der Abstand der Leiterzüge 210 zum
Abstand der Leiterzüge über dem
Haltebereich der Kontaktvorrichtung 194, und über dem
Außenrandbereich 208B korrespondiert der
Abstand der Leiterzüge 210 zum
Abstand der Leiterzüge 126 entlang
dem inneren Rand der gedruckten Schaltungsplatte 122.
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Die
flexible Schaltung ist mit einem inneren und einem äußeren Paar
von Justierlöchern 214A und 214B ausgebildet.
Das innere Paar von Justierlöchern 214A ist
von den Führungsstiften 202 durchzogen,
wodurch der Innenrandbereich 208A relativ zu der Kontaktvorrichtung 194 positioniert
ist. Ähnlich ist
das äußere Paar
von Justierlöchern 214B von
den Führungsstiften 134 durchzogen,
wodurch der Außenrandbereich 208B der
flexiblen Schaltung relativ zu der gedruckten Schaltungsplatte positioniert
ist. Die flexible Schaltung ist ferner mit zwei Sätzen von Montagelöchern 218A und 218B ausgebildet.
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Der
Haltebereich der Kontaktvorrichtung 194, der Innenrandbereich 208A der
flexiblen Schaltung und eine erste Länge 222A eines anisotropen leitfähigen Streifens
(sog. Shinetsu-Streifens) werden mittels Schrauben 230A zwischen
den Stützblock
und eine Klemmplatte 226A geklemmt. Der Außenrandbereich 208B der
flexiblen Schaltung 208, der Innenbereich der gedruckten
Schaltungsplatte 122 und eine zweite Länge 222B eines anisotropen leitfähigen Streifens
werden mittels Schrauben 230B zwischen die Montageplatte 136 und
eine zweiten Klemmplatte 226B geklemmt. Die Positionen
der Justierlöcher 214A und 214B relativ
zu den Leiterzügen
der flexiblen Schaltung sind so, dass sich die Leiterzüge 210 in
dem Innenrandbereich 208A der flexiblen Schaltung mit den
Leiterzügen 26 in
dem Haltebereich der Kontaktvorrichtung überdecken und dass sich die
Leiterzüge 210 in
dem Außenrandbereich 208B der
flexiblen Schaltung mit den Leiterzügen 126 entlang dem
Innenrand der gedruckten Schaltungsplatte überdecken. Der anisotrope leitfähige Streifen,
dessen Dicke in 7 übertrieben ist, ist gekennzeichnet
durch eine anisotrope elektrische Leitfähigkeit bei Kompression senkrecht
zu seiner Länge:
seine Leitfähigkeit
ist sehr gut in Richtungen senkrecht zu seiner eigenen Ebene und
ist sehr schlecht in Richtungen parallel zu seiner eigenen Ebene
und zu seiner Länge.
Der anisotrope leitfähige Streifen 222A verbindet
also die Leiterzüge 26 des Testgliedes 194 mit
entsprechenden Leiterzügen 210 der
flexiblen Schaltung 208, und der anisotrope leitfähige Streifen 222B verbindet
die Leiterzüge 210 der flexiblen
Schaltung 208 mit entsprechenden Leiterzügen 126 der
gedruckten Schaltungsplatte 122.
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Durch
Anziehen der Klemmschrauben werden die anisotropen leitfähigen Streifen
zusammengedrückt,
die dann eine gute elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den
Leiterzügen
der Kontaktvorrichtung und den Leiterzügen 126 der gedruckten Schaltungsplatte 122 herstellen
durch die anisotropen leitfähigen
Streifen und entsprechenden Leiterzüge der flexiblen Schaltung 208.
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Wie
unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 beschrieben
wird der Spitzenbereich der Kontaktvorrichtung 194 in Finger
aufgeteilt, von denen jeder einen Kontaktzug aufweist, der in einem
Kontakthügel
endet. Weil der Spitzenbereich von dem Haltebereich, an dem die
Kontaktvorrichtung an den Stützblock
geklemmt ist, beabstandet ist, kann der Spitzenbereich von der Ebene
der Unterseite des Stützblocks
weg ausgelenkt werden. Vertikale Stellschrauben 234 sind
in entsprechende Gewindelöcher
in dem Stützblock 146 eingesetzt.
Durch richtige Einstellung der Schrauben 234 kann die Kontaktvorrichtung
in einen Zustand vorgespannt werden, in dem die Kontaktvorrichtung 194 relativ
zu dem Stützblock 146 nach
unten ausgelenkt ist, und durch weiteres Anpassen der Schrauben 234 kann
der Spitzenbereich nach unten gezwungen werden oder angehoben werden
oder um die Achse 18 geneigt werden. Es ist wichtig, anzumerken,
dass sich die "mechanische
Masse" deshalb bis
zu einem Ort an der Kontaktvorrichtung erstreckt, der über den
Haltebereich hinaus, aber nicht bis zum Spitzenbereich geht. Wie im
Folgenden noch ausführlicher
beschrieben, kann die richtige Positionierung der mechanischen Masse eine
Spannungsaufteilung unter den Fingern der Kontaktvorrichtung und
dem Substrat der Kontaktvorrichtung ermöglichen und dadurch die Kontaktvorrichtung
befähigen,
den Spannungen standzuhalten, die sich aus der Anwendung von Kraft
ergeben, die ausreichend ist, um einen zuverlässigen Kontakt zwischen dem
Prüfling
und der Kontaktvorrichtung sicherzustellen – unter den Unregelmäßigkeiten,
die für
wirkliche Vorrichtungen/Bedingungen erwartet werden können.
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Wenn
alle vier Stützblöcke richtig
in der Montageplatte 136 installiert sind, erstrecken sich
die Spitzenbereiche der vier Kontaktvorrichtungen entlang den vier
Rändern
eines Quadrats und sind zum Herstellen eines elektrisch leitfähigen Kontaktes
mit den Kontakt-Pads des zu prüfenden
Bauelementes positio niert. Durch Beobachten des Prüflings durch die
zwischen den inneren Enden der vier Stützblöcke definierte Öffnung kann
der Prüfling
zum Kontaktieren der Kontakthügel
positioniert werden, wenn der Prüfling
durch die Positioniervorrichtung angehoben wird.
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Wenn
der Prüfling
relativ zu dem Prüfkopf angehoben
wird, kommen die Kontakt-Pads des Prüflings mit den Kontakthöckern der
Kontaktvorrichtung in Berührung.
Nachdem ein anfänglicher
Kontakt hergestellt worden ist (Erstberührung), wird der Prüfling um
anfängliche
10–15 μm angehoben,
die ausreichend sind, um einen erwarteten Koplanaritätsfehler
der Kontakthöcker
und Kontakt-Pads aufzufangen und Letztberührung zu erzielen (jeder Kontakthöcker ist
mit seinem entsprechenden Kontakt-Pad in Kontakt). Der Prüfling wird
dann um weitere 75 μm
angehoben. Die Federrate der Finger und die Federrate des Basisbereichs
des Substrates, zwischen den Fingern und dem Haltebereich, sind
so, dass die an jedem Kontakt-Pad ausgeübte Kontaktkraft mindestens
9,8·10–2 N
beträgt.
Die anfängliche Auslenkung
von 10–15 μm ist ausreichend,
um eine Kontaktkraft von ca. 2,0·10–2 N
an einem Einzelfinger bereitzustellen, während die weitere Auslenkung
von 75 μm
eine Kontaktkraft von N*9,8·10–2 N,
wobei N die Zahl der Finger ist, oder 9,8·10–2 N
pro Finger bereitstellt. Indem die Auslenkung unter den Fingern und
dem Basisbereich des Substrates geteilt wird, kann ein hoher Komplianzgrad
erzielt werden, so dass Kontakt mit allen Kontakthöckern möglich wird, ohne
dass dies zu Lasten der Kontaktkraft geht, die notwendig ist, um
einen zuverlässigen
elektrischen Kontakt zwischen den Kontakthöckern und den Fingern zu erzielen.
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Die
elastische Natur des Metalls des Substrates garantiert, dass beim
Inkontaktbringen des Prüflings
mit den Kontakthöckern
und beim leichten Überfahren
die Auslenkung der Finger eine wünschenswerte
Reinigungswirkung bereitstellt und ferner ausreichend Kontaktkraft
liefert, um einen zuverlässigen
Druckkontakt zwischen dem Kontakthöcker und dem Verbindungs-Pad
des Prüflings
bereitzustellen.
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Der
Film 14 aus Gold kann als die Masseebene dienen, und das
Substrat 4, obschon leitfähig, kann nichts zu der elektrischen
Leistung der Vorrichtung beitragen, obschon dies abhängig ist
von der Dicke und dem am Aufbau betei ligten Material des Substrates.
In alternativen Ausführungsformen
zum Beispiel weist das Substrat eine hinreichende Dicke auf, so
dass es ausreichend Leitfähigkeit
bereitstellt, um als die Masseebene zu dienen, oder es kann aus
Beryllium-Kupfer bestehen und dabei ausreichend Dicke bereitstellen,
um als die Masseebene zu dienen, mit oder ohne Goldfilm 14.
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Besonders
hervorzuheben ist, wie die vorliegende Erfindung die wünschenswerte
Spannungsbelastungsaufteilung unter den Fingern und dem Substrat
erzielt. Es wurde bestimmt, dass mit verfügbaren Materialien, um eine
praktische Größe und ausreichend
Komplianz/Auslenkung der Finger bereitzustellen (so etwa, um Abweichungen
von der Koplanarität
aufzufangen etc.), die in den Fingern und in dem Substrat induzierten
Spannungsbelastungen ausbalanciert werden sollten (d. h. in einem
akzeptablen relative Bereich, unter der Spannungsgrenze des Materials
gehalten werden). Das richtige Positionieren einer mechanischen.
Masse zwischen den Enden der Finger und dem hinteren äußersten
Bereich des Haltebereichs kann ein kontrolliertes Ausbalancieren der
relativen Spannungsbelastungen ermöglichen und dabei gleichzeitig
eine geeignete Auslenkung der Finger zur Erzielung geeigneter Komplianz
sicherstellen. In bevorzugten Ausführungsformen werden die relativen
Spannungsbelastungen der Finger und des Substrates in Bereichen
von ca. 0,7 bis 1,3, 0,8 bis 1,2 oder 0,9 bis 1,1 gehalten/ausbalanciert. Andere
Bereiche können
verwendet werden, vorausgesetzt, dass eine wünschenswerte Balance aufrechterhalten
wird und dabei gleichzeitig die Bedingungen hinsichtlich geeigneter
Auslenkung/Komplianz der Finger erfüllt werden und man innerhalb
der Spannungsgrenzen der konstanten Materialien bleibt.
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In
Kombination mit dem Spannungsbelastungsausgleich ist ferner entdeckt
worden, dass mit verfügbaren
Materialien die Länge
der Finger, gesteuert über
die Länge
des Schlitzes und die körperliche
Gesamtgeometrie etc., so gewählt
werden kann, dass sich die gewünschte
Fingerauslenkung/-komplianz ergibt, z. B. eine gewünschte Auslenkung
von größer als
ca. 5 μm,
10 μm, 12 μm oder 15 μm im Falle
eines Überfahrens
um z. B. 60–80 oder
75 μm etc.,
unter Aufrechterhaltung des Spannungsausgleichs wie oben beschrieben,
wodurch ein Testelement erzeugt werden kann, das eine zuverlässige Verbindung
mit dem Prüfling
erzeugt und dabei gleichzeitig die resultierenden Spannungsbelastungen
etc. überdauert.
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Die
vorliegende Erfindung kann wünschenswerterweise
Anwendung finden auf die Prüfung
und Herstellung von Bauelementen wie integrierten Schaltungen oder
Anzeigevorrichtungen (z. B. LCD-Bildschirme). Zuerst wird ein Herstellungsprozess
für den
Prüfling 108 durchgeführt, z.
B. ein Verfahren zur Herstellung einer planaren integrierten Schaltung.
Für Anzeigevorrichtungen
wird z. B. ein geeignetes Verfahren zur Herstellung einer LCD-Anzeige
oder dergleichen durchgeführt.
Nach diesem Herstellprozess wird der Prüfling 108 auf einer
Positioniervorrichtung angeordnet, z. B. einer Vakuumaufspannvorrichtung 106 der
Testvorrichtung 102 (im Falle von integrierten Schaltungen
kann der Prüfling in
Form eines Wafers oder Chips vorliegen, etc.). Der Prüfling 108 wird
in dem zum richtigen Platzieren erforderlichen Umfang mit der Kontaktvorrichtung 194 ausgerichtet.
Sodann wird eine Relativbewegung des Prüflings 108 in Bezug
zu der Kontaktvorrichtung 194 durchgeführt, um einen Anfangskontakt
hierzwischen herzustellen (wie auf elektrischem Wege oder durch bekannte
mechanische Mittel bestimmt). Nach dem anfänglichen Kontakt wird ein Überfahren
der Relativbewegung bis zu einem bestimmten Grad durchgeführt (wie
im Vorstehenden beschrieben), um eine zuverlässige elektrische Verbindung
herzustellen, wobei Spannungen wünschenswerterweise
unter den abstehenden Fingern der Kontaktvorrichtung und dem Substrat
der Kontaktvorrichtung geteilt werden. Das Positionieren einer mechanischen
Masse wie in der vorliegenden Erfindung ist diesbezüglich besonders
wünschenswert.
Anschließend
werden Testsignale an den Prüfling 108 angelegt
und auf elektrischem Wege bestimmt, ob der Prüfling defekt oder sonst innerhalb
oder außerhalb
akzeptabler Spezifikationen liegt. Der Gut-/Schlecht-Zustand des Prüflings kann
aufgezeichnet werden (was eine mechanische Kennzeichnung, zum Beispiel
das Inken des Prüflings,
falls fehlerhaft, etc. umfassen kann, oder durch Datenerfassung).
Im Anschluss daran kann der Prüfling 108 aus
der Positioniervorrichtung entnommen werden. Wenn das Bauelement
akzeptabel ist, können
bekannte Packaging- und Montageoperationen an dem Prüfling durchgeführt werden.
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Mit
der vorliegenden Erfindung können
Bauelemente, welche Verbindungspunkte mit feiner Teilung aufweisen,
zuverlässig
getestet und hergestellt werden.
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Es
wird erkennbar sein, dass die Erfindung nicht auf die besondere
Ausführungsform,
die beschrieben worden ist, begrenzt ist und dass Variationen vorgenommen
werden können,
ohne den Bereich der Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen definiert,
zu verlassen. Beispielsweise wurde die Erfindung in Verbindung mit
der zeichnerischen Darstellung unter Bezugnahme auf Stripline- und
Microstrip-Übertragungsleitungsumgebungen
beschrieben; wenn der Film 14 weggelassen wird und jeder
zweite Leiterzug 26 über
die Kontaktvorrichtung eine Masseleiterzug ist, wird eine Kombination
von einer Microstrip- und Koplanar-Übertragungsleitungsumgebung
bereitgestellt. Wenn jeder zweite Leiterzug nicht ein Masseleiterzug
ist, dann wird eine Microstrip-Übertragungsleitungsumgebung
bis zum vorderen Rand der Schicht 44 bereitgestellt, und
für einige
Anwendungen mag es akzeptabel sein, dass die Übertragungsleitungsumgebung
an diesem Punkt endet, vorausgesetzt, sie ist recht nahe an den Kontakthöckern. Die
Anwendung der Erfindung auf einen Halbleiter-Tester wurde unter
Bezugnahme auf eine Implementierung beschrieben, bei der ein Kontakthöcker an
jedem Finger der Kontaktvorrichtung vorgesehen ist, wobei die Verwendung
von individuellen Fingern für
jeden Kontakthöcker
sicherstellt, dass Nicht-Koplanarität der Kontakt-Pads des Prüflings maximal
aufgefangen wird. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, zwei Kontakthöcker bereitzustellen,
jeder mit seinem eigenen Leiterzug verbunden, weil Torsion der Finger
einen Höhenunterschied der
jeweiligen Kontakt-Pads auffängt
und die größere Breite
der Finger eine wesentlich größere Steifigkeit hinsichtlich
der Auslenkung bereitstellt. Die Erfindung ist nicht auf die Prüfung von
Bauelementen vor dem Packaging beschränkt und kann zur Endprüfung von Bauelementen
nach dem Packaging Verwendung finden, im Besonderen von Bauelementen,
welche einem Packaging für
Oberflächenmontage
unterzogen werden, weil die Anschlüsse dann geeignet positioniert
sind zum Inkontaktkommen mit den Kontakthöckern.