(57)【要約】  テストシステムまたは半導体パッケージにおいて使用するプローブカード冷却アセンブリには、直接冷却によって冷却される１つまたは複数のダイを備えたパッケージが含まれる。冷却パッケージには、能動電子部品を備えた１つまたは複数のダイおよび少なくとも１つの冷却剤ポートが含まれ、この冷却剤ポートによって、動作中に、冷却剤が、高密度パッケージに入り、ダイの能動電子部品を直接冷却することが可能となる。
2005514627.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プローブ要素と、
前記プローブ要素に結合されたパッケージであって、能動電子部品を備えた少なくとも１つのダイと、テスト動作の間に、冷却剤が前記パッケージに入り、各ダイの前記能動電子部品を直接冷却することを可能とする少なくとも１つの冷却剤ポートとを含むパッケージと、
を含むプローブカードアセンブリ。
【請求項２】
前記少なくとも１つの冷却剤ポートによって、液体冷却剤が、前記パッケージに出入りすることが可能となる、請求項１に記載のプローブカードアセンブリ。
【請求項３】
前記少なくとも１つの冷却剤ポートによって、ガス冷却剤が、前記パッケージに出入りすることが可能となる、請求項１に記載のプローブカードアセンブリ。
【請求項４】
前記少なくとも１つの冷却剤ポートによって、液体冷却剤およびガス冷却剤の組み合わせが、前記パッケージに出入りすることが可能となる、請求項１に記載のプローブカードアセンブリ。
【請求項５】
冷却システムと、
前記冷却システムと前記少なくとも１つの冷却剤ポートとの間に結合された冷却剤循環システムと、
をさらに含む、請求項１に記載のプローブカードアセンブリ。
【請求項６】
前記パッケージが、キャビティを形成するためにシールによって互いに結合された下部基板と上部基板とを含む、請求項１に記載のプローブカードアセンブリ。
【請求項７】
前記シールがＯ−リングを含む、請求項６に記載のプローブカードアセンブリ。
【請求項８】
前記プローブ要素が、前記パッケージに直接接続されている、請求項１に記載のプローブカードアセンブリ。
【請求項９】
前記パッケージが、キャビティを形成するために結合されたチャンバと下部基板とを含み、能動電子部品を備えた各ダイが、前記能動電子部品が前記下部基板と向き合うように、キャビティ内で下部基板に結合されている、請求項１に記載のプローブカードアセンブリ。
【請求項１０】
前記パッケージが、下部基板と対応相互接続部とをさらに含み、前記対応相互接続部が、各ダイと前記下部基板との間に結合されている、請求項１に記載のプローブカードアセンブリ。
【請求項１１】
前記対応相互接続部が、バネ接点を含む、請求項１０に記載のプローブカードアセンブリ。
【請求項１２】
前記バネ接点が、ワイヤボンドのバネを含む、請求項１１に記載のプローブカードアセンブリ。
【請求項１３】
前記バネ接点が、リソグラフィのバネを含む、請求項１１に記載のプローブカードアセンブリ。
【請求項１４】
前記パッケージが、下部基板と、上部基板と、第１および第２の組の対応相互接続部と、整列ポストと、を含み、前記整列ポストが、前記下部基板に取り付けられ、前記第１の組の対応相互接続部が、各ダイと前記下部基板との間に結合され、前記第２の組の対応相互接続部が、各ダイと上部基板との間に結合され、前記ダイが、前記整列ポストとの摩擦接触と、前記第１の組の対応相互接続部と各ダイとの間の直接接触と、前記第２の組の対応相互接続部から各ダイへの下向きの圧力と、によって、適切な位置に保持されている、請求項１に記載のプローブカードアセンブリ。
【請求項１５】
前記パッケージが、下部基板であって、その端部領域に出力接点を配列された下部基板をさらに含み、それによって、外部部品を、前記出力接点を介して、各ダイに電気的に結合することができる、請求項１に記載のプローブカードアセンブリ。
【請求項１６】
前記パッケージが、前記パッケージの外部表面を表す上部表面を備えた上部基板をさらに含み、また前記上部表面が出力接点を含んで、それによって、外部部品を、前記出力接点を介して、前記各ダイに、電気的に結合することができる、請求項１に記載のプローブカードアセンブリ。
【請求項１７】
前記パッケージが、上部基板と、下部基板と、キャビティを通り、前記上部基板と前記下部基板との間に延伸する相互接続要素と、をさらに含む、請求項１に記載のプローブカードアセンブリ。
【請求項１８】
前記少なくとも１つのダイが、複数のダイを含む、請求項１に記載のプローブカードアセンブリ。
【請求項１９】
前記複数のダイが、前記パッケージ内にコンパクトに配列されている、請求項１８に記載のプローブカードアセンブリ。
【請求項２０】
前記パッケージが、インターポーザーおよびプリント回路基板の内の少なくとも１つをさらに含み、前記冷却剤が、テスト動作の間に、インターポーザーおよびプリント回路基板の内の前記少なくとも１つを、さらに直接冷却するようにされている、請求項１に記載のプローブカードアセンブリ。
【請求項２１】
前記少なくとも１つのダイの表面に結合された少なくとも１つの非接触で対応相互接続部をさらに含み、それによって、熱をダイの表面からほかへさらに向けることができる、請求項１に記載のプローブカードアセンブリ。
【請求項２２】
前記パッケージが、
上部基板と、
下部基板と、
をさらに含み、各ダイが、前記上部基板にフリップチップ接合されている、請求項１に記載のプローブカードアセンブリ。
【請求項２３】
キャビティを有する電子パッケージと、
能動電子部品を備え、前記キャビティ内に位置する少なくとも１つのダイと、
冷却剤が前記キャビティに入り、各ダイの前記能動電子部品を直接冷却することを可能にする少なくとも１つの冷却剤ポートと、
を含む冷却アセンブリ。
【請求項２４】
前記パッケージが、前記キャビティ内に対応相互接続部をさらに含み、前記対応相互接続部が、各ダイと前記パッケージとの間に結合されている、請求項２３に記載の冷却アセンブリ。
【請求項２５】
前記対応相互接続部が、バネ接点を含む、請求項２４に記載の冷却アセンブリ。
【請求項２６】
前記バネ接点が、ワイヤボンドのバネを含む、請求項２５に記載の冷却アセンブリ。
【請求項２７】
前記バネ接点が、リソグラフィのバネを含む、請求項２５に記載の冷却アセンブリ。
【請求項２８】
前記リソグラフィのバネが、複合リソグラフィのバネを含む、請求項２７に記載の冷却アセンブリ。
【請求項２９】
各ダイが、少なくとも１つの能動表面を有し、前記冷却剤が前記キャビティ内を循環するときには、前記冷却剤が、各ダイの各能動表面を直接冷却する、請求項２４に記載の冷却アセンブリ。
【請求項３０】
各ダイが、それぞれの能動電子部品と関連する少なくとも１つの能動表面を始めとする複数の表面を、前記キャビティ内に有し、また前記冷却剤が、前記キャビティ内を循環するときには、前記冷却剤が、各ダイの各表面を直接冷却し、それによって、各ダイの各能動表面上の熱勾配およびホットスポットを低減し、各ダイの動作範囲を拡大する、請求項２４に記載の冷却アセンブリ。
【請求項３１】
前記少なくとも１つの冷却剤ポートによって、液体冷却剤が前記パッケージに出入りすることが可能となる、請求項２４に記載の冷却アセンブリ。
【請求項３２】
前記少なくとも１つの冷却剤ポートによって、ガス冷却剤が前記パッケージに出入りすることが可能となる、請求項２４に記載の冷却アセンブリ。
【請求項３３】
前記少なくとも１つの冷却剤ポートによって、液体冷却剤およびガス冷却剤の組み合わせが、前記パッケージに出入りすることが可能となる、請求項２４に記載の冷却アセンブリ。
【請求項３４】
前記少なくとも１つの冷却剤ポートが、前記冷却剤が前記パッケージに入り、各ダイを囲むことを可能にするバルブを含む、請求項２４に記載の冷却アセンブリ。
【請求項３５】
冷却システムと、
前記冷却システムと前記少なくとも１つの冷却剤ポートとの間に結合された冷却剤循環システムと、
をさらに含む、請求項２４に記載の冷却アセンブリ。
【請求項３６】
前記パッケージが、各ダイを囲むキャビティを形成するためにシールによって互いに結合された下部および上部基板をさらに含む、請求項２４に記載の冷却アセンブリ。
【請求項３７】
前記シールが、Ｏ−リングを含む、請求項３４に記載の冷却アセンブリ。
【請求項３８】
前記パッケージが、前記キャビティの片側に下部基板をさらに含み、能動電子部品を備えた各ダイが、前記対応相互接続部によって、前記下部基板に接続され、前記能動電子部品が、前記下部基板と向かい合って、前記キャビティ内で、前記対応相互接続部を囲む冷却剤と接触する、請求項２４に記載の冷却アセンブリ。
【請求項３９】
前記対応相互接続部が、第１および第２の組の対応相互接続部を含み、前記パッケージが上部基板をさらに含む、請求項３８に記載の冷却アセンブリであって
さらに整列ポストを含んで、前記整列ポストが、前記下部基板に取り付けられ、前記第１の組の対応相互接続部が、各ダイと前記下部基板との間に結合され、前記ダイが、さらに、前記整列ポストとの接触および前記第２の組の対応相互接続部からの下向きの圧力によって、適切な場所に保持されている、請求項３８に記載の冷却アセンブリ。
【請求項４０】
前記パッケージが、接点を有する下部基板をさらに含み、それによって、外部部品を、前記接点を介して、各ダイに電気的に接続することができる、請求項２４に記載の冷却アセンブリ。
【請求項４１】
前記パッケージが、下部基板であって、その端部領域に接点を配列した下部基板をさらに含み、それによって、外部部品を、前記接点を介して、各ダイに電気的に結合することができる、請求項２４に記載の冷却アセンブリ。
【請求項４２】
前記パッケージが、前記パッケージの外部表面を表す上部表面を備えた上部基板をさらに含み、また前記上部表面が接点を含んで、それによって、外部部品を、前記接点を介して、各ダイに電気的に結合することができる、請求項２４に記載の冷却アセンブリ。
【請求項４３】
前記パッケージが、
上部基板と、
下部基板と、
をさらに含み、
前記上部基板および前記下部基板を通して延伸する電気経路を提供する相互接続要素をさらに含む、請求項２４に記載の冷却アセンブリ。
【請求項４４】
前記少なくとも１つの冷却剤ポートによって、冷却剤が、液体形態で前記キャビティに入り、ガス形態で前記キャビティから出て、前記ダイの前記能動電子部品を直接冷却し、前記冷却剤が、各ダイの動作温度またはその近くで沸点を有する、請求項２４に記載の冷却アセンブリ。
【請求項４５】
前記少なくとも１つの冷却剤ポートに結合された冷却剤循環システムをさらに含み、前記冷却剤が、前記パッケージ内を循環し、各ダイの全表面と直接接触して、能動電子部品を、その動作中に、直接冷却する、請求項２４に記載の冷却アセンブリ。
【請求項４６】
冷却部材と、
１つまたは複数の放熱装置と、
をさらに含み、各ダイが、前記冷却剤に浸漬され、各放熱装置が、各ダイの発生する熱を、前記冷却剤から前記冷却部材に移動させる、請求項２４に記載の冷却アセンブリ。
【請求項４７】
前記少なくとも１つのダイの表面に結合された少なくとも１つの非接触で対応相互接続部をさらに含み、それによって、熱をさらにダイの表面からほかへさらに向けることができる、請求項２４に記載の冷却アセンブリ。
【請求項４８】
前記パッケージが、
上部基板と、
下部基板と、
をさらに含み、各ダイが、前記上部基板にフリップチップ接合されている、請求項２４に記載の冷却アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、半導体製造およびテスト、ならびに電子パッケージングに関する。
【背景技術】
【０００２】
関連技術
個別半導体（集積回路）デバイス（ダイ）は、典型的には、フォトリソグラフィ、堆積等の周知の技法を用いて、半導体ウエハ上にいくつかの同一のダイを作ることによって製造する。一般的には、これらのプロセスは、半導体ウエハから個別ダイを単一化する（分離する）前に、複数の完全に機能する集積回路デバイスを作ることを意図としている。しかしながら、実際には、ウエハ自体におけるある種の物理的欠陥、およびウエハ処理におけるある種の欠陥のために、結局、「正常」（完全に機能）なダイもあれば、「不良」（部分的に機能または機能せず）なダイもあるということが避けられない。ダイのパッケージングの前、好ましくはダイをウエハから単一化する前に、ウエハ上の複数のダイのうちどれが正常なダイであるかを確認できることが一般的には望ましい。
【０００３】
この目的のために、ウエハテストシステムを有利に用いて、複数の離散的な圧力接続を、ダイ上の同様に複数の離散的な接続パッド（接合または接触パッド）に施してもよい。このようにして、半導体ダイを、ウエハからダイを単一化する前に、テストおよび動作させることができる。ウエハテストシステムの従来の構成要素は、「プローブカードアセンブリ」（また「プローブカード」とも呼ばれる）であり、このアセンブリには、テスタ処理回路とプローブ要素との間で電気信号を結合する多数の構成要素が含まれる。プローブ要素には先端があって、これにより、テストおよびバーンインの間に、半導体ダイのそれぞれのパッドに圧力接続が施される。
【０００４】
図１は、従来のテストシステム１００の簡易図である。テストシステム１００には、チャック１１０、ウエハ１２０、被テストデバイス（ＤＵＴ）１２５、プローブ要素１３０、プローブカードアセンブリ１４０およびテスタ１５０が含まれる。チャック１１０は、ウエハ１２０を支持している。チャック１１０は、テスト中にプローブ要素１３０に対して、ＤＵＴ１２５を配置する制御機構（図示せず）に結合されている。ウエハ１２０には、１つまたは複数のＤＵＴ１２５が含まれる。たとえば、ＤＵＴ１２５は、製造プロセスにおいてテストを受けている、ウエハ１２０上に作製された多数の半導体ダイとすることができる。
【０００５】
プローブカードアセンブリ１４０は、ウエハ１２０とテスタ１５０との間に配置されている。プローブカードアセンブリ１４０は、プローブ要素１３０とテスタ１５０との間で信号を結合する責任を担う。テスト中に、プローブ要素１３０のプローブ先端１３５は、所定の位置に配置されたパッド１２６において、各ＤＵＴ１２５と接触する。テスタ１５０がつぎに、任意の数の従来のテスト手順を実行する。
【０００６】
図２に、例示的なプローブカードアセンブリ１４０を、さらに詳細に示す。プローブカードアセンブリ１４０には、間隔変換器２１０、インターポーザー２２０およびプリント回路基板（ＰＣＢ）２３０が含まれる。相互接続要素２１５が、間隔変換器２１０とインターポーザー２２０とを結合している。相互接続要素２２５が、インターポーザー２２０とプリント回路基板２３０とを結合している。明瞭にするために、２つの相互接続要素２１５および２つの相互接続要素２２５のみが示されているが、多くのこのような相互接続要素２１５および２２５を使用できることに留意されたい。プローブ要素１３０の電気信号が、間隔変換器２１０を通って相互接続要素２１５へ、インターポーザー２２０へ、相互接続要素２２５へ、そしてＰＣＢ２３０へ搬送される。図１に示すように、ＰＣＢ２３０は、つぎに、テスタ１５０と接続する。同様に、テスタ１５０が発するテストコマンドおよび信号テストパターンを含む電気信号が、ＰＣＢ２３０、相互接続要素２２５、インターポーザー２２０、相互接続要素２１５および間隔変換器２１０を通って、結局、プローブ要素１３０まで通過する。
【０００７】
並行してテストされるＤＵＴ１２５の数が増加し、各ＤＵＴ１２５上における接触パッド１２６の数およびピッチが増えるにつれて、プローブ要素１３０の数およびその密度が増加する。間隔変換器２１０は、プローブ要素１３０の比較的密な配列と、密度がより大きかったり小さかったりする、プリント回路基板２３０の幾何学的配列との間のインタフェースとして働く。実際には、間隔変換器２１０は、プローブ要素１３０と相互接続要素２１５とを相互接続する。間隔変換器２１０には、主に、プローブ要素１３０からの信号を、相互接続要素２１５のより大きな空間幾何学的配列へ結合するための電線または他の電気管などの受動要素が含まれる。間隔変換器２１０において、そこを通る電気信号をさらに調整するために、ときにはキャパシタもまた使用される。リレーなどの簡単で低出力の電子部品をときには用いて、個別ＤＵＴ１２５に実施するテストにおける電力のオンおよびオフを、別個に制御することを可能とする。
【０００８】
インターポーザー２２０は、相互接続要素２１５と２２５との間を伝わる信号を結合する。インターポーザー２２０は任意であって、間隔変換器２１０の位置が、ウエハ（たとえばウエハ１２０）の表面に垂直の「ｚ」方向に調節されるときに、整列をさらに維持するために使用される。ＰＣＢ２３０は、相互接続要素２２５とテスタ１５０との間で、信号を結合する。ＰＣＢ２３０には、テストを支援する、任意のタイプの電子回路を含むことができる。たとえば、ＰＣＢ２３０には、テスタ１５０上のポートへ、およびポートからの信号を結合するインタフェースユニットを含むことがよくある。ＰＣＢ２３０には、また、テストする予定の特定の数のデバイスに対して、テスタ１５０によってテストパターンで送信される信号を、一定のプロセスでテストされるデバイスの実際の数に変換するための回路を含むことができる。このようにして、テスタ１５０が、６４個のＤＵＴ用に６４チャネルでテストパターンを送信するように構成され、特定のプロセスで３２個のＤＵＴしか存在しない場合には、ＰＣＢ２３０には、テストパターンを、妥当な３２チャネルで発する処理回路を含むことができる。プローブカードアセンブリ１４０は例証的なものであることに、留意されたい。一般的には、異なる構成要素と構成を備えた、異なるタイプのプローブカードアセンブリが存在する。たとえば、インターポーザーを含まないプローブカードアセンブリもあれば、プリント回路基板を含まなくてもよいプローブカードアセンブリもある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
プローブカードアセンブリ１４０の設計目標の１つは、均一な出力信号をテスタ１５０に供給することである。いくつかの要因のために、プローブカードアセンブリ１４０に対する要求が増加している。第１に、入力／出力(Ｉ／Ｏ)速度が引き続き増加している。したがって、テスタ１５０におけるクロック速度が、メガヘルツ帯域からギガヘルツ帯域にさらに増加している。第２に、プローブ要素１３０の数と密度が、ＤＵＴ１２５上のリード（またパッドとも呼ぶ）の増加する数とともに、引き続き増加していることである。さらに、ＤＵＴ１２５のパッドサイズとピッチサイズが引き続き減少し、それによって、接触しているプローブ要素１３０の密度が増加している。プローブカードアセンブリ１４０に対するこれらの要求が、均一な出力信号を供給することを、より困難にしている。ピン間のスキュー、立ち上がり時間の差異および他のパラシティックなどの問題が、テスト中に電気信号がプローブカードアセンブリ１４０を通って伝わるときに発生する可能性がある。このような問題は、電気信号が、プローブ要素１３０とテスタ１５０との間の長い経路を伝わらなければならないときに悪化する。
【００１０】
プローブカードアセンブリ１４０に対する要求の増加に対処するアプローチの１つは、テスト機能を実行する追加的なハードウェアを、プローブカードアセンブリ１４０に組み込むことである。たとえば、能動電子部品を、プリント回路基板２３０に実装することができる。これらの能動電子部品は、ある種のテスト機能を実行することができる。このようにして、電気信号経路の長さは、低減される。なぜなら、ある種の電気信号は、処理される前に、プローブ要素１３０からＰＣＢ２３０まで伝わる必要があるだけだからである。しかしながら、この解決法は、いくらか利点が限定されることもあり得る。なぜなら、プローブ要素１３０とＰＣＢ２３０との間の電気経路は、パラシティックを十分に低減するためには、まだ長すぎるからである。したがって、テスト機能を支援できる能動電子部品を、プローブ要素１３０にさらに近く配置することが望ましい。しかしながら、能動電子部品をプローブ要素１３０の近くへ移動することにより、結果として、プローブカードアセンブリにおいて以前は直面しなかった設計問題が生じる。特に、プローブ要素１３０の密なパック配列によって、能動電子部品も同様に密にパックすることが必要とされるであろう。とりわけ、このことは、プローブカードアセンブリにおいて以前は遭遇しなかった発熱問題へとつながる。
【００１１】
発熱問題は、ウエハと関連して認識されてきた。異なるテストシステムが、ウエハ用の冷却機構を提供してきた。冷却機構は、ウエハ全体にわたって温度を制御し、一様な発熱を維持することの両方のために提供されている。たとえば、ある種のテストおよびバーンイン用途においては、特定の温度条件を維持しなければならない。また、宮田らに発行された米国特許第５，１９８，７５２号明細書、およびアンドバーグ（Ａｎｄｂｅｒｇ）に発行された米国特許第６，１４０，６１６号明細書を参照されたい。
【００１２】
ひとたびＤＵＴ１２５がテストされると、それらはダイに単一化される。電子パッケージは、１つまたは複数のこのようなダイを収容できるが、ダイ上の能動電子部品は、動作中に熱を発生する。このような熱は、過熱および性能の低下を避けるために、パッケージから除去する必要がある。単一のパッケージに収容するのが望ましいダイの数が増え、各ダイの動作負荷が増加するにつれて、熱管理の必要性がより大きくなっている。たとえば、熱管理は、比較的小さな範囲に多数のダイを含む高密度パッケージにとって、重大な関心事となっている。さらに、ダイは、引き続き、より多くの、トランジスタなどの能動電子部品を含み、絶えずより速くなるクロック速度および入力／出力（ＩＯ）速度で動作することが予想される。ダイが、高クロック速度で重要な処理動作を実行する高密度パッケージにおいては、熱を放散する必要性は、さらにより重要である。
【００１３】
ＩＢＭコーポレーション（ＩＢＭ  Ｃｏｒｐ．）および日本電気株式会社（ＮＥＣ  Ｃｏｒｐ．）が開発した２つの従来のアプローチが、高性能コンピュータにおけるパッケージレベルベースの熱放散問題に取り組んでいる。ＩＢＭのアプローチでは、高密度フリップチップ・マルチチップモジュール（ＭＣＭ）を冷却するために熱伝導モジュール（ＴＣＭ）を使用する。しかしながら、このアプローチは、背面冷却に限定されている。フリップチップ接合されているダイの能動表面は、単に基板に向き合っているだけで、直接は冷却されない。不均一な熱勾配およびホットスポットが、やはり、能動ダイ表面に発生する可能性がある。ＮＥＣのアプローチでは、液体冷却モジュール（ＬＣＭ）が提供される。しかしながら、これらのＬＣＭは、単にパッケージの全体の外面に接触するだけである。このケースでもまた、パッケージの外面を冷却しても、パッケージ内の、フリップチップ接合されたダイの能動表面を直接冷却することにはならない。不均一な熱勾配およびホットスポットが、やはり、ダイ全体にわたって生じる。たとえば、Ｗ．ブラウン（Ｗ．Ｂｒｏｗｎ）編「マルチチップモジュールに重点を置く高度電子パッケージ（Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｐａｃｋａｇｉｎｇ  ｗｉｔｈ  Ｅｍｐｈａｓｉｓ  ｏｎ  Ｍｕｌｔｉｃｈｉｐ  Ｍｏｄｕｌｅｓ）」の１３章、「メインフレームパッケージング：熱伝導モジュール（Ｍａｉｎｆｒａｍｅ  Ｐａｃｋａｇｉｎｇ：Ｔｈｅ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ  Ｍｏｄｕｌｅ）」、Ｉ．Ｅ．Ｅ．Ｅ．プレス発行、ピスカタウェイ、ニュージャージー、１９９９年、ページ４９２〜５６５を参照されたい。電子パッケージ内の能動電子部品をより効果的に冷却することが、必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、プローブカード冷却アセンブリおよび冷却半導体パッケージを提供する。プローブカード冷却アセンブリまたはパッケージには、冷却システム、冷却剤循環システムおよび冷却パッケージが含まれる。冷却パッケージには、１つまたは複数のダイが含まれる。各ダイは、冷却パッケージ内に存在する冷却剤によって、１つまたは複数の側面を直接冷却される。このようにして、ダイにおける１つまたは複数の表面上の能動電子部品が発生する熱は、能動電子部品からほかへ移動される。本発明によるプローブカードアセンブリまたはパッケージにおけるダイ表面の、このような直接的な冷却によって、各ダイ全体にわたる温度変動を最小限にし、電気パラメータ変動を低減する。したがって、立ち上がり時間およびピン間スキューなどの出力信号特性の均一性が改善される。ダイ表面のホットスポットが低減または除去され、ダイの動作温度範囲を拡大することが可能となる。
【００１５】
一実施形態において、冷却パッケージには、キャビティを囲むハウジングが含まれる。ハウジングには、冷却剤がキャビティ内で循環できるようにする、少なくとも１つの冷却剤ポートがある。冷却剤が循環する、囲まれ密閉されたキャビティ内で、各ダイは、基板に実装されている。一例において、１つのダイが、ハウジングのキャビティ内に実装されている。別の例では、複数のダイが、ハウジングのキャビティ内に実装されている。別の例において、高密度冷却パッケージが提供されるが、この場合、密にパックされたダイのアレイが、ハウジングのキャビティ内に配列されている。プローブカードアセンブリにおける高密度冷却パッケージが、いくつかの実施形態にとってさらに有利になるが、それは、テスト動作を支援する追加の電子部品が、プローブ要素またはその近くに、コンパクトに配置できるという点においてである。好適な一例において、高密度冷却パッケージには、密にパックされたダイのアレイが含まれるが、これらのダイは、能動電子部品を備えたダイの表面が、ハウジングにおけるキャビティ内の基板と向き合うように実装されている。
【００１６】
一例において、冷却パッケージのハウジングには、シールによって結合された上部および下部基板が含まれる。冷却システムが冷却剤循環システムに結合され、液体および／またはガス冷却剤を、ハウジングの１つまたは複数の冷却剤ポート内へ、およびポートから外へ供給する。一配列において、ハウジングには、２つの冷却剤ポートが含まれる。たとえば、一方向フローバルブなどの２つのポートを、上部および下部基板を結合するＯ−リングシールに設けることができる。１つのポートが、冷却剤をキャビティ内へ通過させ、他のポートが、冷却剤をキャビティから外へ通過させる。このようにして、熱は、ダイの能動表面からほかへ直接移動される。
【００１７】
さらなる特徴によると、１つまたは複数のダイには、少なくとも１つの基板に結合された対応相互接続部が含まれる。このような対応相互接続部によって、各ダイと基板との間で効果的に構造的および電気的接触を維持する一方で、冷却剤が、ダイの全表面の回りを循環することが可能となる。本発明の好適な一実施形態において、対応相互接続部は、ダイを下部基板に結合するバネ接点である。ダイは、バネ接点にはんだ付けするか、またはソケット構成において整列ポストの助けを得て、摩擦接触によって保持することができる。バネ接点によって、柔軟で弾性のある台が提供され、これにより、高出力用途においてさえも均一な冷却を提供するための、ダイの能動表面との直接接触を始めとして、液体またはガス冷却剤が、基板と各ダイの１つまたは複数の側面との間を流れることが可能となる。ハウジングにおけるキャビティ内の基板と向き合うように実装された１つまたは複数のダイを含む、本発明の実施形態において、このようなバネ接点によって、冷却剤の循環、およびダイの能動表面からの熱の移動が可能となる。
【００１８】
さらなる特徴によると、非接触で対応相互接続部が、また、ダイ表面に設けられる。非接触で対応相互接続部は、バネなど任意のタイプの対応相互接続部とすることができる。これらの非接触で対応相互接続部は、基板と接触しないが、ダイの表面範囲から熱をほかへ向ける働きをする。これによって、本発明による冷却パッケージにおけるダイの冷却がさらに改善される。
【００１９】
一実施形態において、冷却パッケージには、積層ダイ配列に実装された１つまたは複数のダイが含まれる。この配列では、１つまたは複数のダイが、上部基板にフリップチップ接合されている。つぎに上部基板は、対応相互接続部によって下部基板に結合されている。
【００２０】
本発明による冷却パッケージの一実施形態において、１つまたは複数のダイと外部部品との間の電気接続部は、下部基板の周端部における出力接点を作られる。別の実施形態において、１つまたは複数のダイと外部部品との間の電気接続部は、上部基板の出力接点を作られる。さらなる特徴によると、追加的な電気接続部を、冷却パッケージを通して、上部基板と下部基板との間で直接通わせることができる。
【００２１】
本発明の利点は、プローブ要素またはその近くに直接冷却パッケージを配置するテストシステムにおいて使用するプローブカード冷却アセンブリを、本発明の実施形態に含むことができるということである。つぎに１つまたは複数のダイが、プローブ要素またはその近くで、テスト動作などの高出力な適用例を実行することができる。許容できないレベルまでテスト信号の質を劣化させる過熱状態に至ることなく、追加的な能動電子部品を、プローブ要素またはその近くで、１つまたは複数のダイに含めることができる。能動電子部品を、より離れたテスタにではなく、プローブ要素またはその近くに配置することは、また、信号の伝導経路を低減し、性能をさらに向上させる。一実施形態において、プローブ要素近くに能動電子テスト部品を配置する手順が提供される。この手順には、能動部品をパッケージに密閉すること、パッケージをプローブ要素に結合すること、およびテストにおいて、能動部品の動作中に、冷却剤をパッケージを通して循環させることが含まれる。
【００２２】
本発明による、直接冷却をともなうプローブカード冷却アセンブリにおける１つの追加的な利点は、保守および修理のための分解が容易なことである。本発明による、直接冷却をともなうプローブカード冷却アセンブリにおける別の追加的な利点は、組み立てが安価なことである。別の利点は、ある一定の実施形態では、パッケージの上部および下部両方へ電気接続部を作製できることである。
【００２３】
さらに、本発明の別の実施形態において、本発明によるプローブカード冷却アセンブリまたはパッケージには、冷却部材、および冷却フィンなどの１つまたは複数の放熱装置を備えた冷却パッケージが含まれる。冷却パッケージには、キャビティを囲むハウジングが含まれる。冷却剤が、キャビティを満たしている。１つまたは複数のダイが、キャビティ内の基板に実装され、周囲の冷却剤によって直接冷却される。しかしながら、この実施形態では、熱は、１つまたは複数の放熱装置によって、冷却剤から冷却部材へ移動される。
【００２４】
本発明のさらなる特徴および利点だけでなく、本発明の様々な実施形態における構造および動作を、添付の図面に関連して、以下で詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
発明の詳細な説明
目次
１．概観および考察
２．術語
３．プローブカード冷却アセンブリ
４．１つまたは複数のダイを備えた冷却パッケージ
５．高密度冷却パッケージ
６．プローブ要素近くに能動電子部品を組み込むための手順
７．バネ接点のタイプ
８．追加の実施形態
９．１つまたは複数のダイを備えた冷却パッケージ
１０．結び
【００２６】
以下の説明は、本発明を実施するための、現在考えられる最良の形態に対するものである。この説明は、限定的な意味で受け取るべきものではなく、単に、本発明の一般的な原理の説明を目的としてなされるものである。本発明の範囲は、特許請求の範囲に関連して確認すべきである。本発明の以下のの説明においては、全体を通して、同じ数字または参照符号は、同じ部分または要素を指すために使用される。
【００２７】
１．概観および考察
本発明により、プローブカード冷却アセンブリまたは冷却半導体パッケージが提供される。プローブカード冷却アセンブリには、１つまたは複数のダイを備えた冷却パッケージが含まれる。各ダイは、冷却パッケージ内に存在する冷却剤によって、１つまたは複数の側面を直接冷却される。本発明の実施形態は、冷却高密度パッケージに関連して説明する。本発明には、冷却高密度パッケージを含むことができるが、それに限定されるものではない。一般に、本発明によるプローブカード冷却アセンブリには、冷却パッケージ内に任意の構成またはレイアウトで配列された、ただ１つのダイまたは複数のダイを含むことができる。
【００２８】
本発明は、テストシステム環境の点から説明する。たとえば、本発明は、テラダイン（Ｔｅｒａｄｙｎｅ）、アドバンテスト（Ａｄｖａｎｔｅｓｔ）、エレクトログラス（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｇｌａｓｓ）、ＴＳＫ、ＴＥＬ、アジレント（Ａｇｉｌｅｎｔ）または他の製造業者から市販されているテストシステムまたはテスタとともに使用することができる。この点における説明は、単に便宜上提供するものである。本発明がこれらの例示的な環境を適用することに限定されることを、意図したものではない。実際、以下の説明を読めば、現在周知かまたは将来開発される代替実施形態において、本発明をどのように実施するかが、当該技術分野の当業者には、明らかとなるであろう。
【００２９】
２．術語
本発明をより明確に描写するために、本明細書全体を通して、できる限り一貫して、以下の用語の定義に準拠する努力がなされている。
【００３０】
用語「ダイ」は、任意の集積回路、チップ、シリコンチップまたは他の半導体もしくは電子デバイスを指している。
【００３１】
用語「相互接続部」および「相互接続要素」は、限定するわけではないが、対応相互接続部を始めとする、任意の電気接続部を指している。
【００３２】
用語「対応相互接続部」は、限定するわけではないが、フォームファクタ・インコーポレイテッド（ＦｏｒｍＦａｃｔｏｒ，Ｉｎｃ．）から入手できるバネ接点および本明細書で説明するタイプのバネ接点を始めとする、柔軟な電気接続部を指している。
【００３３】
用語「能動電子部品」は、限定するわけではないが、トランジスタ、スイッチ、抵抗器、論理ゲートまたは集積回路を始めとする、任意の発熱電子部品を指している。
【００３４】
本発明を説明するために使用する用語「能動電子部品の直接冷却」は、能動電子部品と熱接触して配置されている冷却剤で、能動電子部品の温度に影響を与えることを指している。
【００３５】
３．プローブカード冷却アセンブリ
図３Ａは、本発明によるプローブカード冷却アセンブリ３０２を含むプローブカードアセンブリ３００の図である。プローブカードアセンブリ３００には、さらに、プローブ要素３０５、インターポーザー３２０およびプリント回路基板３３０が含まれる。プローブカード冷却アセンブリ３０２は、プローブ要素３０５と電気相互接続部３１５との間に結合されている。インターポーザー３２０は、電気相互接続部３１５と電気相互接続部３２５との間に結合されている。プリント回路基板３３０は、電気相互接続部３２５とコンピュータ（図示せず）との間に結合されている。プローブ要素３０５には、限定するわけではないが、タングステン針、垂直プローブ、コブラプローブ、Ｌ型プローブ、プランジャプローブ、バネ接点プローブおよび薄膜の上に形成された接触バンププローブを含むことができる。電気相互接続部３１５および３２５は、任意のタイプの電気相互接続とすることができる。好適な一例において、対応相互接続部が用いられている。たとえば、エルドリッジ（Ｅｌｄｒｉｄｇｅ）らに発行され、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第５，９７４，６６２号明細書（たとえば、図５のプローブカードアセンブリ５００を参照されたい）に説明されているように、対応相互接続部を用いることができる。またこの特許は、参照によって本明細書に全体として援用されている。インターポーザー３２０およびプリント回路基板３３０は例証的なものであって、本発明を限定することを意図したものではない。インターポーザー３２０およびＰＣＢ３３０は省略することができ、プローブカード冷却アセンブリ３０２は、テストシステムにおけるコンピュータまたは他のデバイスに、直接結合される。
【００３６】
プローブカード冷却アセンブリ３０２には、能動プローブヘッド３１０、冷却剤循環システム３１２および冷却システム３１４が含まれる。能動プローブヘッド３１０は、１つまたは複数の能動電子部品（図３Ａには図示せず）含むパッケージである。このパッケージには、キャビティ３１３を囲むハウジング３１１が含まれる。実施形態によっては、ただ１つのダイまたは複数のダイが、キャビティ３１３内に配列されている。他の実施形態においては、能動プローブヘッド３１０は、複数のダイがコンパクトな構成で配列されている高密度パッケージである。１つまたは複数のダイを有する冷却パッケージの例は、図３Ｂ〜３Ｄに関連して以下に説明する。本発明による能動プローブヘッド３１０において使用される冷却高密度パッケージのさらなる例は、図４〜６に関連して以下に説明する。
【００３７】
冷却パッケージのハウジングには、さらに、冷却剤循環システム３１２に結合された冷却剤ポート３１７および３１９が含まれる。方向矢印３１６で示すように、冷却剤ポート３１７によって、冷却剤は、キャビティ３１３に入ることが可能となる。方向矢印３１８で示すように、冷却剤ポート３１９によって、循環冷却剤は、キャビティ３１３から出ることが可能となる。冷却剤はキャビティ３１３を循環し、能動電子部品と直接接触する。能動電子部品を、ダイの１つまたは複数の表面またはその近くに配置し、熱が表面から冷却剤へ移動するようにすることができる。さらに、実施形態によっては、冷却剤は、ダイの１つまたは複数の側面における表面範囲の大部分または全てと直接接触することができる。このようにして、ホットスポットは、低減または除去される。
【００３８】
冷却システム３１４は、冷却剤循環システム３１２を通して、能動プローブヘッド３１０の冷却剤ポート３１７および３１９と結合される。冷却剤循環システム３１２は、能動プローブヘッド３１０および冷却システム３１４へ、およびこれらから冷却剤を運ぶための、任意のタイプのパイプまたは管とすることができる。冷却システム３１４は、冷却剤を循環し、熱を移動させるための、任意のタイプの従来型冷却システムである。多数の冷却ポートおよび機械的な装置を用いて、キャビティ内で均一に冷却剤を配分するかまたは特定の方法で冷却剤を配分することができる。また１つの双方向冷却剤ポートを使用することもできる。一例では、冷却システム３１４に、液体冷却剤を保持するタンクを用いている。ポンプを使用して、冷却剤循環システム３１２へ、またはそこから液体を運ぶ。冷却器コイルがタンク内に設けられ、冷却剤を所望の温度に冷却する。冷却剤の温度をさらに制御することが望ましい場合には、また、ヒータコイルをタンクに追加することもできる。
【００３９】
冷却システム３１４は、任意のタイプの液体冷却剤および／またはガス冷却剤を循環することができる。限定するわけではないが、冷却剤の例示的なタイプには、エチレングリコール、液体窒素、フルオロカーボン樹脂、フロリナート（ＦＬＯＲＩＮＥＲＴ）、フレオン（ＦＲＥＯＮ）およびフレオンの化合物ならびに不凍性の液体が含まれる。
【００４０】
図３Ｂに、プローブカード冷却アセンブリ３５０の別の実施形態を示す。プローブカード冷却アセンブリ３５０には、ダイのほぼ望ましい動作温度で沸騰する液体冷却剤が含まれる。冷却剤は、冷却剤循環システム３１２を通って、ハウジング３６０内のキャビティへポンプへ送られ、１つまたは複数のダイ３６２が、冷却剤水平面３６４の下で、液体冷却剤に浸漬されるようにする。テスト動作の間に、各ダイ３６２は、ダイの能動表面近くで、微沸騰を起こすに十分な熱を発生する可能性がある。このような微沸騰によって、液体冷却剤がいくらかガスに変換される。これによって、沸騰の間、各ダイ３６２を囲む液体冷却剤が、一定の温度にほぼ留まるという追加的な利点が提供される。このことはまた、ダイの動作温度範囲を拡大する働きをする。図３Ｃは、沸騰範囲３７０の間に、液体冷却剤が、どのようにして一定の温度にほぼ留まるかの原理を示す例示的な図表である。つぎに液体およびガスの組み合わせ（またはガスのみ）が、ハウジング３６０を出て、冷却剤循環システム３１２を通り、液化器３５２に移動する。液化器３５２は、冷却剤を、ガス相から元の液体相に変換し、その後、冷却剤をハウジング３６０へポンプで戻すかまたは循環させる。
【００４１】
能動プローブヘッド３１０で使用できる冷却パッケージの例を、図３Ｄおよび図４〜６に関連して、ここでさらに詳細に説明する。これらの例は、例証的なものであり、本発明を限定することを意図したものではない。
【００４２】
４．１つまたは複数のダイを備えた冷却パッケージ
図３Ｄは、本発明のさらなる実施形態による能動プローブヘッドにおいて使用できる冷却パッケージ３８０の図である。冷却パッケージ３８０には、チャンバ３８１および下部基板３８２で構成されているハウジングが含まれる。チャンバ３８１は、セラミック、スタンプ加工金属、成形プラスチック、鋳造金属等で作製することができる。下部基板３８２は、限定するわけではないが、ＦＲ−４、セラミック、銅−インバール−銅等から作製された基板を始めとする任意のタイプの基板とすることができる。
【００４３】
１つまたは複数のダイ３６２が、下部基板３８２の表面に結合され、チャンバ３８１のキャビティ３８３内に配置されている。図３Ｄに示すように、１つのダイ３６２を用いてもよい。代替として、複数のダイ３６２を用いてもよい。ダイ３６２は、下部基板３８２の表面に、任意の所望するレイアウトて配列することができる。各ダイ３６２は、それぞれの相互接続部３８８を通して、下部基板３８２に結合される。相互接続部３８８は、限定するわけではないが、対応相互接続部を始めとする任意のタイプの電気相互接続要素とすることができる。対応相互接続部の例は、以下でさらに説明する。好適な一実施形態において、各ダイ３６２は、対応対応相互接続部３８８のそれぞれのグループを通して、下部基板３８２に結合される。ダイ３６２は、さらに、ダイ３６２の能動表面３８５が、下部基板３８２の内側表面と向き合うように、実装される。プローブ要素３０５は、プローブ要素３０５の先端が、ウエハ（図示せず）上のＤＵＴと係合するように、下部基板３８２の外側表面から延伸する。
【００４４】
図３Ｄには、２つの冷却剤ポート３８４および３８６が示されている。方向矢印３８７が示すように、冷却剤ポート３８４によって、冷却剤は、冷却システム３１４からチャンバ３８１へ通過することが可能となる。方向矢印３８９が示すように、冷却剤ポート３８６によって、チャンバ３８１内の冷却剤は、冷却システム３１４へと出て行くことが可能となる。一例では、冷却剤ポート３８４および３８６は、一方向の流体フローバルブである。他の例では、任意のタイプの１ポートまたは多数ポートを使用できる。このようなポートおよび／または他の機械的な装置によって、冷却剤の一方向または双方向フローが可能となる。
【００４５】
チャンバ３８１のキャビティ内で、冷却剤は、ダイ３６２の全ての側面および相互接続部３８８の回りを自由に循環する。冷却剤は、ダイ３６２上の能動電子部品を直接冷却する。このようにして、本発明は、各ダイ全体にわたる熱勾配の大きさを低減し、残りの熱勾配（もしあれば）を、各ダイ全体でより均一にする。ホットスポットは、低減または除去される。ダイの動作温度範囲は拡大する。
【００４６】
本発明の一特徴により、ダイ３６２は、下部基板３８２の水平面と平行な水平面、ならびにテスト中のウエハ（図示せず）およびプローブ要素３０５の水平面に沿って配列するのが好ましい。冷却パッケージ３８０は、プローブ要素３０５を、下部基板３８２に直接結合している。さらに、テスト回路および処理の一部または全てを、１つまたは複数のダイ３６２に組み込むことができる。このようにして、プローブ要素３０５から能動テスト回路までの電気経路の距離が、最小限にされる。直接冷却、および信号が伝わる電気経路長さを最小化することで、ダイ全体にわたる温度変動を最小限にして、冷却パッケージ３８０は、電気パラメータ変動およびパラシティックを低減し、立ち上がり時間およびピン間スキューなどの出力信号特性の均一性を改善する。
【００４７】
冷却パッケージ３８０には、さらに、下部基板３８２の一表面に結合された出力接点（図示せず）が含まれる。出力接点は、下部基板３８２またはチャンバ３８１に設けることができる。限定するわけではないが、バネ接点、ピン、はんだ柱、バンプ、接点素子などの任意のタイプの相互接続要素を始めとして、冷却パッケージ３８０用の任意のタイプの出力接点を使用することができる。例示的な出力接点は、図４〜６の高密度冷却パッケージに使用されている相互接続要素に関連して、さらに説明する。
【００４８】
５．高密度冷却パッケージ
図４Ａは、本発明の一実施形態による高密度冷却パッケージ４００の図である。高密度冷却パッケージ４００には、下部セラミック基板４１０および上部セラミック基板４２０で構成されるハウジングが含まれる。上部および下部セラミック基板４１０および４２０は、シール４４０で密閉され、キャビティ４０２を囲んでいる。シール４４０は、冷却剤を保持できる任意のタイプのシールとすることができる。一例では、シール４４０は、Ｏ−リングである。
【００４９】
ダイ４３０ａ〜４３０ｃのアレイは、キャビティ４０２内で、下部セラミック基板４１０の表面に結合されている。任意の数のダイ４３０を用いて、キャビティ４０２内の下部セラミック基板４１０における表面の利用可能表面範囲（またパッケージ部品範囲とも呼ばれる）を覆ってもよい。一実施形態において、６４個のダイが、密にパックされたマルチチップ配列で設けられている。
【００５０】
好適な一実施形態において、ダイ４３０ａ〜４３０ｃのそれぞれは、それぞれの対応相互接続部４３２ａ〜４３２ｃを通して、下部セラミック基板４１０に結合されている。ダイ４３０は、さらに、下部セラミック基板４１０と向き合うように実装されている。特に、ダイ４３０ａの能動表面は、下部セラミック基板４１０と向き合っている。他のダイ４３０ｂ〜４３０ｃの能動表面も、同様に、下部セラミック基板４１０に向き合っている。
【００５１】
図４Ａに、２つの冷却剤ポート４４２および４４４を示す。冷却剤ポート４４２によって、冷却剤は、冷却システム３１４（図４Ａには図示せず）からキャビティ４０２に通過することが可能となる。冷却剤ポート４４４によって、キャビティ４０２内の冷却剤は、冷却システム３１４へ流れて戻ることが可能となる。一例において、冷却剤ポート４４２および４４４は、一方向の流体フローバルブである。キャビティ４０２内において、冷却剤は、ダイ４３０の全ての側面および対応相互接続部４３２の回りを自由に循環する。冷却剤は、ダイ４３０上の能動電子部品を直接冷却する。このようにして、本発明は、各ダイ全体にわたる熱勾配の大きさを低減し、残りの熱勾配を、各ダイ全体にわたってより均一にする。ホットスポットは、低減または除去される。
【００５２】
ダイ４３０は、下部セラミック基板４１０の水平面と平行な水平面、ならびにウエハおよびプローブ要素３０５の水平面に沿って配列するのが好ましい。高密度パッケージでは、プローブ要素３０５を、下部基板４１０に直接結合している。テスト回路および処理のさらなる一部または全てを、ダイ４３０に組み込むことができる。このようにして、プローブ要素３０５から能動テスト回路への電気経路距離を最小限にする。直接冷却、および信号が伝わる電気経路長さを最小化することで、ダイ全体にわたる温度変動を最小限にして、高密度パッケージ４００は、パラシティックを低減し、立ち上がり時間およびピン間スキューなどの出力信号特性の均一性を改善する。
【００５３】
高密度パッケージ４００には、さらに、下部セラミック基板４１０の１つの表面に結合されたバネ接点４１３が含まれる。出力接点４１３は、下部セラミック基板４１０の端部領域に設けられ、相互接続要素４１５に電気的に結合されている。一例において、出力接点４１３は、ランドグリッドアレイ（ｌａｎｄ  ｇｒｉｄ  ａｒｒａｙ（ＬＧＡ））パターンにすることができる。相互接続要素４１５は、限定するわけではないが、対応相互接続部を始めとする、任意のタイプの相互接続要素とすることができる。相互接続部４１５は、さらに、任意の外部部品と結合されている。テスト環境において、相互接続部４１５は、インターポーザーもしくはプリント回路基板、またはテストシステムにおける別の外部部品に結合することができる。
【００５４】
図４Ｂは、本発明の一実施形態により、積層ダイ配列に実装されたダイ４３０ａおよび４３０ｂを示す図である。ダイ４３０ａおよび４３０ｂは、上部基板４２０にフリップチップ接合されている。上部基板４２０は、つぎに、対応相互接続部４８２によって、下部基板４１０に結合されている。この積層ダイ配列は、限定するわけではないが、高密度冷却パッケージを始めとする、本明細書に説明する任意の冷却パッケージにおいて実現することができる。冷却剤は、ダイ４３０ａおよび４３０ｂの回りを循環して、ダイ表面を直接冷却する。
【００５５】
図４Ｃは、本発明のさらなる特徴により、ダイ表面４３０ａ上に設けられた非接触で対応相互接続部４９４を示す図である。冷却剤は、ダイ４３０ａ、対応相互接続部４３２ａおよび非接触で対応相互接続部４９４の回りを循環し、ダイ表面を直接冷却する。非接触で対応相互接続部４９４は、バネなど任意のタイプの対応相互接続部とすることができる。図４Ｃに示すように、非接触で対応相互接続部４９４は、下部基板４１０と接触していないが、ダイの表面範囲から熱をそらす働きをする。これによって、本発明による冷却パッケージにおけるダイの冷却が改善される。非接触で対応相互接続部を備えた１つまたは複数のダイのこの配列は、限定するわけではないが、高密度冷却パッケージを始めとする、本明細書で説明する任意の冷却パッケージで実現することができる。
【００５６】
図５は、本発明のさらなる実施形態による高密度パッケージの図である。高密度パッケージ５００には、キャビティ５０２を囲むハウジングが含まれる。このハウジングには、下部セラミック基板５１０および上部セラミック基板５２０が含まれる。上部および下部セラミック基板５１０および５２０は、シール４４０によって、密閉パッケージにおいて結合されている。冷却剤ポート４４２および４４４によって、図４に関連して上記で説明したように、液体冷却剤がキャビティ５０２を通って循環することが可能となる。テスト環境において、下部セラミック基板５１０は、１つの表面でプローブ要素３０５に結合される。下部セラミック基板５１０の別の表面は、対応相互接続部４３２を通して、ダイ４３０に結合される。
【００５７】
パッケージ４００とは異なり、パッケージ５００には、上部セラミック基板５２０の上部表面５２１に設けられている出力接点５１３が含まれる。出力接点５１３は、たとえば、ＬＧＡパターン（図６に示すように）とすることができる。また、相互接続部５１５が、キャビティ５０２を通って、上部および下部セラミック基板５１０と５２０との間に設けられている。必要ならば、任意の数の相互接続部５１５を設けることができる。ダイ４３０における熱勾配が低減され、プローブ要素３０５からダイ４３０への電気経路が比較的短いという点で、パッケージ５００には、パッケージ４００に関連して上記で説明した利点の全てがある。出力接点を、下部セラミック基板５１０の端部領域に設ける必要がないという点で、パッケージ５００は、さらによりコンパクトである。代わりに、出力接点５１３は、上部セラミック基板５２０の上部表面５２１に設けられている。このようにして、電気信号は、出力接点５１３を通って、図５に示すバネ接点インターポーザーなどの任意の外部部品へ進むことができる。図５に示す実施形態において、インターポーザー５５０は、基板５５２、基板５５２の一表面を出力接点５１３に接続する第１の組の相互接続部５５４、および他の部品（図示せず）に接続するための、基板５５２の反対側表面から延伸する第２の組の相互接続部５５６を有している。インターポーザー５５０は任意であり、一般には、出力接点５１３は、テストシステムまたは他の電子パッケージ環境において、任意の外部部品に結合することができる。
【００５８】
図６は、本発明のさらなる実施形態による高密度パッケージ６００の図である。高密度パッケージ６００は、ダイ４３０が、ソケット構成において下部セラミック基板５１０に結合されているということを除いて、パッケージ５００と同一である。ダイ整列ポスト６７０および６７２が、各ダイ４３０のために設けられている。図６において、ダイ整列ポスト６７０ａおよび６７２ａが、ダイ４３０ａの対向する側面に設けられている。ダイ４３０ａは、ダイ整列ポスト６７０ａおよび６７２ａとの摩擦接触、および対応相互接続部４３２ａおよび６８０ａによって保持され、その位置を維持している。特に、対応相互接続部６８０ａは下向きの圧力をもたらし、ダイ４３０をソケットの適切な位置に保持する。キャビティ５０２内に供給される冷却剤は、やはり、ダイ４３０の剥きだしの側面を循環できる。図６は、高密度パッケージ５００に関連して、ダイのソケット構成を示しているが、本発明は、このように限定されるわけではない。特に、ソケット構成は、また、ダイ整列ポストを設けることによって、任意の数のダイまたはダイの任意のレイアウトを有する任意の冷却パッケージにおいて、使用することができる。
【００５９】
６．プローブ要素近くに能動電子部品を組み込むための手順
図７は、本発明の一実施形態により、プローブ要素近くに、能動電子部品を組み込むための手順７００のフローチャートである（ステップ７１０〜７３０）。ステップ７１０において、能動電子部品は、パッケージに密閉される。これらの能動電子部品は、ＤＵＴをテストするためにテスタで実行される機能の一部または全てを実行することができる。ステップ７２０において、パッケージは、プローブ要素に結合される。ステップ７３０で、冷却剤は、テストにおける能動部品の動作中に、パッケージを通って循環し、ダイ全体にわたる熱変動を低減する。
【００６０】
７．バネ接点のタイプ
本発明のさらなる特徴により、冷却パッケージ内でバネ接点を用いて、１つまたは複数のダイを基板に結合する。これらのバネ接点によって、冷却剤は、ダイと基板との間の電気接続を損なうことなく、ダイの全ての側面の回りおよびバネ接点自体の回りを流れることが可能になるという利点が、このようなバネ接点にはある。バネ接点は、完全に剛性であるわけではなく、循環する冷却剤があっても、その物理的な完全性を維持することができる。また、バネ接点は、直接冷却を向上させることができる。なぜなら、ダイが基板と向き合うように実装されている場合であっても、バネ接点には、冷却剤の循環、およびダイの能動表面からの熱移動を可能とする長さがあるからである。バネ接点は、また、それ自体かなり強く、循環するダイによって直接冷却される、ダイの表面領域を低減させることになるようなエポキシ樹脂または他の材料を使用する必要がない。
【００６１】
任意のタイプのバネ接点を、本発明のさらなる特徴による冷却パッケージに使用することができる。バネ接点（また、接点バネまたはバネと呼ばれる）には、限定するわけではないが、フォームファクタ・インコーポレイテッド（ＦｏｒｍＦａｃｔｏｒ，Ｉｎｃ．）（デラウェア州法人）から現在または将来入手できる任意のバネ接点を含むことができる。図８〜１１は、冷却パッケージにおいて使用できる３つのタイプの例示的なバネ接点の図である。３つのタイプのバネ接点は、ワイヤボンド、複合リソグラフィおよび一体化により形成されたバネである。
【００６２】
図８〜１１は、冷却パッケージで使用できる、３つのタイプの例示的なバネ接点の図である。第１のタイプは、ワイヤボンドのバネ接点である。図８Ａに、基板８０２の入力／出力端子８０４に固定可能で例示的な導電バネ接点８１０を示す。例示的なバネ接点８１０には、容易に成形可能な材料で作製される内部コア８３０および弾性材料で作製される被覆材料８３２が含まれる。バネ接点８１０は、内部コア８３０を入力／出力端子８０４にワイヤボンディングすることによって、作製するのが好ましい。内部コア８３０が、容易に成形可能な材料で作製されているので、内部コアは、限定するわけではないが、図８Ｂに示すように屈曲または方向変化のある形状、および方向が多様に変化する形状を始めとして、想像できるほぼ任意の形状で形成してもよい。つぎに被覆材料８３２を、内部コア８３０の上に塗布する。被覆材料８３２によって、バネ接点８１０には弾性が与えられる。バネ８１０には、多くの変更が可能である。たとえば、様々な目的のために、材料の追加的な層を、バネ接点に追加してもよい。
【００６３】
図８Ｂに、２つの屈曲がある例示的なバネ８１０’を示す。バネ８１０’には、容易に成形可能な材料で作製される内部コア８３０’および弾性材料で作製される被覆材料８３２’が含まれる。バネ接点８１０’は、内部コア８３０’を入力／出力端子８０４’にワイヤボンディングすることによって、作製するのが好ましい。つぎに、被覆材料８３２’を、内部コア８３０’の上に塗布する。このようなバネ接点のさらなる例は、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第５，４７６，２１１号明細書、米国特許第５，９１７，７０７号明細書および米国特許第６，１１０，８２３号明細書で説明されている。これらの特許のそれぞれを、参照により全体として、本明細書に援用している。
【００６４】
図８Ａおよび８Ｂに示すワイヤボンディング技法によるのではなく、リソグラフィによって作製されるバネ接点を、図９Ａ、９Ｂ、１０Ａ〜１０Ｃおよび１１に示す。このようなバネ接点は、集積回路を作製するために使用する技法と類似したリソグラフィ技法を用いて作製される。すなわち、１つまたは複数のマスク層を用いて、バネ接点要素を形成するためのパターンを生成する。図９Ａおよび９Ｂに、バネ接点をリソグラフィで形成する例を示す。図示のように、１つまたは複数のマスク層９３０が、基板９０２の上に形成される。マスク層９３０は、基板９０２の入力／出力端子９０４上に開口を形成し、また、バネ接点の形状を画定する。つぎに、材料９４０を、マスク層９３０によって形成したパターンに堆積させる。図９Ｂに示すように、つぎにマスク層を除去し、入力／出力端子９０４に固定されたバネ接点９１０を残す。バネは、単一の弾性のある材料で作製してもよい。代替として、バネは、多層の材料で作製してもよい。たとえば、マスク層９３０に堆積される最初の材料９４０は、図８Ａおよび８Ｂに示すバネの内部コアを形成するような柔軟な材料で作製してもよい。つぎにこの材料は、たとえば、マスク層を除去した後で、図８Ａおよび８Ｂに関連して上記で説明したような弾性材料で被覆してもよい。
【００６５】
リソグラフィで形成する接点バネの形状および構成は、ほとんど制限がない。図１０Ａ〜１０Ｃおよび１１に、このような形状および構成の非排他的な例を示す。図１０Ａにおいて、複数のマスク層１０３２、１０３４および１０３６が、入力／出力端子１００４におけるバネ接点の形状を画定する。図１０Ｂおよび１０Ｃに示すように、単一または複数のバネ材料１０４０をマスク層上に堆積し、つぎにマスク層を除去することによって、入力／出力端子１００４に固定されたベース部分１０５０、梁部分１０５２および接触部分１０５４を有するバネ１０１０を形成する。
【００６６】
図１１に、リソグラフィで形成される複合バネ接点を示すが、そこには、別個のポスト１１２２、梁１１２４および先端１１２６の部分が作られる。典型的には、ポスト１１２２は、基板１１０２上に第１のマスク層（図示せず）を形成し、入力／出力端子１１０４上に、ポスト１１２２を画定する開口を備えるようにして作る。つぎに開口を満たして、ポスト１１２２を形成する。その後、第１のマスク層上に第２のマスク層（図示せず）を形成し、ポスト１１２２を含む開口を画定して、梁１１２４を画定する。つぎに梁１１２４は、材料で開口を満たすことによって作る。つぎにこのプロセスを、先端１１２６を画定する第３のマスク層（図示せず）に関して繰り返す。
【００６７】
基板にバネを形成するのではなく、バネは、基板とは別々に形成し、ひとたび形成したら、それを基板に取り付けてもよいことに、留意すべきである。リソグラフィによって形成するバネ接点のさらなる説明は、本発明の譲受人に譲渡された、１９９８年２月２６日出願の米国特許出願番号０９／０３２，４７３号明細書（ＰＣＴ出願ＷＯ第９８５２２２４号パンフレット）、１９９８年１２月２日出願の米国特許出願番号０９／２０５，０２３号明細書および米国特許第６，２２５，１２６号明細書で見出してもよい。これら３つの全てを、参照により、その全体において本明細書に援用している。
【００６８】
これらのバネ接点は、対応相互接続要素の例証的な例であって、本発明を限定することを意図したものではない。限定するわけではないが、対応相互接続要素を始めとして、任意の相互接続要素を用いて、本発明によるプローブカード冷却アセンブリにおける冷却パッケージ内の、１つまたは複数のダイを結合してもよい。
【００６９】
８．追加の実施形態
さらに、図１２に示すように、本発明の別の実施形態において、プローブカード冷却アセンブリ１２００には、冷却部材１２２０、および冷却フィン１２１０ａ〜１２１０ｅなどの１つまたは複数の放熱装置１２１０を備えた冷却パッケージが含まれる。冷却パッケージには、キャビティ１２０５を囲むチャンバ１２８１が含まれる。液体またはガス冷却剤がバルブ１２０２を通して加えられ、基板３８２上の１つまたは複数のダイ３６２を浸漬する。動作中に、ダイ３６２は、周囲の冷却剤によって直接冷却される。熱は、１つまたは複数の放熱装置１２１０によって、冷却剤から冷却部材１２２０に移動される。冷却部材１２２０には、さらに熱を除去するために、冷却部材１２２０を通して循環する液体またはガス冷却剤が含まれる。
【００７０】
本発明によるプローブカード冷却アセンブリは、能動プローブヘッドにおいてダイを冷却することに限定されるわけではない。本明細書に説明する冷却アセンブリは、プローブカードアセンブリ内のインターポーザーおよび／またはプリント回路基板に実装することもできる。たとえば、本発明によるプローブカード冷却アセンブリには、また、インターポーザー、プリント回路基板および／またはダイを収容する１つまたは複数の冷却パッケージを含むことができる。つぎに冷却システム３１４および冷却剤循環システム３１２は、インターポーザー、プリント回路基板および／またはダイを直接冷却することができる。
【００７１】
９．１つまたは複数のダイを備えた冷却パッケージ
ダイ３６２および４３０ａ〜４３０ｃのそれぞれを、ＤＵＴ１２５のテスト用テスタにおける機能の一部または全てを実行するための能動素子として上記で説明したが、代替として、各ダイは、テストし、ウエハ１２０などのウエハから単一化したダイとすることも可能であり、また図３Ａの３０２、図３Ｂの３５０、図３Ｄの３８０、図４Ａ〜４Ｃの４００、図５の５００、図６の６００および図１２の１２００のパッケージまたは冷却アセンブリのそれぞれは、プローブカード冷却アセンブリとは異なり、１つまたは複数のこのようなダイをパッケージするための冷却パッケージとしてもよい。このようなケースでは、ダイ３６２および４３０ａ〜４３０ｃのそれぞれは、任意のタイプのダイとしてもよく、それを囲むパッケージは、任意のタイプのシステムボードまたは他の回路要素と相互接続し、電子システムを形成してもよい。たとえば、ダイ３６２および４３０ａ〜４３０ｃメモリ回路としてもよく、パッケージ化したダイは、メモリモジュールを形成してもよい。基板３８２、４１０、４２０、５１０および５２０は冷却パッケージを形成し、プローブ要素３０５は、パッケージをシステムボードまたは他の回路要素へ接続するための相互接続部である。上記で説明した基板３８２、４１０、４２０、５１０および５２０ならびにプローブ要素３０５のいずれも、そのように使用してもよい。このようにして、１つまたは複数のダイを囲むパッケージは、上記で説明した任意の方法で冷却してもよい。
【００７２】
図１３に、１つまたは複数のダイを含む冷却パッケージを作製するための例示的な方法を示す。図１３は、本発明の一実施形態による能動電子部品を直接冷却するための手順１３００のフローチャートである（ステップ１３０２〜１３０６）。ステップ１３０２において、能動表面がパッケージの内部表面と向き合うように、能動電子部品をパッケージに取り付ける。能動電子部品は、直接または間接にパッケージに結合することができる。実施形態によっては、能動電子部品を備えた１つまたは複数のダイが、能動電子部品が基板と向き合うように、相互接続要素を通して基板と結合される。またソケット構成を用い、能動電子部品が基板と向き合うように、１つまたは複数のダイを基板に対して保持することができる。一例において、取り付けステップには、１つまたは複数の対応相互接続部を通して、各ダイを基板に結合することが伴う。
【００７３】
ステップ１３０４において、取り付けられた能動電子部品は、パッケージに密閉される。ステップ１３０６において、冷却剤は、パッケージを通して循環され、能動電子部品の能動表面と直接接触する。
【００７４】
１０．結び
好適な実施形態の前述の説明は、当業者が、本発明を実施または使用できるように提供するものである。本発明を、その好適な実施形態と関連して図示および説明してきたが、当業者におかれては、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本発明において、形態および細部における様々な変更が可能であることを理解されるであろう。
【００７５】
本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を形成する添付の図面は、本発明を例証し、さらに、説明とともに、本発明の原理を説明し、当業者が、本発明を実施し使用できるようにする働きをする。添付の図面は、以下の通りである。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】プローブカードおよびウエハを含む従来のテストシステムにおいて使用されているある一定の構成要素の側面図である。
【図２】図１のテストシステムにおいて使用される従来のプローブカードアセンブリの側面図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態によるプローブカード冷却アセンブリを含むプローブカードアセンブリの側面図である。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態によるプローブカード冷却アセンブリの図である。
【図３Ｃ】図３Ｂに示すプローブカード冷却アセンブリの動作中に、液体冷却剤が、沸騰範囲にわたり、どのようにして一定の温度にほぼ留まるかの原理を示す例示的な図表である。
【図３Ｄ】本発明の一実施形態によるプローブカード冷却アセンブリ図である。
【図４Ａ】本発明の一実施形態による、基板の端部に出力接点を備えた高密度パッケージの図である。
【図４Ｂ】本発明の一実施形態による、積層ダイ配列に実装されたダイを示す図である。
【図４Ｃ】本発明のさらなる特徴により、ダイ表面に設けられた非接触で対応相互接続部を示す図である。
【図５】ハウジングキャビティを通る電気接続部および上部セラミック基板上の出力接点を備えた高密度パッケージの図である。
【図６】本発明の一実施形態による、ソケット構成に取り付けられたダイを示す高密度パッケージの図である。
【図７】本発明の一実施形態により、プローブ要素近くに、能動電子部品を組み込む手順のフローチャートである。
【図８Ａ】本発明のさらなる特徴による、冷却パッケージにおいて使用できるタイプのバネ接点の図である。冷却パッケージで使用できる、ワイヤボンドタイプのバネ接点の例を示す。
【図８Ｂ】本発明のさらなる特徴による、冷却パッケージにおいて使用できるタイプのバネ接点の図である。冷却パッケージで使用できる、ワイヤボンドタイプのバネ接点の例を示す。
【図９Ａ】本発明のさらなる特徴による、冷却パッケージにおいて使用できるタイプのバネ接点の図である。ワイヤボンディング技法によってではなく、リソグラフィによって作製されるバネ接点を示す。
【図９Ｂ】本発明のさらなる特徴による、冷却パッケージにおいて使用できるタイプのバネ接点の図である。ワイヤボンディング技法によってではなく、リソグラフィによって作製されるバネ接点を示す。
【図１０Ａ】本発明のさらなる特徴による、冷却パッケージにおいて使用できるタイプのバネ接点の図である。ワイヤボンディング技法によってではなく、リソグラフィによって作製されるバネ接点を示す。
【図１０Ｂ】本発明のさらなる特徴による、冷却パッケージにおいて使用できるタイプのバネ接点の図である。ワイヤボンディング技法によってではなく、リソグラフィによって作製されるバネ接点を示す。
【図１０Ｃ】本発明のさらなる特徴による、冷却パッケージにおいて使用できるタイプのバネ接点の図である。ワイヤボンディング技法によってではなく、リソグラフィによって作製されるバネ接点を示す。
【図１１】本発明のさらなる特徴による、冷却パッケージにおいて使用できるタイプのバネ接点の図である。ワイヤボンディング技法によってではなく、リソグラフィによって作製されるバネ接点を示す。
【図１２】本発明のさらなる実施形態によるプローブカード冷却アセンブリの図である。
【図１３】本発明の一実施形態による能動電子部品を直接冷却するための手順のフローチャートである。
【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１】
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【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４Ａ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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