CN104049116A

CN104049116A - 探针卡、探针结构及其制造方法

Info

Publication number: CN104049116A
Application number: CN201410084426.XA
Authority: CN
Inventors: 叶书政; 杜明昌; 吴若璋; 欧惠美; 许政庆
Original assignee: WIN Semiconductors Corp
Current assignee: WIN Semiconductors Corp
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-03-10
Publication date: 2014-09-17
Also published as: TW201435348A; TWI574013B; US20140266280A1

Abstract

本发明提出一探针结构，其包含：一金属探针、一软性绝缘管及一金属层。金属探针具有相对设置的一第一端部及一第二端部，而第一端部具有一尖端；软性绝缘管具有一贯穿孔，金属探针部分地插置于贯穿孔中，而金属探针的尖端伸出于贯穿孔之外；金属层涂布于软性绝缘管的一外缘面上，且与金属探针相电隔离，并具有一不大于十微米的厚度。借此，探针结构可同时具有良好的弹性及信号完整性。本发明另提出一探针卡，其包含多个上述的探针结构。本发明又提出一探针结构的制造方法，用以制造上述的探针结构。

Description

探针卡、探针结构及其制造方法

技术领域

本发明有关一种探针卡、探针结构及其制造方法，特别关于一种具有屏蔽功能的探针卡、探针结构及其制造方法。

背景技术

探针卡作为待测电子元件(例如晶圆或晶片等)与测试机器之间的连接媒介，以使得测试机器可通过探针卡将测试信号传递至尺寸微小的电子元件，进而测试电子元件的电性特性。实际在选用探针卡时，会考量探针卡的三个特性来做选用，该三个特性即为：空间转换能力(space transformer)、信号完整性(signal integrity)及实际生产能力(practical production)。

空间转换能力越佳，表示探针卡的金属探针可排列越密集、金属探针之间的间距可越小，使得探针卡可测试排列越密集的金属焊垫的电子元件。信号完整性越佳，表示测试信号在通过探针卡的金属探针时，测试信号较不会被干扰，使得测试结果的可靠性较佳。而实际生产能力越佳，表示探针卡的生产、组装、更换或维修成本较低，使得使用者可用较合宜的价格购买或使用该探针卡。

探针卡可初步区分为水平式(lateral)及垂直式(vertical)探针卡，水平式探针卡可依据制造方法来区分为“Blade”及“Epoxy”等，垂直式探针卡可依据制造方法来区分为“Cobra”、“Pogo”、“Membrane”及“MEMS”等；每种探针卡还可区分为有遮蔽功能/结构(shielded)的探针卡及无遮蔽功能/结构(unshielded)的探针卡。每种的探针卡的特性可表列如下：

对于无遮蔽的探针卡而言，测试信号在通过探针卡的金属探针时，金属探针本身的阻抗、金属探针之间的信号耦合或测试空间中的杂讯会干扰测试信号，使得测试结果的可靠性降低。当待测电子产品(例如积体电路晶片)的运作速度增加、或信号频率增高时，上述的测试信号干扰问题需要更加注意及改善。改善方案即为在探针卡加入一遮蔽结构，而常用者有微带线(microstrip)及同轴电缆(coaxial cable)等；举例而言，美国专利号US4,871,964、US5,525,911、US5,565,788、US6,420,889及US6,727,716提出了同轴电缆形式的遮蔽结构，其在一金属探针的外缘面上依序包覆一绝缘层及一金属层，以使得金属探针成为一同轴探针(coaxial probe)。另外，美国专利号US4,791,363及US5,382,898与欧洲专利号EP0361779A1则提出微带线形式的遮蔽结构。

在应用同轴电缆形式的遮蔽结构时，为了维持金属探针的前端部的弹性，该前端部会大幅地伸出于绝缘层及金属层外、不被绝缘层及金属层包覆，这是因为：金属层的厚度较大，若金属探针的前端部被金属层包覆时，前端部的弹性会大幅降低，进而使得前端部难以变形来吸收或缓冲金属探针的尖端撞击到电子元件的力量。

由于金属探针的前端部无法被绝缘层及金属层包覆，金属探针的前端部之间仍会造成测试信号被干扰。另一方面，当金属探针被绝缘层及金属层包覆后，其厚度会大幅增加，使得金属探针之间的间隔增大，进而降低探针卡的空间转换能力。再者，金属探针被厚的绝缘层及金属层包覆后，其较容易损坏，使得使用者需较频繁替换金属探针，进而造成使用成本增加。再者，同轴电缆形式的遮蔽结构应仅适用于水平式探针，应难以用于垂直式探针。

有鉴于此，提供一种更佳的改善方案，乃为此业界待解决的问题。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种探针卡、探针结构及其制造方法，其能改善测试信号的完整性(integrity)、维持探针结构的弹性、且能适用于垂直式探针结构。

为达上述目的，本发明所揭露的探针结构包含：一金属探针，具有相对设置的一第一端部及一第二端部，而该第一端部具有一尖端；一软性绝缘管，具有一贯穿孔，该金属探针部分地插置于该贯穿孔中，而该金属探针的该尖端伸出于该贯穿孔之外；以及一金属层，涂布于该软性绝缘管的一外缘面上，且与该金属探针相电隔离，该金属层具有一不大于十微米的厚度。

本发明所揭露的探针卡包含：一探针座；以及多个如上所述的探针结构，被该探针座固持，而该些探针结构的该些尖端露出于该探针座之外。

本发明所揭露的探针结构的制造方法，包含：提供一软性绝缘管，该软性绝缘管具有一贯穿孔；涂布一厚度不大于十微米的一金属层于该软性绝缘管的一外缘面上；以及将一金属探针插置于该软性绝缘管的该贯穿孔中，并使得该金属探针的一尖端伸出于该贯穿孔外。

为让上述目的、技术特征及优点能更明显易懂，下文以较佳的实施例配合所附图式进行详细说明。

附图说明

图1为依据本发明的第一较佳实施例的探针结构的一立体图。

图2为依据本发明的第一较佳实施例的探针结构的一剖视图。

图3为依据本发明的第二较佳实施例的探针结构的一剖视图。

图4A为依据本发明的第三较佳实施例的探针卡的一仰视图。

图4B为依据本发明的第三较佳实施例的探针卡的另一仰视图(图4A的局部放大图)。

图5为依据本发明的第三较佳实施例的探针卡的一侧视图。

图6A至图6D分别为依据本发明的第四较佳实施例的探针卡的四侧视图。

图7A及图7B分别为依据本发明的第五较佳实施例的探针卡的二侧视图。

图8A至图8C为依据本发明的第六较佳实施例的探针结构的制造方法的三示意图。

图9A显示本发明的第一较佳实施例的探针结构的弹性的测试结果。

图9B显示本发明的第三较佳实施例的探针卡的信号完整性的测试结果。

图10为待测试的晶体管的一示意图。

其中：

1、2、3探针卡 10、10’探针结构 11金属探针

111第一端部 1111尖端 112第二端部

113弯曲部 12软性绝缘管 121贯穿孔

122外缘面 13金属层 T厚度

20探针座 21基板 211金属焊垫

212穿孔 22固持结构 23上板

231导电块 232金属焊垫 24下板

241贯穿孔 30传输线

40半刚性导电管、编织网导电管 50晶体管

51、52、55、56源极接点

53栅极接点 54漏极接点。

具体实施方式

请参阅图1及图2所示，分别为依据本发明的第一较佳实施例的探针结构的一立体图及一剖视图。于本发明的第一实施例中，一探针结构(probe structure)10被提出，该探针结构10为一水平式探针结构，且可用于一探针卡(例如后述的图4A所示的探针卡1)中。

该探针结构10可包含：一金属探针11、一软性绝缘管(或称软性介电管)12及一金属层13，各部分的技术内容将依序说明如下。

该金属探针11可为一杆状结构，并可由导电性佳及弹性良好的金属来制成，例如铍铜、铼钨或Paliney7(P7合金，其组成材料包含：钯、银、金及铂等)等。该金属探针11具有相对设置的一第一端部111及一第二端部112，而第一端部111还具有一尖端1111，该尖端1111可用以接触待测电子元件的金属焊垫211(例如后述的图4B所示)。金属探针11的第二端部112则可与一传输线30(例如后述的图6A所示)连接，从而与探针卡的基板等元件(图未示)电连接，或不通过传输线用其他方式(例如后述的图5所示)做电连接。

该软性绝缘管12由绝缘性佳(或是介电常数低)的材料所制造，该制造材料还可使软性绝缘管12易于挠曲，也就是说，该制造材料可使软性绝缘管12具有良好的挠性；该制造材料举例而言，可为聚亚胺(polyimide)或聚四氟乙烯(PTFE)。

该软性绝缘管12在结构上具有一贯穿孔121，该贯穿孔121的直径可大于或等于该金属探针11的外径，使得该金属探针11可部分地插置于贯穿孔121中；或可说，金属探针11被软性绝缘管12部分地包覆。金属探针11的尖端1111伸出于贯穿孔121之外，不被软性绝缘管12包覆；除了尖端1111外，第一端部111的其他部分也可依据应用情况，选择是否伸出贯穿孔121外(例如图6A所示)。于本实施例中，第一端部111仅有其尖端1111伸出贯穿孔121外。

该金属层13是由导电性佳的金属(例如镍、金或钯等)制造，且金属层13可借助电解电镀、化镀、蒸镀、溅镀等方式涂布于软性绝缘管12的一外缘面122，并与金属探针11相互电隔离；也就是说，金属层13难以与金属探针11相互电导通。金属层13具有一不大于十微米(micrometer)(约等同0.39密耳(mils))的厚度T，也就是说，金属层13的厚度T的最大值为十微米。

借助金属层13及软性绝缘管12包覆金属探针11，可使得测试信号在金属探针11传输时，较不会受到干扰或失真。另一方面，由于金属层13的厚度T最多为十微米、且软性绝缘管12易于弯曲，金属层13及软性绝缘管12难以影响或减少金属探针11的弹性。如此，纵使金属探针11的第一端部111仅有尖端1111未被金属层13及软性绝缘管12包覆，金属探针11的整体弹性依然不受影响，仍可缓冲尖端1111撞击到待测电子元件的冲击，或是减少尖端1111在待测电子元件上的接触力量。此探针结构10在接触金属焊垫时会吸收释放力量不至于造成型变及毁损，但是当探针结构10接触金属焊垫超过某种程度的一定力量时，仍会发生各种可复原或不可复原的形变或毁损。

请参阅图9A所示，将四种探针结构进行弹性测试，第一种为现有的具有较厚金属层的探针结构(图中标号为A)，第二种为本实施例的探针结构10(图中标号为B)、第三种及第四种为不具有遮蔽功能的金属探针(图中标号为C及D)；各探针结构的参数如下表所载。

于测试中，各种探针结构被放置于一探针分析仪中(本实施例是使用型号“Applied Precision point vx3”的探针分析仪)，探针结构的尖端接着碰触探针分析仪的一压力感测装置，然后尖端渐渐挤压压力感测装置。从压力感测装置所量测到的数值可知，现有的探针结构(编号A)的弹性不佳，无法减少尖端在压力感测装置上的平衡接触力(balance contact force,BCF)，而本实施例的探针结构10及编号C与D的金属探针皆具有良好的弹性，可有效减少尖端在压力感测装置上的平衡接触力。由此可知，本实施例的探针结构10的金属探针11纵使被包覆了金属层13及软性绝缘管12，金属探针11的弹性与未被包覆任何材料的金属探针的弹性无明显差异。

请参阅图3所示，为依据本发明的第二较佳实施例的探针结构的一剖视图。于本发明的第二实施例中，另一探针结构10’被提出，该探针结构10’为一垂直式探针结构，而其与第一实施例中的探针结构10的主要差异在于：探针结构10’的金属探针11除了具有第一端部111及第二端部112外，尚具有一弯曲部113，而该弯曲部113设置于第一端部111及第二端部112之间；弯曲部113还可全部或局部设置于软性绝缘管12 的贯穿孔121中。该探针结构10’也可称为“Cobra”形式的探针结构。

由于金属层13的厚度T最多为十微米、且软性绝缘管12易于弯曲，弯曲部113的弹性仍可维持；如此，弯曲部113在金属探针11垂直撞击到待测电子元件时，仍可变形(即压缩)，以缓冲金属探针11撞击到待测电子元件的力量。另一方面，由于探针结构10’的金属探针11也是被软性绝缘管12及金属层13包覆，测试信号在金属探针11中传输时，较不会受到干扰或失真。

请参阅图4A、图4B及图5所示，分别为依据本发明的第三较佳实施例的探针卡的二仰视图及一侧视图。于第三实施例中，一探针卡1被提出，该探针卡1可包含多个第一实施例中的探针结构10以及一探针座20。该些探针结构10被探针座20固持(holded)，而该些探针结构10的该些尖端1111则露出于探针座20外。

更详细地说，该探针座20可具有一基板21及一固持结构22；该基板21可为一电路板或可传递电信号的板体，且基板21具有多个金属焊垫(pads)211，该些金属焊垫211可设置于基板21的顶面及底面上；固持结构(或为固持环，ring)22则设置于基板21上，而其外型可为一环状；固持结构22可为一陶瓷、金属、固化后的环氧树脂(epoxy)或上述材料的组合，且固持结构22可固持该些探针结构10，使得该些探针结构10维持倾斜(即非垂直)。

被固持后的该些探针结构10的金属探针11的第二端112可分别电连接于基板21的金属焊垫211，以使得测试信号可经由基板21传递至金属探针11。第二端112与金属焊垫211的电连接可通过两者的直接焊接(如图5所示)来达成，然后金属焊垫211再通过基板21的导电穿孔(via hole)212与一传输线(例如同轴缆线或微带线)30来电连接。

另一方面，该些探针结构10的软性绝缘管12及金属层13可部分地被固持结构22包覆；换言之，软性绝缘管12及金属层13包覆于固持结构22中。

请参阅图9B所示的探针卡的信号完整性测试，于测试中，该探针卡1首先量测两晶体管的漏极电流(drain current)Id在-2V至-0.4V栅极电压(gate voltage)Vg之间的变化，而此时漏极电压(drain voltage)Vd为3.5V，源极(source)为接地；探针卡1的其中六根探针结构10(如图4B所示位于右方的六根探针结构)会接触到其中一个晶体管的六个接点，以同时量测该晶体管(如图10所示，晶体管50的六个接点51至56中，接点51、52、55及56各为一源极接点，接点53为一栅极接点，而接点54为一漏极接点)；而另外六根探针结构10(如图4B所示位于左方的六根探针结构)会接触到另外一个晶体管的六个接点，以同时量测该晶体管。然后，探针卡1再以同样电性条件来量测单一个晶体管，此时，探针卡1可只有六根探针结构10。

测试结果显示，探针卡1同时量测两晶体管所得到的漏极电流Id(如图9B中带有圆点的实线所示)，与只量测单一个晶体管所得到的漏极电流Id(如图9B中带有方块的实线所示)，两者非常接近；另一方面，现有的探针卡(即未有遮蔽功能的探针卡)同时量测两晶体管所得到的漏极电流Id(如图9B中虚线所示)，与只量测单一个晶体管所得到的漏极电流Id(如图9B中带有方块的实线所示)，两者有明显的差异。

由上述测试结果可知，因为金属层13及软性绝缘管12的关系，探针卡1的各探针结构10之间不易产生信号耦合，故测试信号的完整性较佳；换言之，探针卡1所测量到的电子产品的电性特性较为准确。因此，探针卡1同时量测两个或多个待测物时，也可得到准确的测试结果。

另说明的是，探针卡1也具有良好的空间转换能力，这是因为：探针结构10的金属层13的厚度仅最多十微米，故每根探针结构10的整体直径仍小，使得该些探针结构10可密集地排列。探针卡1的实际生产能力也为良好，这是因为：探针结构10的软性绝缘管12及金属层13的制造方式容易，且软性绝缘管12与金属探针11的组装方式也容易、不需借助特殊的机器来为之。再者，软性绝缘管12的内径(inner diameter,d)及外径(outer diameter,D)皆可调整，以使软性绝缘管12具有不同的特征阻抗Z0；该内径、外径及特征阻抗的关系式可为下者(其中，ε_τ为软性绝缘管12的介电常数)：

Z_{0} = \frac{1}{2 π} \sqrt{\frac{μ}{ϵ}} \ln \frac{D}{d} \approx \frac{138 Ω}{\sqrt{ϵ_{τ}}} \log_{10} \frac{D}{d}

请参阅图6A所示，为依据本发明的第四较佳实施例的探针卡的一侧视图。于第四实施例中，另一探针卡2被提出，该探针卡2与探针卡1相似，而两者的差异在于：探针卡2的探针结构10的软性绝缘管12及金属层13未被固持结构22包覆，而是位于固持结构22之外；取而代之的是，探针卡2的探针结构10的金属探针11的第一端部111被该固持结构22部分地包覆。另一方面，金属探针11的第二端112则通过另一传输线30来与金属焊垫211达成电连接。

在此种配置下，探针卡2的金属探针11可先与固持结构22相固定后，软性绝缘管12再套于伸出固持结构22外的金属探针11的第二端部112上。

请参阅图6B至图6D所示，分别为依据本发明的第四较佳实施例的探针卡的三个侧视图。除了图6A所示，探针卡2还可有其它变化，举例而言：如图6B所示，探针卡2的探针结构10的金属探针11的第一端部111伸出于软性绝缘管12外，且伸出距离较图5所示的伸出距离长。如图6C所示，探针卡2的探针结构10的软性绝缘管12及金属层13被固持结构22包覆，但软性绝缘管12及金属层13并未进一步向下穿出固持结构22；换言之，此时固持结构22同时接触软性绝缘管12、金属层13 及金属探针11的第一端部111。如图6D所示，在探针卡2的探针结构10的金属层13外，还进一步被包覆一半刚性导电管(semi-rigid condcutive tube)或一编织网导电管(mesh conductive tube)40，以使得探针结构10之间更不易产生信号耦合或增加探针结构10的信号损失。

由上述可知，金属探针11、软性绝缘管12、金属层13与固持结构22之间的固定方式有多种变化；此外，软性绝缘管12包覆金属探针11的长度也可有多种变化；如此，使用者可依据待测物的不同，来弹性选用所需的固定方式或包覆长度，使得探针卡具有相应该待测物的空间转换能力。

请参阅图7A及图7B所示，为依据本发明的第五较佳实施例的探针卡的二个侧视图。于第五实施例中，又一探针卡3被提出，该探针卡3为一垂直式探针卡，且包含多个第二实施例中的探针结构10’以及另一种探针座20。

详言之，该探针座20可具有相分隔的一上板23及一下板24，上板23及下板24皆可由一陶瓷层及一金属层来构成，而上板23更具有多个导电块(例如金属焊垫)231、下板24更具有多个贯穿孔241；该些探针结构10’则是设置于上板23及下板24之间，该些探针结构10’的尖端1111从下板24的贯穿孔241伸出于下板24，而探针结构10’的第二端部112可接触导电块231，以与导电块231达成电连接。

如图7A所示，导电块231可与一传输线(例如同轴缆线)30连接；如此，测试信号可经由传输线30及导电块231传递给金属探针11。如图7B所示，该传输线30还可连接至上板23的一金属焊垫232上，然后该金属焊垫231再与另一传输线(例如微带线)30连接；如此，测试信号可经由传输线30、金属焊垫232及导电块231传递给金属探针11。

探针卡3在功效上可如探针卡1或2般，具有较佳的测试信号完整性、空间转换能力及实际生产能力。探针卡1至3的特性与现有的探针卡的特性，表列如下。从下表可知，与现有者相比，探针卡1至3可有效地改善测试信号的电性，探针卡1至3的生产成本仅增加少许，且探针卡1至3的空间转换能力仅降低少许。

请参阅图8A至图8C所示，各为依据本发明的第六较佳实施例的探针结构的制造方法的一示意图。于本发明的第六实施例中，一探针结构的制造方法被提出，其可使前述第一实施例或第二实施例的探针结构被制造出，而以下的说明将以第一实施例的探针结构为例示。

如图8A所示，于第一步骤中，一软性绝缘管12首先被提供，而该软性绝缘管12具有一贯穿孔121。如图8B所示，于第二步骤中，接着借助电解电镀、化镀、蒸镀、溅镀等方式涂布一厚度T不大于十微米的一金属层13于该软性绝缘管12的一外缘面122上。如图8C所示，于第三步骤中，最后将一金属探针11插置于软性绝缘管12的贯穿孔121中，并使得金属探针11的一尖端1111伸出于该贯穿孔121外。借此，具有良好弹性及信号完整性的探针结构10(10’)可被制造出，且制造方式容易及制造成本合宜。

需说明的是，也可在第一步骤后，先执行第三步骤，再执行第二步骤；也就是，先将金属探针11插置于软性绝缘管12的贯穿孔121中，然后再涂布金属层13于软性绝缘管12的外缘面122上。

Claims

1.一种探针结构，其特征在于，包含：

金属探针，具有相对设置的第一端部及第二端部，而该第一端部具有尖端；

软性绝缘管，具有贯穿孔，该金属探针部分地插置于该贯穿孔中，而该金属探针的该尖端伸出于该贯穿孔之外；以及

金属层，涂布于该软性绝缘管的外缘面上，且与该金属探针相互电隔离，该金属层的厚度不大于十微米。

2.如权利要求1所述的探针结构，其特征在于，该软性绝缘管的制造材料为聚亚胺或聚四氟乙烯。

3.如权利要求1所述的探针结构，其特征在于，该金属层的制造材料为钯、镍或金。

4.如权利要求1所述的探针结构，其特征在于，该金属探针的该第一端部仅有该尖端伸出于该贯穿孔外。

5.如权利要求1所述的探针结构，其特征在于，该金属探针更具有弯曲部，该弯曲部设置于该第一端部及该第二端部之间，且设置于该软性绝缘管的该贯穿孔中。

6.如权利要求1所述的探针结构，其特征在于，还包括半刚性导电管或编织网导电管，而该半刚性导电管或该编织网导电管包覆该金属层。

7.一种探针卡，其特征在于，包含：

探针座；以及

多个如权利要求1至6中任意一项所述的探针结构，被该探针座固持，而该些探针结构的该些该尖端露出于该探针座之外。

8.如权利要求7所述的探针卡，其特征在于，该探针座具有基板及固持结构，该基板具有多个金属焊垫，该固持结构设置于该基板上、且固持该些探针结构，而该些探针结构的该些第二端部分别电连接该些金属焊垫。

9.如权利要求8所述的探针卡，其特征在于，该些探针结构的该些软性绝缘管及该些金属层被该固持结构部分地包覆。

10.如权利要求8所述的探针卡，其特征在于，该些金属探针的该些第一端部被该固持结构部分地包覆，而该些软性绝缘管及该些金属层位于该固持结构之外。

11.如权利要求8所述的探针卡，其特征在于，该些金属探针的该些第一端部、该些软性绝缘管及该些金属层皆被该固持结构部分地包覆。

12.如权利要求8所述的探针卡，其特征在于，该固持结构为陶瓷、金属、固化后的环氧树脂或上述材料的任意组合。

13.如权利要求7所述的探针卡，其特征在于，该探针座具有相分隔的上板及下板，该下板具有贯穿孔，该些探针结构设置于该上板及该下板之间，且该些探针结构的该些尖端从该下板的该贯穿孔伸出于该下板。

14.一种探针结构的制造方法，其特征在于，包含：

提供软性绝缘管，该软性绝缘管具有贯穿孔；

涂布厚度不大于十微米的金属层于该软性绝缘管的外缘面上；以及

将金属探针插置于该软性绝缘管的该贯穿孔中，并使得该金属探针的尖端伸出于该贯穿孔外。

15.如权利要求14所述的探针结构的制造方法，其特征在于，借助电解电镀、化镀、蒸镀或溅镀，将该金属层涂布于该软性绝缘管的该外缘面上。