TW201809681A

TW201809681A - 垂直式探針及其製造方法以及使用該垂直式探針之探針頭及探針卡

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Publication number: TW201809681A
Application number: TW105128782A
Authority: TW
Inventors: 許育禎; 魏紹倫; 范宏光
Original assignee: 旺矽科技股份有限公司
Priority date: 2016-09-06
Filing date: 2016-09-06
Publication date: 2018-03-16
Also published as: CN107796966A; TWI603090B; CN107796966B

Abstract

一種垂直式探針，具有一針尾、一針身及一用以點觸待測物之針頭，且包含有相互固定之一結構件、一絕緣層及一導電件，絕緣層將導電件完全與結構件分隔開而使導電件與結構件相互絕緣；結構件包含有針尾及至少部分之針身，導電件包含有至少部分之針頭；或者，結構件對應針尾、針身及針頭之形狀，絕緣層包覆至少部分之結構件且至少位於針頭，導電件為一包覆至少部分之絕緣層之導電層且位於針頭，用以接觸待測物；藉此，該垂直式探針可符合高頻測試需求且容易安裝。本發明更提供該垂直式探針之製造方法，以及使用該垂直式探針之探針頭及探針卡。

Description

垂直式探針及其製造方法以及使用該垂直式探針之探針頭及探針卡

本發明係與垂直式探針（vertical probe）有關，特別是關於一種具有絕緣層之垂直式探針及其製造方法，以及使用該垂直式探針之探針頭（probe head）及探針卡（probe card）。

請參閱第1圖，習用之使用垂直式探針之探針卡10通常包含有一電路板11、一探針頭12，以及一設於該電路板11與該探針頭12之間的空間轉換器13。該探針頭12包含有一上導板14、一下導板15，以及複數垂直式探針16。各該垂直式探針16包含有一穿設於該上導板14之針尾161、一呈挫曲狀之針身163，以及一穿設於該下導板15之針頭165。該針尾161係透過該空間轉換器13而與該電路板11電性連接，該針頭165係用以點觸一待測物（圖中未示），使得待測物能透過探針16、空間轉換器13及電路板11而與一電性連接該電路板11之測試機（圖中未示）互相傳輸訊號，藉以達到檢測待測物之目的。此外，該針身163因呈挫曲狀而可彈性變形，使得探針16係與待測物彈性地接觸，亦即針頭165點觸待測物時可彈性地向上移動，藉此，該探針16及待測物可避免因受到彼此之間的作用力而損壞。

雖然使用垂直式探針之探針卡有可更換單針、容易維修之優點，但卻因探針較長造成訊號傳輸路徑較長、干擾大或匹配不易而不利於頻率提升，因此難以應用於高頻測試。此外，前述之探針卡10通常在該空間轉換器13內部的佈線空間有限，在受到待測物尺寸規格限縮之下，兩探針16之間的間距(Pitch)要符合微小尺寸(Fine Pitch)以對應待測物上的接點距離，空間轉換器13內部的佈線空間不足會使得將匹配電路設置於空間轉換器13之難度隨待測物尺寸限縮而增加。

有鑑於上述缺失，本發明之主要目的在於提供一種垂直式探針及其製造方法，其中該垂直式探針可符合高頻測試需求且容易安裝。

為達成上述目的，本發明所提供之垂直式探針具有一用以穿設於一上導板之針尾、一用以穿設於一下導板且用以點觸一待測物之針頭，以及一位於該針尾與該針頭之間之針身；該垂直式探針之特徵在於包含有相互固定之一結構件、一絕緣層及一導電件，該結構件包含有該針尾及至少部分之該針身，該導電件包含有至少部分之該針頭，該絕緣層將該導電件完全與該結構件分隔開而使該導電件與該結構件相互絕緣。

該垂直式探針的製造方法包含有下列步驟：

提供一基板以及一設於該基板上之犧牲層，並利用微影及電鍍製程在該犧牲層上形成一光阻層，以及間隔分離地鑲嵌於該光阻層之該結構件及該導電件；

移除該光阻層，使得該結構件與該導電件之間有一間隙；

將一絕緣材料填入該間隙而形成出該絕緣層，藉以產生固定於該犧牲層及該基板之該垂直式探針；以及

移除該犧牲層，使得該垂直式探針與該基板分離。

為達成上述目的，本發明更提供另一種垂直式探針，具有一用以穿設於一上導板之針尾、一用以穿設於一下導板且用以點觸一待測物之針頭，以及一位於該針尾與該針頭之間之針身；該垂直式探針之特徵在於包含有相互固定之一結構件、一絕緣層及一導電件，該結構件具有形狀實質上對應該針尾、該針身及該針頭之形狀的一針尾段、一針身段以及一針頭段，該絕緣層至少包覆該結構件之針頭段，該導電件為一包覆至少部分之該絕緣層且用以接觸該待測物之導電層，該絕緣層將該導電件完全與該結構件分隔開而使該導電件與該結構件相互絕緣。

該垂直式探針的製造方法包含有下列步驟：

提供一結構件，該結構件具有一針尾段、一針頭段以及一連接該針尾段與該針頭段之針身段；

形成出一至少包覆該結構件之針頭段的絕緣層；以及

在該絕緣層上形成金屬鍍膜，而形成出一包覆至少部分之該絕緣層並用以接觸待測物之導電件，且該絕緣層將該導電件完全與該結構件分隔開而使該導電件與該結構件相互絕緣。

藉此，前述之垂直式探針僅以該導電件傳輸訊號，因此其訊號傳輸路徑較短，可符合高頻測試之需求，而且，前述之垂直式探針的結構件、絕緣層及導電件係相互固定，因此該垂直式探針容易安裝。

本發明之另一目的在於提供使用前述之垂直式探針之探針頭及探針卡，可符合高頻測試之需求、易於安裝探針，且易於設置匹配電路。

為達成上述目的，本發明所提供之探針頭包含有一上導板、一下導板單元，以及複數如前述之垂直式探針。該下導板單元包含有至少一下導板、固定地鋪設於該至少一下導板之至少一用以傳輸一測試訊號之訊號導體及至少一用以電性連接一接地電位之接地導體，以及設於該至少一下導板之至少一訊號穿孔及至少一接地穿孔，該訊號穿孔具有一與該訊號導體連接之導電內壁，該接地穿孔具有一與該接地導體連接之導電內壁。該等垂直式探針之針尾係穿設於該上導板，該等垂直式探針之針頭係穿設於該至少一下導板，該等垂直式探針中包含有至少一訊號針及至少一接地針，該訊號針之針頭係穿設於該訊號穿孔並透過該訊號穿孔之導電內壁而與該訊號導體電性連接，該接地針之針頭係穿設於該接地穿孔並透過該接地穿孔之導電內壁而與該接地導體電性連接。

為達成上述目的，本發明所提供之探針卡包含有一如前述之探針頭、一電路板，以及一導電連接件，該電路板係與該探針頭之上導板及下導板相互固定，並提供該訊號導體所傳輸之測試訊號以及該接地導體所電性連接之接地電位，該導電連接件之二端分別電性連接該訊號導體及該電路板，藉以在該電路板與該訊號導體之間傳輸測試訊號。

藉此，各該垂直式探針之導電件可藉由該下導板單元及該導電連接件而與該電路板電性連接，進而使待測物與一電性連接該電路板之測試機相互傳輸訊號，如此可使訊號傳輸路徑較短，以符合高頻測試之需求，且各該垂直式探針有如前述之易於安裝之優點，此外，該下導板可供設置匹配電路，當使用軟性電路板作為該導電連接件時，該導電連接件亦可供設置匹配電路，因此本發明之探針頭及探針卡係較習用者易於設置匹配電路。

有關本發明所提供之垂直式探針及其製造方法以及使用該垂直式探針之探針頭及探針卡的詳細構造、特點、組裝或使用方式，將於後續的實施方式詳細說明中予以描述。然而，在本發明領域中具有通常知識者應能瞭解，該等詳細說明以及實施本發明所列舉的特定實施例，僅係用於說明本發明，並非用以限制本發明之專利申請範圍。

申請人首先在此說明，在以下將要介紹之實施例以及圖式中，相同之參考號碼，表示相同或類似之元件或其結構特徵。

請參閱第2圖及第3圖，本發明一第一較佳實施例所提供之探針頭20包含有一上導板30、一下導板單元40，以及四垂直式探針50、50’，其中二該垂直式探針50分別為一訊號針，其餘二該垂直式探針50’分別為一接地針，該等垂直式探針50、50’結構完全相同，惟各該訊號針50係用以傳輸測試訊號，而各該接地針50’係用以傳輸接地電位。

該上導板30係不導電，且具有四穿孔31。該下導板單元40包含有一下導板41、設於該下導板41之二訊號穿孔42及二接地穿孔43，以及固定地鋪設於該下導板41上表面（亦可舖設於下表面）之二訊號導體44及一接地導體45。詳而言之，該下導板41原本為一類同於該上導板30之不導電且具有穿孔的板體，之後其穿孔之孔壁鍍上金屬層而形成出該等訊號穿孔42及接地穿孔43，因此各該訊號穿孔42及接地穿孔43具有一導電內壁421、431。此外，該下導板41之上表面（或者下表面）可先完全鍍上一金屬層，再將該金屬層之特定部位去除（例如藉由蝕刻），以產生具有特定形狀之二空隙46，使得各該空隙46內側之金屬層成為一該訊號導體44，而該二空隙46外側之其餘金屬層皆屬於該接地導體45。

在本實施例中，各該訊號導體44具有一圓環部441、一自該圓環部441延伸而出之延伸部443，以及一連接該延伸部443之外接部445，該二訊號導體44之圓環部441分別覆蓋且連接該二訊號穿孔42之導電內壁421，因此，該二訊號穿孔42之導電內壁421能分別藉由連接於該二外接部445之外接線路而與其他裝置電性連接（此部分將詳述於下文）。各該訊號導體44之形狀並無限制，只要能提供如前述之使訊號穿孔42與外接線路電性連接之功能即可。該接地導體45覆蓋並連接該二接地穿孔43之導電內壁431，因此，該二接地穿孔43之導電內壁431能藉由該接地導體45而相互電性連接，並能藉由連接於該接地導體45之外接線路而電性連接一接地電位（此部分亦將詳述於下文）。

請參閱第4圖，各該垂直式探針50、50’之外輪廓形狀係與習知一種藉由微機電製程製造之挫曲式探針（buckling probe）之外輪廓形狀相仿，具有依序連接之一針尾51、一針身52、一擋止部53及一針頭54，該針身52係呈挫曲狀而可在該探針50、50’受力時彈性變形，該針頭54能以其下端點觸一待測物（圖中未示），且該針頭54點觸該待測物時能沿一縱軸L1小幅度地移動。本發明之垂直式探針係以該垂直式探針之長度為該針頭之長度的3~6倍為較佳之設計，本發明所定義之長度係指平行於該縱軸L1之長度，舉例而言，第4圖所示之長度Lt為各該垂直式探針50、50’之長度(即該針尾51未連接該針身52的一端水平延伸段到該針頭54未連接該擋止部53或該針身52的一端水平延伸段的垂直距離)，而長度Lh則為該針頭54之長度。此外，該針身52呈挫曲狀會使針尾51與針頭54不在同一垂直延伸軸線上，即針尾51不會在針頭54沿該縱軸L1的延伸路徑上。該針身52係彎曲而不捲曲而有良好的回彈力，也使複數個探針一起擺放時能兼顧微小尺寸化的進行。針尾51與針頭54實質上可為直線型構造，且可以不在同一垂直延伸軸線上但實質上相互平行。

習知此種探針係由單一材料一體製成，而本發明之垂直式探針50、50’則包含有可選擇地採用不同材質之一結構件55、一絕緣層56及一導電件57。在此實施例中，該結構件55包含有該針尾51及大部分之該針身52，該導電件57包含有該針頭54、該擋止部53及少部分之該針身52。詳而言之，該垂直式探針50、50’之製造方法包含有下列步驟：

a) 請參閱第5圖，提供一基板61（材質例如為不銹鋼）以及一設於該基板61上之犧牲層62（材質例如為銅）（請參閱第6圖），並利用微影（photolithography）及電鍍（electroplating）製程在該犧牲層62上形成一光阻層63，以及鑲嵌於該光阻層63之該結構件55及該導電件57。

詳而言之，藉由微影製程，該光阻層63形成出形狀分別對應該結構件55及該導電件57形狀之二穿槽，在該二穿槽內進行電鍍即可產生該結構件55及該導電件57。該結構件55可採用高硬度材料，例如鈀（Pd）、鎳（Ni）、銠（Rh）或其合金，該導電件57可採用如前述之高硬度材料，或者採用高導電材料，例如金（Au）、銀（Ag）、銅（Cu）或其合金。換言之，該結構件55與該導電件57可為相同材質，亦可為不同材質，若該結構件55與該導電件57為不同材質，則此步驟a)要分成兩個分別形成出該結構件55及該導電件57之步驟（先後順序不限）。在此步驟a)完成後，可（但不一定要）進行研磨而將該結構件55及該導電件57平整化，再進行以下步。

b) 移除該光阻層63（例如藉由蝕刻），使得該結構件55與該導電件57之間有一間隙64，如第6圖所示。

在第5圖中，該犧牲層62係受該光阻層63遮蓋而未被顯示出，此步驟b)移除該光阻層63之後，在該基板61上留下該犧牲層62，以及固定於該犧牲層62上的該結構件55及該導電件57，原本該光阻層63有一小部分位於該結構件55與該導電件57之間，該部分去除後則產生該間隙64。

c) 請參閱第7圖，將一絕緣材料65填入該間隙64而形成出該絕緣層56，藉以產生固定於該犧牲層62及該基板61之該垂直式探針50、50’。

該絕緣材料65（亦即該絕緣層56之材料）可採用具有彈性之高分子材料，例如(但不限於)聚醯亞胺（Polyimide，簡稱PI），或者亦可採用無彈性之陶瓷材料，例如氧化鋁（Al₂ O₃ ）、氧化鉿（HfO₂ ）等等。如第7圖所示，該絕緣材料65可覆蓋該犧牲層62，待該絕緣材料65固化後，再將該絕緣材料65位於該間隙64以外的部分藉由蝕刻方式(例如反應式離子蝕刻)去除。在此步驟c)完成後，可（但不一定要）進行研磨而將該絕緣層56平整化，再進行以下步。

d) 移除該犧牲層62（例如藉由蝕刻），使得該垂直式探針50、50’與該基板61分離，如第8圖所示。

如此一來，該結構件55、該絕緣層56及該導電件57係相互固定，而且，該絕緣層56將該導電件57完全與該結構件55分隔開而使該導電件57與該結構件55相互絕緣。換言之，當該垂直式探針50、50’之針頭54點觸待測物時，只有該導電件57與待測物電性連接，該絕緣層56及該結構件55則未與待測物電性連接。

如第2圖及第3圖所示，該等垂直式探針50、50’之針尾51係分別穿設於該上導板30之穿孔31，該二訊號針50之針頭54係分別穿設於該二訊號穿孔42並與其導電內壁421接觸，藉以透過該二訊號穿孔42之導電內壁421而分別與該二訊號導體44電性連接，該二接地針50’之針頭54係分別穿設於該二接地穿孔43並與其導電內壁431接觸，藉以透過該二接地穿孔43之導電內壁431而與該接地導體45電性連接。在各該垂直式探針50、50’未點觸待測物時，該擋止部53係抵接於該下導板單元40之訊號導體44或接地導體45（若訊號導體44及接地導體45設於下導板41下表面，則擋止部53抵接於下導板41上表面），以避免垂直式探針50、50’脫離下導板41。

在本實施例中，由於各該探針50、50’係由微機電製程製造，其針頭54係概呈矩形柱狀，而各該訊號穿孔42及接地穿孔43係呈圓孔狀。然而，請參閱本發明之申請人先前所申請之我國專利編號I528037，各該針頭54亦可藉由微機電製程搭配電解製程而形成出圓弧形倒角或者成為圓柱狀，各該訊號穿孔42及接地穿孔43亦不限為圓孔狀，例如可為方孔或矩形孔。此外，請參閱本發明之申請人先前所申請之我國專利編號I453420，各該訊號穿孔42及接地穿孔43之導電內壁421、431可包含有一打底層以及一包含有潤滑顆粒之複合金屬層，藉以降低探針與導電內壁之間的摩擦力。

請參閱第9圖，前述之探針頭20係用以應用於一探針卡70，該探針卡70除了包含有該探針頭20，更包含有一電路板71、一設置於該電路板71與該探針頭20之間的空間轉換器72，以及連接該電路板71與該下導板單元40之二導電連接件73。該電路板71與該空間轉換器72可藉由錫球回焊或者藉由以彈性導電件作為中間***物(interposer)進行電性連接。此外，第9圖中的探針頭20除了具有該四垂直式探針50、50’，更具有二習用之垂直式探針（在本發明中稱為垂直式針體74），亦即，各該垂直式針體74之針尾741、針身743及針頭745係能相互導電。

在第9圖中，各元件僅以簡單之圖形示意，以便說明。為了簡化圖式，第9圖中未詳細繪製各該垂直式探針50、50’之結構，而僅以與垂直式針體74相同的圖形表示，且第9圖中未詳細繪製該下導板單元40之結構，而僅以與上導板30相同的圖形表示。此外，第9圖中該探針頭20之比例並未與第2圖對應，第9圖中各元件亦未依照實際比例繪製，藉以簡化圖式。

值得一提的是，該探針頭20之上導板30及下導板41實際上會藉由一連接結構（圖中未示）而相互連接固定，並藉以與該電路板71相互固定，然而，該連接結構與本發明之技術特徵並無關聯，因此該連接結構未顯示在圖式中且在此亦不詳加敘述。此外，該空間轉換器72係用以使該二垂直式針體74與該電路板71電性連接，然而，本發明之探針頭20及探針卡70不限於設有該垂直式針體74，亦即，本發明之探針頭20及探針卡70中的探針可全部採用本發明所提供之垂直式探針，亦可部分為本發明所提供之垂直式探針且部分為習用之探針；在未設有垂直式針體74的情況下，或者在各該垂直式針體74可直接電性連接該電路板71的情況下，則可不設置該空間轉換器72。

該電路板71係用以接收一測試機（圖中未示）所提供之測試訊號及接地電位，並將該等測試訊號及接地電位提供給該下導板單元40，進而傳送至該等垂直式探針50、50’。詳而言之，各該導電連接件73可為一同軸線，其一端可藉由一插座75而與該電路板71電性連接（亦可無插座75而直接連接電路板71），以藉由同軸線之線芯以及絕緣地包覆該線芯周緣之外圍導體分別傳輸測試訊號及接地電位，各該導電連接件73之另一端可藉由另一插座76而連接該下導板單元40（亦可無插座76而直接連接下導板單元40），使得同軸線（導電連接件73）之線芯及外圍導體分別與訊號導體44及接地導體45電性連接，藉以在電路板71與訊號導體44之間傳輸測試訊號，並在該電路板71與該接地導體45之間傳輸接地電位，進而將測試訊號及接地電位分別傳送至訊號針50及接地針50’。此外，該測試機所提供之測試訊號及接地電位可以不用經過該電路板71的內部佈線電路，該插座75可以設置在電路板71的上表面，進一步來說，插座75可以設置在該電路板71用以接收該測試機提供之測試訊號及接地電位的接點上，但是插座75與這些接點電性絕緣，測試機所提供之測試訊號及接地電位直接經由插座75、各該導電連接件73、訊號導體44及接地導體45傳送至垂直式探針50、50’。

該二導電連接件73在為同軸線之情況下，同軸線之線芯係分別間接地電性連接至該二訊號針50，而同軸線之外圍導體則間接地電性連接至該二接地針50’。亦即該二同軸線（導電連接件73）之線芯分別透過該二插座76而分別與該二訊號導體44電性連接，進而分別與該二訊號針50之導電件57電性連接，而該二同軸線（導電連接件73）之外圍導體分別透過該二插座76而分別與該接地導體54電性連接，進而分別與該二接地針50’之導電件57電性連接。如此一來，不但各該訊號針50之導電件57因伴隨有接地針50’之導電件57而產生阻抗匹配效果，且各該訊號導體44因外圍設有接地導體45而產生阻抗匹配效果，各該同軸線本身亦可產生阻抗匹配效果，使得整個訊號傳輸路徑幾乎都有阻抗匹配而更加適用於高頻測試。

然而，各該導電連接件73不限為同軸線，且不一定每一訊號針50都要對應一該導電連接件73。例如，該導電連接件73可為一排線（例如FFC, flexible flat cable）或一軟性電路板（FPCB, flexible printed circuit board），以藉由其所包含之複數線路分別電性連接該等訊號針50，亦可電性連接接地針50’。換言之，該探針卡70可僅包含有一導電連接件73。此外，接地針50’可不透過導電連接件73而接收接地電位，詳而言之，前述之垂直式針體74中可包含有一用以傳輸接地電位之接地針體，該接地針體之針頭745可穿設於一如前述之接地穿孔43，並透過該接地穿孔43之導電內壁431而與該接地導體45電性連接，如此一來，該接地針體（亦即其中一該垂直式針體74）之針尾741可透過該空間轉換器72（或者無空間轉換器72而直接地）接收該電路板71提供之接地電位，並依序透過針身743、針頭745及接地穿孔43之導電內壁431而將接地電位傳輸至該接地導體45，該接地導體45可將接地電位傳輸至每一接地穿孔43，進而傳輸至每一接地針50’。

由於各該訊號導體44需藉由空隙46而與接地導體45分隔開而達成彼此絕緣之目的，每一訊號導體44及其外圍之空隙46需佔用一定面積，在此情況下，若要進一步縮減訊號針50之間距，可利用複數下導板41來設置訊號導體44。舉例而言，第10圖及第11圖揭示本發明一第二較佳實施例所提供之探針頭，其基本結構係類同於前述之探針頭20，惟本實施例之下導板單元40包含有二下導板41，該二訊號導體44分別固定地鋪設於該二下導板41，該二訊號穿孔42分別設於該二下導板41，雖然該二訊號針50之針頭54皆穿設於該二下導板41，但設於各該下導板41之穿孔中僅有與訊號導體44連接之穿孔為訊號穿孔42而具有與針頭54連接之導電內壁421。在本實施例中，該二下導板41上皆設有接地導體45，然而，只要至少其中一該下導板41設有接地導體45即可。

在本發明所提供之探針頭中，不同的接地穿孔43之導電內壁431不一定要連接同一接地導體45。舉例而言，第12圖及第13圖揭示本發明一第三較佳實施例所提供之探針頭，其基本結構係類同於前述之探針頭20，惟本實施例之下導板單元40包含有二接地導體45，該二接地導體45分別連接該二接地穿孔43之導電內壁431。更進一步地說，各該接地導體45具有一覆蓋其對應之接地穿孔43的導電內壁431之圓環部451、一自該圓環部451朝訊號穿孔42之方向延伸之延伸部453，以及一連接該延伸部453且位於訊號導體44外圍之外接部455，該外接部455不但能連接如前述之導電連接件73，藉以接收接地電位，更因設於訊號導體44外圍而可產生良好的阻抗匹配效果。如第14圖及第15圖所示之本發明一第四較佳實施例，在該下導板單元40包含有二下導板41的情況下，該二接地導體45係隨著其對應之訊號導體44而分別設於該二下導板41。

在前述各實施例中，各該垂直式探針50、50’之絕緣層56係位於該針身52鄰接於該擋止部53之處，如第4圖所示。而且，該結構件55為一具有連接凹部之母構件，亦即具有一位於該針身52下端之凹槽551，該導電件57則為一具有連接凸部之公構件，亦即具有一包含該針頭54及該擋止部53之本體571，以及一自該本體571凸伸而出之凸塊573，該凹槽551、該絕緣層56及該凸塊573形狀相互對應，該凸塊573及該絕緣層56係鑲嵌於該凹槽551內，如此之設計可使該結構件55、該絕緣層56及該導電件57結合得更為穩固。

更進一步地說，該凸塊573具有一與該本體571連接之連接段574，以及一與該連接段574連接之嵌卡段575，至少部分之該嵌卡段575之寬度係大於該連接段574之寬度。本發明所定義之寬度係指平行於一垂直該縱軸L1之橫軸L2的寬度，舉例而言，第4圖中標示之寬度D為該嵌卡段575之最大寬度。如此之設計可使該結構件55、該絕緣層56及該導電件57有相互嵌卡之效果，因此可結合得更為穩固。

此外，該嵌卡段575能以其寬度先增後減之方式自該連接段574延伸而出，藉以產生更好的嵌卡效果。例如，第4圖中的嵌卡段575具有一與該絕緣層56連接之圓弧面576，且該圓弧面576之圓心角大於180度，因此該嵌卡段575係從該連接段574先寬度漸增再寬度漸減。或者，如第16圖所示，該嵌卡段575可具有一與該連接段574連接之大矩形部577，以及一與該大矩形部577連接之小矩形部578，該大矩形部577之寬度係大於該連接段574之寬度，該小矩形部578之寬度係小於該大矩形部577之寬度，如此之嵌卡段575亦為寬度先增後減之設計，可產生良好的嵌卡效果。

在第4圖中，由於該連接段574係位於該針身52最寬之處，該絕緣層56除了具有一對應該凸塊573形狀之主區段561，更具有分別自該主區段561二邊緣延伸而出之二倒勾段563，該主區段561位於該凸塊573與該結構件55之間，各該倒勾段563位於該本體571與該結構件55之間，如此之絕緣層56設計可將該結構件55完全與該導電件57分隔開。然而，該絕緣層56之位置並無限制，該絕緣層56之設計可因應不同的位置作調整而亦可不具有倒勾段563。例如第17圖所示之垂直式探針中，該凸塊573之嵌卡段575係呈類同於第4圖之嵌卡段575的圓弧形設計，惟該凸塊573及該絕緣層56係位於該擋止部53，該絕緣層56則不需具有倒勾段563。

雖然該絕緣層56之位置不限，但由於絕緣層56以下即為用以傳輸測試訊號及接地電位之導電件57，因此，該絕緣層56位於該擋止部53、該針身52鄰接於該擋止部53之處，或者該針頭54，係為較佳之設計，可使該導電件57具有適當長度，避免其訊號傳輸路徑過長。如第18圖所示，該絕緣層56可位於該針頭54且實質上對應該針頭54之外輪廓形狀地延伸成U字形。由第18圖可得知，該結構件55可為一具有連接凸部之公構件且該導電件57可為一具有連接凹部之母構件，亦即，該導電件57（母構件）具有一凹槽，該結構件55（公構件）具有一本體，以及一自該本體凸伸而出之凸塊，該凸塊及該絕緣層係鑲嵌於該凹槽內，此變化亦適用於本發明之其他探針設計。絕緣層56的設置使得導電件57體積佔針頭54體積的比例為小於2/3。本發明之垂直式探針藉由該絕緣層56將該結構件55及該導電件57緊密地結合在一起，在垂直式探針組裝成探針頭進行測試時，垂直式探針可以保持一目標範圍的接觸待測物次數（例如幾萬次）也不會造成該結構件55、絕緣層56及導電件57之間的結合面分離。較佳地，導電件57(或針頭54)之長度小於該垂直式探針之長度的1/3。綜上，絕緣層56係至少部分位於針身52、擋止部53或針頭54之內部或實質上位於針身52、擋止部53或該針頭54之內部，而以不同的形狀來增加彼此的接合面積以強化其與針身52、擋止部53或針頭54結合的強度與穩定度。

本發明之垂直式探針不限為如前述之挫曲式探針，亦可如第19圖至第21圖所示之直線式探針，此種直線式探針可具有單一寬度（如第19圖所示），或者依照需求而設計變化之寬度。例如第20圖中，針頭54及針尾51具有單一寬度，而針身52係由上而下地先漸窄再漸寬。又例如第21圖中，該垂直式探針係由上而下地逐漸變窄。此種直線式探針雖難以藉由形狀而明確區分出針尾51、針身52及針頭54，但在設置於上、下導板30、41之後，即可藉由與上、下導板30、41之位置關係定義出穿設於上導板30之針尾51、穿設於下導板41之針頭54，以及位於上、下導板30、41之間的針身52，甚至，在探針穿設於上、下導板30、41之後，可藉由將上、下導板30、41相互錯位（例如上導板30向左移動、下導板41向右移動），使得針身52成為挫曲狀，如此一來，該探針即使不具有擋止部53也可避免脫離下導板41。換言之，本發明之垂直式探針不限於具有擋止部。在本發明之直線式探針實施例中，以長度來說，該導電件57包含該針頭54的一部分，該導電件57長度等於該針頭54之長度。較佳地，導電件57(或針頭54)之長度小於該垂直式探針之長度的1/4。

在第19圖至第21圖中，該絕緣層56之形狀係類同於第4圖之絕緣層56形狀，惟第4圖之絕緣層56的倒勾段563係平行於該橫軸L2地自主區段561延伸而出，而第19圖至第21圖中的絕緣層56之倒勾段563係相對於該橫軸L2呈傾斜地自主區段561朝該導電件57之本體571的方向延伸，如此之設計可使該結構件55、該絕緣層56及該導電件57結合得更為穩固。

如前述之直線式探針的絕緣層設計亦可如第22圖至第24圖所示，第22圖中的絕緣層56係類同於第18圖中的絕緣層56，惟第22圖中的絕緣層56係呈波浪狀，如此之設計可使該結構件55、該絕緣層56及該導電件57結合得更為穩固。第23圖中的絕緣層56則採用與第18圖類同之設計。第24圖中的絕緣層56係類同於第16圖中的絕緣層56，惟第24圖中的絕緣層56更具有二傾斜之倒勾段563。第22圖及第24圖之絕緣層設計亦可應用於前述之挫曲式探針，而前述之挫曲式探針的絕緣層設計亦可應用於直線式探針。不論前述之挫曲式探針或直線式探針，該導電件57與該結構件55之間的結合力，除了靠該絕緣層56材料本身的結合力之外，增加該導電件57及該結構件55與該絕緣層56之間的結合面積，例如第22圖所示的該絕緣層56幾何形狀，也可以增加結合力。絕緣層56的設置使得導電件57佔針頭54的比例為小於3/5。

本發明之垂直式探針不限為如前述之微機電探針，亦可由傳統之機械式探針（亦稱為成形針）加上絕緣層及導電層而製成，如第25圖及第26圖所示之垂直式探針80，該垂直式探針80具有一用以穿設於如前述之上導板30之針尾81、一用以穿設於如前述之下導板41且用以點觸一待測物之針頭82，以及一位於該針尾81與該針頭82之間之針身83，該垂直式探針80的製造方法包含有下列步驟：

a) 提供一結構件84，該結構件84具有形狀實質上對應該針尾81、該針身83及該針頭82之一針尾段、一針身段以及一針頭段。

事實上，該結構件84可為傳統之機械式探針，其材質可為PdCuAg（鈀銅銀）、ReW（錸鎢）、銠（Rh）等等。

b) 對該結構件84作絕緣處理而形成出一至少包覆該結構件84之針頭段的絕緣層85。

該絕緣層85之材料可採用具有彈性之高分子材料，例如聚醯亞胺（Polyimide，簡稱PI），或者亦可採用無彈性之陶瓷材料，例如氧化鋁（Al₂ O₃ ）、氧化鉿（HfO₂ ）等等。

c) 在該絕緣層85上作金屬鍍膜而形成出一包覆至少部分之該絕緣層85之導電件86，該導電件86係位於該針頭82而能用以接觸該待測物，且該絕緣層85將該導電件86完全與該結構件84分隔開而使該導電件86與該結構件84相互絕緣。

該導電件86可採用高硬度材料，例如鈀（Pd）、鎳（Ni）、銠（Rh）或其合金，或者採用高導電材料，例如金（Au）、銀（Ag）、銅（Cu）或其合金。

在本實施例中，該結構件84之表面完全被該絕緣層85覆蓋，然而，該絕緣層85不一定要將該結構件84完全覆蓋，只要該絕緣層85將該導電件86完全與該結構件84分隔開即可。藉由前述之製造方法，該結構件84、該絕緣層85及該導電件86係相互固定，而且，當該垂直式探針80之針頭82點觸待測物時，只有該導電件86與待測物電性連接，該絕緣層85及該結構件84則未與待測物電性連接。此外，在該垂直式探針80的製造方法中，該導電件86亦可完全覆蓋該絕緣層85，但在結構件84之針頭段與針身段交界處將該導電件86斷開，即該導電件86在該結構件84之針頭段的部分與在結構件84之針身段的部分之間具有一間隙，使前述兩者絕緣。

綜上所陳，本發明所提供之垂直式探針可僅以其導電件透過下導板單元及導電連接件而與電路板電性連接，進而使待測物與測試機相互傳輸訊號，而結構件則係用以提供機械回彈力，使得探針與待測物彈性地接觸。換言之，本發明所提供之垂直式探針僅以其導電件傳輸訊號，如此可使訊號傳輸路徑較短，以符合高頻測試之需求。對於現況之頻寬不足（大約2GHz）的問題，本發明可將頻寬提升至5GHz以上。

而且，本發明所提供之垂直式探針的結構件與導電件功能分離，可因應需求而選用不同材料作搭配，例如，該導電件的單位電阻值可小於或等於該結構件的單位電阻值，或者，該結構件的彈性係數可大於或等於該導電件的彈性係數。此外，本發明所提供之垂直式探針的結構件、絕緣層及導電件係相互固定，因此該垂直式探針容易安裝。再者，在本發明所提供之探針頭及探針卡中，該下導板可供設置匹配電路，當使用軟性電路板作為該導電連接件時，該導電連接件亦可供設置匹配電路，甚至，匹配電路不需由諸如電阻、電感及電容之電子元件構成，而可藉由佈線來達成，因此本發明之探針頭及探針卡係較習用者易於設置匹配電路而可符合細微間距需求（fine pitch）。

最後，必須再次說明，本發明於前揭實施例中所揭露的構成元件，僅為舉例說明，並非用來限制本案之範圍，其他等效元件的替代或變化，亦應為本案之申請專利範圍所涵蓋，此外，本發明於方法實施例中，若實施為可能，各步驟可以不需具先後順序之關係，且可以全部或部分同時進行。

[先前技術]
10‧‧‧探針卡
11‧‧‧電路板
12‧‧‧探針頭
13‧‧‧空間轉換器
14‧‧‧上導板
15‧‧‧下導板
16‧‧‧垂直式探針
161‧‧‧針尾
163‧‧‧針身
165‧‧‧針頭
17‧‧‧電子元件
[實施例]
20‧‧‧探針頭
30‧‧‧上導板
31‧‧‧穿孔
40‧‧‧下導板單元
41‧‧‧下導板
42‧‧‧訊號穿孔
421‧‧‧導電內壁
43‧‧‧接地穿孔
431‧‧‧導電內壁
44‧‧‧訊號導體
441‧‧‧圓環部
443‧‧‧延伸部
445‧‧‧外接部
45‧‧‧接地導體
451‧‧‧圓環部
453‧‧‧延伸部
455‧‧‧外接部
46‧‧‧空隙
50‧‧‧垂直式探針（訊號針）
50‧‧‧’垂直式探針（接地針）
51‧‧‧針尾
52‧‧‧針身
53‧‧‧擋止部
54‧‧‧針頭
55‧‧‧結構件
551‧‧‧凹槽
56‧‧‧絕緣層
561‧‧‧主區段
563‧‧‧倒勾段
57‧‧‧導電件
571‧‧‧本體
573‧‧‧凸塊
574‧‧‧連接段
575‧‧‧嵌卡段
576‧‧‧圓弧面
577‧‧‧大矩形部
578‧‧‧小矩形部
61‧‧‧基板
62‧‧‧犧牲層
63‧‧‧光阻層
64‧‧‧間隙
65‧‧‧絕緣材料
70‧‧‧探針卡
71‧‧‧電路板
72‧‧‧空間轉換器
73‧‧‧導電連接件
74‧‧‧垂直式針體
741‧‧‧針尾
743‧‧‧針身
745‧‧‧針頭
75、76‧‧‧插座
80‧‧‧垂直式探針
81‧‧‧針尾
82‧‧‧針頭
83‧‧‧針身
84‧‧‧結構件
85‧‧‧絕緣層
86‧‧‧導電件
L1‧‧‧縱軸
L2‧‧‧橫軸
D‧‧‧寬度
Lt、Lh‧‧‧長度

第1圖為習用之探針卡的剖視示意圖；　　第2圖為本發明一第一較佳實施例所提供之探針頭的立體示意圖；　　第3圖為第2圖沿剖線3-3之剖視圖；　　第4圖為本發明該第一較佳實施例所提供之垂直式探針的前視圖；　　第5圖至第8圖為立體示意圖，係顯示本發明該第一較佳實施例所提供之垂直式探針的製造方法之流程；　　第9圖為本發明該第一較佳實施例所提供之探針卡的剖視示意圖；　　第10圖為本發明一第二較佳實施例所提供之探針頭的立體示意圖，顯示下導板單元具有二層下導板；　　第11圖係類同於第10圖，惟位於上層之下導板並未繪出，以便說明該探針頭之結構；　　第12圖為本發明一第三較佳實施例所提供之探針頭的立體示意圖；　　第13圖為本發明該第三較佳實施例所提供之探針頭的剖視圖；　　第14圖為本發明一第四較佳實施例所提供之探針頭的立體示意圖，顯示下導板單元具有二層下導板；　　第15圖係類同於第14圖，惟位於上層的下導板並未繪出，以便說明該探針頭之結構；　　第16圖至第21圖為另六種垂直式探針的前視圖；　　第22圖至第24圖為另三種垂直式探針的局部前視圖；　　第25圖為另一種垂直式探針的立體圖；以及　　第26圖為第25圖沿剖線26-26之剖視圖。

20‧‧‧探針頭

30‧‧‧上導板

31‧‧‧穿孔

40‧‧‧下導板單元

41‧‧‧下導板

44‧‧‧訊號導體

441‧‧‧圓環部

443‧‧‧延伸部

445‧‧‧外接部

45‧‧‧接地導體

46‧‧‧空隙

50‧‧‧垂直式探針(訊號針)

50’‧‧‧垂直式探針(接地針)

51‧‧‧針尾

52‧‧‧針身

53‧‧‧擋止部

54‧‧‧針頭

55‧‧‧結構件

56‧‧‧絕緣層

57‧‧‧導電件

Claims

一種垂直式探針，具有一用以穿設於一上導板之針尾、一用以穿設於一下導板且用以點觸一待測物之針頭，以及一位於該針尾與該針頭之間之針身；該垂直式探針之特徵在於：該垂直式探針包含有相互固定之一結構件、一絕緣層及一導電件，該結構件包含有該針尾及至少部分之該針身，該導電件包含有至少部分之該針頭，該絕緣層將該導電件完全與該結構件分隔開而使該導電件與該結構件相互絕緣。
如申請專利範圍第1項所述之垂直式探針，其中該結構件及該導電件其中之一為一母構件，該母構件具有一凹槽，該結構件及該導電件其中之另一為一公構件，該公構件具有一本體，以及一自該本體凸伸而出之凸塊，該凸塊及該絕緣層係鑲嵌於該凹槽內。
如申請專利範圍第2項所述之垂直式探針，係能定義出相互垂直之一縱軸及一橫軸，該針頭點觸該待測物時係實質上沿該縱軸移動；該凸塊具有一與該本體連接之連接段，以及一與該連接段連接之嵌卡段，至少部分之該嵌卡段之平行於該橫軸的寬度係大於該連接段之平行於該橫軸的寬度。
如申請專利範圍第2項所述之垂直式探針，其中該絕緣層具有一位於該凸塊與該母構件之間的主區段，以及一自該主區段延伸而出且位於該本體與該母構件之間的倒勾段。
如申請專利範圍第1項所述之垂直式探針，更具有一位於該針身與該針頭之間的擋止部，該絕緣層係位於該擋止部、該針身鄰接於該擋止部之處以及該針頭三者其中之一。
如申請專利範圍第1項所述之垂直式探針，其中該絕緣層係位於該針頭且實質上對應該針頭之外輪廓形狀地延伸成U字形。
如申請專利範圍第6項所述之垂直式探針，其中該導電件體積佔該針頭體積的比例為小於2/3。
如申請專利範圍第1項所述之垂直式探針，其中該絕緣層係呈波浪狀。
如申請專利範圍第1項所述之垂直式探針，其中該導電件之長度小於該垂直式探針之長度的1/3。
一種如申請專利範圍第1至9項中任一項所述之垂直式探針的製造方法，包含有下列步驟：提供一基板以及一設於該基板上之犧牲層，並利用微影及電鍍製程在該犧牲層上形成一光阻層，以及間隔分離地鑲嵌於該光阻層之該結構件及該導電件；移除該光阻層，使得該結構件與該導電件之間有一間隙；將一絕緣材料填入該間隙而形成出該絕緣層，藉以產生固定於該犧牲層及該基板之該垂直式探針；以及移除該犧牲層，使得該垂直式探針與該基板分離。
一種垂直式探針，具有一用以穿設於一上導板之針尾、一用以穿設於一下導板且用以點觸一待測物之針頭，以及一位於該針尾與該針頭之間之針身；該垂直式探針之特徵在於：該垂直式探針包含有相互固定之一結構件、一絕緣層及一導電件，該結構件具有一針尾段、一針頭段以及連接該針尾段與該針頭段之針身段，該絕緣層至少包覆該結構件之針頭段，該導電件為一包覆至少部分之該絕緣層且用以接觸該待測物之導電層，該絕緣層將該導電件完全與該結構件分隔開而使該導電件與該結構件相互絕緣。
如申請專利範圍第1或11項所述之垂直式探針，係能定義出一縱軸，該針頭點觸該待測物時係實質上沿該縱軸移動，該垂直式探針之平行於該縱軸之長度實質上為該針頭之平行於該縱軸之長度的3~6倍。
如申請專利範圍第1或11項所述之垂直式探針，其中該導電件的單位電阻值小於或等於該結構件的單位電阻值。
如申請專利範圍第1或11項所述之垂直式探針，其中該結構件的彈性係數大於或等於該導電件的彈性係數。
一種垂直式探針的製造方法，該垂直式探針具有一用以穿設於一上導板之針尾、一用以穿設於一下導板且用以點觸一待測物之針頭，以及一位於該針尾與該針頭之間之針身；該垂直式探針的製造方法包含有下列步驟：提供一結構件，該結構件具有一針尾段、一針頭段以及連接該針尾段與該針頭段之針身段；形成一至少包覆該結構件之針頭段的絕緣層；以及在該絕緣層上形成金屬鍍膜，而形成出一包覆至少部分之該絕緣層並用以接觸該待測物之導電件，且該絕緣層將該導電件完全與該結構件分隔開而使該導電件與該結構件相互絕緣。
一種探針頭，包含有：一上導板；一下導板單元，包含有至少一下導板、固定地鋪設於該至少一下導板之至少一用以傳輸一測試訊號之訊號導體及至少一用以電性連接一接地電位之接地導體，以及設於該至少一下導板之至少一訊號穿孔及至少一接地穿孔，該訊號穿孔具有一與該訊號導體連接之導電內壁，該接地穿孔具有一與該接地導體連接之導電內壁；以及複數如申請專利範圍第1或11項所述之垂直式探針，該等垂直式探針之針尾係穿設於該上導板，該等垂直式探針之針頭係穿設於該至少一下導板，該等垂直式探針中包含有至少一訊號針及至少一接地針，該訊號針之針頭係穿設於該訊號穿孔並透過該訊號穿孔之導電內壁而與該訊號導體電性連接，該接地針之針頭係穿設於該接地穿孔並透過該接地穿孔之導電內壁而與該接地導體電性連接。
如申請專利範圍第16項所述之探針頭，其中該下導板單元包含有二該下導板、分別固定地鋪設於該二下導板之二該訊號導體，以及分別設於該二下導板之二該訊號穿孔，該二訊號穿孔之導電內壁分別與該二訊號導體連接，該等垂直式探針中包含有二該訊號針，該二訊號針之針頭係分別穿設於該二訊號穿孔並透過該二訊號穿孔之導電內壁而分別與該二訊號導體電性連接。
如申請專利範圍第17項所述之探針頭，其中該下導板單元包含有分別固定地鋪設於該二下導板之二該接地導體。
如申請專利範圍第16項所述之探針頭，其中該下導板單元包含有複數該接地穿孔，該等接地穿孔之導電內壁係連接同一該接地導體。
如申請專利範圍第16項所述之探針頭，其中該下導板單元包含有複數該接地導體，以及分別連接該等接地導體之複數該接地穿孔。
如申請專利範圍第16項所述之探針頭，其中該接地導體係設於該訊號導體外圍。
一種探針卡，包含有：一如申請專利範圍第16項所述之探針頭；一電路板，係與該探針頭之上導板及下導板相互固定，並提供該訊號導體所傳輸之測試訊號以及該接地導體所電性連接之接地電位；以及一導電連接件，其二端分別電性連接該訊號導體及該電路板，藉以在該電路板與該訊號導體之間傳輸測試訊號。
如申請專利範圍第22項所述之探針卡，其中該導電連接件亦電性連接該接地導體，藉以在該電路板與該接地導體之間傳輸接地電位。
如申請專利範圍第22項所述之探針卡，其中該探針頭更設有一垂直式針體，該垂直式針體具有一穿設於該上導板之針尾、一穿設於該下導板並透過一該接地穿孔之導電內壁而與該接地導體電性連接之針頭，以及一位於該針尾與該針頭之間之針身，該垂直式針體之針尾、針身及針頭係能相互導電，該垂直式針體之針尾接收該電路板提供之接地電位並依序透過針身、針頭及接地穿孔之導電內壁而將接地電位傳輸至該接地導體。
如申請專利範圍第22項所述之探針卡，其中該導電連接件為一同軸線、一排線及一軟性電路板三者其中之一。
一種探針，用以接設於一上導板並穿設於一下導板以針測一待測物，該探針包含：一針尾，用以接設於該上導板；一針身，連接該針尾，該針身用以設置於該上導板與該下導板之間；一針頭，耦接該針身，該針頭用以可移動地穿設於該下導板並與該下導板電性連接；以及一絕緣部，用以使該針尾電性絕緣於該針頭。
如申請專利範圍第26項所述之探針，其中，該探針用以在該針頭針測待測物而受力時，藉由該下導板電傳導一測試訊號至該待測物，並藉由該針身提供緩衝及回彈力。
如申請專利範圍第27項所述之探針，其中，該探針之長度為該針頭之長度的3~6倍。
如申請專利範圍第27項所述之探針，其中，該針頭與該針尾不在同一垂直延伸軸線上。
如申請專利範圍第26項所述之垂直式探針，更具有一位於該針身與該針頭之間的擋止部，該絕緣層係至少部分位於該針身、該擋止部或該針頭之內部。