CN100516885C - 弹性微接触元件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种弹性微接触元件及其制造方法，该弹性微接触元件是以微机电技术所制成，该弹性微接触元件包含有：一弹簧体，具导电性，并具有预定的拉伸预度，该弹簧体可界定出一第一端及一背向该第一端的第二端，且位于该第一端的弹簧体侧边上，形成有至少一与外界固接的接点；一针体，具导电性，是以其一端与该弹簧体的第二端缘连接，另一端则直立位于该第一端外；该针尖体，呈锥状，具导电性，是以其底面与位于弹簧体第一端外的针体自由端连接；由此当该针尖体受外力所压抵时，会连动该针体拉动该弹簧体的第二端，使该弹簧体产生拉伸的变形。

Description

弹性微接触元件及其制造方法

技术领域

本发明是与微接触元件有关，更详而言之是指一种用于作为电路连通介面的弹性微接触元件及其制造方法。

背景技术

按，在测试高密度或高速的电气装置(如LSI或VLSI电路)时，必须使用具有大量微接触元件(探针)的探针卡(Probe Card)，以由该微接触元件为一具有挠性且可提供电性连接的导电体特性，作为与待测试物间电气导通的元件，如作为LSI及VLSI晶片、半导体晶圆、晶片预烧、封装的半导体装置及印刷电路板的测试接触元件之用。当然，微接触元件亦可作为IC封装的IC引线之用。惟，为便于后续的说明，其微接触元件主要是以作为探针卡的探针加以叙述。

微接触元件其中的形式包含传统的弹簧针5，如图1所示，是利用精密加工的方式，逐一制造出各部元件后再加以组装。惟，即便以极精密的加工方式达到各元件所要求的精密尺寸，但元件愈为精密其组装难度亦相对提高，且由于此弹簧针的弹簧构件乃为细长弹簧，因此稳定性较差，当细长弹簧受压缩时容易弯曲而与侧壁产生摩擦，进而造成不必要的磨耗与针尖接触力不稳定的缺点。

另外，有监上述传统弹簧针在加工后其组装困难度相对的高的原故，因此有业者以半导体集成化制程直接在一基板上制出弹簧针，以此省去组装的困难度。惟，如图2a所示，此种弹簧针1的焊点2被其弹簧体3所遮盖(如图2a所示)，导致如有损坏时并无法维修换针，将致使成本提高，况且由于此种型态的弹簧针，乃是利用位在最底部的焊点2与位在最顶部的针尖4间的弹簧体3作为受力后进行压缩变形，因此其宽高比值一般皆在3.7以下(如图2b所示，即高(H)/宽(W)＜3.7的弹簧针受力F时的状态)，如其宽高比值大于3.7时(如图2c，即高(H)/宽(W)＞3.7的弹簧针受力F时的状态)，易产生弹簧针变形量过大的情事，亦因此种弹簧针的宽高比受到限制，导致如将弹簧针的宽度缩减后，其高度亦必然需相对的减低，使得弹簧针本身所能提供的弹性变形量亦将随之减少，亦即弹簧针对应于待测物品所能提供的平坦度误差补偿能力便会下降。而此种型态的弹簧针随着半导体与封装技术持续微小化后，将无法符合及因应未来的实际需求。再者，如图2a所示，此种焊点2与针尖4之间存在着多层结构的对位误差，即使在焊接时的定位准确，亦也无法确保针尖定位的精确与否。另外由于此种弹簧针是完全曝露于外，导致容易有损坏的情事发生。

发明内容

有监于此，本发明的主要目的乃在提供一种弹性微接触元件及其制造方法，将可不需受弹簧宽高比值的限制，可适用于微小型化的需求。

本发明的另一目的乃在于提供一种弹性微接触元件及其制造方法，是其微机电制程技术集成化制作，以减少人工逐针组装的程序，进而达到省时及而提高精度。

本发明的又一目的乃在于提供一种弹性微接触元件及其制造方法，其焊点是位于上方，可提供换针维修的空间，以节省成本。

本发明的再一目乃在于提供一种弹性微接触元件及其制造方法，其焊点与针尖位置接近，可确保定位的精度与针尖的精度准确接近。

本发明的次一目的乃在于提供一种弹性微接触元件及其制造方法，是采内嵌式的架构，可避免受外力的损伤。

缘是，为达上述目的，本发明提供一种弹性微接触元件，其特征在于，包含有：

一弹簧体，具导电性，并具有预定的拉伸预度，该弹簧体可界定出一第一端及一背向该第一端的第二端，且位于该第一端的弹簧体侧边上，形成有至少一与外界固接的接点；

一针体，具导电性，是以其一端与该弹簧体的第二端缘连接，另一端则直立位于该第一端外；

一针尖体，具导电性，是以其底面与位于弹簧体第一端外的针体自由端连接；由此当该针尖体受外力所压抵时，会连动该针体拉动该弹簧体的第二端，使该弹簧体产生拉伸的变形；

其中该针体一端形成有一连接部；该弹簧体为一组以上的簧片所组成，是以其一端依序连接于该连接部上，且该各簧片是依序呈反向弯折的状态，使该一组以上的簧片中有数组簧片弯向该针体的一侧，而其余数组簧片则弯向该针体的另一相对侧上，且弯向同侧的各二簧片自由端上并设有一接合垫，作为与外界围接的接点。

其中是由微机电制程所一体制成。

其中该弹簧体是由一组以上的板片所弯折而成。

其中该针体是位在该弹簧体外。

其中该弹性微接触元件是置入于一基板的凹槽中，且其基板的凹槽的侧壁还包覆一介电材料与一接地的导电材料，可提供良好的信号遮蔽效果。

其中该弹性微接触元件是置入于一套筒之内。

其中该弹性微接触元件是置入于一套筒之内，且其套筒外还包覆一介电材料与一接地的导电材料，可提供良好的信号遮蔽效果。

本发明一种弹性微接触元件的组装态样，其特征在于，包含有：

一基板，具有多层凹槽结构；

多个弹性微接触元件，分别置于该基板的凹槽中，每一弹簧体包含有：

一弹簧体，具导电性，并具有预定的拉伸预度，可界定出一第一端及一背向该第一端的第二端，且位于该第一端的弹簧体侧边上，形成有至少一与该基板外界固接的接点；

一针体，具导电性，是以其一端与该弹簧体的第二端缘连接，另一端则直立位于该第一端外；

该针尖体，具导电性，是以其底面与位于弹簧体第一端外的针体自由端连接；由此当该针尖体受外力所压抵时，会连动该针体拉动该弹簧体的第二端，使该弹簧体产生拉伸的变形；

其中，该多个弹性微接触元件分别置入该基板的凹槽中使该针体可以错位摆置，使针尖的相互距离得以进一步缩短。

附图说明

为使审查员能对本发明的特征及目的有更进一步的了解与认同，以下结合实施例及附图详细说明于后，其中：

图1是一种已知弹簧针的剖视图。

图2a是一种已知弹簧针的侧视图。

图2b至图2c是一种已知弹簧针的受力示意图；其主要是显示不同宽高比弹簧针的受力状态。

图3是本发明第一较佳实施例的侧视图。

图4是图3所示实施例的组装示意图。

图5是图3所示实施例的组装完成图。

图6是图3所示实施例的受力示意图。

图7是图3所示实施例的另一组装态样。

图8a至图8h是本发明第二较佳实施例的制造流程示意图。

图9a至图9l是本发明第三较佳实施例的制造流程示意图。

图10a至图10j是本发明第四较佳实施例的制造流程示意图。

图11a至图11c是本发明第五较佳实施例的制造流示意图。

图12是本发明第六较佳实施例结构示意图。

图13至图15是本发明其它实施态样的结构示意图。

图16是本发明第七较佳实施例的立体结构示意图。

图17是图16的组装示意图。

图18是图17的受力状态示意图。

图19是本发明第八较佳实施例的受力示意图。

图20至图21是本发明其它实施态样的示意图。

图22是本发明组装态样的示意图。

具体实施方式

请参阅图3，是本发明第一较佳实施例所提供的一种弹性微接触元件100，其主要包含有一弹簧体10、一针体14及一针尖体15，其中：

该弹簧体10，是由半导体的微机电制程所一体制出，具导电性，呈单螺旋状，具有预定的压缩及拉伸预度，内部呈中空，且该弹簧体10可界定出一第一端11及一背向该第一端11的第二端12，且于邻近该第一端11的弹簧体10两相对侧边上，分别形成有一接点13。

该针体14，呈长杆状，具导电性，是位于该弹簧体10的内部，并以其一端与该弹簧体10的第二端12连接，另一端则直立伸出于该第一端11外。

该针尖体15，为一锥状体，具导电性，是以其底面与该针体14的自由端连接(即与位于该弹簧体10第一端11外的针体14端面连接)。

是以，上述即为本发明弹性微接触元件100的主要构成要件，接着再将其组装方式及其使用方式介绍如下：

首先，将该弹簧体10置入于一基板16的凹槽161中，如图4至图6所示，且该凹槽161的深度是大于该弹簧体10未受力时的长度，并将该弹簧体10的接点13与该基板16的一上部焊点162连接(如图4所示)，使该针尖体15所探测的到电气信号，可由基板16内与该焊点162连接的基板电路163传导至外界的测试装置17中。当将弹性微接触元件100与一待测物18进行接触时(如图6所示)，乃由该针尖体15的顶端与该待测物18接触，且为确保该针尖体15与该待测物18能确实保持在接触的状态，会将该基板16与该待测物18更加接近，使得该针尖体15将受压而连动推动该针体14将该弹簧体10的第二端12更加拉开与该接点13间的距离(如图6所示)。如此一来，不仅可确保该针尖体15与该待测物18保持于接触状态的目的，更能由该弹簧体10改以拉伸式的方式来改进现有压缩式弹簧针所受的宽高比限制。由于现有压缩弹簧针，其接点是位在于最底端而接触点(与待测物所接触的点)则是位在最顶端，当弹簧结构过于细长，意即其弹簧外型的宽高比过大时，易使弹簧针在受到压缩的过程中产生侧向弯折变形的操作不稳定现象(可参照背景技术及图2c)；但本发明的弹簧体10改采以拉伸式的态样，使其接点13是位于上方，弹簧体10在受到拉伸的过程中不会产生侧向弯折变形，弹簧体10的长度不会受到宽高比的限制，因此可更加适用于小探针间隔的硅格需求，可设计足够的弹簧体长度以提供足够的弹簧体弹性变形量。

再者，由于本发明是以微机电制程技术集成化一体成形制造而成，并无需耗时的人工逐针组装的程序或高成本的自动化组装程序，而可以增快制程的速度，且其精度亦可同时大为提升。其次，由于本发明弹性微接触元件的接点乃是位在上层，使得焊点与针尖体间的距离相当接近，能确保焊接定位精度与针尖体的定位精度更加接近一致，不致有误差放大的情事发生。再且，由于本发明弹性微接触元件是采用内嵌式架构，即该弹性微接触元件必须嵌入于一基板的凹槽内，当然此一基板亦可改由架高的套筒(如图7所示的套筒19)或改为框架，皆可达成本发明的目的，而由本发明以嵌入式的方式，便能使得弹性微接触元件加以隐蔽，以避免受到外力的损伤。再者，当弹性微接触元件受到损伤而欲更换时，仅需将位在上层的接点加热即可取出，使得由将焊点(接点)移至上层的方式，可增加换针时的维修空间。

请参阅图8a至图8h，是本发明第二较佳实施例所提供一种弹性微接触元件的制造方法，下列制造方法中是将一套筒与弹性微接触元件以一体成形的方式制成，以减少组装的制程，其步骤包含有：

(A)如图8a所示，取一具备电路71的基板70。

(B)如图8b所示，于该电路71上布设一具备图形开口的遮蔽层72；其中遮蔽层可为光阻材料，可以已知的半导体制程光刻技术图形化。

(C)如图8c所示，于该基板70及该遮蔽层72上方沉积一导电层73；其沉积方式可为蒸镀、溅镀或电镀。

(D)如图8d所示，于该导电层73上形成一牺牲层74，并将该牺牲层74研磨整平；其中形成牺牲层的材质可为一至多种的金属材质或高分子材料或金属氧化物材质，而牺牲层可由电铸、涂布或化学气相沉积方式所形成。

(E)如图8e所示，去除遮蔽层72，并于原本遮蔽层的位置中沉积一结构金属层75，并将该牺牲层74与结构金属层75同时研磨整平；其中该结构金属层可由电铸、蒸镀、溅镀等方式所形成，而形成结构金属层的材质可为具备良好导电性的一至多种金属材质。

(F)如图8f所示，重复步骤(B)至步骤(E)，以于预定位置由结构金属层堆叠出所需的弹簧体、针体与套筒结构；图中所示的接合金属75’可为焊接材料，如锡、锡铅、金、银、铋等材质，便于维修时可自针体上方加热置换内部针体使用。

(G)如图8g所示，与一已于另一基板上成形出针尖体76的结构接合(其中该针尖体可由精密机械加工方式制作，并被暂时固定于一基板上)，即将针尖体与针体接合。

(H)如图8h所示，除去牺牲层74、导电层73及该另一基板与该针尖体间连结的粘着物。

如此，即完成与套筒接合的弹性微接触元件。

请再参阅图9a至图91，是本发明第三较佳实施例，是上述弹性微接触元件制造方法中，步骤(G)中针尖体的制造方法，其步骤包含有：

(A)如图9a所示，取一单晶硅基板80；亦可取一表面不具备导电性的基板。

(B)如图9b所示，以低压化学气象沉积方式(LPCVD)于该基板80上布设一遮罩层81；该遮罩层81可为氮化硅材料或氮化硅材料所制成的薄膜、氧化硅薄膜、二氧化硅材料、高分子材料或光阻材料。

(C)如图9c所示，于该基板80顶层的遮罩层81上布设一具备开口的遮蔽层82。

(D)如图9d所示，以反应式离子蚀刻方式(RIE)去除位在开口中的遮罩层81。

(E)如图9e所示，去阻遮蔽层82，并于开口中以非等向性蚀刻液(如氢氧化钾)蚀刻基板80，以在基板80中形成出一锥状的缺口83。

(F)如图9f所示，去除遮罩层81。

(G)如图9g所示，于该基板80的顶层沉积一导电材料84；该导电材料可为钦金属或由鈇金属所制成的薄膜，或其它具备良好导电性与良好附着性的金属材料。

(H)如图9h所示，于该导电材料84上布设一具备开口的遮蔽层85，且该开口是正对于该缺口83的上方。

(I)如图9i所示，搭配一遮罩86’，于该缺口83上局部沉积一强化薄膜86。

(J)如图9j所示，于该缺口83中电铸一结构金属层87，并将其表面研磨整平。

(K)如图9k所示，搭配一遮罩88于该结构金属层87上方镀一接着材料层89。

(L)如图9l所示，去除遮蔽层85，即可得一已在基板上成形的针尖体。

请参阅图10a至图10j，是本发明第四较佳实施例，上述实施例的制造方法是直接在一基板上所堆叠制成，亦可以先将套筒与针体同时制作完成后再与基板接合，其制造方法如下：

(A)如图10a所示，取一已于顶面形成出一锥状缺口91的基板90(其中该基板上的该锥状缺口可以精密机械加工方式挖凿形成，或以化学蚀刻方式形成，或亦可以一模具在基板上热压而形成)，并在该基板90顶面上沉积一导电材料92(其中沉积导电材料的方式可为蒸镀制程、溅镀制程或电镀制程等方式)。

(B)如图10b所示，以类似图9k的遮罩辅助，于该缺口91上沉积一强化薄膜93；其中沉积强化薄膜93的方式，可为溅镀或蒸镀等方式。且沉积该强化薄膜的制程亦可搭配一遮罩于缺口上方局部沉积。

(C)如图10c所示，布设一具备图形化开口的遮蔽层94。

(D)如图10d所示，于该基板90上沉积一牺牲层95；沉积牺牲层95的方式可为电镀、溅镀或蒸镀方式。

(E)如图10e所示，去除遮蔽层94。

(F)如图10f所示，于该缺口91上方电铸一结构金属层96，并将牺牲层95与结构金属层96同时研磨整平。

(G)如图10g所示，重复步骤(C)至步骤(F)以堆叠出所需的结构(如接合金属96’)，并搭配一遮罩沉积一接着材料层97；其中该接着材料层为可作为焊接材料的金属，如金、锡、锡铅合金、锡银、锡铋合金等；沉积接着材料层的方式可为电镀、溅镀或蒸镀方式。该遮翠可为一具有图形化通孔的平板。

(H)如图10h所示，由其接着材料层97与一电子基板98接合。

(I)如图10i所示，去除牺牲层95。

(J)如图10j所示，蚀刻导电材料92，以将针尖基板90去除。

其中如图10g-图10j中所示的接合金属96’可为焊接材料，如锡、锡铅、金、银、铋等材质，便于维修时可自针体上方加热置换内部针体使用。

另外，请参阅图11a至图11c所示，是本发明第五较佳实施例，是将弹性微接触元件以嵌入式的方式接合于基板或套筒内，其方式如下：

首先，取一已在基板21上形成出针尖体22、弹簧体23及针体24的弹性微接触元件(如图11a所示)，且该弹簧体23与基板21间并形成有一辅助接合块27，而该辅助接合块27是由一种子层28或牺牲层(本实施例是采用种子层)与该弹簧体23连接，再将该一电子基板25或套筒与该弹簧体23接合(于本实施例中是采用电子基板)，并使该弹簧体23可伸入于该电子基板25的嵌入孔26中(如图11b所示)，再将种子层28除去，以移除该辅助接合块27及该基板21(如图11c所示)，如此即完成弹性微接触元件与电子基板接合的制程。

当然，亦可在弹性微接触元件及该电子基板或套筒的接合处，分别设针卡榫结构，以增加定位及牢固的效果。

上述实施例皆以单螺旋式弹簧体作为实施的态样，然而其单螺旋式的弹簧体亦可采用多种几何图型加以旋绕，如断面呈矩形或三角形…等。

再者，请参阅图12所示，是本发明第六较佳实施例的弹性微接触元件，如图12所示，其中弹簧体31亦可以呈非螺旋状，而采类似板片弯折的方式形成，同样具有可拉伸的预度，而可达成本发明的目的。

另外，请参阅图13至图15所示，由于其弹簧体无论是采用单螺旋状态或板片弯折的状态，仍然会有针尖体在接触后略为产生偏移的状态，因此为免针尖体产生偏移，其弹簧体32、32’、32”可采用双螺旋或三螺旋或双折叠的态样(如图13、图14及图15所示)，如此一来，便可使针体在受力后能保持弹簧体受力平均，而不致有偏移的情事。

请再参阅图16，是本发明第七较佳实施例所提供的一种弹性微接触元件的实施态样，其中同样具有一针体41、一针尖体42及一弹簧体43，其中：

该针体41一端形成有一连接部411；

该针尖体42是连接于该针体41的另一端上；

该弹簧体43为四个簧片，是以其一端依序连接于该连接部411上，且该各簧片是依序呈反向弯折的状态，使该四簧片中有其二弯向该针体41的一侧，而另其二则弯向该针体41的另一侧上，且弯向同侧的各二簧片自由端上并设有一接合垫44。

上述的弹性微接触元件，仍可以微机电的方式堆叠制出。

如图17所示，是将本发明的弹性微接触元件结合于一基板45内，将该针体41及弹簧体43置入于该基板45的一嵌合孔451内，并由该接合垫44贴接于该基板45的焊点452上，且该基板45内布设有基板电路453可将该焊点452与外界导通。

使用时，该针尖体42受力，该针尖体42则会连动该针体41下移，使该弹簧体43被拉伸(如图18所示)，而可同样达成本发明的目的。

另外，请参图19，是本发明第八较佳实施例，因应不同的待测物需求，会有针尖体51需较大的侧向偏移状态时，如图19所示，其针体52则是位在该弹簧体53的一侧外，并与该弹簧体53的接点531位在相反侧上，如此一来当该针尖体51受力时，便会因该针体52与该接点531是分别连接于该弹簧体53二相对侧并分别呈一上部接合(接点)而另一呈下部接合(针体)的原故，而使该弹簧体53产生较大的偏移量，便可达成使针尖体51产生较大偏移量的目的。

另外，为进一步避免高密度弹性微接触元件之间的信号耦合，如图12所示，亦而于套筒55外增加一层遮蔽层56(介电材料)，以提供良好的信号遮蔽作用，并增加传输频宽。若该弹性微接触元件是为嵌入于电子基板57内时，如图21所示，除基板材质可提供良好的隔绝作用外，亦可于基板内的信号线58外，配置一接地线59(接地的导电材料)，以增加传输频宽与提升信号品质。

请参阅图22，是本发明弹性微接触元件的组装态样，其中可将本发明的弹性微接触元件100采以多层式的态样组装，惟下方的针体长度需增长至与上方的针尖体齐平，由此可减少所需的面积需求，并且可进一步减小针尖间的距离

Claims (8)

1.一种弹性微接触元件，其特征在于，包含有：

一弹簧体，具导电性，并具有预定的拉伸预度，该弹簧体可界定出一第一端及一背向该第一端的第二端，且位于该第一端的弹簧体侧边上，形成有至少一与外界固接的接点；

一针体，具导电性，是以其一端与该弹簧体的第二端缘连接，另一端则直立位于该第一端外；

一针尖体，具导电性，是以其底面与位于弹簧体第一端外的针体自由端连接；由此当该针尖体受外力所压抵时，会连动该针体拉动该弹簧体的第二端，使该弹簧体产生拉伸的变形；

其中该针体一端形成有一连接部；该弹簧体为一组以上的簧片所组成，是以其一端依序连接于该连接部上，且该各簧片是依序呈反向弯折的状态，使该一组以上的簧片中有数组簧片弯向该针体的一侧，而其余数组簧片则弯向该针体的另一相对侧上，且弯向同侧的各二簧片自由端上并设有一接合垫，作为与外界围接的接点。

2.依据权利要求1所述的弹性微接触元件，其特征在于，其中是由微机电制程所一体制成。

3.依据权利要求1所述的弹性微接触元件，其特征在于，其中该弹簧体是由一组以上的板片所弯折而成。

4.依据权利要求1所述的弹性微接触元件，其特征在于，其中该针体是位在该弹簧体外。

5.依据权利要求1所述的弹性微接触元件，其特征在于，其中该弹性微接触元件是置入于一基板的凹槽中，且其基板的凹槽的侧壁还包覆一介电材料与一接地的导电材料，可提供良好的信号遮蔽效果。

6.依据权利要求1所述的弹性微接触元件，其特征在于，其中该弹性微接触元件是置入于一套筒之内。

7.依据权利要求1所述的弹性微接触元件，其特征在于，其中该弹性微接触元件是置入于一套筒之内，且其套筒外还包覆一介电材料与一接地的导电材料，可提供良好的信号遮蔽效果。

8.一种弹性微接触元件的组装结构，其特征在于，包含有：

一基板，具有多层凹槽结构；

多个弹性微接触元件，分别置于该基板的凹槽中，每一弹簧体包含有：

一弹簧体，具导电性，并具有预定的拉伸预度，可界定出一第一端及一背向该第一端的第二端，且位于该第一端的弹簧体侧边上，形成有至少一与该基板外界固接的接点；

一针体，具导电性，是以其一端与该弹簧体的第二端缘连接，另一端则直立位于该第一端外；

一针尖体，具导电性，是以其底面与位于弹簧体第一端外的针体自由端连接；由此当该针尖体受外力所压抵时，会连动该针体拉动该弹簧体的第二端，使该弹簧体产生拉伸的变形；

其中，该多个弹性微接触元件分别置入该基板的凹槽中使该针体可以错位摆置，使针尖的相互距离得以进一步缩短。

Images