CN107533100A - 特别用于极端温度应用的用于电子器件的测试装置的探针卡 - Google Patents

Abstract

披露了一种用于电子器件的测试装置的探针卡，其包括至少一个容纳多个接触探针(22)的测试头(21)，各接触探针(22)具有至少一个适合于接靠在待测器件(25)的接触垫上的接触尖端，以及与加强件(24)和中间支承件(26，33)关联的测试头(21)的支承板(23)，该中间支承件(26，33)连接至所述支承板(23)并适合在其相对两侧上制得的接触垫之间提供距离的空间变换。合宜地，该探针卡包括与所述中间支承件(26，33)结合的支承件(28)，所述中间支承件(26，33)由适用于印刷电路板技术的材料制成并具有大于10x10^‑6的热膨胀系数，所述支承件(28)由热膨胀系数小于6x10^‑6的金属材料制成。

Description

特别用于极端温度应用的用于电子器件的测试装置的探针卡

技术领域

本发明涉及一种用于电子器件的测试装置的探针卡。

本发明尤其但非排他性地涉及一种用于极端温度应用的探针卡，下述说明仅为了方便说明而参照了本应用领域。

背景技术

众所周知，探针卡本质上是一种器件，其适合于将微观结构尤其是集成于晶片上的电子器件的多个接触垫设置成与具有执行其功能测试(尤其是电测试或一般测试)的测试装置的对应通道电接触。

在集成电路上进行的测试尤其需要检测和隔离出在制造阶段已出现的故障器件。通常，探针卡在切割(singoling)晶片并将其组装在芯片封装中之前就被用于电测试晶片上的集成电路。

探针卡包括测试头，该测试头依次主要包括多个可移动接触元件或接触探针，该可移动接触元件或接触探针配置有至少一个部分或接触尖端，用于对应待测器件的多个接触垫。此处和下文中端子部分意味着术语端部或尖端，但并不必然是指它们。

因此，已知测试试验的有效性和可靠性除其它因素外还取决于器件和测试装置之间建立的良好电连接，并由此取决于优化的探针/垫的电接触的构建。

在本文所考虑的技术领域中使用的用于集成电路测试的所有类型的测试头中，所谓的具有悬臂探针的测试头被广泛使用，该测试头也被称为悬臂测试头，其探针像钓竿一样于待测器件的上方伸出。

特别地，已知类型的悬臂测试头通常承载多个具有预设的电性能和机械性能的柔软的(通常为细长的)探针。从悬臂测试头悬臂伸出的探针因为存在末端基本成肘部折叠的部分(具有基本钝内角)，而基本呈钩状。

悬臂测试头的探针与待测器件的接触垫之间的良好连接由测试头在器件本身上的压力来保证，探针在其上沿与器件朝测试头的运动方向相反的方向受到垂直的弯曲作用(相对于由待测器件界定的平面)。

探针的钩状使得在与待测器件的接触垫接触期间以及探针向上移动超过预设接触点(一般被称为“超程”)期间，探针接触尖端能够在接触垫上滑动一长度，这通常被称为“擦洗(scrub)”。

具有垂直探针的测试头在本领域也是已知的，其被称为“垂直探头”。垂直探头本质上包括多个由至少一对板或基本呈板状并相互平行的模板保持的接触探针。这些模板配置有合适的孔，彼此之间以特定的距离放置，从而为接触探针的运动及可能的变形留有自由区域或空隙。特别地，一对模板包括上模和下模，其都配置有导向孔，接触探针在此种导向孔内轴向滑动，接触探针通常由具有良好电和机械性能的特定金属制成。

而且在这种情况下，测试探针与待测器件的接触垫之间的良好连接由测试头在器件本身上的压力来提供，在此压力接触下，在上模和下模中的导向孔内可移动的接触探针在两个模板之间的空隙内会弯曲，并且在这些导向孔内滑动。

此外，探针本身或其模板的合理配置可促进接触探针在空隙内的弯曲，特别地可使用接触预成形探针或者适当地水平分隔包括接触预成形探针的板来促进接触探针在空隙内的弯曲。

通常使用具有不是牢牢固定至卡而是保持接入卡的探针的测试头，其中卡又依次连接至测试装置，这些测试头被称为具有未锁固探针的测试头。

在这种情况下，接触探针还具有朝向那种卡的多个接触垫的端部或触头。通过将探针按压在卡的接触垫以类似于与待测器件接触的方式来确保探针和卡之间的良好电接触。

此外，该卡通常通过加强件保持在位。组装测试头、卡及加强件形成探针卡，其在图1中一般以10示意地指示。

特别地，卡10包括测试头1，该测试头1在示例性图中为垂直探针头。此时，该测试头1依次包括至少一个上板或模2以及下板或模3，两者分别具有上导向孔和下导向孔，多个接触探针4在这些导向孔内滑动。

各接触探针4具有至少一个邻接待测器件5的接触垫上的端部或接触尖端，使所述器件和测试装置(未示出)之间产生机械和电接触，其中，此测试头1形成为端部元件。

此外，各接触探针4还具有通常被称为触头的另一接触尖端，其朝向卡6的多个接触垫。通过将探针按压在卡6的接触垫上以类似于与待测器件接触的方式来确保探针和卡之间的良好电接触。

如上所述，卡6通过加强件8保持在位。

因此，在垂直探针技术中，确保接触探针和测试装置之间的良好连接也很重要，特别是接触探针的测试头与相应的卡之间的良好接触。

已知若干个制造测试装置的探针卡10的技术。

特别地，第一方案提供利用印刷电路板技术来制造卡10，其一般特指PCB(“印刷电路板”的首字母缩略词)。该技术能够制造具有有效面积的卡，该有效面积甚至可以为大面积，但相对于最小距值(pitch value)具有极大的限制，该最小距值可在待测器件上的接触垫之间获得。

此外还已知陶瓷基技术或MLC(“多层陶瓷”的首字母缩略词)。此类技术相比PCB技术可以获得非常小的间距(pitch)以及较高的密度，然而，该技术限制了能够用于测试的信号的最大数量以及卡上能够设置的有效面积的最大尺寸。

利用MLC技术，板可由具有高平面性的刚性陶瓷材料制成。虽然这些板不能变形或受到局部作用力，这只是会产生破换它们的风险，但它们可以设置有用作枢轴的中心螺钉和与缓冲弹簧相关的横向调节螺钉，以允许由板自身界定的平面倾斜。

最后，可使用所谓的混合技术，在该技术中，测试头连接至一般被称为插入件的中间板，该中间板依次连接至一般被称为插塞的机械支承件并通过焊桥连接至卡。该技术虽然在表面、间距及信号密度方面提供了极好的灵活性，但却限制了可管理信号的最大数量，也具有最差的电磁性能。混合技术的不可忽略的缺点在于难以自动化。

应该强调的是，中间板(插入件)的厚度一般极小，介于0.5与3毫米之间，因此其具有值得注意的平面性问题。通过与加强件关联，可以使整个组件具有更大的刚性和抗性，并能够局部减少中间板的平面性缺点，然而这常常又会变成对利用这种技术制得的卡的良好操作产生影响。

组成探针卡的元件的相互位置也是非常重要的参数。特别地，不同的测试方法要求探针能够承受极端温度。然而在此情况下，组成探针卡的元件的热膨胀可影响其探针的性能。事实上，组成已知类型的探针卡的元件通常通过螺钉固定。因此，在温度测试中，由于制造这些元件的材料具有不同的热膨胀系数以及由于螺钉所带来的制约，相同的元件将会弯曲，导致探针卡整体发生故障或至少导致探针卡与待测器件的接触垫未接触。

本发明的技术问题在于提供一种探针卡，其适合承载设置有多个接触探针的测试头，用于尤其集成在晶片上的电子器件的测试装置，该探针卡具有能够克服利用已知技术制得的探针卡目前所存在的限制和缺点，尤其能够确保测试在极端温度下也可以正确执行的结构和功能特性。

发明内容

本发明所基于的技术方案思想在于，实现一种与利用PCB技术实现的插入件关联的金属支承件，以便具有整体热膨胀系数，从而能够尽可能限制由于组成探针卡的元件在测试期间，甚至在极端温度下的热膨胀导致的尺寸变化。

基于此技术方案思想，此技术问题通过一种用于电子器件的测试装置的探针卡解决，该探针卡包括至少一个容纳多个接触探针的测试头，各接触探针具有至少一个适合于接靠在待测器件的接触垫上的接触尖端，以及与加强件和中间支承件关联的所述测试头的支承板，中间支承件连接至所述支承板并适合在该中间支承件的相对两侧上制得的接触垫之间提供距离的空间变换，其特征在于，所述探针卡包括与所述中间支承件结合的支承件，所述中间支承件由适用于印刷电路板技术的材料制成并具有大于10x10^-6的热膨胀系数，所述支承件由热膨胀系数小于6x10^-6的金属材料制成。

更具体地，本发明包括以下补充和兼性特征，若需要，可以单独或者组合利用。

根据本发明的一方面，探针卡可包括另一个中间支承件，其适合在其相对两侧上形成的接触垫之间提供另一个距离的空间变换，并通过连接元件与所述中间支承件关联，此支承件与所述中间支承件结合，所述测试头的所述接触探针与此另一个中间支承件接触。

特别地，此中间支承件可由热膨胀系数介于10x10^-6和14x10^-6之间并优选约为12x10^-6的材料制成。

根据本发明的这个方面，该中间支承件可由热膨胀系数大于10x10^-6的有机或陶瓷材料制成。

根据本发明的另一个方面，所述另一个中间支承件可由具有约等于4x10^-6的热膨胀系数的硅制成。

此外，该支承件可由镍浓度大于30％的镍铁合金制成。

特别地，该镍铁合金选自像合金42、镍铬低膨胀系42、ivar42或镍铁42的已知合金，这些合金均具有百分比等于42％的镍。

根据本发明的另一方面，该支承件可粘接至所述中间支承件。

此外，根据本发明的另一方面，所述探针卡还可包括调节系统，其适合使所述加强件与所述支承件关联，以适当地倾斜所述支承件。

特别地，该调节系统可包括多个螺钉，该多个螺钉分布在所述支承件的平面上并螺接在所述支承件与所述加强件之间。

所述调节系统可包括位于基本具有平行六面体形状的所述支承件的角落处的调节螺钉以及至少一个用作基本位于所述支承件的中心的枢轴的支承螺钉。

最后，这些调节螺钉可选自通用螺钉、双头螺柱、螺栓或挂钩系统。

根据本发明的探针卡的特征和优点将从以下参考附图的，通过非限制性的示例所给出的实施方式之一的描述中得到。

附图说明

在这些图中：

图1示意性地显示了适合承载根据现有技术制得的垂直探针测试头的探针卡；

图2示意性地显示了根据本发明的一实施方式的探针卡的剖视图；

图3示意性地显示了图2所示的探针卡的俯视图；以及

图4示意性地显示了根据本发明的可选实施方式的探针卡的剖视图。

具体实施方式

参照这些附图，特别是图2，参考标记20总体上指示探针卡，该探针卡包括至少一个测试头，该测试头设置有多个用于测试特别集成于晶片上的电子器件的接触探针。

应该注意的是，这些附图显示了根据本发明的卡的示意图，而没有按比例绘制，相反，这些附图绘制成突出本发明的重要特性。

此外，本发明的通过附图中的示例表示的各方面可以明显地相互组合并且一个实施方式与另一个实施方式之间可以互换。

特别地，如图2所示，探针卡20包括测试头21，该测试头21容纳有多个接触探针22、一般被表示为PCB的支承板23以及加强件24。

探针卡20适合与测试装置(未示出)连接。特别地，在附图所示示例中，测试头21为垂直型并包括至少一个分别具有孔的上板或模21A和下板或模21B，接触探针22在该孔内滑动。仅举例来说，测试头21还包括探针的容纳元件21C，其设置于上模21A和下模21B之间。

在任意情况下，接触探针22均包括适合于接靠在待测器件25的相应接触垫上的端部或接触尖端22’，从而在接触垫与探针卡20之间实现所期望的尤其是电接触，并之后实现与连接到探针卡的测试装置的电接触。

探针卡20还包括中间支承件或插入件26，其通过合适的连接件27与支承板23关联。

应该注意的是，中间支承件或插入件26适合于在其相对两侧上制得的接触垫之间提供距离的空间变换。特别地，插入件26可包括在其朝向测试头21的第一侧上形成的第一多个接触垫，该第一多个接触垫具有与待测器件25的接触垫之一相似尤其相等的密度或间距；以及在第二相对侧上制得的第二多个接触垫，该第二多个接触垫连接至为印刷电路板或PCB的支承板23。更特别地，第二多个接触垫相对第一多个接触垫具有较低的密度，从而在插入件26内提供合适的电连接，以实现在第一多个接触垫和第二多个接触垫之间的寻址(addressing)。

还可以使用像所谓微型悬臂的微机械类型的测试头，该测试头具有直接焊接至插入件26的探针，本发明未限于一个具体类型的测试头。

探针卡20还包括特别为金属插塞的支承件28，其与插入件26结合(solidarized)。更特别地，此支承件28被粘至插入件26。可选地，可以通过互锁装置、挂钩装置或通过螺钉将支承件28与插入件26联接。

显然，确保中间支承件或插入件26的平面性是非常重要的，以确保适当及同步接触测试头21的接触探针22的触头。

使用金属插塞来实现支承件28与插入件26结合，可减少插入件的平面性缺点，即使是利用众所周知非常不精确的PCB技术来实现。

另外，由于支承元件28的存在，插入件26能够承载特别由测试头21的接触探针22引起的10千克的载荷，而不会弯曲并由此危害测试中探针本身的平面性。

实质上，通过使用这种支承件28(尤其是金属插塞)，可以使插入件26保持刚性和平坦，确保适当控制探针卡20的测试头21的接触探针22的超程。

此外，恰当选择制造插入件26和支承件28的材料能够获得带有具有合适的热膨胀系数(CTE，“热膨胀系数”的首字母缩略词)的接触探针22的接触系统，也能够使探针卡20适用于极端温度应用。

实际上已知通过微印刷电路板来实现插入件26，即通过具有高热膨胀系数CTE，特别地热膨胀系数CTE大于10x10^-6，更特别地介于10x10^-6与14x10^-6之间并优选约为12x10^-6的材料。如上所述，测试头21安装在该支承件26上，已知该测试头具有低的热膨胀系数CTE，特别地低于6x10^-6，更特别地介于3x10^-6至6x10^-6之间，优选约为5x10^-6。

因此，很明显，在探针卡20于极端温度(特别在-50和+200℃之间)下操作时，测试头21的接触探针22的触头与形成于插入件26上的垫之间将不会对准，而这正是由于热膨胀系数CTE不同造成的。

合宜地，插入件26与由具有热膨胀系数CTE低于6x10^-6(优选约3x10^-6)的材料制得的支承件28关联，以将插入件26-支承件28组合件的热膨胀系数CTE降低至约6x10^-6的值，以便减少或理想消除与同样具有低于6x10^-6的热膨胀系数CTE的测试头21的不匹配。

优选地，支承件28通过由镍浓度大于30％的镍铁合金制成的金属插塞实现。可以使用已知合金，像合金42、镍铬低膨胀系42、ivar42或镍铁42，这里仅举几例，这些合金均具有百分比等于42％的镍。实质上，这些合金是含有高含量镍的不锈钢。

已证实，利用这种优选粘接至插入件26的支承件28，可获得约7x10^-6的热膨胀系数CTE，并因此也可以在极端温度下使用由此而获得的电路。特别地，应当注意的是，支承件28-插入件26组合件的热膨胀系数CTE基本上是基于实现这些元件的厚度和层数，由这些元件的热膨胀系数CTE的加权平均数给定。

因此，整个探针卡20为具有可控热膨胀系数CTE的系统。

探针卡20还包括至少一个调节系统30，其适合关联加强件24与支承件28，并能够调节与支承件28关联的插入件26的倾斜。

该调节系统30包括多个螺钉31、32，其分布在此支承件28的平面上并螺接在该支承件28与加强件24之间。

更特别地，如图3所示，该调节系统30包括置于基本成平行六面体形状的支承件28的角落处的调节螺钉31，以及至少一个基本位于支承件28中心的用作枢轴的支承螺钉32。

特别地，调节螺钉31用于通过关于支承螺钉32枢转来方便地倾斜支承件28。

更特别地，可以使用通用螺钉、双头螺柱、螺栓或挂钩系统，这里仅举几个例子。

各调节和支承螺钉也可以提供有间隔元件(未示出)，例如方便钻孔的小方钢或垫片，以使螺钉本身能够通过，并且适于减轻螺钉施加在支承件28或加强件24上的局部载荷。

应当注意的是，探针卡20可以与测试装置(未示出)的按压元件29接触，该按压元件29适用于按压插入件26的未与支承元件28接触的部分，由此增强插入件26的整体平面性。

在图4中，示出了根据本发明的探针卡的可选实施方式，参考标记20’总体上指示探针卡。为在结构和功能上类似于图2中所述卡的一些元件的元件提供相同的参考标记，并且将不再重复对这些元件进行详细描述，以避免不必要地加重本说明书。

探针卡20’包括特别为有机物或陶瓷的第一中间支承件或第一插入件33，其通过特别为焊接凸点或球体的连接元件34与特别由硅制成的另一个或第二中间支承件或第二插入件35关联。

支承件28与第一插入件33连接，特别是与其粘接，测试头21的接触探针22与第二插入件35接触。

同样，在该情况下，恰当选择制造第一和第二插入件33和35以及支承件28的材料能够获得带有具有合适的热膨胀系数的接触探针22的接触系统，也能够使探针卡20’适用于极端温度应用。

特别地，第一插入件33利用多层有机技术(MLO，“多层有机”的首字母缩略词)由有机材料制成，或利用多层陶瓷技术(MLC，“多层陶瓷”的首字母缩略词)由陶瓷材料制成，其具有高的热膨胀系数CTE(特别大于10x10^-6)。这些材料一般在已知技术中使用。

相反，第二插入件35具有约为4x10^-6的热膨胀系数CTE。

类似于图2所示的第一实施方式，支承件28由具有热膨胀系数CTE低于6x10^-6(优选约为3x10^-6)的金属材料制得，以将插入件33-支承件28组合件的热膨胀系数CTE降低至约6x10^-6的值，以便减少或理想消除与依次具有与测试头21相似的热膨胀系数的第二插入件35的不匹配。

优选地，如前所示，支承件28通过由镍浓度大于30％的镍铁合金制成的金属插塞实现，例如使用像合金42、镍铬低膨胀系数合金42或ivar42的已知合金，这些合金中镍的百分比为42％。

在此情况下，已证实，根据图4的实施方式的变型也实现的探针卡20’在极端温度下也可有效使用。探针卡20’也是具有可控热膨胀系数CTE的系统。

应当注意的是，第二插入件35的存在特别能够在其相对两侧上制得的接触垫之间提供间距的另一个空间变换。特别地，第二插入件35由硅制成，以便能够使其上的接触垫具有与待测器件35的接触垫相似尤其相等的距离。那样的话，有利地，根据本发明也可以测试接触垫之间的距离小于利用实现第一插入件26的印刷电路板或PCB技术可获得的距离的集成电路。

更特别地，第二硅插入件35可包括在其朝向测试头21的第一侧上形成的第一多个接触垫，该第一多个接触垫具有与待测器件25的接触垫之一相似特别相等的密度或间距；以及在第二相对侧上制得的并通过连接元件34连接至第一插入件33的第二多个接触垫，该第二多个接触垫相对第一多个接触垫具有较小的密度，从而能够降低第一插入件33的接触垫的所需密度。第二硅插入件35还用于在其第一多个和第二多个接触垫之间执行寻址。

总之，有利地，根据本发明获得的探针卡还能够在极端操作温度下正常操作，尤其可在导致组成该探针卡的元件热膨胀的温度下正常操作，由此克服了目前市场上存在的探针的缺点。

由于所选材料和由此插入件及其支承元件形成的系统所得到的整体热膨胀系数，插入件可随着探针卡的操作温度的增加而膨胀，而不会传递给测试头任何运动，从而确保了探针卡在影响已知卡的良好操作的极端温度的操作条件下的正常操作。

特别地，由于探针卡内存在热梯度，所以探针卡的构造可防止支承元件弯曲，该热梯度与晶片以及围绕该晶片的测试装置的不同温度有关，其通过选择所用材料和由此插入件及其支承元件形成的系统所得到的整体热膨胀系数来补偿，由此降低插入件本身受到破坏的风险。

应当理解的是，为了满足具体需求和性能规格，本领域技术人员可以对上文所述的测试卡进行多种改变和变型，这些改变和变型全部都包括在如所附权利要求书所限定的本发明的保护领域内。

Claims (10)

1.用于电子器件的测试装置的探针卡(20，20’)，包括：至少一个容纳多个接触探针(22)的测试头(21)，各接触探针(22)具有至少一个适合于接靠在待测器件(25)的接触垫上的接触尖端；以及与加强件(24)和中间支承件(26，33)关联的所述测试头(21)的支承板(23)，该中间支承件(26，33)连接至所述支承板(23)并适合在所述中间支承件(26，33)的相对两面上制得的接触垫之间提供距离的空间变换，其特征在于，所述探针卡(20，20’)包括与所述中间支承件(26，33)结合的支承件(28)，所述中间支承件(26，33)由适用于印刷电路技术的材料制成并具有大于10x10^-6的热膨胀系数，所述支承件(28)由热膨胀系数小于6x10^-6的金属材料制成。

2.如权利要求1所述的探针卡(20’)，其特征在于包括另一个中间支承件(35)，其适合在其相对两面上制得的接触垫之间提供另一个距离的空间变换，并通过连接元件(34)与所述中间支承件(33)关联，所述支承件(28)与所述中间支承件(33)结合，所述测试头(21)的所述接触探针(22)与所述另一个中间支承件(35)接触。

3.如权利要求1或2所述的探针卡(20，20’)，其特征在于，所述中间支承件(26，33)由热膨胀系数介于10x10^-6和14x10^-6之间并优选约为12x10^-6的材料制成。

4.如权利要求3所述的探针卡(20，20’)，其特征在于，所述中间支承件(26，33)由热膨胀系数大于10x10^-6的陶瓷或有机材料制成。

5.如权利要求2至4中的任一项所述的探针卡(20’)，其特征在于，所述另一个中间支承件(35)由具有约等于4x10^-6的热膨胀系数的硅制成。

6.如前述权利要求中的任一项所述的探针卡(20，20’)，其特征在于，所述支承件(28)由镍浓度大于30％的镍铁合金制成。

7.如前述权利要求中的任一项所述的探针卡(20，20’)，其特征在于，所述支承件(28)粘接至所述中间支承件(26，33)。

8.如前述权利要求中的任一项所述的探针卡(20，20’)，其特征在于还包括调节系统(30)，其适合使所述加强件(24)与所述支承件(28)关联，以便适当地倾斜所述支承件(28)。

9.如权利要求8所述的探针卡(20)，其特征在于，所述控制系统(30)包括多个螺钉(31，32)，该多个螺钉(31，32)分布在所述支承件(28)的平面上并螺接在所述支承件(28)与所述加强件(24)之间。

10.如权利要求9所述的探针卡(20，20’)，其特征在于，所述控制系统(30)包括位于基本具有平行六面体形状的所述支承件(28)的角落处的调节螺钉(31)以及至少一个用作基本位于所述支承件(28)的中心的销状物的支承螺钉(32)。