CN107796966B - 垂直式探针及其制法和使用垂直式探针的探针头与探针卡 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种垂直式探针，具有一针尾、一针身及一用于点触待测物的针头，且包含有相互固定的一结构件、一绝缘层及一导电件，绝缘层将导电件完全与结构件分隔开而使导电件与结构件相互绝缘；结构件包含有针尾及至少部分的针身，导电件包含有至少部分的针头；或者，结构件对应针尾、针身及针头的形状，绝缘层包覆至少部分的结构件且至少位于针头，导电件为一包覆至少部分的绝缘层的导电层且位于针头，用于接触待测物。由此，垂直式探针可符合高频测试需求且容易安装。本发明更提供垂直式探针的制造方法，以及使用垂直式探针的探针头及探针卡。
Description
技术领域
本发明与垂直式探针(vertical probe)有关，特别是指一种具有绝缘层的垂直式探针及其制造方法，以及使用垂直式探针的探针头(probe head)及探针卡(probe card)。
背景技术
请参阅图1所示，习用的使用垂直式探针的探针卡10通常包含有一电路板11、一探针头12，以及一设于电路板11与探针头12之间的空间转换器13。探针头12包含有一上导板14、一下导板15，以及多个垂直式探针16。各垂直式探针16包含有一穿设于上导板14的针尾161、一呈挫曲状的针身163，以及一穿设于下导板15的针头165。针尾161通过空间转换器13与电路板11电性连接，针头165用于点触一待测物(图中未示)，使得待测物能通过垂直式探针16、空间转换器13及电路板11与一电性连接电路板11的测试机(图中未示)互相传输讯号，以达到检测待测物的目的。此外，针身163因呈挫曲状而可弹性变形，使得垂直式探针16与待测物弹性地接触，即针头165点触待测物时可弹性地向上移动，由此，垂直式探针16及待测物可避免因受到彼此之间的作用力而损坏。
虽然使用垂直式探针的探针卡有可更换单针、容易维修的优点，但却因探针较长造成讯号传输路径较长、干扰大或匹配不易而不利于频率提升，因此难以应用于高频测试。此外，探针卡10通常在空间转换器13内部的布线空间有限，在受到待测物尺寸规格限缩之下，两垂直式探针16之间的间距(Pitch)要符合微小尺寸(Fine Pitch)以对应待测物上的接点距离，空间转换器13内部的布线空间不足会使得将匹配电路设置于空间转换器13的难度随待测物尺寸限缩而增加。
发明内容
针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种垂直式探针及其制造方法，其中垂直式探针可符合高频测试需求且容易安装。
为达到上述目的，本发明所提供的一种垂直式探针，具有一用于穿设于一上导板的针尾、一用于穿设于一下导板且用于点触一待测物的针头，以及一位于所述针尾与所述针头之间的针身；所述垂直式探针的特征在于：所述垂直式探针包含有相互固定的一结构件、一绝缘层及一导电件，所述结构件包含有所述针尾及至少部分的所述针身，所述导电件包含有至少部分的所述针头，所述绝缘层将所述导电件完全与所述结构件分隔开而使所述导电件与所述结构件相互绝缘。
上述的垂直式探针，所述结构件及所述导电件其中之一为一母构件，所述母构件具有一凹槽，所述结构件及所述导电件其中的另一为一公构件，所述公构件具有一本体，以及一自所述本体凸伸而出的凸块，所述凸块及所述绝缘层镶嵌于所述凹槽内。
上述的垂直式探针能定义出相互垂直的一纵轴及一横轴，所述针头点触所述待测物时沿所述纵轴移动；所述凸块具有一与所述本体连接的连接段，以及一与所述连接段连接的嵌卡段，至少部分的所述嵌卡段的平行于所述横轴的宽度大于所述连接段的平行于所述横轴的宽度。
所述绝缘层具有一位于所述凸块与所述母构件之间的主区段，以及一自所述主区段延伸而出且位于所述本体与所述母构件之间的倒勾段。
上述的垂直式探针还具有一位于所述针身与所述针头之间的挡止部，所述绝缘层位于所述挡止部、所述针身邻接于所述挡止部之处以及所述针头三者其中之一。
所述绝缘层位于所述针头且对应所述针头的外轮廓形状地延伸成U字形。
所述导电件体积占所述针头体积的比例为小于2/3。
所述绝缘层呈波浪状。
所述导电件的长度小于所述垂直式探针的长度的1/3。
所述垂直式探针的制造方法包含有下列步骤：
提供一基板以及一设于所述基板上的牺牲层，并利用微影及电镀制程在所述牺牲层上形成一光阻层，以及间隔分离地镶嵌于所述光阻层的所述结构件及所述导电件；
移除所述光阻层，使得所述结构件与所述导电件之间有一间隙；
将一绝缘材料填入所述间隙形成出所述绝缘层，以产生固定于所述牺牲层及所述基板的所述垂直式探针；
移除所述牺牲层，使得所述垂直式探针与所述基板分离。
为达到上述目的，本发明还提供另一种垂直式探针，具有一用于穿设于一上导板的针尾、一用于穿设于一下导板且用于点触一待测物的针头，以及一位于所述针尾与所述针头之间的针身；所述垂直式探针的特征在于：所述垂直式探针包含有相互固定的一结构件、一绝缘层及一导电件，所述结构件具有一针尾段、一针头段以及连接所述针尾段与所述针头段的针身段，所述绝缘层至少包覆所述结构件的针头段，所述导电件为一包覆至少部分的所述绝缘层且用于接触所述待测物的导电层，所述绝缘层将所述导电件完全与所述结构件分隔开而使所述导电件与所述结构件相互绝缘。
上述的垂直式探针，能定义出一纵轴，所述针头点触所述待测物时沿所述纵轴移动，所述垂直式探针的平行于所述纵轴的长度为所述针头的平行于所述纵轴的长度的3～6倍。
所述导电件的单位电阻值小于或等于所述结构件的单位电阻值。
所述结构件的弹性系数大于或等于所述导电件的弹性系数。
所述垂直式探针的制造方法包含有下列步骤：
提供一结构件，所述结构件具有一针尾段、一针头段以及连接所述针尾段与所述针头段的针身段；
形成一至少包覆所述结构件的针头段的绝缘层；
在所述绝缘层上形成金属镀膜，而形成出一包覆至少部分的所述绝缘层并用于接触所述待测物的导电件，且所述绝缘层将所述导电件完全与所述结构件分隔开而使所述导电件与所述结构件相互绝缘。
由此，前述的垂直式探针仅以所述导电件传输讯号，因此其讯号传输路径较短，可符合高频测试的需求，而且，前述的垂直式探针的结构件、绝缘层及导电件相互固定，因此所述垂直式探针容易安装。
本发明的另一目的在于提供使用前述的垂直式探针的探针头及探针卡，可符合高频测试的需求、易于安装探针，且易于设置匹配电路。
为达到上述目的，本发明所提供的一种探针头包含有一上导板、一下导板单元，以及多个如前述的垂直式探针。所述下导板单元包含有至少一下导板、固定铺设于所述至少一下导板的至少一用于传输一测试讯号的讯号导体及至少一用于电性连接一接地电位的接地导体，以及设于所述至少一下导板的至少一讯号穿孔及至少一接地穿孔，所述讯号穿孔具有一与所述讯号导体连接的导电内壁，所述接地穿孔具有一与所述接地导体连接的导电内壁；各所述垂直式探针的针尾穿设于所述上导板，各所述垂直式探针的针头穿设于所述至少一下导板，各所述垂直式探针中包含有至少一讯号针及至少一接地针，所述讯号针的针头穿设于所述讯号穿孔并通过所述讯号穿孔的导电内壁与所述讯号导体电性连接，所述接地针的针头穿设于所述接地穿孔并通过所述接地穿孔的导电内壁与所述接地导体电性连接。
所述下导板单元包含有二所述下导板、分别固定地铺设于所述二下导板的二所述讯号导体，以及分别设于所述二下导板的二所述讯号穿孔，所述二讯号穿孔的导电内壁分别与所述二讯号导体连接，各所述垂直式探针中包含有二所述讯号针，所述二讯号针的针头分别穿设于所述二讯号穿孔并通过所述二讯号穿孔的导电内壁而分别与所述二讯号导体电性连接。
所述下导板单元包含有分别固定地铺设于所述二下导板的二所述接地导体。
所述下导板单元包含有多个所述接地穿孔，各所述接地穿孔的导电内壁连接同一所述接地导体。
所述下导板单元包含有多个所述接地导体，以及分别连接各所述接地导体的多个所述接地穿孔。
所述接地导体设于所述讯号导体外围。
为达到上述目的，本发明所提供的探针卡包含有一如前述的探针头、一电路板，以及一导电连接件，所述电路板与所述探针头的上导板及下导板相互固定，并提供所述讯号导体所传输的测试讯号以及所述接地导体所电性连接的接地电位；所述导电连接件的二端分别电性连接所述讯号导体及所述电路板，以在所述电路板与所述讯号导体之间传输测试讯号。
所述导电连接件电性连接所述接地导体，以在所述电路板与所述接地导体之间传输接地电位。
所述探针头更设有一垂直式针体，所述垂直式针体具有一穿设于所述上导板的针尾、一穿设于所述下导板并通过一所述接地穿孔的导电内壁与所述接地导体电性连接的针头，以及一位于所述针尾与所述针头之间的针身，所述垂直式针体的针尾、针身及针头能相互导电，所述垂直式针体的针尾接收所述电路板提供的接地电位并依序通过针身、针头及接地穿孔的导电内壁而将接地电位传输至所述接地导体。
所述导电连接件为一同轴线、一扁平电缆及一软性电路板三者其中之一。
为达到上述目的，本发明所提供的一种垂直式探针包含：一针尾，用于接设于所述上导板；一针身，连接所述针尾，所述针身用于设置于所述上导板与所述下导板之间；一针头，耦接所述针身，所述针头用于可移动地穿设于所述下导板并与所述下导板电性连接；一绝缘部，用于使所述针尾电性绝缘于所述针头。
其中，所述垂直式探针用于在所述针头针测待测物而受力时，通过所述下导板电传导一测试讯号至所述待测物，并通过所述针身提供缓冲及回弹力。
所述垂直式探针的长度为所述针头的长度的3～6倍。
所述针头与所述针尾不在同一垂直延伸轴在线。
所述垂直式探针更具有一位于所述针身与所述针头之间的挡止部，所述绝缘层至少部分位于所述针身、所述挡止部或所述针头的内部。
由此，各垂直式探针的导电件可通过下导板单元及导电连接件与电路板电性连接，进而使待测物与一电性连接电路板的测试机相互传输讯号，如此可使讯号传输路径较短，以符合高频测试的需求，且各垂直式探针有如前述的易于安装的优点，此外，下导板可供设置匹配电路，当使用软性电路板作为导电连接件时，导电连接件亦可供设置匹配电路，因此本发明的探针头及探针卡比习用装置更易于设置匹配电路。
附图说明
图1是习用的探针卡的剖视示意图；
图2是本发明一第一较佳实施例所提供的探针头的立体示意图；
图3是沿图2中剖线3-3的剖视图；
图4是本发明第一较佳实施例所提供的垂直式探针的前视图；
图5至图8是立体示意图，显示本发明第一较佳实施例所提供的垂直式探针的制造方法的流程；
图9是本发明第一较佳实施例所提供的探针卡的剖视示意图；
图10是本发明一第二较佳实施例所提供的探针头的立体示意图，显示下导板单元具有二层下导板；
图11类同于图10，但位于上层的下导板并未绘出，以便说明探针头的结构；
图12是本发明一第三较佳实施例所提供的探针头的立体示意图；
图13是本发明第三较佳实施例所提供的探针头的剖视图；
图14是本发明一第四较佳实施例所提供的探针头的立体示意图，显示下导板单元具有二层下导板；
图15类同于图14，但位于上层的下导板并未绘出，以便说明探针头的结构；
图16至图21是另六种垂直式探针的前视图；
图22至图24是另三种垂直式探针的局部前视图；
图25是另一种垂直式探针的立体图；
图26是沿图25中剖线26-26的剖视图。
具体实施方式
现举以下实施例并结合附图对本发明的结构及功效进行详细说明。
申请人首先在此说明，在以下将要介绍的实施例以及图式中，相同的参考号码，表示相同或类似的元件或其结构特征。
请参阅图2及图3所示，本发明一第一较佳实施例所提供的探针头20包含有一上导板30、一下导板单元40，以及四垂直式探针50、50’，其中二垂直式探针50分别为一讯号针，其余二垂直式探针50’分别为一接地针，各垂直式探针50、50’结构完全相同，但各讯号针50用于传输测试讯号，而各接地针50’用于传输接地电位。
上导板30不导电，且具有四穿孔31。下导板单元40包含有一下导板41、设于下导板41的二讯号穿孔42及二接地穿孔43，以及固定地铺设于下导板41上表面(也可铺设于下表面)的二讯号导体44及一接地导体45。详而言之，下导板41原本为一类同于上导板30的不导电且具有穿孔的板体，之后其穿孔的孔壁镀上金属层而形成出各讯号穿孔42及接地穿孔43，因此各讯号穿孔42及接地穿孔43具有一导电内壁421、431。此外，下导板41的上表面(或者下表面)可先完全镀上一金属层，再将金属层的特定部位去除(例如通过蚀刻)，以产生具有特定形状的二空隙46，使得各空隙46内侧的金属层成为一讯号导体44，而二空隙46外侧的其余金属层均属于接地导体45。
在本实施例中，各讯号导体44具有一圆环部441、一自圆环部441延伸而出的延伸部443，以及一连接延伸部443的外接部445，二讯号导体44的圆环部441分别覆盖且连接二讯号穿孔42的导电内壁421，因此，二讯号穿孔42的导电内壁421能分别通过连接于二外接部445的外接线路而与其他装置电性连接(此部分将详述于下文)。各讯号导体44的形状并无限制，只要能提供如前述的使讯号穿孔42与外接线路电性连接的功能即可。接地导体45覆盖并连接二接地穿孔43的导电内壁431，因此，二接地穿孔43的导电内壁431能通过接地导体45而相互电性连接，并能通过连接于接地导体45的外接线路而电性连接一接地电位(此部分也将详述于下文)。
请参阅图4所示，各垂直式探针50、50’的外轮廓形状与习知一种通过微机电制程制造的挫曲式探针(buckling probe)的外轮廓形状相仿，具有依序连接的一针尾51、一针身52、一挡止部53及一针头54，针身52呈挫曲状而可在探针50、50’受力时弹性变形，针头54能以其下端点触一待测物(图中未示)，且针头54点触待测物时能沿一纵轴L1小幅度地移动。本发明的垂直式探针以垂直式探针的长度为针头的长度的3～6倍为较佳的设计，本发明所定义的长度指平行于纵轴L1的长度，举例而言，图4所示的长度Lt为各垂直式探针50、50’的长度(即针尾51未连接针身52的一端水平延伸段到针头54未连接挡止部53或针身52的一端水平延伸段的垂直距离)，而长度Lh则为针头54的长度。此外，针身52呈挫曲状会使针尾51与针头54不在同一垂直延伸轴在线，即针尾51不会在针头54沿纵轴L1的延伸路径上。针身52弯曲而不卷曲而有良好的回弹力，也使多个探针一起摆放时能兼顾微小尺寸化的进行。针尾51与针头54实质上可为直线型构造，且可以不在同一垂直延伸轴线上但实质上相互平行。
习知此种探针由单一材料一体制成，而本发明的垂直式探针50、50’则包含有可选择地采用不同材质的一结构件55、一绝缘层56及一导电件57。在此实施例中，结构件55包含有针尾51及大部分的针身52，导电件57包含有针头54、挡止部53及少部分的针身52。详而言之，垂直式探针50、50’的制造方法包含有下列步骤：
a)请参阅图5所示，提供一基板61(材质例如为不锈钢)以及一设于基板61上的牺牲层62(材质例如为铜)(请参阅图6所示)，并利用微影(photolithography)及电镀(electroplating)制程在牺牲层62上形成一光阻层63，以及镶嵌于光阻层63的结构件55及导电件57。
详而言之，通过微影制程，光阻层63形成出形状分别对应结构件55及导电件57形状的二穿槽，在二穿槽内进行电镀即可产生结构件55及导电件57。结构件55可采用高硬度材料，例如钯(Pd)、镍(Ni)、铑(Rh)或其合金，导电件57可采用如前述的高硬度材料，或者采用高导电材料，例如金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)或其合金。换言之，结构件55与导电件57可为相同材质，也可为不同材质，若结构件55与导电件57为不同材质，则此步骤a)要分成两个分别形成出结构件55及导电件57的步骤(先后顺序不限)。在此步骤a)完成后，可(但不一定要)进行研磨而将结构件55及导电件57平整化，再进行以下步骤。
b)移除光阻层63(例如通过蚀刻)，使得结构件55与导电件57之间有一间隙64，如图6所示。
在图5中，牺牲层62受光阻层63遮盖而未被显示出，此步骤b)移除光阻层63之后，在基板61上留下牺牲层62，以及固定于牺牲层62上的结构件55及导电件57，原本光阻层63有一小部分位于结构件55与导电件57之间，部分去除后则产生间隙64。
c)请参阅图7，将一绝缘材料65填入间隙64而形成出绝缘层56，以产生固定于牺牲层62及基板61的垂直式探针50、50’。
绝缘材料65(即绝缘层56的材料)可采用具有弹性的高分子材料，例如(但不限于)聚酰亚胺(Polyimide，简称PI)，或者也可采用无弹性的陶瓷材料，例如氧化铝(Al2O3)、氧化铪(HfO2)等等。如图7所示，绝缘材料65可覆盖牺牲层62，待绝缘材料65固化后，再将绝缘材料65位于间隙64以外的部分通过蚀刻方式(例如反应式离子蚀刻)去除。在此步骤c)完成后，可(但不一定要)进行研磨而将绝缘层56平整化，再进行以下步骤。
d)移除牺牲层62(例如通过蚀刻)，使得垂直式探针50、50’与基板61分离，如图8所示。
如此一来，结构件55、绝缘层56及导电件57为相互固定，而且，绝缘层56将导电件57完全与结构件55分隔开而使导电件57与结构件55相互绝缘。换言之，当垂直式探针50、50’的针头54点触待测物时，只有导电件57与待测物电性连接，绝缘层56及结构件55则未与待测物电性连接。
如图2及图3所示，各垂直式探针50、50’的针尾51分别穿设于上导板30的穿孔31，二讯号针50的针头54分别穿设于二讯号穿孔42并与其导电内壁421接触，以通过二讯号穿孔42的导电内壁421而分别与二讯号导体44电性连接，二接地针50’的针头54分别穿设于二接地穿孔43并与其导电内壁431接触，以通过二接地穿孔43的导电内壁431与接地导体45电性连接。在各垂直式探针50、50’未点触待测物时，挡止部53抵接于下导板单元40的讯号导体44或接地导体45(若讯号导体44及接地导体45设于下导板41下表面，则挡止部53抵接于下导板41上表面)，以避免垂直式探针50、50’脱离下导板41。
在本实施例中，由于各探针50、50’是由微机电制程制造，其针头54概呈矩形柱状，而各讯号穿孔42及接地穿孔43呈圆孔状。然而，请参阅本发明的申请人先前所申请的中国台湾专利编号I528037，各针头54也可通过微机电制程搭配电解制程而形成出圆弧形倒角或者成为圆柱状，各讯号穿孔42及接地穿孔43也不限为圆孔状，例如可为方孔或矩形孔。此外，请参阅本发明的申请人先前所申请的中国台湾专利编号I453420，各讯号穿孔42及接地穿孔43的导电内壁421、431可包含有一打底层以及一包含有润滑颗粒的复合金属层，以降低探针与导电内壁之间的摩擦力。
请参阅图9，前述的探针头20用于应用于一探针卡70，探针卡70除了包含有探针头20，更包含有一电路板71、一设置于电路板71与探针头20之间的空间转换器72，以及连接电路板71与下导板单元40的二导电连接件73。电路板71与空间转换器72可通过锡球回焊或者通过以弹性导电件作为中间插入物(interposer)进行电性连接。此外，图9中的探针头20除了具有四垂直式探针50、50’，更具有二习用的垂直式探针(在本发明中称为垂直式针体74)，即，各垂直式针体74的针尾741、针身743及针头745能相互导电。
在图9中，各元件仅以简单的图形示意，以便说明。为了简化图式，图9中未详细绘制各垂直式探针50、50’的结构，而仅以与垂直式针体74相同的图形表示，且图9中未详细绘制下导板单元40的结构，而仅以与上导板30相同的图形表示。此外，图9中探针头20的比例并未与图2对应，图9中各元件也未依照实际比例绘制，以简化图式。
值得一提的是，探针头20的上导板30及下导板41实际上会通过一连接结构(图中未示)而相互连接固定，并以此与电路板71相互固定，然而，连接结构与本发明的技术特征并无关联，因此连接结构未显示在图式中且在此也不详加叙述。此外，空间转换器72用于使二垂直式针体74与电路板71电性连接，然而，本发明的探针头20及探针卡70不限于设有垂直式针体74，即，本发明的探针头20及探针卡70中的探针可全部采用本发明所提供的垂直式探针，也可部分为本发明所提供的垂直式探针且部分为习用的探针；在未设有垂直式针体74的情况下，或者在各垂直式针体74可直接电性连接电路板71的情况下，则可不设置空间转换器72。
电路板71用于接收一测试机(图中未示)所提供的测试讯号及接地电位，并将各测试讯号及接地电位提供给下导板单元40，进而传送至各垂直式探针50、50’。详而言之，各导电连接件73可为一同轴线，其一端可通过一插座75与电路板71电性连接(也可无插座75而直接连接电路板71)，以通过同轴线的线芯以及绝缘地包覆线芯周缘的外围导体分别传输测试讯号及接地电位，各导电连接件73的另一端可通过另一插座76而连接下导板单元40(也可无插座76而直接连接下导板单元40)，使得同轴线(导电连接件73)的线芯及外围导体分别与讯号导体44及接地导体45电性连接，以在电路板71与讯号导体44之间传输测试讯号，并在电路板71与接地导体45之间传输接地电位，进而将测试讯号及接地电位分别传送至讯号针50及接地针50’。此外，测试机所提供的测试讯号及接地电位可以不用经过电路板71的内部布线电路，插座75可以设置在电路板71的上表面，进一步来说，插座75可以设置于电路板71用于接收测试机提供的测试讯号及接地电位的接点上，但是插座75与这些接点电性绝缘，测试机所提供的测试讯号及接地电位直接经由插座75、各导电连接件73、讯号导体44及接地导体45传送至垂直式探针50、50’。
二导电连接件73在为同轴线的情况下，同轴线的线芯分别间接地电性连接至二讯号针50，而同轴线的外围导体则间接地电性连接至二接地针50’。即二同轴线(导电连接件73)的线芯分别通过二插座76分别与二讯号导体44电性连接，进而分别与二讯号针50的导电件57电性连接，而二同轴线(导电连接件73)的外围导体分别通过二插座76分别与接地导体45电性连接，进而分别与二接地针50’的导电件57电性连接。如此一来，不但各讯号针50的导电件57因伴随有接地针50’的导电件57而产生阻抗匹配效果，且各讯号导体44因外围设有接地导体45而产生阻抗匹配效果，各同轴线本身也可产生阻抗匹配效果，使得整个讯号传输路径几乎都有阻抗匹配而更加适用于高频测试。
然而，各导电连接件73不限为同轴线，且不一定每一讯号针50都要对应一导电连接件73。例如，导电连接件73可为一扁平电缆(例如FFC,flexible flat cable)或一软性电路板(FPCB,flexible printed circuit board)，以通过其所包含的多条线路分别电性连接各讯号针50，也可电性连接接地针50’。换言之，探针卡70可仅包含有一导电连接件73。此外，接地针50’可不通过导电连接件73而接收接地电位，详而言之，前述的垂直式针体74中可包含有一用于传输接地电位的接地针体，接地针体的针头745可穿设于一如前述的接地穿孔43，并通过接地穿孔43的导电内壁431与接地导体45电性连接，如此一来，接地针体(即其中一垂直式针体74)的针尾741可通过空间转换器72(或者无空间转换器72而直接地)接收电路板71提供的接地电位，并依序通过针身743、针头745及接地穿孔43的导电内壁431将接地电位传输至接地导体45，接地导体45可将接地电位传输至每一接地穿孔43，进而传输至每一接地针50’。
由于各讯号导体44需通过空隙46与接地导体45分隔开而达成彼此绝缘的目的，每一讯号导体44及其外围的空隙46需占用一定面积，在此情况下，若要进一步缩减讯号针50的间距，可利用多个下导板41来设置讯号导体44。举例而言，如图10及图11所示的本发明一第二较佳实施例所提供的探针头，其基本结构类同于前述的探针头20，但本实施例的下导板单元40包含有二下导板41，二讯号导体44分别固定地铺设于二下导板41，二讯号穿孔42分别设于二下导板41，虽然二讯号针50的针头54均穿设于二下导板41，但设于各下导板41的穿孔中仅有与讯号导体44连接的穿孔为讯号穿孔42而具有与针头54连接的导电内壁421。在本实施例中，二下导板41上均设有接地导体45，然而，只要至少其中一下导板41设有接地导体45即可。
在本发明所提供的探针头中，不同的接地穿孔43的导电内壁431不一定要连接同一接地导体45。举例而言，如图12及图13所示的本发明一第三较佳实施例所提供的探针头，其基本结构类同于前述的探针头20，但本实施例的下导板单元40包含有二接地导体45，二接地导体45分别连接二接地穿孔43的导电内壁431。更进一步地说，各接地导体45具有一覆盖其对应的接地穿孔43的导电内壁431的圆环部451、一自圆环部451朝讯号穿孔42的方向延伸的延伸部453，以及一连接延伸部453且位于讯号导体44外围的外接部455，外接部455不但能连接如前述的导电连接件73，以接收接地电位，更因设于讯号导体44外围而可产生良好的阻抗匹配效果。如图14及图15所示的本发明一第四较佳实施例，在下导板单元40包含有二下导板41的情况下，二接地导体45随着其对应的讯号导体44而分别设于二下导板41。
在前述各实施例中，各垂直式探针50、50’的绝缘层56位于针身52邻接于挡止部53处，如图4所示。而且，结构件55为一具有连接凹部的母构件，即具有一位于针身52下端的凹槽551，导电件57则为一具有连接凸部的公构件，即具有一包含针头54及挡止部53的本体571，以及一自本体571凸伸而出的凸块573，凹槽551、绝缘层56及凸块573形状相互对应，凸块573及绝缘层56镶嵌于凹槽551内，如此的设计可使结构件55、绝缘层56及导电件57结合得更为稳固。
更进一步地说，凸块573具有一与本体571连接的连接段574，以及一与连接段574连接的嵌卡段575，至少部分的嵌卡段575的宽度大于连接段574的宽度。本发明所定义的宽度指平行于一垂直纵轴L1的横轴L2的宽度，举例而言，图4中标示的宽度D为嵌卡段575的最大宽度。如此的设计可使结构件55、绝缘层56及导电件57有相互嵌卡的效果，因此可结合得更为稳固。
此外，嵌卡段575能以其宽度先增后减的方式自连接段574延伸而出，以产生更好的嵌卡效果。例如，图4中的嵌卡段575具有一与绝缘层56连接的圆弧面576，且圆弧面576的圆心角大于180度，因此嵌卡段575从连接段574先宽度渐增再宽度渐减。或者，如图16所示，嵌卡段575可具有一与连接段574连接的大矩形部577，以及一与大矩形部577连接的小矩形部578，大矩形部577的宽度大于连接段574的宽度，小矩形部578的宽度小于大矩形部577的宽度，如此的嵌卡段575也为宽度先增后减的设计，可产生良好的嵌卡效果。
在图4中，由于连接段574位于针身52最宽处，绝缘层56除了具有一对应凸块573形状的主区段561，更具有分别自主区段561二边缘延伸而出的二倒勾段563，主区段561位于凸块573与结构件55之间，各倒勾段563位于本体571与结构件55之间，如此的绝缘层56设计可将结构件55完全与导电件57分隔开。然而，绝缘层56的位置并无限制，绝缘层56的设计可适应不同的位置作调整而可不具有倒勾段563。例如图17所示的垂直式探针中，凸块573的嵌卡段575呈类同于图4的嵌卡段575的圆弧形设计，但凸块573及绝缘层56位于挡止部53，绝缘层56则不需具有倒勾段563。
虽然绝缘层56的位置不限，但由于绝缘层56以下即为用于传输测试讯号及接地电位的导电件57，因此，绝缘层56位于挡止部53、针身52邻接于挡止部53的处，或者针头54，是较佳的设计，可使导电件57具有适当长度，避免其讯号传输路径过长。如图18所示，绝缘层56可位于针头54且实质上对应针头54的外轮廓形状地延伸成U字形。由图18可知，结构件55可为一具有连接凸部的公构件且导电件57可为一具有连接凹部的母构件，即，导电件57(母构件)具有一凹槽，结构件55(公构件)具有一本体，以及一自本体凸伸而出的凸块，凸块及绝缘层镶嵌于凹槽内，此变化也适用于本发明的其他探针设计。绝缘层56的设置使得导电件57的体积占针头54体积的比例为小于2/3。本发明的垂直式探针通过绝缘层56将结构件55及导电件57紧密地结合在一起，在垂直式探针组装成探针头进行测试时，垂直式探针可以保持一目标范围的接触待测物次数(例如几万次)也不会造成结构件55、绝缘层56及导电件57之间的结合面分离。较佳地，导电件57(或针头54)的长度小于垂直式探针的长度的1/3。综上，绝缘层56至少部分位于针身52、挡止部53或针头54的内部或实质上位于针身52、挡止部53或针头54的内部，而以不同的形状来增加彼此的接合面积以强化其与针身52、挡止部53或针头54结合的强度与稳定度。
本发明的垂直式探针不限为如前述的挫曲式探针，也可如图19至图21所示的直线式探针，此种直线式探针可具有单一宽度(如图19所示)，或者依照需求而设计变化的宽度。例如图20中，针头54及针尾51具有单一宽度，而针身52由上而下地先渐窄再渐宽。又例如图21中，垂直式探针由上而下地逐渐变窄。此种直线式探针虽难以通过形状而明确区分出针尾51、针身52及针头54，但在设置于上、下导板30、41之后，即可通过与上、下导板30、41的位置关系定义出穿设于上导板30的针尾51、穿设于下导板41的针头54，以及位于上、下导板30、41之间的针身52，甚至，在探针穿设于上、下导板30、41之后，可通过将上、下导板30、41相互错位(例如上导板30向左移动、下导板41向右移动)，使得针身52成为挫曲状，如此一来，探针即使不具有挡止部53也可避免脱离下导板41。换言之，本发明的垂直式探针不限于具有挡止部。在本发明的直线式探针实施例中，以长度来说，导电件57包含针头54的一部分，导电件57的长度等于针头54的长度。较佳地，导电件57(或针头54)的长度小于垂直式探针的长度的1/4。
在图19至图21中，绝缘层56的形状类同于图4的绝缘层56形状，但图4的绝缘层56的倒勾段563平行于横轴L2地自主区段561延伸而出，而图19至图21中的绝缘层56的倒勾段563相对于横轴L2呈倾斜地自主区段561朝导电件57的本体571的方向延伸，如此的设计可使结构件55、绝缘层56及导电件57结合得更为稳固。
如前述的直线式探针的绝缘层设计也可如图22至图24所示，图22中的绝缘层56类同于图18中的绝缘层56，但图22中的绝缘层56呈波浪状，如此的设计可使结构件55、绝缘层56及导电件57结合得更为稳固。图23中的绝缘层56则采用与图18类同的设计。图24中的绝缘层56类同于图16中的绝缘层56，但图24中的绝缘层56更具有二倾斜的倒勾段563。图22及图24的绝缘层设计也可应用于前述的挫曲式探针，而前述的挫曲式探针的绝缘层设计也可应用于直线式探针。不论前述的挫曲式探针或直线式探针，导电件57与结构件55之间的结合力，除了靠绝缘层56材料本身的结合力之外，增加导电件57及结构件55与绝缘层56之间的结合面积，例如图22所示的绝缘层56几何形状，也可以增加结合力。绝缘层56的设置使得导电件57占针头54的比例为小于3/5。
本发明的垂直式探针不限为如前述的微机电探针，也可由传统的机械式探针(也称为成形针)加上绝缘层及导电层而制成，如图25及图26所示的垂直式探针80，垂直式探针80具有一用于穿设于如前述的上导板30的针尾81、一用于穿设于如前述的下导板41且用于点触一待测物的针头82，以及一位于针尾81与针头82之间的针身83，垂直式探针80的制造方法包含有下列步骤：
a)提供一结构件84，结构件84具有形状实质上对应针尾81、针身83及针头82的一针尾段、一针身段以及一针头段。
事实上，结构件84可为传统的机械式探针，其材质可为PdCuAg(钯铜银)、ReW(铼钨)、铑(Rh)等等。
b)对结构件84作绝缘处理而形成出一至少包覆结构件84的针头段的绝缘层85。
绝缘层85的材料可采用具有弹性的高分子材料，例如聚酰亚胺(Polyimide，简称PI)，或者也可采用无弹性的陶瓷材料，例如氧化铝(Al2O3)、氧化铪(HfO2)等等。
c)在绝缘层85上作金属镀膜而形成出一包覆至少部分的绝缘层85的导电件86，导电件86位于针头82而能用于接触待测物，且绝缘层85将导电件86完全与结构件84分隔开而使导电件86与结构件84相互绝缘。
导电件86可采用高硬度材料，例如钯(Pd)、镍(Ni)、铑(Rh)或其合金，或者采用高导电材料，例如金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)或其合金。
在本实施例中，结构件84的表面完全被绝缘层85覆盖，然而，绝缘层85不一定要将结构件84完全覆盖，只要绝缘层85将导电件86完全与结构件84分隔开即可。通过前述的制造方法，结构件84、绝缘层85及导电件86相互固定，而且，当垂直式探针80的针头82点触待测物时，只有导电件86与待测物电性连接，绝缘层85及结构件84则未与待测物电性连接。此外，在垂直式探针80的制造方法中，导电件86也可完全覆盖绝缘层85，但在结构件84的针头段与针身段交界处将导电件86断开，即导电件86在结构件84的针头段的部分与在结构件84的针身段的部分之间具有一间隙，使前述两者绝缘。
综上所述，本发明所提供的垂直式探针可仅以其导电件通过下导板单元及导电连接件而与电路板电性连接，进而使待测物与测试机相互传输讯号，而结构件则用于提供机械回弹力，使得探针与待测物弹性地接触。换言之，本发明所提供的垂直式探针仅以其导电件传输讯号，如此可使讯号传输路径较短，以符合高频测试的需求。对于现况的带宽不足(大约2GHz)的问题，本发明可将带宽提升至5GHz以上。
而且，本发明所提供的垂直式探针的结构件与导电件功能分离，可根据需求而选用不同材料作搭配，例如，导电件的单位电阻值可小于或等于结构件的单位电阻值，或者，结构件的弹性系数可大于或等于导电件的弹性系数。此外，本发明所提供的垂直式探针的结构件、绝缘层及导电件相互固定，因此垂直式探针容易安装。再者，在本发明所提供的探针头及探针卡中，下导板可供设置匹配电路，当使用软性电路板作为导电连接件时，导电连接件也可供设置匹配电路，甚至，匹配电路不需由诸如电阻、电感及电容的电子元件构成，而可通过布线来达成，因此本发明的探针头及探针卡比习用的易于设置匹配电路而可符合细微间距需求(fine pitch)。
最后，必须再次说明，本发明在前述实施例中所揭示的构成元件，仅为举例说明，并非用来限制本案的专利保护范围，其他等效元件的替代或变化，也应被本案的专利保护范围所涵盖，此外，本发明在方法实施例中，若实施为可能，各步骤可以不必具有先后顺序的关系，且可以全部或部分同时进行。
Claims (32)
1.一种垂直式探针，具有一用于穿设于一上导板的针尾、一用于穿设于一下导板的一讯号穿孔并与所述讯号穿孔的一导电内壁接触且用于点触一待测物的针头，以及一位于所述针尾与所述针头之间的针身，所述讯号穿孔的导电内壁用于与所述下导板上的一讯号导体电性连接，使所述针头通过所述导电内壁与所述下导板的讯号导体电性连接，所述讯号导体用于通过一导电连接件与一电路板或测试机电性连接，以在所述电路板或测试机与所述讯号导体之间传输一测试讯号；所述垂直式探针的特征在于：
所述垂直式探针包含有相互固定的一结构件、一绝缘层及一导电件，所述结构件包含有所述针尾及至少部分的所述针身，所述导电件包含有至少部分的所述针头，所述绝缘层将所述导电件完全与所述结构件分隔开而使所述导电件与所述结构件相互绝缘。
2.如权利要求1所述的垂直式探针，其特征在于：所述结构件及所述导电件其中之一为一母构件，所述母构件具有一凹槽，所述结构件及所述导电件其中的另一为一公构件，所述公构件具有一本体，以及一自所述本体凸伸而出的凸块，所述凸块及所述绝缘层镶嵌于所述凹槽内。
3.如权利要求2所述的垂直式探针，其特征在于：能定义出相互垂直的一纵轴及一横轴，所述针头点触所述待测物时沿所述纵轴移动；所述凸块具有一与所述本体连接的连接段，以及一与所述连接段连接的嵌卡段，至少部分的所述嵌卡段的平行于所述横轴的宽度大于所述连接段的平行于所述横轴的宽度。
4.如权利要求2所述的垂直式探针，其特征在于：所述绝缘层具有一位于所述凸块与所述母构件之间的主区段，以及一自所述主区段延伸而出且位于所述本体与所述母构件之间的倒勾段。
5.如权利要求1所述的垂直式探针，其特征在于：还具有一位于所述针身与所述针头之间的挡止部，所述绝缘层位于所述挡止部、所述针身邻接于所述挡止部之处以及所述针头三者其中之一。
6.如权利要求1所述的垂直式探针，其特征在于：所述绝缘层位于所述针头且对应所述针头的外轮廓形状地延伸成U字形。
7.如权利要求6所述的垂直式探针，其特征在于：所述导电件体积占所述针头体积的比例为小于2/3。
8.如权利要求1所述的垂直式探针，其特征在于：所述绝缘层呈波浪状。
9.如权利要求1所述的垂直式探针，其特征在于：所述导电件的长度小于所述垂直式探针的长度的1/3。
10.一种垂直式探针，具有一用于穿设于一上导板的针尾、一用于穿设于一下导板的一讯号穿孔并与所述讯号穿孔之一导电内壁接触且用于点触一待测物的针头，以及一位于所述针尾与所述针头之间的针身，所述讯号穿孔的导电内壁用于与所述下导板上的一讯号导体电性连接，使所述针头通过所述导电内壁与所述下导板的讯号导体电性连接，所述讯号导体用于通过一导电连接件与一电路板或测试机电性连接，以在所述电路板或测试机与所述讯号导体之间传输一测试讯号；所述垂直式探针的特征在于：
所述垂直式探针包含有相互固定的一结构件、一绝缘层及一导电件，所述结构件具有一针尾段、一针头段以及连接所述针尾段与所述针头段的针身段，所述绝缘层至少包覆所述结构件的针头段，所述导电件为一包覆至少部分的所述绝缘层且用于接触所述待测物的导电层，所述绝缘层将所述导电件完全与所述结构件分隔开而使所述导电件与所述结构件相互绝缘。
11.如权利要求1或10所述的垂直式探针，特征在于：能定义出一纵轴，所述针头点触所述待测物时沿所述纵轴移动，所述垂直式探针的平行于所述纵轴的长度为所述针头的平行于所述纵轴的长度的3~6倍。
12.如权利要求1或10所述的垂直式探针，其特征在于：所述导电件的单位电阻值小于或等于所述结构件的单位电阻值。
13.如权利要求1或10所述的垂直式探针，其特征在于：所述结构件的弹性系数大于或等于所述导电件的弹性系数。
14.一种垂直式探针的制造方法，所述垂直式探针具有一用于穿设于一上导板的针尾、一用于穿设于一下导板的一讯号穿孔并与所述讯号穿孔的一导电内壁接触且用于点触一待测物的针头，以及一位于所述针尾与所述针头之间的针身，所述讯号穿孔的导电内壁用于与所述下导板上的一讯号导体电性连接，使所述针头通过所述导电内壁与所述下导板的讯号导体电性连接，所述讯号导体用于通过一导电连接件与一电路板或测试机电性连接，以在所述电路板或测试机与所述讯号导体之间传输一测试讯号；所述垂直式探针的制造方法包含有下列步骤：
提供一结构件，所述结构件具有一针尾段、一针头段以及连接所述针尾段与所述针头段的针身段；
形成一至少包覆所述结构件的针头段的绝缘层；
在所述绝缘层上形成金属镀膜，而形成出一包覆至少部分的所述绝缘层并用于接触所述待测物的导电件，且所述绝缘层将所述导电件完全与所述结构件分隔开而使所述导电件与所述结构件相互绝缘。
15.一种探针头，其特征在于包含有：
一上导板；
一下导板单元，包含有至少一下导板、固定地铺设于所述至少一下导板的至少一用于传输一测试讯号的讯号导体及至少一用于电性连接一接地电位的接地导体，以及设于所述至少一下导板的至少一讯号穿孔及至少一接地穿孔，所述讯号穿孔具有一与所述讯号导体连接的导电内壁，所述讯号导体用于通过一导电连接件与一电路板或测试机电性连接，以在所述电路板或测试机与所述讯号导体之间传输一测试讯号，所述接地穿孔具有一与所述接地导体连接的导电内壁；
多个如权利要求1或10所述的垂直式探针，各所述垂直式探针的针尾穿设于所述上导板，各所述垂直式探针的针头穿设于所述至少一下导板，各所述垂直式探针中包含有至少一讯号针及至少一接地针，所述讯号针的针头穿设于所述讯号穿孔并与所述讯号穿孔的导电内壁接触以通过所述讯号穿孔的导电内壁与所述讯号导体电性连接，所述接地针的针头穿设于所述接地穿孔并与所述接地穿孔的导电内壁接触以通过所述接地穿孔的导电内壁与所述接地导体电性连接。
16.如权利要求15所述的探针头，其特征在于：所述下导板单元包含有二个所述下导板、分别固定地铺设于所述二个下导板的二个所述讯号导体，以及分别设于所述二个下导板的二个所述讯号穿孔，所述二个讯号穿孔的导电内壁分别与所述二个讯号导体连接，各所述垂直式探针中包含有二个所述讯号针，所述二个讯号针的针头分别穿设于所述二个讯号穿孔并通过所述二个讯号穿孔的导电内壁而分别与所述二个讯号导体电性连接。
17.如权利要求16所述的探针头，其特征在于：所述下导板单元包含有分别固定地铺设于所述二个下导板的二个所述接地导体。
18.如权利要求15所述的探针头，其特征在于：所述下导板单元包含有多个所述接地穿孔，各所述接地穿孔的导电内壁连接同一所述接地导体。
19.如权利要求15所述的探针头，其特征在于：所述下导板单元包含有多个所述接地导体，以及分别连接各所述接地导体的多个所述接地穿孔。
20.如权利要求15所述的探针头，其特征在于：所述接地导体设于所述讯号导体外围。
21.一种探针卡，其特征在于包含有：
一如权利要求15所述的探针头；
一电路板，与所述探针头的上导板及下导板相互固定，并提供所述讯号导体所传输的测试讯号以及所述接地导体所电性连接的接地电位；
一导电连接件，其二端分别电性连接所述讯号导体及所述电路板，以在所述电路板与所述讯号导体之间传输测试讯号。
22.如权利要求21所述的探针卡，其特征在于：所述导电连接件电性连接所述接地导体，以在所述电路板与所述接地导体之间传输接地电位。
23.如权利要求21所述的探针卡，其特征在于：所述探针头更设有一垂直式针体，所述垂直式针体具有一穿设于所述上导板的针尾、一穿设于所述下导板并通过一所述接地穿孔的导电内壁与所述接地导体电性连接的针头，以及一位于所述针尾与所述针头之间的针身，所述垂直式针体的针尾、针身及针头能相互导电，所述垂直式针体的针尾接收所述电路板提供的接地电位并依序通过针身、针头及接地穿孔的导电内壁而将接地电位传输至所述接地导体。
24.如权利要求21所述的探针卡，其特征在于：所述导电连接件为一同轴线、一扁平电缆及一软性电路板三者其中之一。
25.一种垂直式探针，用于接设于一上导板并穿设于一下导板以针测一待测物，其特征在于所述垂直式探针包含：
一针尾，用于接设于所述上导板；
一针身，连接所述针尾，所述针身用于设置于所述上导板与所述下导板之间；
一针头，耦接所述针身，所述针头用于可移动地穿设于所述下导板的一穿孔并与所述下导板的穿孔的一导电内壁接触且电性连接，所述导电内壁用于与所述下导板上的一讯号导体电性连接，使所述针头通过所述导电内壁与所述下导板的讯号导体电性连接，所述讯号导体用于通过一导电连接件与一电路板或测试机电性连接，以在所述电路板或测试机与所述讯号导体之间传输一测试讯号；
一绝缘部，用于使所述针尾电性绝缘于所述针头。
26.如权利要求25所述的垂直式探针，其特征在于：所述垂直式探针用于在所述针头针测待测物而受力时，通过所述下导板电传导一测试讯号至所述待测物，并通过所述针身提供缓冲及回弹力。
27.如权利要求26所述的垂直式探针，其特征在于：所述垂直式探针的长度为所述针头的长度的3~6倍。
28.如权利要求26所述的垂直式探针，其特征在于：所述针头与所述针尾不在同一垂直延伸轴在线。
29.如权利要求25所述的垂直式探针，其特征在于：更具有一位于所述针身与所述针头之间的挡止部，所述绝缘层至少部分位于所述针身、所述挡止部或所述针头的内部。
30.一种探针头，其特征在于包含有：
一下导板，具有一讯号穿孔，所述讯号穿孔具有一导电内壁；
一讯号导体，固定地铺设于所述下导板并与所述讯号穿孔的导电内壁连接且用于通过一导电连接件与一电路板或测试机电性连接，以在所述电路板或测试机与所述讯号导体之间传输一测试讯号；
多个垂直式探针，包含有一讯号针，所述讯号针的一针头穿设于所述下导板的讯号穿孔并与所述讯号穿孔的导电内壁接触以通过所述讯号穿孔的导电内壁与所述讯号导体电性连接。
31.如权利要求30所述的探针头，其特征在于：还包含有一上导板，所述讯号针的一针尾穿设于所述上导板，所述针尾电性绝缘于所述针头。
32.如权利要求30所述的探针头，其特征在于：所述讯号针具有一导电件及一结构件，当所述针头接触一待测物时，所述导电件与所述待测物电性连接，所述结构件未与所述待测物电性连接。
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