CN1095483A - 共面集成电路芯片微波探针 - Google Patents

Abstract

本发明是用于在片检测共面集成电路芯片电学 特性的信号传输装置。其中，探针板下表面装有信号 线15，正面地线16，导电触头19，上表面装有背面地 线8，所有地线及导电金属模块2通过低温金属焊料 和导电丝电接通。导电触头由软金属内包一硬金属 球构成。绝缘介质柱7下端为一半柱面台阶状，其中 的中心导线3与信号线15用低温金属焊料4电接 通。本发明具有插入和反射损耗小、带宽增加、特征 阻抗均匀连续、降低地回路中射频电感、导电触头耐 用不损坏芯片等优点。

Description

本发明属一种用于在片检测共面集成电路芯片电学特性的信号传输装置。

对共面集成电路芯片检测时，普通的电子探针（例如钨探针）在频率数十兆以上时，将产生严重的寄生阻抗，使信号无法传输。因此，它只能给出直流或低频特性，不足以判断集成电路性能的优劣。特殊设计制作的芯片微波探针是一种过渡器。它要完成同轴传输线到共面波导之间的转换和共面波导到待测器件芯片外接传输线即信号键合垫之间的过渡，实现直流到微波宽频带范围内特性阻抗的均匀一致性，为测试设备和共面集成电路芯片键合垫之间提供一临时的直流到微波频率范围的宽频带电学接触。使用芯片微波探针可在共面集成电路芯片解理、键合、封装之前检测集成电路性能。

与本发明最接近的芯片微波探针是美国的一个发明专利给出的“探测微波电路的装置”，专利申请日为1989年6月5日，申请号为363027，专利公告号为4965514。该专利公开的装置的结构可分为三大部分-探针板、金属模块和转换器接头。其中的探针板的下底面装有共面波导传输线，包括信号线及其两侧的地线，在信号线及两条地线的测试端装有金属的导电触头，在探针板的另一端，信号线与转换器接头的中心导体相联，两条地线与金属模块相联。这种结构，为了保证共面波导传输线的特性阻抗不偏离设定值，探针板的上表面（即探针板的基片背面）不应有金属导电层，而应当采用在金属模块上刻槽方法消除对特性阻抗的影响。这种刻槽方法在探针板上有多条信号线时就很难奏效。同时，同轴转换接头与共面波导传输线的过渡部分的特性阻抗由于结构上的原因而存在不连续性，在微波由同轴传导转换为共面传导时，会造成较大的能量损失。该专利给出的导电触头，由于材料单一，不是容易被损坏寿命不长，就是在测量时损伤被测芯片的键合垫破坏被测芯片的性能。

本发明的目的在于克服已有技术的缺点，最大程度的改善同轴传输线到共面波导之间转换和过渡的不连续性，有效地实现宽频带范围内芯片微波探针的特性阻抗的均匀一致性;同时省去金属模块的刻槽等复杂工艺，完成多条信号线时也连续均匀;且导电触头适用耐用。

为实现上述目的，在已有技术的基础上，将共面波导（CPW）板设计成地共面波导（GCPW）板，即在本发明的探针板使用地共面波导传输线，在探针板的上表面（即背面）敷有金属层构成的大面积的背面地线，提供一个良好的RF地电位，同时不再在金属模块上刻槽。采用多条信号线渐缩形式，并在两条相邻的信号线间加附加地线及提供良好的地RF电位的方法，完成多条信号线时的转换连续性和阻抗特性均匀一致，有效地减小RF地通道的寄生电感。采用软导电金属材料内包含有硬导电金属材料球的办法制作导电触头，达到即耐用又不损坏待测芯片键合垫的目的。

下面具体叙述本发明的共面集成电路芯片微波探针的结构。

本发明的微波探针主要包括有探针板、导电金属模块、微波同轴转换接头三个部分。

其中的探针板是以绝缘材料的微波介质基片为主体制作的地共面波导板。在探针板的正面（即下底面）微波介质基片上有金属的信号线和在信号线两侧的两条金属的正面地线，在探针板的探测端在信号线和正面地线上分别装有导电触头。在探针板的背面（即上表面）在微波介质基片上敷有金属层作为背面地线;在探针板的正面和背面之间穿透微波介质基片，开有若干个小孔，通过小孔使用低温金属焊料将正面地线和背面地线电接通;同时将两条正面地线通过小孔中的低温金属焊料用导电丝电接通。

其中的导电金属模块起着固定探针板和微波同轴转换接头的作用，也是二者过渡中的共同地。导电金属模块是一个具有竖直圆孔的金属模块，竖直圆孔用于插入微波同轴转换接头的绝缘介质柱，在导电金属模块的底面水平安装探针板，并使探针板的后端（与探测端对应的另一端）与绝缘介质柱的下端相接。探针板是通过导电金属模块底面上开有的凹槽安装在导电金属模块上的，凹槽的深度与探针板的厚度相同;凹槽的形状及尺寸洽好使探针板的后端部镶入凹槽中;探针板镶入导电金属模块的凹槽后，正面地线靠探针板侧面的边缘部分与导电金属模块的凹槽边缘，用低温金属焊料封连并电接通。

其中的微波同轴转换接头包括插入导电金属模块竖直圆孔内的绝缘介质柱，绝缘介质柱是沿轴线中空的，其内装入中心导体，中心导体接触到探针板的后端端表面，并与信号线电接通，同轴电缆连接器用螺钉固定在导电金属模块的顶端。探针通过同轴电缆连续器与外部设备相连。

前述的探针板上的信号线、正面地线和背面地线是采用光刻工艺制作的渐变的地共面波导（GCPW）板。探针板在镶入导电金属模块的凹槽时，使用导电胶使背面地线与凹槽的表面粘接以保证牢固和良好的电接触。探针板的探测端可制成三角形顶部，即有斜坡的探测端头，其斜角可为10°左右，这样在测量时，测量显微镜可直接观察并确定出探针板正面的最前端的位置。

为了更清楚地说明本发明的结构，可参见图1～4。

图1是本发明的微波探针的结构侧视半剖图。

图2是本发明的微波探针的结构底视图。

图3是图1的A-A剖面图。

图4是本发明的多触头探针板（包含两条信号线）的底视图。

在图1中，1是同轴电缆连接器，被螺钉固定在导电金属模块2的顶端，导电金属模块2的中间竖直圆孔内插有绝缘介质柱7。探针板是通过导电金属模块2下表面上开有的凹槽镶入导电金属模块2的。探针板的正面与导电金属模块2的底面处于同一平面内（即探针板的厚度与凹槽的深度相等）。探针板的背面敷有金属层的背面地线8，背面地线8与导电金属模块2的凹槽表面电接通。

绝缘介质柱7的下端呈一半柱面台阶状，台阶高表面5高于台阶低表面6。它们的高度差可以等于探针板的厚度。台阶高表面5与探针板后端背面面接触，并且在互相接触的平面上没有背面地线8，即属于绝缘介质柱7跟微波介质基片10的电绝缘接触。探针板的后端端面靠近中心导体3，探针板上的信号线15与中心导体3用低温金属焊料4电接通。

在制作中，中心导体3可以长出绝缘介质柱7一小部分，即中心导体3的下端面低于绝缘介质柱7的台阶低表面6，将中心导体3长出的小部分与信号线15用低温金属焊料4电接通。台阶低表面6与探针板的正面及导电金属模块2的底面大体处于一个平面内。

图1中，9是用于使正面地线跟导电金属模块2底面凹槽边缘电接通的低温金属焊料;19是安装在正面地线16探测端的导电触头，13是使正面地线与背面地线8电接通所开的小孔。

图2给出微波探针的底面结构图，对探针板来说是正面视图，所给出的是具有三个导电触头18、19、20，居中的一条信号线15和两侧的各一条正面地线16、17、10是信号线15与两条正面地线16、17之间显露出的绝缘的微波介质基片。13是正面地线16跟背面地线8之间穿透微波介质基片10开出的若干个小孔，14则是在另一条正面地线17跟背面地线8间开出的若干小孔，各相对的两两小孔13和14之间焊接有导电丝21，导电丝21及小孔13、14内的低温金属焊料将正面地线16、17，背面地线8全部电接通，并由低温金属焊料9及导电胶将它们与导电金属模块2电接通，提供一共同地电位有效减小RF地通道的寄生电感。图2中的标号2、3、4、6与图1表示的意义相同。

如图2所示，探针板的正面和背面的形状是两腰长大于底边的三角形，三角形的顶端作探测端，三角形的底边为探针板的后端;所说的信号线15、正面地线16、17制作成渐变的地共面波导传输线。这种逐渐变窄的传输线能够设计成所需的特性阻抗值。所说的安装在地共面波导传输线尖端的导电触头18、19、20是由软金属材料内包含一硬导电金属材料球构成。

导电金属模块2安装探针板的部分可以制作成梯形横截面，即自绝缘介质柱6起，导电金属模块2的宽度是逐渐变窄的，这样可以减少本发明的微波探针的侧向体积，适于实用。

图3可以明显的显示出导电金属模块2下底面开出的凹槽和镶入的探针板的位置关系。显示出小孔13，14背面地线8、正面地线16，17的位置关系，显示出导电金属模块2凹槽边缘与探针板边缘（正面地线16，17边缘）用低温金属焊料9电接通的状况。

本发明的探针板上的信号线15可以在探针板正面并列制作多条，在每相邻两条信号线15之间增加一条附加地线，所有的附加地线与正面地线、背面地线电接通。

这种多条信号线的结构亦即是多导电触头的结构称作多触点探针。所说的附加地线也是通过光刻办法制作的渐窄的传输线，它们与正面地线、背面地线的电接通也可以通过小孔、导电丝和低温金属焊料实现。

本发明还可以制作成一条信号线和一条正面地线的双触点探针;多条信号线多条正面地线的多触点探针;还可以是多条信号线、多条正面地线并带有电源供电线的多触点探针，其中电源供电线不需要考虑阻抗匹阻，与固定在导电金属模块处的穿心电容相连并引出。

图4给出了多条信号线的多触点探针的一种结构图。图4中给出并列的两条信号线15、25，在两侧有两条正面地线16、17，在两条信号线15、25之间增加一条附加地线26。所有的地线-正面地线16、17，背面地线8，附加地线26通过穿透微波介质基片10的小孔13、14、24用低温金属焊料、导电丝21连接成电通路。附加地线26的作用可以减小各信号线15、25之间电串音，又能保持传输中的特性阻抗。

本发明在使用中明显地减小了插入和反射损耗，增加微波探针的带宽。由于使用地共面传导，在探针板背面有大面积金属地，微波传输线的特性阻抗不受导电金属模块接触面积的影响，因而不必在探针板接触面处挖槽，因而有利于制作，有利于改善微波探针特性阻抗的均匀性。由于使用了一半柱面台阶状的绝缘介质柱，改善了同轴-共面波导过滤中的特性阻抗的不连续性，有利于减小转换损耗。由于通过小孔、导电丝用低温金属焊料将正面地线、背面地线电接通，使地共面波导具有一个良好的同一地电位，从而降低了地回路中的寄生电感。由于探针板后端是镶入导电金属模块的凹槽中，使导电金属模块与地有良好的电接触，也有益于降低地回路中的射频电感。由于使用了软、硬金属材料结合的办法制作导电触头，而使待测芯片键合垫不受损伤，又延长了微波探针的使用寿命。由于导电金属模块减少了侧向体积和探针板的探测端具有斜坡的探测端头，而使用方便。由于在多条并列信号线时在每相邻两条信号线间增加一条附加地线，而使多触头探针即可保持传输中的特性阻抗，又可降低信号线间的电串音。

Claims (5)

1、一种共面集成电路芯片微波探针，其结构主要由探针板、导电金属模块(2)、微波同轴转换接头三个部分构成，其中的探针板是以绝缘材料的微波介质基片(10)为主体制作的共面波导板，在探针板的正面(即下底面)在微波介质基片(10)上有金属的信号线(15)和在信号线(15)两侧的两条金属的正面地线(16，17)，在探针板的探测端在信号线(15)和正面地线(16，17)上分别装有导电触头(18，19，20)；其中的导电金属模块(2)为一个具有竖直圆孔的金属块，竖直圆孔用于插入微波同轴转换接头的绝缘介质柱(7)，在导电金属模块(2)的底面水平安装探针板，并使探针板的后端与绝缘介质柱(7)的下端相接；其中的微波同轴转换接头包括插入导电金属模块(2)竖直圆孔内的绝缘介质柱(7)，绝缘介质柱(7)是沿轴线中空的，其内装入中心导体(3)，中心导体(3)接触到探针板的后端端表面，并与信号线(15)电接通，同轴电缆连接器(1)用螺钉固定在导电金属模块(2)顶端，本发明的特征在于：

①在探针板的背面(即上表面)，在微波介质基片(10)上敷有金属层作为背面地线(8)；在探针板的正面和背面之间穿透微波介质基片(10)开有若干个小孔(13、14)，通过小孔(13、14)使用低温金属焊料，将正面地线(16、17)和背面地线(8)电接通；同时将两条正面地线(16、17)通过小孔(13、14)中的低温金属焊料用导电丝(21)电接通。

②所说的导电金属模块(2)的底面开有凹槽，凹槽深度与探针板的厚度相同，凹槽的形状及尺寸恰好使探针板的后端部镶入凹槽中；探针板镶入导电金属模块(2)的凹槽后，正面地线(16、17)靠探针板侧面的边缘部分与导电金属模块(2)的凹槽边缘用低温金属焊料(9)封连并电接通。

2、按照权利要求1所述的共面集成电路芯片微波探针，其特征在于所说的绝缘介质柱（7）的下端是一半柱面台阶状的，台阶高表面（5）高于台阶低表面（6），台阶高表面（5）与探针板的后端背面面接触，并且互相接触的平面上没有背面地线（8），探针板的后端端面靠近中心导体（3），探针板上的信号线（15）与中心导体（3）用低温金属焊料（4）电接通。

3、按照权利要求1或2所述的共面集成电路芯片微波探针，其特征在于探针板的正面和背面的形状是两腰长大于底边的三角形，三角形的顶端作探测端，三角形的底边为探针板的后端;所述的信号线（15）和正面地线（16，17）制作成渐变的地共面波导传输线;所说的导电触头（18，19，20）是由软金属材料内包含一硬导电金属材料球构成。

4、按照权利要求1或2所述的共面集成电路芯片微波探针，其特征在于所说的信号线（15）并排制作多条，在每相邻两条信号线（15）之间增加一条附加地线（26），所有附加地线（26）及正面地线（16，17）和背面地线（8）电接通。

5、按照权利要求3所述的共面集成电路芯片微波探针，其特征在于所说的信号线（15）并排制作多条，在每相邻两条信号线（15）之间增加一条附加地线（26），所有附加地线（26）及正面地线（16、17）和背面地线（8）电接通。

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