CN114167094B - 一种薄膜探针卡及其探针头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种薄膜探针卡及其探针头，其特征在于：薄膜探针头（3）的支撑体（31）的刚性作用面（311）与薄膜（32）之间设有一斜面抵靠结构（35），该斜面抵靠结构（35）包括动板（351）以及弹性件（352）；动板（351）与刚性作用面（311）两者中，一者上设有在探针（33）的轴向平面上倾斜的作用斜面（3111），而另一者上设有与作用斜面（3111）配合的配合部（3511），所述动板（351）与刚性作用面（311）通过配合部（3511）与作用斜面（3111）相抵配合；使测试时，配合部（3511）在作用斜面（3111）上发生滑动，探针（33）产生测量滑移。

Description

一种薄膜探针卡及其探针头

技术领域

本发明属于探针卡、晶圆测试技术领域，具体涉及一种薄膜探针卡及其探针头。

背景技术

近年来，随着5G技术和消费电子技术的发展和普及，半导体器件不断朝着小型化、集成化、衬垫间距密集化发展，工作频率不断提高，面向高频的晶圆级测试逐渐成为RF芯片生产中不可获取的重要一环。相较于其他类型探针卡，薄膜探针卡实现了小尺度的探针结构加工和高精度的信号线结构参数控制，减少了寄生电容和电感的产生，极大地缩短了信号路径，提高了阻抗匹配程度，广泛应用于面向高频的晶圆级测试分析。

晶圆测试过程中，需提供适当的测量滑移量和可控的接触力大小。

测量滑移，是指探针与被测Pad开始接触并开始垂直抬升运动时，探针作出微小的水平运动。适量的对推开被测焊垫或凸块表面氧化物，获得稳定电接触极为必要：滑移过小，可能会导致探针获得稳定接触所需的垂直接触力过大，对Pad产生损伤；滑移过大，可能导致探针接触到Pad外钝化层区域，损伤被测物。

可控的接触力对保证芯片pad不受损伤具有积极作用。目前常用的焊盘及凸块材料包括铝、金、铜或焊料：在空气中铝表面易发生氧化，测试过程中一般需要3-5gf的力，以穿透或推开表层氧化物，实现稳定接触；金由于材质较软，所需接触力很小, 一般在0.1-1gf之间；铜材料则需要更大的力建立良好的接触，约为5-6gf。随着半导体工艺的小型化和集成化，焊垫金属层和低K层间介质层变薄，也提高了对探针接触力控制的要求。

专利US5395253中提出：初始薄膜处于拉伸状态，当探针与被测Pad开始接触并开始垂直抬升运动时，薄膜逐渐处于放松状态，探针会因此向薄膜中心区域做微小水平运动，产生测量滑移。这种方式存在的一个显著缺点在于探针的测量滑移量与探针相对薄膜中心位置有关，不均一。

现有技术中，最具代表性的结构可参见美国专利US7893704，它提出了一种新型的薄膜探针结构，它是将探针设计为类似悬臂的结构，利用测试过程中类似悬臂的探针结构绕悬臂末端的旋转实现了测量滑移的实现，但这种方式由于探针需反复绕悬臂末端进行旋转运动，该处应力集中，薄膜易损坏。

可见，本领域亟须一种薄膜探针卡，能够实现适当的测量滑移，并提供可控的接触力，特别地，可降低薄膜探针应力，提高薄膜探针寿命。

发明内容

本发明目的是提供一种薄膜探针卡及其探针头，可实现测试过程中探针的适当测量滑移，提供可控的接触力，特别地，可降低薄膜探针使用过程中的应力，提高使用寿命。

为达到上述目的，本发明采用的薄膜探针卡技术方案是：一种薄膜探针卡，包括PCB板、连接件以及薄膜探针头；所述薄膜探针头包括提供一刚性作用面的支撑体、覆在支撑体的刚性作用面上的薄膜以及设置在薄膜上的探针和互连线；所述支撑体的刚性作用面与薄膜之间设有一斜面抵靠结构，该斜面抵靠结构包括动板以及弹性件，所述动板平行于支撑体的刚性作用面设置；动板与刚性作用面两者中，一者上设有在探针的轴向平面上倾斜的作用斜面，而另一者上设有与作用斜面配合的配合部，所述动板与刚性作用面通过配合部与作用斜面相抵配合；并且，所述弹性件设置作用在动板与刚性作用面之间；所述薄膜覆在动板的外表面上；以此，在测试时，当薄膜上的探针受到抵压，推动动板压缩了弹性件，使配合部在作用斜面上发生滑动，探针产生测量滑移。

上述方案中，所述动板为多块，它们在一个平面内布置，每块动板对应于一个或多个探针。

上述方案中，所述作用斜面设置于作刚性作用面上，而配合部设置在动板上。进一步较佳，所述配合部也为一在探针的轴向平面上倾斜的斜面。

上述方案中，较佳是所述弹性件为多个圆形截面的弹性条状体，它们铺设在刚性作用面与动板之间。实际中，弹性件也可以是其他形式，比如弹性垫、气囊均可，只要弹性件不会限制住动板的水平方向的微量移动就可以。

为达到上述目的，本发明采用的薄膜探针头技术方案是：一种薄膜探针头，包括提供一刚性作用面的支撑体、覆在支撑体的刚性作用面上的薄膜、以及设置在薄膜上的探针和互连线；所述支撑体的刚性作用面与薄膜之间设有一斜面抵靠结构，该斜面抵靠结构包括动板以及弹性件，所述动板平行于支撑体的刚性作用面设置；动板与刚性作用面两者中，一者上设有在探针的轴向平面上倾斜的作用斜面，而另一者上设有与作用斜面配合的配合部，所述动板与刚性作用面通过配合部与作用斜面相抵配合；并且，所述弹性件设置作用在动板与刚性作用面之间；所述薄膜覆在动板的外表面上；以此，在测试时，当薄膜上的探针受到抵压，推动动板压缩了弹性件，使配合部在作用斜面上发生滑动，探针产生测量滑移。

上述方案中，所述动板为多块，它们在一个平面内布置，每块动板对应于一个或多个探针。

上述方案中，所述作用斜面设置于作刚性作用面上，而配合部设置在动板上。进一步，所述配合部也为一在探针的轴向平面上倾斜的斜面。

上述方案中，所述弹性件为多个圆形截面的弹性条状体，它们铺设在刚性作用面与动板之间。

本发明巧妙地通过增加斜面抵靠结构，在测试时探针受抵压后，动板的配合部与作用斜面发生滑动配合，从而使动板发生一水平方向的微量移动，从而带动薄膜及其上的探针一同作水平方向的微量运动，即探针产生测量滑移，从而穿透或推开被测芯片表层氧化物，实现更稳定地接触。

在测试过程中：初始状态探针与被测芯片Pad未接触，衬在支撑体上方的弹性组件处于初始压缩状态，弹性件也处于未压缩状态；随着测试OD的施加，探针与被测芯片Pad接触，垂直方向发生位移，大部分位移被弹性组件吸收，剩余部分位移由探针和弹性件共同吸收，探针被上抬，动板的配合部即在作用斜面上发生滑动，动板即发生一水平方向的移动，动板的平移即带动薄膜及其上的探针也移动，即产生了测量滑移，可推开被测芯片表面脏污和氧化物，实现更稳定的电连接。

本发明有益效果：

1、本发明通过增加斜面抵靠结构，使探针在测试时作水平方向的微量侧滑，即产生了测量滑移，实现了稳定可靠的电接触。

2、本发明通过控制作用斜面的斜率、弹性件的弹力等参数，即可实现测量滑移量的控制，再通过控制弹性件的弹力，也实现了最终接触力的控制。

3、本发明通过增加斜面抵靠结构，斜面抵靠结构中包括有弹性件，实现了探针局部高度差异及整体倾斜等平面度问题的吸收和兼容，防止由于局部探针过长或多短导致的接触力过大，被测Pad损伤或探针虚接、开路等问题。

附图说明

图1为本发明实施例一薄膜探针卡的结构示意图；

图2为本发明实施例一、实施例二的薄膜探针头的结构示意图；

图3为本发明实施例一及实施例二测试前探针位置示意图；

图4为本发明实施例一及实施例二测试时探针位置对比示意图。

以上附图中：1、PCB板；11、同轴连接器；12、信号连接点；13、PCB走线；14、弹簧结构；15、PCB端螺纹孔；

2、连接件；

3、薄膜探针头；

31、支撑体；311、刚性作用面；3111、作用斜面；312、连接面；

32、薄膜；

33、探针；331、针座结构；332、针尖结构；

34、互连线；

35、斜面抵靠结构；351、动板 ；3511、配合部；352、；弹性件；

36、黏附层；

37、弹性组件；

38、补强板；381、装配用螺丝孔；382、调平用螺丝孔；

39、调平螺丝。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：参见附图1-4所示：

一种薄膜探针卡，包括PCB板1、连接件2以及薄膜探针头3；所述薄膜探针头3包括提供一刚性作用面311的支撑体31、覆在支撑体31的刚性作用面311上的薄膜32、以及设置在薄膜32上的探针33和互连线34。

PCB板1为多层环氧树脂线路板，其上分布有同轴连接器11和信号连接点12，其内部分布有PCB走线13，分别连接同轴连接器11到对应信号连接点12，实现电信号导通和传输；PCB板1表面还分布有弹簧结构14和PCB端螺纹孔15；PCB板1中心位置掏空，用于容纳薄膜探针头3；弹簧结构14位于PCB板1中心掏空处外周，用于实现与薄膜探针头3的紧密连接。

所述支撑体31为一刚性体，其中部具有一向下突出的凸部，该凸部的下表面作为所述刚性作用面311。所述支撑体31上在凸部的外围设有供与PCB板1相抵的连接面312，该连接面312也被所述薄膜32覆盖，在对应于连接面312的薄膜32部位也设有探针33，该探针33用于与PCT板1对接。

所述支撑体31的刚性作用面311与薄膜32之间设有一斜面抵靠结构35，该斜面抵靠结构35包括动板351以及弹性件352，所述动板351平行于支撑体31的刚性作用面311设置。动板351与刚性作用面311两者中，一者上设有在探针33的轴向平面上倾斜的作用斜面3111，而另一者上设有与作用斜面3111配合的配合部3511，所述动板351与刚性作用面311通过配合部3511与作用斜面3111相抵配合；并且，所述弹性件352设置作用在动板351与刚性作用面311之间；所述薄膜32覆在动板351的外表面上。

以此，在测试时，当薄膜32上的探针33受到抵压，推动动板351压缩了弹性件352，使配合部3511在作用斜面3111上发生滑动，探针33产生测量滑移。

具体，如图2、图3和图4所示，薄膜32是通过黏附层36固定在动板351上，实际中不设黏附层36，薄膜32依靠其他外力绷设在动板351的外表面上也可，只要当动板水平运动时能带动薄膜32及探针水平移动即可。

如图中举例所示，所述动板351和弹性件352的重量是承受在薄膜32上的，当动板351和弹性件352均很微小时，薄膜32完全能承受其重量，但当动板351和弹性件352比较大时，就可另设机构承托一下动板351的重量。

所述动板351可以是一块，也可以为多块，为多块时它们是在一个平面内布置，每块动板351对应于一个或多个探针33。动板351的数量按探针33的数量和分布情况选择。

本实施例中如图中举例动板351为两块，它们一左一右的布置，每块上各设多个探针33，如此设计，就使探针33分成了左右两组，且两侧的作用斜面3111的倾斜方向相反，测试时左侧的探针33和右侧的探针33均向刚性作用面311的中部发生测量滑移。

本实施例中如图中举例，所述作用斜面3111设置于作刚性作用面311上，而配合部3511设置在动板351上，且配合部3511也为一在探针33的轴向平面上倾斜的斜面，即是面对面的滑动。配合部3511实际可以不是面，而是点，以点对面滑动配合。

本实施例中如图中举例，所述弹性件352为多个圆形截面的弹性条状体，它们铺设在刚性作用面311与动板351之间。实际中，弹性件352还可以是弹性垫、气囊、弹簧等各种形式。弹性件352的材料可为PDMS、硅胶等柔性材料，可通过调节材料配比、固化温度等条件实现弹性调整，实现被测芯片Pad或探针结构间的微小高度差吸收和兼容。

为了与PCB板1对接的探针33也具有测量滑移，在支撑体31的连接面312与薄膜32之间也设有一所述斜面抵靠结构35。该斜面抵靠结构35的具体结构与支撑体31刚性作用面311与薄膜32之间的斜面抵靠结构35相同，这里不再赘述。

所述探针33具体包括针座结构331和针尖结构332两部分。针尖结构332位于针座结构331之上。针座结构331形状为长方体、圆柱、棱柱等，材料可为铑、Ni或Pd-Ni、Ni-B合金等高硬度材料。针尖结构形状为截断金字塔形或棱台、圆台等，材料为铑、Ni或Pd-Ni、Ni-B合金等耐磨性材料。

所述支撑体31的上方还设有一补强板38，该补强板38为一中心设凹陷区域的金属板，其上分布有装配用螺丝孔381和调平用螺丝孔382，边缘与支撑体31连接，其中心凹陷区域用于容纳弹性组件37，弹性组件37可为气囊、多爪弹簧等弹性体结构，如图示为弹性组件37为一气囊。调平螺丝39位于调平用螺丝孔382中，底部与弹性组件37上表面接触，调整多个调平螺丝39的相对位置可实现增强板38和支撑体31之间倾斜的校正。

弹性组件37位于补强板38与支撑体31之间，测试过程中弹性组件37处于压缩状态，施加OD，弹性组件37可发生弹性形变，吸收垂直方向运动位移。

测试过程中：初始状态如图2、图3所示，探针33与被测芯片Pad未接触，衬在支撑体31上方的弹性组件37处于初始压缩状态，弹性件37也处于未压缩状态；随着测试OD的施加，如图4所示，探针33与被测芯片Pad接触，垂直方向发生位移，大部分位移被弹性组件37吸收，剩余部分位移由探针33和弹性件352共同吸收，探针33被上抬，动板351的配合部3511即在作用斜面3111上发生滑动，动板351即发生一水平方向的移动，动板351的平移即带动薄膜32及其上的探针33也移动，即产生了距离为L的测量滑移，可推开被测芯片表面脏污和氧化物，实现更稳定的电连接。

实施例二：参见附图2-4所示：

一种薄膜探针头，包括提供一刚性作用面311的支撑体31、覆在支撑体31的刚性作用面311上的薄膜32、以及设置在薄膜32上的探针33和互连线34，其具体结构同实施例一中的薄膜探针头相同，这里不再赘述。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种薄膜探针卡，包括PCB板（1）、连接件（2）以及薄膜探针头（3）；所述薄膜探针头（3）包括提供一刚性作用面（311）的支撑体（31）、覆在支撑体（31）的刚性作用面（311）上的薄膜（32）以及设置在薄膜（32）上的探针（33）和互连线（34）；其特征在于：

所述支撑体（31）的刚性作用面（311）与薄膜（32）之间设有一斜面抵靠结构（35），该斜面抵靠结构（35）包括动板（351）以及弹性件（352），所述动板（351）平行于支撑体（31）的刚性作用面（311）设置；动板（351）与刚性作用面（311）两者中，一者上设有在探针（33）的轴向平面上倾斜的作用斜面（3111），而另一者上设有与作用斜面（3111）配合的配合部（3511），所述动板（351）与刚性作用面（311）通过配合部（3511）与作用斜面（3111）相抵配合；并且，所述弹性件（352）设置作用在动板（351）与刚性作用面（311）之间；所述薄膜（32）覆在动板（351）的外表面上；

以此，在测试时，当薄膜（32）上的探针（33）受到抵压，推动动板（351）压缩了弹性件（352），使配合部（3511）在作用斜面（3111）上发生滑动，探针（33）产生测量滑移。

2.根据权利要求1所述薄膜探针卡，其特征在于：所述动板（351）为多块，它们在一个平面内布置，每块动板（351）对应于一个或多个探针（33）。

3.根据权利要求1所述薄膜探针卡，其特征在于：所述作用斜面（3111）设置于刚性作用面（311）上，而配合部（3511）设置在动板（351）上。

4.根据权利要求3所述薄膜探针卡，其特征在于：所述配合部（3511）也为一在探针（33）的轴向平面上倾斜的斜面。

5.根据权利要求1所述薄膜探针卡，其特征在于：所述弹性件（352）为多个圆形截面的弹性条状体，它们铺设在刚性作用面（311）与动板（351）之间。

6.一种薄膜探针头，其特征在于：包括提供一刚性作用面的支撑体（31）、覆在支撑体（31）的刚性作用面（311）上的薄膜（32）、以及设置在薄膜（32）上的探针（33）和互连线（34）；其特征在于：

所述支撑体（31）的刚性作用面（311）与薄膜（32）之间设有一斜面抵靠结构（35），该斜面抵靠结构（35）包括动板（351）以及弹性件（352），所述动板（351）平行于支撑体（31）的刚性作用面（311）设置；动板（351）与刚性作用面（311）两者中，一者上设有在探针（33）的轴向平面上倾斜的作用斜面（3111），而另一者上设有与作用斜面（3111）配合的配合部（3511），所述动板（351）与刚性作用面（311）通过配合部（3511）与作用斜面（3111）相抵配合；并且，所述弹性件（352）设置作用在动板（351）与刚性作用面（311）之间；所述薄膜（32）覆在动板（351）的外表面上；

以此，在测试时，当薄膜（32）上的探针（33）受到抵压，推动动板（351）压缩了弹性件（352），使配合部（3511）在作用斜面（3111）上发生滑动，探针（33）产生测量滑移。

7.根据权利要求6所述薄膜探针头，其特征在于：所述动板（351）为多块，它们在一个平面内布置，每块动板（351）对应于一个或多个探针（33）。

8.根据权利要求6所述薄膜探针头，其特征在于：所述作用斜面（3111）设置于刚性作用面（311）上，而配合部（3511）设置在动板（351）上。

9.根据权利要求8所述薄膜探针头，其特征在于：所述配合部（3511）也为一在探针（33）的轴向平面上倾斜的斜面。

10.根据权利要求6所述薄膜探针头，其特征在于：所述弹性件（352）为多个圆形截面的弹性条状体，它们铺设在刚性作用面（311）与动板（351）之间。

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