DE29623282U1

DE29623282U1 - Probe card for measuring extremely low currents

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Publication number: DE29623282U1
Application number: DE29623282U
Authority: DE
Original assignee: Cascade Microtech Inc
Current assignee: FormFactor Beaverton Inc
Priority date: 1995-12-01
Filing date: 1996-11-26
Publication date: 1998-02-19
Anticipated expiration: 2006-11-27

Description

STRASSE & H0HTEB"ER ··'STREET & H0HTEB"ER ··'

Patentanwälte
European Patent Attorneys · European Trademark AttorneysPatent attorneys
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PatentanwältePatent attorneys

European Patent Attorney 'European Patent Attorney '

European Trademark attorneyEuropean trademark attorney

Dipi.-ing. Joachim Strasse ■"Dipi.-ing. Joachim Strasse ■"

Or.rer.nat ALFONS j. HOFSTETTER ^&uacgr;*Or.rer.nat ALFONS j. HOFSTETTER ^&uacgr; *

Dr.-ing. Eduard F. Schurack *Dr.-ing. Eduard F. Schurack *

Zugelassene Vertreter beimAuthorized representatives at

" Europäischen Patentamt ' Europäischen Harmonisierungsamt für den Sinnenmarkt (Marken, Muster, Modelle)" European Patent Office ' European Office for Harmonization in the Internal Market (Trade Marks and Designs)

München, den 28. November 1997 Anwaltsakte: 24618Munich, 28 November 1997 Attorney file: 24618

CASCADE MICROTECH, INC.CASCADE MICROTECH, INC.

14255 S.W. Brigadoon Court, Beaverton,14255 S.W. Brigadoon Court, Beaverton,

Oregon 97005, U.S.A.Oregon 97005, USA

Deutsche Gebrauchsmuster-NeuanmeldungNew German utility model application

Abzweigung aus
der deutschen Patentanmeldung 196 48 949.0Branch from
of the German patent application 196 48 949.0

Sondenkarte zur Messung von äußerst niedrigen StrömenProbe card for measuring extremely low currents

BALANSTRASSE 57 · D-81541 MÜNCHENBALANSTRASSE 57 · D-81541 MUNICH

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Die vorliegende Erfindung betrifft Sondenkarten, wie sie zum Abtasten von Prüflingen, beispielsweise von integrierten Schaltungen auf einem Wafer, verwendet werden, und insbesondere Sondenkarten, die zur Messung äußerst niedriger Ströme geeignet sind.The present invention relates to probe cards used for sensing devices under test, for example integrated circuits on a wafer, and in particular to probe cards suitable for measuring extremely low currents.

Typischerweise wird beim Aufbau einer Sondenkarte eine dielektrische Platine als Grundelement verwendet. Eine Mehrzahl von Abtastmeßgeräten ist radial um eine Öffnung in der Platine herum angeordnet, so daß die Abtastelemente dieser Meßgeräte, wobei es sich beispielsweise um schmale leitende Nadeln handeln kann, unterhalb der Öffnung in einer musterartigen Anordnung enden, die zum Abtasten der Kontaktstellen des Prüflings geeignet ist. Die Abtastmeßgeräte sind über eine Mehrzahl von Verbindungsleitungen einzeln an entsprechende Kanäle eines Testinstruments angeschlossen, wobei der Abschnitt einer jeden Leitung, der zwischen dem entsprechenden Abtastmeßgerät und dem äußeren Rand der dielektrischen Platine verläuft, ein Verbindungskabel oder ein direkt auf der Platine ausgebildetes Leiterzugmuster sein kann. Bei einer herkömmlichen Art von Aufbau, bei dem die Prüflinge auf einem Halbleiterwafer ausgebildete integrierte Schaltungen sind, wird die Sondenkarte mittels einer Halterung oder eines Tastkopfs über dem Wafer befestigt, und eine Haltevorrichtung unter dem Wafer bewegt den Wafer derart, daß jedes darauf befindliche Gerät der Reihe nach mit den Nadeln oder Abtastelementen der Sondenkarte in Kontakt gebracht wird.Typically, a probe card is constructed using a dielectric board as the basic element. A plurality of scanning gauges are arranged radially around an opening in the board so that the sensing elements of these gauges, which may be, for example, narrow conductive needles, terminate below the opening in a patterned arrangement suitable for sensing the contact points of the device under test. The scanning gauges are individually connected to corresponding channels of a test instrument via a plurality of connecting leads, the portion of each lead that runs between the corresponding scanning gauge and the outer edge of the dielectric board being a connecting cable or a conductor pattern formed directly on the board. In one conventional type of setup, where the devices under test are integrated circuits formed on a semiconductor wafer, the probe card is mounted above the wafer by a fixture or probe, and a jig below the wafer moves the wafer so that each device thereon is brought into contact in turn with the needles or sensing elements of the probe card.

Im besonderen Hinblick auf Sondenkarten, die zur Messung äußerst geringer Ströme (d.h. in einem Wertebereich von Femto-Ampere oder noch kleiner) besonders geeignet sind, waren die Konstrukteure von Sondenkarten bislang mit der Aufgabenstellung konfrontiert, Techniken zur Eliminierung oder zumindest Verringerung der Auswirkungen von Kriechströmen zu entwickeln. Derartige Kriechströme sind unerwünschte Ströme, die von umgebenden Kabeln oder Kanälen in ein bestimmtes Kabel oder einen bestimmten KanalWith particular regard to probe cards that are particularly suited to measuring extremely low currents (i.e. in the femto-ampere range or even smaller), probe card designers have been faced with the challenge of developing techniques to eliminate or at least reduce the effects of leakage currents. Such leakage currents are unwanted currents that leak from surrounding cables or ducts into a particular cable or duct.

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fließen können und dabei den in diesem bestimmten Kabel oder Kanal gemessenen Strom verzerren. Bei einer gegebenen Potentialdifferenz zwischen zwei beabstandeten Leitern schwankt der Betrag des zwischen diesen fließenden Kriechstroms in Abhängigkeit vom Volumenwiderstand des die Leiter trennenden Isoliermaterials, d.h. bei Verwendung eines Isolators mit verhältnismäßig geringerem Widerstand ergibt sich ein vergleichsweise höherer Kriechstrom. Daher wird ein Konstrukteur von Sondenkarten für niedrige Ströme im Normalfall die Verwendung von einadrigen Drähten mit Gummiisolierung auf einer Glas-Epoxy-Platine vermeiden, da Gummi und Glas-Epoxy-Materialien bekanntlich Isolatoren mit relativ geringem Widerstand sind, durch die relativ große Kriechströme fließen können.can flow and distort the current measured in that particular cable or duct. For a given potential difference between two spaced conductors, the amount of leakage current flowing between them will vary depending on the volume resistivity of the insulating material separating the conductors, i.e. using an insulator with relatively lower resistance will result in a relatively higher leakage current. Therefore, a low current probe card designer will normally avoid using single-core rubber-insulated wires on a glass-epoxy board, as rubber and glass-epoxy materials are known to be relatively low resistance insulators through which relatively large leakage currents can flow.

Eine Technik zur Unterdrückung von Kriechströmen zwischen Kanälen sieht vor, den inneren Kern eines jeden Eingangsdrahts mit einem zylindrischen "Abschirmungs"-Leiter zu umgeben, wobei dieser Leiter durch eine Rückkopplungsschaltung im Ausgangskanal des Testinstruments auf demselben Potential gehalten wird wie der innere Kern. Aufgrund der Tatsache, daß die Spannungspotentiale des äußeren Abschirmungs-Leiters und des inneren leitenden Kerns einander im wesentlichen nachlaufen, fließt ein vernachlässigbarer Kriechstrom über das diese Leiter trennende, innere Dielektrikum, unabhängig davon, ob das innere Dielektrikum aus einem Material mit geringem oder mit hohem Widerstand hergestellt ist. Obwohl es noch immer zu einem Fließen von Kriechstrom zwischen den Abschirmungs-Leitern der entsprechenden Kabel kommen kann, stellt dies im typischen Fall kein Problem dar, da diese Abschirmungs-Leiter im Gegensatz zu den inneren leitenden Kernen eine geringe Impedanz haben. Durch Verwendung dieser Abschirmungstechnik läßt sich eine wesentliche Verbesserung der Fähigkeit von gewissen Auslegungen von Sondenkarten zur Messung niedriger Ströme erzielen.One technique for suppressing leakage current between channels is to surround the inner core of each input wire with a cylindrical "shield" conductor, which conductor is held at the same potential as the inner core by a feedback circuit in the output channel of the test instrument. Due to the fact that the voltage potentials of the outer shield conductor and the inner conductive core essentially track each other, negligible leakage current flows across the inner dielectric separating these conductors, regardless of whether the inner dielectric is made of a low or high resistance material. Although leakage current may still flow between the shield conductors of the respective cables, this is not typically a problem because these shield conductors have a low impedance, unlike the inner conductive cores. By using this shielding technique, a significant improvement in the ability of certain probe card designs to measure low currents can be achieved.

Zur weiteren Verbesserung der Fähigkeit zur Messung niedriger Ströme sind Sondenkarten derart ausgelegt worden, daß sie Kriechströme zwischen den einzelnen Abtastmeßgeräten, die dieTo further improve the ability to measure low currents, probe cards have been designed to detect leakage currents between the individual scanning instruments that

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Abtastnadeln oder andere Elemente halten, minimieren. Bei diesen Geräten wurden isolierende Materialien mit höherem Widerstand anstelle von Materialien mit geringerem Widerstand verwendet und zusätzliche leitende Oberflächen um jedes Gerät herum vorgesehen, um als Abschirmung bezüglich dieses Geräts zu fungieren. Bei einer Art von Aufbau ist beispielsweise jedes Abtastmeßgerät unter Verwendung eines dünnen Plättchens aus keramischem Material hergestellt, d.h. einem Material, das bekanntlich einen relativ hohen Volumenwiderstand hat. Ein länglicher Leiterzug ist auf einer Seite des Plättchens als Signalleitung vorgesehen, und eine leitende Oberfläche auf der Rückseite ist auf der anderen Seite des Plättchens zum Zwecke der Abschirmung vorgesehen. Das Abtastelement dieses Geräts wird von einer schmalen leitenden Nadel gebildet, beispielsweise aus Wolfram, die einseitig eingespannt vom Signalleiterzug weg verläuft. Derartige Geräte sind im Handel erhältlich, zum Beispiel von der Cerprobe Corporation, Tempe, Arizona, Vereinigte Staaten von Amerika. Während des Zusammenbaus der Sondenkarte werden die Keramikplättchen radial um die Öffnung in der Karte herum am Rand angeordnet, so daß die Nadeln innerhalb der Öffnung in einer musterartigen Anordnung auslaufen, die zum Abtasten des Prüflings geeignet ist. Die leitende Rückseite eines jeden Plättchens ist mit dem Abschirmungsleiter, des entsprechenden Kabels verbunden ebenso wie mit dem entsprechenden leitenden Flecken oder "Land" in der Nähe der Öffnung in der Sondenkarte. Auf diese Weise ist jeder leitende Pfad durch den Leiter auf der Rückseite auf der gegenüberliegenden Seite des Plättchens und durch den leitenden Flecken darunter abgeschirmt.styli or other elements. In these devices, insulating materials of higher resistance have been used instead of materials of lower resistance and additional conductive surfaces have been provided around each device to act as a shield with respect to that device. In one type of construction, for example, each stylus meter is made using a thin wafer of ceramic material, i.e., a material known to have a relatively high volume resistivity. An elongated conductive trace is provided on one side of the wafer as a signal trace, and a conductive surface on the back is provided on the other side of the wafer for shielding purposes. The sensing element of this device is formed by a narrow conductive needle, such as tungsten, which is cantilevered away from the signal trace. Such devices are commercially available, for example, from Cerprobe Corporation, Tempe, Arizona, USA. During assembly of the probe card, the ceramic wafers are arranged radially around the opening in the card so that the needles within the opening will ebb and flow in a patterned arrangement suitable for scanning the device under test. The conductive back of each wafer is connected to the shield conductor of the corresponding cable as well as to the corresponding conductive patch or "land" near the opening in the probe card. In this way, each conductive path is shielded by the conductor on the back on the opposite side of the wafer and by the conductive patch below it.

Es wurde jedoch festgestellt, daß selbst bei Verwendung von abgeschirmten Kabeln und Abtastmeßgeräten aus Keramik der gerade beschriebenen Art der Pegel unerwünschten Hintergrundstroms immer noch nicht so verringert ist, daß er den Fähigkeiten der letzten Generation von im Handel erhältlichen Testinstrumenten gleichkäme, die in der Lage sind, Ströme bis zu einem Wert von einem Femto-Ampere oder noch weniger zu messen. Somit lag die Schlußfolgerung nahe, daß andere Änderungen an Sondenkartenaus-However, it was found that even when using shielded cables and ceramic sampling meters of the type just described, the level of unwanted background current was still not reduced to match the capabilities of the last generation of commercially available test instruments, which are capable of measuring currents down to a femto-ampere or even less. It was therefore reasonable to conclude that other changes to probe card designs

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legungen vorgenommen werden mußten, um mit der Technologie der Auslegung von Testinstrumenten Schritt halten zu können.had to be made in order to keep pace with the technology of test instrument design.

In der letzten Generation von Sondenkarten gingen die Bestrebungen dahin, Kriechstromwege mit geringem Widerstand innerhalb der Sondenkarte systematisch zu eliminieren und umfangreiche und ausgefeilte Abschirmungsaufbauten vorzusehen, die die Leiter entlang dem Signalpfad umgeben sollen. In einer neueren Auslegung wurde beispielsweise die gesamte Hauptplatine aus Glas-Epoxy-Material durch eine Platine aus Keramikmaterial ersetzt, wobei dieses Material, wie bereits voranstehend erwähnt, einen relativ hohen Widerstand gegenüber Kriechströmen hat. In dieser Auslegung wurden die Eingangsdrähte durch Signalleiterzüge ersetzt, die direkt auf der Hauptplatine aufgebracht wurden, wobei diese Leiterzüge von einem äußeren Rand der Hauptplatine zu entsprechenden leitenden Flecken verlaufen, die die Öffnung der Platine umgeben. Jeder Flecken ist wiederum mit dem Signalleiterzug eines korrespondierenden keramischen Plättchens verbunden. Außerdem ist ein Paar Abschirmungs-Leiterzüge auf jeder Seite eines jeden Signalleiterzugs vorgesehen, um jeden Leiterzug weiter gegenüber Kriechströmen zu isolieren.In the last generation of probe cards, efforts have been made to systematically eliminate low resistance leakage paths within the probe card and to provide extensive and sophisticated shielding structures to surround the conductors along the signal path. In a recent design, for example, the entire main board made of glass-epoxy material was replaced with a board made of ceramic material, which material, as mentioned above, has a relatively high resistance to leakage currents. In this design, the input wires were replaced by signal traces applied directly to the main board, with these traces running from an outer edge of the main board to corresponding conductive pads surrounding the board opening. Each pad is in turn connected to the signal trace of a corresponding ceramic die. In addition, a pair of shield traces are provided on either side of each signal trace to further isolate each trace from leakage currents.

In einer weiteren dieser neueren Auslegungen wird eine Hauptplatine aus Keramikmaterial mit drei aktiven Schichten verwendet, um eine dreidimensionale Abschirmung zu erhalten. Über dieser Hauptplatine und in Verbindung mit dieser befindet sich eine Schnittstellenplatine mit vier Quadranten, die weitere Abschirmungsaufbauten enthält. Zwischen diesen zwei Platinenaufbauten befindet sich eine dritte Einheit mit einem "gefederten Karussell ("pogo carousel"). In diesem gefederten Karussell werden gefederte Stifte verwendet, um eine Mehrzahl von Signalleitungen zu bilden, die die Schnittstellenplatine mit der unteren Hauptplatine verbinden. Es versteht sich, daß bezüglich dieser gefederten Stifte das Ziel des Ersetzens von Isolatoren mit geringerem Widerstand durch solche mit höherem Widerstand seine praktische Grenze erreicht hat, d.h. der Isolator, der normalerweise den inneren Leiter umgeben würde, wurde vollkommen eliminiert.In another of these newer designs, a main board made of ceramic material with three active layers is used to provide a three-dimensional shield. Above and in conjunction with this main board is a four-quadrant interface board containing further shielding structures. Between these two board structures is a third unit comprising a "pogo carousel". In this pogo carousel, spring-loaded pins are used to form a plurality of signal lines connecting the interface board to the lower main board. It is understood that with regard to these spring-loaded pins, the goal of replacing lower resistance insulators with higher resistance ones has reached its practical limit, i.e. the insulator that would normally surround the inner conductor has been completely eliminated.

Die soeben beschriebenen Auslegungsformen von Sondenkarten stellen den aktuellen Stand der Technik dar. Aus den voranstehenden Beispielen ergibt sich, daß ein grundlegender Aspekt im Stand der Technik die Unterdrückung von Kriechströmen zwischen Kanälen ist. Durch Verwendung dieser neueren Auslegungsformen wurde es möglich, Ströme bis fast in den Femto-Ampere-Bereich zu messen. Jedoch ist das in diesen neueren Auslegungen verwendete Keramikmaterial relativ teurer als das zuvor verwendete Glas-Epoxy-Material. Ein weiteres Problem bei Keramikmaterialien ist ihre relativ große Neigung zur Absorption von Oberflächenverunreinigungen, wie sie beispielsweise während der Handhabung der Sondenkarte von der Haut auf dieser abgelagert werden. Diese Verunreinigungen können den Oberflächenwiderstand des Keramikmaterials in einem solchen Maße verringern, daß sich eine erhebliche Steigerung von Kriechstrompegeln ergibt. Außerdem schlagen die teureren und ausgefeilteren Abschirmungsstrukturen, die in diesen neueren Auslegungen verwendet werden, mit einer starken Erhöhung der Auslegungs- und Montagekosten zu Buche. Aus diesen Entwicklungen läßt sich erahnen, daß Verbesserungen der Fähigkeit der Karten zur Messung niedriger Ströme aller Wahrscheinlichkeit nach nur allmählich erzielt werden können, wobei derartige Verbesserungen beispielsweise auf immer ausgefeiltere Abschirmungssysteme oder auf weitere Forschung im Bereich von Isoliermaterialien mit hohem Widerstand zurückzuführen sein werden.The probe card designs just described represent the current state of the art. From the foregoing examples, it is clear that a fundamental aspect of the prior art is the suppression of leakage currents between channels. By using these newer designs, it has become possible to measure currents almost into the femto-ampere range. However, the ceramic material used in these newer designs is relatively more expensive than the glass-epoxy material previously used. Another problem with ceramic materials is their relatively high tendency to absorb surface contaminants, such as those deposited on the probe card by skin during handling. These contaminants can reduce the surface resistance of the ceramic to such an extent that a significant increase in leakage current levels occurs. In addition, the more expensive and sophisticated shielding structures used in these newer designs result in a large increase in design and assembly costs. From these developments it can be inferred that improvements in the ability of the cards to measure low currents are likely to be gradual, with such improvements being due, for example, to increasingly sophisticated shielding systems or further research into high resistance insulating materials.

Es ist ebenfalls zu beachten, daß es auch andere, von der Auslegung unabhängige Faktoren gibt, die Einfluß darauf nehmen, ob das Potential einer bestimmten Sondenkarte zur Messung geringer Ströme vollkommen realisiert wird oder nicht. Wenn bei der Montage der Karte nicht besondere Sorgfalt aufgewandt wird, dann können beispielsweise Oberflächenverunreinigungen, beispielsweise Öle und Salze von der Haut oder Lötzinnreste, die Oberfläche der Karte verunreinigen und ihre Leistung verschlechtern (aufgrund ihrer ionischen Natur können derartige Verunreinigungen unerwünschte elektrochemische Wirkungen haben). Selbst unter der Annahme, daß die Karte korrekt ausgelegt und montiert wurde,It should also be noted that there are other factors, independent of design, that affect whether or not the low current potential of a particular probe card is fully realized. For example, if special care is not taken when assembling the card, surface contaminants, such as oils and salts from skin or solder residue, can contaminate the surface of the card and degrade its performance (due to their ionic nature, such contaminants can have undesirable electrochemical effects). Even assuming that the card has been correctly designed and assembled,

kann es ferner passieren, daß die Karte vielleicht nicht richtig an das Testinstrument angeschlossen ist, oder daß das Testinstrument vielleicht nicht richtig kalibriert ist, um beispielsweise die Wirkungen von Spannungs- und Stromoffsets vollkommen auszuschalten. Außerdem können die Sondenkarte oder die Verbindungsleitungen als Aufnahmestellen für Wechselstromfelder dienen, wobei diese Wechselstromfelder von der Eingangsschaltung des Testinstruments gleichgerichtet werden können, so daß Fehler in den angezeigten Gleichstromwerten auftreten. Somit müssen geeignete Abschirmungsvorgänge bezüglich der Sondenkarte, der Verbindungsleitungen und des Testinstruments angewandt werden, um diese Feldstörungen abzuschirmen. Aufgrund dieser Faktoren kann es beim Testen einer neuen Sondenkartenauslegung äußerst schwierig sein, die Ursachen für unerwünschten Hintergrundstrom in der neuen Auslegung zu isolieren, aufgrund der zahlreichen und möglicherweise interagierenden Faktoren, die für eine derartige Störung verantwortlich sein können.it may also happen that the card may not be properly connected to the test instrument, or that the test instrument may not be properly calibrated to completely eliminate the effects of voltage and current offsets, for example. In addition, the probe card or interconnecting leads may act as pickups for AC fields, and these AC fields may be rectified by the input circuitry of the test instrument, causing errors in the DC readings. Thus, appropriate shielding procedures must be used on the probe card, interconnecting leads, and test instrument to shield these field disturbances. Because of these factors, when testing a new probe card design, it can be extremely difficult to isolate the causes of unwanted background current in the new design due to the numerous and possibly interacting factors that may be responsible for such disturbance.

In Anbetracht der voranstehenden Ausführungen wird eine Sondenkarte benötigt, die zur Messung äußerst niedriger Strompegel verwendbar ist und gleichzeitig aus relativ billigen Materialien in einem relativ unkomplizierten Montageprozess kostengünstig hergestellt werden kann.In view of the foregoing, a probe card is needed that can be used to measure extremely low current levels and at the same time can be inexpensively manufactured from relatively inexpensive materials in a relatively straightforward assembly process.

Gemäß vorliegender Erfindung wurde festgestellt, daß das primäre Problem, zumindest in einer bestimmten Stufe der Auslegung, nicht darin besteht, wie man die zwischen den verschiedenen Signalkanälen fließenden Kriechströme unterdrückt, sondern vielmehr darin liegt, wie diejenigen Ströme, die als Ergebnis der reibungselektrischen Wirkung intern in jedem Kabel oder Signalkanal auftreten, am besten unterdrückt. In einem abgeschirmten Kabel können reibungselektrische Ströme aufgrund von Reibung zwischen dem Abschirmungsleiter und dem inneren Dielektrikum zwischen diesen auftreten, wodurch freie Elektronen den Leiter verlassen und ein Ladungsungleichgewicht entsteht, das zum Fließen von Strom führt. Hatte man erst einmal erkannt, daß diese reibungselektrische Wirkung vielleicht der kritische Punkt ist,In accordance with the present invention, it has been found that the primary problem, at least at some stage of the design, is not how to suppress the leakage currents flowing between the various signal channels, but rather how best to suppress those currents that occur as a result of the triboelectric effect internal to each cable or signal channel. In a shielded cable, triboelectric currents can occur due to friction between the shield conductor and the internal dielectric between them, causing free electrons to leave the conductor and creating a charge imbalance that leads to current flow. Once it is recognized that this triboelectric effect may be the critical point,

wurde diese Erkenntnis getestet, indem rauscharme Kabel anstelle der bis dahin verwendeten Abschirmungskabel verwendet wurden. Diese rauscharmen Kabel, die aufgrund der vorgeschriebenen Größenverhältnisse maßgefertigt werden mußten, wirkten sich in einer erheblichen Änderung der Fähigkeit der Karte zur Messung niedriger Ströme aus. Obwohl diese Kabel in Verbindung mit einer relativ kostengünstigen Glas-Epoxy-Platine verwendet wurden, und obwohl nach herkömmlicher Betrachtungsweise diese Art von Material nicht ausreichend hohen Widerstand hat, um Messungen von äußerst niedrigen Strömen zu ermöglichen, war es tatsächlich möglich, Strommessungen bis in den Femto-Ampere-Bereich hinein durchzuführen. Innerhalb weniger Wochen ab dieser Feststellung ergab sich der kommerzielle Wert dieser Erfindung in offensichtlicher Weise, als Meßdaten aus einem Prototyp der in Rede stehenden Sondenkarte zu einem Kundenbestellauftrag von zwei Sondenmeßstationen mit einem Stückwert von mehreren Hunderttausend U.S.-Dollars geführt hatten.This discovery was tested by using low-noise cables instead of the shielded cables used up to that point. These low-noise cables, which had to be custom-made due to the size constraints, had the effect of significantly changing the card's ability to measure low currents. Although these cables were used in conjunction with a relatively inexpensive glass-epoxy board, and although conventional wisdom holds that this type of material does not have sufficiently high resistance to allow measurements of extremely low currents, it was actually possible to make current measurements down to the femto-ampere range. Within a few weeks of this discovery, the commercial value of this invention became evident when measurement data from a prototype of the probe card in question had led to a customer order for two probe measuring stations valued at several hundred thousand U.S. dollars each.

Es versteht sich, daß der Erfinder im vorliegenden Fall keinesfalls für sich beansprucht, eine neue Lösung für das Problem des reibungselektrischen Effekts gefunden zu haben. Eine relativ einfache Lösung dieses Problem findet sich auf dem Gebiet der Kabeltechnologie, wo bekannt ist, wie ein rauscharmes Kabel durch Verwendung einer zusätzlichen Materialschicht zwischen dem äußeren Leiter und dem inneren Dielektrikum herzustellen ist, wobei dieses Material eine geeignete Zusammensetzung zur Unterdrückung des reibungselektrischen Effekts hat. Diese Schicht enthält insbesondere einen nichtmetallischen Anteil, der physikalisch mit dem inneren Dielektrikum kompatibel ist, so daß verhindert wird, daß sie übermäßig gegen dieses Dielektrikum reibt, und sie enthält andererseits einen ausreichend leitenden Anteil, der sofort jedwedes Ladungsungleichgewicht beseitigt, das von freien Elektronen verursacht wird, die den äußeren Leiter durch Reibung verlassen haben. Es wird nicht vom Erfinder beansprucht, daß diese bestimmte Lösung des durch Reibungselektrizität bedingten Problems seine Erfindung ist. Vielmehr ist es die Erkenntnis, daß dieses spezifische Problem eine Hauptursache fürIt is understood that in the present case the inventor in no way claims to have found a new solution to the problem of the triboelectric effect. A relatively simple solution to this problem can be found in the field of cable technology, where it is known how to produce a low-noise cable by using an additional layer of material between the outer conductor and the inner dielectric, this material having a suitable composition for suppressing the triboelectric effect. This layer contains in particular a non-metallic portion which is physically compatible with the inner dielectric so as to prevent it from rubbing excessively against this dielectric, and on the other hand it contains a sufficiently conductive portion which immediately eliminates any charge imbalance caused by free electrons which have left the outer conductor due to friction. The inventor does not claim that this particular solution to the problem caused by triboelectricity is his invention. Rather, it is the recognition that this specific problem is a major cause of

eine Leistungsverschlechterung auf dem Gebiet der Auslegung von Sondenkarten zur Messung geringer Ströme darstellt, die der Erfinder als seine Erfindung betrachtet.represents a performance degradation in the field of low current probe card design, which the inventor considers to be his invention.

Zurückblickend läßt sich darüber spekulieren, warum die Bedeutung des reibungselektrischen Effekts nicht früher von Forschern auf dem Gebiet der Auslegung von Sondenkarten entdeckt wurde. Ein möglicher Grund hierfür mag darin liegen, daß die Überprüfung der Bedeutung dieses Effekts nicht bloß eine Frage des Ersetzens von Abschirmungskabeln durch rauscharme Kabel ist. Wie bereits im vorhergehenden erwähnt, wurden in der neueren Generation von Sondenkartenauslegungen Abschirmungskabel größtenteils durch direkt auf der dielektrischen Hauptplatine aufgebrachte Leiterzüge ersetzt. Daher muß, um mit einer Auslegung zu beginnen, bei der dieses Problem einer unkomplizierten Lösung zugänglich ist, auf eine ältere und vermutlich weniger effektive Technologie zurückgegriffen werden. Außerdem würde der Durchschnittsfachmann, der eine Sondenkarte mit rauscharmen Kabeln zusammengebaut und anschließend getestet hat, aufgrund der voranstehend erwähnten, von der Auslegung unabhängigen Faktoren nicht unbedingt die Überlegenheit dieser Sondenkarte zur Messung von geringen Strömen erkennen. Beispielsweise könnte sich der Hintergrundpegel von Strom aufgrund von Oberflächenverunreinigungen, die sich während der Montage der Sondenkarte auf dieser abgelagert haben, derart erhöhen, daß die Wirkung der rauscharmen Kabel nicht zu Tage tritt. Hinzu kommt, daß die auf dem Gebiet der Auslegung von Sondenkarten eingeschlagene Richtung, wo die Betonung auf dem Problem der Unterdrückung von Kriechströmen zwischen Kanälen liegt, zu Lösungen geführt hat, die zufällig auch im wesentlichen zu einer Lösung des Problems des reibungselektrischen Effekts geführt haben. Diese Lösungen, die ein Ersetzen der Kabel durch Leiterzüge auf Keramikplatinen oder die Verwendung von Signalleitungen, in denen der Signalleiter (wie im Fall von Signalleitungen, die durch gefederte Stifte gebildet wurden) keinen ihn umgebenden Isolator hat, vorsehen, sind im Vergleich zu der relativ unkomplizierten Lösung des Erfinders für das Problem des reibungselektrischen Effekts rela-In retrospect, one can speculate why the importance of the triboelectric effect was not discovered earlier by researchers in the field of probe card design. One possible reason may be that verifying the importance of this effect is not simply a matter of replacing shielded cables with low-noise cables. As mentioned above, in the newer generation of probe card designs, shielded cables have largely been replaced by conductors directly applied to the main dielectric board. Therefore, to begin with a design that allows a straightforward solution to this problem, one must resort to an older and probably less effective technology. Furthermore, the average person who has assembled and subsequently tested a probe card with low-noise cables would not necessarily recognize the superiority of this probe card for measuring low currents due to the design-independent factors mentioned above. For example, the background level of current could increase due to surface contaminants deposited on the probe card during assembly, to such an extent that the effect of the low-noise cables is not apparent. In addition, the direction taken in the field of probe card design, where the emphasis is on the problem of suppressing leakage currents between channels, has led to solutions which, coincidentally, have also substantially solved the problem of the triboelectric effect. These solutions, which involve replacing the cables with conductors on ceramic boards or using signal lines in which the signal conductor (as in the case of signal lines formed by spring-loaded pins) has no surrounding insulator, are relatively simple compared to the inventor's relatively straightforward solution to the problem of the triboelectric effect.

tiv kompliziert und teuer. Die indirekte und abschwächende Wirkung dieser alternativen Lösungen, die zur Verhüllung des Problems beitrug, liefert auch eine Erklärung, warum eine direktere Lösung des Problems des reibungselektrischen Effekts selbst von raffinierten Entwicklern von Sondenkarten aus dem Stand der Technik nicht erkannt wurde.tively complicated and expensive. The indirect and mitigating effect of these alternative solutions, which helped to mask the problem, also provides an explanation why a more direct solution to the triboelectric effect problem was not recognized even by sophisticated state-of-the-art probe card designers.

Gemäß vorliegender Erfindung wird also eine Sondenkarte zur Verwendung bei der Messung von äußerst geringen Strömen bereitgestellt, wobei diese Sondenkarte folgendes enthält: eine dielektrische Platine, eine Mehrzahl von Abtastmeßgeräten, die radial am Rande einer Öffnung in der Platine angebracht sind, und eine Mehrzahl von Kabeln zum Anschluß eines jeden Abtastmeßgeräts an einen entsprechenden Kanal eines Testinstruments. Diese Kabel haben einen geeigneten Aufbau, der es ermöglicht, daß sie in einem abgeschirmten Modus verwendet werden können, d.h. sie enthalten einen äußeren Leiter, der den inneren Leiter oder Kern des Kabels umgibt, wobei der äußere Leiter als Abschirmungsleiter bezüglich des inneren Leiters verwendet werden kann. Des weiteren enthalten diese Kabel eine innere Materialschicht zwischen dem äußeren Leiter und dem darunter befindlichen inneren Dielektrikum, wobei diese Schicht eine geeignete Zusammensetzung hat, um die Erzeugung von reibungselektrischen Strom zwischen dem inneren Dielektrikum und dem äußeren Leiter auf weniger als das Maß zu verringern, das auftreten würde, wenn das innere Dielektrikum und der äußere Leiter direkt beieinanderlägen. Thus, according to the present invention, there is provided a probe card for use in measuring extremely low currents, which probe card includes: a dielectric board, a plurality of scanning meters mounted radially around the edge of an opening in the board, and a plurality of cables for connecting each scanning meter to a corresponding channel of a test instrument. These cables have a suitable construction that enables them to be used in a shielded mode, i.e. they include an outer conductor surrounding the inner conductor or core of the cable, the outer conductor being able to be used as a shielding conductor with respect to the inner conductor. Furthermore, these cables contain an inner layer of material between the outer conductor and the underlying inner dielectric, which layer has a suitable composition to reduce the generation of triboelectric current between the inner dielectric and the outer conductor to less than the level that would occur if the inner dielectric and the outer conductor were directly adjacent to each other.

Mit dem voranstehend beschriebenen Aufbau wird eine Sondenkarte bereitgestellt, in der eine wesentliche Quelle von Hintergrundstrom auf relativ einfache Art und Weise unterdrückt wird, wodurch das Erfordernis von komplizierten und teuren Aufbauten zur Unterdrückung anderer, weniger bedeutender Quellen, um die Fähigkeit zur Messung äußerst geringer Ströme zu erzielen, entfällt. Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Studium der nachstehenden umfassenden Beschreibung der Erfindung, in der auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird.The above-described structure provides a probe card in which a significant source of background current is suppressed in a relatively simple manner, thereby eliminating the need for complicated and expensive structures to suppress other, less significant sources in order to achieve the capability of measuring extremely low currents. These and other objects, features and advantages of the invention will become apparent from a study of the following comprehensive description of the invention, in which reference is made to the accompanying drawings.

- 10 -Es
zeigen - 10 - It
show

Fig. 1 eine Ansicht von oben auf eine Sondenkarte zur Messung geringer Ströme gemäß vorliegender Erfindung, wobei ein Teil einer auf der Karte vorgesehenen leitenden Abdeckung entfernt wurde, um darunter befindliche Elemente sichtbar zu machen;Fig. 1 is a top view of a low current probe card according to the present invention with a portion of a conductive cover provided on the card removed to reveal elements underneath;

Fig. 2 ein Seitenansicht der Sondenkarte zur Messung geringer Ströme aus Fig. 1;Fig. 2 is a side view of the low current probe card from Fig. 1;

Fig. 3 eine aufgebrochene Ansicht im Aufriß der Sondenkarte zur Messung geringer Ströme aus Fig. 1 in dem Bereich, der die Öffnung in der Karte umgibt, wobei in dieser Darstellung die Abdeckung weggelassen wurde, um die darunter befindlichen Elemente sichtbar zu machen;Fig. 3 is a cutaway elevational view of the low current probe card of Fig. 1 in the area surrounding the opening in the card, with the cover removed in this illustration to reveal the elements underneath;

Fig. 4 eine Schnittansicht entlang den Linien 4-4 aus Fig. 3;Fig. 4 is a sectional view taken along lines 4-4 of Fig. 3;

Fig. 5 eine Querschnittsansicht des Eingangsabschnitts eines bestimmten Kabels, entlang der Schnittlinie 5-5 aus Fig. 1;Fig. 5 is a cross-sectional view of the input portion of a particular cable, taken along section line 5-5 of Fig. 1;

Fig. 6 eine Querschnittsansicht des auf der Platine befindlichen Teiles eines bestimmten Kabels, entlang der Schnittlinie 6-6 aus Fig. 1.Fig. 6 is a cross-sectional view of the on-board portion of a particular cable, taken along section line 6-6 of Fig. 1.

Fig. 1 zeigt beispielhaft eine gemäß vorliegender Erfindung aufgebaute Sondenkarte 20 zur Messung geringer Ströme. Wie auch in den Fign. 2 und 4 gezeigt ist, enthält diese Karte eine Mehrzahl von Abtastelementen 22. In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform bestehen diese Abtastelemente aus Wolframnadeln, die in allgemein radialer Anordnung verlaufen, so daß ihre Spitzen in einem Muster auslaufen, das zur Abtastung der Kontakt-, stellen auf einem (nicht dargestellten) Prüfling geeignet ist. Handelt es sich beispielsweise bei der zu prüfenden Einheit um eine individuelle Schaltung auf einem Halbleiterwafer mit quadratischer Anordnung der Kontaktstellen, wurden die Nadeln entsprechend in einem quadrat-ähnlichem Muster auslaufen. WeiterFig. 1 shows an example of a probe card 20 constructed in accordance with the present invention for measuring low currents. As is also shown in Figs. 2 and 4, this card contains a plurality of sensing elements 22. In the preferred embodiment shown, these sensing elements consist of tungsten needles that run in a generally radial arrangement so that their tips taper off in a pattern suitable for sensing the contact points on a device under test (not shown). For example, if the device under test is an individual circuit on a semiconductor wafer with a square arrangement of contact points, the needles would taper off in a square-like pattern. Next

auf der Sondenkarte vorgesehen ist eine Mehrzahl von Kabeln 24. Bei Verwendung der Sondenkarte wird jedes dieser Kabel mit einem separaten Kanal eines {nicht dargestellten) Testinstruments verbunden, um auf diese Weise eine elektrische Verbindung zwischen jedem Kanal und einem entsprechenden der Abtastelemente herzustellen. Es versteht sich hierbei, daß, obgleich nur sechs Kabel und Abtastelemente in den Zeichnungen dargestellt sind, diese kleine Anzahl lediglich zur Vereinfachung der Darstellung gewählt wurde. Tatsächlich enthält die in den Zeichnungen dargestellte Sondenkarte jedoch vierundzwanzig Kabel und Abtastelemente, obwohl auch eine größere Anzahl als diese vorgesehen werden kann, wie nachstehend ausgeführt ist.A plurality of cables 24 are provided on the probe card. In use of the probe card, each of these cables is connected to a separate channel of a test instrument (not shown) so as to establish an electrical connection between each channel and a corresponding one of the sensing elements. It is to be understood that although only six cables and sensing elements are shown in the drawings, this small number has been chosen merely for ease of illustration. In fact, however, the probe card shown in the drawings contains twenty-four cables and sensing elements, although a greater number than this can be provided as set forth below.

Die beispielhafte Sondenkarte 20 enthält eine dielektrische Platine 26, die in der dargestellten bevorzugten Ausführungsform aus FR4 Glas-Epoxy-Material hergestellt ist. Diese Platine dient allgemein als Grundelement für die Sondenkarte, auf dem die anderen Kartenkomponenten angeordnet sind. Wie in Fig. 1 gezeigt, enthält jedes Kabel einen Eingangsabschnitt 28 und einen auf der Platine verlaufenden Abschnitt 30, wobei diese jeweiligen Abschnitte mittels eines Steckverbinders 32 lösbar miteinander verbunden sind, was ein separates Testen der Eingangsabschnitte der Kabel erleichtert. Wie weiterhin nachstehend beschrieben ist, enthalten diese Kabel koaxial zueinander angeordnete leitende und dielektrische Schichten sowie ferner zumindest eine Materialschicht innerhalb eines jeden Kabels, die zur Unterdrückung des reibungselektrischen Effekts ausgelegt ist, um jedwede unerwünschten Ströme zu minimieren, die ansonsten aufgrund dieses Effekts intern in jedem Kabel entstehen würden. Diese Materialschicht ermöglicht zusammen mit bestimmten anderen, auf der Sondenkarte vorgesehenen Aufbauten eine Verwendung der Karte zur Messung äußerst geringer Ströme von einem Wert bis zu einem Femto-Ampere oder darunter. Im Vergleich zu einer Auslegung, bei der Leiterzüge auf einer Keramikplatine verwendet werden, ist die vorliegende Auslegung nicht nur kostengünstiger in der Herstellung, sondern auch weniger empfindlich gegenüber Oberflächenverunreinigungen und kann beispielsweise in Testumge-The exemplary probe card 20 includes a dielectric board 26, which in the preferred embodiment shown is made of FR4 glass epoxy material. This board generally serves as the base element for the probe card upon which the other card components are mounted. As shown in Figure 1, each cable includes an input section 28 and a board-extending section 30, with these respective sections being removably connected to one another by means of a connector 32, which facilitates separate testing of the input sections of the cables. As further described below, these cables include conductive and dielectric layers arranged coaxially with one another, and also at least one layer of material within each cable designed to suppress the triboelectric effect to minimize any undesirable currents that would otherwise arise internally within each cable due to this effect. This layer of material, together with certain other structures provided on the probe card, allows the card to be used to measure extremely low currents, down to a femto-ampere or less. Compared to a design using conductor tracks on a ceramic board, the present design is not only less expensive to manufacture, but also less sensitive to surface contamination and can be used in test environments, for example.

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bungen mit niedrigen Temperaturen, in denen sich Feuchtigkeit auf der Hauptplatine niederschlagen kann, weiterhin zufriedenstellend betrieben werden.can continue to operate satisfactorily in low temperature environments where moisture can condense on the motherboard.

Wie in Fign. 3 und 4 gezeigt ist, ist der auf der Platine befindliche Teil 3 0 eines jeden Kabels elektrisch mit einem Ende eines Abtastmeßgeräts 34 verbunden, während das andere Ende dieses Geräts das Abtastelement oder die Abtastnadel 22 enthält. Bei der beispielhaft dargestellten Sondenkarte 20 enthält jedes Abtastmeßgerät ein dielektrisches Substrat 36, welches vorzugsweise aus Keramik oder einem vergleichbaren Isoliermaterial mit hohem Widerstand besteht. Dieses Keramiksubstrat oder "Plättchen" hat ein Paar breite parallele Seiten, die durch einen dünnen Rand miteinander verbunden sind. Auf einer Seite eines jeden Plättchens ist ein länglicher Leiterzug 3 8 ausgebildet, während die andere Seite eine leitende Oberfläche 40 auf der Rückseite aufweist. Ein (nicht dargestellter) unterer Leiter ist entlang einem unteren Abschnitt eines jeden Rands ausgebildet, wobei dieser Leiter mit dem entsprechenden länglichen Leiterzug 3 8 elektrisch verbunden ist. Jedes Abtastelement oder jede Abtastnadel 22 ist wiederum elektrisch an einen entsprechenden dieser Leiter angeschlossen, so daß das Element oder die Nadel einseitig befestigt über das entsprechende Substrat 3 6 hinaus verläuft, wie in Fig. 4 gezeigt. In der bestimmten dargestellten Ausführungsform hat das Substrat oder Plättchen 3 6 ein allgemein L-förmiges Profil und ist auf der dielektrischen Platine 26 am Rand befestigt, so daß der kurze Arm eines jeden L-förmigen Plättchens durch eine Öffnung 42 in der Platine verläuft, wodurch ermöglicht wird, daß die Nadeln unterhalb der Öffnung enden. Wie voranstehend erwähnt, sind Plättchen mit dem gerade beschriebenen Typ von Aufbau im Handel erhältlich von der Fa. Cerprobe Corporation, Tempe, Arizona, Vereinigte Staaten von Amerika.As shown in Figures 3 and 4, the on-board portion 30 of each cable is electrically connected to one end of a scanning meter 34, while the other end of that device contains the scanning element or stylus 22. In the exemplary probe card 20 shown, each scanning meter includes a dielectric substrate 36, which is preferably made of ceramic or a similar high-resistance insulating material. This ceramic substrate or "chip" has a pair of broad parallel sides connected by a thin rim. On one side of each chip is formed an elongated conductive trace 38, while the other side has a conductive surface 40 on the back. A lower conductor (not shown) is formed along a lower portion of each rim, this conductor being electrically connected to the corresponding elongated conductive trace 38. Each sensing element or stylus 22 is in turn electrically connected to a corresponding one of these conductors so that the element or stylus cantileveredly extends beyond the corresponding substrate 36 as shown in Fig. 4. In the particular embodiment shown, the substrate or wafer 36 has a generally L-shaped profile and is edge-mounted to the dielectric board 26 so that the short arm of each L-shaped wafer passes through an opening 42 in the board, thereby allowing the wafers to terminate below the opening. As previously mentioned, wafers having the type of construction just described are commercially available from Cerprobe Corporation of Tempe, Arizona, United States of America.

Wie in Fig. 3 gezeigt, sind auf der dielektrischen Platine 26 um die Öffnung 42 herum mehrere innere leitende Bereiche 44 ausgebildet, die im Umfang voneinander beabstandet angeordnet sind.As shown in Fig. 3, a plurality of inner conductive regions 44 are formed on the dielectric board 26 around the opening 42 and are arranged circumferentially spaced from one another.

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Ebenfalls auf der Platine ausgebildet ist ein äußerer leitender Bereich 46, der die inneren leitenden Bereiche in Abstand zu diesen umgibt. Dieser äußere leitende Bereich verläuft nach außen zu den vier Ränder der Platine. Wie in den Fign. 3-4 zu sehen ist, bildet eine Lötverbindung 48 die elektrische Verbindung zwischen der leitenden Oberfläche 40 der Rückseite eines jeden Keramikplättchens 3 6 und einem entsprechenden der inneren leitenden Bereiche 44, so daß die Keramikplättchen in radialer Anordnung um die Öffnung 42 herum am Rand befestigt sind. Die Keramikplättchen sind dann zum Anschluß an die auf der Platine befindlichen Abschnitte 3 0 der Kabel bereit, wie nun beschrieben werden wird.Also formed on the board is an outer conductive region 46 which surrounds the inner conductive regions in spaced relation thereto. This outer conductive region extends outwardly to the four edges of the board. As can be seen in Figs. 3-4, a solder joint 48 forms the electrical connection between the conductive surface 40 of the back of each ceramic plate 36 and a corresponding one of the inner conductive regions 44 so that the ceramic plates are secured to the edge in a radial arrangement around the opening 42. The ceramic plates are then ready for connection to the sections 30 of the cables located on the board, as will now be described.

Fig. 6 zeigt eine querverlaufende Schnittansicht durch den auf der Platine befindlichen Abschnitt 3 0 eines der Kabel 24, wobei der Schnitt entlang den Linien 6-6 aus Fig. 1 verläuft. Dieser Abschnitt, der koaxial aufgebaut ist, enthält einen inneren Leiter oder Kern 50, ein inneres Dielektrikum 52, eine innere Schicht 54, einen äußeren Leiter 56 und eine isolierende Umhüllung 58. Die Zusammensetzung der inneren Schicht 54 ist geeignet, die Erzeugung von reibungselektrischem Strom zwischen dem inneren Dielektrikum und dem äußeren Leiter auf weniger als das Maß zu verringern, das erzeugt würde, wenn das innere Dielektrikum und der äußere Leiter direkt beieinander lägen. Wie voranstehend ausgeführt, sollte diese innere Schicht 54 physikalische Eigenschaften ähnlich denjenigen des inneren Dielektrikums 52 haben, damit sie trotz Kabelbiegung oder Temperaturveränderungen nicht übermäßig gegen das innere Dielektrikum reibt. Gleichzeitig sollte diese innere Schicht ausreichend leitende Eigenschaften haben, um jegliche Ladungsungleichgewichte, die aufgrund irgendwelcher freier Elektronen auftreten können, welche den äußeren Leiter durch Reibung verlassen haben, zu beseitigen. Ein geeignetes Material für diesen Zweck ist ein Fluorpolymer wie beispielsweise TEFLON™ oder ein anderes isolierendes Material wie Polyvinylchlorid oder Polyethylen in Verbindung mit Graphit oder einem anderen ausreichend leitfähigen Zusatz.Fig. 6 shows a transverse sectional view through the on-board portion 30 of one of the cables 24, the section being taken along lines 6-6 of Fig. 1. This portion, which is coaxially constructed, includes an inner conductor or core 50, an inner dielectric 52, an inner layer 54, an outer conductor 56, and an insulating sheath 58. The composition of the inner layer 54 is suitable for reducing the generation of triboelectric current between the inner dielectric and the outer conductor to less than the amount that would be generated if the inner dielectric and the outer conductor were directly adjacent to each other. As previously stated, this inner layer 54 should have physical properties similar to those of the inner dielectric 52 so that it does not rub excessively against the inner dielectric despite cable bending or temperature changes. At the same time, this inner layer should have sufficient conductive properties to eliminate any charge imbalances that may occur due to any free electrons that have left the outer conductor due to friction. A suitable material for this purpose is a fluoropolymer such as TEFLON™ or another insulating material such as polyvinyl chloride or polyethylene in combination with graphite or another sufficiently conductive additive.

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Auf dem Gebiet der Hochfrequenz- (HF-) Kabeltechnologie werden Kabel mit einer Schicht des soeben beschriebenen Typs allgemein als "rauscharme" Kabel bezeichnet. Bezugsquellen für diese Art von Kabel sind die Firmen Beiden Wire and Cable Company, Richmond, Indiana, U.S.A. und Suhner HF-Kabel, Herisau, Schweiz. Bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform stammte das verwendete Kabel von der Fa. Times Microwave Systems, Wallingford, Connecticut, U.S.A.. Zur Bereitstellung der gewünschten 24-Kanal-Kapazität wurden diese Kabel auf Maß bestellt, so daß ihr Durchmesser nicht über demjenigen eines Kabels der Norm RG178 lag.In the field of radio frequency (RF) cable technology, cables containing a layer of the type just described are generally referred to as "low noise" cables. Sources for this type of cable are Beiden Wire and Cable Company, Richmond, Indiana, U.S.A. and Suhner HF-Kabel, Herisau, Switzerland. In the preferred embodiment shown, the cable used was from Times Microwave Systems, Wallingford, Connecticut, U.S.A. To provide the desired 24-channel capacity, these cables were custom ordered so that their diameter did not exceed that of a standard RG178 cable.

Es ist zu beachten, daß bei der Verbindung des auf der Platine befindlichen Abschnitts 3 0 eines jeden Kabels mit dem entsprechenden Abtastmeßgerät 34 sorgfältig vorgegangen werden muß, um Beschädigungen zu vermeiden, die die Fähigkeit der Sondenkarte zur Messung von geringen Strömen erheblich beeinträchtigen wurden. It should be noted that care must be taken in connecting the on-board section 30 of each cable to the corresponding probe meter 34 to avoid damage that would significantly impair the probe card's ability to measure low currents.

Wie in den Fign. 3-4 gezeigt ist, verbindet eine Lötverbindung 60 den inneren Leiter 50 eines jeden Kabels mit dem hinteren Ende des länglichen Leiterzugs 3 8 des entsprechenden Abtastmeßgeräts 34. Vor der Herstellung dieser Verbindung sollte das Kabel derart positioniert werden, daß die den inneren Kern 50 umgebenden leitenden und dielektrischen Schichten im Kabel um einen gewissen Abstand 62 vom hinteren Rand des Abtastmeßgeräts 34 zurückversetzt sind. Hierdurch verringert sich die Möglichkeit, daß eine dünne Haarsträhne oder eine andere Verunreinigung eine niederohmige oder leitende Brücke bildet, was zu einem niederohmigen Nebenschluß oder Kurzschluß der Signalleitung führen würde. Bei der Herstellung dieser Verbindung ist es ebenfalls wichtig, das Kabel nicht zu überhitzen, um nicht die strukturellen Eigenschaften des Materials, das das innere Dielektrikum 52 bildet, zu beeinträchtigen, wobei dieses Material zur maximalen Temperaturstabilxtät beispielsweise "luftgestrecktes" TEFLON™ umfassen kann. Schließlich sollten nach der Herstellung der Verbindung jegliche verbleibenden Lötflußmittel-As shown in Figures 3-4, a solder joint 60 connects the inner conductor 50 of each cable to the rear end of the elongated conductor trace 38 of the corresponding scanning meter 34. Before making this connection, the cable should be positioned so that the conductive and dielectric layers in the cable surrounding the inner core 50 are set back a certain distance 62 from the rear edge of the scanning meter 34. This reduces the possibility of a thin strand of hair or other contaminant forming a low resistance or conductive bridge, which would result in a low resistance shunt or short circuit of the signal line. When making this connection, it is also important not to overheat the cable so as not to compromise the structural properties of the material forming the inner dielectric 52, which material may comprise, for example, "air-stretched" TEFLON™ for maximum temperature stability. Finally, after making the connection, any remaining solder flux

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reste von der Platine entfernt werden, um unerwünschte elektrochemische Effekte zu verhindern und den Oberflächenwiderstand der Glas-Epoxy-Platine 26 auf einem brauchbaren Niveau zu halten. residues must be removed from the board to prevent undesirable electrochemical effects and to keep the surface resistance of the glass-epoxy board 26 at a usable level.

Um die Möglichkeit unerwünschter Nebenschlußverbindungen weiter zu verringern, ist der äußere Leiter oder die Metallumflechtung 56 des Kabels über den entsprechenden inneren leitenden Bereich 44 indirekt mit der leitenden Oberfläche 40 der Rückseite verbunden, d.h. eine Lötverbindung 64 verbindet die Metallumflechtung elektrisch mit dem inneren leitenden Bereich, und eine zweite Lötverbindung 48 verbindet den inneren leitenden Bereich elektrisch mit der leitenden Oberfläche 40 der Rückseite. Wiederum muß darauf geachtet werden, daß das Kabel nicht überhitzt wird oder daß keine Lötflußmittelreste auf der Schaltungsplatine zurückbleiben. Während der Verwendung der Sondenkarte wird die Signaländerung oder Spannung über den inneren Leiter 50, den länglichen Leiterzug 3 8 und das Abtastelement 22 die Karte entlang übertragen. Vorzugsweise sind die Testgeräte derart angeschlossen, daß eine Rückkoppe!schaltung im Ausgangskanal der Testgeräte eine "Abschirmungs"-Spannung liefert, die der momentanen Signalspannung entspricht, wobei diese Abschirmungsspannung an den äußeren Leiter 56 und den entsprechenden inneren leitenden Bereich 44 angeschlossen wird. Auf diese Weise ist dann jeder längliche Leiterzug durch die leitende Oberfläche 40 der Rückseite auf der gegenüberliegenden Seite des Plättchens 3 6 und durch den entsprechenden inneren leitenden Bereich 44, der unter dem Leiterzug angeordnet ist, abgeschirmt. Durch eine Minimierung der Kriechströme in jeden bzw. aus jedem länglichen Leiterzug verringert dieses Abschirmungssystem die Pegel unerwünschter Hintergrundströme und verbessert somit die bezüglich der Kabel aufgrund der Unterdrückung des reibungselektrischen Effekts erhaltene Wirkung.To further reduce the possibility of undesirable shunt connections, the outer conductor or metal braid 56 of the cable is indirectly connected to the backside conductive surface 40 via the corresponding inner conductive region 44, i.e., a solder joint 64 electrically connects the metal braid to the inner conductive region and a second solder joint 48 electrically connects the inner conductive region to the backside conductive surface 40. Again, care must be taken not to overheat the cable or leave solder flux residue on the circuit board. During use of the probe card, the signal change or voltage is transmitted along the card via the inner conductor 50, the elongated conductor trace 38 and the sensing element 22. Preferably, the testers are connected such that a feedback circuit in the output channel of the testers provides a "shield" voltage corresponding to the instantaneous signal voltage, which shield voltage is connected to the outer conductor 56 and the corresponding inner conductive region 44. In this way, each elongated conductor line is then shielded by the conductive surface 40 of the back on the opposite side of the die 36 and by the corresponding inner conductive region 44 disposed beneath the conductor line. By minimizing the leakage currents into and out of each elongated conductor line, this shielding system reduces the levels of unwanted background currents and thus improves the performance obtained with respect to the cables due to the suppression of the triboelectric effect.

Eine weitere mögliche Quelle von Stromstörungen kann sich anhand von Wechselstromfeldern in der externen Umgebung um die Sondenkarte herum ergeben. Eine herkömmliche Lösung dieses ProblemsAnother possible source of power interference can arise from AC fields in the external environment around the probe card. A traditional solution to this problem

besteht darin, Testinstrument, Verbindungskabel und Sondenkarte allesamt in einen "Drahtkäfig" zu setzen, um diese Komponenten gegen Wechselstrom-Einstreuungen abzuschirmen.is to place the test instrument, connecting cable and probe card all in a "wire cage" to shield these components from AC interference.

Bei der beispielhaften Sondenkarte 20 wird das Problem von Wechselstrom-Einstreuungen direkter angegangen. In Fig. 5 ist eine querverlaufende Schnittansicht des Eingangsabschnittes 28 eines bestimmten der Kabel 24 dargestellt, wobei der Schnitt entlang den Linien 5-5 aus Fig. 1 verläuft. Ähnlich dem auf der Platine befindlichen Abschnitt 3 0 des in Fig. 6 gezeigten Kabels enthält der Eingangsabschnitt einen inneren Leiter oder Kern 50a, ein inneres Dielektrikum 52a, eine innere Schicht 54a, einen äußeren Leiter 56a und eine isolierende Umhüllung 58a. Der Eingangsabschnitt des Kabels enthält jedoch ferner ein zweites inneres Dielektrikum 66 und einen zweiten äußeren Leiter 68. In der Tat ist der Eingangsabschnitt des Kabels ein Triaxialkabel des "rauscharmen" Typs, bei dem der zweite äußere Leiter derart angeschlossen werden kann, daß er als Abschirmungsleiter zur Selbstabschirmung der Eingangsabschnitte der Kabel dient.The exemplary probe card 20 addresses the problem of AC interference more directly. Referring to Fig. 5, there is shown a transverse sectional view of the input section 28 of a particular one of the cables 24, taken along lines 5-5 of Fig. 1. Similar to the on-board section 30 of the cable shown in Fig. 6, the input section includes an inner conductor or core 50a, an inner dielectric 52a, an inner layer 54a, an outer conductor 56a, and an insulating sheath 58a. However, the input section of the cable further includes a second inner dielectric 66 and a second outer conductor 68. In fact, the input section of the cable is a "low noise" type triaxial cable in which the second outer conductor can be connected to serve as a shield conductor for self-shielding the input sections of the cables.

Der zweite äußere oder Abschirmungsleiter 68 ist über einen Steckverbinder 32 elektrisch mit dem äußeren leitenden Bereich 46 der dielektrischen Platine 26 verbunden, wobei dieser Verbinder eine metallisierte äußere Oberfläche hat, die zur Herstellung einer solchen Verbindung geeignet ist. Der äußere leitende Bereich 46 ist wiederum mit einer leitenden Abdeckung 70 elektrisch verbunden. Wenn der zweite äußere Leiter vom Testinstrument auf das Abschirmungspotential eingestellt ist, wobei dieses Potential typischerweise auf Masse liegt, dann sind nicht nur die Eingangsabschnitte der Kabel, sondern auch die auf der Platine befindlichen Sondenkartenkomponenten im wesentlichen gegen Wechselstromfelder abgeschirmt. Insbesondere bilden der äußere leitende Bereich 46 und die leitende Abdeckung 70 ein in sich selbst abgeschlossenes und kompaktes Abschirmungsgehäuse, das die auf der dielektrischen Platine angeordneten Sondenkartenkomponenten im wesentlichen umgibt und abschirmt. Im Oberteil der leitenden Abdeckung ist eine Schauöffnung 72 ausgebildet, inThe second outer or shield conductor 68 is electrically connected to the outer conductive region 46 of the dielectric board 26 by a connector 32, which connector has a metallized outer surface suitable for making such a connection. The outer conductive region 46 is in turn electrically connected to a conductive cover 70. When the second outer conductor is set by the test instrument to the shield potential, which potential is typically ground, then not only the input portions of the cables but also the probe card components located on the board are substantially shielded from AC fields. In particular, the outer conductive region 46 and the conductive cover 70 form a self-contained and compact shield housing which substantially surrounds and shields the probe card components located on the dielectric board. A viewing opening 72 is formed in the top of the conductive cover into which

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die das Schaurohr eines Mikrokops eingesetzt werden kann, um das Betrachten der Abtastelemente oder -nadeln 22 bei ihrer Positionierung auf den Kontaktstellen des Prüflings zu erleichtern.which the viewing tube of a microscope can be used to facilitate the viewing of the scanning elements or needles 22 as they are positioned on the contact points of the test object.

Es versteht sich, daß auch alternative Formen der Erfindung möglich sind, ohne hierbei vom breiteren Umfang der vorliegenden Erfindung abzugehen. Soll beispielsweise mit der Sondenkarte eine größere Anzahl von Kanälen gehandhabt werden, so kann die Sondenkarte derart modifiziert werden, daß sie eine größere Anzahl von Kabeln aufnehmen kann, indem ein Kabelverbinder verwendet wird, bei dem die Kabel entlang von zwei Gliedern anstelle von nur einem befestigt sind. Andere Änderungen der Auslegung ergeben sich für den Fachmann auf dem Gebiet in offensichtlicher Weise.It will be understood that alternative forms of the invention are possible without departing from the broader scope of the present invention. For example, if the probe card is to handle a larger number of channels, the probe card can be modified to accommodate a larger number of cables by using a cable connector in which the cables are attached along two links instead of one. Other changes in design will be apparent to those skilled in the art.

Die in der voranstehenden Beschreibung verwendeten Ausdrücke und Begriffe dienen lediglich der Beschreibung und sollen die Erfindung in keinster Weise einschränken. Bei der Verwendung dieser Ausdrücke und Begriffe war nicht beabsichtigt, Äquivalente der dargestellten und beschriebenen Merkmale oder Teile dieser auszuschließen, wobei davon ausgegangen wird, daß der Umfang der Erfindung lediglich durch die nachstehenden Ansprüche definiert und beschränkt sein soll.The terms and expressions used in the foregoing description are for the purpose of description only and are not intended to limit the invention in any way. The use of these terms and expressions is not intended to exclude equivalents of the features or portions thereof shown and described, it being understood that the scope of the invention is to be defined and limited only by the following claims.

Claims

CASCADE MICROTECH 24618

German utility model new application

Branch from the German patent application 196 48 949.0

Expectations

Probe card for scanning a test object, with:

(a) a dielectric board having an opening formed therein;

(b) a plurality of scanning probes for scanning a corresponding plurality of scanning locations of the device under test, each scanning probe comprising: a dielectric substrate having a first and a second side, an elongated conductor path on the first side, and an elongated sensing element connected to one end of the elongated conductor path so as to extend beyond the substrate in a one-sidedly fixed manner, the scanning probes being mounted to the edge in a radial arrangement around the opening so that the sensing elements extend below the opening in a pattern suitable for scanning those locations; and

(c) a plurality of cables for connecting each scanning meter to a corresponding channel of a test instrument, each cable comprising an inner conductor, an inner dielectric and an outer conductor, each inner conductor being electrically connected to a corresponding one of the conductor tracks, each cable further comprising an inner layer of material of suitable composition between the inner dielectric and the outer conductor to reduce the generation of triboelectric current between the inner dielectric and the outer conductor to a level less than that which would occur if the inner dielectric and the outer conductor were directly adjacent to each other.

2. The probe card of claim 1, wherein each scanning gauge has a conductive surface on the second side, each outer conductor is electrically connected to a corresponding one of the conductive surfaces, and the scanning gauges are arranged such that the conductive surfaces alternate with the conductor traces in a circumferentially oriented sequence.

3. The probe card of claim 2, wherein the dielectric board has a plurality of inner conductive regions circumferentially spaced from one another surrounding the opening, and each conductive surface is electrically connected to a corresponding one of the inner conductive regions.

4. The probe card of claim 1, further characterized by a conductive cover disposed over the dielectric board.

5. The probe card of claim 4, wherein the dielectric board has an outer conductive region surrounding a plurality of spaced-apart inner conductive regions, and the cover has a lower edge along which the cover is electrically connected to the outer conductive region.

6. A probe card according to claim 4, wherein each cable has an input section leading to the circuit board, the input section including a shielding conductor surrounding the outer conductor in radial space therefrom, the shielding conductors being electrically connected to the cover.

7. The probe card of claim 6, further characterized by a cable connector through which the cables pass directly into a shielded enclosure formed by the cover, the cable connector forming an electrical connection path interconnecting the shielding conductors and the cover.

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8. The probe card of claim 1, wherein the dielectric board includes a plurality of inner conductive regions circumferentially spaced from one another surrounding the opening, each scanning meter being mounted such that each elongated conductor trace is positioned over a corresponding one of the inner conductive regions, each outer conductor being directly connected to a corresponding one of the inner conductive regions.

9. The probe card of claim 1, wherein the dielectric board is composed predominantly of glass-epoxy material.