JP7301882B2

JP7301882B2 - 電気的設計及び機械的設計が互いに分離された電気試験プローブ

Info

Publication number: JP7301882B2
Application number: JP2020564000A
Authority: JP
Inventors: キスター、ジャニュアリー; スワート、ロイ; シジェルチッチ、エディン
Original assignee: フォームファクター，インコーポレイテッド
Priority date: 2018-06-14
Filing date: 2019-06-13
Publication date: 2023-07-03
Anticipated expiration: 2039-06-13
Also published as: TW202001258A; US20190383857A1; JP2021526630A; US11156637B2; EP3807656A4; KR20210021349A; EP3807656A1; WO2019241530A1

Description

本発明は、電気デバイスを試験するための垂直プローブに関する。

電気デバイスや集積回路を試験するための垂直プローブは、電気的設計要件及び機械的設計要件の両方を満たす必要がある。高周波数（例えば、５～１０ＧＨｚまたはそれ以上）では、これらの２つの要件は著しく対立する。高周波数での電気的設計を考慮すると、垂直方向のたわみ範囲が過度に制限されることや、粒子からの損傷を受けやすいことなどの非常に望ましくない機械的特性を有する短いプローブとなる傾向がある。

したがって、電気的設計及び機械的設計がより容易な垂直プローブを提供することは、当分野における進歩となるであろう。

本発明は、電気的設計及び機械的設計が互いに分離されたプローブを提供することによって、上記の問題を解決する。いくつかの実施形態における基本的な考え方は、各プローブが、所望の機械的弾性特性を提供するコアと、主要な電流経路を提供するシェルとにより構成されるコア・シェル構造を有することである。コアは、シェルが主要な電流経路を提供することを可能にするために、（例えば、摺動電気接点によって）プローブ構造体の頂部及び底部においてシェルと電気接触する。好ましい実施形態では、このアプローチを使用して、５０Ωのインピーダンスでの入力に対してインピーダンス整合させることができる垂直伝送線路を効果的に提供することができ、これにより、電気試験性能を向上させることができる。

図１Ａは、本発明の例示的な実施形態を示す側面図である。図１Ｂは、図１Ａに示した実施形態の上面図である。図２は、いくつかの別の実施形態を概略的に示す図である。図３は、いくつかの別の実施形態を概略的に示す図である。図４は、いくつかの別の実施形態を概略的に示す図である。図５Ａは、本発明の実施形態により、電気的設計をプローブ間隔から分離できることを示す図である。図５Ｂは、本発明の実施形態により、電気的設計をプローブ間隔から分離できることを示す図である。図６は、いくつかの好ましい実施形態の任意選択の要素を示す図である。図７Ａは、機械的弾性を有するコアの好適な形態の例を示す図である。図７Ｂは、機械的弾性を有するコアの好適な形態の例を示す図である。図７Ｃは、機械的弾性を有するコアの好適な形態の例を示す図である。図７Ｄは、機械的弾性を有するコアの好適な形態の例を示す図である。図７Ｅは、機械的弾性を有するコアの好適な形態の例を示す図である。図７Ｆは、機械的弾性を有するコアの好適な形態の例を示す図である。図８Ａは、シェルの好適な形態の例を示す図である。図８Ｂは、シェルの好適な形態の例を示す図である。図８Ｃは、シェルの好適な形態の例を示す図である。図９は、従来のポゴピンプローブを概略的に示す図である。

図１Ａは、本発明の例示的な実施形態を示す側面図である。図１Ｂは、図１Ａに示した実施形態の上面図である。この実施例では、電気絶縁性を有するガイドプレート１０６（例えば、ＳｉＮ。しかし、ガイドプレート１０６の組成は重要ではない）を貫通して配置される、プローブアレイ（垂直プローブアレイ）の２つのプローブ（垂直プローブ）が示されている。第１のプローブは、導電性を有する第１の部材１１０と、機械的弾性を有する第２の部材１１４とを含む。以下の説明において、第１の部材を「シェル」と称し、第２の部材を「コア」と称することは、本発明の定義的特徴とは対照的にコア・シェル構造が好ましい実施形態であることを理解する上で、しばしば好都合であろう。

第１のプローブはまた、プローブの垂直方向の両端にそれぞれ配置された第１の先端部１２０及び第２の先端部１２２を含む。第１の先端部１２０は、被試験デバイス１０２に対して一時的に電気接触するように構成される。第２の先端部１２２は、試験装置１０４に対して電気接触するように構成される。図示のように、第１の先端部１２０と第２の先端部１２２との間の電流経路１３０は、主に、第１の部材１１０を通る。また、図示のように、第１の先端部１２０と第２の先端部１２２との間の機械的コンプライアンスは、主に、第２の部材１１４によって決定される。本開示の重要な特徴は、プローブの通電容量がコアによってではなくシェルによって決定されることである。これにより、望ましいことに、通電容量は増加する。

第２のプローブは、導電性を有する第１の部材１１２と、機械的弾性を有する第２の部材１１６とを含む。第２のプローブはまた、プローブの垂直方向の両端にそれぞれ配置された第１の先端部１２４及び第２の先端部１２６を含む。第１の先端部１２４は、被試験デバイス１０２に対して一時的に電気接触するように構成される。第２の先端部１２６は、試験装置１０４に対して電気接触するように構成される。図示のように、第１の先端部１２４と第２の先端部１２６との間の電流経路１３２は、主に、第１の部材１１２を通る。また、図示のように、第１の先端部１２４と第２の先端部１２６との間の機械的コンプライアンスは、主に、第２の部材１１６によって決定される。

好ましい実施形態では、２つの垂直プローブの伝送線路インピーダンスは、主に、２つの垂直プローブ間の間隔ｄと、２つの垂直プローブ間の実効誘電率とに従って決定される。伝送線路インピーダンスは、５０Ωであることが好ましい。本開示の重要な特徴は、伝送線路インピーダンスが、垂直プローブの第１の先端部と第２の先端部との間の長さに実質的に依存しないようにすることができることである。換言すれば、垂直プローブは、従来のプローブ設計でははるかに短いプローブでしか得ることができない望ましい電気的特性を依然として有しながら、機械的設計を必要なだけ長くすることができる。帯域幅シミュレーションは、このようなコア・シェル構造を有するプローブの帯域幅が１００ＧＨｚを超えることを示している。

上述のようにプローブアレイをガイドプレート内に配置することは本発明の全ての実施形態において必須ではないので、図２～図４は、単一プローブについてのいくつかの別の実施形態を概略的に示す。例えば、シェルがスペーストランスフォーマに直接取り付けられる場合には、電気絶縁性ガイドプレートは省略することができる。

図２の実施例では、第１の先端部２１０及び第２の先端部２１２は、機械的弾性を有する第２の部材２０２上に配置される。導電性を有する第１の部材２０４は、第１の摺動電気接点２０８を第１の先端部２１０に近接して形成するように構成される。また、第１の部材２０４は、第２の摺動電気接点２０６を第２の先端部２１２に近接して形成するように構成される。図示のように、第１の部材２０４はスリーブとして構成され、第２の部材２０２は、その両端がスリーブの両端から突出するように構成される。この実施形態は、第１の摺動電気接点２０８及び第２の摺動電気接点２０６は十分に低い接触抵抗を有し、これにより、主要な電流流路（すなわち、第１の先端部２１０及び第２の先端部２１２間を流れる全電流の９０％以上）は、第１の部材２０４を通る。

図３の実施例では、第１の先端部２１０は、機械的弾性を有する第２の部材２０２上に配置され、第２の先端部２１２は、導電性を有する第１の部材２０４上に配置される。導電性を有する第１の部材２０４は、第１の摺動電気接点２０８を第１の先端部２１０に近接して形成するように構成される。電気絶縁性を有する機械的接続部２１４を、第１の部材２０４と第２の部材２０２との間に、かつ、第２の先端部２１２に近接して配置することが好ましい。この実施形態では、第２の部材２０２の両端部間を通る競合する直接的な電流経路が存在しないため、第１の部材２０４を通る電流の流れをより完全に閉じ込めることができる。

図４の実施例では、第２の先端部２１２は、機械的弾性を有する第２の部材２０２上に配置され、第１の先端部２１０は、導電性を有する第１の部材２０４上に配置される。第１の部材２０４は、第２の摺動電気接点２０６を第２の先端部２１２に近接して形成するように構成される。電気絶縁性を有する機械的接続部２１４を、第１の部材２０４と第２の部材２０２との間に、かつ、第１の先端部２１０に近接して配置することが好ましい。この実施形態では、第２の部材２０２の両端部間を通る競合する直接的な電流経路が存在しないため、第１の部材２０４を通る電流の流れをより完全に閉じ込めることができる。これらの実施例から、本発明の実施が、プローブのどの部分に先端部が取り付けられているかに決定的に依存しないことは明らかである。

図５Ａ及び図５Ｂは、本発明の実施形態により、電気的設計をプローブ間隔（機械的設計）から分離できることの一例を示す。図５Ａ及び図５Ｂは、コア５０６、５０８及びシェル５０２、５０４をそれぞれ有する２つのプローブの上面図である。この一対のプローブ（２つのプローブ）の電気的特性（例えば、伝送線路インピーダンス）は、２つのプローブの導電性を有する第１の部材（５０２、５０４）の幾何学的構造によって実質的に決定される。特に、シェル間の間隔ｄは、重要なパラメータである。

対照的に、これら２つのプローブの伝送線路インピーダンスは、２つのプローブの機械的弾性を有する第２の部材（５０６、５０８）の幾何学的構造に実質的に依存しない。例えば、伝送線路インピーダンスは、コア間の間隔Ｓに実質的に依存しない。したがって、図示のように、導電性を有する第１の部材の第１の横方向寸法を、機械的弾性を有する第２の部材の第２の横方向寸法よりも実質的に大きく設定することによって、２つのコア間の間隔Ｓを、伝送線路インピーダンスに実質的に影響を与えることなく変更することが可能になる。簡単に説明すると、図５Ａ及び図５Ｂに示すプローブアレイの伝送線路インピーダンスは、実質的に同一である（言い換えれば、差は１０％以内である）。したがって、コア間の間隔Ｓは、プローブアレイの電気的設計を変更することなく、被試験デバイス上の接触パッドの間隔に合わせて必要に応じて設定することができる。

図６は、いくつかの好ましい実施形態の任意選択の要素を示す。図６は、ガイドプレート１０６を貫通して配置された、シェル６０２及びシェル６０４をそれぞれ有する２つのプローブを示す側面図である。２つのプローブ間の実効誘電率は、２つのプローブ間の電気絶縁性ガイドプレート１０６内に１以上の空隙６１０または介在物６０８を設けることによって変更することができる。これにより、図１Ｂのシェル間の間隔ｄに加えて、設計の自由度がさらに高まる。このようなプローブ構造においてさらなる設計自由度を提供する別の方法は、シェルの側壁に１以上のインダクタンス制御要素６０６を設けることである。図中の符号６１２、６１４、６１６、６１８、６２０は、このようなインダクタンス制御要素６０６のいくつかの例を示す。インダクタンス制御要素６０６は、要約すると、孔またはスロットであり得る。

本発明の実施は、機械的弾性を有する第２の部材（コア）の構造に決定的に依存しない。図７Ａ～図７Ｅは、機械的弾性を有する第２の部材の好適な形態のいくつかの例を示す。図７Ａは、均一な繰り返し金属構造を示す。図７Ｂは、シェルに対する摺動電気接点を改善するために改変された端部を有する均一な繰り返し金属構造を示す。図７Ｃは、シェル内での内在保持（inherent retention）のための不均一な繰り返し金属構造を示す。図７Ｄは、垂直圧縮下で座屈し、符号７０２の形態から符号７０４の形態に変化することができる直線状ワイヤを示す。接触プロモータ７０６、７０８（例えば、ワッシャ）を直線状ワイヤの両端部に配置することにより、シェルに対する摺動電気接点を改善することができる。図７Ｅは、導電性エラストマーカラム７１０を示す。図７Ｆは、導電性金属先端部７２０及び７２４を有する電気絶縁性エラストマー７２２を示す。

機械的弾性を有するプローブコアは、既知の技術、特にＭＥＭＳ（微小電気機械システム）プローブ技術を用いて作製することができる。例えば、通電容量及び抵抗制御のために、Ｃｕ／Ａｇコアを使用することができる。プローブ先端部には、Ｒｈなどの硬質材料を使用する。被試験デバイスに応じて、パッド、ボールピラー、及びＡｌ、Ｃｕ、Ｓｎ等の他の先端部材料の使用など、様々なプローブチップ構造を用いることができる。タブ等をコア上に配置することにより、シェル内のコアの保持を提供または改善することができる。単純な繰り返し設計を用いることにより、接触力やオーバートラベルなどの機械的パラメータをより簡単に調整することができる。本開示の垂直プローブ構造は、本質的に、小さなピッチを提供する。長いプローブは、高いオーバートラベル、長い寿命、及び、粒子からの損傷の受けやすさの減少を提供する。コアの座屈挙動は、設計パラメータとすることができ、面内座屈、面外座屈、及び複数の節点の可能性を有し得る。このようなコアは、自動化されたプローブステッチ機械に容易に組み込むことができる。

本発明の実施は、導電性を有する第１の部材（シェル）の構造に決定的に依存しない。図８Ａ～図８Ｃは、導電性を有する第１の部材の好適な形態のいくつかの例を示す。上述のコア／シェルの用語によって示唆されているように、いくつかの好ましい実施形態では、導電性を有する第１の部材は、機械的弾性を有する第２の部材を実質的に横方向に取り囲むシェルとして構成される。図８Ａ及び図８Ｂ（上面図）の２つのプローブ構造は、さらにいくつかの例を提供する。図中の符号８０２、８０４、８１２、８１４は導電性を有するシェル（第１の部材）であり、符号８０６、８０８、８１６、８１８は機械的弾性を有するコア（第２の部材）である。ただし、コア・シェル構造は、必須ではない。図８Ｃの例は、機械的弾性を有する第２の部材８２２に隣接して配置された（しかし、横方向に取り囲んではいない）、導電性を有する第１の部材８２０を示す。コア及びシェルは、構造的に別個であり、別々の機能を提供する。コア及びシェルは、別個の部品（図１Ａ及び図１Ｂの例）として作製してもよいし、または、図８Ｃの例のように、両方の機能を有する単一の部品として作製してもよい。別の作製方法としては、シェルをガイドプレートの貫通孔の内側に形成し、その後、シェルの内側にコアを配置することによってプローブを作製する方法がある。このようにして形成するシェルは、単層構造であってもよいし、多層構造であってもよい。

本発明をより良く理解するためには、本発明を図９に示すような従来のポゴピンプローブと対比することが有用である。図中の符号９０６はポゴピンのばねであり、これは、ポゴピンプローブの両端間の機械的コンプライアンスを決定するものと見なすことができる。エンドキャップ９０２及び９０４は、主に、ばね９０６を他の機械的干渉から機械的に隔離し、ばね９０６が他の機構（例えば、アレイ内の他のポゴピン）と干渉しないようにする働きをする。しかしながら、本発明についての上述の説明とは著しく対照的に、従来のポゴピンプローブの寸法は、上述のような電気的設計と機械的設計との分離が単に不要になるほど大きい。ポゴピンプローブ内の電流は、主にばね９０６を通ってプローブの両端部間を流れ、偶発的にのみエンドキャップ９０２、９０４を通る。

Claims

垂直プローブアレイであって、
２以上の垂直プローブを備え、
前記垂直プローブの各々は、
導電性を有する第１の部材と、
機械的弾性を有する第２の部材と、
前記垂直プローブの垂直方向の両端にそれぞれ配置された第１の先端部及び第２の先端部を含み、
前記第１の先端部は、被試験デバイスに対して一時的に電気接触するように構成され、
前記第２の先端部は、試験装置に対して電気接触するように構成され、
前記第１の先端部と前記第２の先端部との間の電流経路が、主に、前記第１の部材を通り、
前記第１の先端部と前記第２の先端部との間の機械的コンプライアンスが、主に、前記第２の部材によって決定され、
前記第１の先端部は、前記第２の部材上に配置され、
前記第２の先端部は、前記第１の部材上に配置され、
前記第１の部材は、第１の摺動電気接点を前記第１の先端部に近接して形成するように構成され、
電気絶縁性を有する機械的接続部が、前記第１の部材と前記第２の部材との間に、かつ、前記第２の先端部に近接して配置されることを特徴とする垂直プローブアレイ。
請求項１に記載の垂直プローブアレイであって、
前記垂直プローブが貫通して配置される電気絶縁性ガイドプレートをさらに備え、
前記垂直プローブのうちの選択された２つのプローブの伝送線路インピーダンスが、主に、前記選択された２つのプローブ間の間隔、及び前記選択された２つのプローブ間の実効誘電率に従って決定されることを特徴とする垂直プローブアレイ。
請求項２に記載の垂直プローブアレイであって、
前記選択された２つのプローブの前記伝送線路インピーダンスは、５０Ωであることを特徴とする垂直プローブアレイ。
請求項２に記載の垂直プローブアレイであって、
前記選択された２つのプローブの前記伝送線路インピーダンスは、前記選択された２つのプローブの前記第１の部材の幾何学的構造によって実質的に決定されることを特徴とする垂直プローブアレイ。
請求項２に記載の垂直プローブアレイであって、
前記選択された２つのプローブの前記伝送線路インピーダンスは、前記選択された２つのプローブの前記第２の部材の幾何学的構造に実質的に依存しないことを特徴とする垂直プローブアレイ。
請求項２に記載の垂直プローブアレイであって、
前記選択された２つのプローブ間の前記実効誘電率は、前記選択された２つのプローブ間の前記電気絶縁性ガイドプレートに１以上の空隙または介在物を設けることによって変更されることを特徴とする垂直プローブアレイ。
請求項２に記載の垂直プローブアレイであって、
前記第１の部材の第１の横方向寸法が、前記第２の部材の第２の横方向寸法よりも実質的に大きく設定され、それにより、前記選択された２つのプローブ間の間隔が、前記伝送線路インピーダンスに実質的に影響を与えることなく変更可能であることを特徴とする垂直プローブアレイ。
垂直プローブアレイであって、
２以上の垂直プローブを備え、
前記垂直プローブの各々は、
導電性を有する第１の部材と、
機械的弾性を有する第２の部材と、
前記垂直プローブの垂直方向の両端にそれぞれ配置された第１の先端部及び第２の先端部を含み、
前記第１の先端部は、被試験デバイスに対して一時的に電気接触するように構成され、
前記第２の先端部は、試験装置に対して電気接触するように構成され、
前記第１の先端部と前記第２の先端部との間の電流経路が、主に、前記第１の部材を通り、
前記第１の先端部と前記第２の先端部との間の機械的コンプライアンスが、主に、前記第２の部材によって決定され、
前記第２の先端部は、前記第２の部材上に配置され、
前記第１の先端部は、前記第１の部材上に配置され、
前記第１の部材は、第２の摺動電気接点を前記第２の先端部に近接して形成するように構成され、
電気絶縁性を有する機械的接続部が、前記第１の部材と前記第２の部材との間に、かつ、前記第１の先端部に近接して配置されることを特徴とする垂直プローブアレイ。
請求項１に記載の垂直プローブアレイであって、
前記第１の部材は、前記第２の部材を実質的に横方向に取り囲むシェルとして構成されることを特徴とする垂直プローブアレイ。
請求項９に記載の垂直プローブアレイであって、
前記第１の部材の各々は、前記シェルの側壁に設けられる１以上のインダクタンス制御要素を含み、
前記１以上のインダクタンス制御要素は、孔及びスロットからなる群から選択されることを特徴とする垂直プローブアレイ。