KR20210021349A

KR20210021349A - 디커플링된 전기적 및 기계적 설계를 갖는 전기 테스트 프로브들

Info

Publication number: KR20210021349A
Application number: KR1020217000440A
Authority: KR
Inventors: 제뉴어리 키스터; 로이 스왈트; 에딘 시예르치치
Original assignee: 폼팩터, 인크.
Priority date: 2018-06-14
Filing date: 2019-06-13
Publication date: 2021-02-25
Also published as: WO2019241530A1; EP3807656A4; JP2021526630A; EP3807656A1; TW202001258A; JP7301882B2; US11156637B2; US20190383857A1

Abstract

디커플링된 전기적 및 기계적 설계를 갖는 전기 회로들을 테스트하기 위한 프로브들이 제공된다. 예컨대, 기계적 탄성 코어는 전기 전도성 쉘로 둘러싸일 수 있다. 이러한 방식으로, 프로브들의 전기적 파라미터들은 쉘들에 의해 결정되고 프로브들의 기계적 파라미터들은 코어들에 의해 결정된다. 이 접근법의 중요한 애플리케이션은 임피던스 매칭된 송신 라인 프로브들을 제공하는 것이다.

Description

디커플링된 전기적 및 기계적 설계를 갖는 전기 테스트 프로브들

본 발명은 전기 디바이스들을 테스트하기 위한 수직 프로브(vertical probe)들에 관한 것이다.

전기 디바이스들 및 집적 회로들을 테스트하기 위한 수직 프로브들은 전기적 및 기계적 설계 요건들 둘 모두를 모두 충족해야 한다. 더 높은 전기 주파수들(예컨대, 5-10GHz 이상)에서, 이러한 2개의 요건 세트들은 첨예하게 대립한다. 이러한 주파수들에서의 전기 설계 고려사항들은 몹시 제한된 수직 편향 범위 및 입자들로부터의 손상에 대한 높은 민감성과 같이 매우 바람직하지 않은 기계적 특성들을 가진 짧은 프로브(short probe)들로 이어지는 경향이 있다.

따라서, 보다 쉬운 전기적 및 기계적 설계를 갖는 수직 프로브들을 제공하는 것이 당 업계의 진보일 것이다.

이 연구는 디커플링된 전기적 및 기계적 설계를 갖는 프로브들을 제공함으로써 이 문제를 해결한다. 일부 실시예들에서, 기본 아이디어는 각각의 프로브가 코어-쉘 구조를 갖는 것이며, 여기서 코어는 원하는 기계적 탄성 특성들을 제공하고 쉘은 메인 전류 경로를 제공한다. 코어는 프로브 구조의 최상부 및 최하부의 쉘에 전기 접촉(예컨대, 슬라이딩 전기 접촉들을 통해)을 형성하여 쉘이 이 1차 전류 경로를 제공하는 것을 가능하게 한다. 바람직한 실시예들에서, 이 접근법은 50 Ω 임피던스의 입력에 임피던스 매칭될 수 있는 수직 송신 라인을 효과적으로 제공하고 그리하여 전기 테스트 성능을 개선하는 데 사용될 수 있다.

도 1a는 본 발명의 예시적인 실시예의 측면도이다.
도 1b는 도 1a의 실시예의 평면도이다.
도 2 내지 도 4는 여러 대안적인 실시예들을 개략적으로 도시한다.
도 5a-b는 본 발명의 실시예들이 프로브 간격으로부터 전기 설계를 어떻게 디커플링할 수 있는지를 도시한다.
도 6은 일부 바람직한 실시예들의 선택적인 특징들을 도시한다.
도 7a-f는 적합한 기계적 탄성 코어들의 일부 예들을 도시한다.
도 8a-c는 적합한 쉘 구성들의 일부 예들을 도시한다.
도 9는 종래의 포고-핀 프로브를 개략적으로 도시한다.

도 1a는 본 발명의 예시적인 실시예의 측면도이다. 도 1b는 도 1a의 실시예의 평면도이다. 이 예에서, 전기 절연성 가이드 플레이트(106)(예컨대, SiN, 그러나 가이드 플레이트(106)의 조성은 중요하지 않음)를 통과하는 것으로 도시된 프로브 어레이의 2개의 프로브들이 도시된다. 제1 프로브는 전기 전도성 제1 부재(110) 및 기계적 탄성 제2 부재(114)를 포함한다. 다음 설명에서, 코어/쉘 기하학적 구조는 본 발명의 특징들을 정의하는 것이 아니라 바람직한 실시예라는 것을 조건으로, '쉘'로서 전기 전도성 제1 부재를 지칭하고 '코어'로서 기계적 탄성 제2 부재를 지칭하는 것이 종종 편리할 것이다.

제1 프로브는 또한, 프로브의 대향하는 수직 단부들에 배치된 제1 팁(120) 및 제2 팁(122)을 포함한다. 제1 팁(120)은 테스트 중인 디바이스(102)에 일시적인 전기 접촉을 형성하도록 구성된다. 제2 팁(122)은 테스트 장치(104)에 전기 접촉을 형성하도록 구성된다. 제1 팁(120)과 제2 팁(122) 사이의 전류 경로(130)는 주로, 도시된 바와 같이 전기 전도성 제1 부재(110)를 통과한다. 제1 팁(120)과 제2 팁(122) 사이의 기계적 컴플라이언스는 주로, 또한 도시된 바와 같이 기계적 탄성 제2 부재(114)에 의해 결정된다. 이 접근법의 중요한 특징은 프로브의 전류 전달 용량이 코어에 의해서가 아니라, 쉘에 의해 결정된다는 것이며, 이는 전류 전달 용량을 바람직하게 증가시킨다.

제2 프로브는 전기 전도성 제1 부재(112) 및 기계적 탄성 제2 부재(116)를 포함한다. 제2 프로브는 또한, 프로브의 대향하는 수직 단부들에 배치된 제1 팁(124) 및 제2 팁(126)을 포함한다. 제1 팁(124)은 테스트 중인 디바이스(102)에 일시적인 전기 접촉을 형성하도록 구성된다. 제2 팁(126)은 테스트 장치(104)에 전기 접촉을 형성하도록 구성된다. 제1 팁(124)과 제2 팁(126) 사이의 전류 경로(132)는 주로, 도시된 바와 같이 전기 전도성 제1 부재(112)를 통과한다. 제1 팁(124)과 제2 팁(126) 사이의 기계적 컴플라이언스는 주로, 또한 도시된 바와 같이 기계적 탄성 제2 부재(116)에 의해 결정된다.

바람직한 실시예들에서, 수직 프로브들 중 2개의 수직 프로브들의 송신 라인 임피던스는 주로, 2개의 프로브들 사이의 거리(d)에 따라 그리고 2개의 프로브들 사이의 유효 유전 상수에 따라 결정된다. 송신 라인 임피던스는 바람직하게는 50Ω이다. 여기서 핵심적인 특징은 이 임피던스가 프로브의 팁간 길이(tip to tip length)와 실질적으로 독립적이 될 수 있다는 것이다. 즉, 프로브들은 기계적 설계를 위해 필요한 만큼 길어질 수 있는 반면, 종래의 프로브 설계들에서 훨씬 더 짧은 프로브들로만 획득될 수 있는 바람직한 전기적 특성들을 여전히 갖는다. 대역폭 시뮬레이션들은 이러한 종류의 코어-쉘 아키텍처를 가진 프로브들에 대해 100GHz 초과의 대역폭들을 보여주었다.

도 2 내지 도 4는 위에서 설명된 바와 같이 가이드 플레이트의 개재물(inclusion)이 본 발명의 모든 실시예들에서 요구되진 않기 때문에, 단일 프로브들에 대한 여러 대안적인 실시예들을 개략적으로 도시한다. 예컨대, 쉘들이 공간 변압기에 직접 부착된 경우, 절연성 가이드 플레이트가 생략될 수 있다.

도 2의 예에서, 제1 팁(210) 및 제2 팁(212)은 기계적 탄성 제2 부재(202) 상에 배치된다. 전기 전도성 제1 부재(204)는 제1 팁(210) 부근에 제1 슬라이딩 전기 접촉(208)을 형성하도록 구성된다. 전기 전도성 제1 부재(204)는 제2 팁(212) 부근에 제2 슬라이딩 전기 접촉(206)을 형성하도록 구성된다. 여기서 전기 전도성 제1 부재는 도시된 바와 같이 기계적 탄성 제2 부재의 단부들이 슬리브의 양 단부들로부터 튀어나오는 슬리브로서 구성된다. 이 실시예는 1차 전류 흐름 경로(즉, 총 팁간 전류의 90 % 이상)가 전기 전도성 제1 부재(204)를 통하도록 슬라이딩 접촉들(206 및 208)에서 충분히 낮은 접촉 저항을 갖는 것에 의존한다.

도 3의 예에서, 제1 팁(210)은 기계적 탄성 제2 부재(202) 상에 배치되고, 제2 팁(212)은 전기 전도성 제1 부재(204) 상에 배치된다. 전기 전도성 제1 부재(204)는 제1 팁(210) 부근에 제1 슬라이딩 전기 접촉(208)을 형성하도록 구성된다. 바람직하게는, 전기 전도성 제1 부재(204)와 기계적 탄성 제2 부재(202) 사이의 전기 절연성 기계적 연결(214)이 제2 팁(212) 부근에 배치된다. 이 실시예는 전기 전도성 제1 부재(204)를 통한 전류 흐름의 보다 완전한 한정을 제공할 수 있는데, 그 이유는 단부로부터 단부까지 기계적 탄성 제2 부재(202)를 통해 경합하는 직류 경로가 없기 때문이다.

도 4의 예에서, 제2 팁(212)은 기계적 탄성 제2 부재(202) 상에 배치되고, 제1 팁(210)은 전기 전도성 제1 부재(204) 상에 배치된다. 전기 전도성 제1 부재(204)는 제2 팁(212) 부근에 제2 슬라이딩 전기 접촉(206)을 형성하도록 구성된다. 바람직하게는, 전기 전도성 제1 부재(204)와 기계적 탄성 제2 부재(202) 사이의 전기 절연성 기계적 연결(214)이 제1 팁(210) 부근에 배치된다. 이 실시예는 전기 전도성 제1 부재(204)를 통한 전류 흐름의 보다 완전한 한정을 제공할 수 있는데, 그 이유는 단부로부터 단부까지 기계적 탄성 제2 부재(202)를 통해 경합하는 직류 경로가 없기 때문이다. 이러한 예로부터, 본 발명의 실시는 팁들이 프로브의 어느 부분들에 부착되는지에 결정적으로 의존하지 않는다는 것이 분명하다.

도 5a-b는 본 발명의 실시예들이 프로브 간격으로부터 전기 설계를 어떻게 디커플링할 수 있는지에 관한 예를 도시한다. 여기에서, 도 5a-b는 각각 코어들(506, 508) 및 쉘들(502, 504)을 갖는 2개의 프로브들의 평면도들이다. 이 프로브들의 쌍의 전기적 특성들(예컨대, 송신 라인 임피던스)은 2개의 프로브들의 전기 전도성 제1 부재들(502, 504)의 기하학적 구성에 의해 실질적으로 결정된다. 특히, 쉘들 사이의 간격(d)은 중요한 파라미터이다.

대조적으로, 이들 2개의 프로브들의 송신 라인 임피던스는 2개의 프로브들의 기계적 탄성 제2 부재들(506, 508)의 기하학적 구성과 실질적으로 독립적이다. 예컨대, 임피던스는 코어간 간격(S)과 실질적으로 독립적이다. 따라서, 도시된 바와 같이, 전기 전도성 제1 부재들의 제1 측방향 크기가 기계적 탄성 제2 부재들의 제2 측방향 크기보다 실질적으로 더 크게 함으로써, 송신 라인 임피던스에 실질적으로 영향을 주지 않고 2개의 코어들 사이의 간격이 변경될 수 있다. 간단히 말해서, 도 5a 및 도 5b의 구성들의 송신 라인 임피던스는 실질적으로(즉, 10 % 이하로) 동일하다. 따라서 프로브 간격(S)은 필요에 따라, 프로브 어레이의 전기적 설계를 변경하지 않고 테스트중인 디바이스 상에서 접촉 패드들의 간격과 매칭하도록 세팅될 수 있다.

도 6은 일부 바람직한 실시예들의 선택적인 특징들을 도시한다. 이는, 가이드 플레이트(106)를 통과하는 쉘들(602 및 604)을 갖는 2개의 프로브들의 측면도이다. 2개의 프로브들 사이의 유효 유전 상수는 2개의 프로브들 사이의 전기 절연성 가이드 플레이트(106)에 하나 이상의 보이드들(610) 또는 개재물들(608)을 배치함으로써 수정될 수 있다. 이는, 도 1b의 쉘간 간격(d)에 추가로, 추가의 설계 자유도들을 제공한다. 이러한 종류의 프로브 아키텍처에서 부가적인 설계 자유를 제공하는 다른 방식은 쉘들의 측벽들에 하나 이상의 인덕턴스 제어 특징들(606)을 포함시키는 것이다. 여기서, 612, 614, 616, 618, 620은 홀들 또는 슬롯들로 요약될 수 있는 이러한 인덕턴스 제어 특징들의 일부 예들을 도시한다.

본 발명의 실시는 기계적 탄성 제2 부재의 구성에 임계적으로 의존하지 않는다. 도 7a-e는 적합한 기계적 탄성 제2 부재들의 일부 예들을 도시한다. 여기서 도 7a는 균일한 반복 금속 구조를 도시한다. 도 7b는 쉘에 대한 슬라이딩 전기 접촉들을 개선하기 위해 수정된 단부들을 갖는 균일한 반복 금속 구조를 도시한다. 도 7c는 쉘에서의 고유한 보유를 위한 비-균일한 반복 금속 구조를 도시한다. 도 7d는 702의 구성으로부터 704의 구성으로 변경하기 위해 수직 압축 하에서 좌굴(buckle)될 수 있는 직선 와이어를 도시한다. 접촉 프로모터들(706, 708)(예컨대, 와셔(washer)들)은 쉘에 대한 슬라이딩 전기 접촉을 개선하기 위해 와이어의 단부들에 배치될 수 있다. 도 7e는 전기 전도성 엘라스토머 열(710)을 도시한다. 도 7f는 전도성 금속 팁들(722 및 724)을 갖는 전기 절연성 엘라스토머(720)를 도시한다.

기계적 탄성 프로브 코어들은 알려진 기술, 특히 MEMS(microelectromechanical systems) 프로브 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 예컨대, Cu/Ag 코어는 전류 전달 용량 및 저항 제어를 위해 사용될 수 있다. Rh와 같은 단단한 재료들이 프로브 팁들에 대해 사용될 수 있다. 패드들, 볼 필러들 및 다른 팁 재료들 이를테면, Al, Cu, Sn의 사용과 같이 테스트중인 디바이스에 의존하여 다양한 프로브 팁 구성들이 사용될 수 있다. 쉘들에서 코어들의 보유를 제공하거나 개선하기 위해 코어들 상에 탭들 등이 배치될 수 있다. 단순히, 반복적인 설계들은 접촉력들 및 과-이동(over-travel)과 같은 기계적 파라미터들을 보다 용이하게 조정하는데 사용될 수 있다. 수직 프로브 아키텍처는 본질적으로 작은 피치를 제공한다. 긴 프로브들은 높은 과-이동, 긴 수명 및 입자 손상에 대한 감소된 민감성을 제공한다. 코어들의 좌굴 거동은 평면내 좌굴, 평면외 좌굴 및 다수의 노드들을 포함하는 가능성들과 함께, 설계 파라미터일 수 있다. 이러한 종류의 코어들은 자동화된 프로브 스티칭 기계류에 쉽게 통합될 수 있다.

본 발명의 실시는 전기 전도성 제1 부재의 구성에 임계적으로 의존하지 않는다. 도 8a-c는 전기 전도성 제1 부재의 적합한 구성들의 일부 예들을 도시한다. 위에서 소개된 코어/쉘 용어에 의해 제안된 바와 같이, 일부 바람직한 실시예들에서, 전기 전도성 제1 부재들은 기계적 탄성 제2 부재들을 실질적으로 측방향으로 둘러싸는 쉘들로서 구성된다. 도 8a-b(평면도들)의 2-프로브 구성들은 일부 추가의 예들을 제공한다. 여기서, 802, 804, 812, 814는 전기 전도성 쉘들이고 806, 808, 816, 818은 기계적 탄성 코어들이다. 그러나 코어-쉘 구성이 요구되는 것은 아니다. 도 8c의 예는 기계적 탄성 제2 부재(820)에 인접하게 배치된(그러나 측방향으로 둘러싸지 않음) 전기 전도성 제1 부재(822)를 도시한다. 코어 및 쉘은 구조적으로 구별되고 별개의 기능들을 제공하지만, 이들은 도 8c의 예에서와 같이 별개의 부분들(도 1a-b의 예)로서 또는 둘 모두의 특징들을 갖는 단일 부분으로서 제조될 수 있다. 다른 제조 옵션은 가이드 플레이트의 홀들을 통해 내부에 쉘들을 형성하고 그 후 쉘들 내부에 코어들을 배치하여 프로브들을 형성하는 것이다. 이러한 방식으로 형성된 쉘들은 단층 구조들 또는 다층 구조들일 수 있다.

본 발명을 더 잘 이해하기 위해, 본 발명을 도 9에 도시된 바와 같은 종래의 포고-핀 프로브(pogo-pin probe)와 대조하는 것이 도움이 된다. 여기서 906은 포고-핀 프로브의 팁간 기계적 컴플라이언스를 결정하는 것으로 간주될 수 있는 포고-핀의 스프링이다. 단부 캡들(902 및 904)은, 주로 스프링(906)을 다른 기계적 간섭으로부터 기계적으로 격리된 채로 유지시키고, 스프링(906)이 다른 메커니즘(예컨대, 어레이 내의 다른 포고 핀들)을 간섭하는 것을 방지하는 역할을 한다. 그러나 선행 설명과 첨예하게 대조적으로, 종래의 포고-핀 프로브들의 치수들은 위에서 설명된 바와 같이 전기적 및 기계적 설계의 디커플링이 단순히 불필요할 정도로 충분히 크다. 포고-핀 프로브들의 전류는 단부로부터 단부로 주로 스프링(906)을 통해 흐르고 단지 우연히만 단부 캡들(902, 904)을 통해 흐른다.

Claims

수직 프로브 어레이로서,
하나 이상의 수직 프로브들을 포함하고,
상기 하나 이상의 수직 프로브들 각각은 전기 전도성 제1 부재 및 기계적 탄성 제2 부재를 포함하고;
상기 하나 이상의 수직 프로브들 각각은 상기 프로브의 대향하는 수직 단부들에 배치된 제1 팁 및 제2 팁을 포함하고;
상기 제1 팁은 테스트 중인 디바이스에 대한 일시적인 전기 접촉을 형성하도록 구성되고;
상기 제2 팁은 테스트 장치에 대한 전기 접촉을 형성하도록 구성되고;
상기 제1 팁과 상기 제2 팁 사이의 전류 경로는 주로 상기 전기 전도성 제1 부재를 통과하고; 그리고
상기 제1 팁과 상기 제2 팁 사이의 기계적 컴플라이언스(mechanical compliance)는 주로 상기 기계적 탄성 제2 부재에 의해 결정되는,
수직 프로브 어레이.
제1 항에 있어서,
상기 하나 이상의 수직 프로브들이 통과하는 전기 절연성 가이드 플레이트를 더 포함하고,
상기 수직 프로브들 중 선택된 2개의 수직 프로브들의 송신 라인 임피던스는 주로, 상기 선택된 2개의 프로브들 사이의 거리에 따라 그리고 상기 선택된 2개의 프로브들 사이의 유효 유전 상수에 따라 결정되는,
수직 프로브 어레이.
제2 항에 있어서,
상기 송신 라인 임피던스는 50 Ω인,
수직 프로브 어레이.
제2 항에 있어서,
상기 선택된 2개의 프로브들의 송신 라인 임피던스는 상기 선택된 2개의 프로브들의 전기 전도성 제1 부재들의 기하학적 구성에 의해 실질적으로 결정되는,
수직 프로브 어레이.
제2 항에 있어서,
상기 선택된 2개의 프로브들의 송신 라인 임피던스는 상기 선택된 2개의 프로브들의 기계적 탄성 제2 부재들의 기하학적 구성과 실질적으로 독립적인,
수직 프로브 어레이.
제2 항에 있어서,
상기 선택된 2개의 프로브들 사이의 유효 유전 상수는 상기 선택된 2개의 프로브들 사이의 전기 절연성 가이드 플레이트에 하나 이상의 보이드들 또는 개재물(inclusion)들을 배치함으로써 수정되는,
수직 프로브 어레이.
제2 항에 있어서,
상기 전기 전도성 제1 부재들의 제1 측방향 크기는 상기 기계적 탄성 제2 부재들의 제2 측방향 크기보다 실질적으로 크고;
그로 인해서, 상기 선택된 2개의 프로브들 사이의 간격은 상기 송신 라인 임피던스에 실질적으로 영향을 주지 않고 변경될 수 있는,
수직 프로브 어레이.
제1 항에 있어서,
상기 제1 및 상기 제2 팁들은 상기 기계적 탄성 제2 부재 상에 배치되고;
상기 전기 전도성 제1 부재는 상기 제1 팁 부근에 제1 슬라이딩 전기 접촉을 형성하도록 구성되고; 그리고
상기 전기 전도성 제1 부재는 상기 제2 팁 부근에 제2 슬라이딩 전기 접촉을 형성하도록 구성되는,
수직 프로브 어레이.
제1 항에 있어서,
상기 제1 팁은 상기 기계적 탄성 제2 부재 상에 배치되고;
상기 제2 팁은 상기 전기 전도성 제1 부재 상에 배치되고;
상기 전기 전도성 제1 부재는 상기 제1 팁 부근에 제1 슬라이딩 전기 접촉을 형성하도록 구성되는,
수직 프로브 어레이.
제9 항에 있어서,
상기 전기 전도성 제1 부재와 상기 기계적 탄성 제2 부재 사이의 전기 절연성 기계적 연결은 상기 제2 팁 부근에 배치되는,
수직 프로브 어레이.
제1 항에 있어서,
상기 제2 팁은 상기 기계적 탄성 제2 부재 상에 배치되고;
상기 제1 팁은 상기 전기 전도성 제1 부재 상에 배치되고;
상기 전기 전도성 제1 부재는 상기 제2 팁 부근에 제2 슬라이딩 전기 접촉을 형성하도록 구성되는,
수직 프로브 어레이.
제11 항에 있어서,
상기 전기 전도성 제1 부재와 상기 기계적 탄성 제2 부재 사이의 전기 절연성 기계적 연결은 상기 제1 팁 부근에 배치되는,
수직 프로브 어레이.
제1 항에 있어서,
상기 전기 전도성 제1 부재들은 상기 기계적 탄성 제2 부재들을 실질적으로 측방향으로 둘러싸는 쉘(shell)들로서 구성되는,
수직 프로브 어레이.
제13 항에 있어서,
상기 전기 전도성 제1 부재들은 각각, 상기 쉘들의 측벽들에 배치되고 그리고 홀들 및 슬롯들로 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 인덕턴스 제어 특징(inductance control feature)들을 포함하는,
수직 프로브 어레이.