TW202001258A - 具有去耦電氣及機械設計的電氣測試探針 - Google Patents

Abstract

提供的是具有去耦電氣及機械設計而用於測試電路的探針。舉例而言，機械彈性核心可以由導電外殼所包圍。以此方式，則探針的電氣參數是由外殼所決定，並且探針的機械參數是由核心所決定。此做法的重要應用是提供阻抗匹配的傳輸線探針。

Description

具有去耦電氣及機械設計的電氣測試探針

本發明有關用於測試電氣裝置的垂直探針。

用於測試電氣裝置和積體電路的垂直探針必須同時滿足電氣及機械設計的要求。在較高電氣頻率(譬如5~10十億赫茲和以上)，這二組要求變成有明顯衝突。在這些頻率下的電氣設計考量傾向導出短探針而具有極為不利的機械性質，例如過度侷限的垂直偏折範圍並且極易受到粒子的損傷。

據此，此技術所要進步的會是提供具有較容易之電氣及機械設計的垂直探針。

本案提供具有去耦電氣及機械設計的探針而解決此問題。某些實施例的基本想法是讓每個探針具有核心–外殼結構，其中核心提供想要的機械彈性性質，並且外殼提供主要電流路徑。核心在探針結構的頂部和底部做出對外殼的電氣接觸(譬如滑動電氣接觸)，而讓外殼能提供此主要電流路徑。於較佳實施例，此做法可以用來有效地提供垂直傳輸線，其可以阻抗匹配於在50歐姆(Ω)阻抗的輸入，藉此改善電氣測試效能。

圖1A是本發明之範例性實施例的側視圖。圖1B是圖1A之實施例的俯視圖。於此範例，探針陣列的二探針顯示成穿過電絕緣導引板106(譬如SiN，但導引板106的組成不重要)。第一探針包括導電第一構件110和機械彈性第二構件114。於以下敘述，將常常方便稱呼導電第一構件為「外殼」(shell)並且稱呼機械彈性第二構件為「核心」(core)，而了解的是相對於本發明的界定特徵，核心∕外殼的幾何形狀是較佳實施例。

第一探針也包括第一尖端120和第二尖端122，其配置在探針的相對垂直末端。第一尖端120建構成暫時電氣接觸測試中的裝置102。第二尖端122建構成電氣接觸測試設備104。第一尖端120和第二尖端122之間的電流路徑130主要是經由導電第一構件110，如所示。第一尖端120和第二尖端122之間的機械順服性主要由機械彈性第二構件114所決定，亦如所示。這做法的重要特徵在於探針的電流攜載能力是由外殼所決定，而非核心，這合意地增加電流攜載能力。

第二探針包括導電第一構件112和機械彈性第二構件116。第二探針也包括第一尖端124和第二尖端126，其配置在探針的相對垂直末端。第一尖端124建構成暫時電氣接觸測試中的裝置102。第二尖端126建構成電氣接觸測試設備104。第一尖端124和第二尖端126之間的電流路徑132主要是經由導電第一構件112，如所示。第一尖端124和第二尖端126之間的機械順服性主要由機械彈性第二構件116所決定，亦如所示。

於較佳實施例，二垂直探針的傳輸線阻抗主要根據二探針之間的距離d和根據二探針之間的有效介電常數而決定。傳輸線阻抗較佳而言為50 Ω。在此的關鍵特徵是此阻抗可以做成大致獨立於探針之尖端到尖端的長度。換言之，探針可以是如機械設計所需的長，而仍具有習用探針設計僅可以用短很多探針才獲得之合意的電氣性質。頻寬模擬已顯示具有這種核心–外殼架構之探針的頻寬大於100十億赫茲。

圖2~4示意顯示單一探針的幾個替代選擇性實施例，因為如上所述而包含在導引板中不是本發明所有實施例所需。舉例而言，如果外殼直接附接於空間變壓器，則可以省略絕緣導引板。

於圖2的範例，第一尖端210和第二尖端212配置在機械彈性第二構件202上。導電第一構件204建構成鄰近於第一尖端210而做出第一滑動電氣接觸208。導電第一構件204建構成鄰近於第二尖端212而做出第二滑動電氣接觸206。在此，導電第一構件建構成套筒，其中機械彈性第二構件的末端從套筒的二末端伸出，如所示。此實施例依賴滑動接觸206和208具有夠低的接觸電阻，則主要電流路徑(亦即90%或更多的尖端到尖端總電流)是經由導電第一構件204。

於圖3的範例，第一尖端210配置在機械彈性第二構件202上，並且第二尖端212配置在導電第一構件204上。導電第一構件204建構成鄰近於第一尖端210而做出第一滑動電氣接觸208。較佳而言，導電第一構件204和機械彈性第二構件202之間的電絕緣機械連接214配置成鄰近於第二尖端212。此實施例可以提供經由導電第一構件204之電流的更完整侷限，因為沒有從末端到末端而經由機械彈性第二構件202的競爭性直接路徑。

於圖4的範例，第二尖端212配置在機械彈性第二構件202上，並且第一尖端210配置在導電第一構件204。導電第一構件204建構成鄰近於第二尖端212而做出第二滑動電氣接觸206。較佳而言，導電第一構件204和機械彈性第二構件202之間的電絕緣機械連接214配置成鄰近於第一尖端210。此實施例可以提供經由導電第一構件204之電流的更完整侷限，因為沒有從末端到末端而經由機械彈性第二構件202的競爭性直接路徑。從這些範例，清楚的是本發明的實施不非常依賴尖端要附接到探針的哪些部分。

圖5A~B顯示本發明之實施例可以如何使電氣設計與探針間距去耦的範例。在此，圖5A~B是二探針的俯視圖，其分別具有核心506、508和外殼502、504。這對探針的電氣性質(譬如傳輸線阻抗)大致是由二探針之導電第一構件(502、504)的幾何架構所決定。尤其，外殼之間的間距d是重要參數。

相對而言，這二探針的傳輸線阻抗大致獨立於二探針之機械彈性第二構件(506、508)的幾何架構。舉例而言，阻抗大致獨立於核心到核心的間距S。因此，使導電第一構件的第一側向尺寸大致大於機械彈性第二構件的第二側向尺寸，如所示，則可以更動二核心之間的間距，而大致不影響傳輸線阻抗。簡言之，圖5A和5B之架構的傳輸線阻抗大致是相同的(亦即在10%以內或更小)。因此探針間距S可以如所需來設定以匹配測試中的裝置上之接觸墊的間距，而不更動探針陣列的電氣設計。

圖6顯示某些較佳實施例之可選擇的特徵。此為二探針的側視圖，其具有穿過導引板106的外殼602和604。二探針之間的有效介電常數可以藉由在二探針之間的電絕緣導引板106中配置一或更多個空洞610或夾雜物608而修改。除了圖1B之外殼到外殼的間距d以外，這還提供進一步的設計自由度。在此種探針架構中提供額外設計自由度的另一種方式則是在外殼的側壁中包括一或更多個電感控制特徵606。在此，612、614、616、618、620顯示此種電感控制特徵的某些範例，其可以綜合稱為孔或槽縫。

本發明的實施不非常依賴機械彈性第二構件的架構。圖7A~E顯示適合之機械彈性第二構件的某些範例。在此，圖7A顯示均勻重複的金屬結構。圖7B顯示均勻重複的金屬結構，其具有修改的末端以改善對外殼的滑動電氣接觸。圖7C顯示非均勻重複的金屬結構以天生維持於外殼中。圖7D顯示直線，其可以在垂直壓縮下屈曲而從702的架構改變成704的架構。接觸促進物706、708(譬如墊圈)可以配置在線的末端以改善與外殼的滑動電氣接觸。圖7E顯示導電彈性柱710。圖7F顯示電絕緣彈性體720，其具有導電金屬尖端722和724。

機械彈性探針核心可以使用已知的科技來製造，特別是微機電系統(microelectromechanical system, MEMS) 探針科技。舉例而言，Cu/Ag核心可以用於電流攜載能力和電阻控制。例如Rh的硬材料可以用於探針尖端。可以使用多樣的探針尖端架構，此視測試中的裝置(例如墊、球柱)和使用其他尖端材料(例如Al、Cu、Sn)而定。突耳或類似者可以配置在核心上以提供或改善核心維持於外殼中。簡單的重複設計可以用於更容易調整機械參數，例如接觸力和過度行程。垂直探針架構固有地提供小的節距。長探針提供高的過度行程、長壽命、減少對粒子損傷的敏感性。核心的屈曲行為可以是設計參數，可能包括了平面內的屈曲、平面外的屈曲、多重節點。這種核心可以輕易整合到自動化的探針縫裝機械中。

本發明的實施不非常依賴導電第一構件的架構。圖8A~C顯示導電第一構件之適合架構的某些範例。如上面介紹之核心∕外殼用語所建議，於某些較佳實施例，導電第一構件建構成外殼，其大致側向包圍機械彈性第二構件。圖8A~B(俯視圖)的二探針架構提供某些進一步範例。在此，802、804、812、814是導電外殼，並且806、808、816、818是機械彈性核心。然而，核心–外殼架構不是必需的。圖8C的範例顯示導電第一構件822配置成相鄰於機械彈性第一第二構件820(但未側向包圍)。雖然核心和外殼在結構上有所區分並且提供分別的功能，但是它們可以製造成分開的零件(圖1A~B的範例)或具有二特徵的單一零件(如圖8C的範例)。另一製造選項則是在導引板的貫穿孔中形成外殼，然後將核心配置在外殼內以形成探針。以此方式所形成的外殼可以為單層結構或多層結構。

為了更好體會本發明，有幫助的是與如圖9所示之習用的伸縮探針做對比。在此，906是伸縮探針的彈簧，其可以視為決定了伸縮探針之尖端到尖端的機械順服性。末端蓋902和904主要用來保持彈簧906機械隔離於其他機械干擾，並且保持彈簧906免於干擾其他機構(譬如陣列中的其他伸縮探針)。然而，與前面敘述有明顯對比的是習用伸縮探針的尺寸夠大，以致單純不需要上述電氣及機械設計的去耦。伸縮探針中的電流主要從末端到末端而流經彈簧906，而僅順便流經末端蓋902、904。

102‧‧‧測試中的裝置 104‧‧‧測試設備 106‧‧‧電絕緣導引板 110‧‧‧導電第一構件、外殼 112‧‧‧導電第一構件、外殼 114‧‧‧機械彈性第二構件、核心 116‧‧‧機械彈性第二構件、核心 120‧‧‧第一尖端 122‧‧‧第二尖端 124‧‧‧第一尖端 126‧‧‧第二尖端 130‧‧‧電流路徑 132‧‧‧電流路徑 202‧‧‧機械彈性第二構件 204‧‧‧導電第一構件 206‧‧‧第二滑動電氣接觸 208‧‧‧第一滑動電氣接觸 210‧‧‧第一尖端 212‧‧‧第二尖端 214‧‧‧電絕緣機械連接 502‧‧‧外殼 504‧‧‧外殼 506‧‧‧核心 508‧‧‧核心 602‧‧‧外殼 604‧‧‧外殼 606‧‧‧電感控制特徵 608‧‧‧夾雜物 610‧‧‧空洞 612‧‧‧電感控制特徵 614‧‧‧電感控制特徵 616‧‧‧電感控制特徵 618‧‧‧電感控制特徵 620‧‧‧電感控制特徵 702‧‧‧架構 704‧‧‧架構 706‧‧‧接觸促進物 708‧‧‧接觸促進物 710‧‧‧導電彈性柱 720‧‧‧電絕緣彈性體 722‧‧‧導電金屬尖端 724‧‧‧導電金屬尖端 802‧‧‧導電外殼 804‧‧‧導電外殼 806‧‧‧機械彈性核心 808‧‧‧機械彈性核心 812‧‧‧導電外殼 814‧‧‧導電外殼 816‧‧‧機械彈性核心 818‧‧‧機械彈性核心 820‧‧‧機械彈性第二構件 822‧‧‧導電第一構件 902‧‧‧末端蓋 904‧‧‧末端蓋 906‧‧‧彈簧 d‧‧‧距離 S‧‧‧間距

圖1A是本發明之範例性實施例的側視圖。

圖1B是圖1A之實施例的俯視圖。

圖2~4示意顯示幾個替代選擇性實施例。

圖5A~B顯示本發明的實施例可以如何使電氣設計與探針間距去耦。

圖6顯示某些較佳實施例之可選擇的特徵。

圖7A~F顯示適合之機械彈性核心的某些範例。

圖8A~C顯示適合之外殼架構的某些範例。

圖9示意顯示習用的伸縮(pogo-pin)探針。

102‧‧‧測試中的裝置

104‧‧‧測試設備

106‧‧‧電絕緣導引板

110‧‧‧導電第一構件、外殼

112‧‧‧導電第一構件、外殼

114‧‧‧機械彈性第二構件、核心

116‧‧‧機械彈性第二構件、核心

120‧‧‧第一尖端

122‧‧‧第二尖端

124‧‧‧第一尖端

126‧‧‧第二尖端

130‧‧‧電流路徑

132‧‧‧電流路徑

Claims (14)

1. 一種垂直探針陣列，其包括： 一或更多個垂直探針； 其中該一或更多個垂直探針的每一者包括導電第一構件和機械彈性第二構件； 其中該一或更多個垂直探針的每一者包括第一尖端和第二尖端，其配置在該探針的相對垂直末端； 其中該第一尖端建構成暫時電氣接觸測試中的裝置； 其中該第二尖端建構成電氣接觸測試設備； 其中該第一尖端和該第二尖端之間的電流路徑主要是經由該導電第一構件；以及 其中該第一尖端和該第二尖端之間的機械順服性主要是由該機械彈性第二構件所決定。
2. 如申請專利範圍第1項的垂直探針陣列，其進一步包括電絕緣導引板，而該一或更多個垂直探針穿過該電絕緣導引板，其中該垂直探針之所選二者的傳輸線阻抗主要根據該所選二探針之間的距離和根據該所選二探針之間的有效介電常數而決定。
3. 如申請專利範圍第2項的垂直探針陣列，其中該傳輸線阻抗是50歐姆(Ω)。
4. 如申請專利範圍第2項的垂直探針陣列，其中該所選二探針的該傳輸線阻抗大致由該所選二探針之該導電第一構件的幾何架構所決定。
5. 如申請專利範圍第2項的垂直探針陣列，其中該所選二探針的該傳輸線阻抗大致獨立於該所選二探針之該機械彈性第二構件的幾何架構。
6. 如申請專利範圍第2項的垂直探針陣列，其中該所選二探針之間的該有效介電常數藉由在該所選二探針之間的該電絕緣導引板中配置一或更多個空洞或夾雜物而修改。
7. 如申請專利範圍第2項的垂直探針陣列， 其中該導電第一構件的第一側向尺寸大致大於該機械彈性第二構件的第二側向尺寸； 藉此可以更動該所選二探針之間的間距，而大致不影響該傳輸線阻抗。
8. 如申請專利範圍第1項的垂直探針陣列， 其中該第一和第二尖端配置在該機械彈性第二構件上； 其中該導電第一構件建構成鄰近於該第一尖端而做出第一滑動電氣接觸；以及 其中該導電第一構件建構成鄰近於該第二尖端而做出第二滑動電氣接觸。
9. 如申請專利範圍第1項的垂直探針陣列， 其中該第一尖端配置在該機械彈性第二構件上； 其中該第二尖端配置在該導電第一構件上； 其中該導電第一構件建構成鄰近於該第一尖端而做出第一滑動電氣接觸。
10. 如申請專利範圍第9項的垂直探針陣列，其中該導電第一構件和該機械彈性第二構件之間的電絕緣機械連接配置成鄰近於該第二尖端。
11. 如申請專利範圍第1項的垂直探針陣列， 其中該第二尖端配置在該機械彈性第二構件上； 其中該第一尖端配置在該導電第一構件上； 其中該導電第一構件建構成鄰近於該第二尖端而做出第二滑動電氣接觸。
12. 如申請專利範圍第11項的垂直探針陣列，其中該導電第一構件和該機械彈性第二構件之間的電絕緣機械連接配置成鄰近於該第一尖端。
13. 如申請專利範圍第1項的垂直探針陣列，其中該導電第一構件建構成大致側向包圍該機械彈性第二構件的外殼。
14. 如申請專利範圍第13項的垂直探針陣列，其中該導電第一構件各包括一或更多個電感控制特徵，其配置於該外殼的側壁中並且選自以下所構成的群組：孔和槽縫。

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