TW202124970A - 用於高頻應用的改善電流容量的接觸探針 - Google Patents

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Abstract

本文描述了一種接觸探針(20)，包括一探針主體(20C)，該探針主體(20C)在一第一端部(20A)與一第二端部(20B)之間延伸，並設有由一槽(21)隔開的至少一對臂(22a、22b)，該槽(21)根據該接觸探針(20)的一縱向發展方向形成在該探針主體(20C)內。適當地，該探針包括至少一導電嵌入件(25)，該導電嵌入件(25)沿著配置在該接觸探針(20)的一彎曲平面(α)上的該縱向發展方向在其內部延伸，該導電嵌入件(25)由一第一材料所製成，該第一材料的電阻率低於製成該接觸探針(20)的一第二材料的電阻率。透過這種方式，於該探針主體(20C)的變形期間，該導電嵌入件(25)為一動力傳輸元件，而該些臂(22a、22b)為該接觸探針(20)的結構支撐元件。

Description

用於高頻應用的改善電流容量的接觸探針
本發明涉及一種用於高頻應用的改善電流容量(current capacity)的接觸探針。
本發明特別是(但並非唯一)涉及一種適於容置在垂直探針頭中的接觸探針，用於測試整合在晶片上的電子裝置，並且參考此應用領域以簡化其目的為唯一目的做出以下描述。
眾所周知，探針頭是適於將微結構(例如積體電路)的複數墊(pads)或接觸墊(contact pads)與測試設備的相應通道電性連接的裝置。
在積體裝置上執行的測試對於在生產階段盡早檢測及隔離有缺陷的裝置特別有用。因此，通常在將晶片切割並組裝到晶片密閉封裝內部之前，將探針頭用於對整合在晶片上的裝置進行電性測試。已知經歷測試操作的積體電路稱為DUT，來自「待測裝置」(device under test)的英文縮寫。
探針頭基本上可包括複數可移動的接觸元件或接觸探針，複數可移動的接觸元件或接觸探針由至少一對實質上為板狀(plate-shape)並彼此平行的支撐件(support)或模具(die)所固定。該對板狀支撐件設有適合的孔，並且以特定距離彼此間隔設置，以便在測試操作期間為接觸探針的運動及可能的變形留出自由空間或氣隙(air gap)。該對板狀支撐件特別包括上板狀支撐件或上模具以及下板狀支撐件或下模具，兩者均設有相應導孔，接觸探針在其等中軸向滑動，它們通常由具有良好電性及機械性質的特殊合金絲所形成。
接觸探針及待測裝置的接觸墊之間的良好連接是透過探針頭在裝置本身上的壓力來確保的，在該按壓接觸(pressing contact)期間，可以在上板狀支撐件及下板狀支撐件的導孔中移動的接觸探針在兩個板狀支撐件之間的氣隙內部彎曲，並在導孔內部滑動。這種類型的探針頭通常稱為具有垂直探針的探針頭或「垂直探針頭」。
在某些情況下，接觸探針在上板狀支撐件上不動地固定在探頭其身：此類探針頭被稱為「封閉探針頭」(blocked probe head)。
然而，更頻繁地使用的接觸頭具有探針並非不動地固定，而是保持與所謂的板(可能透過微接觸板(micro-contact board))連接：此類探針頭被稱為「未封閉探針頭(unblocked probe heads)」。微接觸板通常被稱為「空間轉換器(space transformer)」，因為除了接觸探針外，還允許相對於待測裝置的接觸墊在空間上重新分佈在其上實現的接觸墊，特別是放寬了在空間轉換器上製成的墊的中心相對於待測裝置上製成的墊的中心之間的距離限制，而這些距離限制由裝置本身的結構及技術來固定。
垂直探針頭的正確操作基本上與兩個參數有關：接觸探針的垂直運動或超程(overtravel)及在待測裝置的接觸墊上的該接觸探針的接觸尖端的水平運動或擦洗(scrub)。眾所周知，確保接觸尖端的擦洗確實是重要的，以便允許表面刮擦接觸墊，從而去除例如薄層或氧化物膜形式的雜質，因此改善了該接觸探針及整個探針頭的接觸。
這些所有特徵都應在探針頭的製造步驟中進行評估及校正，因為應始終確保探針與待測裝置之間，特別是探針的接觸尖端與待測裝置的接觸墊之間的正確電性連接。
同樣重要的是，要確保探針的接觸尖端與裝置的接觸墊之間的按壓接觸(pressing contact)不至於高到導致探針或墊本身破裂。
在所謂短探針的情況下，即是在柱狀體的長度受到限制，特別是整體尺寸小於5000-7000 μm的探針的情況下，這個問題特別明顯。此種類型的探針例如用於高頻應用，減少的探針長度限制了與高頻訊號的傳輸相關的自感現象(self-inductance phenomenon)。特別是，術語「高頻應用」表示能夠承載頻率大於1000 MHz的訊號的探針。
然而，在這種情況下，接觸探針長度的減少極大地增加了探針本身的剛性(rigidity)，這意味著由各接觸尖端施加到接觸墊(例如待測裝置)上的力增加，可能導致該墊破裂，對待測裝置造成不可修復的損壞，這種情況顯然是必須避免的。甚至更危險的是，由於總長度的減少而導致接觸探針的剛性增加會增加探針本身斷裂的風險。
如圖1A及圖1B示意性地所示，眾所周知，降低短探針的剛性，是透過使它們各自的主體部分形成為複數臂，彼此平行，且沿該些主體部分縱向延伸。例如，在同一申請人名下於2016年9月22日公開的國際專利申請案(PCT)第WO 2016/146476號描述了一種探針頭，探針頭包括接觸探針，接觸探針具有由複數臂形成各自的主體部分。
更特別的是，參考該些圖式，顯示接觸探針10，包括主體10C，主體10C在第一端部及第二端部之間延伸，特別是，所謂的接觸尖端10A，適於鄰接待測裝置(未繪示)的接觸墊上；及所謂的接觸頭10B，適於鄰接與測試設備連接的另一接觸墊，特別是與該測試設備(也未繪示)連接的空間轉換器的接觸墊上。
在例如用於高頻應用的所謂的短探針的情況下，接觸探針10具有長度L，長度L小於5000-7000 μm。
於圖1A所示的實施例中，探針主體10C包括切口(cut)或槽11，切口或槽11沿該主體10C縱向延伸，並定義至少一對臂12a及12b。
顯然地，歸功於實現了相應複數縱向槽，甚至可以透過複數臂來製造探針主體10C。例如，於圖1B所示的實施例中，接觸探針10的主體10C包括形成三個臂12a、12b及12c的兩個縱向槽11a及11b。
接觸尖端10A及接觸頭10B通常具有錐形形狀(tapered shape)，並結束於各自的接觸區域13A及13B。
術語「接觸區域」在本文中及下文中表示旨在與待測裝置或測試設備接觸的接觸探針的端部區域，該接觸區域或端部區域不需要如圖所示般尖銳。接觸區域通常具有有限的表面積，特別是其延伸小於對應端部的橫截面，並可以相對於接觸探針10的縱向對稱軸配置在其中央或相對於其偏心地配置。
適當地，接觸頭10B還包括擴大部分(enlarged portion)14，擴大部分14的直徑D2大於接觸探針10的主體10C的直徑D1。以這種方式，定義了相對於探針主體10C的擴大部分14的各自的底切部分(undercut portion)14s，底切部分14s適於鄰接在容置該接觸探針10的引導件上，以便將其保持在其縱向上。
如上所述，透過將探針的該些接觸區域13a、13b按壓鄰接在各自的接觸墊上，一方面獲得在接觸探針10與空間轉換器之間的電性接觸，另一方面獲得與待測裝置(未繪示於圖中)之間的電性接觸。
適當地，形成在探針主體10C中的該些臂12a-12c的存在能夠降低探針10整體的剛性，並因此降低由此施加在各自的接觸墊上的壓力，同時維持探針主體的足夠彈性，能夠在將其該些接觸區域13a、13b按壓接觸在該些接觸墊上時確保其彎曲。
儘管從機械的觀點來看改善了接觸探針10的操作，但是在其主體10C中形成的該些臂的存在會降低探針的電流容量、增加其電阻，這阻止其用於承載高頻率及大電流訊號，其中術語「大電流」表示電流值大於800 mA的訊號。
因此，本發明的技術問題是構想一種具有功能及結構特徵的接觸探針，諸如允許在高頻應用中用於承載高頻訊號，同時確保探針在這樣的電流值下正確運行，而且該些接觸探針具有足夠的彈性，因此降低接觸探針斷裂的風險以及相關的該些接觸區域在鄰接該些相應接觸墊時施加的適當力，從而克服了仍影響著根據現有技術製成的探針的限制及缺點。
本發明所基於的解決方案的構想是提供一種接觸探針，包括至少一個根據接觸探針縱向發展方向配置的導電嵌入件，該導電嵌入件能夠增加探針的載流能力，使接觸探針適於承載大電流訊號，從而將其電阻最小化，探針還具有由複數臂製成的主體，以便能夠製造適於高頻應用的短探針。
特別是，根據實施例製造的接觸探針包括配置在其彎曲平面上的導電嵌入件，較佳盡可能地沿著該探針的中性軸配置，即在最小應力的位置，因此，在整個工作溫度範圍內，同時在不影響探針的機械性能的情況下，使電流容量最大化，並最小化其電阻。
基於該解決方案的構想，該技術問題透過一種接觸探針來解決，接觸探針包括探針主體，在第一端部與第二端部之間延伸，並設有由槽隔開的至少一對臂，槽根據接觸探針的發展方向形成在探針主體內，其特徵在於，接觸探針包括至少一導電嵌入件，導電嵌入件沿著配置在接觸探針的彎曲平面上的縱向發展方向在該接觸探針內部延伸，該導電嵌入件由第一材料所製成，第一材料的電阻率低於製成接觸探針的第二材料的電阻率，於探針主體的變形期間，導電嵌入件為載流元件，而該些臂為接觸探針的結構支撐元件。
更具體地，本發明包括以下附加的及可選的特徵，必要時單獨地或組合地採用。
根據本發明的一種態樣，第一材料可具有低於30 μΩ*cm的電阻率。
特別是，第一材料可為選自金(Au)、銅(Cu)、銀(Ag)、鋁(Al)、鉑(Pt)及其合金的低電阻率導電或半導體材料，較佳為銀，而該第二材料可為選自鎳、鎢、鈷、鈀或其合金(諸如鎳錳、鎳鈷、鎳鈀或鎳鎢、鈀鈷合金、鈀基三元及四元合金)的結構穩定的導電材料，較佳為鈀鈷。
然而，根據本發明的另一態樣，導電嵌入件可具有橫向尺寸，橫向尺寸正交於縱向發展方向且小於該些 臂的相應橫向尺寸，較佳小於20 μm。
特別是，導電嵌入件的橫向尺寸可等於該些臂的該相應橫向尺寸的最小值的20%-60%。
此外，根據本發明的另一態樣，導電嵌入件可在彎曲平面中沿著接觸探針的中性軸實質上配置在最小應力位置。
適當地，導電嵌入件可被放置在槽內。
此外，導電嵌入件可包括放置在該槽內的複數平行箔。
或者是，根據本發明的另一態樣，導電嵌入件是製作成在該些臂之一的內部。
接觸探針也可包括至少一臂，該臂由該第一低電阻率材料所製成，以便形成導電嵌入件。
根據本發明的再一態樣，導電嵌入件可具有一長度，該長度等於該槽的一長度。
此外，探針主體可包括該些臂與複數導電嵌入件的交錯。
根據本發明的另一態樣，導電嵌入件可包括中心導電嵌入件，該中心導電嵌入件被放置在槽內；及複數附加導電部，該些附加導電部由第一材料所製成，且被完全嵌入在製成接觸探針的第二材料內，較佳在接觸探針的第一端部及第二端部內製成。
適當地，導電嵌入件可沿著整個接觸探針延伸，並且露出於第二材料分別在接觸探針的第一端部及第二端部處形成的第一接觸區域及第二接觸區域處。
此外，導電嵌入件可包括至少一導電嵌入件，該些導電嵌入件在每一該些臂中縱向延伸。
此外，可製成在每一該些臂中延伸的該些導電嵌入件，以便完全併入形成該些臂或露出在該槽的側壁上的該第二材料中。
在這種情況下，該導電嵌入件可更包括置於槽的中心導電嵌入件。
根據本發明的另一態樣，導電嵌入件可具有沿著縱向發展方向的一長度，該長度小於該接觸探針的一長度。
或者是，導電嵌入件可具有沿著該縱向發展方向的一長度，以便從形成接觸探針的第二材料上露出。
本發明的技術問題還透過一種用於測試待測積體裝置(integrated device under test)的功能的探針頭來解決，包括複數接觸探針，該些接觸探針設有至少一端部，該端部適於鄰近該待測積體裝置的該些接觸墊，其特徵在於，該探針頭包括複數接觸探針，是如前所述而製成，並具有設有複數壁及至少一導電嵌入件的探針主體。
根據本發明的另一態樣，該探針頭可包括第一複數接觸探針，該第一複數接觸探針具有探針主體，該探針主體設有臂及至少一導電嵌入件；及一第二複數接觸探針，該第二複數接觸探針具有探針主體，該探針主體設有複數臂且缺少至少一導電嵌入件。
此外，探針頭可僅包括下列接觸探針，該接觸探針具有探針主體，該探針主體設有複數臂及至少一導電嵌入件。
從下文中對實施例的描述，透過示意性及非限制性實例，參照附圖，根據本發明的接觸探針的特徵及優點將顯而易見的。
參考附圖，且特別是圖2A，在此描述了根據本發明的實施例製成的接觸探針，其通篇用元件符號20表示。
應注意的是，附圖為示意圖且未按比例繪製，而是為了加強本發明的重要特徵而繪製。此外，在附圖中，示意性地顯示不同的部件，因為它們的形狀可以根據所需應用而變化。
如已知解決方案所見，接觸探針20包括探針主體20C，在第一端部與第二端部之間延伸，特別是接觸尖端20A，適於鄰接待測裝置(未繪示)的接觸墊；及接觸頭20B，適於鄰接連接到測試設備(同樣未繪示)的空間轉換器的另一接觸墊。
適當地，接觸探針20可為所謂的短探針，其總長度LS小於6000 μm，以便適於高頻應用。
於一實施例中，探針主體20C的長度LC可以在500 μm與4000 μm之間，接觸尖端20A的長度LA可以在150 μm與1000 μm之間，且接觸頭20B的長度LB可以在50 μm與500 μm之間，接觸探針20的總長LS在700 μm與5500 μm之間。
於圖2A所示的實施例中，探針主體20C包括槽21，沿著探針主體20C的縱向發展方向上(即根據附圖的局部參考的軸z)延伸，並且定義至少一對臂22a及22b。特別是，槽21縱向延伸長度L1，長度L1等於或小於探針主體20C的長度LC，例如在500 μm與4000 μm之間，並且可以相對於該探針主體20置中定位，如附圖所示。此外，槽21具有橫向尺寸D1，垂直於接觸探針20的縱向發展方向(即根據附圖的局部參考的軸x)，其值在5 μm與50 μm之間，以便使該些臂22a及22b具有各自的複數橫向尺寸D2a及D2b，其值在5 μm與40 μm之間。
於圖2A所示的實施例中，該些臂22a及22b具有等值的該些橫向尺寸D2a及D2b，但是顯然可以使臂具有不同值的橫向尺寸，例如透過相對於探針主體20C的橫向延伸不置中定位的槽21來獲得。
根據最終接觸探針20所需的應用，實現了相應複數縱向槽的尺寸及彼此間隔，因此顯然還可以透過複數臂來製成探針主體20C。
接觸尖端20A及接觸頭20B較佳具有錐形形狀，並分別具有第一接觸區域23A及第二接觸區域23B，適於分別按壓接觸在待測裝置及空間轉換器各自的接觸墊上。該些接觸區域不需要相對於相應端部指向及/或置中定位。
適當地，接觸頭20B還可包括擴大部分24，具有直徑Db，大於探針主體20C的直徑Dc，即使在非圓形的情況下，術語直徑在此及隨後也表示最大橫向尺寸。
以這種方式，定義了相對於探針主體20C的擴大部分24的各底切部分24s，適於鄰接在容置該些接觸探針20的引導件上，以便在其縱向(即根據附圖的局部參考的軸z)上提供支撐，避免例如當探針未在待測裝置上處於按壓接觸狀態或在清潔操作期間，探針可能從容置它們的探針頭中滑出。
更具體的是，探針主體20C的直徑Dc具有在15 μm與130 μm之間的值，並且擴大部分24的直徑Db具有在25 μm與200 μm之間的值。
適當地，根據實施例的接觸探針20還包括導電嵌入件25，沿著探針的縱向發展方向在探針內延伸。更具體的是，導電嵌入件25是由導體或半導體材料所製成，電阻率低於製成接觸探針20的材料的電阻率。此外，導電嵌入件25配置在接觸探針20的彎曲平面α中，即如圖所示的軸x及軸z所定義對應於圖紙平面的平面。
較佳地，該導電嵌入件25實質上沿著接觸探針20所謂的中性軸配置在該彎曲平面α中，即在該彎曲平面α中探針本身的最小應力位置中。特別是，眾所周知，中性軸是樑(beam)或軸(shaft)(諸如接觸探針)的橫截面中的軸，而沿著該軸沒有縱向應力或應變。
以這種方式，導電嵌入件25能夠最大化接觸探針20的電流容量，最小化其電阻，並且同時不影響整體探針的機械性能。證實了接觸探針20在其所有工作溫度範圍內(即在-55°C與+150°C之間及以上)保有這些特徵。
該導電嵌入件25具有減小的橫向尺寸D，特別是小於探針主體20C的該些臂22a及22b的橫向尺寸D2a及D2b(D＜D2a及D＜D2b)。
以這種方式，導電嵌入件25具有增加接觸探針20的電流容量的主要功能，而該些臂22a及22b具有普遍的軸承功能，該些不同功能不但取決於所製成的材料，還取決於該元件的橫向尺寸。
在下文中，將精確地強調該元件的不同功能，製成接觸探針20的材料稱為「結構穩定材料」，且製成導電插入件25的材料稱為「低電阻率材料」。
包括導電嵌入件25的接觸探針20適於承載大電流訊號，即具有大於800mA值的電流的訊號。
導電嵌入件25較佳具有橫向尺寸D，等於該些臂22a、22b的該些橫向尺寸D2a、D2b的最小值的20%-60%。更特別的是，導電嵌入件25可以是沿著探針主體20C定位的金屬箔的形狀，並且具有至少等於槽21的長度L1的長度，該金屬箔配置在槽21本身內，較佳相對於槽的中心。
特別是該導電嵌入件25具有特別減小值的橫向尺寸D，較佳小於20 μm。
以這種方式，導電嵌入件25實際上在接觸探針20中不進行任何結構支撐功能，軸承作用由該些側臂22a及22b給出，該些側臂22a及22b具有直徑D2a及D2b，大於導電嵌入件25的直徑D，並且由相對於製成導電嵌入件25的材料在結構上更穩定的材料所製成。該導電嵌入件25的存在增加了接觸探針20承載電流的總容量，因為其由低電阻率(即高導電率)的材料製成。
製成導電嵌入件25的低電阻率材料可為選自金(Au)、銅(Cu)、銀(Ag)、鋁(Al)、鉑(Pt)及其合金的金屬，較佳為銀，或者適當摻雜的半導體材料，而形成接觸探針20的結構穩定材料可為選自鎳、鎢、鈷、鈀或其合金(諸如鎳錳、鎳鈷、鎳鈀或鎳鎢、鈀鈷合金、鈀基三元及四元合金)，較佳為鈀鈷。更特別的是，製成導電嵌入件25的材料具有低於30 μΩ*cm的電阻率(ρ)。
基本上，製成接觸探針20的結構穩定材料是選擇成確保在探針按壓接觸在待測裝置而因此彎曲期間的探針完整性，而製成導電嵌入件25的低電阻率材料是選擇成確保最大化包括其的接觸探針20的電流容量，減小其電阻值。
此外，該些側臂22a及22b的存在有助於屏蔽所謂的導線電流，這是由於當定位在該些側臂22a及22b內部時，電流在導電嵌入件25中流動，屏蔽作用特別有利於射頻應用(RF)。
於圖2A所示的實施例中，導電嵌入件25僅在槽21中延伸，如圖2B-2D的部分所示(截取於圖2A所示的該些橫向平面π1-π3處)，特別是定位在槽21及導電嵌入件25處的第一平面π1、定位在接觸頭20B處的第二平面π2(特別是在直徑Db的擴大部分24處)、及定位在直徑Dc的探針主體20C處的第三平面π3(其中槽21不存在)。
要強調的是，於該實施例中，導電嵌入件25被適當地定位在低作用力區域(low-effort area)，因此，製成其的材料受到最小的牽引力(traction)及壓縮力(compression effort)。以這種方式，可以控制製成導電嵌入件25的低電阻率材料的產率(yield)，並保持製成其餘的接觸探針20的結構穩定材料的熱鬆弛性能(hot relaxation performance)。導電嵌入件25特別可以在接觸探針20的中性軸處定位在接觸探針20的彎曲平面α中，即處於最小應力位置。
適當地，基於探針主體20C的直徑Dc及槽21的直徑D1的值，可以將導電嵌入件25製成複數平行箔的形狀，由低電阻率導體或半導體材料所製成，以便在撞擊期間最小化電阻率，並最大化電流容量，而不會顯著增加接觸探針20的力，因為這些薄箔對接觸探針20的機械性能影響有限。此外，要強調的是，在這種情況下，也可以將箔片適當地保持在最小牽引力及壓縮力區域中，即在槽21中。
還可以透過軸承臂及導電嵌入件的交錯來製成探針主體20C。
通常，導電嵌入件及軸承臂的配置及數量經常要考慮待測裝置的該些墊的間距值(pitch values)來決定，以避免導電嵌入件及/或軸承臂之間任何可能的接觸，這可能會產生電性或機械問題，在接觸探針撞擊到接觸墊時，在該些元件之間的接觸會導致更大的力，從而有破裂的風險。
適當地，根據本實施例，位於槽21中的導電嵌入件25被該些軸承臂22a及22b透過空氣隔開，該空氣作為電性絕緣及機械分離器(mechanical separator)。
或者是，接觸探針20可包括配置在軸承臂內的導電嵌入件25，例如，如圖3A所示的軸承臂22a；或是如圖4A所示，複數導電嵌入件25a及25b的每個都配置在軸承臂22a及22b內。以這種方式，嵌入件或導電嵌入件完全嵌入形成接觸探針20的結構穩定材料中，如圖3B-圖3D及圖4B-圖4D的部分所示，仍截取於圖3A及圖4A所示的該些平面π1-π3處，並定位為如圖2A所示的平面。
要強調的是，根據該替代實施例，製成探針，特別是該些軸承臂22a及22b的結構穩定材料降低了嵌入件25或嵌入其中的該些嵌入件25a、25b的斷裂風險，並由機械強度較低的低電阻率材料製成。
儘管在圖3A至圖4A中未顯示，但是也可以使導電嵌入件25或該些導電嵌入件25a及25b的尺寸大於槽21的尺寸。
根據圖5A中所示的替代實施例，接觸探針20還可以包括由低電阻率材料製成的臂，以形成中心導電嵌入件25。在這種情況下，如圖5B-圖5D的部分所示，接觸探針20包括導電嵌入件25及由槽21隔開的軸承臂22b，仍截取於圖5A所示的該些平面π1-π3處，並按先前方式定位。
在這種情況下，該導電嵌入件25的尺寸類似於軸承臂22b的尺寸。
儘管在圖5A中未顯示，但是也可以用低電阻率材料製成兩個臂22a及22b。在這種情況下，接觸探針20將包括由槽21隔開的一對導電嵌入件。
根據圖6A所示的再一替代實施例，導電嵌入件25可包括如圖2A所示的實施例那樣定位在槽21中的中心導電嵌入件25c以及如圖6B-圖6D的部分所示在任何情況下都由低電阻率材料形成的附加導電部分26a-26d，定位在接觸頭20B及靠近接觸尖端20A的探針主體20C，以便完全嵌入形成接觸探針20A的結構穩定材料，仍截取於圖6A所示的該些平面π1-π3處，並按先前的方式定位。
即使在接觸探針20的整體尺寸不允許容置導電嵌入件的直徑D足夠大或由複數箔片所形成，以適於承載大於800mA電流值的情況下，這些附加導電部分26a-26d允許相對於圖2A所示的實施例進一步增加接觸探針20的整體電流容量。要強調的是，這些附加導電部分26a-26d被完全嵌入接觸探針20，特別是在形成其的結構穩定材料，相對於製成導電嵌入件25的低電阻率材料在機械上更具抗性，這允許在不顯著影響其結構穩定性的情況下增加接觸探針20的電流容量。
或者，如圖7A所示，接觸探針20包括導電嵌入件25，製成為沿著整個接觸探針20延伸，例如在槽21的中心部分處，但是也延伸到該槽21的外部，特別是沿著接觸尖端20A至第一接觸區域23A且沿著接觸頭20B至第二接觸區域23B(如圖7B-圖7D的部分所示)，仍截取於圖7A所示的該些平面π1-π3，並按先前的方式定位。
以這種方式，相對於例如如圖2A所示的實施例，導電嵌入件25進一步增加了接觸探針20的電流容量，因其部分嵌入(特別是在接觸尖端20A及在接觸頭20B處)在製成接觸探針20的結構穩定材料中，而不會引入脆性區域(fragility areas)。此外，沿著接觸探針20的整個縱向方向從接觸頭20B延伸到接觸探針20的接觸尖端20A的這種導電嵌入件25適當地為流經該探針的電流提供了優先且不中斷的路徑。
根據圖8A所示的再一替代實施例，接觸探針20包括由至少兩個導電嵌入件25a及25b形成的導電嵌入件25，該些導電嵌入件25a及25b縱向延伸並定位在兩個臂22a及22b處(特別是在兩個臂22a及22b的中心處)，以便由製成接觸探針20的結構穩定材料結合而成。在如該圖所示的實施例中，該些導電嵌入件25a及25b沿著接觸探針20的整個範圍延伸至接觸尖端20A及接觸頭20B的邊緣，從而露出於由結構穩定材料製成的接觸探針20(如圖8B-圖8D的部分所示)，仍沿著圖8A所示的該些平面π1-π3截取，並按先前的方式定位。
顯然，可以使該些導電嵌入件25a及25b僅在槽21處或無論如何以小於接觸探針20的總長度的長度在該些臂22a及22b中延伸，以便完全嵌入由結構穩定材料製成的接觸探針20中，該些導電嵌入件25a及25b的長度是根據其特定應用而基於接觸探針20所需的電流容量來做選擇。
此外，如圖9A所示，可以使該些導電嵌入件25a及25b在該些臂22a及22b中延伸，從而露出於槽21處。更具體地，如圖9B-圖9D的部分所示，在槽21本身的該些側壁SLa及SLb處製成該些導電嵌入件25a及25b，仍截取於圖9A所示的該些平面π1-π3，並按先前的方式定位。
以這種方式，接觸探針20呈現兼容本發明領域所使用的不同製造方法，以適應具有限制條件的製造過程。
此外，如圖10A所示，可以製造具有導電嵌入件25的接觸探針20，該導電嵌入件25由複數導電嵌入件所形成，該複數導電嵌入件在接觸探針20中縱向延伸。特別是，以這種方式，導電嵌入件25包括一對導電嵌入件25a及25b，位在該些臂22a及22b處；及中心導電嵌入件25c，位於槽21中。於所示的實施例中，如圖10B-圖10D的部分所示，該些導電嵌入件25a及25b沿著接觸探針20的整個範圍延伸到接觸尖端20a及接觸頭20B的邊緣，且中心導電嵌入件25c延伸到該些接觸區域23a及23b，仍截取於圖10A所示的該些平面π1-π3處，並按先前的方式定位。
相對於前述實施例，這樣的導電嵌入件25允許最大化接觸探針20的整體電流容量，而不會顯著影響其機械特性，機械特性仍由製成其的結構穩定材料決定，且不增加其整體橫向尺寸，特別是探針主體20C的直徑Dc，進而是探針的整體尺寸，以確保即使在間距減小的應用中也可以使用這種接觸探針20。
本發明還涉及一種探針頭30，包括複數如上所述的接觸探針20，每個接觸探針20具有至少一接觸端，特別是接觸尖端20A，其適於鄰接在待測積體裝置40的接觸墊40A上。這樣的探針頭可用於具有高頻及大電流訊號的應用，每個接觸探針20具有小於5000-7000 μm的總長LS，並設有適於特定應用所需的電流容量的導電嵌入件25。
如圖11示意性地所示，探針頭30可包括至少一板狀支撐件或引導件，較佳為一對引導件31、32，設有複數導孔31A、32A，適於滑動地容置接觸探針20，特別是根據圖2A的實施例僅作為示例，接觸探針20具有第二接觸端(特別是接觸頭20B)適於鄰接在PCB50的接觸墊50A上，而連接到測試設備(未繪示)。適當地，導孔的尺寸具有橫向直徑，小於接觸頭20B的直徑Db，使得擴大部分24可鄰接在引導件31的面F1上，並確保正確保持相應接觸探針20。無論如何，即使在非圓形孔的情況下，術語「直徑」也表示最大橫向尺寸。
或者，可以將接觸探針20焊接到探針頭30的支撐件上，特別是在其位於測試設備處的端部上，各接觸尖端20A無論如何都適於鄰接在待測裝置40的該些墊40A上。
要強調的是，也可以製造探針頭，以包括設有至少一導電嵌入件的接觸探針及不包括這種嵌入件的接觸探針，基於特定應用的需要進行替換，放置具有導電嵌入件的接觸探針以承載可能的大電流訊號。
綜上所述，根據本發明的實施例製造的接觸探針能夠解決承載大電流訊號的問題，同時確保減小整體探針的機械電阻，從而限制作用在該些墊上的力，如果不能消除的話，也能夠減小損壞該些墊或甚至該些探針的風險，特別是在短探針的情況下，即長度小於5000-7000 μm的情況下。適當地，由低電阻率材料製成的導電嵌入件的存在允許得到具有相對於本領域現今使用的探針更低的電阻值的接觸探針。此外，由於該導電嵌入件配置在包括其的接觸探針的彎曲平面中，因此能夠改善整體探針的機械強度。
特別是，由於接觸探針的尺寸減小，小於5000-7000 μm，已經證實該接觸探針具有特別適合在高頻應用(特別是頻率大於1000 MHz)中使用的工作性能，在接觸探針的主體中槽的存在允許降低其剛性，並顯著減少探針斷裂的可能性，同時確保適當的降低施加在相應接觸尖端的壓力，從而避免可能破壞待測裝置的接觸墊及破壞探針本身。
此外，尺寸適於配置在接觸探針內部的導電嵌入件的使用實際上維持其整體尺寸不變，並且允許將其用於細小間距應用。
更特別的是，根據本發明有利的是，軸承臂及導電嵌入件的組合使用允許製成短探針或超短探針，在擴大的溫度範圍內，更特別是從-55°C至+150°C及以上，電阻最小化而電流容量最大化。
由申請人自己進行的測試顯示，可能獲得接觸探針，鄰接待測裝置及空間轉換器的各自的該些墊，施加的最大力為2.5-3 g，能夠避免損壞這些墊或任何接觸凸點(contact bumps)，即使在探針數量眾多(＞30K)的產品中也有利於正確管理負載，同時保證最小力為1.0-1.5 g，以確保在探針與接觸墊/凸點之間的良好電性接觸。
適當地，根據本發明實施例的接觸探針代表了一種具有幾何可擴展性的解決方案，即使在1M接觸的極端條件下，軸承臂及導電嵌入件的組合使用也可確保正確的抗疲勞性(fatigue resistance)，並施加最大垂直位移(100 μm OD [超速驅動，Over Drive])及減小的熱鬆弛(hot relaxation)(在施加最大位移100小時後，除了整體接觸探針的塑性變形(plastic deformation)的控制外，力的變化小於10%)。
此外，在接觸頭端部處的擴大部分的存在確保了接觸探針正確保持在探針頭內部，特別是即使當探針頭不鄰接在待測裝置上或在清潔操作期間也是如此。
最後，不應忽視與接觸探針以簡單方式製造且成本低廉的事實相關的優點，因為它們可以使用通用的光刻技術或MEMS技術(微機電系統，Micro Electro-Mechanical System)，或甚至雷射技術，從多層材料開始製造，該多層材料包括製成接觸探針的結構穩定材料及製成導電嵌入件的低電阻率材料，特別是具有結構穩定材料層及低電阻率層的多層材料平行於探針及其臂的縱向發展方向生長。
所做的考慮對於不同實施例也是有效的，即使本文未指明但無論如何在本發明的目的之內，例如，具有單一引導件的探針頭及在相應接觸頭處阻塞的探針。此外，關於一實施例所採用的措施也可以用於其他實施例，並且即使數量大於兩個也可以彼此自由地進行組合。
顯然，為了滿足偶發及特定需求，本領域技術人員可對上述接觸探針進行各種修改及變化，均包括在由所附申請專利範圍定義的本發明的保護範圍內。
例如，可以使接觸探針不具有任何擴大部分，或者為接觸探針提供從探針主體突出的適合的擋塊(stoppers)，以確保將探針正確地定位及保持在探針頭內部，並可能與接觸頭端部的擴大部分組合使用。
10:接觸探針 10A:接觸尖端 10B:接觸頭 10C:主體 11、11a、11b:槽 12a、12b、12c:臂 13A、13B:接觸區域 14:擴大部分 14s:底切部分 20:接觸探針 20A:接觸尖端 20B:接觸頭 20C:主體 21:槽 22a、22b:臂 23A:第一接觸區域 23B:第二接觸區域 24:擴大部分 24s:底切部分 25:導電嵌入件 25a、25b:嵌入件 25c:中心導電嵌入件 26a、26b、26c、26d:導電部分 30:探針頭 31、32:引導件 31A、32A:導孔 40:待測裝置 40A:接觸墊 50:PCB 50A:接觸墊 D:直徑 D1、D2:直徑 D2a、D2b:直徑 Db、Dc:直徑 F1:面 L1、LA、LB、LC:長度 LS:總長 α:彎曲平面 SLa、SLb:側壁 π1、π2、π3:平面 x、y、z:軸
圖1A及圖1B示意性地顯示根據現有技術製成的接觸探針的不同實施例。 圖2A-圖2D示意性地顯示根據本發明實施例的接觸探針的縱向截面的前視圖及橫向截面的相應視圖。 圖3A-圖3D、圖4A-圖4D、圖5A-圖5D、圖6A-圖6D、圖7A-圖7D、圖8A-圖8D、圖9A-圖9D及圖10A-圖10D示意性地顯示接觸探針的替代實施例的縱向截面的相應前視圖及橫向截面視圖。 圖11示意性地顯示根據本發明的實施例製成的包括接觸探針的探針頭的實施例。
20:接觸探針
20A:接觸尖端
20B:接觸頭
20C:主體
21:槽
22a、22b:臂
23A:第一接觸區域
23B:第二接觸區域
24:擴大部分
24s:底切部分
25:導電嵌入件
D:直徑
D1:直徑
D2a、D2b:直徑
Db、Dc:直徑
L1、LA、LB、LC:長度
LS:總長
α:彎曲平面
π 1、π 2、π 3:平面
x、y、z:軸

Claims (26)

  1. 一種接觸探針(20)，包括一探針主體(20C)，該探針主體(20C)在一第一端部(20A)與一第二端部(20B)之間延伸，並設有由一槽(21)隔開的至少一對臂(22a、22b)，該槽(21)根據該接觸探針(20)的一縱向發展方向形成在該探針主體(20C)內，其特徵在於，該接觸探針(20)包括至少一導電嵌入件(25)，該導電嵌入件(25)沿著配置在該接觸探針(20)的一彎曲平面(α)上的該縱向發展方向在該接觸探針(20)內部延伸，該導電嵌入件(25)由一第一材料所製成，該第一材料的電阻率低於製成該接觸探針(20)的一第二材料的電阻率，於該探針主體(20C)的變形期間，該導電嵌入件(25)為一動力傳輸元件，且該些臂(22a、22b)為該接觸探針(20)的結構支撐元件。
  2. 如請求項1所述的接觸探針(20)，其中該第一材料具有低於30 μΩ*cm的電阻率。
  3. 如請求項1所述的接觸探針(20)，其中該第一材料為選自金(Au)、銅(Cu)、銀(Ag)、鋁(Al)、鉑(Pt)及其合金的一低電阻率導電或半導體材料，該第二材料為選自鎳、鎢、鈷、鈀或其合金(諸如鎳錳、鎳鈷、鎳鈀或鎳鎢、鈀鈷合金、鈀基三元及四元合金)的結構穩定的導電材料。
  4. 如請求項1所述的接觸探針(20)，其中該第一材料為銀，該第二材料為鈀鈷。
  5. 如請求項1所述的接觸探針(20)，其中該導電嵌入件(25)具有一橫向尺寸(D)，該橫向尺寸(D)正交於該縱向發展方向且小於該些臂(22a、22b)的相應橫向尺寸(D2a、D2b)。
  6. 如請求項5所述的接觸探針(20)，其中該導電嵌入件(25)具有小於20 μm的一橫向尺寸(D)。
  7. 如請求項5所述的接觸探針(20)，其中該導電嵌入件(25)的該橫向尺寸(D)等於該些臂(22a、22b)的該些橫向尺寸(D2a、D2b)的一最小值的20%-60%。
  8. 如請求項1所述的接觸探針(20)，其中該導電嵌入件(25)在該彎曲平面(α)中沿著該接觸探針(20)的一中性軸配置在一最小應力位置。
  9. 如請求項1所述的接觸探針(20)，其中該導電嵌入件(25)被放置在該槽(21)內。
  10. 如請求項9所述的接觸探針(20)，其中該導電嵌入件(25)包括放置在該槽(21)內的複數平行箔。
  11. 如請求項1所述的接觸探針(20)，其中該導電嵌入件(25)是製作成在該些臂(22a、22b)之一的內部。
  12. 如請求項1所述的接觸探針(20)，其中該接觸探針(20)包括至少一臂，該臂由該第一低電阻率材料所製成，以便形成該導電嵌入件(25)。
  13. 如請求項1所述的接觸探針(20)，其中該導電嵌入件(25)具有一長度(L1)，該長度(L1)等於該槽(21)的一長度。
  14. 如請求項1所述的接觸探針(20)，其中該探針主體(20C)包括該些臂(22a、22b)與複數導電嵌入件(25、25a、25b、25c)的交錯。
  15. 如請求項1所述的接觸探針(20)，其中該導電嵌入件(25)包括一中心導電嵌入件(25c)，該中心導電嵌入件(25c)被放置在該槽(21)內；及複數附加導電部(26a-26d)，該些附加導電部(26a-26d)由該第一材料所製成，且被完全嵌入在製成該接觸探針(20)的該第二材料內。
  16. 如請求項15所述的接觸探針(20)，其中該些附加導電部(26a-26d)在該接觸探針(20)的該第一第二端部(20A)及第二端部(20B)內實現。
  17. 如請求項1所述的接觸探針(20)，其中該導電嵌入件(25)沿著整個該接觸探針(20)延伸，並且露出於該第二材料分別在該接觸探針(20)的該第一端部(20A)及該第二端部(20B)處形成的一第一接觸區域(23A)及一第二接觸區域(23B)處。
  18. 如請求項1所述的接觸探針(20)，其中該導電嵌入件(25)包括至少一導電嵌入件(25a、25b)，該些導電嵌入件(25a、25b)在每一該些臂(22a、22b)中縱向延伸。
  19. 如請求項18所述的接觸探針(20)，其中製成在每一該些臂(22a、22b)中延伸的該些導電嵌入件(25a、25b)，以便完全併入形成該些臂(22a、22b)的該第二材料中。
  20. 如請求項18所述的接觸探針(20)，其中在每一該些臂(22a、22b)中延伸的該些導電嵌入件(25a、25b)是製作成露出在該槽(21)的側壁(SLa、SLb)上。
  21. 如請求項18所述的接觸探針(20)，其中該導電嵌入件(25)更包括置於該槽(21)的一中心導電嵌入件(25c)。
  22. 如請求項1所述的接觸探針(20)，其中該導電嵌入件(25、25a、25b、25c)具有沿著該縱向發展方向的一長度，該長度小於該接觸探針(20)的一長度(LS)。
  23. 如請求項1所述的接觸探針(20)，其中該導電嵌入件(25、25a、25b、25c)具有沿著該縱向發展方向的一長度，以便從形成該接觸探針(20)的該第二材料上露出。
  24. 一種用於測試待測積體裝置(40)的探針頭(30)，包括複數接觸探針(20)，該些接觸探針(20)設有至少一端部(20A)，該端部(20A)適於鄰接該待測積體裝置(40)的一接觸墊(40A)，其特徵在於，該探針頭(30)包括複數接觸探針(20)，是根據前述請求項中任一項所述而製成，並具有設有複數臂(22a、22b)及至少一導電嵌入件(25)的探針主體(20C)。
  25. 如請求項24所述的探針頭(30)，其中該探針頭(30)包括第一複數接觸探針(20)，該第一複數接觸探針(20)具有探針主體(20C)，該探針主體(20C)設有臂(22a、22b)及至少一導電嵌入件(25)；及一第二複數接觸探針(20)，該第二複數接觸探針(20)具有探針主體(20C)，該探針主體(20C)設有複數臂(22a、22b)且缺少至少一導電嵌入件(25)。
  26. 如請求項24所述的探針頭(30)，其中該探針頭(30)僅包括下列接觸探針(20)，該接觸探針(20)具有探針主體(20C)，該探針主體(20C)設有複數臂(22a、22b)及至少一導電嵌入件(25)。
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