TW594020B - MEMS RF probe cards - Google Patents

Description

五、發明說明Q) [發明所屬之技術領域】

頻探針的方；，特：用微機電製程來設計與製作高 pi等）疊合電鍍金屬，m用多層式厚光阻（如聚亞醯胺 形同軸電纜，並配合微裝貝配疋成夕連接共平面波導探針與矩〃 針小而有較高的操作頻^夕組探針之技術。由於此採 電路及RF電4 ;再者=你所以可利用來量測微小的積體 容易低成本製作精密产以:比次電鍍探針與微裝配，V p顶山度同的兩頻探針卡。 【先前技術】 量1C: ^ :產f : ί子產品，所需要的電子電路，被大 I/O腳數因而增多，且辦玄\曰夕及體積的縮小，1[的 變得更為困難。由於傳曰统VJ4使得1谈程後的測試，也 及較小的電路尺寸上的量===適合使用在具有高頻特性 必須使用高頻探針來量洌n二二匕在較高的操作頻率時， 美國專利 US5,5 65,788及 US6 ' 電ICs。 用濺鍍、抽拉、及銲接的方愈%327β1在製程上是利 情況：1 ·傳統探針卡上的探針丘面乍/針，改善了下列的 晶圓上的晶粒（dieM ic本的不易達成。2.待測 使用久了會變形及磨耗或 ，、面曰度不佳。3·傳統探針 (teS"adM常有Ϊ ;差^ .晶粒⑷e)的測試鮮塾 氧化層，一ΐ::;塾象：傳統探針可能得出大力刺穿 參考第—圖’美國專利US5,565，糖要的優點：使用 594020

K-Connector30連接半硬式的同軸電纜4〇至探針31的部 分，阻抗匹配值為50歐姆，利用治具將探針卡裝配起^， 在使用特殊的材質將同軸電纜4〇包圍住，防止電氣的干 擾。 甘參考第二圖，美國專利US6, 22 9, 32 7B1，主要的優點： 是利用具有錐度的同軸電纜傳輸線1 2，從針間至分析儀來 做=抗的轉換。在微波頻率的範圍内，利用高頻探針測得 ，抗匹=值及s參數。由於材質的關係，探針的尖端具有 微j、的彈性’允許探針測量到非共面的待測物時，可以作 些终的伸縮’避免過度的探測而導致損壞。 參考第三圖，美國專利US 2002/0011855 A1，主要的 優點：是當微波探針分別在作垂直接觸量測時，探針的p i! 接觸到待測物具有彈簧的作用，以承受適當的負載。並配 合混合式的封裝。 ^ 一吳國專利US5, 5 6 5, 788及US6, 2 2 9, 3 2 7B1等，主要的缺 7 ·同頻探針的材料是使用鎢（Tungsten)及鈹銅（copper e^y Uium)’在製程上是利用濺鍍、抽拉、及銲接等方式 ":作抹針，不能與一般的半導體製程或是微機電的製裎 相配合，g 兩 主 ^要人工精密的裝配，導致在成本上過於昂 貝，、較不能普遍被使用。 為改善以上現有技術的缺點，本發明使用三項重要技 轉換/ °又叶上利用矩形同軸電纜轉成共平面波導傳輸線的 高、、开f式’有利於微機電製程的一貫性，並使得探針有較 ^的彳本作頻率，可利用來量測微小的積體電路及RF電

第7頁 594020 五、發明說明（3) I路。2·微機電製 ^ f金。3探可為合金或是其他的合 使探針I古十ί程利用多層式厚光阻疊合電鍍，微裝配， 1 有複製性，可大幅的降低成本。

【發明内容J 種可使用微機電製程 ♦本發明的目的之一，乃是設計 一貫完成的高頻探針模組。 本發明的目的之二，乃使用多層式 田 |:裝配f作高頻探針，使其具有較高的操：頻J::;與 製作精密的探針卡，使得高價的精 ς卡二谷易 |低其價袼。 门鴻私針卡可因而降 本發明的目的之三，乃利用佑 丨波導傳輸線的轉換形式，再利用共‘：由：纜轉成共平面 續轉換，來調整探針不同的接觸點寸漸次的連 contact center_t〇_center “ 即距（Probe 求將C P W連接部分作不同的轉換，。，亦即依照不同的需 節距（probe standard pitch)、。可得到不同的探針標準 同軸電纜一同匹配，使得探針有再，所設計的50歐姆矩形 利用高頻探針來量測微小的積較鬲的操作頻率，因此可 、體電路及RF電路。 為使貴審查委員能更進一步了 具體實施例，並配合圖號等說明解本發明，以下玆列舉出 ’禅細說明本發明之構成 \m

五、發明說明（4) 内谷及其所達成的功效 圖號 1 矩形同軸電纜下底蓋 2 厚光阻如p〇lyimide 3 晶種層 4 接地線 5 訊號（s i g n a 1)線 6 接地探針 7 矩形同軸電纜下側壁 8 矩形同軸電纜上側壁 9 矩形同軸電纜上底蓋 1 〇共平面波導傳輸線，接地探針的* / A r 丄，.1 , 見度為130/z

Cgap = 45/z m，thickness = l〇〇“ m)〇 11共平面波導傳輸線’ Signal探針的寬度為50m (gap = 45/z m，th i ckness = 1 0 〇；/ m)。 1 2具有錐度的同轴電纜傳輸線 13共平面波導傳輸線，接地探針的寬度為18〇# (gap = 45// m, th i ckness = 1 0 〇// m)。 1 4共平面波導傳輸線，s i g n a 1探針的寬度為了 〇 # (gap = 45/z m, thickness = l 0〇// m)0 1 5共平面波導傳輸線’接地探針的寬度為2 3 〇 # (gap = 45/z m, thi ckness = 1 0〇// m)。 16共平面波導傳輸線，signal探針的寬度為90/z

594020

(gap = 45// m，thickne —-μ m)〇 17 (g!Ps4t^^ C g a p 4 b// m，t h i c k n e s s = 1 0 〇 # m )。 18 f平面二導傳：線，signal探針的寬度為lio" (gap-45// n^thickness^l 0〇// m)。 19共平面波導傳輸線，接地探針的寬度為50// m。 (gap = 50// m，thickness = 10〇// m)。 20共平面波導傳輪線，signal探針的寬度為Μ# m。 (gap = 50/z m，thickness = 100// m)。 21共平面波導傳輸線，接地探針的寬度為28〇// m， (gap = 45// m，thickness = l 00// m)〇 22共平面波導傳輸線，signai探針的寬度為n 〇// m， (gap = 45// m, th i ckness-1 0 0/z m)〇 23基板 24晶種層（Cu、Cr) 25 PI(polyimide) 26金屬鎳、銅或是鎳合金或是其他的合金 2 6 1矩形同軸電纜之底蓋 2 6 3矩形同軸電纜下側壁 26 5 CPW三根探針 2 6 6矩形同軸電纜上側壁 2 6 7矩形同軸電纜上蓋 2 7無電鍍法沉積金屬

第10頁 594020 五、發明說明（6) 2 8固定螺絲 2 9 SMA接頭 30 K-Connector 3 1探針 3 2上封蓋 3 3前側外殼 3 4後側外殼 4 0同軸電纜

高頻探針的設計 本發明之設計：矩形同軸電纜及共平面波導（CPW)探 針的尺寸及形狀主要是利用模擬軟體F i d e 1 i t y來得知，以 感光型 PI(Toray公司 Positive Type PSPI 型號 PW1000) 的介電常數 =2 . 9為同軸電纜的介電材料來模擬矩形同軸 電纜的特性阻抗Z為5 0歐姆，依照不同的需求有不同的變 化。

矩形同軸電纜，如第四圖（a)所示矩形同軸電纜的金 屬接地屏蔽（s h i e 1 d i n g )分別由下底蓋1、下側壁7、上側 壁8、與上底蓋9所構成内部為厚光阻2如ρ ο 1 y i m i d e，接 地線4與接地線6分置於訊號線5兩旁。 矩形同軸電纜的設計原則如下： 步驟一 ：X軸b / a的比值為6，Y軸b’/a’的比值為3.5。

第11頁 594020 五、發明說明（7) 步驟二：如果 （b —a)/(b> -a—).的比值接近0.5至 1 · 5 ’便可將矩形同軸電纜的阻抗值匹配接近至5 0歐姆。 其相關高頻特性如第四圖（b ) ( c ) (d )所示。 共平面波導的設計原則： 參照第五圖’即可選出阻抗值滿足50歐姆的CPW尺寸，利用 CPW與CPW的轉接，來調整探針不同的接觸點 中心節距 (probe contact center-to-center pitch)，可依照不同 的需求將CPW連接部分作不同的轉換，可得到不同的探針 標準節距（pr〇be standard pitch)。再與所設計的5 0歐姆 矩形同軸電纜一同相匹配，即可得到符合需求的高頻探 針。 本發明之矩形同軸電纜模擬分析： 如第四圖（a)(b)所示，當金屬接地屏蔽（shielding)厚度 為t = 5/z m時，在〇〜8〇GHz的頻率範圍内，如第四圖（(：）所 示特丨生阻抗Z為5 0歐姆。如第四圖（d )所示，dB[S(l，l)] 值為（-37)〜（-47)。 考慮將shi el ding厚度t及接地線（ground probe)寬度 w作改變，分別模擬阻抗值與dB值的變化：

Casel :當t = 5// m，s = 2a，Zq=50歐姆時；考慮向外變化厚 ，t的影響：t=l〇" m、 15" m、 20" m。 當t = 10/z m、i5// m、2〇// ra時，在〇〜8〇gHz的頻率範圍内，

第12頁 594020 五、發明說明（8) dB[S(l，1)]值皆為（―37)〜（一47)，特性阻抗2也皆是5〇歐 姆，如第四圖（c)(d)。 結論·在矩形傳輪線整個内部邊長尺寸不變的情況下，將 sh 1 e 1 d 1 ng厚度t逐漸往外增加，可藉由模擬發現到，dB [ s (1，1)]值和特性阻抗Z不因厚度向外增加而改變。

Case2 ··當m，s = 2a，Z 〇=5 0歐姆時；考慮變化接地線 (ground probe)寬度％的影響。 當 w = 3a; w = 4a; w = 6a時，在〇〜80GHz的頻率範圍内，dB [S(l，1)]值皆為（〜37)〜（-47)，特性阻抗2也皆是50歐姆， 如第四圖（c) (d)。 結論：在矩形傳輸線整個内部邊長尺寸不變的情況下，將 w逐漸地往外增加，可藉由模擬發現到，dB [ S (1，1)]值和 特性阻抗Z不因厚度w向外增加而改變。 本發明之共平面波導模擬分析： 本發明之共平面波導第六圖至第九圖，在間距（gap) 為 4 5// m，金屬厚度為 loo# m，Signal probe width分別為 50' 70、90、110/z m，而 Ground probe widt h分別為 13 0、 1 8 0、2 3 0、2 8 0// m，其阻抗值皆為5 〇歐姆。 由於要與矩形同軸電纜相匹配，所以在CPW的導線 (conductor)部份必須也設計為矩形，將cpw匹配至50歐 姆’接地線（ground)的寬度可以隨意的增大，可使dB值更 好，且對於阻抗值的變化並不會造成太大的影響，但是間

第13頁 五 發明說明（9) 足巨Γ ΓΡ p)的寬度如果太大的話，在 以下所 〜干又1至· 綠人 A nickel alloy)或是其他的合金等 高頻時dB值會變差 鎳 、鋼洗η :的較佳實施例，其中所使用的電鍍金屬，以 4式疋鎳合金 實施 方式

=發明之高頻探針的程序，如第十二圖所示。 缺曰# •弟十二圖（a)所示，首先在矽基材23上，先濺 、又曰曰層 “（Seeding layers)，厚度為（Cul〇〇〇 a、Cr 。再塗佈上一層PI25,旋塗厚度約25// m，曝光顯影 出欲電鍍的部分，將電極接觸到左端的晶種層上，作為導 電層之用，將鎳、銅或是鎳合金或是其他的合金26電鍍上 去’即完成矩形同軸電繞下底蓋261 ，再利用化學機^研 磨(Chemical Mechanical Polish，CMP)將表面磨平。 步驟二··第十二圖（b)所示，接著再旋塗一層p丨2 5，旋 塗厚度約1 25/z m，。 步驟三：第十二圖（c)所示，接著再曝光顯影出欲電錢 的部分，將電極接觸到左端，再將鎳、銅或是鎳合金或&是

594020 五、發明說明（ίο) 其他的合金2 6電鍍上去，即完成矩形同軸電纜下側壁2 6 3 的部分，再利用CMP將表面平坦化。 步驟四··第十二圖（d)所示，再旋塗一層P12 5，旋塗厚 度約 1 0 2 // m。 步驟五：第十二圖（e)所示，曝光顯影出三根探針及接 電極的位置。 步驟六：第十二圖（f)所示，利用無電鍍的方法，電鍍 上一層薄金屬2 7當作欲電鍍探針的導電層，再利用CMP將 表面平坦化。 步驟七··第十二圖（g)所示，將鎳、銅或是鎳合金或是 其他的合金2 6電鍍上去，即完成三根探針2 6 5的部分。 步驟八··第十二圖（h)所示，再利用CMP將多餘的金屬去 除掉，需將P I研磨掉2/z m，使P I厚度約剩1 0 0// m。 步驟九··第十二圖（i)所示，重複步驟四至一，亦即先 完成矩形同軸電纜上側壁2 6 6，再完成矩形同軸電纜的上 蓋 2 6 7。

第15頁 594020 五、發明說明（Η) 步驟十：第. 去除掉。 圖（D所示，利用去光阻劑將多餘的Ρ! 即可Ρ $丨苐t 一圖（k)所不，將基材（wafer)作切割， 離開來再行切割。 田…、亦了將板針組與基材分 本發明之高頻探針卡裝配過程。 步驟一：如第十三圖所示， 圖是探針連接著基材23(剖面線}部分，r:: f型ί，土 J 助於使探針整體的強度增加，並且可以二：J接：基：有 針：而，視圖則是利用固定螺絲28將探針與前:丨夕手卜j =及 後側外殼3 4固定住，内部的探針是矩形 ^ ^ CPW^ , Λ # „ /Λ ； Λ . ? 與SMA接頭29連接。右侧視圖則是上封蓋方便 SMA接頭與探針的signal線相接，上封蓋套刀 可讓 定於探針的外殼。 了息兩旁亦用扣件固 十四圖所示，為多組高頻探針卡GSGSG之封 哀過粒弟十四圖U)為含有基材23的情況，楚丄 封 為未含有基材的情況。 弟十四圖（b)

第16頁 594020 五、發明說明（12) 具 步驟三··如第十五圖所示，利用微裝配與矩形探針 接’可以傾斜某一角度來作測量的動作，並將CPW大4、卞 面積大的部分作延伸，一方面可讓CPW整體的強度增小 另一方面可讓CPW有著懸臂樑的作用，可使cpw在量 ’ 有著彈簧的性能，在量測時可允許適當的變形。 、時 矩 另外也可將多個所謂的共面波導（cpw)式的探針 形同軸電纜、基材外殼、上封蓋等所組成的高頻探針= L，以傾斜於待測元件恰當角度並排成一探針卡的形式' 再固定於一電路板或基板上。 只要不脫離本發明之精神，均應包含於發明申請專 綜上所述，本發明確能達成發明目的，爰依法提出發 明專利申請。而根據以上所述的内容，所作其他相關的^ 利 變 範圍之内

第17頁 594020 圖式簡單說明 【圖示簡單說明】 第一圖 習知技術一，美國專利US 5，5 6 5，7 8 8。 第二圖 習知技術二，美國專利US6, 2 2 9, 3 2 7B1。 第三圖 習知技術三，美國專利US 2 0 0 2 / 0 0 1 1 8 5 5 A 1。 第四圖（a)(b) 本發明之矩形同軸電纜探針圖。 第四圖（c) 本發明之矩形同軸電纜之史密斯圖。 第四圖（d) 本發明之矩形同軸電纜之dB圖。 第五圖 本發明之設計實施例一 ：50歐姆（gap = 45/z m， thickness = 100/z m)的 signal與 ground probe width 的比較圖。 第六圖（a) 本發明之共平面波導傳輸線一，接地探針的 寬度為130/z m，signal探針的寬度為5〇// m， (gap = 4 5// m，thickness 二 100# m)。 第六圖（b) 本發明之共平面波導傳輸線一之dB圖。 第六圖（c) 本發明之共平面波導傳輸線一之史密斯 第七圖（a) 本發明之共平面波導傳輸線二，接地探^ ° 寬度為180μ m，signal探針的寬度為7〇a瓜 的 (gap = 45// m，th i ckness = 1 〇 〇# m)0

第七圖（b) 本發明之共平面波導傳輪線二之dB圖。 第七圖（c) 本發明之共平面波導傳輪線二之史^斯 第八圖（a) 本發明之共平面波導傳輪線二，拉α /圖。 寬度為230// m，signal探針的會择 計的 見沒 4 9 0// m， (gap = 45// m，thickness = l 〇〇# 取）。

594020 圖式簡單說明

ί !bi本發明之共平面波導傳輸線三之dB圖。 第九；(Λ ί t明之共平面波導傳輸線三之史密斯圖。 弟九圖（a)本發明之共平面波導傳輸線四，接地探^ 寬度為28〇e m，signal探針的寬度為11〇" ^的 (gap = 45/z m^hickness^lOO^ 〇

第九圖（b) ,、，〜一，）-r调琢四之dJ3圖。 太/曰發明之共平面波導傳輸線四之史密斯圖 本毛明之共平面波導轉接共平面波導傳輸 共平面波導傳輸線，接地探針的寬度為28 Slgnal探針的寬度為 no# m (gap=45# m， thlckness=：i00// m)。轉接共 探針的崎針的地 (gap = 5〇/z m, th i ckness = 1 0 ra)o ^ m 圖（a) 2發明之矩形同車由電繞傳輸線轉接並 平面波導傳輪線。 A 第九圖 第十圖 第十 第十一圖（b) 第十一圖（c) … ^〜π 7丨夕Μ竿由電纜 平面波導傳輪線之d_ ” Ά U DtSj 〇 =發明之矩形同軸電纜傳輸線轉 u m r 面波導傳輪線之史密斯®。、 d 么發明之製作高頻探針卡的程序。 弟十二目、本發明之探針卡裝配過程。 第十四圖（a)本發明之多組高 (含有基#)。頻抓針卡GSG_裝過程 第十四圖⑴本發明之多組高頻探針卡⑽封裝過程

594020 圖式簡單說明 (未含有基材）。 第十五圖（a ) 本發明之傾斜式高頻探針模組 第十五圖（b ) 本發明之傾斜式高頻探針模組（側視圖） 第20頁

Claims (1)

1. 六 、申請專利範丨 牙重1¾頻_ # P 装，*热、果、、且’係以微機電技術為基礎所製作與組 〜—段ί要的組件係包含： 觸待測:^共^波導（CPW)式的探針，其一端用於接 矩，而^ <的1干塾（Pad)，可因應待測元件的鲜墊間 則邀下，整探針接觸端點的節距（Pitch)，其另一端 〜一# 述的矩形同軸電纜相連； 式探^ f同軸電纜，其一端與所謂的共面波導（CPW) 〜、〜基材目連二另一端則與下述的SMA接頭連接； 形同丄可選擇性地於製程中保留，使置於其上的矩 增加；^纜與探針有支撐，有助於使探針整體的強度 針與外μ緊t圍著矩形同軸電纜探針，利用扣件將探 動；μ固定住，保護探針組並讓其不會任意的滑 電繼ϋ盍，上附有sma接頭，可讓sma接頭與矩形同軸 的外μ λ唬線相接，上封蓋兩旁亦用扣件固定於探針 •依據申★主$ 謂的μ 專利範圍第1項所稱的高頻探針模組，其中所 積大===面波導（CPW)式的探針，可將CPW大轉小之面 來作哪1分作延伸，並利用微裝配使探針傾斜某一角度 到長懸ΐ的動作，如此可讓cpwf針整體的強度足夠達 性能f樑的作用，使cpW探針在量測時具有著彈簧的 一種丄允許適當的變形。 、 阿頻探針卡，係以微機電技術為基礎所製作與組 3 六、申請專利範圍 裝，其主要的組 —一段懸空的共 觸待測元件的 距，而調整探 則與下述的矩 一一段矩形同軸 式探針相連， 一基材，可選 形同軸電纜與 增加； 一一一外殼，緊包 針與外殼固定 動； —一一上封蓋，上 電鐵的訊號線 的外殼； 將多個所謂的共 纜、基材外殼 傾斜於待測元件 定於一電路板或 4 · 一種以微機電技 次可以大量批次 離可以調整且控 a ·在晶圓上沉積 件係包含： 面波導（CPW)式的探針，其一端用於接 鲜塾（pad)，可因應待測元件的銲墊間 針接觸端點的節距（pi tch)，其另一端 形同軸電纜相連； 電纜’其一端與所謂的共面波導（cpw) 另一端則與下述的SMA接頭連接； 擇地於製程程中保留，使置於其上的矩 探針有支撐，有助於使探針整體的強度 圍著矩形同軸電纜探針’利用扣件將探 住，保護探針組並讓其不會任意的滑 附有SMA接頭，可讓SMA接頭與矩形同軸 相接，上封蓋兩旁亦用扣件固定於探針 面波導（CPW)式的探針、矩形同轴 •上封蓋4所組成的高頻探針模組' 恰當角度並排成一探針卡的开/、'、，以 基板上。 v式，再固 術為基礎製作高頻探針模組的製u 生產高頻探針，並且探針與探程，一 制相當準確，其主要步驟包含·間的矩 一電鍍晶種層’然後在晶種 層上面旋塗 594020 六、申請專利範圍 厚光阻如聚亞驢胺（polyimide，PI)等； b. 選用適當探針類型光罩置於厚光阻之上，曝光顯影得 到探針下底蓋，再進行探針金屬電鍍工作，然後表面 研磨至所規劃的厚度； c. 在研磨完成之後的表面繼續旋塗厚光阻，曝光顯影得 到探針下側壁，再進行探針金屬電鍍工作，然後表面 研磨至所規劃的厚度； d. 在研磨完成之後的表面繼續旋塗厚光阻，曝光顯影出 三根探針及接電極的位置； e. 利用無電鍍鎳的方法，電鍍上一層薄金屬當作欲電鍍 探針的導電層，再利用CMP將表面磨平； f. 將金屬電鍍上去，即完成三根探針的部分； g. 反向重複步驟a-c，亦即先完成矩形同軸電纜上側 壁，再完成矩形同軸電纜的上蓋； h. 選用去光阻劑將多餘的厚光阻去除掉，使CPW部分懸 空出來，即可得到所需的高頻探針。 5 .依據申請專利範圍第4項所稱的製程，其中所謂的探針 金屬，配合電鍍晶種層可為鎳、銅或是鎳合金等其他的 合金。

   第23頁