TWI418794B - Vertical probe card - Google Patents

Description

垂直式探針卡

本發明為有關一種垂直式探針卡，尤指一種每一探針可獨立更換之垂直式探針卡。

晶圓測試時，測試儀器通常透過一探針卡(probe card)獲取待測物(device under test, DUT)的電氣訊號。探針卡通常包含若干個尺寸精密的探針，利用探針接觸待測物上尺寸微小的銲墊或凸塊，藉探針傳送一測試訊號，並配合軟體控制達到量測的目的。

習知之垂直式探針卡，探針部分多為一機械加工後的金屬線材，藉由探針呈彎曲狀的樣態，利用彎曲所產生的彈性來吸收抵觸待測物產生的外力，或是將探針設計具一彈性變形能力，如日本專利公開第2003-240800號之探針針頭為一中空鎚頭(hammerhead)結構；或是配合其它部件來吸收外力，如日本專利公開第2002-48818號所揭露：請參閱「圖10」所示，探針卡包含複數個探針101以及對應每一探針101之導線102。該導線102形成複數個彎曲部103、104，提供探針101吸收外力的彈性。因該專利公開案所使用之導線102尺寸細長，且形成複數個彎曲部103、104，因此必須設置下支持板105以及上支持板106來提供導線102支撐力，且該公開專利案利用人工組裝導線102，導線102的線徑大約在50~100μm，須設置在複數個支持板105、106所開設的貫穿孔內，因此組裝不易；再者，導線102須形成多處彎曲型態而不易製造。在晶片尺寸逐漸微小化下，探針的尺寸精度和密度增加，以傳統製造和人工組裝的方式並無法滿足此潮流的要求。

另外，如日本專利公開第2002-134570號所揭露，於探針上方加設具彈性之異方性導電薄膜，利用異方性導電薄膜本身的彈性吸收外力。然而，異方性導電薄膜具導電方向性，薄膜上下兩點須確實接觸方能導通，因此當異方性導電薄膜受到每一探針產生的不同位移量時，探針間容易相互產生干涉，造成探針與薄膜接觸不良而影響導通，造成測試的偏差。

習知之垂直式探針卡，其探針大多固定於探針卡上而無法自由拆裝，如美國公開專利第2007/0205783號，其包含一片狀探針(sheet-like probe)，該片狀探針固設複數個探針。因此，當某些探針損壞或需要更換時，無法獨立更換，而須更換該片狀探針而大幅增加成本。

本發明之目的在於提供一種垂直式探針卡，其每一探針可隨使用需求，獨立自由更換，而減少成本支出。

本發明之另一目的，在於提供一種垂直式探針卡，其探針或從動件可透過微機電系統(MEMS)或半導體製程製造，而獲致精度較高且尺寸較小而可緊密排列。

為達上述目的，本發明提供之垂直式探針卡，包含一多層模組、複數個具變形能力之從動件、一絕緣導引板以及複數個探針。該多層模組包含一空間轉換層，可供從動件固設於其上，絕緣導引板開設複數個導孔，致使每一探針可滑移裝卸於對應之導孔；每一從動件包含一自由端，探針的頭部接觸對應從動件的自由端，並透過空間轉換層內部的導線，致使探針與多層模組電性相連；當探針針尖抵觸待側物時，探針因受力在導孔內滑移，而具有變形能力之從動件可抵制探針的位移而變形。

透過本發明提出之垂直式探針卡，當探針受損時，僅需針對受損探針進行替換或維修，因此可節省大量成本；此外，本發明之探針可於導孔內自由滑移，如此可加速組裝，並減少針體的磨損。有關本發明的詳細技術內容及實施例，配合圖式說明如後。

有關本發明之詳細說明及技術內容，現就配合圖式說明如下：

請參閱「圖1-1」和「圖1-2」所示，為本發明一實施例之結構剖面圖，如圖所示：本發明提出之垂直式探針卡10，包含一多層模組11、複數個具變形能力的從動件12、一絕緣導引板13和複數個探針14。

該多層模組11可包含印刷電路板(printed circuit board, PCB)111、蓋板(cover)112、加強件(stiffener)113、保護板(圖中未示)、載板(圖中未示)等探針卡習知的多層結構，且該多層模組11之測試側包含一空間轉換層(space transformer)114。在一實施例中，該空間轉換層114實質上可為一電路基板，包含第一表面114a及相對該第一表面114a另一側的第二表面114b，第一表面114a具複數個金屬接點，第二表面114b亦有相對應的金屬接點，第一表面114a的金屬接點可經空間轉換層114的內部線路，與第二表面114b上的一個以上的金屬接點電性相連；該空間轉換層114第一表面114a的金屬接點電性連接至印刷電路板111，致使電性訊號可自探針14傳遞至多層模組11。空間轉換層114基材選擇自絕緣材質，實質上可為一陶瓷基板、陶瓷基座或有機材料基板。

從動件12為導電材質，一端固設於該空間轉換層114的第二表面114b，且與第二表面114b的一個或一個以上的金屬接點電性相連，另一端則為自由端121，可與探針14接觸而電性相連。須瞭解到，每一從動件12為一具變形能力或彈性的結構，其外觀或實質形式變化甚多，故不以圖式揭露者為限；此外，從動件12與探針14為可分離結構，如此可方便更換探針14。該些從動件12透過空間轉換層114內部的導線(圖中未示)，與印刷電路板111電性相連。從動件12受力時，可吸收外力而整體變形達到平衡，無須額外設置其他輔件吸收外力或提供支撐。該些從動件12可利用微機電系統系統(micro-electro-mechanical system, MEMS)或半導體製程(semiconductor manufacturing process)技術形成，其固設於該空間轉換層114上，因此可獲致尺寸較小、排列緊密整齊之特性。

絕緣導引板13開設複數個導孔131，該些導孔131貫通絕緣導引板13，實質上以垂直貫通者為考量，致使對應探針14可自由滑移設置於導孔131內。該絕緣導引板13可以螺絲鎖固或塗膠30黏合(請見「圖1-3」之示意)等方式固設於該多層模組11，為方便更換探針14，固設的方式以螺絲鎖固者為考量。「圖1-1」至「圖1-3」顯示絕緣導引板13之不同實施例：「圖1-1」顯示絕緣導引板13直接固鎖於該多層模組11的蓋板112，「圖1-2」則顯示絕緣導引板13自該第二表面114b固鎖於空間轉換層114。「圖1-3」顯示之絕緣導引板13則與前述蓋板112為一體的結構，其直接固設於該多層模組11的印刷電路板111上。

「圖2-1」與「圖3-1」分別為本發明從動件12的不同實施例，而「圖2-2」與「圖3-2」則為對應「圖2-1」與「圖3-1」測試時之作動圖。「圖2-1」所顯示之從動件12實質上為一懸臂結構，包含一懸臂122和一固定該懸臂122於空間轉換層114的基座123，懸臂122與基座123可透過微機電系統系統(MEMS)或是半導體製程技術形成，並可一體成形或是個別成形。

「圖4-1」至「圖4-4」為上述從動件12為一懸臂結構之不同實施例，該懸臂122可直接作為自由端121而接觸探針14(如「圖4-1」、「圖4-2」)，或於懸臂122底端具一凸體124做為自由端121，再與探針14產生接觸(如「圖4-3」、「圖4-4」)；另外，「圖4-1」至「圖4-4」亦顯示從動件12的基座123可具有不同的實施樣態。

「圖5-1」和「圖5-2」顯示從動件12的另一實施例。為提供懸臂122變形空間，節省整體體積，因此於該空間轉換層114開設一空腔115。「圖5-1」顯示的從動件121藉由基座123固設於空間轉換層114之第二表面114b；「圖5-2」則省略「圖5-1」中從動件12的基座123部分，而致使懸臂122直接固設於空間轉換層114第二表面114b上，且與第二表面114b的一個或一個以上的金屬接點電性相連。

「圖3-1」顯示從動件12之另一實施例，該從動件12實質上形成一屈曲樑結構(buckling beam structure)，可如「圖3-1」呈一傾斜狀，或如「圖6-1」至「圖6-5」顯示之不同實施態樣，其結構實質上可為線狀、柱狀或平板狀，或如「圖6-5」呈一彈簧結構；其截面積可為一圓形或一矩形，但不以上述為限。此類型之從動件可利用上述微機電系統或半導體製程的技術製造，或利用自動或半自動打線(wire bonding)技術的方式製造，或利用放電加工(electric discharge machining, EDM)技術的方式製造，將具彈性和變形能力的金屬導線固接於空間轉換層114的第二表面114b上，且與第二表面114b的一個或一個以上的金屬接點電性相連。上述金屬導線之材質，可選自由金(Au)、鋁(Al)、銅(Cu)、銀(Ag)以及鉑(Pt)所組成的群組；打線後的金屬導線，可再透過塗層(coating)方式，包覆一金屬層以增加從動件12整體的機械強度。上述金屬層之材質，可選自由鎳(Ni)、鈷(Co)、鐵(Fe)、銅(Co)、金(Au)、鉑(Pt)、銀(Ag)、銠(Rh)以及釕(Ru)所組成的群組。

此外，如「圖7」所示，在上述一實施例中，複數從動件12靠近空間轉換層114之一端，可先組裝於一基板125，再安裝於空間轉換層114之第二表面114b，致使每一從動件12與第二表面114b預設之接點電性相連，如此可增加組裝時的彈性。在一實施例中，複數從動件12與第二表面114b之接點是藉由錫球迴焊(reflow)的方式組裝。

請參閱「圖2-2」與「圖3-2」所顯示測試時的作動狀態，當探針針尖142抵觸待側物20而於絕緣導引板13的導孔131內部產生滑移時，由於從動件12具彈性及變形能力，因此可吸收測試時產生的外力，而致使針尖142確實接觸待側物20，並且避免針尖142因過度施力而損壞。必須再說明的是，當探針14與待側物20接觸時，不同銲墊的高度或不穩定的接觸壓力，均可能導致個別探針14於導孔131內產生不同程度的滑移，因此本發明之每一從動件12均可獨立變形，可依據相對應探針14的滑移量，產生不同的變形量，在應用上較靈活有彈性。

請再參閱「圖2-1」和「圖3-1」所示，每一探針14包含一頭部141與一針尖142。為避免探針14與從動件12產生相對位移而影響接觸，頭部141可具較大的接觸面積。另外，為達成探針14可順利抵制從動件12，探針14長度以大於該絕緣導引板13之厚度為考量。測試時，探針頭部141因有較大接觸面積接觸於從動件12，而從動件12透過空間轉換層114內部的導線(圖中未示)，使該些探針14實質上與該多層模組11電性相連，而將測試訊號傳輸至印刷電路板111以及測試機台(未顯示)。當探針14的針尖142接觸待側物20時，探針14可於導孔131自由滑移，而從動件12可抵制該些探針14的位移而變形，藉以吸收探針14與待側物20接觸時所產生的外力。上述之探針可由機械加工形成，亦可利用微機電系統或半導體製程技術形成。

如「圖8」所示，在另一實施例中，探針14接觸從動件12的頭部141可設計成具變形能力或彈性的結構，如此可搭配從動件12，獲致不同吸收外力和位移的效果。須了解到，圖示中從動件12的形狀結構僅為了示意從動件12為一具彈性變形能力之結構，可與上述探針有相輔相成的效果。

本發明之絕緣導引板13可為一單層結構，或如「圖9-1」所示，為一多層可分離結構。探針卡測試、使用時，探針針尖142會隨使用次數而不斷耗損，耗損經研磨後的探針14長度會縮短，然而單層絕緣導引板無法適用過短的探針14，透過多層可分離之絕緣導引板13，當使用較短探針14或探針14長度縮減時，僅需移除部分分層之絕緣導引板13(如「圖9-2」所示)，即可搭配較短之探針14使用，較為環保並可減少成本支出。

綜上所述，本發明提出之垂直式探針卡10係利用探針14於絕緣導引板13內自由滑移，並透過從動件12吸收外力，大幅降低探針的磨損與針尖142的耗損；透過本發明，各探針14間也可獨立滑移而具不同滑移量，可增廣使用範圍。再者，透過本發明，探針14於設計、製造以及組裝上都較簡便容易，不但可大量生產，增長使用壽命，更無須費時改良探針14結構。此外，由於本發明之探針14可活動拆裝於絕緣導引板13，使用者可根據不同的測試用途或是銲墊結構，對應設置不同的探針14組合，無須針對特殊用途購製對應的探針卡，藉此可增廣使用範圍，而降低測試成本。承上，由於探針14可活動拆裝於絕緣導引板13，當個別探針14斷裂或損壞時，維修上較容易；更換探針14時，也僅需針對個別探針14更換即可，不用耗費額外成本更換整個探針卡。利用微機電系統或半導體製程技術製造從動件12或探針等部件，於效率及精密細膩程度上均有所提升，探針14和從動件12可作更緊密的排列，尤其對於針數較密或高精密、高規格的探針卡，均適用本發明。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，非欲侷限本發明專利之專利保護範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖式內容所為之等效變化與修飾，均同理包含於本發明之權利保護範圍，合予陳明。

10‧‧‧垂直式探針卡

11‧‧‧多層模組

12‧‧‧從動件

13‧‧‧絕緣導引板

14‧‧‧探針

20‧‧‧待側物

30‧‧‧膠

111‧‧‧印刷電路板

112‧‧‧蓋板

113‧‧‧加強件

114‧‧‧空間轉換層

114a‧‧‧第一表面

114b‧‧‧第二表面

115‧‧‧空腔

121‧‧‧自由端

122‧‧‧懸臂

123‧‧‧基座

124‧‧‧凸體

125‧‧‧基板

131‧‧‧導孔

141‧‧‧頭部

142‧‧‧針尖

本發明的實施方式係結合圖式予以描述：

「圖1-1」為本發明一實施例之結構剖面圖；

「圖1-2」為本發明另一實施例之結構剖面圖；

「圖1-3」為本發明另一實施例之結構剖面圖；

「圖2-1」為本發明從動件之一實施例；

「圖2-2」為「圖2-1」測試時之作動狀態圖；

「圖3-1」為本發明從動件之另一實施例；

「圖3-2」為本發明「圖3-1」測試時之作動狀態圖；

「圖4-1」至「圖4-4」為本發明從動件為一懸臂結構之不同實施例示意圖；

「圖5」為本發明從動件為一懸臂結構之另一實施例示意圖；

「圖6-1」至「圖6-5」為本發明從動件為一屈曲樑結構之不同實施例示意圖；

「圖7」為本發明之複數從動件先組裝至一基板之示意圖；

「圖8」為本發明探針結構之一實施例；

「圖9-1」為本發明絕緣導引板之另一實施例示意圖；

「圖9-2」為「圖9-1」之絕緣導引板移除若干層之示意圖；

「圖10」為習知探針卡之細部結構剖面圖。

10‧‧‧垂直式探針卡

11‧‧‧多層模組

12‧‧‧從動件

13‧‧‧絕緣導引板

14‧‧‧探針

111‧‧‧印刷電路板

112‧‧‧蓋板

113‧‧‧加強件

114‧‧‧空間轉換層

114a‧‧‧第一表面

114b‧‧‧第二表面

121‧‧‧自由端

131‧‧‧導孔

Claims (17)

1. 一種垂直式探針卡，包含： 一多層模組，包含一空間轉換層設置於該多層模組之一測試側； 複數個從動件，其具有變形能力，該從動件的一端固設於該空間轉換層； 一絕緣導引板，開設複數個貫通的導孔； 複數個探針，每一該探針可滑移裝卸於該絕緣導引板的對應導孔內，並包含一頭部與一針尖；探針的頭部接觸對應從動件的一自由端，致使該些探針與該多層模組電性相連；當該針尖接觸待側物時，每一該探針可在該導孔內滑移，而每一該從動件可抵制對應探針的位移而獨立變形。
2. 如申請專利範圍第1項所述之垂直式探針卡，其中該些從動件利用微機電系統或半導體製程技術製造。
3. 如申請專利範圍第1項所述之垂直式探針卡，其中該些從動件為一懸臂結構。
4. 如申請專利範圍第3項所述之垂直式探針卡，其中該懸臂結構包含一懸臂和一固定該懸臂於空間轉換層的一基座。
5. 如申請專利範圍第4項所述之垂直式探針卡，其中該空間轉換層具一空腔，該空腔可提供該懸臂變形之空間。
6. 如申請專利範圍第3項所述之垂直式探針卡，其中該空間轉換層具一空腔，致使該懸臂結構之一懸臂可固設於該空間轉換層，而該空腔可提供該懸臂變形之空間。
7. 如申請專利範圍第1項所述之垂直式探針卡，其中該從動件為一屈曲樑結構。
8. 如申請專利範圍第7項所述之垂直式探針卡，其中該些從動件可利用放電加工技術的方式製造。
9. 如申請專利範圍第7項所述之垂直式探針卡，其中該些從動件可利用自動或半自動打線技術的方式製造，將具彈性和變形能力的金屬導線固接於該空間轉換層。
10. 如申請專利範圍第8項所述之垂直式探針卡，其中該金屬導線之材質，可選自由金(Au)、鋁(Al)、銅(Cu)、銀(Ag)以及鉑(Pt)所組成的群組。
11. 如申請專利範圍第8項所述之垂直式探針卡，其中打線後之金屬導線，可再透過塗層方式，包覆一金屬層以增加該些從動件整體之機械強度，該金屬層之材質，可選自由鎳(Ni)、鈷(Co)、鐵(Fe)、銅(Co)、金(Au)、鉑(Pt)、銀(Ag)、銠(Rh)以及釕(Ru)所組成的群組。
12. 如申請專利範圍第1項所述之垂直式探針卡，其中該絕緣導引板為一多層可分離結構。
13. 如申請專利範圍第1項所述之垂直式探針卡，其中該絕緣導引板固設於該空間轉換層。
14. 如申請專利範圍第1項所述之垂直式探針卡，其中該些探針利用微機電系統或半導體製程技術製造。
15. 如申請專利範圍第1項所述之垂直式探針卡，其中該探針之頭部為一彈性可變形結構。
16. 如申請專利範圍第1項所述之垂直式探針卡，其中該些從動件可先組裝於一基板，再安裝於該空間轉換層。
17. 如申請專利範圍第1項所述之垂直式探針卡，其中該多層模組包含一印刷電路板，其中該空間轉換層與該印刷電路板有電性相連。