TWI528037B - 探針頭結構及使用在探針頭結構中的探針製造方法 - Google Patents

Description

探針頭結構及使用在探針頭結構中的探針製造方法

本發明是有關一種探針頭結構與探針製造方法，特別是一種用於陣列式探針卡的探針頭結構與使用在探針頭結構中的探針製造方法。

習知的探針卡(probe card)可包含電路板、空間轉換卡與探針頭。探針頭具有複數個探針與定位探針用的上導引板與下導引板。探針的兩端分別穿出上導引板與下導引板，其中穿出下導引板的一端用來與待測物(例如半導體晶圓)電性接觸，而穿出上導引板的一端透過空間轉換卡與電路板電性連接。當探針接觸待測物時，上導引板與下導引板可限制探針往側向方向移動。

然而，倘若上述探針卡係使用微機電製程所製作的探針，例如垂直挫屈探針(vertical buckling probe)，其橫截面的形狀受限於製程技術，整根探針的橫截面形狀均為具有尖角的矩形。由於探針具有尖角，故當探針穿入下導引 板的穿孔時，或於穿孔中移動時，探針易與穿孔的壁面發生磨擦，造成探針與下導引板研磨而損耗。

為解決先前技術之難題，本發明提供一種用於陣列式探針卡的探針頭結構。探針頭結構包含下導引板、上導引部與複數個以微機電製程製作的探針。下導引板具有複數個第一貫穿開口。上導引部位於下導引板的一側。每一探針定位於下導引板的每一第一貫穿開口與上導引部之間。各探針具有針尖段、針身段、針尾段與止擋部。止擋部位於針尖段與針身段之間，且止擋部的截面面積大於針尖段的截面面積。針身段位於止擋部與針尾段之間。每一第一貫穿開口穿設有單一根探針之針尖段，使得每一探針之止擋部抵靠下導引板朝向上導引部的表面。每一探針之針尖段至少部分沿寬度方向的截面形狀呈圓弧狀或具導角的矩形狀。

緣此，本發明的主要目的在於提供一種探針頭結構。本發明之探針頭結構之探針的針尖段至少部分沿寬度方向的截面形狀呈圓弧狀或具導角的矩形狀。下導引板的第一貫穿開口可以為圓形或矩形。當截面形狀為圓弧狀或具導角之矩形狀的探針針尖段穿入第一貫穿開口時，或於第一貫穿開口中移動時，可降低針尖段與第一貫穿開口的壁面發生磨擦損耗。如此一來，可以降低探針運作時的阻力，使卡針現象發生的機率降低以及可以延長探針與下導 引板的使用壽命。

本發明還提供一種使用在探針頭結構的探針製造方法，包含下列步驟：在基板上以微機電製程形成用於陣列式探針卡的複數個探針，探針各具有針尖段、針身段、針尾段，其中探針藉由輔助部而成串地併排排列。塗佈絕緣層於探針之複數個針身段進行絕緣處理，使得針身段由絕緣層包覆。將絕緣處理後的探針置入電解液中進行電解，使得未經絕緣處理之每一探針的針尖段至少部分沿寬度方向的截面形狀呈圓弧狀或具導角的矩形狀。

因此，利用本發明之使用在探針頭結構的探針製造方法中所製造出來的探針，由於先將絕緣層塗佈於探針之針身段，再將探針置入電解液中進行電解。如此一來，未塗佈絕緣層的針尖段便會被電解，使原本截面形狀為具尖角的矩形狀的針尖段被電解後呈圓弧狀或具導角的矩形狀。因此，使用上述方法製造之探針，可以降低探針運作時的阻力，使卡針現象發生的機率降低以及可以延長探針與下導引板的使用壽命。

100、100a‧‧‧探針頭結構

110‧‧‧下導引板

112、112’、112”‧‧‧第一貫穿開口

114‧‧‧表面

120‧‧‧上導引部、上導引板

122‧‧‧第二貫穿開口

124‧‧‧上導引容置空間

130、130a、130b‧‧‧探針

132、132’、132a、132b‧‧‧針尖段

134、134’‧‧‧針身段

136‧‧‧針尾段

1361‧‧‧撕裂點

137‧‧‧連接部

138、138a‧‧‧止擋部

139‧‧‧輔助部

140‧‧‧金屬層

142‧‧‧潤滑粒子

210‧‧‧基板

220‧‧‧犧牲層

230‧‧‧光阻層

232‧‧‧凹槽

240‧‧‧導電元件

242‧‧‧膠帶

244‧‧‧電線

250‧‧‧絕緣層

260‧‧‧電解槽

262‧‧‧電解液

3-3‧‧‧線段

D‧‧‧厚度

L1、L2‧‧‧長度

S1~S3‧‧‧步驟

第1圖繪示根據本發明一實施方式之探針頭結構的側視示意圖。

第2A圖繪示第1圖之探針的局部放大立體圖。

第2B圖繪示第2A圖的另一實施方式。

第3圖繪示第1圖之探針頭結構沿線段3-3的剖面圖。

第4圖繪示第3圖的另一實施方式。

第5圖繪示第3圖的又一實施方式。

第6圖繪示第2A圖的另一實施方式。

第7圖繪示本發明一實施方式之探針與下導引板的局部放大圖。

第8圖繪示根據本發明一實施方式之探針的立體圖。

第9圖繪示根據本發明一實施方式之探針頭結構的側視示意圖。

第10圖繪示根據本發明一實施方式之使用在探針頭結構中的探針製造方法的流程圖。

第11圖繪示在基板形成犧牲層與圖案化光阻層後的示意圖。

第12圖繪示第11圖之凹槽施以電鍍處理後的示意圖。

第13圖繪示製作完成之複數根探針之結構的側視圖。

第14圖繪示第13圖之複數根探針自基板取下後，可再固定於導電元件的示意圖。。

第15圖繪示第14圖之探針塗佈絕緣層後的示意圖。

第16圖繪示第15圖之探針置入電解液中的示意圖。

以下將以圖式揭露本發明之複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本 發明。也就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。

第1圖繪示根據本發明一實施方式之探針頭結構100的側視示意圖。第2A圖繪示第1圖之探針130的局部放大立體圖。同時參閱第1圖與第2A圖，探針頭結構100可用於陣列式探針卡。探針頭結構100包含下導引板110、上導引部120與複數個探針130。其中，下導引板110具有複數個第一貫穿開口112。上導引部120位於下導引板110的一側。探針130係以微機電(Micro electro mechanical systems；MEMS)製程製作。在一基板上形成探針狀的導電金屬件，將於第11圖至第13圖作說明。每一探針130定位於下導引板110的每一第一貫穿開口112與上導引部120之間。各探針130具有針尖段132、針身段134、針尾段136與止擋部138。止擋部138位於針尖段132與針身段134之間，且止擋部138的截面面積大於針尖段132的截面面積。針身段134位於止擋部138與針尾段136之間。每一第一貫穿開口112穿設有單一根探針之針尖段132，使得每一探針130之止擋部138抵靠下導引板110朝向上導引部120的表面114。每一探針130之針尖段132經電解製程，使其至少部分(見第2B圖)或全部(見第2A圖)沿寬度方向的截面形狀呈圓弧狀或具導角的矩形狀。此外，由於探針130以微機電製程製作，因此針身段134至少部分或全部沿寬度方向的截面形狀為矩形狀。在此要說明的是，在第1圖 中，係以每一探針130之針尖段132經電解製程，使針尖段132沿寬度方向的截面形狀為圓弧狀說明之。此外，請再見第1圖，進一步，可依實際需求，每一探針130之針尾段136上亦可以形成有止擋部138a。

在本實施方式中，探針130為微機電製程製作的垂直挫屈針(又稱Cobra針)。上導引部120為上導引板。上導引板120與下導引板110相對。上導引板120具有複數個第二貫穿開口122，且每一探針130之針尾段136可穿過每一第二貫穿開口122。當探針頭結構100作動時，針尾段136可透過空間轉換卡與電路板電性連接至測試機，而針尖段132以垂直方向接觸待測物(例如半導體晶圓)。由於探針130之針尖段132與針尾段136分別由下導引板110的第一貫穿開口112與上導引板120的第二貫穿開口122定位，因此可避免探針130產生側向位移，提升量測的準確度。

在本實施方式中，針尖段132為圓頭針，但並不以圓頭針為限，例如針尖段132b也可為平頭針(見第6圖)。每一探針130之整體可以為相同的金屬材質。又或者，每一探針130之針尖段132與針身段134可具有相異的金屬材質，或每一探針130之針尖段132之針尖端與針身段134可具有相異的金屬材質。此外，經電解製程而呈圓弧狀或具導角之矩形狀之針尖段132的長度L1可以是大於或等於下導引板110的厚度D。在本實施方式中，長度L1為針尖段132的總長，但並不用以限制本發明，只要針尖段132穿過第一貫穿開口112時，位在第一貫穿開口112中的針 尖段132可以是呈圓弧狀或具導角之矩形狀便可。在第1圖中，針尖段132穿過第一貫穿開口112時，位在第一貫穿開口112中的針尖段132是呈圓弧狀。

第2B圖繪示第2A圖的另一實施方式。在本實施方式中，經電解製程而呈圓弧狀之針尖段132a的長度L2可以是大於或等於下導引板110的厚度D(見第1圖)。與第2A圖實施方式不同的地方在於：長度L2僅為針尖段132a之總長的一部分，長度L2係從止擋部138往針尖段132a之針尖端的方向延伸。當針尖段132a穿過第一貫穿開口112(見第1圖)時，位在第一貫穿開口112中的針尖段132a可以為圓弧狀或具導角之矩形狀。若以第2B圖中的針尖段132a為例，當針尖段132a穿過第一貫穿開口112(見第1圖)時，位在第一貫穿開口112中的針尖段132a是呈圓弧狀。

第3圖繪示第1圖之探針頭結構100沿線段3-3的剖面圖。在本實施方式中，下導引板110之第一貫穿開口112為圓形的貫穿開口，而針尖段132沿寬度方向的截面形狀也為圓弧形，使得針尖段132可耦合於第一貫穿開口112。

當截面形狀為圓弧狀的針尖段132穿入第一貫穿開口112時，或於第一貫穿開口112中移動時，可降低針尖段132與第一貫穿開口112的壁面發生磨擦損耗。如此一來，可以降低探針130運作時的阻力，使卡針現象發生的機率降低以及可以延長探針130與下導引板110的使用壽命。

在以下敘述中，將說明其他型式之第一貫穿開口112與針尖段132。

第4圖繪示第3圖的另一實施方式。與第3圖實施方式不同的地方在於：下導引板110之第一貫穿開口112’為矩形(包含四邊等長的方形)的貫穿開口。故當截面形狀為圓弧狀的針尖段132穿入第一貫穿開口112’時，或於第一貫穿開口112’中移動時，可降低針尖段132與第一貫穿開口112’的壁面發生磨擦損耗。

第5圖繪示第3圖的又一實施方式。與第3圖實施方式不同的地方在於：針尖段132’沿寬度方向的截面形狀非圓弧形，針尖段132’經過電解製程後，針尖段132’沿寬度方向的截面形狀為具有導角的矩形狀，也就是說，針尖段132’仍不具有凸出的尖角。以及下導引板110之第一貫穿開口112”為圓形的貫穿開口。故當截面形狀為具導角的矩形狀的針尖段132’穿入第一貫穿開口112”時，或於第一貫穿開口112”中移動時，可降低針尖段132’與第一貫穿開口112”的壁面發生磨擦損耗。當然地，第5圖之針尖段132’亦可與第4圖中的第一貫穿開口112’搭配使用之，不以限制本發明。

此外，第1圖之第二貫穿開口122亦可為圓形或矩形的貫穿開口，用以供針尾段136穿過，其中以矩形為較佳。

第6圖繪示第2A圖的另一實施方式。與第2A圖實施方式不同的地方在於：探針130b之針尖段132b沿寬 度方向的截面形狀為具有導角的矩形狀，且為平頭針，其餘探針130b之特徵如探針130所揭露，在此容不贅述。

第7圖繪示本發明一實施方式之探針與下導引板的局部放大圖。以第1圖之探針130與下導引板110為例，請繼續參閱第7圖，探針頭結構100進一步還可以包含金屬層140與複數個潤滑粒子142。潤滑粒子142位於金屬層140中，含有潤滑粒子142的金屬層140具有抗磨耗與潤滑的功能。金屬層140位於每一第一貫穿開口112的內壁與每一探針130之針尖段132之表面的至少其中一者上。在本實施方式中，第一貫穿開口112的內壁與針尖段132之表面均附著有金屬層140與潤滑粒子142。當截面形狀為圓弧狀的針尖段132穿入第一貫穿開口112時，或於第一貫穿開口112中移動時，金屬層140與潤滑粒子142可減少針尖段132與下導引板110之間的磨擦損耗。

第8圖繪示根據本發明一實施方式之探針130a的立體圖。第9圖繪示根據本發明一實施方式之探針頭結構100a的側視示意圖。同時參閱第8圖與第9圖，探針頭結構100a包含下導引板110、上導引部120與至少一探針130a。探針130a具有針尖段132、針身段134’、針尾段136與止擋部138。針尖段132經電解製程，使其至少部分或全部沿寬度方向的截面形狀為圓弧狀。

第8圖與第9圖相較於第1圖、第2A圖實施方式不同的地方在於：探針130a為微機電製程製作的彈簧針(又稱Pogo針)，以及上導引部120為上導引裝置，上導引裝 置具有上導引容置空間124，第一貫穿開口112與上導引容置空間124相對，且探針130a的針身段134’與針尾段136位於上導引容置空間124中。此外，第一貫穿開口112與探針130a之針尖段132的組合狀態亦可以如上述第3圖至第5圖所揭露，不再重複贅述。

第10圖繪示根據本發明一實施方式之使用在探針頭結構中的探針製造方法的流程圖。首先在步驟S1中，在基板上以微機電製程形成用於陣列式探針卡的複數個探針，探針各具有針尖段、針身段、針尾段，其中探針藉由輔助部而成串地併排排列。接著在步驟S2中，塗佈絕緣層於探針之複數個針身段進行絕緣處理，使得針身段由絕緣層包覆。最後在步驟S3中，將絕緣處理後的探針置入電解液中進行電解，使得未經絕緣處理之每一探針的針尖段至少部分(或全部)沿寬度方向的截面形狀呈圓弧狀或具導角的矩形狀。

在以下敘述中，將利用第11圖至16圖說明上述各步驟。

第11圖繪示在基板210形成犧牲層220與圖案化光阻層230後的示意圖。第12圖繪示第11圖之凹槽232施以電鍍處理後的示意圖。同時參閱第11圖與第12圖，在步驟S1(見第10圖)中，可先於基板210的表面上形成犧牲層220，接著利用光微影技術於犧牲層220上形成圖案化的光阻層230，使得光阻層230具有複數個凹槽232。當光阻層230的凹槽232形成後，可於凹槽232內電鍍製作複 數根探針結構，之後再蝕刻移除光阻層230與犧牲層220，而形成複數根探針130。此外，要再說明的是上述複數根探針130一次可以形成5根或10根...等串接結構，可視實際需求而定，不以限制本發明。其中，在上述於凹槽232內電鍍製作複數根探針結構之後，亦可以選擇先將複數根探針結構與光阻層230的上表面經研磨而平坦化，之後再蝕刻移除光阻層230與犧牲層220，不以限制本發明。

第13圖繪示製作完成之複數根探針130之結構的側視圖。同時參閱第12圖與第13圖，待複數根探針結構以電鍍方式形成於光阻層230的凹槽232後，便可藉由蝕刻製程移除光阻層230與犧牲層220，以於基板210的表面上製作完成複數根探針130，其中每一探針130具有針尖段132、針身段134、針尾段136。這種以微機電製程形成的探針130，受限於光阻層230之凹槽232與電鍍處理的製程能力，探針130沿寬度方向的截面形狀均為具尖角的矩形狀，而複數根探針130可藉由形成於針尾段136之間的輔助部139而成串地併排排列。

第14圖繪示第13圖之複數根探針130自基板210取下後，可再固定於導電元件240的示意圖。第15圖繪示第14圖之探針130塗佈絕緣層250後的示意圖。要再說明的是，第14~16圖中之探針130以及以下敘述之探針130皆是指複數根探針130，特此說明。同時參閱第13圖與第14圖，待自基板210取下複數根探針130後，在步驟S2(見第10圖)中，可先使用導電元件240，例如銅片，但並不以 銅片為限，固定複數根探針130之鄰接針尾段136的輔助部139，例如以膠帶242固定，但並不以膠帶為限。接著，便可塗佈絕緣層250於探針130之針身段134進行絕緣處理，使得針身段134由絕緣層250包覆。在本實施方式中，請見第15圖，絕緣層250還可塗佈於針尾段136、連接部137、輔助部139與導電元件240上，不以限制本發明。導電元件240可透過電線244連接外部電源，用以對探針130輸入電流。當然地，上述之步驟，不以限制本發明，亦可以是先塗佈完絕緣層250後，再將探針130進行固定之，以利進行後續電解步驟。

第16圖繪示第15圖之探針130置入電解液262中的示意圖。電解槽260盛有電解液262。在步驟S3(見第10圖)中，將絕緣處理後的探針130置入電解液262中進行電解，使得未經絕緣處理之探針130的針尖段132至少部分(或全部)沿寬度方向的截面形狀為圓弧狀或具導角的矩形狀。舉例來說，可將未塗佈絕緣層250之針尖段132及塗佈該絕緣層250之針尾段136、針身段134、連接部137、輔助部139與導電元件240浸泡於電解液262中，當導電元件240由電線244通電時，電流可傳導至探針130的針尖段132，由於電解液262會與導體進行反應，因此便能電解針尖段132的表面，使針尖段132至少部分或全部沿寬度方向的截面形狀可從具尖角的矩形狀經電解而呈圓弧狀或是具導角的矩形狀(即不具有尖角的矩形狀)。

待針尖段132電解完成後，亦可視實際需求，再電 鍍抗磨耗的金屬層或是具有複數個潤滑粒子之複合材料薄膜於針尖段132的表面或部分表面上，如第7圖位於針尖段132的金屬層140加複數個潤滑粒子142。承上所述，待針尖段132電解完成後，接著可分割位於探針130之間的撕裂點。也就是說，為了可以方便將一根根探針130分開、取下，例如在針尾段136之端部可以設有撕裂點1361。此外，若探針130的針身段134與針尖段132之間進一步形成至少一連接部137時，分割每兩探針間130的連接部137便可以形成止擋部138，故止擋部138上亦可以具有撕裂點。故本發明之撕裂點可位於如第13圖的針尾段136，例如撕裂點1361，或如第1圖的位於止擋部138、138a，可視實際需求而定。要特別說明的是，探針130的止擋部138除了可以藉由上述方式形成之外，亦可以在製作探針130之同時，直接形成在探針130的針身段134與針尖段132之間，不以限制本發明。當然地，若進一步需要在針尾段136上具有止擋部138a時，亦可以在製作探針130之同時，直接在探針130的針尾段136上形成之，不以限制本發明。

參閱第1圖，接著便可將針尖段132與針尾段136分別穿過下導引板110的第一貫穿開口112與上導引板120的第二貫穿開口122，而製作成探針頭結構100。

與先前技術相較，利用本發明之使用在探針頭結構中的探針製造方法可先將絕緣層塗佈於探針之針身段，再將探針置入電解液中進行電解。如此一來，未塗佈絕緣層的針尖段便會被電解，使原本截面形狀為矩形且具有尖角 的針尖段至少部分或全部會被電解呈圓弧狀或是具有導角的矩形狀。也就是說，本發明之使用在探針頭結構中的探針製造方法具有針尖段的導角效果，可使針尖段的尖角消失。如此一來，實際使用時可降低針尖段與第一貫穿開口的壁面發生磨擦損耗，亦可以降低探針運作時的阻力，使卡針現象發生的機率降低，延長探針與下導引板的使用壽命。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

130‧‧‧探針

134‧‧‧針身段

132‧‧‧針尖段

L1‧‧‧長度

138‧‧‧止擋部

Claims (18)

1. 一種探針頭結構，用於一陣列式探針卡，該探針頭結構包含：一下導引板，具有複數個第一貫穿開口；一上導引部，位於該下導引板的一側；以及複數個以微機電製程製作的探針，每一該些探針定位於該下導引板的每一該些第一貫穿開口與該上導引部之間，各該探針具有一針尖段、一針身段、一針尾段與一止擋部，其中該些止擋部位於該些針尖段與該些針身段之間，且該些止擋部的截面面積大於該些針尖段的截面面積，該些針身段位於該些止擋部與該些針尾段之間，每一該些第一貫穿開口穿設有單一根該探針之針尖段，使得每一該些探針之該止擋部抵靠該下導引板朝向該上導引部的表面；其中，每一該些探針之該針尖段至少部分沿寬度方向的截面形狀呈具導角的矩形狀。
2. 如請求項1所述之探針頭結構，其中該些第一貫穿開口為圓形或矩形的貫穿開口。
3. 如請求項1所述之探針頭結構，其中該些探針為垂直挫屈針或彈簧針。
4. 如請求項3所述之探針頭結構，其中當該些探針為垂直挫屈針時，該上導引部為一上導引板，該上導引板與該下導引板相對，該上導引板具有複數個第二貫穿開口，且每一該些探針之該針尾段穿過每一該些第二貫穿開口。
5. 如請求項3所述之探針頭結構，其中當該些探針為彈簧針時，該上導引部為一上導引裝置，該上導引裝置具有複數個上導引容置空間，該些第一貫穿開口與該些上導引容置空間相對，且每一該些探針之該針身段與該針尾段位於每一該些上導引容置空間中。
6. 如請求項1所述之探針頭結構，其中每一該些探針呈具導角的矩形狀之該針尖段的長度大於或等於該下導引板的厚度，且每一該些第一貫穿開口中的每一該些探針之該針尖段呈具導角的矩形狀。
7. 如請求項1所述之探針頭結構，其中每一該些探針之該針身段至少部分沿寬度方向的截面形狀為矩形狀。
8. 如請求項1所述之探針頭結構，其中每一該些探針之該針尖段耦合於每一該些第一貫穿開口。
9. 如請求項1所述之探針頭結構，其中該些探針之間具有至少一撕裂點，且該些撕裂點位於該些止擋部或該些針尾段。
10. 如請求項1所述之探針頭結構，其中每一該些探針之該針尖段為圓頭針或平頭針。
11. 如請求項1所述之探針頭結構，其中每一該些探針之整體為相同的金屬材質。
12. 如請求項1所述之探針頭結構，其中每一該些探針之該針尖段與該針身段具有相異的金屬材質，或每一該些探針之該針尖段之針尖端與該針身段具有相異的金屬材質。
13. 如請求項1所述之探針頭結構，更包含：一金屬層，位於每一該些第一貫穿開口的內壁與每一該些探針之該針尖段之表面的至少其中一者上；以及複數個潤滑粒子，位於該金屬層中。
14. 一種使用在探針頭結構中的探針製造方法，包含：(a)在一基板上以微機電製程形成用於一陣列式探針卡的複數個探針，該些探針各具有一針尖段、一針身段、一針尾段，其中該些探針藉由一輔助部而成串地併排排列；(b)塗佈一絕緣層於該些探針之複數個針身段進行絕緣處理，使得該些針身段由該絕緣層包覆；以及(c)將絕緣處理後的該些探針置入一電解液中進行電解，使得未經絕緣處理之每一該些探針之該針尖段至少部分沿寬度方向的截面形狀呈圓弧狀或具導角的矩形狀。
15. 如請求項14所述之使用在探針頭結構中的探針製造方法，更包含：電鍍一金屬層於每一該些探針之該針尖段的表面上。
16. 如請求項14所述之使用在探針頭結構中的探針製造方法，其中該輔助部形成於該些針尾段之間。
17. 如請求項14所述之使用在探針頭結構中的探針製造方法，更包含：該些針身段與該些針尾段之間形成至少一連接部；以及分割每兩該些探針間的該至少一連接部以形成複數個止擋部。
18. 如請求項14所述之使用在探針頭結構中的探針製造方法，更包含：該些針身段與該些針尖段之間形成至少一止擋部。