TWI786625B - 傳輸探針 - Google Patents

Abstract

一種傳輸探針，其包含：一主體，係由一金屬線體捲繞形成複數主體線圈之同軸彈性體，該等主體線圈之間具有一軸向間隔，該主體的兩端分別具有一第一導接體及一第二導接體，該第一導接體由所述金屬線體捲繞形成複數第一導接線圈，該等第一導接線圈依序排列接觸，該第二導接體由所述金屬線體捲繞形成複數第二導接線圈，該等第二導接線圈依序排列接觸；及一抵接體，設置於該第二端，所述抵接體的側壁與該等第二導接線圈之間具有一徑向間隔，藉由上述結構，抵接體改變了探針在高頻狀態下的電路特性，藉此改善訊號衰減情況(Insertion Loss)之問題。

Description

傳輸探針

本創作係有關一種傳輸探針，特別是一種改善集膚效應(skin effect)及衰減情況(Insertion Loss)傳輸探針。

按，由於目前半導體工藝汰舊換新迅速，影響人類日常生活甚鉅，致使原本3C產業擴展至6C：即個人電腦(Computer)、消費性電子產品(Consumer Electronics)、通訊產品(Communication)、汽車零組件(Car)、電子產品通路(Channel)、數位內容(Content)等等；此外，穿戴式電子產品亦廣泛滲透於日常生活中，使得生活更便利且更符合人性的需求，造就現今的智慧生活網，均可歸功於IC產業及其應用產業的蓬勃發展，以往探針已廣泛應用於各種測試領域，如印刷電路板測試、晶圓測試、IC封裝測試、通訊產品及液晶面板測試等，皆須運用探針做為測試媒介。然而，能源效率為現今電子產品所面臨的最大挑戰，因此微型化便成為推動半導體產業的主要驅動力。當我們突破摩爾定律(Moore’s Law)的極限之後，矽製程在追求微型化的未來終究將被取代。因此，在現階段電子產品趨於多功能複雜化的前提下，積體電路元件的接點距離隨之縮小，信號傳送的速度則相對提高，隨之而來的是接線數量的提高、點間配線長度局部性之縮短，這些就需要應用高密度線路配置及微孔技術來達成目標，使得印刷電路板進入高密度互連(HDI；High Density Interconnector)製造領域，又由於3D封裝的技術 不斷演進，其應用範疇除電子封裝外，亦可用於光電、微機電(MEMS)與RF封裝等技術領域。可有效率的縮減封裝面積並可將其與系統作一初步之整合，且可將不同型態之晶片與MEMS、光學及RF元件結合在一起，以提升其封裝效率與電性測試特質。3D封裝可有效的縮減封裝面積與進行系統的初步整合，然其結構較複雜且散熱設計、電性特性、翹曲度(Warpage)及可靠度控制與組合良率等皆比單一晶片封裝優越、便利、成本低廉，尤其MCP(即Multi-Chip Package)技術，其可以減小最終封裝數量及系統的尺寸和重量、減少故障以提高整體可靠性、使用更短和負載更輕的信號線來增加速度，並使系統具有良好的散熱性能。MCP結構體擁有「高可靠度」、「高組裝良率」、「低開發成本」及「能量產」等優點，以達到Time-to-Market的要求，因此這項技術成了業界量產之主流方法。如上述HDI印刷電路板及MCP封裝變得更具挑戰性，為了因應這些變化，探針必須逐漸順著精細之電子元件發展而精密化，主要是探針必須滿足尺寸規格愈來愈精細且同時具有低電阻、良好散熱能性、可消除電感、優良之抗干擾能力、優良之屏蔽性能、傳輸數據穩定，尤其適合於高頻電路，更可大幅降低IC的測試成本及提高良率的優點，因此將賦予探針高頻訊號傳輸之功能，而可做為智慧型手機、平板電腦等無線通訊產品之收發天線及各類可攜式或可穿戴式電子產品、LED、太陽能電池之IC封裝測試或為其應用之充電器、連接器之銜接接點。未來探針將不再只扮演測試功能的角色，亦將於智慧型電子元件的領域上扮演不可或缺之角色。

惟就目前習知測試用探針(Pogo-Pin)之技術領域而言，其產品結構普遍存在構件組成繁雜、外形體積大、力量太大易造成封裝矽晶片破裂、易卡錫渣 而需常清潔，以及電阻值較大等缺失，尤其在堆疊封裝下，接觸力對電性的傳輸相當敏感，目前測試界經常被封裝層數與接觸力困擾，尤其是封裝一層與兩層所使用的探針不同，此力量不能太大以免破壞堆疊晶片，又此力量不能太小必須刺穿錫球表面的氧化物，同時在第一次測試的良率要高，因此當堆疊封裝之層數提升時，則習知探針的成本也將相對提高，茲例舉二案例說明於後：首先請參閱圖1所示，一種「低阻抗之探針結構」(以下簡稱習知一)，該習知一主要之結構包括一鍍金套筒91，其一端為一內縮側，另一端設有一止檔側，以及介於該止擋側及內縮側之間的一作動空間911；一鍍金針部92，由該鍍金套筒91之該止擋側置入至該作動空間中911，並露出該鍍金針部92於該鍍金套筒91之內縮側；一鍍金彈簧93由該止擋側置入該作動空間911內，並接觸至該鍍金針部92；及一鍍錫的座體94，其具有一底槽，並於該底槽焊錫，由該鍍金套筒91之該止擋側置入該作動空間中911，使該鍍金彈簧93與該座體94之底槽接觸，經該座體94之底槽的焊錫熔融與該鍍金彈簧93結合，以及座體94所鍍之錫熔融與鍍金套筒91結合，以構成一低阻抗之探針結構。

上述習知一結構主要係於探針之各組成要件外層鍍上一具低阻抗值之「貴金屬」，此外再利用該鍍金針部上設一凹槽，以該凹槽內之焊錫熔融與該鍍金彈簧結合等手段，進一步使該組成構件結合為一體式構造，達到降低阻抗值之目的。由於習知之「貴金屬」無法因應更高的傳輸速度、更低的電阻及散熱之需求，實有必要引用新材料及新製程的技術才能滿足電子多元性的需求，習知一支組成構件繁多將造成製造、組裝成本的增加，同時 各構件外緣鍍一金屬層，及以錫焊方式固定結構件之手段，亦徒增不必要之加工成本，當然探針之外形體積亦相對大，而不利於精密測試之所需，請參閱圖1所示，由於鍍金針部92的頭部呈鋸齒狀與錫球接觸時定位不易，且容易附著錫球及卡錫渣，造成錫球需回焊補足缺口，另外也易造成錫球遭鍍金針部92頭部與錫球產生共晶現象而將錫球從載板上剝落之現象，或是探針之鍍金針部92的頭部無法回彈而必須換針。再者，習知一探針的力量過大，若是測多腳數的IC晶片時，則測試機須使用較大的閉合壓力，長期使用下將不利測試機台。再者，習知一利用焊接方式將座體94、鍍金套筒91等構件熔接為一體，達到降低電阻值之目的，由圖1可得知，錫球與鍍金針部92接觸後，電子訊號或電流通過時會經由鍍金套筒91及鍍金彈簧93，而達到下端的測試電路板，其中通過鍍金彈簧93的部分因為彈簧無法密合，所以就會產生電感效應的問題，故其結構設計仍存在電感效應大之缺失。

其次如圖2所示，另一習知案「測試用或接觸用之探針結構」及習知測試用探針(Pogo-Pin)雙動針，兩者概念相同故一併說明，該習知二組成包含一接觸端針頭單元81、71，其具有同心圓之雙筒身，用以與待測物接觸或與量測接觸裝置做連接，一終端針頭單元82、72係位於該接觸端針頭單元81、71之相對端，用以與待測物接觸或與量測接觸裝置做連接；以及一彈性單元83、73，位於接觸端針頭單元81、71內壁及終端針頭單元82、71間，用以緩衝測試時探針壓縮及提供彈力之用，雙動針更具有一與測試電路板接觸的另一終端針頭單元74；該探針是以車床製造方式再縮管固定，此方法不僅加工費時且組裝時更需額外使用治具組裝，實為不便。

上述習知二之組成構件雖然少，且應用時所佔用之組裝空間亦小，惟仍非最佳之結構設計。而其組成構件之製造、組裝及鍍金屬層等耗費加工成本，且當探針進行電子訊號傳輸時，經由終端針頭單元82、72及彈性單元83、73，而達到下端的測試電路板(雙動針的另一終端針頭單元74)，其中通過彈性單元83、73的部分因為彈簧無法密合，導致產生電感效應的問題，而發生訊號衰減(Insertion Loss)的情況發生。訊號衰減亦即在傳輸過程信號的損失，當材料本身或是鍍層的電阻、互耦電容、阻抗、傳輸頻率愈高則訊號損失愈多、傳輸距離愈長則訊號損失愈多、環境溫度愈高則訊號損失愈多，再者，外界的干擾源也是影響衰減的重要因素，隨著訊號經過的元件越多，則產生之電阻也相對較高，而習知二即有此缺失存在。此外，習知二使用時亦具有電感效應產生的問題。

又，請參閱第3圖，為習知測試用探針(Pogo-Pin)在高頻及低頻下產生寄生效應之等效電路，上圖為低頻狀態下等效示意，下圖為高頻狀態等效示意，探針測試過程中，其傳輸之電子訊號或電流，例如：IC測試時依其電性功能種類可以分為邏輯IC測試、記憶體IC測試及混合式IC(即同時包含邏輯線路及類比線路)測試等，必然會通過「彈簧構件」，而一般探針之彈簧經壓縮時，其線圈間仍呈寬鬆態樣，故電子訊號或電流通過時會循著線圈之螺旋結構路徑流動，且根據歐姆定律可知，電阻與路徑長度呈正比而與其截面積呈反比，由於電感效應會產生訊號的失真，使得訊號在接收端不易被正確的收到，這種狀況在高頻傳輸時尤為嚴重；另外，在高電流傳輸時經常容易產生火花、燒焦等現象，這是傳輸導線的截面積太小之故，所以實有進一步改善的必要。

對此，本案之創作人針對上述問題，提出了一種改善方式，請參閱中華民國新型專利證書號M534339所揭示的「一體成型同軸彈性電導探針」，揭示了一種一體成型的彈性線材作為傳輸電子訊號及電流之探針，然這種探針雖然針對上述的問題提出了改善，但對於訊號衰減(Insertion Loss)的改善上仍有不足之處，問題在於訊號透過彈簧傳遞的過程中，壓縮時彈簧難以確保完全的壓縮，在彈簧不完全密合的狀態下路徑會產生寄生效應導致感抗過大消耗過度的瓦特數，進而造成訊號失真嚴重。

要如何解決上述之問題與缺失，即為本案之創作人與從事此行業之相關廠商所亟欲研究改善之方向所在者。

為改善上述之問題，本發明之主要目的為提供一種改善訊號衰減情況(Insertion Loss)之傳輸探針。

本發明之另一主要目的為提供一種改善集膚效應(skin effect)之傳輸探針。

為達上述之目的，本發明提供一種傳輸探針，其包含：一主體，係由一金屬線體捲繞形成複數主體線圈之同軸彈性體，該等主體線圈之間具有一軸向間隔，該主體的兩端分別具有一第一端及一第二端；一第一導接體，形成於該主體之第一端，該第一導接體由所述金屬線體捲繞形成複數第一導接線圈，該等第一導接線圈依序排列接觸，所述第一導接體具有一錐度漸增段及一末端段，該錐度漸增段與該第一端連接，該末端段位於該錐度漸增段遠離該第一端的一端處；一第二導接體，形成於該主體之第二端，該第二導接體由所述金屬線體捲繞形成複數第二導接線圈，該等第二導接線圈依序排列接觸，所述第二導接體具有一錐度漸縮段及一末端段，該錐度漸縮段與該第二端連接，該末端段位 於該錐度漸縮段遠離該第二端的一端處；及一抵接體，設置於該第二端，所述抵接體的側壁與該等第二導接線圈之間具有一徑向間隔。

在一實施例，該金屬線體的表面設置一二維原子鍵結層。

在一實施例，該金屬線體金屬線體的表面與該二維原子鍵結層之間具有至少一金屬傳導層。

在一實施例，該金屬傳導層係為鎳、銅、銀、金其中之一或依序層疊。

在一實施例，該第一導接體及該錐度漸增段處的金屬線體捲繞線圈半徑由大至小逐步變化，該末端段處的金屬線體捲繞線圈半徑小於主體線圈處的金屬線體捲繞線圈半徑。

在一實施例，該第二導接體及該錐度漸縮段處的金屬線體捲繞線圈半徑由大至小逐步變化，該末端段處的金屬線體捲繞線圈半徑小於主體線圈處的金屬線體捲繞線圈半徑。

在一實施例，該抵接體係由第二導接體末端的金屬線體朝向主體的第一端方向彎折形成，該抵接體具有一彎折段及一直線段，該彎折段與該第二導接體末端連接，該直線段與該第二導接體的內壁保持所述徑向間隔。

藉由上述結構，該抵接體與該等第二導接線圈之間的徑向間隔產生了如同電容的功效，改善傳輸探針在高頻狀態下的高感抗問題已改善訊號衰減情況(Insertion Loss)。

1:傳輸探針

11:主體

11a:主體線圈

12:第一導接體

12a:第一導接線圈

12b:錐度漸增段

12c:末端段

13:第二導接體

13a:第二導接線圈

13b:錐度漸縮段

13c:末端段

15:二維原子鍵結層

16:金屬傳導層

17:金屬線體

2:抵接體

21:彎折段

22:直線段

3:抵接體

31:本體

32:第一導接部

33:第二導接部

4:抵接體

41:第一導接部

42:漸縮部

43:第二導接部

5:塑膠基座

51:軸孔

6:待測物

AS:軸向間隔

RS:徑向間隔

第1圖為習知探針之結構示意圖(一)；第2圖為習知探針之結構示意圖(二)；第3圖為習知探針傳輸電子訊號時之等效電路狀態示意圖； 第4A圖為本發明傳輸探針第一實施例之立體示意圖；第4B圖為本發明傳輸探針第一實施例之剖面示意圖；第4C圖為本發明傳輸探針金屬線體之剖面示意圖；第4D圖為本發明傳輸探針金屬線體之等效電路特性示意圖；第5圖為本發明傳輸探針第二實施例之剖面示意圖；第6圖為本發明傳輸探針第三實施例之剖面示意圖；第7圖為本發明傳輸探針實際使用之剖面示意圖。

本創作之上述目的及其結構與功能上的特性，將依據所附圖式之較佳實施例予以說明。

請參閱第4A圖、第4B圖、第4C圖及第4D圖，係為本發明傳輸探針第一實施例之立體示意圖、剖面示意圖、傳輸探針金屬線體之剖面示意圖及傳輸探針金屬線體之等效電路特性示意圖，本發明主要傳輸探針1主要由一金屬線體17捲繞成一同軸彈性體，該傳輸探針1主要包含一主體11、一第一導接體12、一第二導接體13及一抵接體2，所述主體11、第一導接體12及第二導接體13係由金屬線體17捲繞一體形成。

該主體11係由金屬線體17捲繞形成複數主體線圈11a，該等主體線圈11a之間具有一軸向間隔AS，該主體11的兩端分別具有一第一端及一第二端。

該第一導接體12形成於該主體11之第一端，該第一導接體12由所述金屬線體17捲繞形成複數第一導接線圈12a，該等第一導接線圈12a依序排列接觸，所述第一導接體12具有一錐度漸增段12b及一末端段12c，該錐度漸增段12b與該第一端連接，該末端段12c位於該錐度漸增段12b遠離該第一端的一 端處，該錐度漸增段12b處的金屬線體17捲繞線圈半徑由小至大逐步變化，該末端段12c處的金屬線體17捲繞線圈半徑小於主體線圈11a處的金屬線體捲繞線圈半徑。

該第二導接體13形成於該主體11之第二端，該第二導接體13由所述金屬線體17捲繞形成複數第二導接線圈13a，該等第二導接線圈13a依序排列接觸，所述第二導接體13具有一錐度漸縮段13b及一末端段13c，該錐度漸縮段13b與該第二端連接，該末端段13c位於該錐度漸縮段13b遠離該第二端的一端處，該錐度漸縮段13b處的金屬線體17捲繞線圈半徑由大至小逐步變化，該末端段13c處的金屬線體17捲繞線圈半徑小於主體線圈11a處的金屬線體捲繞線圈半徑。

所述金屬線體17的外表面具有一二維原子鍵結層15，進一步的在二維原子鍵結層15及金屬線體17之間還具有至少一金屬傳導層16，所述金屬傳導層16例如但不限制為鎳、銅、銀、金其中之一或依序層疊或鎳結合銅、銀、金其中任一層或多層。

上述為傳輸探針1的結構敘述，實際製作時是由是由第一導接體12、主體11、第二導接體13的順序製作，金屬線體17先製作末端段12c、錐度漸增段12b來完成第一導接體12，再製作主體11，最後再製作錐度漸縮段13b及末端段13c，來完成傳輸探針1的製作。

該抵接體2係由第二導接體13末端的金屬線體17朝向主體11的第一端方向彎折形成，該抵接體2具有一彎折段21及一直線段22，該彎折段21與該第二導接體13末端連接，該直線段22與該第二導接體13的內壁保持一徑向間隔RS。

本發明所要解決的問題主要為下述兩點：改善訊號衰減情況(Insertion Loss)及改善集膚效應(skin effect)，對於衰減情況(Insertion Loss)，本發明主要透過抵接體2搭配第二導接體13達成，抵接體2的直線段22與第二導接體13的末端段13c之間具有一徑向間隔RS產生了如同電容的效果(如第4D圖)，使原本高頻傳輸狀態下的電感特性改善，降低寄生效應導致感抗過大消耗過度的瓦特數，進而造成訊號失真嚴重；改善集膚效應(skin effect)則是透過金屬傳導層16的良導體減少訊號傳輸時所發生的各種問題，例如降低電阻、提升散熱、消除電感效應、減少訊號衰減、穩定傳輸數據及提高機械壽命等。

主體11的各主體線圈11a之間軸向間隔AS提供了壓縮時的活動空間，使傳輸探針1在保由軸向方向長度變化的能力，所述錐度漸增段12b、錐度漸縮段13b也提供了微量的彈性力，該末端段12c、13c具有微量的軸向活動，有利於結合時的接觸。

請參閱第5圖，係為本發明傳輸探針第二實施例之剖面示意圖，並輔以第4A~4D圖，本實施例與第一實施例大致相同，故相同之處不再贅述，其差異在於抵接體3的態樣改變，在本實施例中抵接體3具有一本體31、一第一導接部32及一第二導接部33，所述第一、二導接部32、33分別設置於該本體31的兩端，該本體31抵接於該第二導接體13的端面，該第一導接部32插入該第二導接體13內且與該第二導接體13的內壁保持所述徑向間隔RS，該第二導接部33的截面積小於該主體11的截面積。

請參閱第6圖，係為本發明傳輸探針第三實施例之剖面示意圖，並輔以第4A~4D圖，本實施例與第一實施例大致相同，故相同之處不再贅述，其差異在於抵接體4的態樣改變，在本實施例中抵接體4具有一第一導接部41、一漸縮 部42及一第二導接部43，該漸縮部42位於該第一、二導接部41、43之間，該第一導接部41設置於該等主體線圈11a內，該第二導接部43設置於該等第二導接線圈13a內，該第二導接部43與該第二導接體13的內壁保持所述徑向間隔RS。

請參閱第7圖，係為本發明傳輸探針實際使用之剖面示意圖，並輔以參閱第4A~4D、5及6圖，本發明的傳輸探針1在實際使用時會垂直的設置在一塑膠基座5內，該塑膠基座5內具有複數軸孔51，該等傳輸探針1個別插設於該等軸孔51內，使傳輸探針1的第一導接體12與一待測物6的接點相連接。

以上已將本創作做一詳細說明，惟以上所述者，僅為本創作之一較佳實施例而已，當不能限定本創作實施之範圍。即凡依本創作申請範圍所作之均等變化與修飾等，皆應仍屬本創作之專利涵蓋範圍。

1:傳輸探針

11:主體

12:第一導接體

12b:錐度漸增段

12c:末端段

13:第二導接體

13b:錐度漸縮段

13c:末端段

2:抵接體

Claims (8)

1. 一種傳輸探針，其包含：一主體，係由一金屬線體捲繞形成複數主體線圈之同軸彈性體，該等主體線圈之間具有一軸向間隔，該主體的兩端分別具有一第一端及一第二端；一第一導接體，形成於該主體之第一端，該第一導接體由所述金屬線體捲繞形成複數第一導接線圈，該等第一導接線圈依序排列接觸，所述第一導接體具有一錐度漸增段及一末端段，該錐度漸增段與該第一端連接，該末端段位於該錐度漸增段遠離該第一端的一端處；一第二導接體，形成於該主體之第二端，該第二導接體由所述金屬線體捲繞形成複數第二導接線圈，該等第二導接線圈依序排列接觸，所述第二導接體具有一錐度漸縮段及一末端段，該錐度漸縮段與該第二端連接，該末端段位於該錐度漸縮段遠離該第二端的一端處；及一抵接體，設置於該第二端，該抵接體係由第二導接體末端的金屬線體朝向主體的第一端方向彎折形成，該抵接體具有一彎折段及一直線段，該彎折段與該第二導接體末端連接，該直線段與該第二導接體的內壁保持一徑向間隔。
2. 如申請專利範圍第1項所述之傳輸探針，其中該金屬線體的表面設置一二維原子鍵結層。
3. 如申請專利範圍第2項所述之傳輸探針，其中該金屬線體金屬線體的表面與該二維原子鍵結層之間具有至少一金屬傳導層。
4. 如申請專利範圍第3項所述之傳輸探針，其中該金屬傳導層係為鎳、銅、銀、金其中之一或依序層疊。
5. 如申請專利範圍第1項所述之傳輸探針，其中該第一導接體及該錐度漸增段處的金屬線體捲繞線圈半徑由大至小逐步變化，該末端段處的金屬線體捲繞線圈半徑小於主體線圈處的金屬線體捲繞線圈半徑。
6. 如申請專利範圍第1項所述之傳輸探針，其中該第二導接體及該錐度漸縮段處的金屬線體捲繞線圈半徑由大至小逐步變化，該末端段處的金屬線體捲繞線圈半徑小於主體線圈處的金屬線體捲繞線圈半徑。
7. 如申請專利範圍第1項所述之傳輸探針，其中該抵接體具有一本體、一第一導接部及一第二導接部，所述第一、二導接部分別設置於該本體的兩端，該本體抵接於該第二導接體的端面，該第一導接部插入該第二導接體內且與該第二導接體的內壁保持所述徑向間隔，該第二導接部的截面積小於該本體的截面積。
8. 如申請專利範圍第1項所述之傳輸探針，其中該抵接體具有一第一導接部、一漸縮部及一第二導接部，該漸縮部位於該第一、二導接部之間，該第一導接部設置於該等主體線圈內，該第二導接部設置於該等第二導接線圈內，該第二導接部與該第二導接體的內壁保持所述徑向間隔。

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