TWI787378B - 具解耦式電子及機械探針連接之微機電系統（ｍｅｍｓ）探針卡組件 - Google Patents

具解耦式電子及機械探針連接之微機電系統（ｍｅｍｓ）探針卡組件 Download PDF

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Abstract

探針透過多載板(carrier plate)而被連接至空間轉換器。從探針到空間轉換器的電連接是藉由探針上連接至該空間轉換器而不是連接至該等載板的彈簧尾端特徵構造來達成。換言之，載板在功能上是純機械式的。此構造相比於將個別探針依序地放置在空間轉換器上而言可大幅地減少探針陣列的製造時間。多片探針載板可用探針平行地予以填滿，將載板依序地組裝至該空間轉換器上可大幅地降低操作總數。空間轉換器的平坦度偏離(flatness deviation)可被補償。

Description

具解耦式電子及機械探針連接之微機電系統（ＭＥＭＳ）探針卡組件 [相關申請案]
此申請案主張2017年10月31日提申之美國暫時申請案第62/579,584號的好處，且其內容藉此參照被併於本文中。
本發明係關於用於檢測電子裝置及電路的探針陣列。
電子裝置及電路的檢測通常需要大量的探針陣列來與受測裝置接觸。傳統上，每一個探針被獨立地安裝到一空間轉換器上，其提供一電子界面於該探針陣列與該檢測設備之間。空間轉換器傾向於是訂製的零件，因為電路與電路之間以及客戶與客戶之間所需要的探針陣列圖 案是不同的。所以，上述的傳統方式將會有前置時間(lead time)，它是製造該空間轉換器所需的時間加上用探針來填充(populate)該空間轉換器所需的時間的總和。因為探針陣列有超過100000個探針，所以填充一探針陣列所需要的時間會很冗長，即使是用現在的零件揀取及放置機器人技術也是如此。因為這些是訂製的零件，所以它們無法預先製造，這表示用探針填充該空間轉換器所需的時間是一極不想要的客戶取向的前置時間。因此，在此技術領域中提供一種更快速的方式來填充探針陣列是有利的。
在本發明中，探針經由多片載板被連接至該空間轉換器，探針和載板間的連接是機械上非兼容性的(用以簡化探針設計)。從探針到空間轉換器的電連接是透過探針上連接至該空間轉換器而不是連接至載板的機械上兼容的彈簧尾端來實施。換言之，載板在功能上是純機械式的。該基本概念的進一步好處是空間轉換器的平坦度偏離可被補償。
該多片載板讓探針組裝能夠有平行處理效率。將探針直接連接至該空間轉換器需要依序地將探針揀取並放置的操作，這將累積很長的處理時間。根據受測裝置(DUT)佈局所設計的多片載板則可允許平行處理且探針甚至可在取得該空間轉換器之前即被組裝。一但該空間轉換器被作好，相比於傳統的探針卡，該預先組裝好的載板 就可用一機器人在很短的時間內被安裝上去。考慮到用於探針卡的探針數量可高達100000個，以每10秒裝一個探針的速度在一天24小時且一週工作7天的條件，在拿到該空間轉換器之後仍需要11天的時間才能將一個探針接著一個探針依序地安裝到空間轉換器上。但對於多載板而言，吾人可使用多個機器人平行地來組裝該等探針並在縮短很多個時間格內完成探針的附裝。
該等載板可被作成和受測裝置佈局相對應的不同的形狀及形式。在一探針卡內可以有多於一種的載板設計，這取決於IC晶片板的佈局。
雖然此概念可應用到任何類型的探針上，但較佳的是將它使用在MEMS(微機電系統)探針上，因為此種探針可如下文中所描述地被作成有各種特徵構造。在此處，MEMS探針被界定為任何用MEMS技術製造的探針，尤其是用矽製造的探針。該探針較佳地具有對準特徵夠造，其可被用於揀取及放置操作並協助探針在六維度自由度中的放置。對準特徵構造可以全部都被放置在該MEMS彈簧本體內，用以讓彈簧尖端能夠相對於該陣列的所有其它彈簧尖端被精準地放置。此對準特徵構造的一者是彈簧腳，其被用來將探針接合至該載板。該接合材料較佳地被設計成在後製處理(譬如，熱、UV、雷射、熱空氣等等處理)期間具有極低的收縮率並在該MEMS探針腳和載板之間形成一牢固的接合(bond)。對於MEMS探針腳的形狀修改(譬如，孔、溝槽、齒、小丘或低谷)可被用來改善黏著性 並防止接合材料因為表面張力和毛細作用而吸上來超過該腳。防止接合材料吸上來的另一個方法是用金屬(譬如，鋁、鎳、鈦、鎢、鉬等等及派瑞尼(parylene))來塗覆該MEMS探針。
在此陣列中的探針的尖端必須高精確度地(25μm)共平面，這會對探針與檢測夾具的其它部分之間的永久電連接造成問題。例如，如果該等探針被個別地連接至該空間轉換器的話，則該空間轉換器與完美平坦度之間的任何偏移都將在探針尖端偏離平坦度的相應偏移上顯現出來。使用多探針載板可有效地提供補償此平面性(planarity)的偏移。例如，此補償可藉由一能夠用一變動的接合厚度來提供被接合的探針載板的個別的垂直定位的接合處理來將個別的探針載具連接至該空間轉換器，使得所獲得的探針陣列的所有探針尖端都以所要求的精確度共同面。
110:探針載板
114:空間轉換器
112:載板接合
102:探針
104:尖端
116:彈簧特徵構造
118:輔助接合
106:柱子
108:主要接合
202:撓性元件
204:對準特徵構造
302:抗上吸塗層
402:探針
402a:探針腳
402b:探針腳
402c:探針彈簧特徵構造
404:探針
404a:探針腳
404b:探針腳
404c:探針彈簧特徵構造
502:探針
502a:探針腳
502b:探針彈簧特徵構造
504:探針
504a:探針腳
504b:探針彈簧特徵構造
602:探針
606:輔助接合
608:探針腳
614:探針彈簧特徵構造
616:輔助接合
618:探針腳
702:探針
804:黏劑或焊錫
902:測試機側機械式界面
904:主要PCBA
906:電連接
908:機械式連接
911:接合
912:接合
913:接合
914:接合
915:接合
916:接合
1011:接合
1012:接合
1013:接合
1014:接合
1015:接合
1016:接合
圖1顯示本發明的一示範性實施例。
圖2顯示較佳探針設計的示範性特徵構造。
圖3A-G顯示探針附著點特徵構造的示性設計變化。
圖4A-C顯示用來將探針緊密堆積(close packing)在載板上的第一示範性方法。
圖5A-C顯示用來將探針緊密堆積在載板上的 第二示範性方法。
圖6是圖4C的組態的側視圖。
圖7顯示將載板接合至空間轉換器的第一例子。
圖8顯示將載板接合至空間轉換器的第二例子。
圖9顯示空間轉換器平坦度的偏離是如何影響探針尖端陣列的平面性。
圖10顯示載板和空間轉換器間的變動的接合厚度是如何補償圖9中空間轉換器平坦度不足。
圖1顯示本發明的示範性實施例。在此處，探針陣列包括一空間轉換器114兩個或更多個探針載板110，其透過載板接合112而被機械性地附裝至該空間轉換器。在此處，為了易於例示的目的，只有一個探針載板被示出，但多探針載板的例子於下文中被示出。每一探針載板具有兩個或更多個探針102，其透過主要接合108而被機械性地附裝至該探針載板，使得探針的尖端104背向該空間轉換器114，如圖所示。在此處，同樣為了易於例示的目的，只有一個探針被示出，但多探針在一載板上的例子被示於下文中。介於探針102與空間轉換器114之間的電連接是藉由探針之透過輔助接合118接觸該空間轉換器而不接觸探針載板的機械性兼容的彈簧特徵構造116來達成。
一相應的製造方法包括下列特徵：i)提供兩個或更多個探針載板；ii)將兩個或更多個探針機械地黏著至每一探針載板，用以提供對應每一探針載板的探針載具組件，iii)提供一空間轉換器；iv)在所有載板被其相應的探針填滿之後，將該等探針載具組件機械性地黏著至該空間轉換器。在此處，介於探針和空間轉換器之間的電連接是由探針之接觸該空間轉換器但沒有接觸探針載板的彈簧特徵構造來達成。以此方式，可達成上文所述之縮短製造前置時間的好處。例如，前置時間可藉由在該等載具組件最終組裝到該空間轉換器上之前平行地填滿多個探針載板來加以降低。
探針102可包括一或多根柱子106，其被建構來提供機械式附著點給該等探針載板。
本發明的實施並不關鍵性地取決於空間轉換器114的製造或結構。例如，空間轉換器114可以是陶瓷或印刷電路板(PCB)，且它可具有低的或是高的熱膨脹係數(CTE)。探針載板110較佳地是低CTE材料。探針102可藉由使用揀取及放置機器人用主要接合108而附裝該探針載板110。彈簧特徵構造116可藉由使用輔助接合機構118而被電連接至空間轉換器114。關於主要及輔助接合機構的進一步細節細於下文中提供。
圖2顯示探針的示範性較佳特徵構造。在此例子中，探針102包括撓性元件202，用來提供用於尖端 104的機械性順服。探針102亦包括對準特徵構造204，其可被用來在六維度自由度中對準該探針(在此處，柱子106亦可被視為是對準特徵構造)。對準特徵構造如圖所示地較佳地被設置在該探針102的本體內，用以讓探針尖端能夠相對於該探針陣列中的所有其它探針尖端精準地放置。在此例子中，對準特徵構造204係用於側向對準且柱子106係用於垂直對準。多於一個的彈簧特徵構造116可被用於機械或電子方面需要考慮的事情，譬如像是對於空間轉換器的附著強度或電流攜載能力。類似地，當基於機械上需要考慮的事情(譬如，附著的強度)時，一或多根柱子106可被用來界定探針和探針載板之間的附著點。
圖3A-G顯示用於探針的附著點特徵構造的示範性設計變化。這些變化主要係關於探針和探針載板之間的主要接合的最適化，因此該議題將於此處被考慮。探針較佳地係使用揀取及放置機器人而被對準並放置到探針載板上。探針然後藉由使用黏劑、錫膏(solder paste)、界面材料等等而被接合至正確的X、Y、Z位置。該接合材料較佳地被設計成在後製處理(譬如像是熱、UV、雷射、熱空氣)期間具有極低的收縮率並形成牢固的接合連接於探針腳和載板之間。探針腳的幾何形狀的修改，譬如孔洞、溝槽、齒、小丘及凹谷(圖3B-G)可被用來改善黏著性並防止接合材料被向上吸超過探針腳。另一個防止接合材料向上吸的方法是用一抗上吸塗層(如，圖3A的302)來塗覆該探針。用於此塗層的適合材料包括金屬，譬如鋁、鎳、 鈦、鎢、鉬等等及派瑞尼(parylene)。主要接合亦可藉由探針腳及/或探針載板的表面處理而被最適化以改善黏著性，其包括但不侷限於：化學蝕刻、物理蝕刻、蘇打噴擊(soda blasting)、噴砂、UV照射、及雷射照射。
探針的幾何形狀特徵可被建構來加快該探針陣列內的探針的緊密堆積(close packing)。圖4A-C顯示用來將探針緊密堆疊在載板上的第一示範性方式。在此處，探針402具有探針腳402a，402b及探針彈簧特徵構造402c，其係如圖所示地配置。類似地，探針404具有探針腳404a，404b及探針彈簧特徵構造404c，其係如圖所示地配置。圖4C顯示由探針402及404交替地構成的探針陣列的頂視圖，如圖所示。從此視圖明顯地看出的是，在探針402及404上的探針腳及探針彈簧的不同組態讓探針陣列間距(即，介於相鄰探針之間的距離)能夠小於只有探針402的陣列或只有探針404的陣列所需要的間距。在此處，在圖4C的視圖中的卵形示意地代表和該被標示出的探針特徵構造相關的接合。
圖5A-C顯示用來將探針緊密堆疊在載板上的第一示範性方式。在此處，探針502具有探針腳502a及探針彈簧特徵構造502b，其係如圖所示地配置。類似地，探針504具有探針腳504a及探針彈簧特徵構造504b，其係如圖所示地配置。圖5C顯示由探針502及504交替地構成的探針陣列的頂視圖，如圖所示。同樣從此視圖明顯地看出的是，在探針502及504上的探針腳及探針彈簧特徵構造的不 同組態讓探針陣列間距(即，介於相鄰探針之間的距離)能夠小於只有探針502的陣列或只有探針504的陣列所需要的間距。
在這兩個例子中，探針陣列中相鄰的探針有它們各自相對於彼此的柱子交錯安排，介於相鄰探針間的間距藉此可被減小。
圖6是圖4C的組態的側視圖。在此處，探針602具有探針腳608及在輔助接合606處與空間轉換器114接觸的探針彈簧特徵構造604。在此視圖中緊接在探針602之後的探針具有探針腳618及在輔助接合616處與空間轉換器114接觸的探針彈簧特徵構造614。在此處，主要接合108是如上文所述的主要接合。
本發明的實施並不關鍵性地取決於探針彈簧特徵結構對空間轉換器的輔助接合。適合的輔助接合方法包括但不侷限於：焊錫回流(solder reflow)、熱壓接合、黏劑或焊錫的局部熱空氣固化、導電黏劑、捲帶式自動接合(TAB)、打線接合、雷射接合、壓電接合(piezo bonding)、及使用雷射的焊錫噴射。
圖7顯示將載板接合至空間轉換器的第一個例子。在此例子中，假設其上附裝有探針702的探針載板110是一低CTE陶瓷。對於一陶瓷探針載板110而言，對空間轉換器114的附著可使用揀取和放置機器人來實施，它可精確地在所有六維度的自由度中放置該載板並用黏劑或焊錫704將其固定在定位，這可使用IR對流、傳導、UV、 雷射、X射線、電子束、熱空氣等等來實施。該黏劑或焊錫704為了局部化的後製處理而必須被放置在周邊，如圖所示。
圖8顯示將載板接合至空間轉換器的第二個例子。在此例子中，假設其上附裝有探針702的探針載板110是一低CTE玻璃類的材料。對於一玻璃探針載板110而言，對空間轉換器114的附著可使用揀取和放置機器人來實施，它可精確地在所有六維度的自由度中放置該載板並用黏劑或焊錫804將其固定在定位，這可使用IR對流、傳導、UV、雷射、X射線、電子束、熱空氣等等來實施。該黏劑或焊錫804可被置於該載板上的任何位置，如圖所示。在圖7-8的例子中，焊錫/黏劑的處理係示意地用濃黑的箭頭來顯示。
圖9顯示該空間轉換器的平坦度偏離會影響到該探針尖端陣列的平面性。在此處，空間轉換器114透過兼容的電連接906和機械連接908而被附裝至主要PCBA(印刷電路板組件)904及測試機側機械式界面902。多片探針載板110被設置在該空間轉換器114上。如上文裝配合圖6所描述的，這些探針載板的每一者包括多個探針。如果介於探針載板110與該空間轉換器114之間的接合911，912，913，914，915，916全都有相同的厚度的話，則空間轉換器114偏離平面性的偏移(鏈線(dash-dotted line))導致探針尖端偏離平面性的相應偏移(虛線)。
圖10顯示載板和空間轉換器之間的變動的接 合厚度是如何補償圖9所示之空間轉換器平坦度不足。在此處，雖然空間轉換器114有偏離平面性的偏移(鏈線)，但介於探針載板110與該空間轉換器114之間的接合1011，1012，1013，1014，1015，1016如所需要地有不同的厚度，用以提供探針尖端平面性(虛線)。
這可被視為該空間轉換器具有一可局部調整的垂直位移，其被建構來讓該探針陣列的所有探針的探針尖端共平面。更具體地，該可局部調整的垂直位移是由介於該等載板和該空間轉換器之間的接合(其具有用於每一載板之可製造調整的接合厚度)來提供。此一接合厚度的控制可很容易用揀取及放置機器人技術來取得。
在此處，很重要的是要注意到探針的彈簧特徵構造可被設計(且較佳地是被設計)成具有足夠的機械上的兼容性，用以接納為了此平面性調整能力而被需要之一範圍內的探針載板對空間轉換器接合厚度。
102‧‧‧探針
104‧‧‧探針尖端
106‧‧‧柱子
108‧‧‧主要接合機構
110‧‧‧探針載板
112‧‧‧載板接合
114‧‧‧空間轉換器
116‧‧‧彈簧特徵構造
118‧‧‧輔助接合

Claims (8)

  1. 一種探針陣列，包含：一空間轉換器；兩個或更多個探針載板，其機械地黏附至該空間轉換器的表面，其中該等探針載板的每一者具有兩個或更多個探針，其被機械地黏附至探針載板，使得探針的尖端背向該空間轉換器；其中該等探針載板彼此相對於該空間轉換器的該表面被側向地分隔開；其中介於該等探針和該空間轉換器之間的電連接是藉由接觸該空間轉換器而沒有接觸該等探針載板的該等探針的彈簧特徵構造來達成。
  2. 如申請專利範圍第1項之探針陣列，其中該等探針包括一或多個柱子，其被建構來提供對該等探針載板的機械式附著點。
  3. 如申請專利範圍第2項之探針陣列，其中在該探針陣列中相鄰的探針具有它們各自的柱子，其相對於彼此被交錯，藉此一介於該等相鄰的探針之間的間距被減小。
  4. 如申請專利範圍第1項之探針陣列，其中該空間轉換器具有一可局部調整的垂直位移，其被建構來讓該探針陣 列的所有探針的探針尖端共同面。
  5. 如申請專利範圍第4項之探針陣列，其中該可局部調整的垂直位移是由介於該等載板和該空間轉換器之間的接合(bonds)來提供，其中該接合具有用於每一載板的可製造調整的接合厚度。
  6. 一種製造探針陣列的方法，該方法包含：提供兩個或更多個探針載板；將兩個或更多個探針黏附至該等探針載板的每一者，用以提供和該等探針載板的每一者相對應的探針載具組件；提供一空間轉換器；在所有該等探針載板被其相應的探針填充之後，將該等探針載具組件機械性地黏著至該空間轉換器；其中介於該等探針和該空間轉換器之間的電連接是由該等探針之接觸該空間轉換器但沒有接觸該等探針載板的彈簧特徵構造來達成。
  7. 如申請專利範圍第6項之方法，其中該空間轉換器具有一可局部調整的垂直位移，其被建構來讓該探針陣列的所有探針的探針尖端共同面。
  8. 如申請專利範圍第7項之方法，其中該可局部調整的 垂直位移是由介於該等載板和該空間轉換器之間的接合來提供，其中該接合具有用於每一載板的可製造調整的接合厚度，且該方法進一步包含調整接合厚度以提供該等探針尖端的平面性。
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