一种薄膜探针卡及其探针头的制作方法

一种薄膜探针卡及其探针头
1.技术领域
2.本发明属于探针卡、晶圆测试技术领域，具体涉及一种薄膜探针卡及其探针头。


背景技术：

3.近年来，随着5g技术和消费电子技术的发展和普及，半导体器件不断朝着小型化、集成化、衬垫间距密集化发展，工作频率不断提高，面向高频的晶圆级测试逐渐成为rf芯片生产中不可获取的重要一环。相较于其他类型探针卡，薄膜探针卡实现了小尺度的探针结构加工和高精度的信号线结构参数控制，减少了寄生电容和电感的产生，极大地缩短了信号路径，提高了阻抗匹配程度，广泛应用于面向高频的晶圆级测试分析。
4.晶圆测试过程中，需提供适当的测量滑移量和可控的接触力大小。
5.测量滑移，是指探针与被测pad开始接触并开始垂直抬升运动时，探针作出微小的水平运动。适量的对推开被测焊垫或凸块表面氧化物，获得稳定电接触极为必要：滑移过小，可能会导致探针获得稳定接触所需的垂直接触力过大，对pad产生损伤；滑移过大，可能导致探针接触到pad外钝化层区域，损伤被测物。
6.可控的接触力对保证芯片pad不受损伤具有积极作用。目前常用的焊盘及凸块材料包括铝、金、铜或焊料：在空气中铝表面易发生氧化，测试过程中一般需要3-5gf的力，以穿透或推开表层氧化物，实现稳定接触；金由于材质较软，所需接触力很小, 一般在0.1-1gf之间；铜材料则需要更大的力建立良好的接触，约为5-6gf。随着半导体工艺的小型化和集成化，焊垫金属层和低k层间介质层变薄，也提高了对探针接触力控制的要求。
7.专利us5395253中提出：初始薄膜处于拉伸状态，当探针与被测pad开始接触并开始垂直抬升运动时，薄膜逐渐处于放松状态，探针会因此向薄膜中心区域做微小水平运动，产生测量滑移。这种方式存在的一个显著缺点在于探针的测量滑移量与探针相对薄膜中心位置有关，不均一。
8.现有技术中，最具代表性的结构可参见美国专利us7893704，它提出了一种新型的薄膜探针结构，它是将探针设计为类似悬臂的结构，利用测试过程中类似悬臂的探针结构绕悬臂末端的旋转实现了测量滑移的实现，但这种方式由于探针需反复绕悬臂末端进行旋转运动，该处应力集中，薄膜易损坏。
9.可见，本领域亟须一种薄膜探针卡，能够实现适当的测量滑移，并提供可控的接触力，特别地，可降低薄膜探针应力，提高薄膜探针寿命。


技术实现要素：

10.本发明目的是提供一种薄膜探针卡及其探针头，可实现测试过程中探针的适当测量滑移，提供可控的接触力，特别地，可降低薄膜探针使用过程中的应力，提高使用寿命。
11.为达到上述目的，本发明采用的薄膜探针卡技术方案是：一种薄膜探针卡，包括
pcb板、连接件以及薄膜探针头；所述薄膜探针头包括提供一作用面的支撑体、覆在支撑体的作用面上的薄膜、以及设置在薄膜上的探针和互连线。所述支撑体的作用面与薄膜之间设有一凹陷支撑结构；所述凹陷支撑结构包括一凹陷结构以及一支撑弹性层，所述凹陷结构包括相对作用面固定的一个或多个凹陷，所述凹陷与探针位置相对应，且各凹陷与所对应的探针在作用面上的投影位置相偏心；所述支撑弹性层嵌在凹陷结构与薄膜之间，支撑弹性层上对应于凹陷结构的凹陷设有凸起嵌块，支撑弹性层的凸起嵌块嵌入对应凹陷中；以此，所述支撑弹性层上在每个探针两侧的部分具有厚度差。
12.上述方案，所述凹陷为其竖向截面为柱状或锥台状的凹槽，在上下方向上投影所述探针跨在对应的凹槽的外轮廓线上。
13.上述方案，所述凹陷为其竖向截面为半球形或球冠形的凹槽，在上下方向上投影所述探针位于对应的凹槽的外轮廓线之内，但探针的中心与凹槽的中心相错开。
14.上述方案，所述凹陷支撑结构还包括一支撑刚性体，所述支撑刚性体固定覆设在支撑体的作用面上，所述凹陷结构设在支撑刚性体的下表面上。
15.上述方案，所述支撑体中部具有一向下突出的凸部，该凸部的下表面作为所述作用面；所述支撑体上在凸部的外围设有供与pcb板相抵的连接面，该连接面也被所述薄膜覆盖，在对应于连接面的薄膜部位也设有探针，所述支撑体的连接面与薄膜之间也设有一所述凹陷支撑结构，该凹陷支撑结构中的支撑弹性层嵌在连接面与薄膜之间。
16.上述方案中，“所述凹陷与探针位置相对应，且各凹陷与所对应的探针在作用面上的投影位置相偏心”就是指：凹陷与探针需要对应，这里的对应可以是一个凹陷对应一个探针，也可以一个凹陷对应多个探针；且相对应的两者的位置关系要偏心，即中心相错开，以最终使支撑弹性层上在每个探针两侧的部分具有厚度差。具体凹陷与探针的位置关系与凹陷的形状也有关，比如：所述凹陷基本为等截面的形状（比如为一柱状或锥台状的凹槽），在上下方向上投影所述探针就需要跨在对应的凹陷的外轮廓线上，这样才能使探针两侧所衬的弹性层具有厚度差；而当凹陷的形状为变截面形状（比如：半球体、球冠体、半椭圆球体）时，在上下方向上投影所述探针只要偏心地位于对应的凹陷的外轮廓线之内，又不与凹陷同中心，就可以使探针两侧所衬的弹性层具有厚度差。
17.为达到上述目的，本发明采用的薄膜探针头技术方案是：一种薄膜探针头，包括提供一作用面的支撑体、覆在支撑体的作用面上的薄膜以及设置在薄膜上的探针和互连线；所述支撑体的作用面与薄膜之间设有一凹陷支撑结构；所述凹陷支撑结构包括一凹陷结构以及一支撑弹性层，所述凹陷结构包括相对作用面固定的一个或多个凹陷，所述凹陷与探针位置相对应，且各凹陷与所对应的探针在作用面上的投影位置相偏心；所述支撑弹性层嵌在凹陷结构与薄膜之间，支撑弹性层上对应于凹陷结构的凹陷设有凸起嵌块，支撑弹性层的凸起嵌块嵌入对应凹陷中；以此，所述支撑弹性层上在每个探针两侧的部分具有厚度差。
18.上述方案，所述凹陷为其竖向截面为柱状或锥台状的凹槽，在上下方向上投影所述探针跨在对应的凹槽的外轮廓线上。
19.上述方案，所述凹陷为其竖向截面为半球形或球冠形的凹槽，在上下方向上投影所述探针位于对应的凹槽的外轮廓线之内，但探针的中心与凹槽的中心相错开。
20.上述方案，所述凹陷支撑结构还包括一支撑刚性体，所述支撑刚性体固定覆设在
支撑体的作用面上，所述凹陷结构设在支撑刚性体的下表面上。
21.上述方案，所述支撑体中部具有一向下突出的凸部，该凸部的下表面作为所述作用面；所述支撑体上在凸部的外围设有供与pcb板相抵的连接面，该连接面也被所述薄膜覆盖，在对应于连接面的薄膜部位也设有探针，所述支撑体的连接面与薄膜之间也设有一所述凹陷支撑结构，该凹陷支撑结构中的支撑弹性层嵌在连接面与薄膜之间。
22.上述方案中，“所述凹陷与探针位置相对应，且各凹陷与所对应的探针在作用面上的投影位置相偏心”就是指：凹陷与探针需要对应，这里的对应可以是一个凹陷对应一个探针，也可以一个凹陷对应多个探针；且相对应的两者的位置关系要偏心，即中心相错开，以最终使支撑弹性层上在每个探针两侧的部分具有厚度差。具体凹陷与探针的位置关系与凹陷的形状也有关，比如：所述凹陷基本为等截面的形状（比如为一柱状或锥台状的凹槽），在上下方向上投影所述探针就需要跨在对应的凹陷的外轮廓线上，这样才能使探针两侧所衬的弹性层具有厚度差；而当凹陷的形状为变截面形状（比如：半球体、球冠体、半椭圆球体）时，在上下方向上投影所述探针只要偏心地位于对应的凹陷的外轮廓线之内，又不与凹陷同中心，就可以使探针两侧所衬的弹性层具有厚度差。
23.本发明巧妙地通过增加凹陷支撑结构，使每个探针两侧所衬的弹性层具有厚度差，从而使探针在接触过程能够发生适量测量滑移，以穿透或推开被测芯片表层氧化物，实现更稳定地接触。并且，由于是在支撑体的作用面与薄膜之间设置凹陷支撑结构进行改造，并不对探针进行改变，探针采用普通的对称结构即可。在测试过程中：初始状态探针与被测芯片pad未接触，衬在支撑体上方的弹性组件处于初始压缩状态，凹陷支撑结构的支撑弹性层也处于未压缩状态；随着测试od的施加，探针与被测芯片pad接触，垂直方向发生位移，大部分位移被弹性组件吸收，剩余部分位移由探针和凹陷支撑结构共同吸收；这时就由于探针两侧所衬的支撑层的厚度的不一致，在探针垂直运动的同时就发生了稍稍地倾斜，探针在水平方向上产生滑移，可推开被测芯片表面脏污和氧化物，实现更稳定的电连接。
24.本发明有益效果：1、本发明通过增加凹陷支撑结构，使每个探针两侧所衬的弹性层具有厚度差，使得探针在垂直方向运动的同时实现了水平方向的侧滑，实现了稳定可靠的电接触。
25.2、本发明通过控制凹陷与对应探针间的偏心量，以及凹陷的深度等参数，即可最终控制支撑弹性层在探头两侧的厚度差，就可实现测量滑移量的控制，再通过控制支撑弹性层的平面部分的厚度，就实现了接触力的控制。
26.3、本发明通过增加支撑弹性层，实现了探针局部高度差异及整体倾斜等平面度问题的吸收和兼容，防止由于局部探针过长或多短导致的接触力过大，被测pad损伤或探针虚接、开路等问题。
附图说明
27.图1为本发明实施例一及实施例三薄膜探针卡的结构示意图；图2为本发明实施例一、实施例二及实施例三的薄膜探针头的结构示意图；图3为本发明实施例一及实施例二薄膜探针头的凹陷支撑结构处的示意图；图4为本发明实施例一及实施例二的凹陷结构中各凹陷与探针的对应位置的示意图；
图5为本发明实施例一及实施例二测试前探针位置示意图；图6为本发明实施例一及实施例二测试时探针位置对比示意图；图7为本发明实施例三薄膜探针头的凹陷支撑结构处的示意图；图8为本发明实施例三的凹陷结构中各凹陷与探针的对应位置的示意图。
28.以上附图中：1、pcb板；11、同轴连接器；12、信号连接点；13、pcb走线；14、弹簧结构；15、pcb端螺纹孔；2、连接件；3、薄膜探针头；31、支撑体；311、作用面；312、连接面；32、薄膜；33、探针；331、针座结构；332、针尖结构；34、互连线；35、凹陷支撑结构；351、凹陷结构；3511、凹陷；352、；支撑弹性层；3521、凸起嵌块；353、支撑刚性体；36、黏附层；37、弹性组件；38、补强板；381、装配用螺丝孔；382、调平用螺丝孔；39、调平螺丝。
具体实施方式
29.下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：实施例一：参见附图1-6所示：一种薄膜探针卡，包括pcb板1、连接件2以及薄膜探针头3；所述薄膜探针头3包括提供一作用面311的支撑体31、覆在支撑体31的作用面311上的薄膜32、以及设置在薄膜32上的探针33和互连线34。
30.pcb板1为多层环氧树脂线路板，其上分布有同轴连接器11和信号连接点12，其内部分布有pcb走线13，分别连接同轴连接器11到对应信号连接点12，实现电信号导通和传输；pcb板1表面还分布有弹簧结构14和pcb端螺纹孔15；pcb板1中心位置掏空，用于容纳薄膜探针头3；弹簧结构14位于pcb板1中心掏空处外周，用于实现与薄膜探针头3的紧密连接。
31.所述支撑体31为一刚性体，其中部具有一向下突出的凸部，该凸部的下表面作为所述作用面311。所述支撑体31上在凸部的外围设有供与pcb板1相抵的连接面312，该连接面312也被所述薄膜32覆盖，在对应于连接面312的薄膜32部位也设有探针33，该探针33用于与pct板1对接。
32.所述支撑体31的作用面311与薄膜32之间设有一凹陷支撑结构35；该凹陷支撑结构35包括一凹陷结构351以及一支撑弹性层352，所述凹陷结构351包括相对作用面311固定分布的多个凹陷3511，这些凹陷3511朝向探针33设置，且与探针33一对一对应，凹陷3511与所对应的探针33在作用面311上的投影相互偏心；所述支撑弹性层352嵌在凹陷结构351与薄膜32之间，支撑弹性层352上对应于凹陷结构351的每一个凹陷3511设有凸起嵌块3521，支撑弹性层352的凸起嵌块3521嵌入对应凹陷中；以此，所述支撑弹性层352上在每个探针
33两侧的部分具有厚度差。
33.具体，本实施例所述凹陷支撑结构35还包括一支撑刚性体353，所述支撑刚性体353通过黏附层36固定覆设在支撑体31的作用面311上，所述凹陷结构351设在支撑刚性体353的下表面上。支撑刚性体353的材料可为硅、玻璃、pmma等耐高温硬质材料，可通过腐蚀工艺加工凹陷结构351。
34.具体，支撑弹性层352的上表面与支撑刚性体353的表面共形，完全充填于凹陷结构351中，而支撑弹性层352的下表面与作用面311相平行。支撑弹性层352相对所述支撑刚性体353表面具有一定厚度，且支撑弹性层352在凹陷3511壁面边缘两侧的厚度不一致。支撑弹性层352材料为pdms、硅胶等柔性材料，可通过调节材料配比、固化温度等条件实现弹性调整，实现被测芯片pad或探针结构间的微小高度差吸收和兼容。
35.具体，薄膜32可通过黏附层36固定覆于支撑弹性层352上。
36.具体，所述凹陷的形状为一竖向截面为柱状或锥台状的凹槽，图中所示为锥台状，在上下方向上投影所述探针33跨在对应的凹陷的外轮廓线上。
37.为了与pcb板1对接的探针也具有测量滑移，在支撑体31的连接面312与薄膜32之间也设有一所述凹陷支撑结构35，该凹陷支撑结构35中的支撑弹性层352嵌在连接面312与薄膜32之间。该凹陷支撑结构35的具体结构与支撑体31作用面311与薄膜32之间的凹陷支撑结构35相同，这里不再赘述。
38.所述探针33具体包括针座结构331和针尖结构332两部分。针尖结构332位于针座结构331之上。针座结构331形状为长方体、圆柱、棱柱等，材料可为铑、ni或pd-ni、ni-b合金等高硬度材料。针尖结构形状为截断金字塔形或棱台、圆台等，材料为铑、ni或pd-ni、ni-b合金等耐磨性材料。
39.所述支撑体31的上方还设有一补强板38，该补强板38为一中心设凹陷区域的金属板，其上分布有装配用螺丝孔381和调平用螺丝孔382，边缘与支撑体31连接，其中心凹陷区域用于容纳弹性组件37，弹性组件37可为气囊、多爪弹簧等弹性体结构，如图示为弹性组件37为一气囊。调平螺丝39位于调平用螺丝孔382中，底部与弹性组件37上表面接触，调整多个调平螺丝39的相对位置可实现增强板38和支撑体31之间倾斜的校正。
40.弹性组件37位于补强板38与支撑体31之间，测试过程中弹性组件37处于压缩状态，施加od，弹性组件37可发生弹性形变，吸收垂直方向运动位移。
41.测试过程中：初始状态如图5所示，探针33与被测芯片pad未接触，弹性组件37处于初始压缩状态，支撑弹性层352处于未压缩状态；随着测试od的施加，如图6所示，探针与被测芯片pad接触，垂直方向发生位移，大部分位移被弹性组件37吸收，剩余部分位移由探针33和凹陷支撑结构35共同吸收；由于探针33两侧对应的支撑弹性层352厚度不一致，因此垂直运动的同时会发生倾斜，探针33侧向产生距离为l的滑移，可推开被测芯片表面脏污和氧化物，实现更稳定的电连接。
42.实施例二：参见附图1-6所示：一种薄膜探针头，包括提供一作用面311的支撑体31、覆在支撑体31的作用面311上的薄膜32、以及设置在薄膜32上的探针33和互连线34，其具体结构同实施例一中的薄膜探针头相同，这里不再赘述。
43.实施例三：参见附图1、附图2、附图7以及附图8所示：
一种薄膜探针卡，包括pcb板1、连接件2以及薄膜探针头3；所述薄膜探针头3包括提供一作用面311的支撑体31、覆在支撑体31的作用面311上的薄膜32、以及设置在薄膜32上的探针33和互连线34。
44.与实施例一的不同之处在于：所述探针33为成一直线的一列，凹陷3511不是凹槽，而是将支撑刚性体353的一半向上凹，即支撑刚性体353一半厚、一半薄，薄的那侧即形成所述凹陷3511，如图7，而一列探针33对应跨设在凹陷3511的壁面处，如图8所示。支撑弹性层352的形状与支撑刚性体353的下表面相匹配，同样使支撑弹性层352上位于探针33两侧的部分具有厚度差，达到与实施例一样的使探针33具有测量滑移的效果。
45.其他同实施例一，这里不再赘述。
46.上述实施例为举例，实际中可作出以下实际变化：1、所述凹陷3511可以如实施例一为凹槽，也可以如实施例三是一减薄的部分，凹陷3511的数量、形状都可根据探针33的实际数量和分布情况来调整；2、凹陷与探针需要对应，这里的对应可以是一个凹陷对应一个探针，也可以一个凹陷对应多个探针；3、所述支撑刚性体353可以去除不采用，而将所述凹陷结构351直接设置在支撑体31的作用面311上；4、所述薄膜32与支撑弹性层352之间的黏附层36可以去除，薄膜32以其他方式相对支撑弹性层352下表面固定，或者不固定而仅是绷紧抵靠在支撑弹性层352下表面上也可。
47.上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。