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TWI889840B - 多導體傳輸線探針及其探針頭 - Google Patents

多導體傳輸線探針及其探針頭

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TWI889840B
TWI889840B TW110121171A TW110121171A TWI889840B TW I889840 B TWI889840 B TW I889840B TW 110121171 A TW110121171 A TW 110121171A TW 110121171 A TW110121171 A TW 110121171A TW I889840 B TWI889840 B TW I889840B
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ground
vertical
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capacitive
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提姆 列雪
傑森 克斯曼
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美商鋒法特股份有限公司
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Abstract

本發明提供了具有交替電容和電感部分的垂直傳輸線探針。這些交替部分可以被設計為提供期望的傳輸線阻抗(例如，在10和100歐姆之間，較佳地為50歐姆)。操作中的探針彎曲主要發生在電感部分，而有利地減少了電容部分中介電質上的彎曲應力。

Description

多導體傳輸線探針及其探針頭
本發明涉及用於與被測裝置進行臨時電接觸的垂直探針。
相關申請案的交叉參考
本申請案主張2020年6月11日提交的美國臨時專利申請案63/037935的優先權，該申請案透過引用併入本文。
電性裝置和電路通常使用組態為與被測裝置進行臨時電接觸的探針陣列進行測試。隨著技術的發展，對被測高頻(例如，10GHz或更高)裝置進行探測的需求不斷增加。目前，高頻寬探針卡(>10GHz)不是使用非常短的探針(例如薄膜探針卡)就是使用分離的訊號探針和接地探針的組合。
薄膜探針卡的彎曲度很小，因為它很短而且很硬。這 限制了探針超程(overtravel)並產生非常高的接觸力。在訊號探針是與接地探針分離的結構的情況下，訊號和接地探針不會作為整體單元一起彎曲。因此，在測試裝置時，阻抗可能會發生不希望的變化。此外，來自分離的訊號探針和接地探針的機械約束限制了阻抗與理想匹配的程度。因此，提供改進的高頻率探針將會造成本領域的進步。
本發明提供了具有交替電容和電感部分的垂直傳輸線(例如，接地-訊號-接地)探針。這些交替部分可以被設計為提供期望的傳輸線阻抗(例如，在10和100歐姆之間，較佳地為50歐姆)。操作中的探針彎曲主要發生在電感部分，而有利地減少了電容部分中介電質上的彎曲應力。
這些部分的長度較佳地顯著小於探針長度(例如，小於探針總長度的1/10)，使得產生的交替電容阻抗和電感阻抗能以足夠的精度地提供期望的RF傳輸線阻抗。
這允許使用多導體探針，其中各個導體由介電質隔開以實現傳輸線效應。更好的阻抗匹配提高了整個探針結構的頻率頻寬。混合的電容區和電感區提高了結構的機械完整性，其中機械完整性主要位於彎曲度較低的探針的電容區中。
102:視圖
102a:電容部分
102b:電容部分
102c:電容部分
102d:電容部分
104:視圖
104a:電感部分
104b:電感部分
104c:電感部分
104d:電感部分
106:訊號導體
108a:接地導體
108b:接地導體
108c:接地導體
110:絕緣殼
112:垂直探針
502:電感部分
504:電感部分
506:電感部分
508:電感部分
C0:電容
C1:電容
C2:電容
C3:電容
C4:電容
602:探針陣列
602a:探針
602b:垂直探針
602c:探針
602d:垂直探針
602e:探針
604:空間轉換器
606:受測裝置
608:觸點
610:箭頭
[圖1A]示出本發明之例示性實施例。
[圖1B]示出例示性總體探針組態。
[圖2]是例示性實施例的特寫視圖。
[圖3A-C]是在各種放大倍數下製造的探針的影像。
[圖4A-B]示出例示性製造順序中兩點處的探針的影像。
[圖5A-C]示意性示出例示性探針設計變化。
[圖6]示出根據本發明實施例的例示性探針陣列。
[圖7]示出習知與新型探針之回程損耗結果。
[圖8]示出習知與新型探針之插入損耗結果。
[圖9]示出習知與新型探針之終端阻抗時域反射計(TDR)結果。
圖1A示意性示出本發明之例示性實施例。該實例是用於測試電性裝置的垂直探針112。它包括沿探針112長度的交替序列之電容部分(102a、102b、102c、102d)和電感部分(104a、104b、104c)。此處之102示出通過102a、102b、102c、102d中的任一者的橫截面，而104示出通過104a、104b、104c中的任何一者的橫截面。探針112包括訊號導體106和與訊號導體絕緣的一或多個接地導體(108a、108b)。
電容部分(例如，102a、102b、102c、102d)包括介電質材料110，其被組態為透過佔據訊號導體106和一或多個接地導體108a、108b之間的空間來保持訊號導體106與一 個或多個接地導體108a、108b的固定間隔，如橫截面圖102所示。電感部分(例如，104a、104b、104c)是具有透過氣隙與一或多個接地導體108a、108b隔開的訊號導體106的空氣橋結構，如橫截面圖104所示。這裡，柱108c將接地導體108a和108b之電容部分彼此連接，如下面結合圖2更詳細地描述的。
電容部分的阻抗和電感部分的阻抗有效地提供探針的均勻傳輸線阻抗。根據具有傳輸線的週期性LC結構的已知近似等效，這是可能的。因此在一些實施例中，較佳地，電容部分和電感部分的交替序列沿著探針的長度是週期性的。較佳地，探針的均勻傳輸線阻抗基本上為50歐姆(即，45-55歐姆)。這些電容部分與電感部分的長度較佳地顯著小於探針長度(例如，小於探針總長度的1/10)，使得產生的交替電容阻抗和電感阻抗能以足夠的精度地提供期望的RF傳輸線阻抗。
圖1B示出例示性總體探針組態。這是比圖1A所示更真實的整體探針組態的視圖。
圖2是例示性實施例的特寫視圖。該實例涉及垂直探針具有接地-訊號-接地組態的較佳實施例。這種接地-訊號-接地組態也在圖1A的視圖102和104中示出(更示意性地)。較佳地，接地-訊號-接地組態的地108a、108b在垂直探針內電連接。於圖2示出提供這種連接的較佳方式。在此實例中，電容部分被組態為分層柱，包括：將底部接地層108a連接到頂部接地層108b的導電核心 108c；設置在導電核心108c周圍的絕緣殼110；以及設置在絕緣殼110周圍的訊號導體106。
此處的訊號導體106透過絕緣殼110與導電核心108c隔開。絕緣殼110界定了訊號導體106和底部接地層108a之間的底部間隔件(bottom separation)。絕緣殼110界定了訊號導體106和頂部接地層108b之間的頂部間隔件(top separation)。絕緣殼110可以在不同層中具有不同的橫向厚度以幫助界定底部及/或頂部間隔件。
圖3A-C是在各種放大倍數下製造的探針的影像。此處的上述探針的電感部分和電容部分在製造的結構中清晰可見。
如上所述的探針可以透過MEMS(微機電系統)製造技術製造。較佳地，如上所述的絕緣體是有機介電質材料，其透過金屬封裝保護其免受等電漿或化學製程的損壞。透過選擇性蝕刻保護介電質的金屬，有機介電質在製程結束時被顯露出來。例如，銅和其他探針材料可以在可能損壞介電質的製程中遮蔽介電質，所述製程例如電漿製程。圖4A-B示出製造過程中相同區的掃描電子顯微鏡(SEM)影像。適當時，介電質位於金屬結構的內部。該影像示出去除保護金屬之前(圖4A)和之後(圖4B)以及所得空氣橋的形成。
圖5A-C示意性示出例示性探針設計變化。圖5A的實例示出在電容部分中具有相同電容C0並且每個電感部分 502具有相同導體寬度的周期性探針。如圖5B所示實例中，沿著探針的長度調變一或多個電感部分的長度及/或寬度以判定探針的機械彈性。如圖所示，這裡電感部分504、506、508具有不同的寬度。在圖5C的實例中，沿著探針的長度調變一或多個電容部分的電容。這裡示出電容部分的不同電容C1、C2、C3、C4。調變電容的一種方式是改變圖2中訊號導體106和導電核心108c之間的距離，透過此方式以使得各電容部分具有不同的值。
圖6示出根據本發明實施例的例示性探針陣列。在此，探針陣列602包括兩個或更多個如上所述的垂直探針(探針602a、602c、602e)並且被固定到空間轉換器604，其中所得的探針頭總成被組態為與受測裝置606上的觸點608進行臨時電接觸，如箭頭610示意性指示的。在導板用於界定探針陣列中探針位置的情況下，金屬(或金屬化)導板與上述接地-訊號-接地探針的接地導體之間的電接觸可用於改善電接地。這類似於在具有外部接地導體與金屬或金屬化導板的組合的多路徑探針上的先前技術。陣列中傳輸線探針的數量和排列對於實施本發明並不重要。被測裝置的組態通常決定了探針的數量和排列。
在實作中通常探針陣列602較佳進一步包括一或多個其他垂直探針(602b、602d)，其可以具有任何習知的垂直探針設計。這些其他探針可用於不需要提高傳輸線探針電性能的連接，並且降低成本及/或提高載流能力是更相關的問題。因此，較佳的探針頭概念僅將傳輸線探針用於需 要如下所述的改進電性能的那些電連接。與被測裝置的其餘連接可以使用習知的垂直探針進行。
所得探針顯示出良好的電性能。在一個實例中，對於高達60GHz的頻率，傳輸線探針的回程損耗更佳(即低於)-15dB，這明顯優於習知探針設計，習知探針設計對於超過15GHz的頻率有超過-15dB的回程損耗(圖7)。與習知探針相比，傳輸線探針的回程損耗隨探針間距和位置的變化也較小。
在另一個實例中，對於高達60GHz的頻率，傳輸線探針的插入損耗更佳(即低於)1dB，這明顯優於習知探針設計，習知探針設計對於超高達60GHz的頻率有超過6dB的插入損耗(圖8)。與習知探針相比，傳輸線探針的插入損耗隨探針間距和位置的變化也較小。
在最後一個實例中，傳輸線探針的阻抗時域反射計(TDR)顯示出比習知探針明顯更少的振鈴(ringing)。(圖9)。與習知探針相比，傳輸線探針的阻抗時間域反射計隨探針間距和位置的變化也較小。
102:視圖
102a:電容部分
102b:電容部分
102c:電容部分
102d:電容部分
104:視圖
104a:電感部分
104b:電感部分
104c:電感部分
106:訊號導體
108a:接地導體
108b:接地導體
108c:接地導體
110:絕緣殼
112:垂直探針

Claims (9)

  1. 一種用於測試電性裝置的垂直探針，該探針包含：沿著該探針的長度的電容部分和電感部分之交替序列；其中，該探針包括訊號導體和與該訊號導體絕緣的一或多個接地導體；其中，該電容部分包括介電質材料，其被組態為透過佔據該訊號導體和一或多個該接地導體之間的空間來保持該訊號導體與一個或多個該接地導體的固定間隔；其中，該電感部分是具有透過氣隙與一或多個該接地導體隔開的該訊號導體的空氣橋結構；其中，該電容部分的阻抗和該電感部分的阻抗有效地提供該探針的均勻傳輸線阻抗，其中，一或多個該電感部分的長度及/或寬度沿著該探針的該長度調變以判定該探針的機械彈性，以及其中，探針彎曲主要由該電感部分提供。
  2. 如請求項1之垂直探針，其中沿著該探針的該長度的該電容部分和該電感部分的該交替序列是週期性的。
  3. 如請求項1之垂直探針，其中該探針的該均勻傳輸線阻抗基本上為50歐姆。
  4. 如請求項1之垂直探針，其中該垂直探針具有接地-訊號-接地的組態。
  5. 如請求項4之垂直探針，其中該接地-訊號-接地組態的該些接地在該垂直探針內電連接。
  6. 如請求項1之垂直探針，其中該電容部分被組態為分層柱，包括：導電核心，將頂部接地層連接到底部接地層；絕緣殼，設置在該導電核心周圍；訊號導體，設置在該絕緣殼周圍；其中，該訊號導體透過該絕緣殼與該導電核心隔開；其中，該絕緣殼界定該訊號導體和該頂部接地層之間的頂部間隔件；其中，該絕緣殼界定該訊號導體和該底部接地層之間的底部間隔件。
  7. 如請求項1之垂直探針，其中一或多個該電容部分的電容沿著該探針的長度調變。
  8. 一種探針頭，包含一探針陣列，該探針陣列包括二或多個如請求項1所述的該垂直探針。
  9. 如請求項8之探針頭，其中該探針陣列更包含一或多個垂直探針。
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