探针头、使用该探针头的探针卡组件及其制造方法

摘要

一种探针头包括第一衬底、第二衬底、间隔件、至少一根探针和绝缘材料。第一衬底具有至少一个第一通孔。第二衬底具有至少一个第二通孔。间隔件设置在第一衬底与第二衬底之间。间隔件、第一衬底和第二衬底共同形成腔体。探针设置在腔体中，并且探针从第一通孔和第二通孔中伸出。绝缘材料位于探针上，并且绝缘材料至少部分地设置在第一通孔中。本发明还提供了使用该探针头的探针卡组件及其制造方法。

说明书

技术领域

本发明一般地涉及半导体技术领域，更具体地，涉及测试装置及其制造方法。

背景技术

世界各地的无数的应用使用半导体器件，并且每年都生产数以百万计的单独的半导体器件。在将半导体器件安装在电子器件或其他器件中之前，对半导体器件进行单独并且完全的电测试。不同的半导体器件执行不同的功能，因此不同的半导体器件经受不同的功能测试、不同的参数测试和不同的电测试。在任何半导体器件制造或测试设备中，待测的不同半导体器件的数量远远超过可用于测试器件的测试设备的数量。如此，在相同的测试组件上测试不同的半导体器件。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的缺陷，根据本发明的一方面，提供了一种探针头，包括：第一衬底，具有至少一个第一通孔；第二衬底，具有至少一个第二通孔；间隔件，设置在所述第一衬底与所述第二衬底之间，其中，所述间隔件、所述第一衬底和所述第二衬底共同地形成腔体；至少一根探针，设置在所述腔体中，并且所述至少一根探针从所述第一通孔和所述第二通孔中伸出；以及绝缘材料，设置在所述探针上，并且所述绝缘材料至少部分地设置在所述第一通孔中。

在该探针头中，所述绝缘材料还至少部分地设置在所述第二通孔中。

在该探针头中，所述探针具有测试端和连接端，所述测试端和所述连接端彼此相对，所述绝缘材料暴露所述测试端和所述连接端。

该探针头还包括：绝缘层，设置在所述第一衬底的面向所述间隔件的侧面上。

该探针头还包括：绝缘层，设置在所述第一衬底的与所述间隔件相对的侧面上。

在该探针头中，沿着一列布置多个第一通孔，并且沿着两列布置多个第二通孔，所述第一通孔在所述第二衬底上的投影设置在所述第二通孔的两列之间。

在该探针头中，相邻的两个第一通孔的间距小于相邻的两个第二通孔的间距。

在该探针头中，相邻的两个第二通孔的间距基本为相邻的两个第一通孔的间距的距离的两倍。

在该探针头中，所述探针具有测试端和连接端，所述测试端和所述连接端彼此相对，所述测试端从一个第一通孔中伸出，并且所述连接端从一个第二通孔中伸出。

在该探针头中，所述绝缘层由聚酰胺酰亚胺制成。

根据本发明的另一方面，提供了一种探针卡组件，包括：电路板；探针头，包括：第一衬底，具有至少一个第一通孔；第二衬底，具有至少一个第二通孔；间隔件，设置在所述第一衬底与所述第二衬底之间，其中，所述间隔件、所述第一衬底和所述第二衬底共同限定腔体；至少一根探针，设置在所述腔体中，并且所述至少一根探针从所述第一通孔和所述第二通孔中延伸出；和绝缘材料，至少覆盖所述探针设置在所述第一通孔中的部分；以及空间转换器，设置在所述电路板与所述探针头之间，以将所述探针与所述电路板电互连。

在该探针卡组件中，所述绝缘材料还覆盖所述探针设置在所述第二通孔中的另一部分。

该探针卡组件还包括：夹具，被配置为将所述空间转换器连接至所述电路板。

根据本发明的又一方面，提供了一种用于制造探针头的方法，包括：围绕探针形成绝缘材料；在第一衬底上设置间隔件；在所述间隔件的开口中设置所述探针，并且所述探针从所述第一衬底的第一通孔中伸出，使得至少部分所述绝缘材料设置在所述第一通孔中；以及在所述间隔件上设置第二衬底，使得所述探针还从所述第二衬底的第二通孔中伸出。

该方法还包括：在所述第二通孔中设置另一部分所述绝缘材料。

在该方法中，所述绝缘材料涂覆在所述探针上。

该方法还包括：在所述第一衬底的面向所述间隔件的侧面上形成绝缘层。

该方法还包括：在所述第一衬底的与所述间隔件相对的侧面上形成绝缘层。

该方法还包括：沿着一列布置多个第一通孔；以及沿着两列布置多个第二通孔，使得所述第一通孔在所述第二衬底上的投影设置在所述第二通孔的两列之间。

在该方法中，所述绝缘材料由聚酰胺酰亚胺制成。

附图说明

当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以更好地理解本发明的各个方面。应该强调的是，根据工业中的标准实践，各种部件没有被按比例绘制。实际上，为了清楚的讨论，各种部件的尺寸可以被任意增加或减少。

图1是根据本发明的多个实施例的探针卡组件的截面图。

图2是图1的探针头的截面图。

图3是根据本发明的多个实施例的探针头的截面图。

图4A是根据本发明的多个实施例的探针头的顶视图。

图4B是图4A中的探针头的间隔件、探针和第一衬底的顶视图。

图4C是图4A的探针头的截面图。

图5A至图5E是根据本发明的多个实施例制造探针头的截面图。

图6A至图6C是根据本发明的多个实施例制造探针头的顶视图。

具体实施方式

以下公开内容提供了许多不同实施例或实例，用于实现所提供主题的不同特征。以下将描述部件和布置的特定实例以简化本发明。当然，这些仅是实例并且不意欲限制本发明。例如，在以下描述中，在第二部件上方或上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件被形成为直接接触的实施例，也可以包括形成在第一部件和第二部件之间的附加部件使得第一部件和第二部件不直接接触的实施例。另外，本发明可以在多个实例中重复参考标号和/或字符。这种重复是为了简化和清楚的目的，并且其本身不指示所讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。

此外，为了便于描述，本文中可以使用诸如“在…下方”、“在…下面”、“下部”、“在…上面”、“上部”等空间关系术语以描述如图所示的一个元件或部件与另一元件或部件的关系。除图中所示的方位之外，空间关系术语意欲包括使用或操作过程中的器件的不同方位。装置可以以其它方式定位(旋转90度或在其他方位)，并且在本文中使用的空间关系描述符可同样地作相应地解释。

图1是根据本发明的多个实施例的探针卡组件的截面图，并且图2是图1的探针头200的截面图。探针卡组件包括电路板100、探针头200和空间转换器(space transformer)300。探针头200包括第一衬底210、第二衬底220、间隔件230、至少一根探针240和绝缘材料250。第一衬底210具有至少一个第一通孔212。第二衬底220具有至少一个第二通孔222。间隔件230设置在第一衬底210与第二衬底220之间。间隔件230、第一衬底210和第二衬底220共同限定腔体C。探针240设置在腔体C中，并且探针240从第一通孔212和第二通孔222中伸出(或延伸)。绝缘材料250设置在探针240上，并且绝缘材料250至少部分地设置在第一通孔212中。换言之，绝缘材料250至少覆盖设置在第一通孔212中的探针240的一部分。空间转换器300设置在电路板100与探针头200之间，以将探针240与电路板100电互连。

在一些实施例中，第一通孔212、第二通孔222、探针240和绝缘材料250可以是多个。以图2为例，分别具有五个第一通孔212、五个第二通孔222、五根探针240和五部分绝缘材料250。探针240分别从对应的第一通孔212和对应的第二通孔222中伸出，并且绝缘材料250分别设置在探针240与第一衬底210之间。然而，在其他实施例中，第一通孔212、第二通孔222、探针240和绝缘材料250的数量取决于实际情况，并且在这方面不是进行限制。

参考图1，当进行测试时，探针头200耦接至空间转换器300，转而耦接至电路板100。电路板100在面向空间转换器300的表面102上包括接触件112的图案。这些接触件112与对应的接触件(诸如焊球或其他合适的材料)312协作，并且接触件112耦接至对应的接触件312，接触件312形成在空间转换器300的面向电路板100的表面302上。空间转换器300中的内部引线或信号迹线使形成在空间转换器300的表面302上的接触件312的图案与形成在空间转换器300的相对面304上的接触件314的图案不同。接触件314接触对应的探针240。

参考图2。由于绝缘材料250分别设置在第一通孔212中，即，绝缘材料250将探针240与第一衬底210分离，所以绝缘材料250可以防止流经探针240的电流泄漏至第一衬底210，其中，泄漏的电流会导致探针240之间的信号干扰。因此，可以提高探针卡组件的测试稳定性。

在图2中，绝缘材料250还设置在第二通孔222中。换言之，绝缘材料250还覆盖探针240的设置在第二通孔222中的部分。在更加具体的细节中，探针240可以是眼镜蛇探针(Cobra probes)或其他合适的探针。至少一根探针240具有测试端242、连接端244和主体部分246。测试端242和连接端244彼此相对，并且主体部分246设置在测试端242与连接端244之间，主体部分246将测试端242与连接端244互连。测试端242从第一通孔212露出，并且将测试端242配置为接触晶圆或管芯的测试焊盘。连接端244从第二通孔222露出，并且连接端244连接至空间转换器300(参见图1)的一个接触件314。绝缘材料250覆盖探针240的主体部分246，并且暴露测试端242和连接端244。由于绝缘材料250还设置在第二通孔222中，即，绝缘材料250将探针240与第二衬底220分离，所以绝缘材料250可以防止流经探针240的电流泄漏至第二衬底220，其中，泄漏的电流会导致探针240之间的信号干扰。因此，可以进一步提高探针卡组件的测试稳定性。

在图2中，绝缘材料250分别围绕探针240，并且绝缘材料250附接至探针240。绝缘材料250可以涂覆在探针240上，并且在这方面不是对所要求的保护范围进行限定。总的来说，如果绝缘材料250设置在探针240上、绝缘材料250至少设置在第一通孔212中和/或绝缘材料250至少设置在第二通孔222中，则这些实施例落入本发明所要求的保护范围内。

在一些实施例中，探针头200还包括：探针支撑部260，用于支撑和分离探针240。探针支撑部260具有允许探针240穿过其的多个通孔262，使得通过探针支撑部260来确定探针240之间的空间。探针支撑部260可以由非导电材料制成，诸如聚酰胺薄膜(polyamide mylar)，并且在这方面不对所要求的保护范围进行限定。

在一些实施例中，第一衬底210和第二衬底220可以由陶瓷材料制成，并且间隔件230可以由金属制成，诸如铝或其他合适的材料，并且在这方面不对所要求的保护范围进行限定。

图3是根据本发明的多个实施例的探针头200的截面图。图2和图3中的探针头200的不同之处在于，图3中存在绝缘层270、275、280、285、290、295。在图3中，绝缘层270设置在第一衬底210的面向间隔件230的侧面214上。绝缘层270可以涂覆在侧面214上，以防止流经探针240的电流通过侧面214泄漏至第一衬底210。绝缘层275设置在第一衬底210的与间隔件230相对的侧面216上。绝缘层275可以涂覆在侧面216上，以防止流经探针240的电流通过侧面216泄漏至第一衬底210。而且，绝缘层280设置在第二衬底220的面向间隔件230的侧面224上。绝缘层280可以涂覆在侧面224上，以防止流经探针240的电流通过侧面224泄漏至第二衬底220。绝缘层285设置在第二衬底220的与间隔件230相对的侧面226上。绝缘层285可以涂覆在侧面226上，以防止流经探针240的电流通过侧面226泄漏至第二衬底220。

而且，绝缘层290分别设置在第一通孔212中。绝缘层290可以涂覆在第一通孔212的侧壁上，以防止流经探针240的电流通过第一通孔212泄漏至第一衬底210。绝缘层295分别设置在第二通孔222中。绝缘层295可以涂覆在第二通孔222的侧壁上，以防止流经探针240的电流通过第二通孔222泄漏至第二衬底220。

尽管在图3中，探针头200包括所有的绝缘层270、275、280、285、290、和295，但是在这方面不对所要求的保护范围进行限定。在一些实施例中，探针头200可以包括绝缘层270、275、280、285、290、295或它们的组合。图3中的探针头200的其他部件与图2中所示的探针头200的部件类似，因此下文中将不再提供这方面的描述。

在一些实施例中，绝缘材料250、绝缘层270、275、280、285、290、和295可以由高体积电阻率材料制成，诸如聚酰胺酰亚胺。本文中的术语“高体积电阻率”表示体积电阻率基本大于2*E17(ohm-cm)的材料。

图4A是根据本发明的多个实施例的探针头200的顶视图，图4B是图4A中的探针头200的间隔件230、探针240a和240b以及第一衬底210的顶视图，并且图4C是图4A的探针头200的截面图。为了清楚，图4A至图4C中省略了图2的探针支撑部260。在图4A和图4B中，沿着一列C1布置第一通孔212，并且沿着两列C2和C3布置第二通孔222。第一通孔212在第二衬底220上的投影212’设置在第二通孔222的两列C2与C3之间。

参考图4A至图4C。在更加具体的细节中，探针240a的测试端242a从第一通孔212中伸出，并且探针240a的连接端244a从列C2中的第二通孔222中伸出。另一方面，探针240b的测试端242b从另一个第一通孔212中伸出，并且探针240b的连接端244b从列C3中的第二通孔222中伸出。可选地布置探针240a和240b。该布置减小了相邻的两根探针240a与240b之间的接触面积，使得可以进一步减少探针240a和240b之间的干扰。

参考图4A和图4B。在一些实施例中，相邻的两个第一通孔212的间距P1小于相邻的两个第二通孔222的间距P2。例如，间距P2基本为间距P1的距离的两倍。如果间距P1约为100nm，则间距P2可以约为200nm。这意味着介于两根相邻的探针240a(或240b)之间的空间可以扩展两倍，同时保持探针头200的测试端部处的相同间距。并且，可以进一步减少探针240a和240b之间的电流泄漏(即，干扰)。

再次参考图1。在图1中，电路板100可以是印刷电路板，并且可以设计该电路板，使得不同的电路板100专门用于测试包括基本相同的接触件112的图案的不同的半导体器件。

在一些实施例中，空间转换器300可以是多层有机物(MLO)或多层陶瓷(MLC)互连衬底。可以以阵列的方式来布置空间转换器300的接触件312，并且将接触件312配置为与电路板100的对应的接触件112相匹配。也可以以阵列的方式来布置空间转换器300的接触件314，并且将接触件314配置为与探针240的连接端244(参见图2)相接合并且相匹配。接触件312可以具有限定在接触件312之间的间距P3，并且接触件314可以具有限定在接触件314之间的间距P4。间距P4小于间距P3。例如，间距P3可以约为1nm，并且间距P4可以约为100um。

在一些实施例中，探针卡组件还包括夹具400，该夹具被配置为将空间转换器300连接至电路板100。例如，夹具400具有开口402。例如，将空间转换器300设置在开口402中并使用螺钉(未示出)或其他合适的固定元件固定在开口402中。然后，例如，使用螺钉(未示出)或其他合适的固定元件将夹具400和空间转换器300一起附接至电路板100。因此，空间转换器300的接触件312连接至电路板100的接触件112。实质上，探针头200附接至夹具400，使得探针240的连接端244(参见图2)分别连接至空间转换器300的接触件314。由于图1的探针卡组件易于装配，所以可以改善其制造时间和修复时间。

现在将参考图5A至图5E所示的制造程序来描述根据本发明的多个实施例制造探针头200的方法，以生产具有绝缘材料250的探针头200。图5A至图5E是根据本发明的多个实施例制造探针头200的截面图。参考图5A，围绕探针240形成绝缘材料250。探针240可以是眼镜蛇探针(Cobraprobe)或其他合适的探针，探针240具有测试端242、连接端244和主体部分246。测试端242和连接端244彼此相对，并且主体部分246设置在测试端242与连接端244之间，主体部分246将测试端242与连接端244互连。绝缘材料250可以涂覆在探针240的主体部分246上，并且暴露测试端242和连接端244。换言之，绝缘材料250附接至探针240并且围绕探针240。绝缘材料250可以由高体积电阻率材料制成，诸如聚酰胺酰亚胺。

参考图5B，提供第一衬底210。第一衬底210具有至少一个第一通孔212，其中，图5A的探针240可以穿过该至少一个第一通孔。例如，图5B中的第一衬底210具有五个第一通孔212，并且在这方面不对所要求的保护范围进行限定。第一衬底210还包括凹槽218，并且第一通孔212设置在凹槽218的底部。第一衬底210可以由陶瓷材料或其他合适的材料制成。

在一些实施例中，绝缘层270形成在第一衬底210的侧面214上。绝缘层270可以设置在第一衬底210的凹槽218中。而且，绝缘层275形成在第一衬底210的侧面216上，并且绝缘层290分别地形成在第一通孔212中。绝缘层270、275和290可以由高体积电阻率材料制成，诸如聚酰胺酰亚胺。绝缘层270和275可以分别涂覆在侧面214和216上。在其他实施例中，可以省略绝缘层270、275和290，或绝缘层270、275和290中的至少一个形成在第一衬底210上。

参考图5C，间隔件230设置在第一衬底210上。例如，可以使用螺钉或其他合适的固定元件将第一衬底210固定至间隔件230。第一衬底210的侧面214面向间隔件230，并且第一衬底210的侧面216与间隔件230相对。在图5C中，间隔件230具有开口232。当间隔件230设置在第一衬底210上时，开口232可以与第一衬底210的凹槽218对齐。在一些实施例中，间隔件230由金属制成，诸如铝或其他合适的材料。

参考图5D，探针240设置在间隔件230的开口232中。例如，图5中有五根探针240设置在开口232中。探针240的测试端242从第一衬底210的第一通孔212中伸出，使得至少部分绝缘材料250分别设置在第一通孔212中。

在一些实施例中，可以通过探针支撑部260来支撑探针240。探针支撑部260具有多个通孔262，使探针240的连接部分244可以分别从通孔262中伸出，并且探针支撑部260是悬置的。在一些实施例中，探针支撑部260可以由非导电材料制成，诸如聚酰胺薄膜，并且在这方面不对所要求的保护范围进行限定。

参考图5E，提供第二衬底220。第二衬底220具有至少一个第二通孔222。例如，图5E中的第二衬底220具有五个第二通孔222，并且在这方面不对所要求的保护范围进行限定。第二衬底220还具有凹槽228，并且第二通孔222设置在凹槽228的顶部。第二衬底220可以由陶瓷材料或其他合适的材料制成。

在一些实施例中，绝缘层280形成在第二衬底220的侧面224上。绝缘层280可以设置在第二衬底220的凹槽228中。而且，绝缘层285形成在第二衬底220的侧面226上，并且绝缘层295分别形成在第二通孔222中。绝缘层280、285和295可以由高体积电阻率材料制成，诸如聚酰胺酰亚胺。绝缘层280和285可以分别涂覆在侧面224和226上。在其他的实施例中，可以省略绝缘层280、285和295，或绝缘层280、285和295中的至少一个形成在第二衬底220上。

随后，第二衬底220设置在间隔件230上。例如，可以使用螺钉或其他合适的固定元件将第二衬底220固定至间隔件230。可选地，可以使用一组固定元件将第一衬底210、间隔件230和第二衬底220固定在一起。第二衬底220的侧面224面向间隔件230，并且第二衬底220的侧面226与间隔件230相对。凹槽218、开口232和凹槽228共同形成腔体C，以容纳探针240。因此，探针240的连接端244分别从第二通孔222中伸出。在图5E中，绝缘材料250还分别设置在第二通孔222中。在装配图5E的探针头200之后，还可以将探针头200装配至图1的夹具400，以通过空间转换器300连接至电路板100。

在图5E中，绝缘材料250分别部分地设置在第一通孔212中，即，绝缘材料250将探针240与第一衬底210分离。而且，绝缘材料250分别部分地设置在第二通孔222中，即，绝缘材料250将探针240与第二衬底220分离。绝缘材料250可以防止流经探针240的电流泄漏至第一衬底210和/或第二衬底220，其中，泄漏的电流会导致探针240之间的信号干扰。因此，可以提高探针卡组件的测试稳定性。而且，如果探针240损坏，可以单独替换探针240。因此，可以降低探针头200的成本。

图6A至图6C是根据本发明的多个实施例制造探针头200的顶视图。为了清楚，图6B至图6C中省略了图2的探针支撑部260。预先执行图5A的制造工艺。由于相关制造细节与图5A中的实施例完全相同，所以下文中将不再重复这方面的描述。参考图6A，随后，提供第一衬底210。第一衬底210具有沿着一列C1布置的多个第一通孔212。间距P1形成在两个相邻的第一通孔212之间。随后，间隔件230设置在第一衬底210上。由于图6A的第一衬底210和间隔件230的其他部件与图5B和图5C的第一衬底210和间隔件230类似，所以下文中将不再重复这方面的描述。

参考图6B，探针240a和240b可选地设置在间隔件230的开口232中。探针240a和240b的测试端242a和242b(参见图4C)分别从如图4C中所示的第一通孔212中伸出，并且探针240a和240b的连接端244a和244b(参见图4C)朝向相反的方向延伸。

参考图6C，提供第二衬底220。第二衬底220具有沿着两列C2和C3布置的多个第二通孔222。第一通孔212在第二衬底220上的投影212’设置在第二通孔222的两列C2与C3之间。探针240a的连接端244a(参见图4C)从列C2的第二通孔222中伸出，并且探针240b的连接端244b(参见图4C)从列C3的第二通孔222中伸出。该布置减小了介于相邻的两根探针240a与240b之间的接触面积，使得可以进一步减少探针240a和240b之间的干扰。间距P2形成在两个相邻的第二通孔222之间。间距P1小于间距P2。例如，间距P2基本为间距P1的距离的两倍。由于相关制造细节与图5A至图5E中的完全相同，所以下文中将不再重复这方面的描述。

与市售的探针头组件相比，图1的探针卡组件的电性能被测试，并且全部通过数据匹配(MAT)测试。这些结果表明图1的探针卡组件与市售的探针头组件一样可靠。

由于绝缘材料分别设置在探针上，并且绝缘材料至少部分地设置在第一通孔中，即，绝缘材料将探针与第一衬底分离，所以绝缘材料可以防止流经探针的电流泄漏至第一衬底，其中，泄漏的电流会导致探针之间的信号干扰。因此，提高了探针卡组件的测试稳定性。而且，由于绝缘材料还部分地设置在第二通孔中，即，绝缘材料将探针与第二衬底分离，所以绝缘材料可以防止流经探针的电流泄漏至第二衬底，其中，泄漏的电流会导致探针之间的信号干扰。因此，可以进一步提高探针卡组件的测试稳定性。

本发明的方面提供了一种探针头，包括第一衬底、第二衬底、间隔件、至少一根探针和绝缘材料。第一衬底具有至少一个第一通孔。第二衬底具有至少一个第二通孔。间隔件设置在第一衬底与第二衬底之间。间隔件、第一衬底和第二衬底共同形成腔体。探针设置在腔体中，并且探针从第一通孔和第二通孔中伸出。绝缘材料位于探针上，并且绝缘材料至少部分地设置在第一通孔中。

本发明的另一个方面提供了一种探针卡组件，包括电路板、探针头和空间转换器。探针头包括第一衬底、第二衬底、间隔件、至少一根探针和绝缘材料。第一衬底具有至少一个第一通孔。第二衬底具有至少一个第二通孔。间隔件设置在第一衬底与第二衬底之间。间隔件、第一衬底和第二衬底共同限定腔体。探针设置在腔体中，并且探针从第一通孔和第二通孔中延伸出。绝缘材料至少覆盖探针的设置在第一通孔中的部分。空间转换器设置在电路板与探针头之间，以将探针与电路板电互连。

本发明的又一个方面提供了一种用于制造探针头的方法，包括围绕探针头形成绝缘材料。间隔件设置在第一衬底上。探针设置在间隔件的开口中。探针从第一衬底的第一通孔中伸出，使至少部分绝缘材料设置在第一通孔中。第二衬底设置在间隔件上，使得探针还从第二衬底的第二通孔中伸出。

上面论述了若干实施例的部件，使得本领域普通技术人员可以更好地理解本发明的各个方面。本领域普通技术人员应该理解，可以很容易地使用本发明作为基础来设计或更改其他用于达到与这里所介绍实施例相同的目的和/或实现相同优点的处理和结构。本领域普通技术人员也应该意识到，这种等效构造并不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行多种变化、替换以及改变。