本发明涉及用于测试电气设备和电路的探针阵列。
背景技术：
：：电气设备和电路的测试通常需要大的探针阵列以与测试中的设备进行接触。通常，每个探针都单独安装到空间变换器(spacetransformer)，该空间变换器在探针阵列和测试仪器之间提供电气接口。空间变换器往往是定制部件，因为所需的探针阵列图案会从电路到电路以及从客户到客户而变化。因此，上面概述的通常方法的交付时间是制作空间变换器所需时间加上用探针来填布(populate)空间变换器所需时间的组合。由于探针阵列可能具有100,000个或更多个的探针，因此即使在使用部件拾取和放置机器人技术的状态，填布探针阵列所需的时间也可能很长。由于这些是定制部件，因此无法预先制造，这意味着用探针填布空间变换器所需的时间是面对交付时间的客户非常不期望的。因此，提供用于填布探针阵列的较快方法在本领域中将是一项进步。技术实现要素：在该工作中，探针经由多个承载板连接到空间变换器，其中，探针和承载板之间的连接在机械上不顺应(以简化探针设计)。探针到空间变换器的电气接触是借助探针上的机械顺应性的弹簧尾部特征实现的，该弹簧尾部特征连接到空间变换器而不连接到承载板。换言之，承载板在功能上纯粹是机械的。基本思想的进一步改进是，可以补偿空间变换器与平坦度之间的偏差。多个承载板可实现探针组装的并行处理效率。将探针直接附连到空间变换器需要对探针进行连续的拾取和放置操作，具有累积的长的处理时间。基于被测设备(dut)布局设计的多个承载板允许并行处理，并且即使在空间变换器可用之前也可以组装探针。与传统的探针卡相比，一旦制造好空间变换器，现在就可以使用机器人在很短的时间框架内附连预组装的承载板。考虑到探针卡的探针数量可以达到100,000个以上，在接收空间变换器后，在空间变换器上按顺序进行一个接一个的探针附连可能需要11天的时间，以每个探针10秒，使用24小时和7个工作日。对于多个承载板，我们可以使用多个机器人并行组装探针，并在更短的时间框架内完成探针的附连。承载板可以被制造为与被测设备的布局相对应的不同形状和形式。取决于ic芯片焊盘布局，探针卡中可以有多于一种设计的承载板。尽管此概念适用于任何类型的探针，但较佳地结合mems(微机电系统)探针进行实践，因为这样的探针可以很容易地制造成具有以下所述的各种特征。在此，将mems探针限定为利用mems技术制造的任何探针，特别是在硅中。探针较佳具有对准特征，该对准特征可用于拾取和放置操作，并有助于以六个自由度定位探针。对准特征都可以定位在mems弹簧本体内，以使弹簧末端相对于阵列的所有其他弹簧末端准确定位。一种这样的对准特征是弹簧脚，其用于将探针结合到承载板。结合材料较佳地设计成在诸如热、紫外线(uv)、激光、热空气等之类的后处理期间具有非常低的收缩率，并在mems探针脚和承载板之间形成牢固的结合连接。可以使用诸如探针脚的孔、凹槽、齿、山丘和山谷之类的几何修改来提高附着力并防止由于表面张力和毛细作用使结合材料被芯吸超出脚部。防止结合材料芯吸的另一种方法是利用诸如铝、镍、钛、钨、钼等之类的金属以及聚对二甲苯涂覆mems探针。在这种阵列中，探针的末端必须共面至高精度(25um)，这可能会给探针与测试夹具其余部分之间的永久性电气连接带来困难。例如，如果将探针分别连接到空间变换器，则空间变换器与理想平坦度的任何偏差都会不期望地显现探针末端与平坦度的相应偏差。使用多个探针承载板可以有效地为这种与平面度的偏差提供补偿。例如，可以通过结合工艺将单个探针承载板连接到空间变换器，从而提供这种补偿，该结合工艺能够提供具有可变结合厚度的结合探针承载板的单独竖直定位，从而使所得探针阵列的所有探针末端均共面至所需精度。附图说明图1示出了本发明的示例性实施例。图2示出了较佳探针设计的示例性特征。图3a-g示出了探针的附连点特征的示例性设计变型。图4a-c示出了用于将探针紧密包装在承载板上的第一示例性方法。图5a-c示出了用于将探针紧密包装在承载板上的第二示例性方法。图6是图4c的构造的侧视图。图7示出了将承载板结合到空间变换器的第一示例。图8示出了将承载板结合到空间变换器的第二示例。图9示出了空间变换器与平坦度的偏差可以如何影响探针阵列末端的平面度。图10示出了承载板和空间变换器之间的可变的结合厚度如何来补偿如图9中的空间变换器平坦度的缺乏。具体实施方式图1示出了本发明的示例性实施例。在此，探针阵列包括空间变换器114，以及两个或更多个探针承载板110，该两个或多个探针承载板110经由承载板结合部112机械地附接到空间变换器。在此，为了便于说明，仅示出了一个探针承载板，但是下面示出了多个探针承载板的示例。如图所示，每个探针承载板具有经由初级结合部108机械地附接到它的两个或更多个探针102，使得探针的末端104背对空间变换器114。为了便于说明，这里也仅示出了一个探针，但下面示出了承载板上的多个探针的示例。探针102与空间变换器114之间的电气连接是通过探针的机械顺应性弹簧特征116进行的，这些弹簧特征接触空间变换器，而不会经由次级结合部118接触探针承载板。相应的制作方法包括以下特征：i)提供两个或更多个探针承载板；ii)将两个或更多个探针机械地附接到每个探针承载板，以提供对应于每个探针承载板的探针承载组件；iii)提供空间变换器；以及iv)在所有探针承载板都完全填布有其相应的探针后，将探针承载组件机械地附接到该空间变换器。在此，探针和空间变换器之间的电气连接是通过探针的弹簧特征来实现的，这些弹簧特征接触空间变换器而不接触探针承载板。这样，就可以实现上述的减少制造交付时间优点。例如，可以通过在将承载板组件最终组装到空间变换器上之前并行地填布多个探针承载板来减少交付时间。探针102可包括一个或多个柱106，这些柱构造成向探针承载板提供机械附连点。本发明的实践并不严格取决于空间变换器114的制造或结构。例如，空间变换器114可以是陶瓷或印刷电路板(pcb)，并且它可以具有低的或高的热膨胀系数(cte)。探针承载板110较佳地是低cte的材料。探针102可以使用初级结合机构108并使用拾取和放置机器人而被附联到探针承载板110。弹簧特征116可以使用次级结合机构118而电气连接到空间变换器114。关于初级和次级结合的进一步细节在下面给出。图2示出了探针设计的示例性较佳特征。在该示例中，探针102包括挠曲元件202，以为末端104提供机械顺应性。探针102还包括对准特征204，该对准特征204可用于以六个自由度来对准探针(在此，柱106也可以被认为是这种对准特征)。如图所示，对准特征较佳地定位在探针102的本体内，以使探针末端相对于探针阵列中的所有其他探针末端精确定位。在该示例中，对准特征204用于侧向对准，而柱106用于竖直对准。出于机械或电气方面的考虑，比如至空间变换器的附连强度或载流能力，可以使用一个以上的弹簧特征116。类似地，基于诸如附连强度之类的机械考虑，可利用一个或多个柱106来限定探针与探针承载板之间的附连点。图3a-g示出了探针的附接点特征的示例性设计变型。这些变型初级涉及对探针和探针承载板之间的初级结合的优化，因此在此将考虑该主题。探针较佳地使用拾取和放置机器人对齐并定位到探针承载板。然后通过使用粘合剂、焊膏、接口材料等将探针结合到正确的x、y、z位置。结合材料较佳地设计成在诸如热、紫外线、激光、热空气等之类的后处理期间具有非常低的收缩率，并在探针脚和承载板之间形成牢固的结合连接。可以使用诸如探针脚的孔、凹槽、齿、山丘和山谷之类的几何修改(图3b-g)来提高附着力并防止结合材料被芯吸超出探针脚。防止结合材料芯吸的另一种方法是用抗芯吸的涂层涂覆探针(例如，图3a中的302)。用于这种涂层的合适材料包括诸如铝、镍、钛、钨、钼等之类的金属以及聚对二甲苯。还可以通过对探针脚和/或探针承载板进行表面处理来对初级结合加以优化而提高附着力，包括但不限于：化学蚀刻、物理蚀刻、苏打喷砂、喷砂、紫外线照射和激光照射。探针的几何特征可以构造成能加快探针在探针阵列中的紧密包装。图4a-c示出了用于将探针紧密包装在承载板上的第一示例性方法。在此，探针402具有如图所示布置的探针脚402a、402b和探针弹簧特征402c。类似地，探针404具有如图所示布置的探针脚404a、404b和探针弹簧特征404c。图4c示出了由如图所示的交替探针402和404组成的探针阵列的俯视图。从该视图显而易见，探针402和404上的探针脚和探针弹簧特征的不同构造使得探针阵列的节距(即，相邻探针之间的间距)小于仅探针402的阵列或仅探针404的阵列所需的节距。在此，在图4c的视图中椭圆示意性地表示与所示探针特征相关的结合部。图5a-c示出了用于将探针紧密包装在承载板上的第二示例性方法。在此，探针502具有如图所示布置的探针脚502a和探针弹簧特征502b。类似地，探针504具有如图所示布置的探针脚504a和探针弹簧特征504b。图5c示出了由如图所示的交替探针502和504组成的探针阵列的俯视图。在此，也显而易见的是，探针502和504上的探针脚和探针弹簧特征的不同构造使得探针阵列的节距小于仅探针502的阵列或仅探针504的阵列所需的节距。在这两个示例中，探针阵列中的相邻探针使它们相应的柱相对于彼此交错，从而可以减小相邻探针之间的间隔。图6是图4c的构造的侧视图。在此，探针602具有探针脚608和探针弹簧特征604，探针弹簧特征604在次级结合部606处与空间变换器114接触。在该视图中，在探针602正后方的探针具有探针脚618和探针弹簧特征614，探针弹簧特征614在次级结合部616处与空间变换器114接触。在此，结合部108是如上所述的初级结合部。本发明的实践并不严格取决于探针弹簧特征至空间变换器的次级结合部的细节。合适的次级结合方法包括但不限于：回流焊、热压缩、粘合剂或焊料的局部热空气固化、导电粘合剂、带式自动结合(tab)、线材结合、激光结合、压电结合以及利用激光焊料喷射。图7示出了将承载板结合到空间变换器的第一示例。在该示例中，假定具有附连到其上的探针702的探针承载板110是低cte的陶瓷。对于陶瓷探针承载板110，可以使用拾取和放置机器人来执行到空间变换器114的附连，该拾取和放置机器人可以在所有六个自由度上精确地定位承载板，并使用粘合剂或焊料704锁定在适当的位置，可以使用ir对流、传导、紫外线、激光、x射线、电子束、热空气等来处理粘合剂或焊料704。如图所示，需要将粘合剂或焊料704放置在周缘中以用于局部的后处理。图8示出了将承载板结合到空间变换器的第二示例。在该示例中，假定具有附连到它的探针702的探针承载板110是低cte的玻璃状材料。对于玻璃探针承载板110，可以使用拾取和放置机器人来执行到空间变换器114的附连，该拾取和放置机器人可以在所有六个自由度上精确地定位承载板，并使用粘合剂或焊料804锁定在适当的位置，可以使用ir对流、传导、紫外线、激光、x射线、电子束、热空气等来处理粘合剂或焊料704。如图所示，粘合剂或焊料804可以放在承载板上的任何位置。在图7-8的示例中，用粗箭头示意性地示出了焊料/粘合剂的处理。图9示出了空间变换器与平坦度的偏差可以如何影响探针阵列末端的平面度。在此，空间变换器114经由顺应性电气连接部906和机械连接部908附连到主pcba(印刷电路板组件)904和测试器侧机械接口902。多个探针承载板110设置在空间变换器114上。这些探针承载板中的每一个包括如上结合图6所述的多个探针。如果探针承载板110和空间变换器114之间的结合部911、912、913、914、915、916都具有相同的厚度，则空间变换器114与平面度(点划线)的偏差会导致探针末端与平面度(虚线)的相应偏差。图10示出了承载板和空间变换器之间的可变的结合厚度如何来补偿如图9中的空间变换器平坦度的缺乏。在此，探针承载板110和空间变换器114之间的结合部1011、1012、1013、1014、1015、1016具有不同的厚度，以根据需要提供探针末端的平面度(虚线)，即使空间变换器114偏离了平面度(点划线)也行。可以将其视为具有局部可调的垂直位移的空间变换器，该空间变换器构造成对于探针阵列的所有探针使探针的末端共面。更具体地，通过在承载板和空间变换器之间的结合部来提供局部可调节的竖直位移，该结合部对于每个承载板具有制造时可调节(fabrication－adjustable)的结合厚度。利用拾取和放置机器人技术很容易实现对结合厚度的这种控制。在此重要的是要注意，探针的弹簧特征可以(并且较佳地)设计成具有足够的机械顺应性，以适应该平面度调节能力所需的一定范围的探针承载板与空间变换器的结合厚度。当前第1页1 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技术特征：1.一种探针阵列，包括：
空间变换器；
机械地附接到所述空间变换器的两个或更多个探针承载板，其中，每个探针承载板具有两个或更多个机械地附接到它的探针，使得所述探针的末端背对所述空间变换器；
其中，所述探针和所述空间变换器之间的电气连接是通过所述探针的弹簧特征来实现的，所述弹簧特征接触所述空间变换器而不接触所述探针承载板。
2.如权利要求1所述的探针阵列，其特征在于，所述探针包括一个或更多个柱，所述一个或更多个柱提供至所述探针承载板的机械附连点。
3.如权利要求2所述的探针阵列，其特征在于，所述探针阵列中的相邻探针使具它们相应的柱彼此交错，从而能够减小所述相邻探针之间的间隔。
4.如权利要求1所述的探针阵列，其特征在于，所述空间变换器具有局部可调节的竖直位移，所述竖直位移构造成使所述探针的所述末端与所述探针阵列中的所有探针共面。
5.如权利要求4所述的探针阵列，其特征在于，通过在所述承载板和所述空间变换器之间的结合部来提供局部可调节的竖直位移，所述结合部对于每个所述承载板具有制造时可调节的结合厚度。
6.一种制作探针阵列的方法，所述方法包括：
提供两个或更多个探针承载板；
将两个或更多个探针机械地附接到每个探针承载板，以提供对应于所述每个探针承载板的探针承载组件；
提供空间变换器；
在所有探针承载板都完全填布有它们相应的探针后，将所述探针承载组件机械地附接到所述空间变换器；
其中，所述探针和所述空间变换器之间的电气连接是通过所述探针的弹簧特征来实现的，所述弹簧特征接触所述空间变换器而不接触所述探针承载板。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述空间变换器具有局部可调节的竖直位移，所述竖直位移构造成使得所述探针的末端与所述探针阵列的所有探针是共面的。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，通过在所述承载板和所述空间变换器之间的结合部来提供局部可调节的竖直位移，所述结合部对于每个所述承载板具有制造时可调节的结合厚度，并且还包括对结合厚度进行调节以提供所述探针末端的平面度。
技术总结探针经由多个承载板连接到空间变换器。探针到空间变换器的电气接触是借助探针上的弹簧尾部特征实现的，该弹簧尾部特征连接到空间变换器而不连接到承载板。换言之，承载板在功能上纯粹是机械的。相对于在空间变换器上的单个探针的顺序放置，这种构造可以显著减少探针阵列的制造时间。可以并行地在多个探针承载板上填布探针，并且将承载板到空间变换器上的最终顺序组装具有大大减少的操作次数。可以补偿空间变换器与平坦度之间的偏差。
技术研发人员：M·塞尔瓦拉;J·基斯特
受保护的技术使用者：佛姆法克特股份有限公司
技术研发日：2018.10.30
技术公布日：2020.06.05
