TWI416117B - 探針卡 - Google Patents

Description

探針卡

本發明有關一種探針卡，特別關於一種具一探針系統模組(module of probe system)且能保持一測試訊號維持較佳完整性之探針卡。

晶圓測試時，測試機須透過一探針卡(probe card)接觸晶圓，並傳送一測試訊號以獲取晶圓的電氣訊號。探針卡通常包含若干個尺寸精密的探針，測試時，藉由探針接觸待測物(device under test,簡稱DUT)上尺寸微小的銲墊或凸塊，傳遞來自於測試機之測試訊號，並配合探針卡及測試機之控制程序，達到量測的目的。

科技的進步促使探針卡的結構趨於精密與複雜。然而，探針卡內部過於複雜的傳輸線路，會延長測試訊號整體的傳輸路徑。習知的測試訊號經由測試機傳送出，透過金屬接點或導線傳遞至探針卡，再經探針卡之印刷電路板到達探針針尖，路徑相當漫長。因此，待測物經探針接觸接收到的測試訊號，往往因探針卡的多層結構、過長的導線傳輸、或者接地線(ground)的干擾而失真或損耗。同樣地，自待測物回傳至探針卡或測試機的結果訊號，亦會產生某種程度的損耗，而無法反應真實的測試結果。

相關專利提供一種可平行測試(parallel testing)探針卡，如美國專利第US 7,307,433號之「Intelligent probe card architecture」揭露一種探針卡，其目的在於改良單一測試晶圓的背景技術，係藉子卡(daughter card)以及組件將來自單一線路之測試訊號以及電力供應扇出(fan out)至多個待測物，達到平行測試(parallel testing)的目的；美國專利第US 6678850號之「Distributed interface for parallel testing of multiple devices using a single tester channel」則於探針卡的印刷電路版設置子電路，該子電路可作為測試訊號扇出的媒介，其藉一單通道(single channel)接收測試機的測試訊號，送至待側物並接收來自待側物的回傳訊號；此外，美國專利第US 7,202,687號之「System and methods for wireless semiconductor device testing」，則揭露一種利用無線廣播(wireless transmission)方式增加傳輸通道的探針卡系統，其利用廣播方式將測試訊號傳遞至多個探針，藉此減少探針卡配合內部傳輸通道所須的複雜佈線。

惟，上述的美國專利第US 7,307,433號的目的和所揭露的實施例主要在於提供一種平行測試(parallel testing)的機構，並且解決複數個待測物(DUT)之間以及多重電力線路間的隔離(isolation)問題；美國專利第US 6678850號則可藉由子電路比對來自待側物的回傳訊號，並將錯誤值(error value)回傳至測試機；美國專利第US 7,202,687號則著重將單一傳輸通道扇出成多個傳輸通道。實際上，測試訊號依然來自測試機(test system)，測試訊號因傳輸路徑過長而衍生失真或損耗的問題仍未改善。

綜上所述，習知探針卡的測試訊號須經較長的傳輸路徑，才能達到探針針尖。因此，本發明之目的在於提供一種測試訊號之傳輸路徑較短的探針卡，進而獲致較佳的傳輸品質，致使待測物接收到的測試訊號不失真且具較佳之完整性。

為了達成上述目的，本發明將探針組和產生測試訊號至探針組之測試訊號產生裝置獨立於測試機與探針卡模組的印刷電路板(PCB)外，探針組和測試訊號產生裝置兩者形成一探針系統模組。探針系統模組負責接收來自測試機的控制訊號，並自行產生相對應的測試訊號。因探針系統模組較為接近探針組，致使測試訊號的傳輸距離減短，可減少測試訊號產生耗損與失真。

更進一步地，本發明提供之探針卡，包含一探針卡模組、一探針系統模組以及一固定探針系統模組於探針卡模組之固定單元。探針卡模組包含一第一傳輸單元；探針系統模組包含一探針組、一訊號處理單元以及一第二傳輸單元；該訊號處理單元電性連接該探針組，第二傳輸單元可與第一傳輸單元無線傳輸，並接收來自該第一傳輸單元之一控制訊號；其中，該訊號處理單元可根據該控制訊號產生相對應之測試訊號並傳遞至該探針組，而測試結果藉由該第二傳輸單元回傳至該第一傳輸單元。

本發明除改善測試訊號的完整性外，該探針系統模組亦可取代測試機的部分功能，並具備傳輸通道電性的自我檢測功能。有關本發明的詳細技術內容及較佳實施例，配合圖式說明如後。

有關本發明之詳細說明及技術內容，現就配合圖式說明如下：習知探針卡的測試訊號經測試機傳送出後，須經探針卡多層結構的遠距離傳輸，才能抵達探針針尖，且受到線路距離、連接方式以及接地線之間的彼此影響，因此測試訊號會產生失真及損耗。本發明將測試訊號處理(包含測試訊號的產生與回傳)和探針組獨立，形成一探針系統模組(module of probe system,簡稱MPS)而改善上述問題。探針系統模組可根據來自測試機的控制訊號，自行產生測試訊號，致使測試訊號送達探針的傳輸距離減到最小。

請參閱「圖1A」和「圖2」所示，其分別為本發明一實施例之系統架構圖和探針卡一實施例之結構示意圖。本發明提供之探針卡1，包含一探針卡模組10、一探針系統模組20以及一固定單元30；該固定單元30固定該探針系統模組20於該探針卡模組10。

探針卡模組10包含一印刷電路板11與一第一傳輸單元12；來自測試機100之電氣控制訊號可藉由該印刷電路板11傳送至第一傳輸單元12，並藉第一傳輸單元12將控制訊號傳送至該探針系統模組20。此處要加以說明的是，探針卡模組10可包含其他習知的相關結構，例如固定該探針卡1於測試機100的固定裝置、各式連接線路或結構強化裝置等。然而，該些習知的裝置或部件並非本發明之核心所在，因此為了明確本發明的特徵，省略了該些裝置的敘述，然而該些省略並不影響本發明的實施與瞭解。

在上述一實施例中，該第一傳輸單元12可包含一數位類比轉換器(圖中未顯示)，可轉換訊號傳輸模式，將數位之控制訊號轉換為類比訊號，並以類比模式傳送至第二傳輸單元24(容後詳述)，以獲得較佳之傳輸品質，但不以此為限。

探針系統模組20實質上獨立而分離於該探針卡模組10，其包含：一基座21、固定於該基座21之一探針組22、一訊號處理單元23以及一第二傳輸單元24。探針組22固定於基座21一側，形成一測試面；第二傳輸單元24為探針系統模組20與探針卡模組10的溝通管道，其可接收來自第一傳輸單元12的控制訊號，並將該控制訊號傳送至訊號處理單元23；另一方面，第一傳輸單元12以及第二傳輸單元24可進行雙向(bi-directional)傳輸，因此第二傳輸單元24亦可將訊號處理單元23產生之測試結果訊號，回傳至第一傳輸單元12，致使探針卡模組10，或進一步地透過測試機100進行測試訊號分析；探針組22包含複數個探針，每一探針與訊號處理單元23電性相連；訊號處理單元23可依照來自探針卡模組10，或更進一步地，依照來自測試機100的控制訊號，驅動訊號處理單元23產生相對應之測試訊號，並以相對較短的路徑傳送至探針組22所對應的探針，以進行測試；反向地，探針組22亦可將個別探針接觸待側物所獲得的測試結果訊號，回傳至訊號處理單元23。

請配合參見「圖3」，其顯示「圖2」中，探針系統模組20內部配置的一實施例上視圖。並請配合參見「圖1A」，具體化而言，該訊號處理單元23可包含一訊號產生器231以及一結果接收器232，訊號產生器231根據來自第一傳輸單元12的控制訊號，產生一測試訊號並傳送至探針組22；該測試訊號可為直流(DC)電、射頻訊號(RF signal)、類比/數位功能性訊號(analog/digital function signal)等，但不以此為限。該結果接收器232可接收探針組22回傳的數位/類比測試結果訊號，藉由第二傳輸單元24傳回至探針卡模組10及測試機100。訊號處理單元23更包含一可程式單晶片控制器233，其藉由接收第一傳輸單元12的控制訊號，產生一第一驅動訊號，以驅動訊號產生器231產生該測試訊號；或者該可程式單晶片控制器233產生一第二驅動訊號，以驅動結果接收器232接收該測試結果訊號後，傳送至第二傳輸單元24，再藉由第二傳輸單元24傳輸至該第一傳輸單元12。在一實施例中，該訊號處理單元23可包含一數位類比轉換器(digital-to-analog converter)，轉換訊號模式，例如將數位之測試結果訊號轉成類比模式回傳至探針卡模組10。

所述的探針系統模組20可包含一狀態記錄單元25(status recorder)，其可為一記憶體或是暫存器(register)，做為第二傳輸單元24及結果接收器232傳輸資料的佇列(queue)。當然上述方式，亦可將第二傳輸單元24及結果接收器232傳輸資料分開處理。請參照「圖1B」，在探針卡1’中，探針系統模組20’可包含狀態記錄單元25’及一控制碼紀錄單元26’，狀態記錄單元25’及一控制碼紀錄單元26’均可為一記憶體或是暫存器，其中，狀態記錄單元25’係作為結果接收器232傳輸資料的佇列，以將結果接收器232傳輸的資料傳送到第二傳輸單元24，控制碼紀錄單元26’則作為第二傳輸單元24傳輸資料的佇列，以將第二傳輸單元24傳輸的資料傳送到可程式單晶片控制器233。

此外，在一實施例中，該訊號處理單元23為一晶片裝置，可透過球柵陣列(ball grid array,簡稱BGA)的封裝方式固定於基座21，再透過基座21內部的導線與探針組22電性相連；或藉由位於基座21之一插槽(socket)，插接於基座21，因此後者可針對不同的測試需求或訊號形式，彈性地更換不同功能之訊號處理單元23。必須說明的是，本發明的主要目的為改善訊號至探針傳輸路徑過長而失真的問題，因此訊號處理單元23與探針組22兩者於基座21的實際配置，以距離較相近者為考量，例如：訊號處理單元23可內嵌於基座21內部靠近探針組22處，獲致最短的電性傳輸距離，但不以此為限。另一方面，該探針系統模組20之電源供應，亦獨立於探針卡模組10，避免因電力來自探針卡模組10，造成接地結構過於複雜，而影響電性品質。藉此，探針系統模組20可透過內建電池，或具獨立外接電源的方式，提供所需電力。

須再說明的是，第一傳輸單元12和第二傳輸單元24彼此間以非接觸型態的無線傳輸來達成訊號溝通，例如透過射頻(RF)、微波(microwave)、紅外線(Infrared)、耦合(coupling)等方式傳送資料。考量到部分無線傳輸的方式可能會造成較大的輻射或對測試產生干擾，可選擇幾無輻射的無線耦合機制來達成資料的傳輸，例如：磁耦合、電耦合或光耦合。

固定單元30將探針系統模組20固定於探針卡模組10。實務上，固定探針系統模組20於探針卡模組10的方式並無嚴格之限定，可為習知的固定方式，如螺絲鎖固或卡榫鎖固等。在其中一實施例中，固定單元30為一彈性緩衝結構，可吸收探針系統模組20測試或拆裝時因移動或震動產生的外力；在另一實施例中，固定單元30包含一水平調整結構，可調整探針系統模組20之水平狀態或Z軸位移(Z軸方向如「圖2」所示)；在再一實施例中，該固定單元30為一可拆卸結構，探針系統模組20藉此可自探針卡模組10拆卸而獨立，增加使用彈性和維修方便性。

本發明之「探針組22」意指探針卡1的探針整體，於探針數量或型式上並未予以限定，可為懸臂式探針、垂直式探針、或是微機電探針等。此外，本發明之探針系統模組20實質上電氣分離探針卡模組10，意即探針系統模組20僅透過固定單元30與探針卡模組10相互接觸，實際上探針系統模組20與探針卡模組10間並無任何導線相連而兩者實體分離而獨立，除透過無線方式傳遞訊號，探針系統模組20之電力供應單元亦與探針卡模組10相互切割，而透過內建或獨立電源的方式供應所需電力。

請再度參閱「圖3」，其中該探針系統模組20包含複數個探針組22、複數個訊號處理單元23和複數個第二傳輸單元24。第二傳輸單元24可為單向或者雙向傳輸單元，「圖3」顯示該些第二傳輸單元24被設定成單向傳輸，即某些第二傳輸單元24僅負責傳送控制訊號至訊號處理單元23，而某些第二傳輸單元24則僅負責回傳測試結果訊號至探針卡模組10，如此可避免第二傳輸單元24進行雙向傳輸可能造成之訊號延遲(delay)現象。

透過本發明，來自測試機100之控制訊號，可驅動相鄰於探針組22的探針系統模組20產生對應之測試訊號。由於與測試有關的電性傳輸侷限於探針系統模組20內部，將有助於提升待測物所接收到的訊號品質與完整性，避免訊號失真；再者，探針系統模組20相較於習用的印刷電路板層有較小的尺寸。另外，本發明之探針系統模組20，還具備訊號處理單元23可藉由插槽而隨不同探針卡1或測試需求更換，而具較佳之功能擴充性。探針系統模組20亦可自探針卡模組10拆卸下，進行內部的自我檢測(self-testing)。如「圖4」所示，探針系統模組20可透過加裝天線400的方式，與一計算機500進行溝通而自我檢測。所述之計算機500可為一電腦，其取代測試機100產生控制訊號，而驅動訊號處理單元23進行自我測試，輔助探針系統模組20進行內部的電性檢測與校正。因此，即便在無測試機100的情況下，亦可進行探針卡1的自我檢修和校正能力。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，非欲侷限本發明專利之專利保護範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖式內容所為之等效變化與修飾，均同理包含於本發明之權利保護範圍，合予陳明。

1、1’．．．探針卡

10．．．探針卡模組

11．．．印刷電路板

12．．．第一傳輸單元

20．．．探針系統模組

21．．．基座

22．．．探針組

23．．．訊號處理單元

231．．．訊號產生器

232．．．結果接收器

233．．．可程式單晶片控制器

24．．．第二傳輸單元

25、25’．．．狀態記錄單元

26’．．．控制碼紀錄單元

30．．．固定單元

100．．．測試機

400．．．天線

500．．．計算機

「圖1A」為本發明一實施例之系統架構圖。

「圖1B」為本發明另一實施例之系統架構圖。

「圖2」為本發明探針卡一實施例之結構示意圖。

「圖3」為本發明「圖2」中，探針系統模組內部配置的一實施例上視圖。

「圖4」為探針系統模組與一計算機進行自我檢測之模擬圖。

1．．．探針卡

10．．．探針卡模組

11．．．印刷電路板

12．．．第一傳輸單元

20．．．探針系統模組

21．．．基座

22．．．探針組

23．．．訊號處理單元

231．．．訊號產生器

232．．．結果接收器

233．．．可程式單晶片控制器

24．．．第二傳輸單元

25．．．狀態記錄單元

30．．．固定單元

Claims (15)

1. 一種探針卡，包含：一探針卡模組，包含一第一傳輸單元；一探針系統模組，包含一探針組、一訊號處理單元以及一第二傳輸單元；該訊號處理單元電性連接該探針組，該第二傳輸單元可與該第一傳輸單元進行無線傳輸，並可接收來自該第一傳輸單元之一控制訊號；以及一固定單元，用以固定該探針系統模組於該探針卡模組；其中，該控制訊號驅動該訊號處理單元產生一測試訊號，並傳輸該測試訊號至該探針組進行一測試，而測試所得一測試結果訊號藉由該第二傳輸單元傳輸至該第一傳輸單元。
2. 如申請專利範圍第1項所述之探針卡，其中該訊號處理單元包含一訊號產生器與一結果接收器，該訊號產生器可根據該控制訊號產生該測試訊號至該探針組；該結果接收器接收來自探針組的該測試結果訊號。
3. 如申請專利範圍第2項所述之探針卡，其中該測試訊號可選自直流電、射頻訊號、以及類比/數位功能性訊號所組成之群組其一。
4. 如申請專利範圍第2項所述之探針卡，其中該訊號處理單元包含一數位類比轉換器，可將該測試結果訊號以一類比模式傳送至該第一傳輸單元。
5. 如申請專利範圍第2項所述之探針卡，其中該訊號處理單元包含更包含一可程式單晶片控制器，以藉由接收該控制訊號， 產生一第一驅動訊號驅動該訊號產生器產生該測試訊號；藉由該可程式單晶片控制器產生一第二驅動訊號，以驅動該結果接收器接收該測試結果訊號後，傳送至第二傳輸單元，再藉由該第二傳輸單元傳輸至該第一傳輸單元。
6. 如申請專利範圍第2項所述之探針卡，其中該探針系統模組包含一狀態記錄單元，以作為該第二傳輸單元及該結果接收器傳輸資料的佇列。
7. 如申請專利範圍第6項所述之探針卡，其中該狀態記錄單元，為一記憶體或是暫存器。
8. 如申請專利範圍第2項所述之探針卡，其中該探針系統模組包含一狀態記錄單元及一控制碼紀錄單元，該狀態記錄單元係作為該結果接收器傳輸資料的佇列，該控制碼紀錄單元作為該第二傳輸單元傳輸資料的佇列。
9. 如申請專利範圍第8項所述之探針卡，其中該狀態記錄單元及該控制碼紀錄單元，為一記憶體或是暫存器。
10. 如申請專利範圍第1項所述之探針卡，其中該第一傳輸單元包含一數位類比轉換器，可將該控制訊號以一類比模式傳送至該第二傳輸單元。
11. 如申請專利範圍第1項所述之探針卡，其中該第一傳輸單元和該第二傳輸單元彼此間以一無線傳輸來傳輸訊號。
12. 如申請專利範圍第11項所述之探針卡，其中該無線傳輸為一耦合機制，該耦合機制可選自磁耦合、光耦合以及電耦合所組成群組之一。
13. 如申請專利範圍第1項所述之探針卡，其中該固定單元為一彈性緩衝結構。
14. 如申請專利範圍第1項所述之探針卡，其中該固定單元包含一水平調整結構。
15. 如申請專利範圍第1項所述之探針卡，其中該固定單元為一可拆卸結構。