專利名稱：共面集成電路芯片微波探針的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬一種用于在片檢測(cè)共面集成電路芯片電學(xué)特性的信號(hào)傳輸裝置。
對(duì)共面集成電路芯片檢測(cè)時(shí)，普通的電子探針(例如鎢探針)在頻率數(shù)十兆以上時(shí)，將產(chǎn)生嚴(yán)重的寄生阻抗，使信號(hào)無(wú)法傳輸。因此，它只能給出直流或低頻特性，不足以判斷集成電路性能的優(yōu)劣。特殊設(shè)計(jì)制作的芯片微波探針是一種過(guò)渡器。它要完成同軸傳輸線到共面波導(dǎo)之間的轉(zhuǎn)換和共面波導(dǎo)到待測(cè)器件芯片外接傳輸線即信號(hào)鍵合墊之間的過(guò)渡，實(shí)現(xiàn)直流到微波寬頻帶范圍內(nèi)特性阻抗的均勻一致性，為測(cè)試設(shè)備和共面集成電路芯片鍵合墊之間提供一臨時(shí)的直流到微波頻率范圍的寬頻帶電學(xué)接觸。使用芯片微波探針可在共面集成電路芯片解理、鍵合、封裝之前檢測(cè)集成電路性能。
與本發(fā)明最接近的芯片微波探針是美國(guó)的一個(gè)發(fā)明專利給出的“探測(cè)微波電路的裝置”，專利申請(qǐng)日為1989年6月5日，申請(qǐng)?zhí)枮?63027，專利公告號(hào)為4965514。該專利公開的裝置的結(jié)構(gòu)可分為三大部分-探針板、金屬模塊和轉(zhuǎn)換器接頭。其中的探針板的下底面裝有共面波導(dǎo)傳輸線，包括信號(hào)線及其兩側(cè)的地線，在信號(hào)線及兩條地線的測(cè)試端裝有金屬的導(dǎo)電觸頭，在探針板的另一端，信號(hào)線與轉(zhuǎn)換器接頭的中心導(dǎo)體相聯(lián)，兩條地線與金屬模塊相聯(lián)。這種結(jié)構(gòu)，為了保證共面波導(dǎo)傳輸線的特性阻抗不偏離設(shè)定值，探針板的上表面(即探針板的基片背面)不應(yīng)有金屬導(dǎo)電層，而應(yīng)當(dāng)采用在金屬模塊上刻槽方法消除對(duì)特性阻抗的影響。這種刻槽方法在探針板上有多條信號(hào)線時(shí)就很難奏效。同時(shí)，同軸轉(zhuǎn)換接頭與共面波導(dǎo)傳輸線的過(guò)渡部分的特性阻抗由于結(jié)構(gòu)上的原因而存在不連續(xù)性，在微波由同軸傳導(dǎo)轉(zhuǎn)換為共面?zhèn)鲗?dǎo)時(shí)，會(huì)造成較大的能量損失。該專利給出的導(dǎo)電觸頭，由于材料單一，不是容易被損壞壽命不長(zhǎng)，就是在測(cè)量時(shí)損傷被測(cè)芯片的鍵合墊破壞被測(cè)芯片的性能。
本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)的缺點(diǎn)，最大程度的改善同軸傳輸線到共面波導(dǎo)之間轉(zhuǎn)換和過(guò)渡的不連續(xù)性，有效地實(shí)現(xiàn)寬頻帶范圍內(nèi)芯片微波探針的特性阻抗的均勻一致性;同時(shí)省去金屬模塊的刻槽等復(fù)雜工藝，完成多條信號(hào)線時(shí)也連續(xù)均勻;且導(dǎo)電觸頭適用耐用。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，在已有技術(shù)的基礎(chǔ)上，將共面波導(dǎo)(CPW)板設(shè)計(jì)成地共面波導(dǎo)(GCPW)板，即在本發(fā)明的探針板使用地共面波導(dǎo)傳輸線，在探針板的上表面(即背面)敷有金屬層構(gòu)成的大面積的背面地線，提供一個(gè)良好的RF地電位，同時(shí)不再在金屬模塊上刻槽。采用多條信號(hào)線漸縮形式，并在兩條相鄰的信號(hào)線間加附加地線及提供良好的地RF電位的方法，完成多條信號(hào)線時(shí)的轉(zhuǎn)換連續(xù)性和阻抗特性均勻一致，有效地減小RF地通道的寄生電感。采用軟導(dǎo)電金屬材料內(nèi)包含有硬導(dǎo)電金屬材料球的辦法制作導(dǎo)電觸頭，達(dá)到即耐用又不損壞待測(cè)芯片鍵合墊的目的。
下面具體敘述本發(fā)明的共面集成電路芯片微波探針的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的微波探針主要包括有探針板、導(dǎo)電金屬模塊、微波同軸轉(zhuǎn)換接頭三個(gè)部分。
其中的探針板是以絕緣材料的微波介質(zhì)基片為主體制作的地共面波導(dǎo)板。在探針板的正面(即下底面)微波介質(zhì)基片上有金屬的信號(hào)線和在信號(hào)線兩側(cè)的兩條金屬的正面地線，在探針板的探測(cè)端在信號(hào)線和正面地線上分別裝有導(dǎo)電觸頭。在探針板的背面(即上表面)在微波介質(zhì)基片上敷有金屬層作為背面地線;在探針板的正面和背面之間穿透微波介質(zhì)基片，開有若干個(gè)小孔，通過(guò)小孔使用低溫金屬焊料將正面地線和背面地線電接通;同時(shí)將兩條正面地線通過(guò)小孔中的低溫金屬焊料用導(dǎo)電絲電接通。
其中的導(dǎo)電金屬模塊起著固定探針板和微波同軸轉(zhuǎn)換接頭的作用，也是二者過(guò)渡中的共同地。導(dǎo)電金屬模塊是一個(gè)具有豎直圓孔的金屬模塊，豎直圓孔用于插入微波同軸轉(zhuǎn)換接頭的絕緣介質(zhì)柱，在導(dǎo)電金屬模塊的底面水平安裝探針板，并使探針板的后端(與探測(cè)端對(duì)應(yīng)的另一端)與絕緣介質(zhì)柱的下端相接。探針板是通過(guò)導(dǎo)電金屬模塊底面上開有的凹槽安裝在導(dǎo)電金屬模塊上的，凹槽的深度與探針板的厚度相同;凹槽的形狀及尺寸洽好使探針板的后端部鑲?cè)氚疾壑?探針板鑲?cè)雽?dǎo)電金屬模塊的凹槽后，正面地線靠探針板側(cè)面的邊緣部分與導(dǎo)電金屬模塊的凹槽邊緣，用低溫金屬焊料封連并電接通。
其中的微波同軸轉(zhuǎn)換接頭包括插入導(dǎo)電金屬模塊豎直圓孔內(nèi)的絕緣介質(zhì)柱，絕緣介質(zhì)柱是沿軸線中空的，其內(nèi)裝入中心導(dǎo)體，中心導(dǎo)體接觸到探針板的后端端表面，并與信號(hào)線電接通，同軸電纜連接器用螺釘固定在導(dǎo)電金屬模塊的頂端。探針通過(guò)同軸電纜連續(xù)器與外部設(shè)備相連。
前述的探針板上的信號(hào)線、正面地線和背面地線是采用光刻工藝制作的漸變的地共面波導(dǎo)(GCPW)板。探針板在鑲?cè)雽?dǎo)電金屬模塊的凹槽時(shí)，使用導(dǎo)電膠使背面地線與凹槽的表面粘接以保證牢固和良好的電接觸。探針板的探測(cè)端可制成三角形頂部，即有斜坡的探測(cè)端頭，其斜角可為10°左右，這樣在測(cè)量時(shí)，測(cè)量顯微鏡可直接觀察并確定出探針板正面的最前端的位置。
為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，可參見

圖1～4。
圖1是本發(fā)明的微波探針的結(jié)構(gòu)側(cè)視半剖圖。
圖2是本發(fā)明的微波探針的結(jié)構(gòu)底視圖。
圖3是圖1的A-A剖面圖。
圖4是本發(fā)明的多觸頭探針板(包含兩條信號(hào)線)的底視圖。
在圖1中，1是同軸電纜連接器，被螺釘固定在導(dǎo)電金屬模塊2的頂端，導(dǎo)電金屬模塊2的中間豎直圓孔內(nèi)插有絕緣介質(zhì)柱7。探針板是通過(guò)導(dǎo)電金屬模塊2下表面上開有的凹槽鑲?cè)雽?dǎo)電金屬模塊2的。探針板的正面與導(dǎo)電金屬模塊2的底面處于同一平面內(nèi)(即探針板的厚度與凹槽的深度相等)。探針板的背面敷有金屬層的背面地線8，背面地線8與導(dǎo)電金屬模塊2的凹槽表面電接通。
絕緣介質(zhì)柱7的下端呈一半柱面臺(tái)階狀，臺(tái)階高表面5高于臺(tái)階低表面6。它們的高度差可以等于探針板的厚度。臺(tái)階高表面5與探針板后端背面面接觸，并且在互相接觸的平面上沒(méi)有背面地線8，即屬于絕緣介質(zhì)柱7跟微波介質(zhì)基片10的電絕緣接觸。探針板的后端端面靠近中心導(dǎo)體3，探針板上的信號(hào)線15與中心導(dǎo)體3用低溫金屬焊料4電接通。
在制作中，中心導(dǎo)體3可以長(zhǎng)出絕緣介質(zhì)柱7一小部分，即中心導(dǎo)體3的下端面低于絕緣介質(zhì)柱7的臺(tái)階低表面6，將中心導(dǎo)體3長(zhǎng)出的小部分與信號(hào)線15用低溫金屬焊料4電接通。臺(tái)階低表面6與探針板的正面及導(dǎo)電金屬模塊2的底面大體處于一個(gè)平面內(nèi)。
圖1中，9是用于使正面地線跟導(dǎo)電金屬模塊2底面凹槽邊緣電接通的低溫金屬焊料;19是安裝在正面地線16探測(cè)端的導(dǎo)電觸頭，13是使正面地線與背面地線8電接通所開的小孔。
圖2給出微波探針的底面結(jié)構(gòu)圖，對(duì)探針板來(lái)說(shuō)是正面視圖，所給出的是具有三個(gè)導(dǎo)電觸頭18、19、20，居中的一條信號(hào)線15和兩側(cè)的各一條正面地線16、17、10是信號(hào)線15與兩條正面地線16、17之間顯露出的絕緣的微波介質(zhì)基片。13是正面地線16跟背面地線8之間穿透微波介質(zhì)基片10開出的若干個(gè)小孔，14則是在另一條正面地線17跟背面地線8間開出的若干小孔，各相對(duì)的兩兩小孔13和14之間焊接有導(dǎo)電絲21，導(dǎo)電絲21及小孔13、14內(nèi)的低溫金屬焊料將正面地線16、17，背面地線8全部電接通，并由低溫金屬焊料9及導(dǎo)電膠將它們與導(dǎo)電金屬模塊2電接通，提供一共同地電位有效減小RF地通道的寄生電感。圖2中的標(biāo)號(hào)2、3、4、6與圖1表示的意義相同。
如圖2所示，探針板的正面和背面的形狀是兩腰長(zhǎng)大于底邊的三角形，三角形的頂端作探測(cè)端，三角形的底邊為探針板的后端;所說(shuō)的信號(hào)線15、正面地線16、17制作成漸變的地共面波導(dǎo)傳輸線。這種逐漸變窄的傳輸線能夠設(shè)計(jì)成所需的特性阻抗值。所說(shuō)的安裝在地共面波導(dǎo)傳輸線尖端的導(dǎo)電觸頭18、19、20是由軟金屬材料內(nèi)包含一硬導(dǎo)電金屬材料球構(gòu)成。
導(dǎo)電金屬模塊2安裝探針板的部分可以制作成梯形橫截面，即自絕緣介質(zhì)柱6起，導(dǎo)電金屬模塊2的寬度是逐漸變窄的，這樣可以減少本發(fā)明的微波探針的側(cè)向體積，適于實(shí)用。
圖3可以明顯的顯示出導(dǎo)電金屬模塊2下底面開出的凹槽和鑲?cè)氲奶结槹宓奈恢藐P(guān)系。顯示出小孔13，14背面地線8、正面地線16，17的位置關(guān)系，顯示出導(dǎo)電金屬模塊2凹槽邊緣與探針板邊緣(正面地線16，17邊緣)用低溫金屬焊料9電接通的狀況。
本發(fā)明的探針板上的信號(hào)線15可以在探針板正面并列制作多條，在每相鄰兩條信號(hào)線15之間增加一條附加地線，所有的附加地線與正面地線、背面地線電接通。
這種多條信號(hào)線的結(jié)構(gòu)亦即是多導(dǎo)電觸頭的結(jié)構(gòu)稱作多觸點(diǎn)探針。所說(shuō)的附加地線也是通過(guò)光刻辦法制作的漸窄的傳輸線，它們與正面地線、背面地線的電接通也可以通過(guò)小孔、導(dǎo)電絲和低溫金屬焊料實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明還可以制作成一條信號(hào)線和一條正面地線的雙觸點(diǎn)探針;多條信號(hào)線多條正面地線的多觸點(diǎn)探針;還可以是多條信號(hào)線、多條正面地線并帶有電源供電線的多觸點(diǎn)探針，其中電源供電線不需要考慮阻抗匹阻，與固定在導(dǎo)電金屬模塊處的穿心電容相連并引出。
圖4給出了多條信號(hào)線的多觸點(diǎn)探針的一種結(jié)構(gòu)圖。圖4中給出并列的兩條信號(hào)線15、25，在兩側(cè)有兩條正面地線16、17，在兩條信號(hào)線15、25之間增加一條附加地線26。所有的地線-正面地線16、17，背面地線8，附加地線26通過(guò)穿透微波介質(zhì)基片10的小孔13、14、24用低溫金屬焊料、導(dǎo)電絲21連接成電通路。附加地線26的作用可以減小各信號(hào)線15、25之間電串音，又能保持傳輸中的特性阻抗。
本發(fā)明在使用中明顯地減小了插入和反射損耗，增加微波探針的帶寬。由于使用地共面?zhèn)鲗?dǎo)，在探針板背面有大面積金屬地，微波傳輸線的特性阻抗不受導(dǎo)電金屬模塊接觸面積的影響，因而不必在探針板接觸面處挖槽，因而有利于制作，有利于改善微波探針特性阻抗的均勻性。由于使用了一半柱面臺(tái)階狀的絕緣介質(zhì)柱，改善了同軸-共面波導(dǎo)過(guò)濾中的特性阻抗的不連續(xù)性，有利于減小轉(zhuǎn)換損耗。由于通過(guò)小孔、導(dǎo)電絲用低溫金屬焊料將正面地線、背面地線電接通，使地共面波導(dǎo)具有一個(gè)良好的同一地電位，從而降低了地回路中的寄生電感。由于探針板后端是鑲?cè)雽?dǎo)電金屬模塊的凹槽中，使導(dǎo)電金屬模塊與地有良好的電接觸，也有益于降低地回路中的射頻電感。由于使用了軟、硬金屬材料結(jié)合的辦法制作導(dǎo)電觸頭，而使待測(cè)芯片鍵合墊不受損傷，又延長(zhǎng)了微波探針的使用壽命。由于導(dǎo)電金屬模塊減少了側(cè)向體積和探針板的探測(cè)端具有斜坡的探測(cè)端頭，而使用方便。由于在多條并列信號(hào)線時(shí)在每相鄰兩條信號(hào)線間增加一條附加地線，而使多觸頭探針即可保持傳輸中的特性阻抗，又可降低信號(hào)線間的電串音。
權(quán)利要求
1.一種共面集成電路芯片微波探針，其結(jié)構(gòu)主要由探針板、導(dǎo)電金屬模塊(2)、微波同軸轉(zhuǎn)換接頭三個(gè)部分構(gòu)成，其中的探針板是以絕緣材料的微波介質(zhì)基片(10)為主體制作的共面波導(dǎo)板，在探針板的正面(即下底面)在微波介質(zhì)基片(10)上有金屬的信號(hào)線(15)和在信號(hào)線(15)兩側(cè)的兩條金屬的正面地線(16，17)，在探針板的探測(cè)端在信號(hào)線(15)和正面地線(16，17)上分別裝有導(dǎo)電觸頭(18，19，20)；其中的導(dǎo)電金屬模塊(2)為一個(gè)具有豎直圓孔的金屬塊，豎直圓孔用于插入微波同軸轉(zhuǎn)換接頭的絕緣介質(zhì)柱(7)，在導(dǎo)電金屬模塊(2)的底面水平安裝探針板，并使探針板的后端與絕緣介質(zhì)柱(7)的下端相接；其中的微波同軸轉(zhuǎn)換接頭包括插入導(dǎo)電金屬模塊(2)豎直圓孔內(nèi)的絕緣介質(zhì)柱(7)，絕緣介質(zhì)柱(7)是沿軸線中空的，其內(nèi)裝入中心導(dǎo)體(3)，中心導(dǎo)體(3)接觸到探針板的后端端表面，并與信號(hào)線(15)電接通，同軸電纜連接器(1)用螺釘固定在導(dǎo)電金屬模塊(2)頂端，本發(fā)明的特征在于①在探針板的背面(即上表面)，在微波介質(zhì)基片(10)上敷有金屬層作為背面地線(8)；在探針板的正面和背面之間穿透微波介質(zhì)基片(10)開有若干個(gè)小孔(13、14)，通過(guò)小孔(13、14)使用低溫金屬焊料，將正面地線(16、17)和背面地線(8)電接通；同時(shí)將兩條正面地線(16、17)通過(guò)小孔(13、14)中的低溫金屬焊料用導(dǎo)電絲(21)電接通。②所說(shuō)的導(dǎo)電金屬模塊(2)的底面開有凹槽，凹槽深度與探針板的厚度相同，凹槽的形狀及尺寸恰好使探針板的后端部鑲?cè)氚疾壑校惶结槹彖側(cè)雽?dǎo)電金屬模塊(2)的凹槽后，正面地線(16、17)靠探針板側(cè)面的邊緣部分與導(dǎo)電金屬模塊(2)的凹槽邊緣用低溫金屬焊料(9)封連并電接通。
2.按照權(quán)利要求1所述的共面集成電路芯片微波探針，其特征在于所說(shuō)的絕緣介質(zhì)柱(7)的下端是一半柱面臺(tái)階狀的，臺(tái)階高表面(5)高于臺(tái)階低表面(6)，臺(tái)階高表面(5)與探針板的后端背面面接觸，并且互相接觸的平面上沒(méi)有背面地線(8)，探針板的后端端面靠近中心導(dǎo)體(3)，探針板上的信號(hào)線(15)與中心導(dǎo)體(3)用低溫金屬焊料(4)電接通。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的共面集成電路芯片微波探針，其特征在于探針板的正面和背面的形狀是兩腰長(zhǎng)大于底邊的三角形，三角形的頂端作探測(cè)端，三角形的底邊為探針板的后端;所述的信號(hào)線(15)和正面地線(16，17)制作成漸變的地共面波導(dǎo)傳輸線;所說(shuō)的導(dǎo)電觸頭(18，19，20)是由軟金屬材料內(nèi)包含一硬導(dǎo)電金屬材料球構(gòu)成。
4.按照權(quán)利要求1或2所述的共面集成電路芯片微波探針，其特征在于所說(shuō)的信號(hào)線(15)并排制作多條，在每相鄰兩條信號(hào)線(15)之間增加一條附加地線(26)，所有附加地線(26)及正面地線(16，17)和背面地線(8)電接通。
5.按照權(quán)利要求3所述的共面集成電路芯片微波探針，其特征在于所說(shuō)的信號(hào)線(15)并排制作多條，在每相鄰兩條信號(hào)線(15)之間增加一條附加地線(26)，所有附加地線(26)及正面地線(16、17)和背面地線(8)電接通。
全文摘要
本發(fā)明是用于在片檢測(cè)共面集成電路芯片電學(xué)特性的信號(hào)傳輸裝置。其中，探針板下表面裝有信號(hào)線15，正面地線16，導(dǎo)電觸頭19，上表面裝有背面地線8，所有地線及導(dǎo)電金屬模塊2通過(guò)低溫金屬焊料和導(dǎo)電絲電接通。導(dǎo)電觸頭由軟金屬內(nèi)包一硬金屬球構(gòu)成。絕緣介質(zhì)柱7下端為一半柱面臺(tái)階狀，其中的中心導(dǎo)線3與信號(hào)線15用低溫金屬焊料4電接通。本發(fā)明具有插入和反射損耗小、帶寬增加、特征阻抗均勻連續(xù)、降低地回路中射頻電感、導(dǎo)電觸頭耐用不損壞芯片等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01R15/00GK1095483SQ94102728
公開日1994年11月23日 申請(qǐng)日期1994年3月15日 優(yōu)先權(quán)日1994年3月15日
發(fā)明者孫偉, 衣茂斌, 田小建 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)