一种MEMS垂直探针综合测试平台及测试方法

摘要

本发明公开了一种MEMS垂直探针综合测试平台及测试方法，测试平台主要由探针位移台及其驱动装置、测力传感器及模拟焊盘装配板、多路开关电源模块、测力传感器信号采集模块及测试平台整体支承架五个部分构成。该测试平台及方法可实现对探针载流能力、疲劳寿命、工作超程下接触力大小、能否与焊盘进行有效电接触四项性能测试，并可实现对多根探针同时测试。所诉测试平台及测试方法具有成本低、操作简单、测试结果可靠性高的特点。

权利要求

1.一种MEMS垂直探针综合测试平台，其特征在于，包括PCB板(5)、驱动装置、装配板(17)和测力传感器信号采集模块(19)，所述PCB板(5)设置在装配板(17)下方，所述驱动装置用于带动PCB板(5)竖直运动；

所述PCB板(5)上设置有探针装配工位；所述装配板(17)上安装有模拟焊盘(3)和测力传感器(18)，所述测力传感器和传感器信号采集模块电连接；多路开关电源模块(4)与测力传感器信号采集模块(19)通过螺钉装配在装配板(17)的上方，多路开关电源模块(4)的每对正负电极通过导线分别与一个测试回路中的两个模拟焊盘(3)相连，且输出电流大小可调；测力传感器信号采集模块(19)与测力传感器(18)之间通过数据线进行信号传输；

所述驱动装置包括驱动电机(10)，所述驱动电机(10)的动力输出轴上安装有偏心轮(9)，所述偏心轮(9)非圆心位置与推动连杆(11)第一端铰接，推动连杆(11)第二端与推动塞(8)转动连接，推动塞(8)上端面与弹性支承件(7)下端面相接触，当偏心轮(9)带动推动连杆(11)和推动塞(8)运动到最高点时，探针超程等于其实际工作时的超程；

所述PCB板(5)固定在PCB板支承板(13)上，所述PCB板支承板(13)下端伸入弹性支承件(7)上部；

所述PCB板支承板(13)上表面与弹簧(6)下端固定连接，所述弹簧(6)上端与挡板(15)固定连接，所述挡板(15)为环形，水平固定在导向筒(12)上端；

所述装配板(17)通过连接件(1)与整体支承架(2)连接，所述装配板(17)通过压紧螺母(20)压紧在连接件(1)底盘的上表面。

2.根据权利要求1所述的一种MEMS垂直探针综合测试平台，其特征在于，所述弹性支承件(7)、推动塞(8)、偏心轮(9)、驱动电机(10)和推动连杆(11)均设置在导向筒(12)中，所述导向筒安装在整体支承架(2)上。

3.根据权利要求2所述的一种MEMS垂直探针综合测试平台，其特征在于，所述连接件(1)与整体支承架(2)螺纹连接。

4.根据权利要求3所述的一种MEMS垂直探针综合测试平台，其特征在于，所述模拟焊盘(3)和测力传感器(18)在同一圆周上均匀交替排布。

5.基于权利要求1所述的测试平台的MEMS垂直探针综合测试方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、调节PCB板(5)上表面与装配板(17)下表面的距离，使PCB板(5)上升到最高点时，探针超程等于其实际工作时的超程；

步骤2、转动装配板(17)，使模拟焊盘(3)对准被测探针的针尖，然后固定装配板(17)；

步骤3、将PCB板(5)上升到最高点，探针针尖与模拟焊盘(3)接触；多路开关电源模块(4)为每一对探针所在的测试回路提供测试电流，检测探针是否能与模拟焊盘(3)进行有效电接触；

步骤4、根据探针性能要求，持续通电，测试探针载流能力；

步骤5、使多路开关电源模块(4)停止供电，并使PCB板(5)回到低点；

步骤6、转动装配板(17)，使测力传感器(18)的受力面板对准探针针尖；

步骤7、将PCB板(5)上升到最高点，使被测探针的针尖与测力传感器(18)的受力面板接触，测试探针在工作超程下的接触力大小，测力传感器信号采集模块(19)采集测试信号；

步骤8、断开测力传感器信号采集模块(19)，使驱动装置带动PCB板(5)做竖直方向往复直线运动，从PCB板(5)位于最低点开始，每一次往复运动，探针与测力传感器受力面板接触受力弯曲一次，以此测试探针的疲劳寿命。

说明书

一种MEMS垂直探针综合测试平台及测试方法

技术领域

[0001] 本发明属于MEMS垂直探针性能测试技术领域，具体涉及一种MEMS垂直探针综合测试平台及测试方法。

背景技术

[0002] MEMS垂直探针是晶圆测试时测试机测头与待测晶圆的通讯通道和形成测试回路的必要部件。探针工作时，一端与测试机测头相连，另一端刺破晶圆上芯片焊盘的表面氧化
层形成有效电接触。测试机发出的测试信号经探针流入芯片，芯片根据测试信号和自身环
路功能将输出信号发射到测试机比较器。探针的载流能力、疲劳寿命、工作超程下接触力大
小和能否与焊盘进行有效电接触是其关键技术指标，其决定了晶圆测试能否正常进行。

[0003] 近年来，半导体行业迅猛发展，晶圆测试对探针载流能力、疲劳寿命、接触力大小等性能要求越来越高，探针制备技术也在不断发展。为了确保探针的加工质量和评估探针
制备工艺，对探针性能进行测试必不可少。目前已有的测试方法大多是对探针性能进行逐
项测试，探针需要流转多个测试台才能完成测试，整体测试效率低下。因此，开发一种可对
探针多项技术指标同时测试、测试整体效率高、测试结果可靠的综合测试平台非常必要。

发明内容

[0004] 本发明提供了一种MEMS垂直探针综合测试平台及测试方法，本发明的目的在于提供一种测试整体效率高，可完成探针载流能力、疲劳寿命、工作超程下接触力大小、能否与
焊盘进行有效电接触四项技术指标测试，并可同时进行多针测试的综合测试平台。

[0005] 为达到上述目的，本发明所述一种MEMS垂直探针综合测试平台，包括PCB板、驱动装置、装配板和测力传感器信号采集模块，所述PCB板设置在装配板下方，所述驱动装置用
于带动PCB板竖直运动；所述PCB板上设置有探针装配工位；所述装配板上安装有模拟焊盘
和测力传感器，所述测力传感器和传感器信号采集模块电连接。

[0006] 进一步的，驱动装置包括驱动电机，所述驱动电机的动力输出轴上安装有偏心轮，所述偏心轮非圆心位置与推动连杆第一端铰接，推动连杆第二端与推动塞转动连接，推动
塞上端面与弹性支承件下端面相接触，当偏心轮带动推动连杆和推动塞运动到最高点时，
探针超程等于其实际工作时的超程。

[0007] 进一步的，PCB板固定在PCB板支承板上，所述PCB板支承板下端伸入弹性支承件上部。

[0008] 进一步的，PCB板支承板上表面与弹簧下端固定连接，所述弹簧上端与挡板固定连接，所述挡板为环形，水平固定在导向筒上端。

[0009] 进一步的，弹性支承件、推动塞、偏心轮、驱动电机和推动连杆均设置在导向筒中，所述导向筒安装在整体支承架上。

[0010] 进一步的，装配板通过连接件与整体支承架连接，所述装配板通过压紧螺母压紧在连接件底盘的上表面。

[0011] 进一步的，连接件与整体支承架螺纹连接。

[0012] 进一步的，模拟焊盘和测力传感器在同一圆周上均匀交替排布。

[0013] 基于上述的测试平台的MEMS垂直探针综合测试方法，包括以下步骤：

[0014] 步骤1、调节PCB板上表面与装配板下表面的距离，使PCB板上升到最高点时，探针超程等于其实际工作时的超程；

[0015] 步骤2、转动装配板，使模拟焊盘对准被测探针的针尖，然后固定装配板；

[0016] 步骤3、将PCB板上升到最高点，探针针尖与模拟焊盘接触；多路开关电源模块为每一对探针所在的测试回路提供测试电流，检测探针是否能与模拟焊盘进行有效电接触；

[0017] 步骤4、根据探针性能要求，持续通电，测试探针载流能力；

[0018] 步骤5、使多路开关电源模块停止供电，并使PCB板回到低点；

[0019] 步骤6、转动装配板，使测力传感器的受力面板对准探针针尖；

[0020] 步骤7、将PCB板上升到最高点，使被测探针的针尖与测力传感器的受力面板接触，测试探针在工作超程下的接触力大小，测力传感器信号采集模块采集测试信号；

[0021] 步骤8、断开测力传感器信号采集模块，使驱动装置带动PCB板做竖直方向往复直线运动，从PCB板位于最低点开始，每一次往复运动，探针与测力传感器受力面板接触受力
弯曲一次，以此测试探针的疲劳寿命。

[0022] 与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

[0023] 本发明所述的一种MEMS垂直探针综合测试平台包括探针位移台及其驱动装置、装配板、多路开关电源模块、测力传感器信号采集模块及整体支承架，测试时，探针首先与模
拟焊盘接触，多路开关电源模块为测试回路提供测试电流，若探针能与模拟焊盘进行有效
电接触，则测试回路中有电流，否则探针不能与模拟焊盘进行有效电接触；若探针能与模拟
焊盘进行有效电接触，多路开关电源模块再提供大小恒定和规定时长的电流，观察探针是
否会被熔断或探针结构明显受到损坏，对探针载流能力进行测试。之后转动装配板，调整
PCB板与装配板在竖直方向的距离，探针针尖与测力传感器受力面板接触，使探针超程等于
实际工作时的超程，待测力传感器输出数据稳定后，采集数据，实现对探针工作超程下接触
力大小进行测试；最后让探针反复与测力传感器受力面板接触，对探针疲劳寿命进行测试。
综上，本发明提出的测试平台可实现对探针能否与焊盘进行有效电接触，载流能力、工作超
程下接触力大小和疲劳寿命进行测试。测试平台成本低，操作简单，测试结果可靠性好。

[0024] 进一步的，在进行载流能力和能否与焊盘进行有效电接触性能测试时，一个测试回路中，包含两根串联的探针，多路开关电源模块可同时为多个测试回路供电，可同时对多
个测试回路进行测试，提高了测试效率；

[0025] 进一步的，探针位移台驱动装置中的弹性支承件可通过弹性变形使偏心轮顺利通过其运动的最高点，使驱动装置运动连贯，并可降低对整个驱动装置零件的制造精度要求，
从而降低其加工难度，节约整个测试平台搭建成本；

[0026] 进一步的，通过连接件将装配板安装在整体支承架上，连接件和整体支承架螺纹连接，使装配板在竖直方向高度可调，以适应不同尺寸探针和不同超程的测试需求。

附图说明

[0027] 图1为测试平台整体结构示意图；

[0028] 图2为探针针尖脱离接触示意图；

[0029] 图3为测力传感器与模拟焊盘装配位置示意图；

[0030] 图4为探针载流能力测试原理图。

[0031] 附图中：1为上端带螺纹的连接件、2为整体支承架、3为模拟焊盘、4为多路开关电源模块、5为PCB板、6为弹簧、7为弹性支承件、8为推动塞、9为偏心轮、10为驱动电机、11为推动连杆、12为导向筒、13为PCB板支承板、14为弹性夹具、15为挡板、16为探针、17为装配板、
18为测力传感器、19为测力传感器信号采集模块、20为压紧螺母、21为锁紧螺母、22为PCB板
内部引线。

具体实施方式

[0032] 为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于
限定本发明。

[0033] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对
本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含
义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术
语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接
相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上
述术语在本发明中的具体含义。

[0034] 参照图1，一种MEMS垂直探针综合测试平台，包括探针位移台及其驱动装置，测力传感器、模拟焊盘及其装配板、多路开关电源模块、测力传感器信号采集模块及整体支承架
五个部分，此外还有一些起导向、固定或连接的辅助件。

[0035] 探针位移台包括装配探针的PCB板5和PCB板支承板13，其驱动装置包括弹簧6、弹性支承件7、推动塞8、推动连杆11、偏心轮9及驱动电机10。偏心轮9安装在驱动电机10的动
力输出轴上，偏心轮9非圆心位置与推动连杆11第一端铰接，推动连杆11第二端与推动塞8
上的受力轴铰接，推动塞8上端面与弹性支承件7下端面相接触，弹簧6下端与PCB板支承板
13上表固定连接，上端与挡板15固定连接，挡板15为环形，水平固定在导向筒12上端。当偏
心轮9带动推动连杆11和推动塞8运动到最高点时，探针超程恰好等于其实际工作时的超
程。弹性支承件7在竖直方向弹性压缩使偏心轮9顺利通过最高点做连续转动。导向筒12固
定在整体支承架2上，PCB板支承板13、弹性支承件7、推动塞8、推动连杆11、偏心轮9及驱动
电机10均设置在导向筒12中。当PCB板支承板13位于最高点时，其上表面与挡板15下表面相
接触。

[0036] PCB板5上有多个探针装配工位，均布在一个圆周上，装配在PCB板5上的探针针尖向上；

[0037] PCB板5通过定位螺钉确定其在支承板上的位置，并通过弹性夹具14固定在PCB板支承板13上；

[0038] PCB板支承板13为上大下小的台阶轴，弹性支承件7为圆筒形，PCB板支承板13下端的圆形凸台伸入弹性支承件7内孔的上部，两者是同轴关系。

[0039] 测力传感器18和模拟焊盘3装配好后，二者测试时与探针针尖接触的平面和装配板下表面平齐。

[0040] 多路开关电源模块4与测力传感器信号采集模块19通过螺钉装配在装配板17的上方，多路开关电源模块4的每对正负电极通过导线分别与一个测试回路中的两个模拟焊盘3
相连，且输出电流大小可调；测力传感器信号采集模块19与测力传感器18之间通过数据线
进行信号传输。装配板17通过连接件1与整体支承架2相连，并可通过螺纹副调节其下表面
与PCB板5上表面的距离。

[0041] 装配板17通过压紧螺母20压紧在连接件1底盘的上表面；连接件1上端带外螺纹，松开压紧螺母20后，装配板17可绕其轴线转动。连接件1通过自身螺纹和上下两个锁紧螺母
21固定在整体支承架2上，松开锁紧螺母21可调节整个连接件1在竖直方向的位置，从而调
节PCB板5上表面和装配板17下表面的距离。

[0042] 如图2所示，当偏心轮9带动推动连杆11和推动塞8运动到低点时，所述弹簧6能推动PCB板支承板向下运动，使探针针尖与模拟焊盘3或测力传感器18脱离接触。

[0043] 如图3所示，测力传感器18与模拟焊盘3安装在装配板17上，且在同一圆周上均匀交替排布，测试前，可根据探针实际工作时的焊盘材料更换同种材料的模拟焊盘3。

[0044] 进行探针载流能力测试时，一个测试回路能对两根串联连接的探针进行测试，测试原理如图4所示，多路开关电源模块的每对正负电极通过导线分别与一个测试回路中的
两个模拟焊盘3相连，两根被测探针通过PCB板内部引线22串联在一起并分别与一个模拟焊
盘3接触从而构成闭合测试回路，多路开关电源模块4为测试回路提供测试电流。

[0045] 为了达到设计目的，一种MEMS垂直探针综合测试方法如下：

[0046] 步骤1、将装有针尖向上的多对探针的PCB板5固定到支承板13上，将与实际焊盘材料相同的模拟焊盘3装配到装配板17的对应装配位置；

[0047] 步骤2、根据所测探针的自身尺寸和工作超程，调节PCB板5上表面与装配板17下表面的距离，使探针位移台上升到最高点时，探针恰好处于预设的工作状态；

[0048] 步骤3、松开压紧螺母20，转动装配板17，使模拟焊盘3对准探针针尖，然后拧紧压紧螺母20；

[0049] 步骤4、探针位移台上升到最高点，使探针针尖与模拟焊盘3接触；

[0050] 步骤5、多路开关电源模块4为每一对探针所在的测试回路提供测试电流，检测探针是否能与模拟焊盘3进行有效电接触；

[0051] 步骤6、根据探针性能实际使用要求，设定多路开关电源模块4持续通电时间，测试探针载流能力；

[0052] 步骤7、使多路开关电源模块4停止通电，探针位移台回到低点；

[0053] 步骤8、松开压紧螺母20，转动装配板17，使测力传感器18的受力面板对准探针针尖；

[0054] 步骤9、探针位移台上升到最高点，探针针尖与测力传感器受力面板接触，测试探针在工作超程下的接触力大小，测力传感器信号采集模块采集测试信号，并传递至测试计
算机；

[0055] 步骤10、断开测力传感器信号采集模块，打开驱动电机，探针位移台驱动装置带动PCB板5做竖直方向往复直线运动，从PCB板5位于最低点算起，每一次往复运动，探针与测力
传感器受力面板接触受力弯曲一次，以此测试探针的疲劳寿命。

[0056] 实施例1

[0057] 一种MEMS垂直探针综合测试平台测试方法，包括以下步骤：

[0058] 步骤1、将装有5对针尖向上的探针的PCB板5固定到其支承板上，将材料为铜的模拟焊盘3装配到装配板的相应装配位置；

[0059] 步骤2、根据探针超出PCB板上表面沿其轴向方向长度为5000μm，超程为50μm的测试要求，调节PCB板上表面与装配板17下表面的距离为4950μm；

[0060] 步骤3、松开压紧螺母20，转动装配板17，使材料为铜的模拟焊盘3对准探针针尖，压紧螺母20；

[0061] 步骤4、探针位移台上升到最高点，探针针尖与模拟焊盘3接触；

[0062] 步骤5、多路开关电源模块为每一对探针所在测试回路提供大小为800mA的测试电流，检测探针能否与焊盘进行有效电接触；

[0063] 步骤6、持续通电70秒，电流大小800mA，测试探针载流能力；

[0064] 步骤7、多路开关电源模块停止通电，探针位移台回到低点；

[0065] 步骤8、松开压紧螺母21，转动装配板17，使测力传感器受力面板对准探针针尖；

[0066] 步骤9、探针位移台上升到最高点，探针针尖与测力传感器18的受力面板接触，接通测力传感器信号采集模块，测试探针在工作超程下的接触力大小；

[0067] 步骤10、断开测力传感器信号采集模块，打开驱动电机，探针位移台驱动装置带动PCB板5做竖直方向往复直线运动，从PCB板5位于最低点算起，每一次往复运动，探针与测力
传感器受力面板接触受力弯曲一次，以此测试探针的疲劳寿命。

[0068] 实施例2

[0069] 一种MEMS垂直探针综合测试平台测试方法，包括以下步骤：

[0070] 步骤1、将装有3对针尖向上的探针的PCB板5固定到其支承板上，将材料为铝的模拟焊盘3装配到装配板的相应位置；

[0071] 步骤2、根据探针超出PCB板5上表面沿其轴向方向长度为7000μm，超程为75μm的测试要求，调节PCB板5上表面与装配板17下表面的距离为6925μm；

[0072] 步骤3、松开压紧螺母20，转动装配板，使材料为铝的模拟焊盘对准探针针尖，拧紧压紧螺母20；

[0073] 步骤4、探针位移台上升到最高点，使探针针尖与模拟焊盘3接触；

[0074] 步骤5、多路开关电源模块为每一对探针所在测试回路提供大小为1A的测试电流，检测探针能否与焊盘进行有效电接触；

[0075] 步骤6、持续通电60秒，电流大小1A，测试探针载流能力；

[0076] 步骤7、多路开关电源模块停止通电，探针位移台回到低点；

[0077] 步骤8、松开压紧螺母，转动装配板17，使测力传感器18的受力面板对准探针针尖；

[0078] 步骤9、探针位移台上升到最高点，探针针尖与测力传感器受力面板接触，接通测力传感器信号采集模块，测试探针在工作超程下的接触力大小；

[0079] 步骤10、断开测力传感器信号采集模块，打开驱动电机，使探针位移台驱动装置带动PCB板做竖直方向往复直线运动，从PCB板位于最低点算起，每一次往复运动，探针与测力
传感器受力面板接触受力弯曲一次，以此测试探针的疲劳寿命。

[0080] 以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书
的保护范围之内。