單一節距結構有限元素模型分析

探針卡結構為相同重複性之結構，本節之有限元素模型先考慮最簡易之單一節 距，包含每一層分別為一支共四支。探針卡在針測的過程中探針與測試墊接觸時，會 給探針一個針測的行程，讓所有的探針完全接觸測試墊表面，一般針測行程為 0.5 mil、1.0 mil、1.5 mil 等距離。針測行程不可以太小或太大，假設針測行程太小，容 易造成其他探針無法接觸到測試墊表面；反之針測行程太大，容易造成探針滑出測試 墊表面或是嚴重刮傷測試墊。進一步考慮探針卡的清針，探針清針是用砂紙做磨針的 動作，也是给一個研磨行程，讓探針表面的殘留的雜質可以完全清除乾淨，提升測試 品質。因此每一家測試廠都會規定針測行程，以增加探針卡的壽命及測試品質。

由於探針卡是將陶瓷本身黏接在印刷電路板上，今假設探針卡的電路板剛性不會 造成探針本體的剛性位移，所以有限元素模型僅包含陶瓷以下的結構。圖 3-4 為探

針結構有限元素模型示意圖，包含陶瓷、黏膠、探針與測試墊表面，針尖與測試墊表 面建立接觸元素。邊界條件與負載條件設定是模擬實際測試機台的方式，由於探針卡 是鎖緊在測試機台上面，無法作上下移動測試，將陶瓷上端的變形自由度設定為零，

負載條件的設定會是由測試機平台由下往上反覆作測試的方式，針測行程為 0.5 mil、1.0 mil、1.5 mil等距離，如圖 3-5為探針結構有限元素模型邊界條件與負載條件。

1 ELEMENTS MAT NUM

Layer 2 陶瓷 (Ceramic)

圖3-4 探針結構有限元素模型示意圖

X Y Z

Layer 1

接觸元素 Layer 3 Layer 4 膠材 (Epoxy)

圖 3-5 探針結構有限元素模型邊界條件與負載條件

由滑行量分析中發現，針測行程位移 0.5 mil 距離時，每一組的上層探針滑行量

大於下層探針，意即 大於 大於 ，由於 探

針轉折處至測試墊表面長度大於

果可知，每一組上層探針（ ）發現，第一組的針滑行量越大，意即

滑行量大於 的滑行量，滑行量差異為 ，如圖 所示。每一層

上升到 距離時 倍，因此針測

行程越大時，相對的探針的滑行量會越大，且增加探針的磨耗。

Y

Layer 1 Layer 2；Layer 3 Layer 4 Layer 1 Layer 2，故剛性較弱造成較大的位移量。同理由結 Layer 1、Layer 3 Layer 1 Layer 3 0.03 mil 3-6

探針的針測行程由 0.5 mil 1.5 mil ，滑行量增加為 2.9

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

0.5 1 1.5

上升距離 (mil)

滑行量(mil) layer1

layer2 layer3 layer4

圖 3-6 單一節距結構各層針探針滑行量

X Z

探針接觸力的分析中 上層針的接觸力，

意即

，每一組的下層針的接觸力（Layer 2）大於

Layer 2 大於 Layer 1； Layer 4 大於 Layer 3，此由於剛性較弱反作用力較小，

因此在探針層數增加時，接觸力會增加，如圖 3-7 所示。每一組的上層探針（Layer 1 與 Layer 3）和下層探針（Layer 2 與 Layer 4）的接觸力差異不大，以針測行程 0.5 mil 做比較 Layer 1 大於 Layer 3 ；Layer 2 大於 Layer 4，接觸力差異為 0.17 ~ 0.19 克 。每一層探針的針測行程由 0.5 mil 上升到 1.5 mil 時，接觸力增加 2.9 倍。

4

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

0.5 1 1.5

上升距離 (mil)

接觸力(g)

layer1

layer2 layer3 layer4

圖3-7 單一節距結構各層針探針接觸力

上述的分析過程中，探針尖端面與測試墊表面為接處元素，其中磨擦係數為使用 者所定義，一般需由實驗法來確定。再無法由實驗確定下，吾人進行探針與測試墊間 不同磨擦係數的分析，以便與後面章節實驗對比可知適當的磨擦係數。由分析結果得 知，若以磨擦係數 0.2 為基準，當增加磨擦係數 0.05 時，上升距離 0.5 mil 產生 -0.01

~ -0.015 mil 滑行量的變化量，上升距離到 1.5 mil 時，滑行量變化為-0.02 ~ -0.025 mil ，如圖 3-8 所示，由此可知，磨擦係數的增加阻礙探針的滑行，故滑行量隨磨擦 係數增加而降低。

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

0.5 1 1.5

上升距離(mil)

layer1(μ=0.2) layer1(μ=0.25) layer2(μ=0.2) layer2(μ=0.25) layer3(μ=0.2) layer3(μ=0.25) layer4(μ=0.2) layer4(μ=0.25)

圖3-8 探針與測試墊間的磨擦係數 0.2 與 0.25 比較

進一步將探針與測試墊間的磨擦係數提升到 0.1 時，測試滑行量的變化，結果 發現滑行量的變化增加許多，在上升距離 0.5 mil 時，產生的滑行量變化由 -0.01 ~ -0.02 mil，而上升距離 1.5 mil 時滑行量變化為 -0.03 ~ -0.04 mil，如圖 3-9 所示。

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

0.5 1 1.5

上升距離(mil)

layer1(μ=0.2) layer1(μ=0.3) layer2(μ=0.2) layer2(μ=0.3) layer3(μ=0.2) layer3(μ=0.3) layer4(μ=0.2) layer4(μ=0.3)

圖3-9 探針與測試墊間的磨擦係數 0.2 與 0.3 比較

因此磨擦係數也會影響到滑行量，隨著磨擦係數的增加，滑行量反而減少很多，

以下的分析採用磨擦係數為 0.25，此結果與 3.6 節的實驗結果最吻合。