DE3620947A1 - Kontaktelement fuer pruefkarten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kontaktelement für Prüfkarten gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Solche Prüfkarten sind bekannt (KULLEN "Waferprüfung - ein mikrotechnisches Problem", Jahrbuch der Deutschen Gesellschaft für Chronometrie, Nr. 36/1985, S. 85-92b). Sie werden an Prüfköpfen von Waferprober oder sonstigen Prüfvorrichtungen zum Prüfen von elektrischen oder elektronischen Prüflingen, wie Chips, Chips auf Wafers, Leiterplatten oder dergl., angeordnet und weisen im allge­ meinen dem elektrischen Anschluß der Kontaktelemente dienende Leiterbahnen auf, wobei die Schäfte der Kontaktelemente an die Leiterbahnen elektrisch ange­ schlossen werden. Die langgestreckten, dünnen Kontakt­ elemente durchdringen ein mittiges Loch der Prüfkarte und ihre Nadeln enden in geringen Abständen von­ einander, wobei die Spitzen der Nadeln eine Anordnung haben, die der Anordnung von durch sie zu kontak­ tierenden Kontaktstellen, wie Pads oder dergl. der Prüflinge entspricht. Solche Prüfkarten bezeichnet man auch als Leiterkarten, Nadelkarten, Nadelträger oder Ringkarten.

Ein bekanntes, von der Anmelderin hergestelltes und vertriebenes metallisches Kontaktelement 10 für Prüfkarten ist in Fig. 1 und 2 dargestellt. Es weist einen langen, rechtwinkligen Schaft 11 auf, dessen langer Schenkel 12 Sollbruchstellen 25 zu seinem Kürzen aufweist und welcher langer Schenkel 12 an einer Leiterbahn 13 einer eine mehr oder weniger große Anzahl solcher Kontaktelemente 10 tragenden, strichpunktiert angedeuteten Prüfkarte 14 befestigt ist und durch ein mittiges Loch 15 dieser Prüf­ karte 14 mit seinem kurzen, um 90° zum langen Schenkel 12 abgewinkelten Schenkel 16 hindurchragt. An dem unteren Ende dieses kurzen Schenkels 16 ist eine eine Blattfeder bildende, L-fömige, ge­ krümmte Biegefeder 17 einstückig mit dem Schaft 11 angeordnet, welche einen sehr kurzen, an den Schenkel 16 gerade anschließenden Schenkel 19 und anschließend einen parallel zum Schenkel 12 verlaufenden, geraden, langen Schenkel 20 aufweist. An diesen langen Schenkel 20 ist untenseitig eine sehr dünne, runde Nadel 21 angelötet, deren kurzer abgewinkelter freier Endbereich 22 schräg zum Schenkel 12 des Schaftes 11 geneigt ist. Die Kontakt­ nadel 21 ist auf dem gesamten Längsbereich, an dem sie an dem Schenkel 20 anliegt, an diesen angelötet, d.h. fast über die ganze Länge dieses Schenkels 20 auch bis unter eine Schraube 23, die in eine vom Schenkel 16 des Schaftes 11 abstehende Konsole 24 eingeschraubt ist und an den langen Schenkel 20 der Feder 17 zu dessen Justierung und auch ein Wider­ lager für ihn bildend angedrückt ist. Die an der Feder 17 anliegende Spitze der Schraube 23 sei als Widerlagerpunkt 9 bezeichnet. Hierdurch ist diese Biegefeder 17 praktisch nur auf ihrem rechtsseitig dieses Widerlagerpunktes 9 befindlichen geraden Bereich federwirksam, so daß sie die Federeigen­ schaften einer geraden Biegefeder hat, die maßgebend mit durch das die Nadel 10 an der Biegefeder haltende Lot bestimmt sind. Da diese Lötung für jedes Kontakt­ element 10 bei der Serienherstellung etwas anders ausfällt, werden relativ große Toleranzen der Fe­ derkennlinie der Biegefeder 17 bewirkt. Auch wirkt die einzige Krümmung 18 der Biegefeder 17 nicht an der Federung der Nadel 21 mit, da sie sich links von der Schraube 23 befindet. Die Biegefeder 17 hat eine Länge von ca. 10 mm und muß im Betrieb unter Umständen Millionen von Lastwechseln aushalten und Kontaktkräfte auf die Prüflinge von oft mehreren hundert cN ausüben, so daß wegen der starken Belastung Bruchgefahr durch Ermüdung besteht.

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein Kontaktelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 dahingehend zu verbessern, daß die Bruchgefahr der Biegefeder bei vorgegebenem Federweg und vorgegebener Anpreßkraft (Kontaktkraft) der Nadel an die Prüflinge verringert oder ganz ver­ mieden und engere Toleranzen der Federkennlinie bei in Serie hergestellten Kontaktelementen dieser Art problemlos eingehalten werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Kontaktelement gemäß Anspruch 1 gelöst.

Bei diesem Kontaktelement ist die Bruchgefahr der Biegefeder bei gegebenem Federweg und ge­ gebener Anpreßkraft (Kontaktkraft) der Nadel an Prüflinge erheblich verringert oder ganz behoben, indem die federwirksame Länge des die Federung der Nadel bewirkenden oder im wesentlichen bewirkenden Bereiches der Biegefeder durch die mindestens eine Krümmung bei gegebenem linearen Abstand der freien Spitze der Nadel vom Fuß oder Widerlagerpunkt der Biegefeder vergrößert ist. Zwar muß hierbei dieser Bereich der Biege­ feder - der ein Teilbereich der Biegefeder sein oder diese im Ganzen bilden kann - zur Erzielung derselben Kontaktkraft bei gleich großem Federweg der Nadel mit vergrößertem Querschnitt oder Quer­ schnitten ausgeführt werden, doch ergibt sich dennoch eine erhebliche Verringerung der in ihr im Betrieb auftretenden Schubspannungen mit dem Ergebnis, daß sie nicht mehr oder langsamer er­ müdet und insgesamt die Bruchgefahr im Betrieb an ihr vermieden oder erheblich reduziert ist. Indem ferner dabei auch die Nadel entweder nicht mehr an die Biegefeder angelötet oder nur mit einem kurzen Endbereich von ihr an sie angelötet oder angeschweißt ist, lassen sich in der Serien­ herstellung problemlos engere Toleranzen der Federkennlinie des Kontaktelementes als bei dem in Fig. 1 und 2 dargestellten, vorbekannten Kontaktelement 10 einhalten. Bevorzugt kann im Falle des Anlötens oder Anschweißens der Nadel an einem freien Endbereich der Biegefeder die Maßnahme nach Anspruch 8 vorgesehen sein.

Die Ausbildung der Nadel als gesondertes Teil hat den Vorteil, daß für sie der Werkstoff und seine evtl. Vergütung so vorgesehen werden können, daß sie besonders günstige Eigenschaften, wie Härte und Verschleißfestigkeit aufweist. Für die Biege­ feder kann dann ein anderer geeigneter Werkstoff und ggf. dessen Vergütung vorgesehen sein, die zu besonders günstiger Federungscharakteristik und möglichst geringer Ermüdungsgefahr führt. Diese Biegefeder kann vorzugsweise einstückig mit dem Schaft sein. Jedoch ist auch möglich, sie als gesondertes Teil an dem Schaft anzuordnen. Auch ist es möglich, am Schaft erfindungsgemäßer Kontaktelemente eine Konsole, ähnlich wie bei dem Kontaktelement nach Fig. 1, 2 anzuordnen, die eine in einem Gewindeloch von ihr geführte Ein­ stellschraube zum Justieren der Biegefeder aufweist und einen Widerlagerpunkt für die Biegefeder bildet. In den Fig. 3 bis 7 sind Kontaktelemente gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 3 eine Seitenansicht eines Kontaktelementes gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 4 eine Draufsicht auf das Kontaktelement nach Fig. 3,

Fig. 5 eine Seitenansicht eines Kontaktelementes gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 6 eine vergrößerte Vorderansicht des freien geraden Endbereiches der Biegefeder mit Nadel des Kontaktelementes nach Fig. 5,

Fig. 7 eine Variante der Fig. 6, bei der die Nadel durch einen zugespitzten Bereich der Biege­ feder gebildet ist.

Das metallische Kontaktelement 30 nach den Fig. 3 und 4 weist einen L-förmigen Schaft 31 auf, dessen langer, gerader Schenkel 32 zur Anordnung an einer strich­ punktiert angedeuteten Prüfkarte 14′ in elektrischer Ver­ bindung, vorzugsweise durch Löten, mit einer auf dieser Prüfkarte angeordneten Leiterbahn 13′ bestimmt ist. Er weist Sollbruchstellen 25′ auf, um ihn je nach Wunsch auf einfache Weise durch Abbrechen kürzen zu können. An den kurzen, um 90° abgewinkelten Schenkel 33 dieses Schaftes schließt einstückig mit ihm eine ser­ pentinenförmig - hier S-förmig oder schwanenhalsförmig - gewundene Biegefeder 34 an, die bei 35 beginnt und wesentlich geringere Dicke als der Schaft 31 aufweist und sich auf einem Teil ihrer Länge in Richtung auf ihr freies Ende zu verjüngt. Ein kurzer Endbereich 36 der Biege­ feder ist gerade und unter einem Winkel von ca. 73° zur Längsachse des langen Schenkels 32 des Schaftes 11 geneigt angeordnet. An diesen freien Endbereich ist eine kurze, gerade Nadel 37 runden Querschnittes, deren Durchmesser erheblich kleiner als die Breite dieses freien Endbereiches 36 der Biegefeder 34 ist, angelötet oder angeschweißt. Diese Löt- bzw. Schweißstelle stört wegen ihrer Kürze die Feder­ kennlinie der Biegefeder 34 nicht und wirkt sich so bei der Serienherstellung nicht toleranzvergrößernd auf sie aus.

Die rechteckförmige, flache Querschnitte aufweisen­ de Biegefeder 34 ist in diesem Ausführungsbeispiel dadurch eine gekrümmte Blattfeder, indem jeweils ge­ rade Bereiche der Biegefeder durch Krümmungen 39 bil­ dende, kurze Kreisbögen dieser Biegefeder wie dargestellt miteinander verbunden sind. Es ergibt sich so ein schwanenhals- oder S-förmiger, langgestreckter Verlauf der Biegefeder 34, der ihr besonders gute Federungs­ eigenschaften ergibt, insbesondere praktisch Ermüdungs­ freiheit, so daß diese Biegefeder 34 auch bei sehr großen Anzahlen von Prüfvorgängen noch keiner Bruch­ gefahr unterliegt, da sie federungsgemäßig nicht stark beansprucht wird und zwar bei gleichem Feder­ weg und gleicher Kontaktkraft viel weniger als das vorbekannte Kontaktelement nach Fig. 1 und 2.Vier der Krümmungen 39 bilden 90°-Kreisbögen.

Die Nadel 37 kann bspw. einen Durchmesser von vorzugsweise weniger als 0,2 mm aufweisen. Der Schaft 31 kann bspw. quadratischen Querschnitt mit 1 bis 1,6 mm Seitenlänge aufweisen. Die Dicke der Biegefeder 34 kann in diesem Ausführungsbei­ spiel bspw. 0,4 bis 0,7 mm und die Länge L bspw. 11 mm betragen. Die Nadel 37 durchdringt ein mittiges Loch 15′ der Prüfkarte 14′ wie dargestellt schräg zu deren vertikaler Längsachse. An dieser nur strichpunktiert angedeuteten Prüfkarte 14′ können eine Vielzahl solcher Kontakt­ elemente 30 in radialen Richtungen, also strahlen­ förmig angeordnet sein und die geraden Schenkel 32 dieser Kontaktelemente sind an zugeordnete Leiter­ bahnen, wie 13′, dieser Prüfkarte in elektrischem Kontakt mit ihnen fest angeordnet.

Anstelle der dargestellten Biegefeder 34 kommen auch andere gekrümmte Biege­ federn in Frage. Z. B. vorzugsweise ebenfalls serpentinenförmig gekrümmte Biegefedern.

Zum Beispiel können oft zweckmäßig U-förmig, V-förmig, M-förmig, W-förmig oder wellenförmig gekrümmte Biegefedern vorgesehen sein. Auch andere Biegungen kommen in Frage, durch die die Länge des die Biegefeder 34 bildenden Streifens 43 deutlich größer als der Abstand L des fußseitigenEndes 35 der Biegefeder 34 von ihrem freien Ende 42 wird. Vorzugsweise kann das Verhältnis der Länge dieses Streifens 43 zum Abstand L größer als 1,2, besonders zweckmäßig größer als 1,8 sein. Auch kann das Verhältnis der Länge dieses Streifens 43 zur Länge a des an dem geraden Endbereich 36 anliegenden Bereichs der Nadel zweck­ mäßig mindestens 3:1, vorzugsweise mindestens 6:1 betragen. Dieses Verhältnis beträgt in diesem Ausführungs­ beispiel ca. 11:1.

Durch die Schrägstellung der Nadel 37 wird in bekannter Weise erreicht, daß sie beim Kontaktieren von Prüflingen auf den zu kontaktierenden Stellen etwas entlang gleitet,was günstig für guten elektrischen Kontakt ist.

Das Kontaktelement 30 nach Fig. 5 und 6 unterscheidet sich von dem nach Fig. 3 und 4 nur dadurch, daß die Nadel 37′ als mit der Biegefeder einstückige gerade Verlängerung des geraden Endbereiches 36 der Biege­ feder 34 ausgebildet ist. Diese Nadel 37′ ist im Querschnitt gegenüber dem Querschnitt des angrenzenden Endbereiches 36 der Biegefeder verringert und kann flache rechteckförmige oder auch runde oder sonstige geeignete Querschnitte aufweisen.

Die Nadel 37′ kann auch durch eine Zuspitzung des freien Endes der Biegefeder 34 gebildet sein, wie es an einem Ausführungsbeispiel in Fig. 7 darge­ stellt ist, wo ein gerader Bereich des Endbereiches 36 der Biegefeder 34 die Nadel 37′ bildet, indem dieser Bereich 37′ in Vorderansicht zugespitzt ist, und zwar in diesem Ausführungsbeispiel keilförmig. Auch in der nichtdargestellten Seitenansicht kann dieser Bereich 37′ zugespitzt sein oder auch konstante Dicke aufweisen.

In den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 3 bis 7 sind die Nadeln 37. 37′ gerade, was besonders zweck­ mäßig ist. Doch kann die Nadel ggfs. auch eine ge­ bogene Nadel sein.

Alle Teile der dargestellten Kontaktelemente 30 bestehen aus elektrisch gut leitfähigen Metallen.

Alle in den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 3 bis 6 dargestellten Möglichkeiten, die Nadel 37 bzw. 37′ auszubilden, haben ihre Vorteile. Vorteile der ge­ sonderten Nadel 37 sind schon weiter oben beschrieben. Die mit der Biegefeder 34 einstückige Ausbildung der Nadel 37′ hat u. a. den Vorteil des Wegfalls der Lötung oder Schweißung und der kostengünstigeren Herstellung.

Claims (9)

1. Kontaktelement für Prüfkarten von der Prüfung von elektrischen oder elektronischen Prüflingen, wie Chips, Chips auf Wafers, Leiterplatten oder dergl., dienenden Prüfvorrichtungen, welches Kon­ taktelement metallische elektrische Leitfähigkeit aufweist und einen an der Prüfkarte zu befestigen­ den metallischen Schaft, eine an diesem Schaft fest angeordnete, gekrümmte, metallische Biege­ feder und eine an der Biegefeder fest angeordnete metallische Nadel aufweist, deren freies Ende dem In­ kontaktkommen mit den Prüflingen dient, da­ durch gekennzeichnet, daß die Nadel (37; 37′) eine mit der Biegefeder (34) einstückige Verlängerung der Biegefeder bildet oder durch einen zugespitzten Bereich der Biege­ feder gebildet ist oder an einem Endbereich (36) der Biegefeder (34) angelötet oder angeschweißt ist und daß der die Federung der Nadel bewirkende oder im wesentlichen bewirkende Bereich der Biege­ feder mindestens eine an der Federung mitwirkende Krümmung (39) aufweist.

2. Kontaktelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Biegefeder mehrere, durch gerade Zwischenbereiche verbundene Krümmungen (39) aufweist.

3. Kontaktelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegefeder (34) serpen­ tinenförmige, vorzugsweise ungefähr S-förmige oder schwanenhalsförmige Gestalt aufweist.

4. Kontaktelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegefeder (34) als gekrümmte Blattfeder ausge­ bildet ist.

5. Kontaktelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (31) mit der Biegefeder (34) einstückig verbunden ist.

6. Kontaktelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nadel (37; 37′) in Bezug auf die Längsachse des an die Prüfkarte (14′) anzufügenden geraden Bereiches des Schaftes (31) schräg ge­ neigt ist.

7. Kontaktelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegefeder (34) sich in Richtung auf ihr vorderes Ende zu auf zumindest einem Teil ihrer Länge verjüngt.

8. Kontaktelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des die Biegefeder (34) bildenden Streifens (43) zur Länge (a) des an der Biegefeder anliegenden, an sie angeschweißten oder angelöteten Bereichs der Nadel (37) mindestens 3:1,vorzugsweise mindestens 6:1 beträgt.

9. Kontaktelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nadel (37; 37′) gerade ist.