JP4585024B2 - 可撓性のある内部相互接続部を備えた電気コンタクトプローブ - Google Patents

Description

本発明は、電気的な相互接続部を形成するための電気コンタクトプローブに関し、さらに詳細には、装置の機能試験中のプリント基板と集積回路パッケージまたは例えば電子モジュール等の他の電気回路の外部導線との間の可撓性のある電気的な相互接続部に関する。

概して、従来のバネ仕掛けのコンタクトプローブは可動プランジャと、プランジャの拡大直径部分またはベアリングを入れるための開放端を有する円筒部と、円筒部内でプランジャの移動を付勢させるためのバネとを含む。プランジャベアリングは、円筒部の内面と摺動自在に係合する。拡大ベアリング部分は、円筒部の開放端近くのクリンプによって円筒部の中に保持されている。

通例、プランジャは、バネによって選択された距離、外向きに付勢され、バネに逆らって向けられる力を受けて、選択された距離、円筒部の中に内向きに付勢されてよい、あるいは押し下げられてよい。円筒部に対してプランジャを軸に沿って側面で付勢させることによってプランジャと円筒部の間に接触していない誤った開口つまり断続的なポイントが生じるのを防ぐ。概して、プランジャは中空ではなく、被試験電気装置と接触するためのヘッド、つまり先端を含む。円筒部は、円筒部の開放端に対向する先端も含んでもよい。

円筒部、プランジャ、及び先端は、被試験電気装置と試験装置の間に電気的な相互接続部を形成し、それ自体は導電性材料から製造されている。通常、プローブは試験板またはソケットの厚さを貫通して形成される空洞内に取り付けられている。概して、例えば集積回路等の試験対象の電気装置の接触側は、電気装置に対してバネ圧力を維持するために試験板または試験ソケットの一方の側を通って突出するプランジャの先端と圧力接触させられる。試験装置に連結される接触板が、試験板または試験ソケットの他方の側を通って突出するプランジャの先端と接触させられる。試験装置は、試験信号を接触板に送信し、試験信号は接触板から試験プローブ相互接続部を通って試験されている装置に送信される。電気装置が試験された後に、バネプローブによってかけられる圧力が解放され、装置が各プローブの先端との接触から外される。従来のシステムでは、圧力は、電気装置とプローブを互いから離していき、それにより、プランジャを支える拡大直径が円筒部のクリンプに係合するまで、プランジャをバネの力を受ける円筒部から離れて外向きに変位できるようにすることによって解放される。

従来のバネプローブを製造するプロセスは、圧縮バネと、円筒部と、プランジャとを別々に製造することを含む。圧縮バネは巻きつけられ、正確なサイズの、制御されたバネ力のバネを製造するために熱処理される。プランジャは、通常、旋盤上で回転され、熱処理される。円筒部が熱処理されることもある。円筒部は旋盤の中で、あるいは深絞りプロセスによって形成できる。導電率を強化するためにすべての構成部分がメッキプロセスを受けてよい。バネプローブ構成部分は手作業で、または自動工程でのどちらかで組み立てられる。これらのプローブの組み立てプロセスは複数ステップのプロセスである。プローブが数千の単位で製造されることを考えると、プローブを製造するために必要とされる装置及びステップを削減することにより、多大な節約がもたらされる。

集積回路基板を試験する上での重要な問題は、それらが高周波を受けて試験されるという点である。このようにして、高周波信号の減衰を回避するために、試験装置と集積回路の間にはインピーダンス整合が必要とされる。ソケット内の相対的に小さな領域で使用される多数のプローブのため、プローブ間の間隔は最小であり、インピーダンス整合を実行不可能にする。このような状況では、高周波信号の減衰を回避するために、プローブによって形成される電気的な相互接続部の長さは最小値に保たれなければならない。電流プローブを用いて、相互接続部の長が最小限に抑えられるときには、バネの長さ、従ってバネの体積も最小限に抑えられる。

バネによってかけられる力だけではなく、バネの作動期間もバネの体積に比例する。結果的に、所与のバネ作動期間と必要とされるバネ力のためのバネの体積要件は、高周波信号の減衰を回避するための短いバネ長要件と大いに異なっている。バネの直径は、試験ソケット内の空洞の直径によって制限される円筒部の直径によって制限されるため、バネの力だけではなくバネの作動期間も拡大するためにバネ体積を増加する唯一の方法は、全体的な円筒部の長さを拡大することである。しかしながら、このようにすることで、長さが拡大した電気的な相互接続部を有するプローブが生じ、高周波信号の望ましくない減衰が生じる。

代替タイプの従来のプローブはバネによって分離される２つのコンタクトチップからなる。各コンタクトチップはバネ端部に取り付けられる。このタイプのプローブは、それが側面方向の支持のために差し込まれる試験板またはソケット空洞の壁を当てにする。このタイプのプローブによって設けられる電気経路は、２つのコンタクトチップ間のバネワイヤをらせん状に下る。その結果、このプローブは、集積回路試験時に高周波信号の減衰を生じさせることがある相対的に長い電気的な相互接続部の長さを有する。

したがって、バネの体積を削減することなくプローブの電気的な相互接続部の長さを拡大することが望ましい。加えて、バネのコンプライアンスを減ずる、または電気接続長を拡大することなしにバネの体積を増やすことが望ましい。さらに、容易に製造し、組み立てることができるプローブが望ましい。

本発明は従来のプローブ設計の欠点に対処するために設計された可撓性のある内部相互接続部の付いた改善された電気コンタクトプローブである。本発明の目的は、装置の機能試験中に、プリント基板（ＰＣＢ）と、集積回路（ＩＣ）パッケージ、または例えば電子モジュール等の他の電気回路の外部導線との間に可撓性のある電気的な相互接続部を提供することである。本発明のプローブは、１つまたは複数の導電性で可撓性のある弦巻バネ、または可撓性のある非伝導構造物を構成部分間に備える２つの移動式の製造された導電性構成部分からなる。相互接続部のコンプライアンスは、相互接続部の適用例で機械的な公差に対処するために最大にされる。機械的なコンプライアンスを最大にすることに加えて、弦巻バネまたは接点の可撓性のある非伝導構造物が安定した接触抵抗を維持する電気接触を実現するために、適当な垂直力を被試験パーツとＰＣＢに与える。全体的な接続システムの高周波反応を最大にするために、全体的な接触長さは最小限に抑えられ、それによって電気的なインダクタンスを最小限に抑え、ＡＣ送電経路を最適化する。

また、可撓性のある部材としてバネを活用する多くの可撓性のある相互接続部の設計は、相互接続部の移動するパーツ間に付勢力を与えるために同じバネを使用する。いくつかの設計は組み立ての撓みやすいストロークの間にパーツ間にわずかな相殺力を与えるために付勢された傾斜面を使用する。構成部分間のこの付勢作用はそれらの間の電気的な接続性を高めるが、多くの場合、組み立てが相互接続部を悪化させるようにＩＣとＰＣＢに提供できる力にも影響を及ぼす。本発明はこのバネまたは被試験装置に接触力を与える可撓性のある非伝導構造と完全に無関係に、上部構成部分と下部構成部分の間にバイアスを与える。本発明のプローブは互いと相互接続する４つの撓みやすい片持ち梁アームからなる。アームは特に互いとのわずかな干渉量で設計されているので、プローブのストロークの間の構成部分の付勢の間に、連動する片持ち梁アームは係合するアームと常に密に接触している。この干渉によって、アームはバネによって与えられる力に垂直にわずかに付勢する。構成部分がたとえわずかに回転し、互いに関して曲がっていても、この直立した片持ち梁の垂直力が常に各アーム上の少なくとも１つの点での接触を維持する設計となっている。密な接触が常に維持されることを保証することによって、プローブの全体的な電気完全性は、組み立て品の一方の端部から他方の端部に安定した接触抵抗を維持することで最大になる。

４つの片持ち梁アームのそれぞれの端部に小さい連動タブがある。プローブの組み立ての間、タブは係合する構成部分のタブにこすりつき、このようにして片持ち梁アームを付勢させ、構成部分がともにパチンとしまり、弦巻バネ又は可撓性のある非伝導構造を構成部分の間で保持することができるようにする。いったん保持されると、プローブ組み立てプロセスの後に、バネは軸方向に片持ち梁アーム上でタブに対して力をかけるわずかな圧力を維持する。この力は一貫した、組み立てられた全体的な長さを維持する組み立て品の中のあらかじめ加えられた負荷を維持する。プローブ組み立て品の連動アームは弦巻バネまたは可撓性のある非伝導構造の内径の中に恒久的に保持され、組み立てられたパーツの側面方向の運動が固定タブを取り外さないような外形となり、したがってプローブは内蔵され、それをともに保持するための外部筐体を必要としない。

図１から図３は、本発明の可撓性のある内部相互接続部を備えた電気コンタクトプローブ１０を図解する。プローブ１０は、２つの移動式の製造された導電性構成部分、つまり上部構成部分つまりプランジャ１２と、下部構成部分つまり円筒部１４とからなり、１つまたは複数の導電性で可撓性のある弦巻バネ１６と１８が上部構成部分１２と下部構成部分１４の間にある。相互接続部のコンプライアンスは、相互接続部の適用例の機械的な公差に対処するために最大になる。機械的なコンプライアンスを最大にすることに加えて、バネプローブの弦巻バネまたは他の可撓性のある非伝導構造が、安定した接触抵抗を維持する電気接点を提供するためにバネプローブがその間に置かれる被試験装置とプリント基板に十分な垂直力を与える。電気的なインダクタンスを最小限に抑える、またはＡＣ送電経路を最適化することによって、コンタクトプローブの総長は、全体的な接続システムの高周波反応を最大にするために最小限に抑えられる。

コンタクトプローブ１０は、バネ、または被試験装置に接触力を与える他の可撓性のある非伝導構造とまったく無関係に上部構成部分１２と下部構成部分１４の間に付勢を与える。コンタクトプローブは、４つの撓みやすい片持ち梁アーム、つまりアーム２０と２２を上部構成部分１２の上に、及びアーム２４と２６を下部構成部分１４の上に含むことによってこの目的を達成する。片持ち梁アーム２０と２２は、片持ち梁アーム２４と２６と連結する。コンタクトプローブのストロークの間の下部構成部分に関する上部構成部分の付勢の間、アームは特に互いとのわずかな量の干渉で設計されているので、連動する片持ち梁アームは、その係合する片持ち梁アームと常に密に接触している。この干渉によりアームは、バネによって与えられる力に対して垂直にわずかに付勢する。直立した片持ち梁の垂直力は各アーム上の少なくとも1点での接触を常に維持するため、この設計は、上部構成部分と下部構成部分がわずかに回転し、互いに関して曲がっていても接触を維持する。この密な接触が維持されていることを保証することによって、プローブの全体的な電気的な整合性は組み立て品の一方の端部から他方に安定した接触抵抗を維持することで最大になる。

各片持ち梁アームの端部に配置されているのは、小さい連動タブ２８である。プローブの組み立ての間、タブは係合する構成部分のタブにこすりつき、このようにして片持ち梁を付勢させ、構成部分がともにパチンとしまり、弦巻バネまたは他の可撓性のある非伝導構造を構成部分の間に保持されることができるようにする。いったん保持されると、コンタクトプローブ組み立てプロセスの後に、バネは軸方向に片持ち梁アーム上でタブに対して力をおよぼすわずかな圧力を維持する。この力は一貫した、組み立てられた全体的な長さを維持する組み立て品の中のあらかじめ加えられた負荷を維持する。組み立て品の連動片持ちアームは弦巻バネまたは可撓性のある非伝導構造の内径の中に恒久的に保持され、組み立てられたパーツの側面方向の運動が固定タブを取り外さないような外形となり、したがってプローブは内蔵され、それをともに保持するための外部筐体を必要としない。

上部構成部分１２は、被試験集積回路または被試験装置との接触のためのＶ字形の窪みの付いたプローブ先端３０を有する。プローブ先端３０は、段部３２から上方に伸張し、片持ち梁アーム２０と２２は段部３２から下方に伸張する。段部３２は、バネ１６と１８の端部コイルを受け入れるためにバネ心出し窪み３４を含む。前述されたように、片持ち梁アーム２０と２２は、それぞれ下部構成部分１４の連動タブ２８と係合する先細面３６と３８を有する。下部構成部分１４は、上部構成部分１２の連動タブ２８と係合する先細面４０と４２を含む。同様に、下部構成部分１４はプリント基板を係合するためのプローブ先端４４を有する。プローブ先端４４は段部４６から下方に伸張し、片持ち梁アーム２４と２６は段部４６から上方に伸張する。段部４６は、バネ１６と１８の底部コイルを受け入れるためのバネ心出し窪み４８も含む。段部４６は、片持ち梁アーム２０と２２の端部のための停止面５０も有する。同様に、上部構成部分１２の段部３２は、図３に最もよく見られるように片持ち梁アーム２４と２６の端部のための停止面５２も有する。

図４に示されるように、複数の電気コンタクトプローブ１０が、集積回路パッケージの機能試験中に、プリント基板５６と、集積回路パッケージ６０または他の電気回路の外部導線５８との間に可撓性のある電気的な相互接続部を提供するために半導体試験接触器５４の中に配置される。連動する上部構成部分１２と下部構成部分１４は、二次元外形から構築され、所与の厚さは特定の用途と、試験されている被試験装置に応じる。連動片持ち梁アームはプローブの完全な作動ストロークの間にわずかに収縮し、このようにして上部構成部分と下部構成部分の間に密な接触を実現し、一貫した電気抵抗が維持されることを保証する。片持ち梁アームのわずかなテーパは、プローブが通常の動作の間に圧縮されるにつれて密な接触が増すことを保証する。コンタクトプローブは、相互接続部の全長を維持しながらも、最適な電気安定性のために所望される接触圧力が達成できるように、１つまたは複数のバネまたは他の可撓性のある非伝導構造を並列に収容できる。

図５は、本発明の第1の代替実施形態のコンタクトプローブ６２を図解する。コンタクトプローブ６２は、上部構成部分６４と、下部構成部分６６と、単一の可撓性のあるバネ６８とを含む。上部構成部分６４は、それぞれがアームの端部に連動タブ７４を配置させた、２つの片持ち梁アーム７０と７２を有する。同様に、下部構成部分６６は、それぞれが片持ち梁バネの端部に連動タブ８０を配置させた、２つの片持ち梁アーム７６と７８とを有する。この実施形態では、上部構成部分６４と下部構成部分６６は、片持ち梁アーム７０と７２が下部構成部分６６を挟み、片持ち梁７６と７８が上部構成部分６４を挟むように互いに垂直に配列されている。バネ６８を保持するために、上部構成部分６４は止め具８２を含み、下部構成部分６６は止め具８４を含む。

図６から図８は、別の代替実施形態のコンタクトプローブ８６を図解する。コンタクトプローブ８６は上部構成部分８８と、下部構成部分９０と、圧縮バネよりむしろ拡張弦巻バネ９２とを含む。コンタクトプローブ８６が付勢されると、バネ９２が引き伸ばされる。上部構成部分８８と下部構成部分９０それぞれの片持ち梁アーム９８、１００、１０２及び１０４の中に形成される切り欠き９６の中に引っ張りバネの形成された端部９４を位置合わせすることによって、圧縮バネは上部構成部分と下部構成部分に固定される。

図９及び図１０は、本発明のさらに別の代替実施形態のコンタクトプローブ１０６を図解する。コンタクトプローブ１０６は、上部構成部分１０８と、下部構成部分１１０と、二重圧縮バネ１１２と１１４とを有する。上部構成部分１０８と下部構成部分１１０の両方とも、バネをコンタクトプローブ上で中心に置くために圧縮バネ１１２と１１４の内径の中に広がるフランジ１１６を有する。上部構成部分１０８と下部構成部分１１０は、バネの内径の中に入れられていないが、プローブの中心領域内にある代替ラッチ機構によって連結されている。上部部分１０８は、各片持ち梁アームの端部に位置する連動タブ１２６によって下部構成部分１１０の２つの片持ち梁アーム１２２と１２４の間に保持される拡大ヘッド部分１２０を有する単一の片持ち梁アーム１１８を有する。プローブのコンプライアンスストロークの間にパーツ間にわずかな相殺力を与えるために、片持ち梁アーム１２２と１２４はそれぞれ斜めの内面１２８と１３０を有する。

図１１は、上部構成部分１３４と、コンタクトプローブ１０６用のラッチ機構と同じである下部構成部分１３６のためのラッチ構成部分を有するさらに別の代替コンタクトプローブの設計を図解する。しかしながら、このプローブ１３２は単一ばね１３８用のデザインであり、ラッチ構成部分はバネ１３８の内径の中に入れられている。

図１２は、本発明の別の代替実施形態のコンタクトプローブ１４０を図解する。コンタクトプローブ１４０は、上部構成部分１４４のためのプローブ先端１４２を例外として、コンタクトプローブ１０と構造が同一である。この実施形態では、プローブ先端１４２が付勢され、接点につながる斜めの面を有し、ケルビン接続のための２つの独立したプローブのある集積回路素子１４８の非常に小さなパッド１４６と接触できる製造可能な解決策を提供する。これは、２つのプローブの接点が互いに隣接し、集積回路素子上のパッド１４６と接触するように、２つのコンタクトプローブ１４０を鏡に映し出されるように互いに隣接して配置することによって達成される。

図１３及び図１４は、実際的なケルビン構成のための別の代替実施形態のコンタクトプローブ１５０を図解する。プローブ１５０は、上部構成部分１５２と、下部構成部分１５４と、単一圧縮バネ１５６とを含む。上部構成部分は２つの片持ち梁アーム１５８と１６０を有し、下部構成部分１５４は２つの片持ち梁アーム１６２と１６４とを有する。各片持ち梁アームは、アームの端部に位置する電気接点***１６６と、片持ち梁アームを中ほどで下った位置にある連動タブ１６８とを有する。***１６６ははっきりと丸みをつけられ（ｒａｄｉｕｓ）、対向する構成部分の平らな表面を円滑に滑るように設計され、上部構成部分と下部構成部分の間の主な電気接点である。上部構成部分１５２と下部構成部分１５４は、片持ち梁アームと連動タブ１６８が圧縮バネ１５６の内部で上部構成部分と下部構成部分をともに摺動自在に連動するように、互いに垂直に接合されている。上部構成部分と下部構成部分は、プローブの全長に軸を作るバネ力を与える弦巻バネまたは非伝導性のエラストマ部材を捕らえる。上部構成部分１５２はコンタクトプローブ１４０のプローブ先端１４２に類似したプローブ先端１７０を有する。図１４に最もよく見られるように、ケルビン構成は、プローブ先端１７０が被試験装置に接触できるように、２つのコンタクトプローブを鏡に映し出されたように互いに隣接して設置する。

多様な実施形態の構成部分及び特長は、特定の応用例について置き換え可能であり、例から分かるように、コンタクトプローブは、２つの導電性構成部分の上部構成部分と下部構成部分の間で圧縮する１つまたは複数のバネと構築できる。コンタクトプローブは、組み立て品のコンプライアンスが１つまたは複数の弦巻引っ張りバネを使用することにより生じるように設計することもできる。本発明のコンタクトプローブは、組み立て品のコンプライアンスが１つまたは複数の圧縮性の導電性エラストマを使用することにより生じるように設計することもできる。

本発明のコンタクトプローブは、被試験集積回路に最も安定性のある抵抗を達成するために最適化される多種多様なさまざまな先端様式で構築できる。先端様式は、曲線状の半径、一点の鋭い先端と二点の鋭い先端を含むが、これらに限定され、上部構成部分または下部構成部分の外部で中心に配置できる、あるいは内部で狭められる。

本発明のコンタクトプローブは、上部構成部分と下部構成部分のための異なるラッチ機構を備えて設計できる。全体的な経路抵抗を削減するために、追加のワイピングアームを構成部分に加えることができる。さらに、コンタクトプローブの構成部分の１つは、全体的な経路抵抗を削減するために、それがプリント基板にはんだ付けできる、あるいは圧入できるように尾部を有することがある。コンタクトプローブ先端の形状は、隣接するプローブが被試験装置のケルビン試験を可能にするように配置できるように付勢できる。ケルビン試験は、多くの場合、非常に感度の高いパーツを試験する、あるいは回路網が、一方のプローブを通る強制電流を運び、検出電圧降下が隣接するプローブを通して容易に測定できるように設計できることを要求される。実用的なソケット設計でこれを達成するためには、プローブ先端は互いに非常に近くに配置され、被試験信号装置信号パッドと係合しなければならない。加えて、接点の外形及び形状は、整合インピーダンスの最適化あるいは他の最適化されたＲＦ信号周縁部のために設計できる。

本発明は、その複数の実施形態に関して説明および図解されてきたが、主張されるような本発明の完全な意図される範囲内にある変更及び変型をその中で行うことができることが理解されなければならない。

本発明の電気コンタクトプローブの分解斜視図である。 拡張位置にある図1のプローブの断面図である。 圧縮された位置にある図１のプローブの断面図である。 半導体試験接触器の中に取り付けられた本発明の電気コンタクトプローブの斜視図である。 第１の代替実施形態の電気コンタクトプローブの分解斜視図である。 第２の代替実施形態の電気コンタクトプローブの分解斜視図である。 拡張位置にある図６のプローブの斜視図である。 圧縮位置にある図６のプローブの斜視図である。 拡張位置にある第３の代替実施形態の電気コンタクトプローブの斜視図である。 収縮位置にある図９のプローブの斜視図である。 第４の代替実施形態の電気コンタクトプローブの分解斜視図である。 第５の代替実施形態の電気コンタクトプローブの前面図である。 第６の代替実施形態の電気コンタクトプローブの分解斜視図である。 ケルビン構成での図１３のプローブの斜視図である。

Claims (6)

1. 可撓性のある電気的な相互接続部であって、
   第１の構成部分と、
   第２の構成部分と、
   前記第１の構成部分と前記第２の構成部分とを互いの移動方向と反対方向に付勢するバネ部材と、を有し、
   前記第１の構成部分及び前記第２の構成部分の少なくとも一方は、他方の構成部分と密に接触して係合するように付勢された２つの片持ち梁アームを有しており、
   前記片持ち梁アームは端部に連動するタブを有し、該タブによって、前記片持ち梁アームには可撓性のある先細面が構成され、該先細面により他方の構成部分と接触し、
   前記バネ部材が引っ張りバネである、
   可撓性のある電気的な相互接続部。
2. 前記第１の構成部分と前記第２の構成部分の両方が２つの片持ち梁アームを有する、請求項１に記載の相互接続部。
3. 前記第１の構成部分の前記２つの片持ち梁アームは、前記第２の構成部分の前記２つの片持ち梁アームと、垂直方向に連動する、請求項１に記載の相互接続部。
4. 前記バネ部材は、前記第１の構成部分及び前記第２の構成部分の各々と、前記２つの片持ち梁アームに形成される切り欠き部で各端部が固定される、請求項２または３に記載の相互接続部。
5. 前記第１の構成部分が試験箇所に接触するプローブ先端を有する、請求項１に記載の相互接続部。
6. 前記第２の構成部分がプリント基板に接触するプローブ先端を有する、請求項５に記載の相互接続部。

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