CN1646922A - 导电接触探头 - Google Patents

Abstract

保持器1是通过层叠支承部件3、4和5并穿过贯穿它们的保持器孔2来形成的。在螺旋弹簧8的任一端设有一对针状部件9和10。利用一个支承部件3来防止位于一侧的每个针状部件9脱出。容纳在所述保持器孔的大直径孔2b中的凸缘部9b与针部10a的尖头之间的长度L被加工得基本上等于保持器1的大直径孔2b的深度D。由于这样将螺旋弹簧置于基本上不受力的状态，所以当防止了多个针状部件中的至少一个从保持器孔的对应端突出时，防止针状部件脱出的所述部分就没有承受螺旋弹簧的压缩载荷。因此，即使保持器被设为小厚度，也可以避免保持器的翘曲或挠曲，并且可将诸如陶瓷材料的热膨胀系数较小的材料用于保持器。

Description

导电接触探头

技术领域

本发明涉及导电接触探头，特别涉及一种适于对高度集成的半导体器件以及具有高度密集排列的待访问点的其他测试物体进行测试的导电接触探头。

背景技术

这种类型的接触探头通常包括：采用板状部件形式的保持器(holder)，所述板状部件限定贯穿所述保持器的厚度的多个保持器孔；一容纳在每个保持器孔中的压缩螺旋弹簧；以及与所述压缩螺旋弹簧的任一轴向端相连接的一对针状部件。该类型的导电接触探头通常用在待测物体与测试设备的电路板之间。

对于具有两个可移动端的接触探头，用于每个螺旋弹簧的两个针状部件从保持器的对应侧突出，并由形成在保持器中的肩部等防止其向外伸出超过一定限度。对于只具有一个可移动端的接触探头，以类似方式防止其中一个针状部件脱出，而另一针状部件邻接与保持器的对应侧相接合的电路板的对应焊盘。

在其中任一情况下，为了从每个螺旋弹簧获得良好的弹力，将螺旋弹簧安装成预受力的状态。由此，可以最小化与对应针状部件的回程相关的弹力变化。

然而，发明人发现，当每个接触探头中的接触单元(每一个都包括一压缩螺旋弹簧和设置在该螺旋弹簧的任一轴向端上的一对针状部件)的数目增加至满足对现代化半导体器件的高度密集排列端子或焊盘进行测试的需要时，接触探头中的螺旋弹簧的组合弹力可以变得很大，以致于为保持器提供足够的机械强度变得愈加困难。由于每个接触单元都很小，所以每个接触单元的弹力可以非常小，但是，在一些用于测试高级半导体器件的接触探头中，接触单元的数目很大，使得组合弹力可以变得相当可观。

特别地，由于需要利用形成在保持器孔中的肩部等来防止每个接触单元的至少一个针状部件脱出，所以这种肩部等通常承受螺旋弹簧的预加载。因此，组合弹性载荷作用在肩部上，并往往将保持器的一部分推离另一部分。

当螺旋弹簧的压缩载荷足够大时，通常由承受该压缩载荷的多个分层支承部件构成的保持器部件可能发生翘曲(warp)、挠曲(deflect)或其他变形。这会引起诸如以下的问题：针状部件自由端的位置(接触位置)失去精度，以及增加了移动针状部件的阻力。可以通过增加对应的支承部件的厚度来避免这些问题。

然而，随着用于对测试物体进行测试的信号的频率增大，要求接触探头适应这种高频信号。例如，希望最小化总长度(测试信号路径的长度)。这可以通过减小每个支承部件的厚度以减小保持器的总厚度(每个导电接触单元的轴向长度)来实现，但是支承部件的厚度降低意味着机械强度的降低，从而使问题变复杂。

当通过在高温环境(约150℃)下长时间(从几小时到几十小时)施加电压来对半导体器件进行老化测试时，理想的是，使用热膨胀系数相对较低的绝缘材料(如陶瓷)来制作支承部件。然而，如果支承部件是由诸如陶瓷的脆性材料制成的，则当弹性负载很大时它们会遭到破坏。因此，在某些情况下，不能陶瓷材料用于需要具有小厚度的导电接触探头的支承部件。当打算在室温环境下使用接触单元时，塑料材料可以用于支承部件，不过即使在这些情况下，支承部件在负载的作用下也会变形。

发明内容

鉴于现有技术的这些问题，本发明的一个主要目的是提供一种接触探头，其适于对高度集成的半导体器件以及其他具有高度密集排列的待访问点的测试物体进行测试。

本发明的第二目的是提供一种结构简单且制造经济的接触探头。

本发明的第三目的是提供一种可构建为超薄结构的接触探头。

本发明的第四目的是提供一种接触探头，它的保持器可由缺乏良好的机械特性但在其他方面较为理想的材料制成。

根据本发明，至少大部分目的可以通过提供一种导电接触探头来实现，该导电接触探头包括：保持器部件，限定贯穿保持器部件的厚度的多个保持器孔；导电螺旋弹簧，被容纳在每个保持器孔中；一对导电接触部件，设置在螺旋弹簧的任一轴向端上；接合部，设置在每个保持器孔中，用于防止至少一个接触部件从保持器孔中脱出；将所述导电螺旋弹簧安装在保持器孔中，使得其在接触探头的非用状态下基本上不受力。

根据这种配置，由于按将螺旋弹簧放置得基本上处于不受力的状态的方式，将导电螺旋弹簧和导电接触装置安装在保持器孔中，所以在防止至少一个导电接触装置从保持器孔的对应端突出时，防止导电接触部件脱出的接合部不承受螺旋弹簧的压缩载荷。因此，即使保持器具有小厚度，与现有技术相比，仍可避免保持器的翘曲或是挠曲，并且可以将具有小热膨胀系数的绝缘材料(如陶瓷材料)用于保持器。

位于每个螺旋弹簧的任一轴向端上的接触部件都可以包括针状部件。在这种情况下，可以在每个保持器孔的任一轴向端中都设置一对接合部，来防止两个针状部件从保持器孔中脱出；或者另选地，可以只在每个保持器孔的两个轴向端的一个中设置一个接合部，来防止对应的针状部件从保持器孔中脱出。在任一情况下，每个接合部都可以由限定在每个保持器孔中的肩部组成。如果保持器部件包括多个分层支承部件，则方便地将肩部限定在所述多个支承部件中的其中形成有相互同轴但直径不同的保持器孔的邻接的两个支承部件之间。

根据本发明的一个优选实施例，位于每个螺旋弹簧的一个轴向端上的接触部件包括一针状部件，而位于螺旋弹簧的另一轴向端上的接触部件由所述螺旋弹簧的盘绕端(coil end)构成，接合部设置在每个保持器孔中，以仅防止针状部件脱出。这种配置减少了部件数和装配工作量，因此有助于降低生产成本。

通常，将测试设备的电路板接合到保持器的一侧，而对应侧的接触部件接合该电路板的焊盘。因此无需防止这一侧的接触部件脱出，并且就这一侧而言，可以不在每个保持器孔中设置接合部。

如果通过在安装状态下检查接触部件从保持器的外表面突出的长度，使得位于接触探头的没有设置接合部的一侧的导电接触部件的自由端与保持器的外表面齐平，则可以容易地检测到装配中的缺陷。

附图说明

以下参照附图对本发明进行说明，附图中：

图1是用于在具体实现本发明的接触探头单元中使用的接触探头保持器的平面图；

图2是沿图1的线II-II所截取的接触探头单元的局部纵剖视图；

图3是示出将螺旋弹簧和针状部件装配在接触探头支承部件中的方式的视图；

图4是类似于图2的示出本发明第二实施例的视图；

图5是类似于图5的示出本发明第三实施例的视图；

图6是具有密集板装(populated)的针状部件的接触探头(第四实施例)的示意性立体图；以及

图7是示出本发明第五实施例的局部纵剖视图。

具体实施方式

图1是用于具体实现本发明的接触探头中的导电接触单元的保持器的平面图。例如，当待测物体由一个8英寸晶片构成时，保持器1可以由一直径为8英寸(约200mm)的盘构成。一个8英寸的晶片通常可制成几十到几百个半导体芯片。一个12英寸的晶片(约300mm)通常可制成几千个半导体芯片。

参照图1，用于导电接触探头的保持器1在平面图中为圆形，与待测试晶片相似，并且，与现有技术的情形相同，在与形成在晶片中的芯片的电极对应的位置处设置有多个保持器孔2，其用于容纳多个导电接触单元。图中，以按一定程度放大的方式示出了保持器孔2，并且其数量比实际的要少。

图2是沿图1中的线II-II所截取的局部纵剖视图，其示范性地示出了实施本发明的导电接触单元。如图2中所示，采用形状与图1的平面图中所看到的相同的板状部件形式的三个支承部件3、4和5被层叠为上、中和下层，以形成用于导电接触探头的三层保持器。

支承部件3、4和5均可由相同材料(例如允许以高精度形成保持器孔2的塑性材料，或者具有高耐热性的陶瓷材料)制成。如果通过在要求的位置处夹物模制(insert molding)、涂敷或淀积绝缘材料获得了必要的绝缘，则也可以使用金属材料和半导体材料。支承部件3、4和5都具有共形(conformal)的圆盘形状，并且通过使用图中未示出的螺栓等固定在图2中所示的层叠状态下的位置处。使用螺栓来固定层叠套件使得套件可拆装，从而易于维护和进行其他事项。

参照图2和3，外部(图2中为上部)支承部件3之一形成有多个台阶状直径孔，每个所述台阶状直径孔都包括互相同轴设置的一小直径孔2a和一大直径孔2b；而其他支承部件4和5则形成有直径与大直径孔2b相同的直孔(straight hole)2c和2d。因此，每个保持器孔2都由对应的台阶状直径孔2a和2b以及对应的直孔2c和2d组成。

参照图3，每个接触单元的导电部分都包括：导电螺旋弹簧8；以及一对导电接触部件，其由设置在螺旋弹簧8的任一端并且其自由端相互背离的多个导电针状部件9和10组成。其中一个针状部件9(或者图3中的下针状部件)包括：针部9a，其具有在图3中朝下的尖锐端部；凸缘部9b，形成在针部9a的基础端(base end)并且与针部9a相比具有增加的直径；以及夹持部(boss portion)9c，其从凸缘部9b远离针部9a而伸出(图3中向上)，所有这些部分都被设置得彼此同轴。另一针状部件10(或者图3中的上针状部件)包括：针部10a，其具有在图3中朝上的尖锐端部；夹持部10b，形成在针部10a的基础端部并具有比针状部件10a更小的直径；以及柄部(stem portion)10c，其从夹持部10b远离针部10a(在图3中向下)伸出，所有这些部分也都被设置得彼此同轴。

如图3所示，螺旋弹簧8包括位于其下部的密绕部分8a和位于其上部的疏绕部分8b。一个针状部件9的夹持部9c配合到由密绕部分8a限定的盘绕端中，并且另一针状部件10的夹持部10b配合到由疏绕部分8b限定的另一盘绕端中。可以依靠螺旋弹簧的缠绕或卷绕力或者通过焊接将这些夹持部9c和10b与螺旋弹簧8的对应端进行接合。当使用焊接时，夹持部9c及10b与对应的盘绕端之间的配合可以是松配合。

当把螺旋弹簧8以及导电针状部件9和10安装到对应的支撑器孔中且使螺旋弹簧8不受力并以其自然长度延伸时，柄部10c的自由端与密绕部分8a的邻接疏绕部分8b的端部基本上重合。因此，由于在用于测试的过程中，螺旋弹簧8受压而弯曲，密绕部分8a接触柄部10c，从而使得在两个针状部件9和10之间传导的电信号可以通过密绕部分8a和柄部10c流动而不通过疏绕部分8b流动。因此，允许电信号在两个针状部件9和10之间沿轴向或直线流动，而这使得接触单元对于涉及高频的新一代芯片的测试是非常理想的。

通过按图3中的箭头所示将螺旋弹簧8以及导电针状部件9和10的一体接合套件导入保持器孔2中，来将所述一体接合套件安装在支承部件3、4和5中。可以按照如图3中所示的反向或者按照如图2所示的正向使用接触单元。在任一情况下，当如图3所示安装螺旋弹簧8及导电针状部件9和10的套件时，通过由在小直径孔2a与大直径孔2b之间限定的肩部来接合针状部件9之一的凸缘部9b，防止了该套件从保持器孔2中脱出。因此，在小直径孔2a与大直径孔2b之间限定的肩部以及凸缘部9b防止了所述套件沿一个方向(图3中向下的方向)脱出。

在图2中所示的安装状态下，例如通过按使保持器1的台阶状直径孔2a和2b面朝上并使保持器1的直孔2c和2d面朝下的方式使用螺栓，来将测试设备的电路板11接合到接触探头的下侧。电路板11在对应于针状部件10的位置处设有多个端子11a。在图2中所示的安装状态下，每个针状部件10的针部10a与对应端子11a相接合，这防止了由螺旋弹簧8以及针状部件9和10构成的套件沿另一方向从保持器孔2中脱出。

根据本实施例，在图2中所示的安装状态下或者在接触探头1的非用状态下，每个针状部件10的自由端10a几乎不与电路板11的对应端子11a接合，或者换言之，螺旋弹簧8处于不受力的状态。例如，对于一体组合了螺旋弹簧8以及针状部件9和10的每个接触单元，当没有向螺旋弹簧8施加载荷时，凸缘部9b与针状部件10a的尖头之间的长度L基本上等于保持器1的大直径孔2b、2c和2d的深度D。

由于图中接合至保持器1的电路板11的端子11a基本上与保持器1的下表面齐平，所以每个接触单元在凸缘部9b与针部10a之间延伸的部分被容纳在具有深度D的大直径孔2b、2c和2d中。另外，由于长度L和深度D基本上互等，所以在图2所示的装配状态下基本上没有向螺旋弹簧8施加显著的载荷。因此，与传统布置相比，远离电路板11的支撑部件3不会被螺旋弹簧8的弹力向上推起，而且即使保持部件3的厚度很小(例如约1mm)，也可以避免支撑部件3发生翘曲或挠曲。因此，本实施例对于在较大保持器(直径在200至300mm的范围内)中使用非常有利。

可以这样进行排列，即，将每一个针部10a的尖头容纳在对应的大直径孔2b中。换言之，长度L可以略小于深度D。另选地，为了避免因每个螺旋弹簧8与对应针状部件10之间的连接方式的不同和/或待访问物体上的端子或点的高度不同而导致的长度L变化的影响，长度L可以略大于深度D，以使得每个针状部件的针部9a从保持器孔略微突出，从而顺利地适应这些变化。

因此，可以最小化支承部件3的厚度。如果希望，可以将陶瓷材料或者具有低热膨胀系数的其他材料用于支承部件3。陶瓷材料通常是易碎的，不过本发明的结构能够防止由这种材料制成的支承部件3发生破裂、破碎或其他损坏。通过将相似材料用于其他支承部件4和5，可将接触探头安全地用于进行涉及在高温环境(约150℃)下长时间(从几小时到几十小时)施加电压的老化测试。简言之，由于可以降低对于支承部件的机械强度的要求，所以选择用于支承部件的材料的自由度也增加了。

优选地，长度L与深度D之间的关系可以按如下方式进行选择：即，使得在由螺旋弹簧8以及针状部件9和10构成的每个接触单元的安装状态下，针部10a超出保持器1(朝向电路板11)的突出长度可以被加工得尽可能小；或者使得针部10a几乎不接触电路板11，并且针部10a甚至从保持器1的外表面略微缩回。在任一情况下，最好在装配电路板11时最小化针部10a作用在端子11a上的压力(弹性载荷)。另外，通过在将螺旋弹簧8以及针状部件9和10安装在保持器1中的情况下检查针部10a从保持器1的外表面突出的长度，可以容易地检测到套件中的任何缺陷，而且可以容易地检验螺旋弹簧8以及针状部件9和10的状态。

参照图2，当按上针状部件9的针部9a向上突出的方式如图中箭头所示把接触探头施加到待测试的晶片26时，针部9a与对应的电极26a相接触，并且针部9a和10a最终与对应的电极26a和端子11a弹性接合。此时，随着上针状部件9被推入保持器孔一定行程，产生了来自螺旋弹簧的弹性反作用力，这足以在接触探头与晶片26之间以及在接触探头与电路板11之间建立所需的电接触。因此，可对晶片执行前述的电测试。在该状况下，螺旋弹簧8的弹性载荷仅被施加给电路板11和晶片26，而没有被施加给支承部件3、4和5。

在前述实施例中，接触探头保持器设有包括三个支承部件3、4和5的三层结构，不过根据保持器孔的尺寸和节距(pitch)，接触探头保持器也可以由单个支承部件构成。这样的单层结构示于图4中。图4中示出的支承部件3可与前面实施例中的支承部件3相似，并且，利用相同的标号来表示与前面实施例中对应的部分，而不重复对这些部分的描述。

图4中示出的接触探头保持器设有多个保持器孔2，每个保持器孔2都由形成在单个支承部件3中的台阶状直径孔所限定，并且在每个保持器孔2中容纳有螺旋弹簧8以及一对导电针状部件9和10。当针状部件9不需要显著的行程时，每个螺旋弹簧8的疏绕部分8b无需很长，并且保持器1可以由只包括一个支承部件3的单层结构构成。在这种情况下，保持器1的厚度可以进一步减薄。

在前面的实施例中，位于每个螺旋弹簧8的任一端的导电接触部件由一对针状部件9和10构成，但是位于每个螺旋弹簧8的一端的面对电路板11的接触部件可由如图5所示的盘绕端12(所示实施例中的疏绕部分的盘绕端)构成，以将此盘绕端12施加到对应的端子11a。这样就减少了所需针状部件的数目，并且通过最小化零部件的数目以及所需的装配工作量，有助于降低生产成本。

在具有上述结构的导电接触探头中，由于如前所述，螺旋弹簧8在安装状态下不受力，所以在密集排列大量针状部件10以与待测芯片的电极(如图6所示)相匹配时，可以获得特别有利的优点。例如，当要测试半导体封装基板时，其在每平方厘米中可含有3000或更多个焊盘(端子等)，即使每个弹簧的弹力可以非常小，但组合弹力仍可以相当大，以致于采用板状部件形式的保持器在这种载荷下会发生翘曲。然而，在上述接触探头中，由于在安装状态下每个螺旋弹簧基本上不提供弹性载荷，所以总载荷基本上为零，从而可以避免保持器的翘曲或其他变形。

图7示出了具有两个可移动端的接触探头的一部分。图中示出的每个导电接触单元都设有一导电压缩弹簧30以及邻接每个螺旋弹簧任一端的一对导电针状部件29和31，由此提供了两个可移动端。通过层叠三个塑性支承部件28、32和33来形成用于支承这些单元的保持器。上支撑部件28设有多个小直径孔，每个小直径孔以轴向可滑动的方式容纳对应接触单元的一个针状部件29，以使其自由端移动进出保持器，并且对应的螺旋弹簧被容纳在中支承部件32中所设置的大直径孔以及下支承部件33中所设置的台阶状直径孔的大直径部分中。另一针状部件31被可滑动地容纳在下支承部件中所设置的台阶状直径孔的小直径部分中，以使其自由端移动进出保持器。上针状部件29设有凸缘部，该凸缘部被容纳在中支承部件32的大直径孔中，以防止下针状部件29从保持器脱出。

在所示出的安装状态下，压缩螺旋弹簧30被置于不受力的状态下。因此，压缩螺旋弹簧30不会施加用于将上支承部件28和下支承部件33相互推离的力。当把接触探头的两端施加到待测试物体以及测试设备的电路板时，压缩弹簧在这两个外部部件之间受到压缩，并且在每个接触点处产生了所希望的弹性接合力。

因此本实施例最小化施加给保持器的应力。另外，将压缩螺旋弹簧30置于不受力的状态又提供了简化装配工序的益处。装配接触探头需要在相互接合支承部件28、32和33之前，将针状部件29和31以及压缩螺旋弹簧30置于对应的保持器孔中。如果螺旋弹簧30在安装状态下预受力，则必须在抗衡压缩螺旋弹簧的组合弹力的情况下来将支承部件28、32和33相互接合，这将显著地影响装配工作的简单性。另一方面，根据示出的实施例，在接合支承部件28、32和33时无需对抗弹力，这简化了装配工作。

在上述的布置中，由于按将螺旋弹簧放置得基本上处于不受力的状态的方式，把包括导电螺旋弹簧和导电接触部件的每个接触单元安装在对应的保持器孔中，所以在通过保持器的一部分防止多个导电接触部件中的至少一个从保持器孔的对应端突出时，用于防止导电接触部件脱出的所述部分没有承受螺旋弹簧的压缩载荷。因此，即使保持器由薄板部件制成并且/或者不具有良好的机械特性，与现有技术相比也可以避免保持器的翘曲、挠曲或破裂，并且可将诸如陶瓷材料的具有小热膨胀系数和其他希望特性的材料安全地用于保持器。因此，在这种情况下，即使接触探头被形成为高度紧凑的单元，也可以将其安全地用于进行涉及在高温环境(约150℃)下长时间(从几小时到几十小时)施加电压的老化测试。

如果要测试的是半导体封装基板，该半导体封装基板每平方厘米可含有3000或更多个焊盘(端子等)，从而即使每个弹簧的弹力可以非常小，组合弹力仍可相当大，以致于采用板状部件形式的保持器在这种载荷下会发生翘曲。然而，在本发明的接触探头中，由于在安装状态下每个螺旋弹簧基本上不提供弹性载荷，所以总载荷基本上为零，从而可以避免保持器的翘曲或其他变形。

特别地，如果将接触单元安装在对应的保持器孔中，使得通过在安装状态下检查接触部件从保持器的外表面突出的长度，使导电接触部件的位于保持器一侧的自由端基本上与保持器的外表面齐平，则可容易地检测到套件中的任何缺陷。

位于保持器一侧的导电接触部件可以各由导电螺旋弹簧的盘绕端构成。因此，可以这样：一个接触部件由与螺旋弹簧相接合的针状部件构成，而另一接触部件由盘绕端构成。这种布置减少了元件的数目和装配工作量，因此有助于降低生产成本。

尽管采用本发明的优选实施例对本发明进行了描述，但是对于本领域的技术人员来讲，显然在不脱离所附权利要求中阐述的发明范围的前提下，可以对本发明进行各种变化和修改。

Claims (8)

1、一种导电接触探头，包括：

保持器部件，限定贯穿所述保持器部件的厚度的多个保持器孔；

导电螺旋弹簧，被容纳在每个所述保持器孔中；

一对导电接触部件，设置在所述螺旋弹簧的任一轴向端上；

接合部，设置在每个所述保持器孔中，用于防止至少一个所述接触部件从所述保持器孔中脱出；

将所述导电螺旋弹簧安装在所述保持器孔中，使得其在所述接触探头的非用状态下基本上不受力。

2、根据权利要求1所述的导电接触探头，其中，位于每个螺旋弹簧的任一轴向端上的所述接触部件包括针状部件。

3、根据权利要求2所述的导电接触探头，其中，在每个保持器孔的任一轴向端上设有一对接合部，以防止两个所述针状部件从所述保持器孔中脱出。

4、根据权利要求2所述的导电接触探头，其中，仅在每个保持器孔的两个轴向端中的一个上设有一接合部，以防止对应的针状部件从所述保持器孔中脱出。

5、根据权利要求1所述的导电接触探头，其中，位于每个螺旋弹簧的一个所述轴向端上的所述接触部件包括一针状部件，而位于所述螺旋弹簧的另一轴向端上的所述接触部件由所述螺旋弹簧的盘绕端构成，所述接合部设置在每个保持器孔中，以仅防止所述针状部件脱出。

6、根据权利要求1所述的导电接触探头，其中，所述接合部设置在每个所述保持器孔中，以仅防止一个所述接触部件从所述保持器孔中脱出，而另一接触部件被安装为基本上与所述保持器部件的外表面齐平。

7、根据权利要求1所述的导电接触探头，其中，所述接合部包括限定在每个保持器孔中的肩部。

8、根据权利要求7所述的导电接触探头，其中，所述保持器部件包括多个分层支承部件，并且所述肩部被限定在所述多个支承部件中的邻接的两个支承部件之间，所述邻接的两个支承部件具有形成在其中的相互同轴但直径不同的保持器孔。

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