CN1180264C - 用于电路板测试装置的探针 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于电路板测试装置的探针，以及相关的导引装置和电路板测试装置。该探针至少包含一细针以及一套筒，细针以可移动的方式设置在套筒内，其伸出于套筒的部分的长度至少为10mm，甚至超过20mm。在本发明的第一实施例中，细针伸出于套管的部分为渐缩至一接触端的圆锥体。根据本发明的用于电路板测试装置的探针，可以实现高密度的接触，同时探针也有弹性地工作。

Description

用于电路板测试装置的探针
技术领域
本发明涉及一种用于电路板测试装置的探针，还有包含导引装置(adapter)与电路板测试装置。
背景技术
现有技术曾提到很多类型的探针或者针状物可以用于电路板测试装置，其中有一种电路板测试装置如图6所示，图中电路板(circuit board)P中的待测点(test point)T一般是不规则分布，但能通过一电路导引装置(pattern adapter)R的帮助，使栅格图形阵列(grid pattern array)G上原本规则排列的栅格测试点，能够与待测点T连接；其中电路导引装置R至少包含复数个相互间隔分离的导引层(guide layer)F，其中每一个导引层F包含复数个导引孔(guide hole)，每一个导引孔中可容纳一探针N，这些探针N分别稳固地被置于电路导引装置R中，有的甚至是倾斜的，其目的是能够将规则排列的栅格接触点分别电连接于电路板中的待测点T，因为待测点倾斜于规则排列的基本图形阵列。
为了弥补电路板的电路待测点的不规则性，以及能使栅格图形阵列G的电连接处更具可靠性，电路导引装置R更搭配连接一全探针匣(fullpattern cassette)V，其中包含有复数个具有弹力的弹性探针(resilientprobe)S，该复数个弹性探针S可以分别对应于栅格图形阵列中的栅格图形。虽然电路导引装置通常只包含与电路板中的待测点一样数量的探针，但全探针匣V所包含的区域通常都布满弹性探针。这些弹性探针通常都是圆柱状的，而且外观都是一端凸起以及另一端渐粗的设计，上述的技术已在欧洲专利申请号为EP0 149 776 B2的专利以及德国专利申请号为DE G 90 14 236.5U1的专利中有详细的公开。
现今的电路板包含复数个内建式配线板，可提供可直接插件高集成IC。特别是使用高密度的接头阵列(terminal arrays)，例如球型栅格阵列(ball grid arrays，BGA)等，在这类电路板中，所要提供能使探针接触以及感应到的接触点的数量一直持续在增加。同时，在上述接触点之间的间隔却被迫缩小到大概只有0.25mm，相当于10密耳(mil)。所以用于这类型的电路导引装置必须使用极细的探针才能达到要求，其直径往往只有0.1mm或0.2mm，这么细的探针通常极不稳定，故在电路导引装置中需要很多的导引层来引导探针。这就是为什么现有技术针对不同型态的电路板，必须要制作符合需求的测试装置，该工程实在非常复杂。
在1998年第7/8期《精密机械与计量》(Feinwerktechnik &Messtechnik)中的文章“SMD技术改变了测试装置”(第317-318页)公开了一种用于表面安装器件电路板(SMD-populated circuit board)的接触式探针，其包括探针套筒和可在探针套筒内滑动的柱塞部分。柱塞的直径为1.3mm。该文章描述的探针具有以下缺点，即探针套筒的壁厚较小和柱塞的杆直径较小。
美国专利申请US4,4,896,107示出了一种具有尖端呈圆锥形的接触式探针。在杆部分，这些接触式探针具有最大的厚度为1.3mm-1.4mm，在探针上形成的头部的直径为2mm。
德国专利申请DE 36 43 305 A1示出了一种接触式探针，其具有一个作为套筒使用的伸长的金属圆筒，以及一个整个的金属管状螺旋弹簧组件，其被插入套筒中，从而形成可以在套筒内滑动的接触式探针。
德国专利申请DE 34 26 295 A1公开了另一种接触式探针。该接触式探针依次具有一套筒和一柱塞。该柱塞提供有一个展平部分，该部分与套筒的弯曲槽啮合。其外形的设置表明，该处使用的柱塞基本上比根据本发明的探针更粗。
美国专利申请US4,633,176涉及一种用于电路板测试的导引装置，其具有可以向外转动的探针。后者通过锥尖和孔，作用在与锥尖连接处被向外转动，并与待测试电路板的预定接触点成一列。
发明内容
基于上述原因，本发明提供一种探针，当现今的电路板的高密度的阵列中，其待测点数量越来越多时，仍然可以满足需求。此外，本发明还提供一种电路导引装置以及电路板测试装置。
本发明通过提供一种探针、一种导引装置以及一种电路板测试装置来实现本发明目的。
根据本发明用于电路板测试装置的探针，其特征为包含一细针和一套筒，该细针以可移动的方式设置于套筒之内，且突出套筒的部分长度至少有10mm，甚至超过20mm。细针从伸出套筒的部分开始为一截面逐渐变细的圆锥体，并形成一接触端。
由于逐渐变细的圆锥体，在接触端区域探针很尖，从而使得在该区域可以高密度地放置探针。
由于通过套筒导引使其移动，不仅能兼具原本探针的功效，同时还增强了探针的硬度。此外，根据本发明的探针还容易与电路导引装置结合，该电路导引装置可选通在接触表面之间具有很小空间的高密度接触阵列。
细针接触端为一个逐渐变细的圆锥体，以及从套筒延伸出一个明显的部分，因此，细针和套筒的组合使得多个测试探针可以在其接触端具有较高密度。同时，其具有必要的硬度且设计简单。
进而，本发明的导引装置包含至少两个导引层，且相互平行设置，其中分别包含复数个穿透的孔，使探针能分别设置于其中，并伸出接触端来接触待测物，接触端的另一端则是接触具有规则接触点的栅格图形阵列。因此，根据本发明的导引装置消除了具有弹性探针的全探针匣的分离设置，以及改进了常规技术中针对栅格图形阵列时只能导引规则电路的刚性电路导引装置相互分离的结构。由于本发明探针的套筒的主要用来支撑以及导引，使得导引装置中的内部导引层的数量能减到最少。上述导引层可以高密度的CNC机床工具来钻孔加工，配合计算机自动操作，可使成本减少。
进而，根据本发明的电路板测试装置，其特征在于包含一规则的栅格图形阵列、一具有复数个探针的导引装置，该导引装置包括一与所述探针电连接的第一上接触端，所述第一上接触端适于与栅格图形阵列连接；所述探针从第二上接触端处伸出，从而每个接触端被分配到待测物体的一个特定的电路板中的待测点，并通过插入所述测试装置与所述电路板中的待测点电连接。
通过参考附图以及以下对实施例的详细描述，上述本发明的目的、特征以及优点将会更容易被理解。
附图说明
图1是本发明第一实施例中探针的示意图。
图2是本发明另一实施例中探针的示意图。
图3是本发明另一实施例中探针的示意图。
图4是本发明实施例中电路板测试装置以及电路板的侧视图。
图5是本发明图4中的部分放大示意图。
图6是现有的电路板测试装置的示意图。
附图中标号说明：
R电路导引装置                G栅格图形阵列
T电路板待测点                P待测电路板
F导引层                      N探针
V全探针匣                    S弹性探针
1本发明的探针                2细针
3套筒                        4弹性组件(弹簧)
5导引部                      6外露部
7接触端                      8基部
9接触部                      12接触部分9的连接端
D套筒3的内径
d1细针2在外露部6或接触部分9的外径
d2细针2在导引部5或基部8的外径
d接触端7的直径
11接触部分的长度             12基部的长度
1细针的长度                  L套筒的长度
M中心线                      14弹性部
15激光切口                   16缺口
18延伸部                     20接触端
22电路板/待测物              24导引装置
26栅格图形阵列               28电路板待测点
30导引层                     31导引层(与待测物面对)
32导引孔                     33导引孔
具体实施方式
图1示出了本发明的探针1，其中探针1至少包含一细针2以及一套筒3，该套筒中至少包含一弹性组件4，在本实施例中，该弹性组件为弹簧4，因此，同样使用标号4来表示弹簧。该细针2的全长l大概为40mm至70mm左右，而该套筒3的全长L大概为70mm至100mm左右。
该细针2包含一导引部(guide portion)5，以可移动的方式沿着套筒3的中心轴方向装设在套筒3内；该细针2另外包含一外露部分(outerportion)6，与导引部5连接在一起，并伸出于套筒3之外，该外露部分6的一端包含有一接触端7。
细针2的导引部5与外露部分6的外径d1与d2大约为0.15mm至0.30mm之间，最好是介于0.2mm至0.25mm之间。导引部5的外径d2则是需要套合于套筒3的内径D中，使刚性的细针2能够在套筒3内自由的移动，并具有低摩擦力，这使得可以使用很细的针2。而靠近接触端7的外露部分6的长度l1至少为10mm以上，其外径也是如此的细，使先前所述的探针1能够在非常紧密的空间之下安排设置在一导引装置中。此外，细针2以具有弹性的方式安置在探针1之中，这样可以在接触测试物时具有自动补偿的功能。因此，在根据本发明的探针中，结合了已知刚性针(密集分布)和已知探针(弹性的)的功能。
图2示出了根据本发明的第一实施例的探针1。细针2同样包含一基部8以及一接触部分9。其中基部为一截面为圆形的柱状体，并具有一固定的直径d2，而接触部分9则是一截面逐渐变细的圆锥体，其中一端为接触端7。该接触端7的直径小于等于0.2mm，但以0.1mm为最佳，从而可以顺利地在空间有限的电路板中与待测点接触。此外，接触部分9的另一端为一连接端12，使接触部分9与基部8相邻接合在一起，该连接端12的外径d2则与基部8的外径d2相同，由此连接端12的位置在套筒3的外侧。
在套筒3中装设一弹簧4；弹簧4与细针2接合。(图1和图2)
在本发明的第二实施例中(图3)，细针2至少包含一弹性部14，该弹性部14与基部8相连接，其中具有复数个激光切口15，使弹性部14具有如弹簧4般的功能。这些激光切口15的方向与套筒3的中心线M相互垂直，并交替间隔排列，如图3中所示。如此曲折的形状，再加上使用较硬的材质制成，都可以使弹性部14的弹性行程增加。弹力也由在激光切口之间的连接部分的材料的性质和强度决定。此外，为了加强弹力，弹性部14也可以使用切口15a，该切口15a的方向可与套筒3的中心线M成一小于90度的角度(如图3中所示)。
在另一个实施例中，上述实施例中弹簧的制造方法，可以利用激光切削，方法是将细针2夹持后，沿着中心线M一边旋转一边进料，利用激光切削将细针2切削成一螺旋状，其中螺距的变化以及材料的强度，都足以影响上述制作过程的结果。此外，还有其它制作方式在此不多赘言，例如：蚀刻法等。
上述实施例与原先细针2与弹簧4的结构经过比较后，上述实施例有以下两个优点：第一，细针2以激光切削工序再经过退火工序，通常为一贯作业，期间不需要再更换机台，甚至改变工具，如此节省许多制作时间，更省下材料、其它工具等等；第二，将原先的细针2与弹簧4整合后，其连接处将具有更好的导电性，不会像原先细针2与弹簧4会有额外产生电阻的现象。
细针2由其自身或细针2与套筒3一体连接来得到。为此，弹簧4最好是通过焊接(soldering)、熔接(welding)或者绉缩(crimping)的方法在套筒3中被固定到远离接触端7的另一端，从图1中很明显能看出。
在一个优选实施例中，弹性组件4通过在套筒3端部的一个缺口16固定，从而可以防止其在使用时平移出套筒3之外。在这样的设置中，该固定最好设在远离套筒3的端部，从而弹性部分保持在其一端。在该弹性部14的一端又连接一延伸部18，用来限定弹性比例，该延伸部18有一接触端20，该接触端20的表面圆滑，这可以使当接触端20接触到栅格图形阵列(参见图3)时，具有更好的导电性，即使探针1有些倾斜，仍旧可以适用。
为了使电路板22上的待测点能够顺利的被测试，复数个探针1被安排设置于一导引装置24之中(图3)，通过如图中将探针1部分倾斜排列的方式，复数个探针1能使测试装置上排列规则的栅格图形阵列26，分别与电路板22中不规则的待测点28一一连通。更特别的是，依据上述导引装置24的结构，使得虽然电路板22上的测试点28相距是很紧密，探针1仍旧像光线般，将栅格图形阵列26中的复数个点，分别与电路板22中的测试点28导通。
这些探针1在导引装置24分别被两个导引层30所固定住，导引装置24更包含有一导引层31来紧密靠近待测试的电路板22，导引层30中有与探针1数量相同的复数个导引孔32。这些导引孔32是用钻孔、激光或者蚀刻等方式加工而成。在对应于导引层30、31(图5)的平面上的导引孔32的中心线随着不同的要求，可能需要分别与垂直线成某一角度。
因为探针1中的细针2的一部份需伸出套筒3之外，导引层31中有包含复数个导引孔33，该导引孔33无法使套筒3通过，而只能使细微的细针2能穿过，进而接触到待测点28，这就是为什么细针2需要紧密地设置在导引层31的理由。
特别值得注意的是，在探针1的接触端7的部分，相互间距无法任意的减小，原因是因为导引层31的导引孔33在钻孔时无法太靠近。此外，钻孔时所造成边缘隆起的现象，也会导致导引孔33的间距加大。另外，由于设置探针受到空间的限制，不可能将非常密集的探针排列在一起，更可能由于相互接触而造成短路，故本发明的探针1中的接触部分9则由一渐缩的圆锥体所构成，且具有一足够长的长度l，来解决上述所产生的问题。
在本发明中考虑设计探针1的尺寸时，会产生出许多的限制。但这些限制已经比现有测试装置的方式来说已经少很多了。测试装置中的栅格图形阵列26会显著影响到探针1空间设置，因为在导引装置中探针1会倾斜或者转动，而影响到接触点，使接触点间相互接触而短路。本发明的解决方法请参阅图4，为本发明的导引装置图3的部分放大图，图中所示倾斜的细针2的接触端7部分具有相当的弹性，穿过导引孔33之后会被弯曲成偏离中心线M，这能使接触端7与电路板测试点更紧密接触，而没有象现有技术那样的接触端7相互接触而短路的现象。更由于细针2的接触端7的弯曲，使接触端7的平面能够垂直接触电路板待测点28，接触面积加大，使电连接的可靠度增加。
特别值得一提的是导引装置24中的导引层30、31，其造价通常在整个测试装置中总是特别突出，这是因为导引装置24中的导引层30、31在钻孔时，必须依靠精密的加工工具，再配合CNC工具机，以计算机控制加工，才能得到精密且正确的导引孔32的相互位置。此外，本发明所述的导引装置24中仅需少量的导引层30、31即可，这是因为本发明所使用的探针1，已经加强了硬度，这样可以降低制作成本，这与现有技术的探针有显著差异。
本发明更具优点之处在于导引装置24可以取代现有技术中具有弹性探针的全探针匣，以及现有技术中针对栅格图形阵列时只能导引规则电路的刚性电路导引装置，从而，本发明可省下元件所需的费用。

Claims (23)

1、一种用于电路板测试装置的探针，该探针至少包含：
一细针(2)，具有一外壁；
一套筒(3)，具有一套筒内壁；
所述细针(2)的外壁与套筒内壁接触并以可移动的方式装设在所述套筒(3)内，且所述细针(2)伸出所述套筒(3)的部分的长度大于10mm；细针具有最大的直径(d2)为0.30mm，所述细针(2)从伸出所述套筒(3)的部分开始为一截面逐渐变细的圆锥体，并形成一接触端(7)；以及
一弹性组件(4)，设置于所述套筒(3)内，可使该细针(2)产生运动。
2、根据权利要求1所述的探针，其特征是，所述细针(2)伸出所述套筒(3)的部分的长度大于20mm。
3、根据权利要求1所述的用于电路板测试装置的探针，其特征是，所述细针(2)的直径大于0.15mm。
4、根据权利要求1所述的探针，其特征是，所述套筒(3)为一管状体，其内径(D)为固定值用以导引外径(d1，d2)为固定值的所述细针；所述细针(2)至少包含一基部(8)以及一接触部分(9)，所述接触部分(9)为一截面逐渐变细的圆锥体。
5、根据权利要求3所述的探针，其特征是，所述套筒(3)为一管状体，其内径(D)为固定值用以导引外径(d1，d2)为固定值的所述细针；所述细针(2)至少包含一基部(8)以及一接触部分(9)，所述接触部分(9)为一截面逐渐变细的圆锥体。
6、根据权利要求1所述的探针，其特征是，所述接触端的直径(d)小于等于0.2mm，所述接触部分(9)相对于所述接触端(7)的另一端，其外径至少比所述接触端(7)大0.1mm。
7、根据权利要求5所述的探针，其特征是，所述接触端的直径(d)小于等于0.2mm，所述接触部分(9)相对于所述接触端(7)的另一端，其外径至少比所述接触端(7)大0.1mm。
8、根据权利要求6所述的探针，其特征是，所述基部(8)的长度(l2)至少为30mm。
9、根据权利要求7所述的探针，其特征是，所述基部(8)的长度(l2)至少为30mm。
10、根据权利要求1所述的探针，其特征是，所述弹性组件(4)可为一弹簧，所述弹簧从位于所述套筒(3)中的导引部(5)的所述接触端(7)的相对端开始形成，并被激光加工制成复数个激光切口(15)。
11、根据权利要求9所述的探针，其特征是，所述弹性组件(4)可为一弹簧，所述弹簧从位于所述套筒(3)中的导引部(5)的所述接触端(7)的相对端开始形成，并被激光加工制成复数个激光切口(15)。
12、根据权利要求10所述的探针，其特征是，所述弹性组件(4)为所述细针(2)的导引部(5)的一部份，其中的复数个激光切口(15)的方向与中心线垂直或成一小于90度的角度；并所述弹性组件具有曲折或螺旋状。
13、根据权利要求1所述的探针，其特征是，所述弹性组件(4)位于所述细针(2)的所述导引部(5)的接触端(7)的另一端，所述弹性组件(4)可为一弹簧，所述弹簧以激光熔接的方式与所述细针的所述接触端的另一端接合成一体。
14、根据权利要求9所述的探针，其特征是，所述弹性组件(4)位于所述细针(2)的所述导引部(5)的接触端(7)的另一端，所述弹性组件(4)可为一弹簧，所述弹簧以激光熔接的方式与所述细针的所述接触端的另一端接合成一体。
15、根据权利要求1至14中任一项所述的探针，其特征是，所述接触部分(9)一直到接触端(7)都具有足够的硬度，或具有适于所处位置的功能的足够硬度的外形。
16、根据权利要求1至14中任一项所述的探针，其特征是，所述细针(2)与所述套筒(3)的固定方式，可以是绉缩、压接或者焊接。
17、一种导引装置，至少包含两个相互平行的导引层(30)，所述导引层包含复数个导引孔(33)，用来固定上述任一项权利要求中的探针(1)；探针(1)以部分倾斜的方式设置；所述探针具有用来与待测物(22)连接的一接触端(7)；所述探针(1)接触端的与待测物(22)相对的另一端用来接触一栅格图形阵列(26)的规则的连接处。
18、根据权利要求17所述的导引装置，其特征是，所述复数个接触端(7)之间距为0.25mm，所述接触端(7)的直径为0.1mm。
19、根据权利要求17或18所述的导引装置，其特征是，在接触端(7)的范围内，所述导引装置(24)中的至少一个探针(1)被至少一个导引层(31)从所述探针(1)的纵向中心线(M)偏转。
20、一电路板测试装置，其中至少包含：
一规则的栅格图形阵列(26)；
一导引装置(24)，至少包含复数个探针(1)，其中的导引装置如权利要求11、12或13所述的那样设计；
所述导引装置(24)包含一与所述探针(1)电连接的第一上接触端(20)，所述第一上接触端适于与栅格图形阵列(26)连接；所述探针(1)从第二上接触端处伸出，从而每个接触端(7)被分配到待测体(22)的一个特定的电路板中的待测点(28)，并通过插入所述测试装置与所述电路板中的待测点(28)电连接。
21、根据权利要求20项所述的电路板测试装置，其特征是，位于所述导引装置(24)中的第二接触端处的接触端(7)，相互间隔小于等于0.3mm。
22、根据权利要求20所述的电路板测试装置，其特征是，位于所述导引装置(24)中的第二接触端处的接触端(7)，相互间隔小于等于0.25mm。
23、根据权利要求20至22中任一项所述的电路板测试装置，其特征是，在接触端(7)的范围内，所述导引装置(24)中的至少一个探针(1)被至少一个导引层(31)从所述探针(1)的纵向中心线(M)偏转。
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