CN1280634C - 导电性接触单元 - Google Patents

Abstract

在本发明的导电性接触单元中，导电性针状部件2由具有高硬度和高耐磨性的贵金属合金制成，并且在镍底层7之上形成一个镀金层8，在其顶端部分形成了一个平坦表面2e，以便使针状部件的材料得以暴露。由于镀金层的作用，保证了针状部件的耐用性，同时使得介于针状部件与螺线弹簧之间的电气路径的电导率得以提高。在重复地应用于接触诸如焊球那样的对象之后，即使接触表面受到焊剂沉积物的污染，经过简单地研磨接触表面，就能出现一个新的表面，通过研磨能使介于接触表面与接触对象之间的接触电阻保持不变，因此在所有时间内，都能在得益于低电阻的情况下进行测试。

Description

导电性接触单元

技术领域

本发明涉及一种导电性接触单元，用于跟各种印制电路板、电子器件等交换信号。

背景技术

用于对各种印制电路板和电子器件的导电体图形进行电气测试的常规的装在接触探头里面的导电性接触单元典型地包括一个导电性针状部件以及一个管状夹持器，后者以轴向可动的方式接纳该针状部件，并且该针状部件受到一个螺线弹簧沿着这样一个方向的弹性驱动，使针状部件的顶端从夹持器的前端突出，从而使针状部件的顶端可以弹性地跟待测试的对象发生接触。

用于各种半导体器件的各种硅晶片和陶瓷封装以及用于各种液晶显示屏的各种玻璃板均由具有相对地高硬度的材料制成。这些部件上都安装有电路，并且在生产过程中要经过电气测试。导电性接触单元(接触探头)就是用于这种用途，并且适于跟电路的一部分，例如一个端子，建立电气接触。

这种测试的一种形式就是晶片水平测试(WLT)，并且有时将各种贵金属合金用于进行此种测试的导电性接触单元的针状部件。Paliney 7(位于康涅狄格州Bloomfield的J.M.Ney公司的商品名称)就是这样的贵金属合金其中的一种，它是一种高电导率、坚硬和耐磨的贵金属合金，并且耐表面氧化，因此在一段延长的期间内，其接触电阻不会增加。使用由此种材料制成的导电性针状部件的导电性接触单元适用于经由一个焊球来测试一个器件。

当把一个针状部件重复地应用于各个焊球时，随着时间的推移，焊剂将不可避免地沉积在针状部件的接触表面上。当针状部件是由贵金属合金制成时，通过研磨表面就能使受污染的接触表面更新到初始状态。另一方面，当针状部件是由SK材料(含碳工具钢)制成并且具有一个电镀表面时，研磨接触表面仅能使针状部件的材料暴露，并且无法重新获得原来的电气特性。

由贵金属合金(例如Paliney 7)制成的针状部件呈现出高的电导率，但是它不像由金制成或镀金的针状部件那样好用。随着半导体产品性能越来越高，现有的由贵金属合金制成的针状部件的电气特性被发现越来越不能令人满意。通过增加镀金层的厚度，在针状部件的材料被暴露之前，针状部件可以被研磨和更新的次数将有所增加。然而，增加镀金层的厚度将使针状部件的生产成本增加，并且针状部件被研磨的次数也不能达到人们所预期的那样多。

发明内容

考虑到现有技术中的这些问题，并且为了改进能通过研磨进行更新的导电性接触单元的电气特性，本发明提供了一种导电性接触单元，它包括一个圆柱形导电性的针状部件，后者在其轴向端面有一个接触平面，用以接合待接触的对象，以及一个螺线弹簧，它按照这样一个方向弹性地驱动该针状部件，使得该接触表面跟一个待接触的对象发生接触，其特征在于：该针状部件由一种具有高硬度和高耐磨性的贵金属合金制成，并且在其外周表面上镀了一层具有高电导率的材料，通过研磨使贵金属合金暴露来规定该接触表面。

这样一来，由于针状部件由一种具有高硬度和高耐磨性的贵金属合金制成，所以在它能耐受多次接触的意义上来说，它是高度耐用的。由于针状部件的外周表面镀金，所以介于针状部件以及螺线弹簧之间的电气路径的电导率得以最大化。特别是，由于通过研磨使贵金属合金暴露，从而规定该接触表面，所以即使在跟诸如焊球那样的接触对象重复接触多次之后，当接触表面被焊剂所污染时，简单地通过研磨接触表面，就能更新接触表面，并且更新后的表面含有已暴露的贵金属合金的表面，后者跟原来的接触表面并无差别。因此，即使重复更新该接触表面，介于该接触表面和接触对象之间的接触电阻也将保持不变。

若该贵金属合金含有钯以及从含有银、铂、金、铜和锌的小组中选出的至少两种成分，则针状部件可以被制成高度坚硬和耐磨。特别是，若该贵金属合金至少含有钯、银和铜，则针状部件不仅可以被制成高度坚硬和耐磨，而且还具有良好的电导率。若具有高电导率的镀层材料含有金，则能保证高耐腐蚀性和各项良好的电气特性处于一种稳定状态。

若导电性接触单元在螺线弹簧的另一端还含有一个第二导电性针状部件，并且该螺线弹簧包括一个置于第一针状部件和第二针状部件之间的紧密缠绕部分，则即使当各导电性针状部件其中之一是由具有高硬度和高耐磨性的贵金属合金制成，但是由于加工性太差，以至于无法令针状部件的直径缩小到所需水平，但是由于紧密缠绕部分在介于两个针状部件之间的螺线弹簧中出现，所以，正如人们容易理解的那样，电信号可以通过压缩螺线弹簧的紧密缠绕部分进行轴向流动，而不是沿着一条螺线形路径流动，使得导电性接触单元的电感得以有效地减小。因此，即使当各针状部件其中之一的长度不能适当地增加并且由此介于两个针状部件之间的距离相对地增大时，仍然能使介于两个针状部件之间的电气路径的电感最小化。

同样，在导电性接触单元具有两个可动端部的情况下，最好是，该贵金属合金含有钯以及从含有银、铂、金、铜和锌的小组中选出的至少两种成分，特别是，该贵金属合金至少含有钯、银和铜。同样可取的是，具有高电导率的镀层材料含有金。

附图说明

下面参照诸附图对本发明进行说明，在诸附图中：

图1是在一个用以实施本发明的接触探头中所使用的一个导电性接触单元的纵向截面图；

图2是一份类似于图1的视图，表示跟一个对象发生接触的接触单元；

图3是针状部件的局部放大截面图；

图4是一份类似于图1的视图，表示本发明的第二实施例；以及

图5是一份视图，表示当应用于一个对象时的第二实施例。

具体实施方式

本发明的优选实施例被结合附图进行描述。

图1是在一个用以实施本发明的接触探头中所使用的一个导电性接触单元的纵向截面图。该导电性接触单元1可以单独使用，但是特别适用于装入一个多点接触探头(例如用于晶片水平测试的探头)的夹持器(探头的头部)使用，作为大量的相似的依次排列的导电性接触单元之一。在这样一个接触探头中，夹持器经由一块中继电路板被整体地附加到安装在测试机上的一块板上。该图仅用于图解目的，并且实际的纵横比可能不同于图解的实例。

导电性接触单元1包括一个导电性针状部件2，一个压缩螺线弹簧3，以及一个由电气绝缘材料制成的夹持器4，同时按照同轴关系来规定一个大直径夹持器孔4a和一个小直径夹持器孔4b，用以将导电性针状部件2和压缩螺线弹簧3接纳于其中。导电性针状部件2含有一个具有平坦端面的顶端部分的针状部分2a，一个直径比针状部件2a更大的法兰部分2b，以及一个芯柱(stem)部分2c，它从法兰部分2b的另一端(图中的靠下的一端)向外突出，并且具有比法兰部分2b更小的直径。这些部分2a，2b和2c各自具有圆形的截面，并且按照互相同轴的关系来进行配置。

靠近法兰部分2b的导电性针状部件2的芯柱部分2c被形成为一个扩大直径部分2d，它的直径比芯柱部分2c的其余部位稍微大一些。扩大直径部分2d被压合到压缩螺线弹簧3的一端，相应的螺线端部弹性地缠绕在扩大直径部分2d的周围。导电性针状部件2以这样的方式被连接到压缩螺线弹簧3。介于扩大直径部分2d与压缩螺线弹簧3的对应端部之间的连接不仅可以通过上述的弹性缠绕来实现，而且还可以通过诸如焊接的其他方法来实现。下面说一下压缩螺线弹簧3是如何绕制的，被连接到扩大直径部分2d的一个端部含有一个紧密缠绕部分，并且中间部分包括一个粗缠绕部分，而螺线的另一个端部则具有一个规定长度的紧密缠绕部分3a。

夹持器4的小直径夹持器孔4b以轴向可滑动的方式接纳针状部件2a的圆柱形部分，同时大直径夹持器孔4a接纳法兰部分2b、扩大直径部分2d、芯柱部分2c以及压缩螺线弹簧3。图中夹持器4的下方表面抵近一块中继电路板5，后者封闭大直径夹持器孔4a的开口端。中继电路板5通过螺丝钉(图中未示出)被固定到夹持器4，它还有一个内部电路5a，其端面朝向大直径夹持器孔4a。

如图所示，当夹持器4和中继电路板5互相组装在一起时，由于法兰部分2b的作用，使得导电性针状部件2不能从夹持器孔中脱出，上述法兰部分2b被一个凸肩4c卡住，该凸肩介于小直径夹持器孔4b和大直径夹持器孔4a之间。以这样一种方式来确定大直径夹持器孔4a的轴向长度，使得压缩螺线弹簧3受到因其本身的压缩变形而产生的规定的初始负荷。以这样一种方式来确定芯柱部分2c和紧密缠绕部分3a的轴向长度，使得在图中的芯柱部分2c的靠下的一端嵌入处于图解的初始状态之中的紧密缠绕部分3a。

参照图2，通过令导电性针状部件2a的平坦顶端接合待测试的对象(例如在晶片6上的一个焊球6a)，使得电信号I从晶片6的一侧经过导电性针状部件2以及压缩螺线弹簧3被传输到中继电路板5。然后该信号经由一块跟中继电路板5相连接的电路板(图中未示出)被送往一个控制系统(图中未示出)，这样就能进行所需的测试。

在初始状态下，芯柱部分2c跟紧密缠绕部分3a发生接触，并且如图2所示，在测试时能保证介于芯柱部分2c与紧密缠绕部分3a之间的可靠的接触。电信号I通过导电性针状部件2进行轴向传导，然后到达紧密缠绕部分3a。正如人们容易理解的那样，电信号可以通过压缩螺线弹簧3的紧密缠绕部分3a进行轴向流动，而不是沿着一条螺线形的路径流动，这样就能有效地使导电性接触单元1的电感有效地减小。

根据本发明的导电性接触单元1的导电性针状部件2由高电导率、坚硬和耐磨的贵金属合金(例如前面结合现有技术来说明的Paliney 7)制成，并且如图3所示，经过镍底层7，在其表面上形成一个镀金层8。经过镍底层7，在导电性针状部件2的整个外周表面上形成镀金层8之后，通过去除由虚线表示的部分，同时令导电性针状部件2的材料(即Paliney 7)得以暴露，就能使顶端(在图中为靠上的一端)被研磨成一个平坦的表面2e。

导电性针状部件2所使用的材料不限于Paliney 7，还可以由一种合金构成，该合金含有钯(Pd)以及从银(Ag)，铂(Pt)，金(Au)，铜(Cu)和锌(Zn)的小组中选出的两种成分。该合金最好是至少含有钯、银和铜，更可取的是含钯35％，银30％，铂10％，金10％，铜14％和锌1％。只要它是一种具有高硬度和高耐磨性的贵金属合金，它还可以含有其他各种元素。

当以这种方式制备的导电性针状部件2被多次应用到一个焊球6a之上时，诸如焊剂之类的外来物就不可避免地积聚到平坦表面2e之上，因此需要定期地对平坦表面2e进行清理。通过研磨平坦表面2e就能完成这样的清理，同时暴露一个新的平面。由于新暴露的平坦表面跟原来的平坦表面(在其上的贵金属合金已暴露)在电气特性上并无差别，所以通过重复进行这样一种清理过程，就能无限期地保持原来的电气特性或稳定的电气特性。

如上所述，由于平坦表面2e是在导电性针状部件2之上形成镀金层8之后形成的，所以导电性针状部件2的外周表面被镀金层8所覆盖。因此，被压合到压缩螺线弹簧3之中的扩大直径部分2d以及接合紧密缠绕部分3a的芯柱部分2c都被镀了一层金。因此，如图2所示，介于芯柱部分2c以及紧密缠绕部分3a之间的电阻可以被制成高度稳定。镀金层8还改进了耐腐蚀性，并保证具有低电阻。即使当部分电流流过压缩螺线弹簧3的压合部分，这一部分的接触电阻仍不会给导电性针状部件的性能带来负面影响。

为了稳定接触电阻以及避免氧化，压缩螺线3也可以镀金。在图解的实施例中，平坦表面2e形成于针状部分2a的顶端之上，以便接合焊球6，但不要求它达到严格地平坦，它可以含有曲率半径相对地大的的凹或凸的表面。在这样的实例中，也可以通过使用适当地锋利的刀具来研磨表面，使接触表面得以清理或更新。

对上述的导电性接触单元1进行耐用性测试。具有由已镀金的和经过研磨的由Paliney 7制成的导电性针状部件、以便在其顶端形成平坦表面2e的本实施例的最大电阻在接触20万次之后约为210至460mΩ，而具有简单地用Paliney 7制成的导电性针状部件的一个导电性接触单元的最大电阻在接触20万次之后约为420至730mΩ。这说明本发明的导电性接触单元在性能上可以跟半导体产品的提高了的性能相匹配。

前面的实施例是针对仅有一个可动端部的接触单元，但是本发明同样可以应用于在压缩螺线弹簧的两个轴线端有两个可动端部的那些接触单元。下面参照图4来说明这样一个实例。

图解的实施例的上半部类似于前面的实施例，用相同的数字来表示相同的部件，对这些部件不进行重复说明。图解的实施例中的各导电性针状部件2其中之一(图中靠上的针状部件)在其顶端部分以这样一种方式被削尖，使得顶端部分的纵向截面为梯形。通过将扩大的直径部分2d弹性地压合到被安装在压缩螺线弹簧3的一端(在图中为靠上的一端)的紧密缠绕部分3a之中，来将导电性针状部件2跟压缩螺线弹簧3连接在一起，同时另一个导电性针状部件12沿着轴的方向被安装在压缩螺线弹簧3的另一端(在图中为靠下的一端)。

如图5所示，在这个具有两个可动端部的接触单元中，电信号经由导电性针状部件12被传送到中继电路板5中的电路5。一个导电性针状部件2的针状部分2a的顶端被加工成一个平坦表面2e，因为希望它跟一个类似于前面的实施例的焊球6a发生接触，并且希望用面接触来取代点接触。另一方面，另一个导电性针状部件12的针状部分12a被加工成如图所示的点状顶端，因为希望它跟被纳入到中继电路板5中的电路5a的一个平面垫发生接触。

由于针状部件12a经常跟电路5a的垫表面发生接触，所以下方的针状部件12的材料可以包括加工性好的SK材料，以取代贵金属合金，并且它的表面可以通过镀金来保证高的电导率，因此不必为了清理目的而进行研磨。导电性针状部件12包括一个法兰部分12b，用以防止导电性针状部件12脱出，还包括一个芯柱部分12以及一个扩大直径部分12d。扩大直径部分12d被压合到压缩螺线弹簧3的一个螺线端部，上述压缩螺线弹簧3由粗缠绕部分3b构成，并且位于针状部件12附近。

由于Paliney 7的可加工性不是特别地好，当芯柱部分2c的直径非常小时，在获得芯柱部分2c所需的轴向长度方面可能存在一些制造上的问题。在这种情况下，电信号可能要沿着压缩螺线弹簧3走过一段相对地长的距离。特别是，当电信号在两个导电性针状部件之间的一条螺线形路径、沿着压缩螺线弹簧的螺线导线流动时，电流将遇到一个明显的电感。因此，在图解的实施例中，螺线弹簧3靠近导电性针状部件2的部分被形成为一个紧密缠绕部分3a，并且以这样一种方式来选择紧密缠绕部分3a的轴向长度，使得靠近导电性针状部件12的紧密缠绕部分3a的端部跟处于图4所示的初始状态(测试之前)的针状部件12的芯柱部分12c发生接触。可供选择地，也可以这样来安排，接触的建立仅仅作为在测试时导电性针状部件12的一定位移的结果。无论如何，当接触单元具有两个可动端部时总的轴向长度显得重要时，用加工性更好的材料制成的另一个导电性针状部件12的芯柱部分12c可以被延长，使得在测试时，芯柱部分12c跟紧密缠绕部分3a能互相接触。

由此，电信号就能经由紧密缠绕部分3a到达下方的针状部件12。正如人们容易理解的那样，电信号可以通过压缩螺线弹簧3的紧密缠绕部分3a进行轴向流动，这样就能在得益于低而稳定的电阻的情况下进行测试。

示于图4的导电性接触单元的夹持器由3层绝缘的板形部件组成。一个大直径夹持器孔16贯穿于上方板形部件13、中间板形部件14和下方板形部件15之间。上方板形部件13还附加地形成一个小的夹持器孔13a，它的尺寸是这样确定的，使得既能可滑动地接纳导电性针状部件2的针状部分2a，又能防止法兰部分2b脱出。类似地，下方板形部件15还附加地形成一个小的夹持器孔15a，它的尺寸是这样确定的，使得既能可滑动地接纳导电性针状部件12的针状部分12a，又能防止法兰部分12b脱出。

当各板形部件13，14和15被叠合，并通过螺丝钉(图中未示出)将它们整体地拴在一起时，压缩螺线弹簧3就被压缩到一定程度，以便产生一定的初始负荷。如图5所示，中继电路板5被层压在下方板形部件15上，并且通过螺丝钉(图中未示出)将它们整体地拴在一起，使得导电性针状部件12顶着中继电路板5中的电路5a被弹性地驱动。

当具有两个可动端部的导电性接触单元被应用于一个焊球6a进行测试时，上方针状部件2就抵抗着压缩螺线弹簧3的弹性力被推到大直径夹持器孔16，同时上方针状部件2在压缩螺线弹簧3的压缩负荷下接合焊球6a。上方针状部件2被完全地接纳到处于图5所示状态下的上方板形部件13之中，但这并不意味着在测试时经常产生这种状态。

这时，电信号经由紧密缠绕部分3a从上方针状部件2传送到下方针状部件12的芯柱部分12c，然后经由下方针状部件12到达中继电路板5。通过选择紧密缠绕部分3a和下方针状部件12的芯柱部分12c的相对长度，电信号就能经由紧密缠绕部分3a传送到下方针状部件12，而不必考虑焊球6a的接触位置(或者上方针状部件2的突出部分长度)。正如人们容易理解的那样，电信号可以通过压缩螺线弹簧3进行轴向流动，这样就能在得益于低而稳定的电阻的情况下进行测试。

虽然已经就各优选实施例对本发明进行说明，但是对专业人士来说，显而易见的是，在不离开在所附权利要求书中所陈述的本发明的范围的前提下，各种变更和修改都是可能的。

工业上的可应用性

正如从前面的各实施例中可以理解的那样，由于针状部件是由具有高硬度和高耐磨性的贵金属合金制成，所以在它能经受多次接触这个意义上来说，它是高度耐用的。由于针状部件的外周表面镀金，所以介于针状部件以及螺线弹簧之间的通电路径的电导率得以最大化。特别是，由于接触表面是通过研磨使贵金属合金暴露来规定的，所以即使在跟诸如焊球那样的接触对象重复多次接触、而使接触表面被焊剂所污染之后，简单地通过研磨接触表面，就能更新接触表面，并且已更新的表面含有已暴露的贵金属合金表面，它跟原来的接触表面并无差别。因此，即使重复地更新接触表面，介于接触表面以及接触对象之间的接触电阻将保持不变。

在导电性接触单元具有两个可动端部的情况下，通过在介于两个导电性针状部件之间的压缩螺线弹簧中提供一个紧密缠绕部分，使得介于两个针状部件之间的导电路径含有螺线弹簧的紧密缠绕部分。由此，如同人们容易理解的那样，电信号可以通过压缩螺线弹簧的紧密缠绕部分进行轴向流动，而不是沿着一条螺线形路径流动，这样就能有效地使导电性接触单元的电感最小化。因此，即使当导电性针状部件其中之一是由贵金属合金制成并由于其加工性太差以至于无法使针状部件的直径缩小到所需水平，并且由此使得介于两个针状部件之间的距离相对地大，仍然可以使介于两个针状部件之间的电气路径的电感最小化。因此，即使当针状部件其中之一是由具有高硬度和高耐磨性的贵金属合金制成，仍然可以使具有两个可动端部的导电性接触单元具备所需的电气特性。

特别是，当贵金属合金含有钯以及从含有银、铂、金、铜和锌的小组中选出的至少两种成分时，基于贵金属合金的针状部件可以被制成高度坚硬和高度耐磨的。同样，由于表面不会氧化，所以就能在一段延长的时间内保持低电阻，并且不要求接触表面镀上具有高电导率的材料。因此，这种材料特别地适用于需要定期地研磨清理的针状部件。若该贵金属合金至少含有钯、银和铜，则该针状部件将附加地得到良好的电导率。若具有高电导率的镀层材料含有金，则能保证高耐腐蚀性以及各项良好的电气特性处于稳定状态。

Claims (8)

1.一种导电性接触单元，包括一个圆柱形导电性针状部件，所述导电性针状部件具有一个接触表面，用以在其轴向端面接合一个待接触的对象，以及一个螺线弹簧，它沿着这样一个方向弹性地驱动该针状部件，使得该接触表面跟一个待接触的对象相接触，其特征在于：

针状部件由一种具有高硬度和高耐磨性的贵金属合金制成，并且在其外周表面上镀了一层具有高电导率的材料，通过研磨使贵金属合金暴露来限定该接触表面。

2.根据权利要求1所述的导电性接触单元，其中，该贵金属合金含有钯以及从由银、铂、金、铜和锌构成的组中选出的至少两种成分。

3.根据权利要求1所述的导电性接触单元，其中，该贵金属合金至少含有钯、银和铜。

4.根据权利要求1所述的导电性接触单元，其中，具有高电导率的镀层材料含有金。

5.根据权利要求1所述的导电性接触单元，还在螺线弹簧的另一端含有一个第二导电性针状部件，该螺线弹簧包括一个在该第一针状部件和第二针状部件之间的紧密缠绕部分。

6.根据权利要求5所述的导电性接触单元，其中，该贵金属合金含有钯以及从由银、铂、金、铜和锌构成的组中选出的至少两种成分。

7.根据权利要求5所述的导电性接触单元，其中，该贵金属合金至少含有钯、银和铜。

8.根据权利要求5所述的导电性接触单元，其中，具有高电导率的镀层材料含有金。

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