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Die Erfindung betrifft einen Kontaktkopf zum elektrischen Testen von Prüflingen, die elektrische/elektronische Komponenten aufweisen, insbesondere Solarzellen, Wafer oder Leiterplatten, mit zumindest zwei beabstandet zueinander angeordneten Führungsplatten, wobei jede der Führungsplatten eine Vielzahl von Führungsöffnungen aufweist, und wobei mehrere elektrisch leitfähige und stiftförmig ausgebildete Kontaktelemente jeweils in einer Führungsöffnung jeder der Führungsplatten geführt sind.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine Prüfkarte zum elektrischen Testen von Prüflingen, die elektrische/elektronische Komponenten aufweisen, insbesondere Solarzellen, Wafer oder Leiterplatten, mit einer Anschlussvorrichtung, die mit einer Prüfanlage zum Durchführen elektrischer Tests verbindbar ist, und mit einem der Anschlussvorrichtung zugeordneten Kontaktkopf zum Berührungskontaktieren eines Prüflings.
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Kontaktköpfe und Prüfkarten der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Um die Funktionsfähigkeit von Prüflingen zu testen, die elektrische und/oder elektronische Komponenten aufweisen, ist es bekannt, bei diesen einen elektrischen Test durchzuführen, bei welchem vorbestimmte Komponenten des Prüflings mittels Berührungskontaktierung bestromt oder mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt werden, um das Verhalten beziehungsweise die Reaktion des Prüflings auf die Bestromung beziehungsweise die elektrische Spannung zu erfassen und in Abhängigkeit derer die Funktionsfähigkeit des Prüflings festzustellen.
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Weil häufig eine hohe Anzahl von Kontaktstellen gleichzeitig berührungskontaktiert werden soll, ist es bekannt, eine Vielzahl von Kontaktelementen in einem Kontaktkopf zu führen. Dieser weist üblicherweise zumindest zwei Führungsplatten auf, die parallel zueinander und beabstandet zueinander angeordnet sind und mehrere Führungsöffnungen aufweisen. Jeweils ein Kontaktelement ragt dabei durch eine Führungsöffnung der einen Führungsplatte sowie durch eine dieser gegenüberliegenden Führungsöffnung der anderen Führungsplatte hindurch, sodass eine gewünschte Ausrichtung des Kontaktelements beziehungsweise der vielen Kontaktelemente gewährleistet ist, um die Kontaktstellen des Prüflings zu berühren. Dabei ist es bekannt, als Kontaktelemente Kontaktnadeln, Kontaktstifte oder auch Federkontaktstifte einzusetzen. Mit zunehmender Verdichtung der Kontaktstellen liegen benachbarte Kontaktelemente dichter zueinander, wodurch sich elektromagnetische Wechselwirkungen ergeben, die ein Versuchsergebnis beeinträchtigen können. Insbesondere bei Hochfrequenzanwendungen wird die Impedanz der elektrischen Verbindungen beeinträchtigt und es kann zu Nebensignaleffekten kommen.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Kontaktkopf zu schaffen, der eine verbesserte Leistungsfähigkeit bei Hochfrequenzanwendungen, insbesondere ein ausbalanciertes Impedanzverhalten gewährleistet.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch einen Kontaktkopf mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dieser hat den Vorteil, dass durch eine einfache und kostengünstige Weiterbildung die Impedanz-Balance verbessert wird, ohne dass hierfür zusätzliche elektrische und/oder elektronische Komponenten eingesetzt werden müssen. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass zwischen den Führungsplatten eine die Kontaktelemente umgebende Füllung vorhanden ist, die zumindest eine Schicht aus einem Material mit einer Dielektrizitätszahl größer oder gleich 3 aufweist. Durch die Füllung wird erreicht, dass die ansonsten normalerweise zwischen den Führungsplatten vorliegende Luft durch ein Material mit einer vorbestimmten Dielektrizitätszahl ersetzt wird, die größer oder gleich 3 ist. Hierdurch ergeben sich verbesserte Wechselwirkungen zwischen den benachbarten Kontaktelementen, die zu einer verbesserten Impedanz führen. Außerdem verbessern sich die Einfügungsdämpfung (insertion loss) sowie die Rückflussdämpfung (return loss), insbesondere bei hohen Frequenzen. Unter hohen Frequenzen werden vorliegend insbesondere Frequenzen von circa 25 GHz, insbesondere 28 GHz und höher verstanden.
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Insbesondere füllt die Füllung den Raum zwischen den benachbarten Führungsplatten vollständig aus. Dadurch wird der Luftspalt zwischen den Führungsplatten vollständig durch die Füllung überbrückt beziehungsweise ersetzt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weisen die Führungsplatten einerseits und die zumindest eine Schicht der Füllung andererseits zumindest zwei unterschiedliche Dielektrizitätszahlen ≥ 3 auf. Durch die damit verwendeten Materialien wird das elektromagnetische Verhalten des Kontaktkopfs insgesamt verbessert. Der Kontaktkopf ist dann insgesamt aus mehreren Schichten gefertigt, wobei zwei der Schichten insbesondere durch die außenliegenden Führungsplatten selbst gebildet werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weisen die Führungsplatten die gleiche Dielektrizitätszahl auf. Damit sind die Führungsplatten insbesondere aus dem gleichen Material gefertigt. Die Unterschiede der Dielektrizitätszahl ergeben sich dann durch die Art der Füllung, die einschichtig oder mehrschichtig ausgebildet sein kann.
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Vorzugsweise weist die Füllung mehrere Schichten, insbesondere mindestens zwei, vorzugsweise mehr als zwei, auf, die aus gleichen oder unterschiedlichen Materialien mit einer Dielektrizitätszahl ≥ 3 gefertigt sind. Durch die mehreren Schichten wird das Verhalten des Kontaktkopfs insbesondere bei Hochfrequenzanwendungen weiter verbessert.
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Insbesondere weist zumindest eine der Schichten der Füllung eine von einer benachbarten Schicht der Füllung abweichende Dielektrizitätszahl auf. Dadurch grenzen Schichten mit unterschiedlichen Dielektrizitätszahlen auch in der Füllung aneinander an, wodurch das elektromagnetische Verhalten des Kontaktkopfs weiter verbessert wird.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weisen zumindest zwei benachbarte Schichten eine unterschiedliche Höhe auf. Durch unterschiedlich hohe Schichten wird das elektromagnetische Verhalten des Kontaktkopfs insbesondere bei Hochfrequenzanordnungen weiter verbessert.
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Insbesondere weisen die Führungsplatten unterschiedliche Höhen auf. Durch eine derartige asymmetrische Ausbildung der Führungsplatten wird das elektromagnetische Verhalten weiter optimiert.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die Schichten der Füllung parallel zu den Führungsplatten angeordnet. Damit sind die Schichten in Richtung der Längserstreckung der Kontaktelemente übereinander gestapelt. Dadurch ergibt sich zum einen eine einfache Konstruktion sowie ein einfacher Aufbau, sowie ein vorteilhaftes Verhalten des Kontaktkopfes insbesondere bei Hochfrequenzanwendungen.
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Vorzugsweise ist die eine oder sind die mehreren Schichten der Füllung aus Vollmaterial oder aus einem Schaummaterial gefertigt. Insbesondere ist zumindest eine der Schichten aus Keramik, insbesondere maschinenbearbeitbarer Keramik, Polyetheretherketon (PEEK), Torlon oder Kapton gefertigt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist zumindest eine der Schichten oder die eine Schicht der Füllung eine Dielektrizitätszahl auf, die kleiner 3 und größer als die Dielektrizitätszahl von Luft ist. Durch eine geschickte Auswahl unterschiedlicher Höhen und/oder Dielektrizitätszahlen unter Berücksichtigung der Führungsplatten selbst, ist auch hierdurch eine Verbesserung der Impedanz-Balance ermöglicht.
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Weiterhin ist bevorzugt zumindest eine der Führungsplatten aus Kunststoff oder Keramik gefertigt.
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Die erfindungsgemäße Prüfkarte mit den Merkmalen des Anspruchs 12 zeichnet sich durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Kontaktkopfes aus. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile.
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Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich insbesondere aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen. Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen
- 1 eine Prüfkarte zur elektrischen Prüfung eines Prüflings in einer schematischen Darstellung,
- 2 einen Kontaktkopf der Prüfkarte in einer vereinfachten perspektivischen Darstellung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 3 den Kontaktkopf in einer vereinfachten perspektivischen Darstellung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel und
- 4 den Kontaktkopf in einer perspektivischen Darstellung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung den grundsätzlichen Aufbau einer vorteilhaften Prüfeinrichtung 1, die zur elektrischen Prüfung eines Prüflings 2 dient, der beispielsweise als Wafer 3 ausgebildet ist. Der Prüfling 2 liegt auf einer Prüflingsaufnahme 4, welcher insbesondere ansteuerbare Aktuatoren zugeordnet sind, um den Prüfling 2 in Richtung auf die Prüfeinrichtung 1 zur elektrischen Berührungskontaktierung zubewegen zu können.
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Die Prüfeinrichtung 1 weist eine elektrische Anschlussvorrichtung 5 auf, die eine elektrische Verbindung zu einer Prüfanlage herstellt, welche die elektrische Prüfung des Prüflings 2 durchführt. Die Anschlussvorrichtung 5 weist dazu eine Leiterplatte 6 auf, welche auf einer dem Prüfling 2 zugewandten Seite 7 eine Vielzahl von Kontaktflächen 8 aufweist. Insbesondere sind die Kontaktflächen 8 matrixförmig auf der Seite 7 verteilt angeordnet. Die Kontaktflächen 8 sind elektrisch leitfähig ausgebildet und durch geeignete elektrische Verbindungen der Leiterplatte 6 mit der Anschlussvorrichtung 5 verbunden.
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Beispielsweise ist die Leiterplatte 6 als Kontaktabstandstransformer 9 ausgebildet, der den Abstand der Kontaktflächen 8 zueinander in Richtung der Anschlussvorrichtung 5 vergrößert. Dazu weist der Kontaktabstandstransformer 9 auf der von der Seite 7 abgewandten Seite bevorzugt weitere Kontaktelemente auf, die mit jeweils einer der Kontaktflächen 8 elektrisch verbunden sind und einen größeren Abstand zueinander aufweisen als die Kontaktflächen 8. Derartige Kontaktabstandstransformer sind grundsätzlich bekannt, sodass an dieser Stelle nicht näher darauf eingegangen werden soll. Der Kontaktabstandstransformer 9 ist beispielsweise an einer Abstützvorrichtung 10 angeordnet, welche wiederum die elektrische Verbindung zur Prüfanlage herstellt.
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Der Anschlussvorrichtung 8 ist eine Kontaktanordnung 11 zugeordnet, die als Kontaktkopf 12 ausgebildet ist. Der Kontaktkopf 12 weist zwei parallel und beabstandet zueinander angeordnete Führungsplatten 13, 14 auf, die jeweils eine Vielzahl von Führungsöffnungen 15 aufweisen, die vorliegend als Führungsbohrungen ausgebildet und parallel zueinander ausgerichtet sind. Insbesondere sind die Führungsbohrungen 18 entsprechend der Anordnung der Kontaktflächen 8 in den Führungsplatten 13, 14 ausgebildet. Zumindest einige der Führungsöffnungen 15 sind jeweils von einem stiftförmigen oder nadelförmigen Kontaktelement 16 durchsetzt. Die Kontaktelemente 16 sind beispielsweise als Kontaktnadeln ausgebildet. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, wie in 2 bis 4 gezeigt, sind die Kontaktelemente 16 als Federkontaktstifte ausgebildet. Jedes Kontaktelement 16 durchsetzt dabei eine Führungsöffnung 15 der jeweiligen Führungsplatte 13, 14, sodass jedes Kontaktelement 16 durch beide Führungsplatten 13, 14 geführt und gehalten ist. Handelt es sich bei den Kontaktelementen 16 um Kontaktnadeln, so sind diese insbesondere längsverschieblich in den Führungsöffnungen 15 gelagert und elastisch verformbar ausgebildet, um bei Berührungskontaktierung des Prüflings 2 aufgrund der wirkenden Axialkräfte seitlich (radial) ausfedern zu können.
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Durch die Führungsplatten 13, 14 wird erreicht, dass die Kontaktelemente 16 parallel zueinander ausgerichtet und optimal in Bezug auf die zu kontaktierenden elektrisch leitfähigen Elemente des Prüflings 2 ausgerichtet sind, um eine Berührungskontaktierung aller gewünschten Kontaktstellen des Prüflings 2 gewährleisten. Um zu vermeiden, dass bei Hochfrequenzanwendungen Nebensignaleffekte zwischen benachbarten Kontaktelementen 16 aufgrund elektromagnetischer Eigenschaften entstehen können, welche ein Prüfergebnis beeinträchtigen könnten, ist der zwischen den Führungsplatten 13, 14 vorliegende Raum 17 mit einer Füllung 18 versehen, welche den Raum 17 vollständig ausfüllt und die Kontaktelemente 16 umgibt.
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2 zeigt hierzu in einer vereinfachten perspektivischen Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel des vorteilhaften Kontaktkopfs 12. Die Führungsplatten 13, 14 weisen dabei jeweils die gleiche Höhe h13 beziehungsweise h14 auf. Die Füllung 18 weist eine Höhe h18 auf, die vorliegend mehr als doppelt so groß ist, wie die Höhen h13/h14 der Führungsplatten 13, 14. Die Füllung 18 ist aus einem Material gefertigt, das eine Dielektrizitätszahl εR ≥ 3 aufweist. Die Dielektrizitätszahl, auch Permittivitätszahl oder Relative Permittivität genannt, bezeichnet das dimensionslose Verhältnis der Permittivität des Materials ε zur Permittivität des Vakuums ε0. Die Permittivität beschreibt die Durchlässigkeit eines Materials für elektrische beziehungsweise elektromagnetische Felder.
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Durch das Vorsehen der Füllung 18 aus einem Material, das eine Dielektrizitätszahl εr ≥ 3 aufweist, wird erreicht, dass Nebensignaleffekte insbesondere bei Hochfrequenzanwendungen vermieden und das Impedanzverhalten des Kontaktkopfs 12 verbessert wird.
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Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Füllung 18 eine einzige Schicht 19 auf, welche den Raum 17 ausfüllt. Insbesondere handelt es sich bei der Schicht 18 um eine Schicht, die aus maschinenbearbeitbarer Keramik gefertigt ist. Auch kommen als Schichtmaterialien Polyetheretherketon (PEEK), Torlon oder Kapton in Frage. Als weiteres Material kommt auch ein Laminatmaterial oder Prepreg-Material in Frage, das Kupferschichten und beispielsweise Glas als Trägermaterial aufweisen. Derartige Materialien werden beispielsweise von der Firma Isola mit dem Namen „Tachyon 100G“ angeboten. Die Führungsplatten 13, 14 sind vorteilhafterweise aus Keramik oder Kunststoff gefertigt.
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Insgesamt weist der Kontaktkopf 12 somit ein Schichtsystem auf, das von der Führungsplatte 13 als erste Schicht, der Füllung 18 als zweite Schicht und der zweiten Führungsplatte 14 als dritte Schicht gebildet wird. Aufgrund der unterschiedlichen Höhen h13 , h14 und h18 sowie der sich aus der Materialwahl ergebenden unterschiedlichen Dielektrizitätszahlen εr , ergibt sich das zuvor beschriebene vorteilhafte Verhalten des Kontaktkopfs 12 in Bezug auf Impedanz und Nebensignaleffekte.
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3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des vorteilhaften Kontaktkopfs in einer vereinfachten perspektivischen Darstellung. Im Unterschied zu dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel ist die Höhe h13 der Führungsplatte 13 kleiner gewählt als die Höhe h14 der Führungsplatte 14: h13 < h14 . Weil vorliegend die Gesamthöhe des Kontaktkopfs 12 gleichbleibt, wird die reduzierte Höhe h13 der Führungsplatte 13 durch eine vergrößerte Höhe h18 der Füllung 18 kompensiert. Damit liegen drei Schichten mit unterschiedlichen Höhen vor. Die Führungsplatten 13, 14 weisen entweder die gleiche Dielektrizitätszahl oder eine unterschiedliche Dielektrizitätszahlen auf, die sich insbesondere auch von der Dielektrizitätszahl der Füllung 18 unterscheidet/unterscheiden. Insbesondere sind jedoch auch die Dielektrizitätszahlen der Führungsplatten 13, 14 von εr ≥ 3 gewählt.
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4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des Kontaktkopfs 12 in einer vereinfachten Darstellung. Dabei unterscheidet sich das dritte Ausführungsbeispiel von dem ersten Ausführungsbeispiel aus 2 dahingehend, dass die Füllung 18 mehrschichtig ausgebildet ist, wobei gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel drei Schichten 19_1, 19_2 und 19_3 vorhanden sind. Die Schichten 19_1 bis 19_3 sind dabei parallel zu den Führungsplatten 13, 14 angeordnet und damit in Längserstreckung der Kontaktelemente 16 übereinanderliegend. Die Schichten 19_1, 19_2 und 19_3 weisen gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel unterschiedliche Höhen h19_1 , h19_2 und h19_3 auf. Optional weist außerdem eine der Schichten 19_1 bis 19_3 der Füllung 18 eine Dielektrizitätszahl εr auf, die sich von der Dielektrizitätszahl εr einer Benachbarten der Schichten unterscheidet.
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Vorzugsweise sind die einzelnen Schichten jeweils als Füllelemente ausgebildet, die somit für sich tragfähig beziehungsweise formfest vorliegen. In die Schichtelemente sind Öffnungen eingearbeitet, insbesondere Bohrungen, durch welche die Kontaktelemente 16 hindurchgeführt sind. Dadurch ist eine einfache Montage des Kontaktkopfs 12 durch aufeinanderliegende einzelne Schichtelemente gewährleistet. Bei den Materialien kann es sich um Vollmaterial oder auch um Schaummaterial handeln. Die Füllung 18 verleiht dem Kontaktkopf 12 insgesamt eine erhöhte Steifigkeit und Robustheit und schützt auch die Kontaktelemente 16 vor einem Kurzschluss aufgrund von Verschmutzungen oder dergleichen, die in den Bereich zwischen den Führungsplatten 13, 14 gelangen können. Durch die vorteilhafte Auswahl der Schichthöhen sowie Schichtmaterialien wird das Impedanzverhalten des Kontaktkopfs 12 verbessert und Nebensignaleffekte werden reduziert.
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Gemäß einem weiteren, hier nicht dargestellten, Ausführungsbeispiel weist zumindest eine der Schichten eine Dielektrizitätszahl εr auf, die kleiner 3 und größer als die Dielektrizitätszahl von Luft ist.
