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Diese
Erfindung betrifft federbelastete elektrische Kontaktsonden im Allgemeinen
und speziell derartige Sonden, die eine extrem kleine Abmessung aufweisen
und in dicht gepackten elektrischen Prüfbuchsen verwendet werden.
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Prüfbuchsen
werden in der Industrie für
das Prüfen
von elektrischen Schaltkreisen als eine Schnittstelle zwischen einer
Prüfleiterplatte
und dem Prüfgegenstand,
der im Allgemeinen als DUT bezeichnet wird, eingesetzt. Prüfbuchsen
werden normalerweise für
einen DUT verwendet, der relativ dicht gepackte Kontaktstellen aufweist.
Ein derartiger Gegenstand könnte
ein integrierter Schaltungschip sein, der im Allgemeinen als eine
integrierte Schaltung bezeichnet wird. Die Prüfbuchse ist so ausgebildet,
dass sie eine spezielle Konfiguration der integrierten Schaltung
aufnimmt. Elektrische Prüffederkontaktsonden
im Topf der Prüfbuchse
erstrecken sich zur anderen Seite der Buchse und kontaktieren eine
Leiterplatte, auf der die Prüfbuchse
montiert ist. Die Prüfbuchsen
und ihre eingeführten
Sonden stellen eine elektrische Kontaktstrecke zwischen den DUT
und der Leiterplatte her.
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Insbesondere
bei komplizierten und kostspieligen integrierten Schaltungen ist
die Zuverlässigkeit
der Prüfablesungen
von kritischer Bedeutung, weil derartige DUTs normalerweise kostspielig
sind und das Versagen eines DUTs wegen eines Versagens der Prüfbuchse
und der Sonde zu einer unnötigerweise
hohen Ausschussrate führen
kann, die die Herstellungskosten erhöht. Es wird normalerweise bevorzugt,
die integrierte Schaltung vor dem Löten der integrierten Schaltung
auf eine Leiterplatte zu prüfen
und danach den fertigen Artikel funktionell zu prüfen. Wenn
die integrierte Schaltung dann versagt, ist das Verschrotten des
fertigen Artikels sowohl in Form der Material- als auch Zeitkosten
extrem kostspielig. Eine komplizierte integrierte Schaltung mit dicht
gepackten Anschlussflächenkontakten
ist kostspielig, wodurch die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der
Prüfanlage
kritisch wird.
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Die
Prüfanlage
ist noch kostspieliger, und eine Prüfbuchse, die mit Prüfsonden
dicht gepackt ist, ist noch kostspieliger. Wegen der eingeschlossenen
Kosten müssen
diese Vorrichtungen zuverlässig sein
und eine lange Lebensdauer aufweisen. Es wird erwartet, dass die
vom Anmelder hergestellten Prüfbuchsen
zuverlässige
Ablesungen über
500000 Zyklen liefern.
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Die
Sonden, die in den Prüfbuchsen
verwendet werden, bewirken eine Verbindung zwischen der Prüfleiterplatte
und der integrierten Schaltung. Diese müssen über 500000 Zyklen aushalten
und sind von einer extrem kleinen Abmessung. Beispielsweise müssen Kontaktsonden
in einer Prüfbuchse
einen Durchmesser von annähernd
0,02 Zoll (0,5 mm) aufweisen, und sie können eine voll ausgezogene
Länge von
0,2145 Zoll (5,4 mm) aufweisen. Derartige Sonden sind äußerst schwierig
herzustellen, da sie typischerweise aus einem Zylinder, einer Schraubenfeder
innerhalb des Zylinders und einem ausziehbaren Kolben bestehen,
der sich aus dem Zylinder erstreckt und in einer ausgezogenen Position
durch die Schraubenfeder vorgespannt wird. Früher wurde der Zylinder um eine
verkleinerte Fläche
des Kolbens herum gequetscht, wodurch gestattet wird, dass sich der
Kolben relativ zum Zylinder hin- und herbewegt. Das Quetschen erfordert
einen zusätzlichen
Herstellungsschritt und ist bei einem so kleinen Teil schwierig.
Außerdem
führt es
zu einer verkleinerten Kontaktfläche
zwischen dem Kolben und dem Zylinder, was zu einer verringerten
Kontaktfläche
und zu einem größeren Widerstand
führt.
Der elektrische Widerstand ist dem Quadrat der Querschnittsfläche des Kontaktes
umgekehrt proportional. Durch Vergrößern der Kontaktfläche ist
ein geringerer Widerstand vorhanden. Der Erfinder ermittelte, dass
ein minimaler konstanter Widerstand in der Kontaktsonde von großer Bedeutung
bei der Erhöhung
der Zuverlässigkeit der
Prüffolge
ist.
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Aus
dem
US 6046597 ist die
Bereitstellung einer Prüfbuchse
für ein
integriertes Schaltungsbauelement bekannt, das eine relativ dünne Kontaktschnittstellenwand
aufweist, die eine Anordnung von zweiseitigen Pogo Pins aufweist.
Die zweiseitigen Pogo Pins bewirken elastische federbelastete Kontakte
für die
Eingabe/Ausgabekontakte eines integrierten Schaltungsbauelementes,
das in der Buchse gehalten wird, ebenso wie für die Schaltungskontakte einer
Leiterplatte, auf der die Buchse montiert ist.
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Um
einen niedrigen Widerstandswert zu erhalten, der von einer Sonde
oder einem Verbinder gefordert wird, liefert das
JP 06027139A einen leitenden
Kolben, der in einen Zylinder eingesetzt wird, wobei ein Drehmoment
im Kolben mit Bezugnahme auf den Zylinder erzeugt wird, und eine
Kolbenoberseite, die den Flächenkontaktdruck
am Kopf des Kolbens verstärkt.
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Bei
beiden diesen Anordnungen nach dem bisherigen Stand der Technik
werden jedoch die in den gezeigten Prüfbuchsen aufgenommenen Sonden
gequetscht, was zu einer unvollständigen elektrischen Übertragung
durch weniger als einen optimalen Flächenkontakt führt.
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Die
vorliegende Erfindung liefert eine Sonden- und Prüfbuchsenkombinationsanordnung,
bei der eine Sonde von extrem geringer Abmessung, wie beispielsweise
mit einem Durchmesser von 0,02 Zoll (0,5 mm), mit einem Zylinder,
einer hohlen Kolbenwelle und einer inneren Schraubenfeder gebildet wird,
die den Kolben in eine ausgezogene Position relativ zum Zylinder
treibt. Die Sonde ist zweiseitig; d.h., der Zylinder weist eine
Kontaktspitze auf, und der Kolben weist eine Kontaktspitze auf wodurch
gestattet wird, dass die Sonde an linear beabstandeten elektrischen
Prüfstellen
angeschlossen werden kann. Die Sonde ist für einen maximalen elektrischen Kontakt
ausgelegt, was zu einem extrem niedrigen Widerstand führt, und
sie weist nicht ein Quetsch- oder anderes konventionelles Verbindungsmittel
auf. Die Bohrung durch die Prüfbuchse
für die
Sonde ist mit einem oberen und unteren inneren Absatz konstruiert,
und die Buchse ist eine zweiteilige Konstruktion mit einem oberen
und unteren Abschnitt. Um die Sonde in die Bohrung einzupassen,
werden der obere und untere Abschnitt getrennt, und die Sonde wird darin
eingesetzt. Der obere und untere Absatz innerhalb der Bohrung halten
die Sonde zusammen. Die Sonde liefert einen extrem niedrigen und
gleichbleibenden elektrischen Widerstand.
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Die
vorliegende Erfindung ist daher in der Lage:
eine Sonden- und
Prüfbuchsenanordnung
bereitzustellen, bei der die Sonde einen extrem hochgradig gleichbleibenden
und niedrigen elektrischen Widerstand aufweist;
eine Prüfbuchse
bereitzustellen, bei der die Sonden eine außergewöhnlich kleine Abmessung aufweisen und
für das
Prüfen
von integrierten Schaltungschips dicht gepackt werden können;
eine
derartige Sonde bereitzustellen, die mit einem hohen Grad an Genauigkeit
und niedrigen Kosten hergestellt werden kann; und
eine derartige
Sonden- und Prüfbuchsenanordnung bereitzustellen,
die in der Lage ist, eine große
Anzahl an Zyklen, wie beispielsweise 500000 Zyklen, vor einer Auswechselung
auszuhalten.
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Die
Erfindung wird jetzt spezieller als Beispiel mit Bezugnahme auf
die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, die zeigen:
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1 eine
Schnittdarstellung, die die Sonden- und Prüfbuchsenanordnung zeigt, die
auf einer Leiterplatte montiert ist, und wobei ein integrierter Schaltungschip
im Topf der Prüfbuchse
positioniert ist;
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2 eine
Ansicht eines typischen integrierten Schaltungschips eines von der
Anordnung geprüften
Typs von unten;
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3 eine
Draufsicht der Prüfbuchse,
die den Topf zeigt, in dem die integrierten Schaltungschips für eine Prüfung angeordnet
werden;
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4 eine
Längsschnittdarstellung
der Sonde, wie sie in einem freien Zustand innerhalb der Prüfbuchse
vorhanden wäre;
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5 eine
Längsschnittdarstellung
der Sonde, wie sie in einem vollen Prüfzustand in der Buchse vorhanden
wäre;
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6 eine
Schnittdarstellung der Sonde innerhalb der Prüfbuchse und gegen eine darunterliegende
Leiterplatte gedrückt;
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7 eine
Schnittdarstellung der Sonde in einer Prüfbuchse, wie sie in einem Prüfzustand
vorhanden wäre.
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Detaillierte
Ausführungen
der Erfindung werden hierin offenbart; es soll jedoch so verstanden werden,
dass die offenbarten Ausführungen
nur beispielhaft für
die Erfindung sind, die in verschiedenen Formen ausgeführt werden
kann. Daher sollen die spezifischen hierin offenbarten konstruktiven
und funktionellen Details nicht als einschränkend interpretiert werden,
sondern nur als eine Basis für
die Information eines Fachmannes, die vorliegende Erfindung in irgendeiner
geeigneten detaillierten Form verschiedenartig anzuwenden, und als
eine Basis für die
Patentansprüche.
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Die
Bezugszahl 1, 1, zeigt im Allgemeinen eine
Prüfbuchse,
die auf einer Leiterplatte 2 montiert ist, die Teil einer
automatischen Prüfvorrichtung
(nicht gezeigt) ist. Die automatische Prüfvorrichtung ist computergesteuert,
um eine Folge von elektrischen Impulsen durch die Leiterplatte 2,
die Prüfbuchse 1 und
in einen integrierten Schaltungschip 3 zu bewirken, der
den Prüfgegenstand
(DUT) bildet. Die Prüfbuchse 1 enthält eine
dicht gepackte Anordnung von Sonden 4 mit extrem kleinem
Durchmesser. Diese Sonden 4 enthalten jeweils einen Zylinder, einen
Kolben und eine innere Feder, die den Kolben nach außen vom
Zylinder vorspannt.
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So
dass der Leser die dicht gepackte Beschaffenheit einer typischen
integrierten Schaltung 3 erkennen kann, die von der in 1 gezeigten
Anordnung geprüft
werden soll, wird eine derartige integrierte Schaltung in voller
Größe in 2 gezeigt. Die
integrierte Schaltung besteht aus einem zentralen Verarbeitungsbereich 6 und
vier Reihen von Kontakten 7. Typischerweise sind die Kontakte 7 Lötkugelkontakte,
wie sie von den gebogenen Drahtfußkontakten der integrierten
Schaltungen der älteren Generation
unterschieden werden. Die Konfiguration der integrierten Schaltung 3 wird
im Topf 9 der Prüfbuchse 1 gespiegelt.
Beim veranschaulichten Beispiel umfasst die Prüfbuchse 1, wie sie
von oben in 3 gesehen wird, entgegengesetzte
Schraubenlöcher 10 für eine Verbindung
mit der Leiterplatte 2 und Aussparungen in der Topfwand 12,
um eine Handhabung der integrierten Schaltung 3 mittels
einer automatischen Handhabevorrichtung zu gestatten.
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Die
Prüfbuchse 1 wird
vorzugsweise aus synthetischem harzartigem Material gebildet und weist
eine obere und untere Hälfte 14 und 15 auf.
Die Hälften
werden miteinander durch Befestigungselemente 17 verbunden.
Im Topf 9 ist eine Vielzahl von Durchgangslöchern oder
Bohrungen 19 angeordnet. Die Anordnung der Bohrungen 19 passt
zur Anordnung der Kontakte 7 auf der integrierten Schaltung 3; d.h.,
die Prüfbuchse 1 ist
speziell ausgebildet, um eine ausgewählte integrierte Schaltung 3 aufzunehmen
und zu prüfen.
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Die
Bohrung 19 ist von spezieller und ungewöhnlicher Konfiguration, wobei
sie nicht ein einfaches geradflankiges Loch ist, sondern so ausgebildet ist,
dass sie zur speziellen Sonde 4 passt und die Sonde zusammenhält. Speziell
weist die Bohrung 19 eine konzentrische obere und untere
Austrittsöffnung 21 und 22 auf
und eine koaxiale innere Bohrung 24 mit einem größeren Durchmesser
als die Bohrungsaustrittsöffnungen 21 und 22.
Ein oberer und unterer Absatz 26 und 27 werden
an den Verbindungsstellen der inneren Bohrung 24 mit der
oberen und unteren Austrittsöffnung 21 und 22 gebildet.
Beim veranschaulichenden Beispiel sind die Absätze 26 und 27 angefasst.
Die Abmessungen der Bohrung 19 werden auf enge Toleranzen
betreffs der Abmessungen der Sonde 4 spezifiziert.
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Mit
Bezugnahme auf 4 und 5 besteht
die Sonde 4 aus einem Zylinder 30, der ein geschlossenes
Ende 31 und ein offenes Ende 32 aufweist. Der
Zylinder 30 ist teilweise hohl, wobei sich eine axiale
Bohrung 34 darin vom offenen Ende 32 erstreckt.
Die Sonde 4 ist zweiseitig, wobei das geschlossene Ende 31 des
Zylinders in einem Eingriffskopf 36 endet. Wie es in der
Industrie üblich
ist, kann der Eingriffskopf verschiedene Konfigurationen aufweisen,
und beim veranschaulichten Beispiel besteht er aus einer Konstruktion
mit vier spitzen Scheiteln, die mit der Kontaktkugel der integrierten
Schaltung in der Nähe
ihres Äquators
in Eingriff kommen sollen, wobei der kritische mittlere Bereich
der Kugel ziehriefenfrei bleibt. Es ist ein herabgesetzter Absatz 38 an der
Verbindungsstelle zwischen dem Hauptdurchmesser des Zylinders und
dem Eingriffskopf 36 vorhanden. Der Absatz 38 ist
unter einem Winkel geneigt, der zum oberen Absatz 26 der
Prüfbuchsenbohrung 19 passt.
Die Innenbohrung 34 des Zylinders weist einen inneren Abschluss 40 im
Allgemeinen benachbart dem Absatz 38 auf. Die Wand der Bohrung 34 wird
für eine
maximale Gleichmäßigkeit und
einen gleichbleibenden Durchmesser hergestellt.
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Das
zweite Hauptbauteil der Sonde 4 ist der Kolben 42,
der ebenfalls hohl ist, mit einer inneren Bohrung 43, und
der ein offenes Ende 45 und ein geschlossenes Ende 46 aufweist.
Wie das geschlossene Ende 31 des Zylinders endet das geschlossene Ende 46 des
Kolbens in einem Eingriffskopf 48. Das ist der Kopf, der
eine Stelle auf der Leiterplatte 2 berühren soll, wenn die Sonde 4 in
der Prüfbuchse 1 montiert
wird. Der Eingriffskopf 48 ist abgerundet oder mit einem
kugelförmigen
Ende versehen und bleibt, wenn er in der Prüfbuchse 1 angeordnet
wird, in konstantem Kontakt mit der Schaltungsstelle auf der Leiterplatte 2.
Ein Zwischenabsatz 50 schnürt den Kolben 42 von
einem Kontaktabschnitt 51 mit einem größeren Durchmesser, der zum
Innendurchmesser des Zylinders 30 passt, zu einem Abschnitt des
Eingriffskopfes 48 mit kleinerem Durchmesser ein, der durch
die untere Austrittsöffnung 22 der
Prüfbuchse
gleitet. Das gesamte Innere des Kolbens 42 ist hohl.
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Eine
Schraubenfeder 53 ist innerhalb der Sonde 4 positioniert
und erstreckt sich zwischen der Verringerung des Innendurchmessers
am Absatz 50 und dem Abschluss 40 der Zylinderbohrung 34.
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Alle
Teile der Sonde 4, einschließlich des Zylinders 30,
des Kolbens 42 und der Schraubenfeder 53, werden
vorzugsweise aus einer gesetzlich geschützten Beryllium-Kupfer-Legierung
gebildet, obgleich sie aus anderen Materialien gebildet werden können, wie
sie im Fachgebiet gut bekannt sind. Die Sonde 4 kann vergoldet
werden, oder sie kann mit anderen sehr leitenden Materialien überzogen
werden. Für Überzugszwecke
wird ein Loch 54 in der Zylinderwand benachbart dem Abschluss 40 beibehalten.
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Wie
erwartet werden kann, wird die Sonde 4 mit sehr engen Toleranzen
hergestellt. Die Sonde 4 ist extrem klein, und ihre Bauteile
sind noch kleiner. Beispielsweise weist eine Sonde 4, die
entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellt und in eine Prüfbuchse
mit 0,65 mm Abständen
oder Entfernungen von Mitte zu Mitte eingesetzt wird, einen Zylinderdurchmesser
von 0,0215'' bis 0,0203'' (0,55 min bis 0,52 mm), einen Enddurchmesser
des Zylinderkopfes von 0,0165'' bis 0,0157'' (0,42 mm bis 0,4 mm), einen Kolbendurchmesser
von 0,0164'' bis 0,0156'' (0,42 mm bis 0,4 mm) und einen Enddurchmesser
des Kolbenkopfes von 0,0120'' bis 0,0114'' (0,3 mm bis 0,29 mm) auf. Der Kolben
und die Innenseite des Zylinders weisen einen Durchmesser von 0,0164'' bis 0,0156'' (0,42
mm bis 0,4 mm) auf und sind in im Wesentlichen vollen Gleitkontakt,
ohne dass der Kolben innerhalb des Zylinders verkantet. Wenn eine
Nullkraft auf die Sonde 4 angewandt wird, beträgt die Gesamtlänge 0,2145'' (5,4 mm); wenn sie innerhalb der Prüfbuchse
montiert und darin in einem freien Zustand bei einer Belastung von
0,37 oz. (0,10 N) ist, beträgt
die Gesamtlänge
0,2055'' (5,2 mm); wenn sie
im vollen Prüfzustand
mit einer Belastung von 1,11 oz. (0,31 N) ist, beträgt die Gesamtlänge 0,1875'' (4,76 mm); wenn sie bei einer Belastung
von 1,48 oz. (0,41 N) vollständig
zurückgezogen
ist, beträgt
die Gesamtlänge
0,1785'' (4,53 mm).
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Die
Sonde 4 ist für
eine Verwendung mit Abständen
(d.h., Entfernungen von Mitte zu Mitte) von 0,5 mm bis 1,26 mm gedacht.
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Weitere
Abmessungen von Sonden und Prüfbuchsen
können
bei Anwendung der offenbarten erfinderischen Gedanken konstruiert
werden. Beispielsweise weist eine zweite Ausführung einer derartigen Sonde
bei einer Nullkraft eine Gesamtlänge von
0,070'' (1,78 mm), eine
Länge in
einem freien Zustand in der Prüfbuchse
von 0,063'' (1,60 mm), eine Länge unter
vollen Prüfungsbedingungen
von 0,055'' (1,40 mm) und eine
Länge bei
einer maximalen Bewegung von 0,051'' (1,30
mm) auf. Diese kurze Sonde mit extrem kurzem Hub ist für bestimmte
Anwendungen nützlich.
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Bei
allen Ausführungen
der vorliegenden Erfindung liefert die Übereinstimmung des Hubes einen konstanten
und voll voraussagbaren Widerstand, wodurch diese Sonde besonders
nützlich
ist, wenn sie in einer Vorrichtung für die Verarbeitung von Analogsignalen
verwendet wird. Das Nichtvorhandensein einer Quetschung liefert
eine maximale Oberfläche
für den Oberflächenkontaktbereich
mit konstantem Widerstand.
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Weitere
Vorteile der Sonde und der Prüfbuchse
können
aus der Offenbarung ermittelt werden, die nicht als einschränkend zu
interpretieren ist.