JP4328145B2 - 集積回路テストプローブ - Google Patents

Description

本発明は一般に、テストプローブに関するものである。より詳細には、本発明は、各種試験用途において使用するための新規かつ改良された集積回路（ＩＣ）テストプローブに関するものである。さらに、本発明は、多様なＩＣチップで使用可能にする数種の異なる機器構成において使用することができる。

ＩＣといった電気構成部品は、実際の使用の前に信頼性を試験評価しなければならない。適正な試験および評価のために、ＩＣは、信頼できる手段によってプリント配線基板（ＰＣＢ）と電気的に接続されなければならない。マイクロエレクトロニクス分野が進歩するにつれて、ＩＣにおける構成素子の複雑さおよび集積度は劇的に増大している。この増大は、リード間間隙の対応した縮小によるＩＣチップのリード密度の増大につながっている。従って、こうしたますます複雑になるＩＣに適応するためにより小型のテストプローブに対する必要性が求められている。

ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）およびランドグリッドアレイ（ＬＧＡ）パッケージは、それらの高密度およびロープロフィールのためにますます普及している。ＢＧＡパッケージでは、ピングリッドアレイＩＣパッケージのピンと異なり、通常、ＢＧＡの丸いはんだボールがプリント配線基板の対応する面実装パッドに直接はんだ付けされる。

ＩＣパッケージを交換できるようにする別の方法は、ソケットの使用によって、ＩＣパッケージと配線基板との間にいかなる永久的な接続も存在しないようにすることである。ＢＧＡおよびＬＧＡパッケージでの使用のためのソケットが開発されており、試験目的の場合のように、それらのパッケージが配線基板と非永久的に接続できるようにしている。しかし、ＢＧＡパッケージを従来のソケットに取り付ける際には問題が存在し得る。詳しくは、それはＢＧＡパッケージが従来と異なる嵌合条件を呈することから発生する。ＢＧＡの丸いはんだボールは、それらがリフローされるというその意図された目的にのみ適しているので、はんだ付けのためには相対的に劣った接点を付与する。さらに、個々の丸いはんだボールの個々の接点間の平坦性は、ボールの不規則性およびＢＧＡパッケージの反りのために欠けることもある。

従って、当業界では、ＢＧＡパッケージの増大した複雑さおよび密度に対処する改良を見出してきた。そのような装置の一例が、１９９３年４月２０日にリチャーズらに発行された特許文献１に開示されている。リチャーズらは、絶縁材、テストプローブに取り付けるためのほぼＴ字形スロット、ＩＣチップと接触するためのチゼル（ｃｈｉｓｅｌ）端部テストリードおよび、ワイヤリードにはんだ付けするための基板の反対側の接続端部を含むモジュールを開示している。

しかし、リチャーズらの装置は、１つの装置の接続表面に刻み目（ｓｃｏｒｅ）をつけるように設計されており、高周波用途向けに設計されていない。絶縁被覆を除去するために構成部品の表面に刻み目をつけることは、汚染物質を構成部品の表面に接触させ、接合の伝導率の低下をもたらす表面の酸化を生じさせることから、望ましくない。

別の先行技術のテストプローブは、１９９６年９月１７日にロイターらに発行された特許文献２に開示されているように、スプリング付きの電気接点プローブ形式のものである。ロイターらは、内部に環状孔を有するバレルを備え、プランジャが一端の環状孔内に部分的に配設され、環状孔内で滑動して軸方向移動が可能になっている電気ばねプローブを開示している。ロイターらのプランジャは、電気素子と接触するためにバレルの外側に配置された先端を備える。端子部材が、プランジャの反対側の端部でバレルを通り環状孔内に配設され、その中に固定して取り付けられている。端子部材は、バレルの外側に位置するフランジ付き端部を備え、フランジ付き端部から径方向外方に拡張する少なくとも１つのフランジを備える。フランジは、端子部材に沿って延びる軸にほぼ直角である肩部を有する。スロットがフランジ付き端部に配置されており、フランジ付き端部の先端からバレルに向けて一定距離、端子部材に沿って軸方向に延長する。ばねプローブは、受け口（ｒｅｃｅｐｔａｃｌｅ）の終端部分の開口の外側縁端と各フランジの肩部のスナップロック式の当接によって、プローブ受け口とロック式の取付を形成する。ロイターらのばね接点プローブは、上述のように、多数の構成部品を有し、組立が難しく、コスト高である。さらに、多数の構成部品のために、試験作業の間における電気的経路は極めて迂遠であり、そのため、ロイターらのプローブの高周波試験用途を制限する。

別の先行技術のソケット端子は、１９９９年３月２日にマーフィーに発行された特許文献３に開示されている。特許文献３では、開口を備える一端部および、プリント配線基板の対応する接続領域と接触するように構成された反対側の端部を有するソケット本体、およびソケット本体の開口内に配設され、ソケット本体の開口内のピンの下端を保持するために十分な摩擦力を受け与える接点ばねを含む、ソケット端子アセンブリが開示されている。このソケット端子はまた、開口の下端内に配設され、ピンに加えられた下方への力に対応して接点ばねの摩擦力に打ち勝つために十分な上方への力をピンに与える弾性部材も含む。このマーフィーのピンは、集積回路パッケージの電気的接触領域と接触するように適応された端部および、ソケット本体の開口内に挿入されるように構成された反対側の端部を有する。相互結合する構成部分が孔を有するソケット支持部材を備えており、個々の孔が対応するソケット端子アセンブリを受け入れる。マーフィーのソケット端子の構成に起因して、プリント配線基板とＢＧＡ構成部品との間の電気的経路もまた迂遠であり、多数の構成部品が高額なソケット端子をもたらす。さらに、無線周波用途の場合、迂遠な電気的経路は高抵抗をもたらし、そのため、ソケット端子の用途を制限する。

複数の部品を備える他の先行技術のばね接点プローブは、特許文献４、特許文献５、特許文献６および特許文献７に開示されており、これらはすべてインターコネクト・デバイセズ社（カンザス州カンザスシティ）に譲渡されている。
米国特許第５，２０４，６１５号明細書 米国特許第５，５５７，２１３号明細書 米国特許第５，８７７，５５４号明細書 米国特許第４，７８３，６２４号明細書 米国特許第５，００９，６１３号明細書 米国特許第５，２２５，７７３号明細書 米国特許第６，１０４，２０５号明細書

従って、本発明の目的は、現代的ＩＣチップにおける増大するリード密度に適応するために十分に小型の新規かつ改良されたテストプローブを提供することである。

本発明の別の目的は、構成部品をＰＣＢと接続するための耐久性のある融通の利く接点を有するテストプローブを提供することである。

本発明のまた別の目的は、多数の運用サイクル後にも設計通りに動作し続ける信頼できるテストプローブを提供することである。

本発明のさらに別の目的は、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）またはランドグリッドアレイ（ＬＧＡ）チップを受け入れることができるテストプローブを提供することである。

本発明の別の目的は、製造するのに安価で最小限の部品数を有する新規かつ改良されたテストプローブを提供することである。

本発明の別の目的は、ＰＣＢの表面を損傷しないテストプローブを提供することである。

本発明の別の目的は、高周波試験用途での使用に適するテストプローブを提供することである。

本発明のさらに別の目的は、集積回路のリードとプリント配線基板との間に最小抵抗、最小インダクタンスの電気的接続を確立するように動作するテストプローブを提供することである。

本発明は、ＩＣチップをプリント配線基板と接続するための新規かつ改良されたテストプローブを提供するものである。本発明はさらに、技術的現状の集積回路チップによって要求される密度で使用され得るに十分に小型の新規かつ改良されたテストプローブを提供するものである。動作時、本発明のテストプローブは、すぐれた電気接続性を維持するとともに、低挿入力パラメータを維持してテストプローブの寿命を延長し試験を受けるＩＣチップのリードへの損傷を最小にする。

ＩＣパッケージとプリント配線基板との間に複数の電気的接続を形成するこのコネクタアセンブリの好ましい実施形態において、コネクタアセンブリは、上面と底面との間に延長する複数の環状スルーホールを有する不導性基板を備える。各スルーホールは上面と底面との中間に拡大径部分を有し、対応する複数の弾性電気プローブがスルーホールに配設されている。各電気プローブは、伸長接点およびコイルばねより形成される。伸長接点は、スルーホールの拡大径部分内に位置する中間の拡大径カラー部分を有し、伸長接点の第１の端部が基板の上面を越えて延長し、例えばＢＧＡリードといったＩＣリードと係合するクラウン部を備える。伸長接点の反対側または第２の端部は、スルーホール内に配置されており、接点のカラー部分の直径より小さい直径である。

この電気プローブの伸長コイルばねは、伸長接点のまわりに配設されており、上部、中間部および下部を有する。ばねの上部は、スルーホールの拡大径部分内に配置され、伸長接点のカラーの下側に接して支持する。あらゆるコイルばねに固有なように、コイルばねの上部の上面の平面は、カラーの底部の平面に対して傾斜している。換言すれば、ばねの上部の平面は、スルーホールの縦軸と直交しない。すなわち、ばねの上部はカラーの底面と面一ではなく、ばねの一部だけがカラーに接して支持している。この接点のこの物理的特性は、後述する通りコネクタアセンブリの動作において極めて重要である。ばねの中間部は全体としてスルーホール内に配置されており、伸長接点の第２の端部の直径より大きい直径である。

ばねの下部ばね部分はコイルが密着するように緊密に巻かれており、下部ばね部分の直径は基板の底面のスルーホールの直径より小さい。下部ばね部分の内径は、接点の第２の端部の直径より大きい。下部ばね部分は、プリント配線基板との接続のためにスルーホールの外側に延長している。

試験動作の間において、プリント配線基板のパッドが下部ばね部分と接触させられ電気的接触を生じ、コイルばねを部分的に圧縮する。次に、集積回路パッケージはコネクタアセンブリに押しつけられる、すなわち、はんだボールが伸長接点のクラウンと係合させられる。ばねがさらに圧縮されると、接点のカラーの底面に対するばねの上面の傾斜のため、伸長接点は、接点の縦軸がスルーホールの縦軸と鋭角をなすように傾倒される。そうした時点で、伸長接点の第２の端部は、下部ばね部分の密着コイルと電気的接触を生じる。これにより、はんだボールから接点の全長を経て、下部ばね部分の密着コイルを経てプリント配線基板のパッドに到る直接的な電気的経路が生じる。

本発明は、最小限の抵抗およびインダクタンスを伴い、高周波用途におけるその使用を可能にする態様で、ＩＣパッケージとプリント配線基板との間に電気的接触を確立する。

１ｄＢにおける本発明の０．５ｍｍＢＧＡソケットの高速性能限界は線８０によって示されており、結果は１１．４ＧＨｚで、先行技術のソケットの約２倍の高周波動作特性である。

容易に明白な通り、多数の修正および変更が当業者には容易に想起され得るので、従って本発明は図示説明したまさしくその構成および動作に限定されるように望むものではない。従って、全部の適格な修正等価物は、請求する発明の範囲に該当するものとして採ることができる。

図１〜４について説明すれば、ＩＣパッケージ１２をプリント配線基板１４に接続するための新規かつ改良されたコネクタアセンブリ１０が提供される。コネクタ１０は、基板１６を貫通して形成されたスルーホール２０に取り付けられた複数の電気プローブ１８を備える不導性基板１６を含む。電気プローブ１８の数は一般に、ＩＣパッケージ１２に設けられたランドの数に対応する。また、コネクタ１０の大きさも一般に、ＩＣパッケージ１２の大きさに依存する。例示のために、本発明のコネクタ１０は、図１に示す通り、チップスケールパッケージ（ＣＳＰ）のバーンインソケット２２へのボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）１２パッケージに関して図示説明する。

コネクタ１０は本発明のためにＩＣパッケージ１２と同じ寸法で形成する必要がないことに留意するべきである。しかし、電気接点１８は、コネクタ１０が集積回路１２と対面接触して置かれた状態で、電気プローブ１８と集積回路１２のボール２４との間に圧接が得られるようにコネクタ１０に配設されなければならない。はんだボール２４は、集積回路１２の表面２６全体に複数の行および列を画成するように配置され得る。結果的に、図示しないが、電気プローブ１８も同様の行列パターンに整列されるはずである。

図２を参照すれば、不導性基板１６は、一体に接合されスルーホール２０を形成する２つの層３０、３２により好適に形成される。各スルーホール２０は均一な環径である中間部を含み、また、各スルーホール２０は縮小された直径の制限上部開口３４および制限下部開口３６を有する。スルーホール２０の縦軸は図面参照番号３８によって指示されている。

各電気プローブ１８は、ねじ加工された伸長接点４０およびコイルばね４２を含む。

伸長接点４０は、その上端または第１の端部におけるはんだボールリード２４と係合するクラウン部４４、中間カラー４６および、下端または第２の端部４８を備える。カラー４６は、スルーホール２０の拡大径部分よりわずかに小さい直径であり、スルーホール内に配置され、制限開口３４によってスルーホール内に制限される。クラウン４４は不導性基板１６の上層３０の上に突出しているのに対し、第２の端部４８を含む、カラー４６の下に位置する接点４０の部分は全体として不導性基板１６の内部に配置されている。図２に示す通り、接点４０の下端または第２の端部４８は下部制限開口３６の直径より小さい直径である。

ばね４２はほぼ円筒形に形成されており、基板１６に対するばね４２の弾性圧縮を可能にするベリリウム銅といった良好なばね特性を有する材料で形成される。ほぼ円筒形の弾性ばね４２は、螺旋状に巻かれている単一の単体導線より形成される。ばね４２は、上部５０、中間部５２および下部５４を含む。

好ましくは、ばね４２の上部５０は、互いに密着しておりカラー４６の直径に一致した直径であるコイルにより形成されている。ばね４２のコイル部分５０の上側コイルは、カラー４６の下面に接して支持している。螺旋状コイルばね本来の特徴により、コイルばね４２の頂部の平面５６は、カラー４６の下部のほぼ水平な平面に対し鋭角“ａ”で配置される。その結果、図２に例示するように、上部ばね部分５０の一部だけが当初、カラー４６と接触している。

ばね４２の中間コイル部分５２は、対向する力の作用を受けて縦方向に圧縮され得るように開ピッチ構成となっている。図２に示すように、ばね４２の中間部５２の直径はスルーホール２０の内径より小さい。

ばね４２の下部ばね部分５４もまた、互いに密着したコイルを有しており、下部ばね部分５４の外径は制限開口３６の直径より小さく、下部ばね部分５４が基板１６の下面を越えて突出してプリント配線基板１４と電気的接触が生じるようにしている。下部ばね部分５４の内径は、伸長接点４０の下端または第２の端部４８の直径より大きい。

図３を参照すれば、コネクタアセンブリのその位置において、コネクタアセンブリは下方に作動させられてばね４２とプリント配線基板１４との間に電気的接続を生じ、中間ばね部分５２は圧縮されて下部ばね部分５４の縮退部をスルーホール２０内に収容する。

図４を参照すれば、集積回路１２がコネクタアセンブリに圧接されると、各はんだボール２４は接点４０のクラウン４４と係合し、それによって接点４０の下方への動きを生じる。

接点４０が不導性基板１６内に下方へ動かされる際、カラー４６は上部ばね部分５０に接して支持され、上部ばね部分５０の傾斜面５６のため、接点４０は、結果的に接点の縦軸６０がスルーホール２０の縦軸３８に対し鋭角であるように回転または傾倒するように強いられる。図４に例示した位置において、接点４０の下端または第２の端部４８は下部ばね部分５４と電気的接触を生じ、それによって、はんだボールリード２４から一定長の接点４０を経て、互いに密着した下部コイル５４を経てプリント配線基板１４に到る直接的な電気的経路を与える。

事実上、ばね４２の密着コイル５４は固体円筒形接点に相当する。その結果、集積回路１２とプリント配線基板１４との間の電気的経路は、抵抗およびインダクタンスを最小にし、接点をより高周波数で動作可能にする、直接的なほとんどまっすぐな経路である。

本発明の電気プローブ１８は、５〜１０ギガヘルツの範囲の無線周波用途に適格であり、素子の組合せは、圧縮性、電気または導電率の損失を伴うことなく１００００回のチップ挿入抜去サイクルの寿命を有する。

例として、競合品の０．５ｍｍＢＧＡソケットと比較した場合の本発明に従って作られた０．５ｍｍＢＧＡソケットの比較である図５について説明する。比較試験は独立試験機関によって実施され、両ソケットはそれぞれの電気的性能を評価するために測定された。特に、各ソケットの高速性能限界が決定された。

競合品の先行技術の０．５ｍｍＢＧＡソケットにおいて、線７０によって図示された結果は１ｄＢ帯域幅が６．４ＧＨｚの最大値にあったことを示している。

本発明のコネクタを使用したチップスケールパッケージのバーンインソケットの断面図である。 電気接点プローブがその初期静止位置にある状態の本発明のコネクタの断面図である。 電気プローブがプリント配線基板と接触し部分的に圧縮されている状態の本発明のコネクタの断面図である。 電気プローブがプリント配線基板と接触し、ＩＣパッケージのはんだボールが十分に圧縮されている状態の本発明のコネクタの断面図である。 本発明のコネクタと先行技術のコネクタの電気的特性を比較しているグラフである。

符号の説明

１０ コネクタアセンブリ
１２ 集積回路パッケージ
１４ プリント配線基板
１６ 不導性基板
１８ 電気プローブ
２０ スルーホール
２４ はんだボール
３０、３２ 層
３４、３６ 制限開口
３８ 縦軸
４０ 伸長接点
４２ コイルばね
４４ クラウン
４６ カラー
４８ 端部
５０ 上部コイル部分
５２ 中間コイル部分
５４ 下部コイル
５６ 平面
６０ 縦軸

Claims (7)

1. コネクタアセンブリのための電気テストプローブであって、
   中間カラーを有する伸長接点と、
   前記接点のまわりに配設された伸長螺旋状コイルばねとを含み、
   ばねの一端は、ばねの平面がカラーの当該一側面と鋭角であるように前記中間カラーの一側面に接して支持し、ばねの反対端部は密着ばねコイルを備えており、それによって、動作時に電気プローブがプリント配線基板と集積回路との間で圧縮された時に、接点の縦軸が傾斜して接点とばねの密着ばねコイルとの間に直接的な電気的経路を確立することを特徴とする電気テストプローブ。
2. 伸長接点は、その一端部に、ＢＧＡ集積回路のはんだボールに係合するためのクラウン構成物を有し、前記伸長接点の反対端部は螺旋状コイルばねの前記密着ばねコイル内に配置されていることを特徴とする請求項１記載の電気テストプローブ。
3. ばねの前記一端部は密着ばねコイルを備えることを特徴とする請求項１記載のコネクタアセンブリのための電気テストプローブ。
4. 伸長螺旋状コイルばねの中間部は定ピッチであることを特徴とする請求項１記載のコネクタアセンブリのための電気テストプローブ。
5. 螺旋状コイルの前記反対端部の密着ばねコイルの直径は、ばねの前記一端部のコイルの直径より小さい直径であることを特徴とする請求項１記載のコネクタアセンブリのための電気テストプローブ。
6. 螺旋状コイルばねはベリリウム銅で作られていることを特徴とする請求項１記載のコネクタアセンブリのための電気テストプローブ。
7. コネクタアセンブリは、反対側の上面および底面を有する不導性基板と、前記上面と底面の間に延長する複数の環状スルーホールとを備え、各前記スルーホールは前記上面および底面の中間に拡大径部分を有し、複数の電気テストプローブが前記複数のスルーホールと対応し、各テストプローブはスルーホール内に配設されていることを特徴とする請求項１記載のコネクタアセンブリのための電気テストプローブ。

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