KR102165174B1 - 표면강도가 향상된 프로브 배럴 - Google Patents

Abstract

본 발명은 종래 제작된 배럴(Barrel)은 연질의 재질적 특성으로 인해 사용 환경적 요인에 따라 표면이 패이거나, 내외벽에 이물들이 발생하여 잔류함으로써 전기전도율이 떨어지고, 반대로 전기저항 및 마찰 저항이 높아져 결과적으로 프로브의 탐침에러 및 수명 단축의 요인을 해소하고자 제시되는 것으로서,
황동 또는 인청동으로 제작된 배럴(Barrel)의 전체 표면을 니켈 도금하고, 이와 같이 니켈 도금된 표면을 석출경화 열처리하여 표면강도를 향상시킨 프로브 배럴에 관한 것이다.

Description

표면강도가 향상된 프로브 배럴{Barrel of probe with enhanced surface strength}

본 발명은 종래 제작된 배럴(Barrel)은 연질의 재질적 특성으로 인해 사용 환경적 요인에 따라 표면이 패이거나, 내외벽에 이물들이 발생하여 잔류함으로써 전기전도율이 떨어지고, 반대로 전기저항 및 마찰 저항이 높아져 결과적으로 프로브의 탐침에러 및 수명 단축의 요인을 해소하고자 제시되는 것으로서,

황동 또는 인청동으로 제작된 배럴(Barrel)의 전체 표면을 니켈 도금하고, 이와 같이 니켈 도금된 표면을 석출경화 열처리하여 표면강도를 향상시킨 프로브 배럴에 관한 것이다.

본 발명은 표면강도가 향상된 프로브 배럴에 관한 것이다.

전기자동차용 밧데리, 의료검사 장비, PCB, 반도체 등의 최종 테스트 탐침소자인 프로브(Probe, 일명 포고핀)에는 스프링 컨텍 프로브, IC 테스트 소켓, WLCSP프로브 카드 등이 있다.

본 발명은 스프링 컨텍 프로브(Spring Contact Probe, ICT)용 배럴(Barrel)를 대상으로 한다. 상기 스프링 컨텍 프로브(Spring Contact Probe, ICT)는 원통구조를 이루는 것으로서, 플런저(Plunger), 스프링(Spring) 및 배럴(Barrel)로 구성된다.

상기 각 구성요소들은 분리된 형태로 제작된 후, 조립을 거쳐 스프링 컨텍 프로브(Spring Contact Probe, ICT)가 완성된다.

상기 스프링 컨텍 프로브(Spring Contact Probe, ICT)를 구성하는 요소 중 배럴(Barrel)은 일반적으로 동(구리, Cu)합금과 탄소강(공구강) 소재가 주를 이룬다.

상기 동합금에는 베릴륨동(Beryllium copper), 황동(Brass), 인청동(Phosphor Bronze) 등이 있다. 동합금을 사용하는 이유는 전기전도율이 좋기 때문이다. 순동은 전기도전율은 좋으나, 재질이 물러 마모가 쉽게되는 문제점이 있다.

도전율 측면에서 보면 은(Ag)이 가장 좋으나, 가격이 비싸고 대기 중 황화합물과 쉽게 반응하여 검은색의 녹(황화은)이 발생하여 도전율을 떨어뜨리며, 내마모성이 약한 단점이 있어 이용되지 않고 있다.

오래 전부터 전기, 전자분야에서 많이 사용되던 베릴륨동은 열처리를 하면 강도가 강해져서, 내마모성이 좋아지는 특성이 있기 때문에 플런저(Plunger)와 배럴(Barrel) 용으로 사용되고 있으나, 독성 유해물질인 베릴륨을 2 % 가량 함유하고 있어 장점이 있음에도 규제로 인해 전기, 전자 분야에서 대체재를 찾는 노력이 계속되고 있다.

내마모성 측면에서는 탄소강(공구강)이 사용되기도 한다. 프로브의 초기 저항은 동계열이든 탄소강이든 표면처리된 금(Au) 도금층에 의해 차이가 없지만, 사용 도중에 금도금층의 마모로 모재와의 직접접촉으로 인한 저항차이가 발생하게 되어 테스트 값의 오류가 발생하게 된다. 이러한 이유로 전기전도율과 내마모성이 높은 동합금 소재인 인청동(Phosphor Bronze)이 대안으로 떠오르고 있다.

이와 같은 소재별 장, 단점을 정리하여 보면 다음의 표 1과 같다.

		장점	단점	특이사항
동(Cu) 합금	베릴륨동	내마모성 상	전기전도율 중	독성, 유해성
	황동	내마모성 하	전기전도율 중	감소 추세
	인청동	내마모성 중	전기전도율 중	증가 추세
탄소강		내마모성 상	전기전도율 하	저가용

종래 제작된 배럴(Barrel)은 연질의 재질로 이루어져 있어 재질적 특성으로 인해 사용 환경적 요인에 따라 표면이 패이거나, 내외벽에 이물들이 발생하여 잔류함으로써 전기전도율이 떨어지고, 반대로 전기저항 및 마찰 저항이 높아져 결과적으로 프로브의 탐침에러 및 수명 단축의 요인으로 작용하였다.

이에 본 발명은 프로브가 부러질 정도의 하중이 전달되지 않는 반도체, 전기자동차 배터리, FCB회로 등의 탐침 테스트기기에 사용되기 때문에 강도나 인성보다는 표면경도 향상에 주안점을 두어, 종래 프로브 배럴(Barrel)에 사용되던 소재 중 연질의 황동과 인청동을 모재로 하고, 상기 모재 외부 표면을 니켈 도금하고, 다시 석출경화 열처리함으로써, 고경도의 프로브 배럴(Barrel)을 제공하고자 하는 것이다.

또한 이와 같은 고경도의 프로브 배럴(Barrel)을 사용함으로써 프로브의 탐침에러를 현저히 낮추고, 제품 수명을 향상시켜 프로브의 제품 신뢰성을 높일 수 있도록 하기 위한 것이다.

대한민국 등록특허 10-1729069(등록일자 2017.04.17) 대한민국 공개특허 10-2018-0111219(공개일자 2018.10.11) 대한민국 등록특허 10-1728399(등록일자 2017.04.13)

본 발명은 프로브(Probe)에 사용되던 종래 배럴(Barrel)의 문제점을 해소하고자 하는 것으로서, 연질의 재질적 특성으로 인해 사용 환경적 요인에 따라 표면이 패이거나, 내외벽에 이물들이 발생하여 잔류함으로써 전기전도율이 떨어지고, 반대로 전기저항 및 마찰 저항이 높아져 결과적으로 프로브의 탐침에러 및 수명 단축의 요인을 해소하고자 하는 것이며, 더욱 상세하게는 황동 또는 인청동으로 제작된 배럴(Barrel)의 전체 표면을 무전해 니켈 도금하고, 이와 같이 무전해 니켈 도금된 표면을 석출경화 열처리함으로써 표면강도를 향상시킨 프로브 배럴을 제공하고자 하는 것을 발명의 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여,

본 발명은 일측이 개방된 관형 구조의 배럴(Barrel)과 상기 배럴(Barrel) 내부에 탑재되어 플런저(Plunger)를 동작시키는 스프링(Spring)과, 상기 배럴(Barrel) 내부에 삽입되어 상기 스프링(Spring)에 의해 동작되어 테스트(test) 대상과 접촉하는 플런저(Plunger)를 포함하여 원통구조를 이루는 탐침소자인 스프링 컨텍 프로브(Spring Contact Probe, ICT)로서,

상기 배럴(Barrel)은 황동 또는 인청동의 전체 표면을 니켈도금하고,

상기 니켈도금한 전체 표면을 석출경화 열처리하여 고경도 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 표면강도가 향상된 프로브 배럴을 제공한다.

본 발명에 따른 프로브 배럴은 연질의 황동 또는 인청동을 모재로 하고, 그 모재 표면을 무전해 니켈 도금과 석출 경화 열처리를 함으로써 전기특성을 유지하면서 표면의 경도를 높여 내마모성 향상의 효과를 갖는다.

이로써 종래 금, 황동 또는 인청동을 사용한 프로브 배럴의 단점인 내마모성이 약해 사용환경에 따라 내외벽에 홈이 패이거나 이물질이 발생하고 잔류함으로써 전기전도율을 떨어뜨리고 반대로 전기 저항이나 마찰 저항을 높여 프로브의 탐침에러 및 수명단축의 문제를 모두 해소할 수 있다는 장점을 갖는다.

도 1은 본 발명에 따른 배럴을 포함하는 프로브의 전체 외부구성과 일부 내부 구성을 보인 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 배럴을 포함하는 프로브의 분해사시도.

이하, 상기 기술 구성에 대한 구체적인 내용을 도면과 함께 살펴보도록 한다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이,

본 발명에 따른 표면강도가 향상된 프로브 배럴은 탐침소자인 스프링 컨텍 프로브(Spring Contact Probe, ICT)(1)에 포함되는 구성으로서,

상기 스프링 컨텍 프로브(Spring Contact Probe, ICT)(1)은 일측이 개방된 관형 구조의 배럴(Barrel)(10)과 상기 배럴(Barrel)(10) 내부에 탑재되어 플런저(Plunger)를 동작시키는 스프링(Spring)(20)과, 상기 배럴(Barrel)(10) 내부에 삽입되어 상기 스프링(Spring)(20)에 의해 동작되어 테스트(test) 대상과 접촉하는 플런저(Plunger)(30)를 포함한다.

상기 배럴(Barrel)(10)은 황동 또는 인청동의 전체 표면을 니켈도금하고,

상기 니켈도금한 전체 표면을 석출경화 열처리하여 고경도 특성을 갖는 것을 본 발명의 기술적 특징으로 한다.

본 발명의 이해를 돕기 위하여, 상기 프로브(Probe)(1)를 구성하는 각 부 구성에 대해 간략히 살펴보고자 한다.

1) 플런저(Plunger)

상기 플런저(Plunger)는 테스트(Test) 하려는 대상과 접촉하는 부분이며, 동작이 이루어지는 부분이다. 상기 플러저의 헤드(head) 부분을 누르면 배럴(Barrel) 내부에 탑재되어 상기 플러저와 접하고 있는 스프링(Spring)을 압축시킨다. 이때 상기 스프링이 압축되는 양만큼 상기 플런저는 동작한다.

2) 스프링(Spring)

상기 스프링(Spring)은 압축 및 복귀되는 과정을 통해 상기 플런저(Plunger)를 동작시킨다. 상기 스프링은 프로브(Probe)의 하중을 결정하는 부분이며, 프로브의 기구적인 라이프 사이클(Life Cycle)을 결정하는 부분이다.

3) 배럴(Barrel)

상기 배럴(Barrel)은 상기 플런저(Plunger)와 스프링(Spring)을 고정하면서 전류를 통전시키는 역할을 한다. 테스트(Test)하고자 하는 대상과 상기 플런저(Plunger)가 접촉되면 전류는 상기 플런저에서 상기 배럴로 흐르게 된다.

본 발명은 상기 배럴(Barrel)(10)에 대한 기술적 특징을 갖는 것으로서, 전기전도율 특성을 갖기 위해 황동 또는 인청동으로 제작된 배럴(Barrel)(10)의 표면강도가 연질의 황동 또는 인청동의 재질적 특성으로 인해 내마모성이 약하다는 단점을 해소한 것이다.

즉, 상기 배럴(Barrel)(10)의 전기전도율을 그대로 유지하면서 내마모성 특성만을 향상시켜 줌으로써, 상기 황동 또는 인청동으로 제작된 배럴(Barrel)(10)의 기능성을 향상시키고, 더 나아가 상기 스프링 컨텍 프로브(Spring Contact Probe, ICT)(1)에 의한 검사 정확도가 장시간 사용하더라도 크게 떨어지지 않아 제품 신뢰도를 높일 수 있다.

상기 배럴(Barrel)(10)의 내마모성 특성을 향상시키기 위하여, 상기한 바와 같이 황동 또는 인청동으로 이루어진 배럴(Barrel)(10)의 전체 표면을 니켈도금하는 과정과, 상기 니켈도금된 배럴(Barrel)(10)의 표면 전체를 석출경화 열처리하는 과정을 거친다.

상기 니켈도금에 있어 중요한 점은 무전해니켈로 도금을 해야 한다는 것이다. 이와 같은 이유는 전기니켈의 경우 도금편차가 커서 열처리가 되지 않기 때문에 본 발명에서 목표로 하는 배럴(Barrel)(10)의 표면강도(Hv)를 900 ~ 1,000까지 끌어올릴 수 없기 때문이다.

무전해 도금과 전해 도금의 차이를 간단히 살펴보고자 한다.

무전해 도금의 특징은 전해도금에 비해 형상에 관계없이 제품 표면의 도금층 두께를 균일하게 할 수 있다는 점이다. 무전해 도금으로 형성된 도금 피막은 P, B를 함유하므로 경도 및 내식성, 내마모성이 우수한 성질을 갖는다. 반면 전해 니켈 도금은 상당히 순수한 금속의 결정형으로 도금되며 연질이고 인성이 있으며 자성을 갖고 있다. 또한 도금층의 두께는 전류분포에 따라 크게 변화되므로 동일한 제품에서도 균일한 두께를 얻기 어려운 단점이 있다.

상기 무전해 니켈도금은 배럴(Barrel)(10)을 100 ℃의 도금액에 침지시켜 도금속도(㎛/hr) 45의 조건에서 2 ~ 4 분동안 도금하여 1.5 ~ 3.0 ㎛ 두께로 배럴(Barrel)(10) 표면에 니켈층을 형성하는 것이다.

상기 도금액은 염화니켈(NiCl₂) 18.0 ~ 25.0 wt%와, 차아인산나트륨(NaH₂PO_2·H₂O) 29.0 ~ 35.0 wt%와, 호박산나트륨(Na₂C₄H₄O_4·6H₂O) 18.0 ~ 25.0 wt%와, 사과산(C₄H₆O₅) 20.0 ~ 28.0 wt%와, 염화암모늄(NH₄Cl) 0.001 ~ 0.01 wt%로 구성된다.

더욱 구체적으로는,

염화니켈(NiCl₂) 22.997 wt%와, 차아인산나트륨(NaH₂PO_2·H₂O) 32.0 wt%와, 호박산나트륨(Na₂C₄H₄O_4·6H₂O) 20.0 wt%와, 사과산(C₄H₆O₅) 25.0 wt%와, 염화암모늄(NH₄Cl) 0.003 wt%로 구성된다.

열처리란 금속재료가 필요하는 기계적, 물리적 성질을 부여하기 위해 가열과 냉각을 시행하는 열적 조작기술로서, 크게는 단단하게 만들어 기계적, 물리적 성능을 향상시키는 기술과 재료를 무르게 하여 가공성을 개선시키는 기술로 구분된다.

순금속을 강화시키는 일반적인 방법은 재료에 용질원자를 고용시켜 고용강화를 일으키는 것이며, 이러한 고용강화 효과를 일으키는 열처리를 용체화열처리라 한다. 용체화열처리는 합금의 고용한계 온도이상에서 열처리를 실시하여 단일상의 고용체로 존재하도록 하고 상온에서 급랭시켜 제2상의 석출이 잘 일어나도록 과포화고용체를 형성시키는 것이다. 그리고 단일상의 고용체로 만들지 않고 기지상의 성장을 억제하기 위해 고용한계선 이하에서 열처리를 하여 석출물을 남기는 방법도 있다. 이때 남아있는 석출상은 1차 석출물이라고 한다.

순금속을 강화시키는 일반적인 방법은 재료에 용질원자를 고용시켜 고용강화를 일으키는 것이며, 이러한 고용강화 효과를 일으키는 열처리를 용체화열처리라 한다. 용체화열처리는 합금의 고용한계 온도 이상에서 열처리를 실시하여 단일상의 고용체로 존재하도록 하고 상온에서 급랭시켜 제2상의 석출이 잘 일어나도록 과포화고용체를 형성시키는 것이다. 그리고 단일상의 고용체로 만들지 않고 기지상의 성장을 억제하기 위해 고용한계선 이하에서 열처리를 하여 석출물을 남기는 방법도 있다. 이때 남아있는 석출상은 1차 석출물이라고 한다.

용체화열처리로 형성된 과포화 고용체를 적당히 높은 온도로 가열하면 기지상으로부터 제2상이 미세하게 분산된 입자의 형태로 형성된다. 이러한 현상을 일으키는 열처리를 석출경화(시효경화)처리라 한다.

석출경화처리는 단계별로 실시하여 기지상에서 입자를 석출시키며, 첫 번째 시효경화처리를 통해 석출된 입자를 용체화열처리에 따라 1차 또는 2차 석출물로 불린다. 두 번째 시효경화처리는 첫 번째 시효경화처리 온도보다 낮은 온도에서 실시하며 이때 석출된 입자는 2차 또는 3차 석출물로 불린다. 이러한 제2상은 열처리 온도와 시간에 따라 달라지며, 재료의 강도와 경도를 증가시킨다.

석출 강화는 하나의 고체 속에 다른 조성을 가지는 제2상을 석출시켜 모재가 단단해지는 현상을 말한다. 용체화 처리 후 급랭시키면 합금 원자들은 과포화되고 중간 온도고 재가열시 석출된다. 석출 입자들은 전위의 이동을 방해하는 역할을 한다.

상기 무전해 니켈도금 과정을 거친 배럴(Barrel)(10)은 이와 같은 석출경화 열처리를 거치게 되며, 이때 열처리는 400 ~ 500 ℃의 온도에서 이루어진다.

이와 같은 석출경화 열처리 과정을 모두 마친 배럴(Barrel)(10)의 비커스경도(Hv)는 900 ~ 1,000 까지 오르게 된다. 인청동 모재의 비커스경도(Hv)가 200인 점을 고려해 볼 때 최고 5배 이상 표면강도가 높아지는 것이다.

본 발명에 따른 표면강도가 향상된 프로브 배럴은 연질의 황동 또는 인청동을 모재로 하여 그 표면을 니켈 도금과 석출 경화 열처리를 통해 고경도 특성을 갖도록 함으로써, 종래 황동 또는 인청동을 사용한 프로브 배럴의 단점인 내마모성이 약하다는 점을 개선하여, 전기전도율과 내마모성 특성을 모두 향상시킨 고기능성의 표면강도가 향상된 프로브 배럴을 제공하며, 이로써 종래 프로브의 탐침에러 및 수명단축의 문제를 모두 해소할 수 있어 산업상 이용가능성이 크다.

1 : 스프링 컨텍 프로브(Spring Contact Probe, ICT)
10: 배럴(Barrel)
20: 스프링(Spring)
30: 플런저(Plunger)

Claims (7)

1. 스프링(Spring)과 상기 스프링(Spring)에 의해 동작되어 테스트(test) 대상과 접촉하는 플런저(Plunger)가 내부에 탑재되어 스프링 컨텍 프로브(Spring Contact Probe, ICT)를 구성하는 것으로서, 일측이 개방된 관형 구조인 황동 또는 인청동의 전체 표면을 차아인산나트륨(NaH₂PO_2·H₂O)과, 호박산나트륨과, 사과산(C₄H₆O₅)과, 염화암모늄(NH₄Cl)을 포함하는 100 ℃의 도금액에 침지하여 제조된 프로브 배럴에 있어서,
   
   상기 프로브 배럴(Barrel)은 염화니켈(NiCl₂) 22.997 wt%를 더 포함하는 도금액에 침지하여 도금속도 45 ㎛/hr의 조건에서 2 ~ 4 분동안 무전해 니켈도금시킨 후,
   상기 니켈도금한 상기 배럴(Barrel)의 전체 표면을 1,000의 비커스경도(Hv)를 갖도록 400 ~ 500 ℃ 에서 석출경화 열처리하여 고경도 특성을 갖는 것을 특징으로하는 표면강도가 향상된 프로브 배럴.
   
   
   
   
   
   
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