TW201638589A - 探針結構與探針卡 - Google Patents

探針結構與探針卡 Download PDF

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郭廷鑫
郭嘉源
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Abstract

一種探針結構,包括彼此連接在一起的針與彈簧,其中彈簧未變形的長度小於針未設置彈簧的區段長度的五分之一。另揭露一種探針卡。

Description

探針結構與探針卡
本發明是有關於一種探針結構與應用其之探針卡。
積體電路晶片(integrated circuit chip,IC chip)的電性測試在半導體製程的各階段中都是相當重要的。每一個IC晶片在晶圓與封裝型態都必須接受檢測以確保其電性功能,受檢測的IC晶片亦可以稱之為待測物(device under test,DUT)。晶圓測試(wafer test)是使測試機台、探針卡(probe card)與待測物構成檢測迴路。探針卡通常包含若干個尺寸精密的探針相互排列而成,每一個探針通常會對應晶片上特定的電性接點。當探針接觸待測物上的對應電性接點時,可以確實傳遞來自測試機的測試訊號。同時,配合探針卡及測試機台之控制與分析程序,而達到量測待測物之電性特徵的目的,因此可在封裝步驟之前,事先濾除電性與功能不良的晶片,以避免不良品的增加而提高封裝製造成本。
以預壓式的探針卡為例,傳統線針架構由於針尾預壓且機電路徑相同之情況,導致物性無法達到最佳化。由於傳統線針在針尖或針尾的部份是分別與DUT和空間轉換器(space transformer,ST)直接接觸,在傳送測試訊號時,線針與DUT和ST接觸的部份傳導不一定是穩定的,由於測試訊號傳導的不穩定,也可能造成探針整體耐電流的不穩定。同時,也會對於探針的耐受度將會造成影響。再者,當使用者欲對上述線針針尾的預壓壓力予以調整以產生較佳的測試效果時,也會受限於探針的材料與結構特性而無法有效地最佳化。
本發明提供一種探針結構與探針卡,其藉由彈簧而具備較佳的耐受度與適用性。
本發明的探針結構,包括彼此連接在一起的針與彈簧。彈簧未變形時的長度小於針未設置彈簧的區段長度的五分之一。
本發明的探針卡,包括第一導板、第二導板以及至少一探針結構,第一導板與第二導板組成一內部容置空間。探針結構包括彼此連接在一起的針與彈簧。彈簧設置於第一導板內且在內部容置空間外。針穿設於第一導板與第二導板在內部容置空間內的部份呈挫屈(buckling)狀。針的一末端突出於第二導板。
在本發明的一實施例中,上述的彈簧具有彈性段與非彈性段。彈簧套設在靠近針的末端的針身處,非彈性段與針結合。
在本發明的一實施例中,上述的彈性段遠離非彈性段的末端與針遠離非彈性段的末端之間存在落差。
在本發明的一實施例中,上述的針與彈簧是以熔接而結 合在一起。
在本發明的一實施例中,上述的針與彈簧是以微機電系統技術所製成的一體成型的結構。
在本發明的一實施例中,上述的彈簧具有彈性段與非彈性段,非彈性段與針結合。針穿設於第一導板的第一開口與第二導板的第二開口。非彈性段的外徑大於第一開口的內徑以抵接於第一導板。
在本發明的一實施例中,上述的第一導板具有至少一容置空間,針的局部與彈簧位於容置空間內。探針結構、第一導板與第二導板形成一探針頭。探針卡還包括空間轉換模組、電路板與固持件,其中空間轉換模組與電路板彼此組裝並電性連接之後,再與探針頭、固持件組合而成探針卡,其中空間轉換模組抵壓於彈簧,彈簧具有一彈性段與一非彈性段,其中彈性段抵接於第一導板,且非彈性段與空間轉換模組結合在一起。
在本發明的一實施例中,上述的針穿設於第一導板的第一開口與第二導板的第二開口,而彈簧靠近針的一部分的外徑大於第一開口的內徑,以使彈簧抵接於第一導板。
在本發明的一實施例中,上述的探針卡包括多個探針結構,其中第一導板具有多個容置空間,且這些探針結構的彈簧分別位於容置空間內。
在本發明的一實施例中,上述的探針卡包括多個探針結構,其中第一導板具有一個容置空間,且這些探針結構的彈簧位 於容置空間內。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂,下文特舉實施例,並配合所附圖式作詳細說明如下。
100、400、600、800‧‧‧探針結構
110、410、810‧‧‧彈簧
112、412‧‧‧非彈性段
112a‧‧‧連接部
114、414‧‧‧彈性段
120、420、620、820‧‧‧針
E7、E9‧‧‧針尖
200、300、700‧‧‧探針卡
210、710‧‧‧第一導板
212、712‧‧‧第一開口
220‧‧‧第二導板
222‧‧‧第二開口
230‧‧‧空間轉換模組
232‧‧‧接墊
240‧‧‧電路板
250‧‧‧固持件
A1、A2‧‧‧截面積
D1、D2、D3‧‧‧長度
E1‧‧‧自由端
E2、E4‧‧‧針尾
E3、E5、E6、E8‧‧‧末端
P1‧‧‧落差
R1、R2、R3‧‧‧容置空間
X1、X2‧‧‧軸
圖1是依據本發明一實施例的一種探針結構的示意圖。
圖2是圖1的探針結構的俯視圖。
圖3是依據本發明一實施例的一種探針卡的示意圖。
圖4A、圖4B與圖4C繪示從圖1的探針結構組裝成圖2的探針卡的流程圖。
圖5繪示本發明另一實施例的一種探針卡的示意圖。
圖6繪示本發明又一實施例的一種探針卡的示意圖。
圖7繪示本發明另一實施例的一種探針結構的示意圖。
圖8A與圖8B繪示本發明另一實施例的一種探針卡的組裝示意圖。
圖1是依據本發明一實施例的一種探針結構的示意圖。圖2是圖1的探針結構的俯視圖。請同時參考圖1與圖2,在本實施例中,探針結構100包括彼此連接在一起的針120與彈簧110,其中彈簧110連接在靠近針120的其中一末端E2(即針尾)的針 身上,而針120是以另一末端E7(即針尖)與待測物(DUT)接觸以進行機電測試,且值得注意的是,彈簧110在未變形時的長度D1是小於針120未設置彈簧的區段長度D2的五分之一,在此所述區段長度D2為針120露出於彈簧110的部份,即從針尖E7至彈簧110的末端E8的長度。進一步地說,本實施例的彈簧110具有非彈性段112與彈性段114,彈性段114的一末端連接非彈性段112,彈性段114的另一末端(遠離非彈性段114的一末端)為自由端E1,其中彈簧110套設在靠近針120的末端E2的針身處,而以非彈性段112與針120相互結合。如上所述,彈簧110在未變形時的長度D1為彈簧110的末端E8到彈性段114的自由端E1的長度。在此,非彈性段112與針120是藉由熔接(或稱之為焊接)的手段而結合在一起,例如熱壓、點焊(spot welding),如圖2所示,彈簧110具有位在非彈性段112上的連接部112a,即是以上述方式而與針120連接在一起。惟,彈性段114的自由端E1與針120的針尾E2之間存在落差P1。換句話說,彈簧110未變形時的長度D1大於彈簧110的末端E8到針尾E2的長度。探針結構100可以分成針尖E7及探針結構100在針尖的另一末端(彈性段114的自由端E1)。本案的彈簧110可以是一般成型加工成螺旋線圈的形式,或者由直徑均一的金屬圓管經由光微影技術(photolithography)加工而成。
圖3是依據本發明一實施例的一種探針卡的示意圖。圖4A、圖4B與圖4C繪示從圖1的探針結構組裝成圖3的探針卡的 流程圖。請同時參考圖1、圖3與圖4A至圖4C,探針卡200是將至少一個前述的探針結構100予以組裝結合,如圖3所示,本實施例是將空間轉換模組230與電路板240彼此組裝並電性連接之後,以及另將多個探針結構100組裝至第一導板210、第二導板220形成一個探針頭,第一導板210與第二導板220組成一內部容置空間,最後,將前述空間轉換模組230與電路板240的組合結構,探針頭再與固持件250進行結合而完成探針卡200(探針頭與固持件250的組合件未圖示)。此舉能使探針卡200藉由空間轉換模組230與電路板240達到確保電性連接線路接觸良好,且能夠用於檢測測試點間距小的待測物。在圖3中,第一導板210具有多個容置空間R1(在此僅標示其一),而所述多個探針結構100的彈簧110分別容置於這些容置空間R1中。
以下詳述探針卡200的組裝過程。如圖4A至圖4C所示,探針結構100會先後安裝於第一導板210與第二導板220,亦即讓針120沿軸X2穿設於第一導板210的第一開口212與第二導板220的第二開口222,其中使針尖E7從第二導板220的第二開口222處突出,而讓彈簧110留置於第一導板210的容置空間R1中。其中彈簧110設置於第一導板210內,且在第一開口212與第二導板220的內部容置空間外。接著,讓第一導板210與第二導板220沿軸X1相對位移,亦即使第一開口212與第二開口222從原本沿軸X2是彼此對準的狀態轉換至彼此錯位的狀態,其中軸X1與軸X2彼此正交。如此一來,探針結構100受到第一導板210與 第二導板220的驅動,將會使針120變形而呈如圖示挫屈的狀態。此時,針120設置在該內部容置空間的部份呈挫屈狀。據此,呈挫屈狀態的針120將能因此藉其彈性恢復力而提供後續電性測試時所需的壓力,即針120在針尖E7到彈簧110的末端E8之間的部份。
另一方面,同時讓空間轉換模組230與電路板240相互結合後,再將前述的探針頭及空間轉換模組230與電路板240所形成的組合結構與固持件250進行結合,此時是將第一導板210疊置在空間轉換模組230上,而彈簧110的自由端E1是抵壓空間轉換模組230。如圖4A至圖4C所示,當第一導板210尚未疊置於空間轉換模組230上時,彈簧110的彈性段114是突出於第一導板210的容置空間R1,因此一旦空間轉換模組230與第一導板210疊置時,會使彈簧110形成預壓效果,便會造成彈簧110的彈性段114變形,而此舉也確保探針結構100能以其彈簧110與空間轉換模組230的接墊232保持良好的電性導通。此時彈簧110於變形後的長度為D3,且彈簧110在未變形時的長度D1大於或等於D3。換句話說,第一導板210的容置空間R1便是用以提供限制彈簧110的預壓變形量,藉以讓組裝成探針卡200之後的探針結構100,其彈簧110(變形後)的長度D3能達到前述D1大於或等於D3的效果。為避免針120的針尾E2直接接觸而損壞空間轉換模組230的接墊232,彈簧110變形後的長度D3會大於針120的針尾E2到彈簧110的末端E8的長度。
在本實施例中,經與針120結合後的彈簧110,其在非彈性段112的外徑大於第一開口212的內徑,即圖式中的彈簧110的末端E8,由於與針120相互熔接後變形而形成較大的體積,如圖2所示,當連接部112a受壓而與針120連接後,非彈性段112與針120連接的部份即因變形而呈非圓形(例如橢圓形,非彈性段112變形後可以分成受擠壓擴張的長邊和連接部112a受壓向針120方向縮減的短邊),因此彈簧110在受壓於空間轉換模組230時能依靠非彈性段112的長邊抵接且止擋於第一導板210的第一開口212處,以避免探針結構100從第一開口212處滑出,同時並配合空間轉換模組230的抵壓動作,而讓探針結構100有效地卡置於第一導板210上。
基於上述,探針結構100藉由在靠近針120的針尾E2的針身的部分配置並結合彈簧110,使得彈簧110能卡置於第一導板210與空間轉換模組230之間,而使探針結構100與空間轉換模組230之間的接觸電阻(contact resist)得以穩定。另,藉由第一導板210與第二導板220彼此錯位造成針120呈挫屈狀,進一步來說是針120未設置彈簧110的區段,便能使探針卡200在進行電性測試的過程中所需的壓力能單純地由針120提供,也使電性測試時的電訊傳輸得以穩定。
圖5繪示本發明另一實施例的一種探針卡的示意圖。請參考圖5並對照圖3,其中不同的是,本實施例的探針卡300中,第一導板210具有一個容置空間R2,因而所述多個探針結構100 的彈簧110均被容置於所述容置空間R2內。
圖6繪示本發明又一實施例的一種探針卡的示意圖。請參考圖6,與前述實施例不同的是,本實施例在探針結構的彈簧410中,用以與針420結合的非彈性段412是鄰近於空間轉換模組230,亦即非彈性段412的一末端E3(彈簧410的末端),非彈性段412的另一末端連接彈性段414,而彈性段414的兩端同時套設於針420的針身上,彈簧410的末端E3鄰近針420的針尾E4,且所述末端E3是與空間轉換模組230的接墊232連接在一起,藉由結構上的固持效果,因而提高探針卡500在預壓過程中的一致性。此外,彈性段414遠離非彈性段412的另一末端為自由端,係套置在針420上。彈性段414的外徑大於第一導板210的第一開口212的內徑,以在彈簧410受壓於第一導板210時能依靠彈性段414的外徑抵接且止擋於第一導板210的第一開口212處,以避免探針結構從第一開口212處滑出,同時並配合第一導板210與空間轉換模組230的抵壓動作,而讓探針結構有效地卡置於第一導板210上。
圖7繪示本發明另一實施例的一種探針結構的示意圖。請參考圖7並對照圖1,在圖1所示的探針結構100中,針120的截面積是沿著其延伸路徑而呈一致,而在本實施例的探針結構600中,針620的截面積是沿著延伸路徑且遠離彈簧110而漸減(即截面積A1大於截面積A2)。此舉讓探針結構600組裝於第一導板210、第二導板220(標示於前述實施例)時,藉由截面積漸減的 特性而提供導引的效果,以使針620能更加順利地穿過第一開口210與第二開口220(標示於前述實施例)。
圖8A與圖8B繪示本發明另一實施例的一種探針卡的組裝示意圖,在此僅繪示探針卡的局部作為代表。請參考圖8A與圖8B,在本實施例的探針卡中,探針卡700是以多個探針結構800組合而成,而與前述實施例不同的是,探針結構800的針820與彈簧810是以微機電系統技術(MEMS)所製成之一體成型的結構,在此結構中,所述針820的一末端是針尖E9(用以與待測物接觸處),另外一末端連接彈簧810,而能確保探針結構800的於材料上的一致性與結構剛性。
如圖8A與圖8B所示,第一導板710具有一個容置空間R3,而在空間轉換模組230尚未疊置於第一導板710時,所述多個彈簧810是同時容置且突出於容置空間R3,藉以確保當空間轉換模組230疊置於第一導板710上時,彈簧810的末端E5能與空間轉換模組230的接墊232保持良好的電性導通。再者,彈簧810的另一末端E6(與針820連接處)具有一擋止部,擋止部的外徑尺寸會大於第一導板710之第一開口712的尺寸,因此當第一導板710疊置於空間轉換模組230上時能讓彈簧810有效地抵接於第一導板710上。因此,組裝後的探針結構800便能以其彈簧810而穩固地卡置在空間轉換模組230與第一導板710之間。探針結構800可以分成針尖E9及探針結構800在針尖的另一末端(彈簧810的末端E5)。
另外,在本發明另一未繪示的實施例中,前述第一導板710亦可以多個容置空間取代上述單一容置空間R3,而使多個探針結構的彈簧能分別容置於對應的容置空間內,其特徵類似於圖3所示的實施例,在此便不再贅述。
綜上所述,在本發明的上述實施例中,探針卡與其上的探針結構藉由針在相對於針尖的一末端設置彈簧,其中可以彈簧套接於靠近針尾的針身上或是以微機電技術型成的一體式結構形成所述彈簧及針,其中彈簧的長度小於針未設置彈簧的區段長度的五分之一。據此,當探針結構裝設於第一導板與第二導板之後,能藉由變形彈簧提供預壓力。同時,藉由彈簧某一區段或整體的外徑大於第一導板之開口的內徑,而在空間轉換模組與第一導板結合後,彈簧能穩固卡置在第一導板上,並由彈簧固定的變形量提供探針預壓力,進一步來說,彈簧是設置在第一導板的容置空間中,且穩固卡置在第一導板與空間轉換模組之間。
再者,在針穿設於第一導板與第二導板後,藉由第一導板與第二導板進行錯位,而使針變形並呈挫屈狀態,而據以提供探針卡在進行電性測試時所需的壓力。因此,將探針結構分隔為針未設置彈簧的區段與彈簧,以將探針卡在彈簧預壓過程與電性測試過程的壓力予以區隔,由鄰近針尾的彈簧提供預壓力亦即探針結構在針尖的另一末端處,而由針未設置彈簧的區段形成挫屈狀態提供電性測試時的壓力,而能有效地避免針需同時承受預壓與測試的壓力,以提高探針的耐受程度,同時也代表使用者能依 據需求而選擇/製造適當規格的彈簧,而讓上述兩個過程中的所需的壓力能最佳化。據此,本案的探針結構在針尖的另一末端使用彈簧預壓可達電性穩定,且具備調整K值的能力,使探針結構在針尖的另一末端穩定狀況不受運動行為所影響。
本案的探針結構在針尖的另一末端進行預壓係提供電訊號的傳遞路徑,探針結構的針未設置彈簧區段的部份係提供機械路徑,使得機電路徑不同而探針結構的物性得以最佳化,即探針結構的整體電性穩定,可以提高探針結構耐受力避免測試時對探針結構可能造成的損害。
雖然本發明已以實施例揭露如上,然其並非用以限定本發明,任何所屬技術領域中具有通常知識者,在不脫離本發明的精神和範圍內,當可作些許的更動與潤飾,故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧探針結構
110‧‧‧彈簧
112‧‧‧非彈性段
112a‧‧‧連接部
114‧‧‧彈性段
120‧‧‧針
D1、D2‧‧‧長度
E1‧‧‧自由端
E2‧‧‧針尾
E7‧‧‧針尖
E8‧‧‧末端
P1‧‧‧落差

Claims (14)

  1. 一種探針結構,包括:一針與一彈簧,彼此連接在一起,其中該彈簧未變形時的長度小於該針未設置該彈簧的區段長度的五分之一。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的探針結構,其中該彈簧具有一彈性段與一非彈性段,該非彈性段與該針結合。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的探針結構,其中該彈性段遠離該非彈性段的一末端與該針遠離該非彈性段的一末端之間存在一落差。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的探針結構,其中該針與該彈簧是以熔接而結合在一起。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的探針結構,其中該針與該彈簧是以微機電系統技術所製成的一體成型的結構。
  6. 一種探針卡,包括:一第一導板;一第二導板,該第一導板與該第二導板組成一內部容置空間;以及至少一探針結構,包括:一針與一彈簧,彼此連接在一起,其中該彈簧設置於該第一導板內且在該內部容置空間外,該針穿設於該第一導板與該第二導板的該內部容置空間的部分呈挫屈狀,而該針的一末端突出於該第二導板。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的探針卡,其中該彈簧未變形時的長度小於該針未設置該彈簧的區段長度的五分之一。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的探針卡,其中該彈簧具有一彈性段及一非彈性段,該非彈性段與該針結合。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的探針卡,其中該彈性段遠離該非彈性段的一末端與該針遠離該非彈性段的一末端存在一落差。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的探針卡,其中該針穿設於該第一導板的一第一開口與該第二導板的一第二開口,且該非彈性段的外徑大於該第一開口的內徑,以使該彈簧抵接於該第一導板。
  11. 如申請專利範圍第6項所述的探針卡,其中該第一導板具有至少一容置空間,該針的局部與該彈簧位於該容置空間內,該探針結構、該第一導板與該第二導板形成一探針頭,而該探針卡還包括:一空間轉換模組、一電路板與一固持件,其中該空間轉換模組與該電路板彼此組裝並電性連接之後,再與該探針頭、該固持件組合而成該探針卡,其中該空間轉換模組抵壓該彈簧,其中該彈簧具有一彈性段與一非彈性段,該彈性段抵接於該第一導板,且該非彈性段與該空間轉換模組結合在一起。
  12. 如申請專利範圍第6項所述的探針卡,其中該針與該彈簧是以微機電系統技術所製成的一體成型的結構,其中針穿設於 該第一導板的一第一開口與該第二導板的一第二開口,而該彈簧靠近該針的一部分的外徑大於該第一開口的內徑,以使該彈簧抵接於該第一導板。
  13. 如申請專利範圍第6項所述的探針卡,還包括:多個該探針結構,其中該第一導板具有多個容置空間,且該些探針結構的該些彈簧分別位於該些容置空間內。
  14. 如申請專利範圍第6項所述的探針卡,還包括:多個該探針結構,其中該第一導板具有一容置空間,且該些探針結構的該些彈簧位於該容置空間內。
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