互連觸頭的制作方法

專利名稱：互連觸頭的制作方法
技術領域：
本發明廣泛地與電氣互連系統有關，并總體涉及如下所述的技術，例如，用來將集成電路裝置上的引線與和測試裝置相連的印刷線路板上一相應終端相連接，該測試裝置旨在完成該集成電路裝置的測試分析。
為了實現兩導體間的電氣接觸具有很多應用方法。一顯著的例子是集成電路裝置的引線和印刷電路板上的導電片或終端的互連。該印刷電路板用于在集成電路裝置與測試裝置間形成一接觸面。這類測試裝置用來為集成電路裝置作性能評估。
有關集成電路與印刷電路板的互連結構需考慮多種因素。這些因素包括電子和機械因素。對典型的互連系統，應特別注意其電氣性能，包括內電感和內電容、使用壽命長短、互換性與維護性、操作環境溫度、裝置終端的共面性、機械制造極限和裝置調整，包括終端相對于互連系統的定向。
在典型的半導體生產器械中，每塊集成電路都要通過測試裝置測試。該測試裝置可與互連系統連接，其中集成電路的引線與印刷線路板相連。印刷線路板由測試裝置控制以測試集成電路。
該測試裝置可通過互連裝置測試集成電路的功能和性能。由于制造過程的變化，一些集成電路的性能等級可能高于其它集成電路。因此，測試裝置可用來按性能特征將這些裝置分類。這就是所謂的“高速分級”。特別是，具有較好性能的集成電路在市場上能賣個好價格。由此可以看出對于互連系統，在測試中不歪曲集成電路性能特征的能力是很重要的。若不是這樣，集成電路制造者將會損失一筆可觀的收入。
互連系統的一個目的是在如上所述的測試裝置和集成電路間維持一“非失真性電氣互連”。為達到該目的，互連系統必須是低電感和低阻抗的，低線-線電容，低線-地電容及高電退耦系數。這些特性都使電氣互連系統的“非失真性”得以減少。
互連系統的另一目的是在多次測試循環中維持一連續、可靠的電氣互連。在傳統的互連系統中，互連系統的接觸阻抗在持續使用后會發生改變。阻抗改變的原因是互連系統中位于觸頭上的焊料所致。持續增加的接觸阻抗會歪曲集成電路的性能，從而降低測試效率。
由于制造過程中產生的誤差，所有半導體元件的引線可能不共面。由于類似原因，互連系統的觸頭本身也可能不完全共面，因此，當集成電路和互連系統互相接合時，集成電路元件的一些引線可能無法與互連系統中相應的觸頭充分接觸。互連系統的目標就是要補償這些非共面性。
為達到該目的，互連系統可由互連觸頭元件組成，在其中集成電路元件的引線接觸并壓住互連系統相應的觸頭直至集成電路元件所有的引線同互連系統的相應觸頭互相接合為止。這種結構的一個優點是，盡管半導體元件與互連系統具有一些非共面性，可移動觸頭元件可在每個半導體引線上施加一允許范圍內的作用力，以建立氣密連接。
為達到本發明上述目的，一種已有技術的結構是跳躍式針頭(pogo-pin)形式，該形式一般包含一觸頭、一軸、一筒體和一彈簧。軸封裝于筒體內并由彈簧使其偏向上方位置。用來與半導體引線接合的觸頭定位于軸的上端，軸一般和筒體電氣連接，且筒體下端與印刷線路板連接。當半導體元件引線和觸頭接觸，彈簧可讓軸向下壓入筒體從而保持電觸頭與筒體接合，半導體元件將持續作用于跳躍式針頭(pogo-pin)上直至所有半導體元件引線上都施加了一定的作用力。
盡管跳躍式針頭形式解決了上面討論的一些問題，但引線總體過長并由此將大量的電感引入到互連系統中。由于電感相對較大，跳躍式針頭布局總體局限于中速至低速的應用。還有，利用跳躍式針頭的穿刺作用使其與裝置接合(即，由彈簧作用產生的力施加于一較小區域)可能對后面制造工序中的焊接性造成損害。
為達到本發明上述目的，另一種已知技術的結構是亞馬尼奇(Yamaichi)觸頭。這種觸頭包括一具有懸臂接觸部分的倒置的L形支承，該懸臂接觸部分裝于倒置的L形支承的水平分支的末梢并總體平行于該分支。該接觸部分的末端上彎，由此在那里有一點可與待接觸的集成電路裝置的引線相接合。再有，該支承以某種方式和印刷線路板的一導電板或終端部分相接合。亞馬尼奇觸頭的問題包括焊料設置、結構困難以及高電感性。另外亞馬尼奇觸頭有賴于觸頭材料的彎曲，這將使需測試的集成電路的輸入/輸出端和電路板之間產生偏移。
為達到本發明的目的，另一種結構是絨毛按鈕觸頭。絨毛按鈕觸頭一般包括特別設計的一彈性編織線網陣列，該線網安裝在印刷電路板上的外罩內。半導體元件的引線可穿入外罩，并在其中和線網形成連接。絨毛按鈕觸頭可承受一定程度的擠壓，該擠壓有助于補償半導體元件和互連系統的非共面誤差。由于線網的緊密接觸，可實現印刷線路板和半導體裝置的引線間低阻抗/電感連接。而絨毛按鈕觸頭的典型問題包括線網在不斷使用后順柔性的喪失。且在線網中的金屬線可能會疲勞而最終斷裂。最后，線網可能產生意外的變形，尤其當絨毛按鈕被過分壓縮后。這些問題限制了絨毛按鈕觸頭結構的可靠性和預期壽命。
為達到本發明的目的，另一種已有技術的結構是線觸頭。線觸頭包括一定位于外罩中的導線。導線一端與印刷電路板相連，另一端則與半導體元件的引線相連，當引線壓向導線另一端時，導線的中間部分則側向彎曲。選擇導線時必須考慮其特性以提供足夠的韌性與撓曲力。
另一已有技術的結構是固體柱狀觸頭(即，一導電塊或導電圓柱)。盡管其電氣特性較好，但這樣的結構一般缺乏Z軸的順應性(compliance)和摩擦性(scrub)，這使集成線路有損壞或信號衰減的危險。
因此非常需要提供一種裝置能對現有方法、技術和裝置加以改善，該裝置提供沿z軸的順應性，水平移動、較大的接觸面積和緊湊的尺寸。本發明就是針對這些目的以及已有技術的缺陷而引出。
一互連觸頭裝置包括相互接合的第一和第二觸頭元件和一彈性元件位于兩觸頭元件周圍，彈性元件被施以偏壓使第一觸頭元件與第二觸頭元件相接合，使第一觸頭元件相對第二觸頭元件有一定位移，從而在結合面間起到摩擦閉合作用。該裝置由此為連接的集成電路提供沿z軸具有順應性、水平移動、較大接觸面積和緊湊的尺寸。
結合本發明的詳細描述、所附權利要求和附圖，本發明具體特征和優點將更為明顯。


圖1是本發明互連觸頭的正面透視圖；圖2是測試裝置和本發明互連觸頭成套使用于接地的裝置，特別表示一處于初始測試狀態下，與觸頭部分接合的剖視圖；圖3是圖2所示裝置的互連接地觸頭的剖面圖，特別表示了觸頭元件處于“非工作”狀態時兩者的關系。
圖4是圖2所示裝置的互連接地觸頭的剖面圖，特別表示了觸頭元件處于“工作”狀態時兩者的關系。
本互連觸頭裝置的結構總體上較佳地如圖1所示，互連觸頭裝置與測試裝置的聯系較佳地如圖2所示。觸頭裝置的總體操作與功能可對比圖3和圖4獲得較佳理解，圖3中裝置處于“非工作”狀態(即沒有集成電路負載/測試)，圖4中則表示裝置處于“工作”狀態(即處于負載/測試下)。以下將討論用于接地功能的觸頭裝置的結構，討論該觸頭裝置脫離其工作環境以及與其工作環境聯系的情況，隨后討論其操作的一般原理以及裝置的功能。
如圖1所示，用于接地的互連觸頭裝置10，從最普遍意義上說包括相互接合的第一觸頭元件12和第二觸頭元件14，以及一彈力元件16，該彈力元件16通過彈力使第一觸頭元件12與第二觸頭元件14接合，并使第一元件12相對于第二元件14偏移至一適當位置以完成相互接合面間的摩擦閉合動作。可以說如圖1所示處于“非工作”狀態的裝置10的第一觸頭元件12和第二觸頭元件14有點類似于沿斜面剖開(即如圖1所示從左下部到右上部)的有一定側移的對準的短軸或啞鈴(即它們的末端移至對準的軸線以外)。最好但并非必須，觸頭元件12和14的結構是等同的，將裝置10中一觸頭元件相對于另一觸頭元件“倒置”排列，一個基本(但并非必須)在頂上，且基本和另一個在同一軸線上。在這種布置中，通常觸頭元件彼此接合而形成相應的位移，該位移由置于互連觸頭之間的彈性元件靠彈力保持的。
各觸頭元件12和14都有一表面法線負軸線(a negative of surfacenormal axis，即，第一觸頭12的第一軸線18以及第二觸頭14的第二軸線20)，并包括結合體22和圓柱形的基體24，如圖所示，基體24的直徑大于結合體22并與之對齊。觸頭元件12和14的結合體22相互接合并在其間形成一結合面，而基體24也相互接合，并經由結合面間接將測試裝置的觸頭與測試電路板的觸頭導電連接。在各種場合，各觸頭元件12和14的基體24、25要從軸線18或20向外延伸比結合體22更遠，且最好與結合體部分22成為一體。
除了結合體22和基體24部分之外，各觸頭元件12和14具有一面(一般為平面)或斜面26，它對應于元件軸線18或20傾斜穿過結合體22。斜面26的延伸面最好繼續穿過觸頭元件12和14的基體部分24。當觸頭元件12和14的結合體22彼此接合越來越多時，也就是部分對齊的平面26的相互接合，從而形成或界定第一觸頭元件12和第二觸頭元件14之間的相互結合面。
彈性元件16可以是帶狀(如圖)或管狀，彈性元件16包括一內表面28接合于觸頭元件12和14，以及一鄰接于測試裝置的外表面30。彈性元件16的作用是維持第一和第二觸頭元件間相互結合的方位并使元件12和14偏向“非工作”位置。彈性元件16，一般由諸如硅橡膠和聚乙烯等彈性材料制成，環置于兩觸頭元件結合體22外以施加壓力。允許兩者之間有一定的相應位移，并由此可獲得很多優點(如圖3和圖4所討論的那樣)。最好彈性元件16的外表面30與基體面25大致平齊(即彈性元件16的最大尺寸和各觸頭元件12和14基體部分24的最大尺寸基本相同)。
觸頭裝置的尺寸，特別是觸頭元件接合區的基體直徑，是按半導體及其基座的尺寸而定的。然而，相比于跳躍式針頭結構，其各觸頭元件的基體部分都為集成電路板與印刷電路板提供一較大的接觸區域。
觸頭元件最好由鈹/銅復合材料構成，雖然其它已知的導體材料也可考慮并使用。彈性元件通常是柱形或圓管形，但不是非得用這種形狀。
參照圖2，觸頭裝置10以測試組件40一部分的形式出現，該組件使本發明定向于測試組件的安裝表面。組件40還使觸頭12和14定向于可插入測試組件40而進行測試的集成電路裝置。總體上，測試組件40包括具有插槽44的對齊平板42，其中插槽44用來插入待測的集成電路板，一底罩或底層46位于印刷電路板的下面(未示出)，使觸頭裝置10定位并將處在插槽中的一待測裝置48和印刷電路板導電連接。如圖所示，該待測裝置48初始接合于裝置10的第一觸頭元件12上。
參閱圖3和圖4，該互連觸頭裝置10如其剖面圖所示。插入后，集成電路的輸入/輸出部分碰撞到裝置10的第一(即“較高的”)觸頭元件12，特別是觸頭12的基體部分24。當集成電路板插入測試組件后，如圖4上方的向下箭頭所示，第一觸頭元件12受力而向下沿平面或“靜止的”第二(即“較低的”)觸頭元件14的面26滑動，而觸頭元件14和印刷電路板(未示出)處于導電連接狀態。
盡管各觸頭元件12和14的表面26通常穿越結合體22延伸，但最好既穿越結合體22又穿越基體24部分延伸，這取決于具體應用目的及其制約情況。由于這種結構，當第一觸頭元件12沿第二觸頭元件14往返移動時，其間的空隙使第一觸頭元件12具有最大的滑動行程。第一觸頭元件12沿觸頭元件14滑動提供了沿z軸順應性以及在集成電路板下表面的平面內側向位移。雙向滑動或“擦抹”動作有兩個優點沿z軸的順應性使集成電路不至受損，若非如此當觸頭是由剛性材料制成時則會發生損傷，而水平位移通過摩擦集成電路的輸入/輸出部分以清除可能降低電信號質量的廢渣和氧化物。
對照圖3和圖4可知，在集成電路板與觸頭裝置接合期間(即圖4中的“工作狀態”)，當“套于”彈性元件中的觸頭元件沿徑向膨脹時，彈性體16也向外作彈性變形。那就是，從非工作狀態至工作狀態，觸頭元件12和14的軸線18和20被隔開以對彈性元件16徑向施壓。在測試完成并將集成電路板從插槽44移開后(即回復到如圖3所示的非工作狀態)，彈性元件16回到其初始狀態并使第一觸頭元件12和第二觸頭元件14處于非工作休止狀態。
應當理解除了前面提到的彈性元件能使觸頭元件保持位置，并為其提供向上的徑向壓力的功能外，彈性元件還保護觸頭元件滑動面使其不至粘上廢渣。這使得裝置具有較好的隔離性由此使交調失真變得最小。
可以理解這些公開內容，從各方面說，僅僅是范例性的。在不脫離本發明精神的前提下可對細節方面做修改，特別是形狀、尺寸、材料以及部件布局。相應地，本發明范圍如所附權利要求所述。
權利要求
1.一用于引線互連的互連觸頭裝置，包括彼此接合的第一和第二觸頭元件以及置于觸頭元件周圍的彈性元件，所述彈性元件加偏壓使所述第一觸頭元件沿一定方向和所述第二觸頭元件連接，其特征在于，當引線接合于所述第一觸頭元件并克服偏壓后，由所述第一觸頭元件相對于所述第二觸頭元件產生的位移在結合面間完成摩擦閉合動作。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，位移包括了滑動，所述滑動在集成電路引線和本裝置連接時提供Z一軸的順應性。
3.如權利要求2所述的裝置，其特征在于，各觸頭元件具有一表面法線負軸線。
4.如權利要求3所述的裝置，其特征在于，所述第一觸頭元件相對第二觸頭元件的滑動使所述第一觸頭元件的表面法線負軸線從第二觸頭元件的表面法線負軸線的位置側向移動。
5.如權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述各觸頭元件包括結合體部分與基體部分，所述基體部分連結于所述結合體，并從所述表面法線負軸線延伸出比結合體延伸的距離更遠。
6.如權利要求5所述的裝置，其特征在于，由觸頭元件的結合體確定所述觸頭元件的結合面。
7.如權利要求6所述的裝置，其特征在于，由結合面界定一與所述表面法線負軸線斜交的平面。
8.如權利要求7所述的裝置，其特征在于，所述各觸頭元件的一部分被所述彈性元件所包圍，其中所述部分包括各所述觸頭元件的結合體。
9.如權利要求8所述的裝置，其特征在于，所述彈性材料毗連所述觸頭元件的各基體。
10.如權利要求9所述的裝置，其特征在于，所述觸頭元件的結合體一般呈圓柱形。
11.如權利要求10所述的裝置，其特征在于，所述彈性元件由彈性管組成。
12.如權利要求11所述的裝置，其特征在于，所述彈性管內徑尺寸大致與所述觸頭元件的基體圓柱的延伸段直徑尺寸相等。
13.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述彈性元件具有高彈性。
14.如權利要求13所述的裝置，其特征在于，所述彈性元件是由橡膠制成。
全文摘要
一互連觸頭裝置,包括相互連接的第一和第二觸頭元件以及將以上元件部分包圍的彈性元件,彈性元件加偏壓使第一觸頭元件以一定方向和第二觸頭元件連接,由此第一觸頭元件相對第二觸頭元件產生位移以完成在結合面間的摩擦閉合動作。由此提供一用于連接集成電路的裝置,具有以下優點:沿z軸的順應性、水平位移、較大的接觸面以及緊湊的尺寸。
文檔編號H01R13/22GK1308387SQ0013188
公開日2001年8月15日 申請日期2000年10月30日 優先權日2000年2月28日
發明者A·C·比德爾, B·R·奧爾森 申請人:約翰國際有限公司