专利名称：接触探头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于对半导体基片、液晶显示装置或者其他装置进行电学检查的接触探头。
背景技术：
对用于半导体基片、液晶显示装置或者其他装置的电路进行检查通常利用一个设置有多个接触探头的检查设备来进行。待测量线路的表面(下文中称作对象表面)通常覆盖有一个绝缘层，诸如一个自然形成的氧化层或者抗蚀剂残留物。为了进行检查，必须破坏绝缘层，以确保与绝缘层下方的电路电极可靠地电接触。为了破坏绝缘层，已经采用了两种方法。一种方法是沿着对象表面刮擦来去除绝缘层，从而使得可以确保与下方电极电接触。另外一种方法是将一个尖锐边缘压在绝缘层上，以便将其刺穿。
在本说明书中，术语“刮擦”用于表示利用一个尖锐边缘对对象表面进行刮擦。研究人员和工程技术人员已经提出了一种公知为“lithographilegalvanoformung abformung(LIGA)”的工艺，用于形成一个执行前述“刮擦”操作的接触探头。根据这种工艺，如在已公告日本专利申请特开No.2001-343397中阐述的那样，利用一个具有特定图案的掩膜，通过光刻和电镀而形成一个接触探头。
利用LIGA工艺所形成接触探头的传统形状示例在图12和13中示出。这些接触探头包括一个用于与对象表面20发生接触的末端部1，一个具有弯曲部的弹性部2，以及一个支撑部3，用于支撑固附在检查设备上的接触探头。弹性部2的形状并不局限于如图12和13中示出的单方向弯曲；也可以呈S形或者波浪形。如图14中所示，接触平面10设置于末端部1的最下部处。在接触平面10的每一侧设置有一个斜面15。当图12所示的接触探头的支撑部3固定到一个检查设备上时，并且当接触探头垂直压在对象表面20上时，末端部1的接触平面10与对象表面20区域接触(areacontact)，并且弹性部2沿着由箭头31所示方向弹性变形。在这种弹性变形的过程中，末端部1的姿态由将其压在对象表面20上的力来约束。因此，末端部1沿着由箭头32所示方向移动，同时几乎保持与对象表面20区域接触的姿态。由此，执行“刮擦”操作。
图13中所示接触探头的性能同样在下面予以阐述。当接触探头中的支撑部3被固定在一个检查设备上并且当接触探头垂直压在对象表面20上时，末端部1的接触平面10与对象表面20区域接触，并且弹性部2沿着由箭头33所示方向弹性变形。在这种弹性变形的过程中，末端部1的姿态由将其压靠在对象表面20上的力约束。因此，末端部1沿着由箭头34所示方向进行移动，同时几乎保持与对象表面20区域接触。由此，执行“刮擦”操作。
当接触探头用相同材料形成为一个整体结构时，压靠在对象表面20上的末端部1的移动方向由末端部1、弹性部2以及支撑部3的形状和相对位置决定。当用于各个部分的材料不同时，材料的类型也是决定所述移动方向的一个因素。
参照图15至17，下面将详细阐述从末端部1与对象表面20开始接触至接触结束的一系列工作过程。在图15所示示例的情况下，待测量对象是在其表面上设置有铝电极22的基片21。铝电极22的表面是对象表面20。铝电极22的表面覆盖有一个自然形成的氧化层25。如图15所示，为了使得接触平面10与对象表面20接触，接触探头的末端部1从正上方下落。如图16所示，弹性部2的弹性变形(在图16中未示出)移动末端部1。在这种情况下，由于末端部1压在对象表面20上，所以末端部1会向右移动，同时保持接触平面10与对象表面20之间的接触姿态。由此，执行“刮擦”操作。在这种工作过程中，末端部1将氧化层25刮除，形成刮痕24。在这种状况下，末端部1可以确保与先前覆盖有氧化层25的铝电极22的电接触，从而能够通过该接触探头进行测量操作。
在测量结束之后，接触探头升高。但是，末端部1不会直接从图16中所示的位置升高。如图17中所示，随着弹性部2弹性变形减小，末端部1会在继续对所述表面进行刮擦的同时向左移动，并随后向上移动。
如图16和17中所示，刮擦操作会使得铝质电极22和氧化层25的刮屑23粘附到末端部1上。每次用接触探头测量均需要进行图15至17中示出的工作过程。刮屑23不仅会在如图16中所示通过将接触探头压到对象表面20上来执行刮擦时而且会在如图17中所示在将接触探头从对象表面20上分离过程中进行刮擦时粘附到末端部1上。尽管是无法避免的，但是后一种刮擦并无助于测量操作。粘附的刮屑23降低了接触探头在下次测量中的电接触质量。因此，为了保持一定程度的良好电接触，必须在执行特定次数的测量之后，比如1000次，对末端部1进行清理。清理操作需要中断测量操作，由此降低了生产率。
刮屑23的过量粘附会损害测量精度，从而一个优质产品有可能被评判为不合格产品。这种误判现象会导致产量以其他非必要的方式减少。
还有，如前所述，末端部1不仅在如图16所示为了确保电接触而通过将接触探头压靠到对象表面20上来执行刮擦操作时在对象表面20上产生刮痕24，而且会在如图17中所示测量操作结束之后将接触探头从对象表面20上分离的过程中进行刮擦时在对象表面20上产生刮痕24。因此，铝电极22表面上的刮痕24会发展至超过破坏绝缘层所需的程度。过长的刮痕有可能导致在后续的超声波粘接工艺中铝电极22与金导线(a gold wire)之间无法令人满意地发生粘接，这是因为铝电极22与金导线之间的熔合工艺无法正确地进行。
此外，对象表面无需是一个平面。其可以是一个曲面，比如一个球面。例如，图28中所示的球栅阵列(BGA)封装70需要通过与排布在BGA基片71下表面上的焊球72发生接触来进行测量。为了通过前述焊球72进行检查，已经提出了若干种接触探头。这些接触探头以及由它们所导致发生的问题在下面予以阐述。
用于球形对象表面的第一种现有技术利用图29中示出的接触探头100，其是POGO销(pin)类型中的一种。接触探头100包括一个用于与对象表面发生接触的末端部121，和一个用于将末端部121连接到一圆柱形支撑部123上的弹性部122。接触探头100通过机械加工而制成。末端部121和支撑部123基本上呈圆柱形，并且末端部121的上端部呈圆锥形。弹性部122由一个螺旋弹簧制成。如图29中的箭头所示，直接被置于焊球72下方的接触探头100向上移动，并且导致末端部121的圆锥端部刺穿形成于焊球72表面上的绝缘层，从而可以确保与焊球72电连续性。
但是，如图30中所示，在测量之后，接触探头100会在焊球72上遗留下一个凹坑53。如图31中所示，当具有凹坑53的焊球72用于与线路基片74上的焊盘电极73焊接在一起时，凹坑53会形成一个由焊球72和焊盘电极73包围起来的封闭空间。当在这种状况下对该组件进行加热来焊接时，封闭凹坑53中的空气膨胀，并且有可能使得焊球72发生爆炸。这种被称作“爆米花现象”的现象会导致无法令人满意的连接，这是一个严重问题。
用于球形对象表面的第二种现有技术提出了一种如图32所示的接触探头。接触探头101包括一对臂114，这对臂114可以如同一对钳子那样打开和闭合。每个臂114均在其末端部设置有一个卡爪112，该卡爪面对着另一卡爪112。如图32中箭头所示，接触探头101从下方升高。如图33中所示，这对臂114沿着一个朝向闭合位置的方向移动，使得卡爪112可以从侧面与焊球72接合。结果，焊球72表面上的绝缘层被破坏，并且可以确保接触探头101与焊球72之间电连接性。
但是，接触探头101具有一个缺点。其难以根据焊球72的直径对臂114的闭合运动进行调整。如果臂114的闭合程度不充分，那么卡爪112将难以充分刺入。相反，如果臂114的闭合程度过大，那么卡爪112将过度刺入，损坏焊球72或者使它们自身锁死。如果发生了锁死现象，那么卡爪112将无法从焊球72上分离下来。因此，当接触探头101下降时，卡爪112会将焊球72从BGA基片71上撕裂下来，而产生问题。接触探头101的另外一个缺点在于其需要一个用于将臂114打开和闭合的复杂机构。
用于球形对象表面的第三种现有技术提出了一种如图34所示的接触探头102。接触探头102具有一个圆柱形末端部，该圆柱形末端部的上端形成了一个尖锐边缘115。当使用接触探头102时，如图34中箭头所示，圆柱形末端部会朝向焊球72升高。最终，如图35所示，边缘115刺穿焊球72表面上的绝缘层，确保接触探头102与焊球72之间电连续性。
但是，难于以高精度制造接触探头102的圆柱形末端部。如果边缘115的直径比焊球72的直径大一定程度，那么边缘115会如图36中示出的那样在没有刺入焊球72的条件下将焊球72推入接触探头102的圆柱形末端部内。在这种情况下，由于焊球72表面上的绝缘层未破坏，所以无法进行精确测量。如果发生这种现象，那么当接触探头102下降时，它会将焊球72从BGA基片71上撕裂下来。
发明内容
本发明总的目的是提供一种方法，其能够可靠地确保与隐藏在存在于对象表面的表面上的绝缘层之下的电极电接触，该绝缘层诸如是自然形成的氧化层或者抗蚀剂残留物。因此，本发明的一个特定目的是提供一种接触探头，其可以通过刮除电极上的绝缘层来确保与所述电极发生电接触，使得粘附在末端部上的刮屑量减少，在对象表面的表面上形成的刮痕减小。
本发明的另一特殊目的在于提供一种接触探头，其可以通过破坏形成于球形电极(如焊球)的弯曲对象表面上的绝缘层来确保电接触，但不会将撕裂球形电极或者过度损坏该球形电极。
为了实现前述目的，根据本发明的一个方面的接触探头(在本“发明内容”部分中被称作第一接触探头)，包括(a)一个末端部，用于与对象表面接触；(b)一个支撑部，其支撑其他部分并且执行电连接操作；以及(c)一个弹性部，将末端部连接到支撑部上。
第一接触探头的末端部包括(a)一个接触平面，其设置于末端部的末端处，用于与对象表面发生区域接触；(b)一个第一斜面，其设置于接触平面的一个端部处，使得该第一斜面与接触平面之间的夹角至少为90度并且至多为170度。
(c)一个角部，其设置于第一斜面与接触平面之间，并且以第一曲率半径倒圆；(d)一个第二斜面，其设置于接触平面的另一端部处，使得该第二斜面与接触平面之间的夹角至少为90度并且至多为170度；以及(e)另一角部，其设置于第二斜面与接触平面之间，并且以大于第一曲率半径的第二曲率半径倒圆。
在第一种接触探头中，末端部、支撑部以及弹性部构造成在支撑部固定到一个检查设备上并且接触平面压靠在对象表面上时，弹性部由压力产生的弹性变形可以以第一斜面在前的方式移动末端部，同时保持接触平面与对象表面之间的接触。在这种结构中，在通过压力进行刮擦操作的过程中与在前移动的侧面相对的侧面具有一角部，该角部的曲率半径大于在相对侧面的角部的曲率半径。因此，这种结构能够形成如下的接触探头，该接触探头在通过压力进行刮擦操作的过程中能够充分刮刨对象表面，以确保接触，并且可以减少在将该接触探头从对象表面上分离的同时刮擦过程中的刮屑量。因此，该接触探头可以减少粘附到末端部上的刮屑量，并且减小在对象表面上形成的刮痕。
在该第一种接触探头中，第二曲率半径可以至少为第一曲率半径的两倍。这种结构可以形成如下的接触探头，该接触探头有效地减少在将该接触探头从对象表面上分离的同时刮擦过程中的刮屑量。因此，粘附到末端部上的刮屑量可以降低。最终，可以减小在对象表面上形成的刮痕。
在该第一种接触探头中，第一曲率半径可以至少为0.1微米并且至多为5微米。这种结构能够形成如下的接触探头，该接触探头在通过压力进行刮擦操作的过程中充分地对对象表面进行刮刨，并且有效减少在将该接触探头从对象表面上分离的同时的刮擦过程中的刮屑量。
为了实现前述目的，根据本发明另一方面的另一种接触探头(在本“发明内容”部分中被称作第二种接触探头)包括(a)一个末端部，其与对象表面发生接触；(b)一个支撑部，其支撑其他部分并执行电连接操作；以及(c)一个弹性部，其将末端部连接到支撑部上。
该第二种接触探头的末端部包括(a)一个第一角部，其设置于末端部的一个侧面处(下文中被称作第一侧面)，并且以第一曲率半径倒圆；以及(b)一个第二角部，其设置于末端部的相对侧面处(下文中被称作第二侧面)，在末端部末端、在连接点处连接于第一角部上，并且以不同于第一曲率半径的第二曲率半径倒圆。
在该第二种接触探头中，末端部、支撑部、弹性部被构造成在支撑部固定到一个检查设备上并且当末端部被压在对象表面上时，弹性部由压力产生的弹性变形可以以第一侧面在前的方式移动末端部，同时保持末端部与对象表面之间的接触。这种结构能够形成如下的接触探头，该接触探头在两个刮擦动作(一个是通过将末端部压在对象表面上的刮擦，而另外一个是在从对象表面上分离过程中的刮擦)中之一的过程中，将对象表面的绝缘层去除，以便确保电接触，并且减少在所述另外一个刮擦动作中的绝缘层去除量。
在该第二种接触探头中，第二曲率半径可以大于第一曲率半径。这种结构能够形成如下的接触探头，该接触探头在通过压力进行刮擦的过程中充分地去除对象表面上的绝缘层，并减少在分离时的刮擦过程中的去除量。
在该第二种接触探头中，第一侧面可以设置有一个邻接第一角部的抑制部。该抑制部将由第一角部形成一个凸起部压靠在对象表面上。(如果该凸起部生长和剥落，那么将成为刮屑。)这种结构能够在确保与第一角部电接触的同时防止由第一角部形成的凸起部生长。因此，可以解决由于刮屑粘附所导致的问题。
在该第二种接触探头中，在第一侧面处的抑制部可以包括至少一个与对象表面对置的抑制面。这种结构能够使抑制面朝向对象表面推开所述凸起部，即使当凸起部的生长方向发生某种程度变化时亦如此。换句话说，这种简单结构能够可靠地抑制凸起部的生长。
在该第二种接触探头中，第一侧面处的抑制部可以包括多个前述抑制面，它们以阶梯状结构的形式连接。这种结构能够使得抑制面中的一个发挥作用，即使当末端部朝向第一侧面的初始倾斜度大至某种程度时亦如此。换句话说，这种结构能够形成如下的接触探头，该接触探头抑制由末端部初始倾斜度的变化而产生的负面影响。
该第二种接触探头可以具有下述特征(a)第一曲率半径大于第二曲率半径；(b)第二侧面设置有邻接第二角部的抑制部；以及(c)抑制部将由第二角部形成的凸起部压在对象表面上。
这种结构能够使接触探头通过在末端部从对象表面上分离时进行刮擦来确保电接触，而并非通过在将末端部压靠在对象表面上时进行刮擦来确保电接触。这种接触探头可以抑制凸起部在从对象表面分离时的刮擦过程中生长。
在该第二种接触探头中，在第二侧面处的抑制部可以包括一个与对象表面对置的抑制面。在这种结构中，在从对象表面分离时的刮擦过程中产生的凸起部会被抑制面推向对象表面。换句话说，这种简单结构能够可靠地抑制凸起部的生长。
为了实现前述目的，根据本发明的再一种接触探头(在本“发明内容”部分中被称作第三种接触探头)包括一个末端部，用于与待测量对象上的球形电极发生接触。该末端部在其末端设置有一个凹槽，用于允许球形电极进入该凹槽内，以便使得该末端部可以与球形电极发生接触。所述凹槽设置有(a)一个底部，其通过与球形电极接触来限制末端部朝向球形电极运动；(b)两个倾斜侧壁；以及(c)至少一个从倾斜侧壁之一上突伸出来的突起，用以刮擦球形电极，从而实现与球形电极接触。
这种结构能够形成如下的接触探头，该接触探头确保测量所需的电连续性，这是因为当接触探头被压在球形电极上时，该突起或每个突起会咬住球形电极，如用于BGA封装的球形电极，的侧部，从而去除电极表面上的绝缘层。在这种情况下，凹槽的底部与球形电极的最下部接触，以便防止该突起或每个突起过度咬入电极内。结果，接触探头可以避免在相邻电极之间由于毛刺过大而造成的短路现象。这种接触探头还可以避免由于过度咬入而使得该突起或者每个突起锁死在电极中。
在该第三种接触探头中，该突起或每个突起可以被设置在这样一个位置处，即该位置在从点O至点A的观看方向上朝侧面偏移至少为45度且至多为90度的角度，其中，点O是凹槽开口的中心，而点A是凹槽底部的中心。这种结构能够形成如下的接触探头，该接触探头仅在球形电极上刮刨一个合适的距离，由此防止爆米花现象。
在第三种接触探头中，该突起或者每个突起的高度(从根部至尖端)至多为球形电极半径的1/4。在这种结构中，由该突起或者每个突起咬入球形电极的深度可以被限制在一个特定程度。结果，这种结构可以避免相邻电极之间由于毛刺过大而短路。
在该第三种接触探头中，接触探头还可以包括(a)一个支撑部，其支撑其他部分并且执行电连接操作；以及(b)一个弹性部，其将末端部连接到支撑部上。
在这种情况下，末端部、支撑部以及弹性部可以形成为一个整体结构。这种结构能够使得接触探头容易地通过LIGA工艺以高精度制造。
图1是放大的平面图，示出根据本发明第一实施例的接触探头的第一示例的末端部；图2是放大的平面图，示出根据本发明第一实施例的接触探头的第二示例的末端部；图3是透视图，示出根据本发明的第一实施例的接触探头的第二示例；图4是放大的平面图，示出根据本发明第二实施例的接触探头的末端部；图5是放大的平面视图，示出根据本发明第三实施例的接触探头的末端部；图6是示出在没有抑制部的角部附近发生的现象的第一示意图；图7是示出在没有抑制部的角部附近发生的现象的第二示意图；图8是示出在具有抑制部的角部附近发生的现象的第一示意图；图9是示出在具有抑制部的角部附近发生的现象的第二示意图；图10是示出根据本发明第四实施例的接触探头的末端部的放大的平面图；图11是示出根据本发明第五实施例的接触探头的末端部的放大的平面图；图12是示出根据现有技术的接触探头的第一示例的示意图；图13是示出根据现有技术的接触探头的第二示例的示意图；图14是示出根据现有技术的接触探头的末端部的放大的平面视图；图15是示出根据现有技术的接触探头的功能的第一示意图；图16是示出根据现有技术的接触探头的功能的第二示意图；图17是示出根据现有技术的接触探头的功能的第三示意图；图18是示出根据现有技术的接触探头的末端部的进一步放大的平面视图；图19是示出根据本发明第六实施例的第一种接触探头的透视图；图20是示出根据本发明第六实施例的第一种接触探头的末端部的经放大的平面视图；图21是示出利用根据本发明的第六实施例中的第一种接触探头穿过焊球进行测量的情况的横截面图；图22是示出被设想为第六实施例的对比例的接触探头的工作状况的第一示意图；图23是示出被设想为第六实施例的对比例的接触探头的另一种工作状况的第二示意图；图24是示出利用被设想为第六实施例的对比例的接触探头进行测量时相邻毛刺发生接触的情况的示意图；图25是示出根据本发明的第六实施例的第二种接触探头的末端部的经放大的平面图；图26是示出利用根据本发明的第六实施例的第二种接触探头穿过焊球进行测量的情况的横剖视图；图27是示出根据本发明第六实施例的第一种接触探头的卡爪的位置的示意图；图28示出一个普通的BGA封装的正视图；图29是示出现有技术中用于球形对象表面的第一种接触探头的应用示例的示意图；图30是示出利用现有技术中用于球形对象表面的第一种接触探头进行测量之后的焊球的横剖视图；图31是示出在利用现有技术中用于球形对象表面的第一种接触探头进行测量之后利用焊球进行焊接操作的情况的横剖视图；图32是示出现有技术中用于球形对象表面的第二种接触探头的应用示例的第一示意图；图33是示出现有技术中用于球形对象表面的第二种接触探头的应用示例的第二示意图；图34是示出了现有技术中用于球形对象表面的第三种接触探头的应用示例的第一示意图；图35是示出现有技术中用于球形对象表面的第三种接触探头的应用示例的第二示意36是示出在利用现有技术中用于球形对象表面的第三接触探头进行测量时焊球被推入圆柱形末端部之内的情况的横剖视图。
具体实施例方式
图18是传统接触探头的末端部1的经放大视图。在接触平面10与该接触平面10每端处的斜面15之间的边界形成一个角部16。在传统接触探头中，角部16的形状和尺寸较为随意(are determined without paying muchattention)。不考虑用于在末端部1压靠在对象表面上时进行刮擦的移动方向，角部16对称成形。另一方面，本发明人仔细地考虑了角部的尺寸并且完成了本发明。
第一实施例(结构)下面将参照图1对在根据本发明的第一实施例中的接触探头进行阐述。图1是末端部1的放大视图。在这种接触探头中，第一斜面11指的是在通过将接触探头用力压到对象表面上而为了执行刮擦而末端部1移动时在前移动的斜面。如图1所示，第一斜面11位于接触平面10的左手侧。相对的斜面被称作第二斜面12。接触平面10的一个端部通过其连接在第一斜面11上的角部13具有与接触平面10的另一端部通过其连接在第二斜面12上的角部14的曲率半径不同的曲率半径。正如可以从图1中看到的那样，角部14的曲率半径R2大于角部13的曲率半径R1。
(功能和效果)如前所述，与利用压力进行刮擦的侧面相对的侧面具有一个角部，该角部的曲率半径大于另一侧角部的曲率半径。因此，当这种接触探头被使用时，对象表面可以在利用压力进行刮擦的过程中得以充分刮刨，以便确保电连续性，并且可以减少在将接触探头从对象表面上分离同时的刮擦过程中的刮刨量。因此，可以减少粘附到末端部上的刮屑量。从而，这种结构可以增加接触探头无需清理连续使用的次数。
如前所述，可以抑制在将接触探头从对象表面上分离时的刮擦过程中刮痕的形成。因此，这种结构可以减小在每次测量过程中形成于电极表面上的刮痕长度，由此降低在后续焊接步骤中出现不良连接的次数。
尽管图1中所示曲率半径的差异会带来一些效果，但是这种差异可以增大。图2示出了差异增大的一种示例。图3示出了具有前述末端部1的接触探头的总体视图。如图2中所示增大的差异增强了刮屑粘附量以及在分离时的刮擦过程中的刮痕形成的减少效果。本发明人发现，当角部14的曲率半径至少为角部13曲率半径的两倍时，效果得以增强。此外，当R1至少为0.1微米并至多为5微米时，效果明显。尤其是，当R1至少为0.5微米并至多为3微米时，效果更为明显。当由每个角部13和14形成的夹角至少为90度并至多为170度时，效果显著。如果夹角大于170度，那么刮屑趋于积聚在末端部与对象表面之间，由此降低可靠性。
由角部13与14形成的夹角可以相同或者不同。接触探头可以利用LIGA工艺作为一个整体结构制造。因此，可以通过改变掩膜图案来自由地调制末端部的角部的曲率半径和夹角。
第二实施例(结构)下面将参照图4对根据本发明的第二实施例的接触探头进行阐述。图4是末端部1的放大视图。在通过将接触探头压靠在对象表面上进行刮擦操作的过程中，末端部1在图4中向左移动。在下文中，沿该方向在前移动的侧面被称作“第一侧面”，而相对侧(图4中的右手侧)被称作“第二侧面”。因此，第二侧面代表了在将接触探头从对象表面上分离时的刮擦过程中在前移动的侧面。
如图4中所示，接触探头的末端部1没有在第一实施例中描述的接触平面10(参见图1和2)。末端部1具在第一侧面具有作为第一角部的角部13(从点B至点D)并在第二侧面具有作为第二角部的角部14(从点B至点C)。
角部13和14具有不同的曲率半径。角部13的曲率半径为r，而角部14的曲率半径为R。正如可以从图4中看到的那样，R大于r。R的大小被确定为不会在预期接触力的作用下产生刮屑，而r的大小被确定为能够通过在预期接触力下刮擦对象表面来确保电接触。角部14的曲率中心被表示为点O。第一斜面11在点D处连接到角部13上，而第二斜面12在点C处连接到角部14上。
在这种接触探头中，在与对象表面发生接触之前最接近该对象表面的点被称作初始最低点A。初始最低点A位于角部13的某些中点位置处，也就是说接触点B与点D之间的某些位置处。当支撑部3被固定到检查设备上并且接触探头垂直朝向对象表面下降时，初始最低点A首先与对象表面接触。接着，弹性部2的弹性变形使得整个末端部1沿着图4中的顺时针方向发生倾斜。结果，末端部1与对象表面的接触中心偏移到一个受压最低点，该受压最低点略微从初始最低点A向右偏移。在这种状况下，末端部1以第一侧面在前进行移动(朝向图4中左侧)，同时保持与对象表面接触，来执行刮擦操作。
所希望的是，受压最低点与连接点B重合。更具体地说，所希望的是当达到相对于对象表面的预期接触力时，夹角AOB的值φ等于末端部1的倾斜角度。其原因在于，当受压最低点与连接点B重合时，在通过将接触探头压靠在对象表面上而刮擦的过程中，整个角部13刮刨对象表面，由此有助于确保所需的电接触。
但是，在实际中末端部1的倾斜度会发生变化。考虑到这种变化，所希望的是受压最低点位于从连接点B至点C(包括点C)的范围内。更具体地说，当支撑部3到达最接近对象表面的位置时，也就是说当弹性部2弹性变形到最大程度时，夹角AOC的值Θ必须大于末端部1的最大倾斜角度。其原因在于如果末端部1由将其压靠在对象表面上的力而导致倾斜角度大于Θ，那么斜面12将与对象表面接触。结果，由于对象表面无法合适地得以刮刨而无法确保电接触。
(功能和效果)如前所述，第二实施例可以获得类似于第一实施例中获得的效果，因为与利用压力进行刮擦的侧面相对的侧面具有一个角部，该角部的曲率半径大于在相对侧的角部的曲率半径。
第三实施例下面将参照图5对根据本发明的第三实施例的接触探头进行阐述。图5是末端部1的放大视图。如第二实施例中所述的接触探头那样，这种接触探头具有最低点A、连接点B、作为第一角部的角部13、作为第二角部的角部14、第一斜面11、第二斜面12以及作为角部14的曲率中心的点O。但是，与第二实施例中的接触探头不同，第三实施例的这种接触探头在角部13与第一斜面11之间具有一个抑制部。该抑制部设置成抑制对象表面由角部13从对象表面上形成的凸起部。该抑制部从角部13朝向第一侧面延伸，并且包括一个与对象表面对置的抑制面41(从点E至点F)。抑制面距最低点A的高度h必须不超过可以防止凸起部延伸至抑制部外侧的限度。如果高度h过大，那么凸起部会在未正确压靠对象表面上的条件下延伸到外侧。如果高度h过小，那么由于末端部1的初始倾斜度沿着逆时针方向变化而会产生问题。更具体地说，如果这种变化量大至一定的程度，较大的初始倾斜度会导致抑制面41与第一斜面11之间的角部13d与对象表面发生接触，并且不希望地产生刮屑。高度h必须足够大，以便末端部1的初始倾斜度的变化不允许角部13d与对象表面发生接触，并且必须足够小，以防止由于角部13产生的凸起部延伸至外侧。
(功能和效果)下面将参照图6至9对抑制部的功能进行阐述。图6和7是示出当角部13上没有设置抑制部时该角部13附近的部分的放大视图。首先，末端部1以第一侧面在前(朝向图中左侧)向前行进，同时保持与对象表面20接触。如图6中所示，角部13刮刨对象表面20表层中的材料，形成一个凸起部23。凸起部23沿着由箭头44示出的方向受到挤压。如图7中所示，凸起部23沿着第一斜面11持续生长。当凸起部23生长至一定限度时，集中在凸起部23面对着角部13的根部处的应力会达到一个临界点，形成一个断裂区域46。在断裂之后，凸起部23变成刮屑并且会如同图16和17中示出的刮屑23那样粘附到末端部1的不希望粘附的部分上，导致产生问题。
另一方面，图8和9是示出当角部13上设置有抑制部时该角部13附近的部分的放大视图。首先，末端部1以第一侧面在前(朝向图中左侧)向前行进，同时保持与对象表面20接触。如图8中所示，角部13刮刨对象表面20表层中的材料，形成一个凸起部23。凸起部23首先沿着由箭头44示出的方向受到挤压。与图6和7中所示情况不同的是，抑制部的抑制面41设置成在生长的凸起部23前方的一个位置处与对象表面20对置。因此，凸起部23的前端部受到抑制面41的阻挡，并且如图9中箭头47所示那样被推向对象表面23。由于抑制面41的高度h(参见图5)足够小以便使得凸起部23不会延伸到外侧，所以凸起部23被压靠在对象表面20上，而不会进一步生长。由于凸起部23与末端部1接触的区域S被拓宽，所以应力被分散。由此，对凸起部23生长的抑制可以防止凸起部23作为刮屑粘附到末端部1上，从而避免产生问题。
正如可以从图5中看到的那样，第三实施例中的接触探头不仅可以获得与第二实施例中相同的效果，而且因为在角部13与第一斜面11之间设置有包括抑制面41的抑制部而可以抑制凸起部的生长。结果，可以解决迄今为止未能解决的由刮屑带来的问题。
第四实施例
(结构)下面将参照图10对根据本发明的第四实施例的接触探头进行阐述。图10是末端部1的放大视图。如同在第三实施例中所述的接触探头那样，这种接触探头具有最低点A、连接点B、作为第一角部的角部13、作为第二角部的角部14、第一斜面11、第二斜面12以及作为角部14的曲率半径中心的点O。还有，其在角部13与第一斜面11之间具有一个抑制部。但是，与其抑制部仅包括一个抑制面41的第三实施例中的接触探头不同的是，第四实施例的抑制部包括多个抑制面41a、41b和41c，它们以阶梯状结构连接。在抑制面41a与41b之间设置一个角部13a，在抑制面41b与41c之间设置一个角部13b。在抑制面41c与第一斜面11之间设置一个角部13c。抑制面41a、41b和41c的长度分别为L1、L2和L3。它们的关系被表示为L1＞L2＞L3。
尽管在这种情况下抑制部包括三个抑制面，但是抑制面的数目可以改变。
(功能和效果)如前所述具有多个抑制面的结构可以形成这样一种接触探头，即不仅具有在第三实施例中获得的效果，而且能够抑制由末端部的初始倾斜度发生变化而带来的负面影响。下面将参照图10对这种工艺进行阐述。
在一种理想状态下，末端部1的初始倾斜度为零，并且对象表面20首先在最低点A处以线AX所示的姿态与末端部1接触。在压力使末端部沿着顺时针方向略微倾斜之后，角部13刮刨对象表面20。在抑制面41a抑制凸起部生长的同时，末端部1以第一侧面在前(朝向图10中的左侧)进行移动。
在图10中，线HG是角部13和13a的共同切线，而α指代由线HG与AX形成的夹角。线IJ是角部13a和13b的共同切线，而β指代由线IJ与AX形成的夹角。线MN是角部13b和13c的共同切线，而γ指代由线MN与AX形成的夹角。
如果末端部1在逆时针方向上的初始倾斜度小于α，那么对象表面20将不会与角部13a接触。因此，角部13刮刨对象表面20，并且抑制面41a可以抑制凸起部的生长。
如果末端部1在逆时针方向上的初始倾斜度为α或更大但小于β，那么对象表面20将与角部13a接触但是不与角部13b接触。因此，角部13a刮刨对象表面20，并且抑制面41b可以抑制凸起部的生长。
如果末端部1在逆时针方向上的初始倾斜度为β或者更大但小于γ，那么对象表面20将与角部13b接触但是不与角部13c接触。因此，角部13b刮刨对象表面20，并且抑制面41c可以抑制凸起部的生长。
如果末端部1在逆时针方向上的初始倾斜度为γ或者更大，那么对象表面30将与角部13c接触。因此，角部13c刮刨对象表面20，并且无法抑制凸起部的生长。
如前所述，当所述抑制部仅有一个抑制面41a时，凸起部的生长仅在末端部1在逆时针方向上的倾斜度小于α时受到抑制。相反，当抑制部具有三个抑制面时，能够抑制凸起部生长的角度可以扩展至γ。换句话说，通过形成阶梯状结构来增加抑制面的数目，能够使得所形成的接触探头更为有效地抑制由于末端部在逆时针方向上的初始倾斜度的变化而带来的负面影响。
第五实施例(结构)下面将通过参照图11对根据本发明的第五实施例的接触探头进行阐述。图11是末端部1的放大视图。在通过将接触探头压在对象表面上而进行刮擦的过程中，这种接触探头也以“第一侧面”在前的方式朝图11的左侧移动。在将接触探头从对象表面上分离时而进行刮擦的过程中，这种接触探头以“第二侧面”在前的方式朝图11的右侧移动。这种接触探头设计成在从对象表面上分离时的刮擦过程中确保电接触，而并非在将接触探头压靠在对象表面上时而进行刮擦操作过程中确保电接触。
这种接触探头具有末端部1，该末端部1设置有作为存在于第一侧面的第一角部的角部17(从点B至点C)和作为存在于第二侧面的第二角部的角部18(从点B至点D)。角部17和18在连接点B处相互连接。
角部17和18具有不同的曲率半径。角部17的曲率半径为R，而角部18的曲率半径为r。正如可以从图11中看到的那样，R大于r。角部17的曲率中心被表示为点O。一个第一斜面11在点C处连接在角部17上，而一个第二斜面12被连接在角部19上。在角部19与角部18端部处的点D之间设置有一个抑制面41。
在这种接触探头中，在与对象表面发生接触之前最接近对象表面的点被称作初始最低点A。该初始最低点A位于角部17的某些中间点处，也就是说连接点B与点C之间的某些位置处。当支撑部3固定到一个检查设备上，并且当接触探头朝向对象表面垂直下降时，初始最低点A首先与对象表面接触。接着，弹性部2的弹性变形使得整个末端部1在图11的顺时针方向上倾斜。结果，末端部1与对象表面的接触中心会偏移至受压最低点，该受压最低点略微从初始最低点A向右偏移。在这种状况下，末端部1以第一侧面在前(朝图11中左侧)的方式移动，同时保持与对象表面接触，来执行刮擦操作。但是，具有曲率半径R的角部17不会产生任何刮屑。
另一方面，当接触探头从对象表面20上分离时，末端部1会以第二侧面在前(在图11中朝向右侧)的方式移动，同时利用角部18刮擦对象表面20。如前所述，抑制面41设置在角部18右侧的第二侧面中。由角部18产生的凸起部被抑制面41压靠在对象表面20上，并且其生长受到抑制。抑制面41距连接点B的高度h必须不超过可以防止凸起部延伸至抑制部外侧的限度。如果高度h过大，那么凸起部会延伸至外侧，而未正确地压靠在对象表面上。
由这两条线产生夹角Ψ一条是角部18和19的共同切线，另外一条是当对象表面20与角部17在最低点A处发生接触时的对象表面20。当抑制部3到达最接近对象表面的位置时，也就是说当弹性部2弹性变形到最大程度时，夹角Ψ必须大于末端部1的最大倾斜角度。其原因在于如果末端部1由将末端部1压靠在对象表面上的力以大于Ψ的角度倾斜，那么角部19将与对象表面20发生接触，刮擦对象表面20。
所希望的是，受压最低点与连接点B重合。更具体地说，所希望的是当相对于对象表面达到预期的接触力时，夹角AOB的大小Φ等于末端部1的倾斜角度。其原因在于当受压最低点与连接点B重合时，在将接触探头从对象表面上分离时刮擦会在如下状态下开始，即允许整个角部18刮擦对象表面的状态。这种状况在确保所需电接触方面是有益的。
(功能和效果)如前所述，在第五实施例中的结构能够形成如下的接触探头，该接触探头不仅能够在从对象表面上分离时的刮擦过程中而并非在将接触探头压靠在对象表面上而进行刮擦的过程中确保电接触，而且能够抑制在分离时的刮擦过程中的凸起部生长现象。
前面针对如下结构解释了第二实施例至第五实施例，该结构中，第一角部和第二角部由连接点B而并非由第一实施例中所述的接触平面10(参见图1)连接。尽管如此，接触平面10可以在不改变第二至第五实施例的构思的条件下取代连接点B。
第六实施例(结构)下面将参照图19和20对根据本发明的第六实施例的接触探头进行阐述。如图19中所示，接触探头80包括一个末端部51、一个弹性部52以及一个支撑部53。末端部51设置成与具有球形电极的对象接触，比如带有焊球的对象。末端部51的形状在下面予以详细阐述。末端部51通过弹性部52被连接在支撑部53上。接触探头80利用“lithographie galvanformungabformung”(LIGA)工艺制成一个整体结构。用于形成接触探头的LIGA工艺例如在已公开的日本专利申请特开2001-343397中予以阐述。根据该工艺，接触探头通过下述步骤制造。在基片的表面上成形一个抗蚀层。利用光刻技术对所述抗蚀层进行处理，以便具有预期图案。在抗蚀层被去除的区域通过电镀技术形成一个金属层。最终，金属层部分与其它部分分离开，以获得接触探头。当通过这种工艺进行制取时，接触探头具有如下形状，其中，如图19中所示，特定的平整图案具有近乎均匀的厚度。因此，如此制取的接触探头具有末端部51和支撑部53，二者均基本上呈矩形实体形状而并非利用机械方式常规制取的圆柱形状。
图20是示出图19所示接触探头80上的末端部51的放大的平面视图。该末端部51在其末端具有一个凹槽60。该凹槽60的形状为倒置的等边梯形，在其最内侧部分具有一个平整底部61。底部61设置成与待测量对象的球形电极接触，从而可以限制末端部51朝向电极的运动。换句话说，底部61作用为一个止挡装置。从凹槽60的每个倾斜侧壁上均突伸出一个卡爪62。当接触探头80利用LIGA工艺成形时，卡爪62可以被制成所述整体结构的一部分。
(功能和效果)下面将参照图21对接触探头80的功能进行阐述。图21示出其中接触探头80与作为球形电极的焊球72形成电接触的情况，所述焊球72被置于BGA组件71下表面上。当末端部51沿着由箭头所示方向受压时，凹槽60允许焊球72进入其中，导致卡爪62咬入焊球72内。在这种情况下，焊球72的运动受到底部61的限制，从而可以将卡爪62咬入的深度限制为一个特定的值。
在此，作为接触探头80的一个对比例，设想到一种接触探头，这种接触探头没有设置用作止挡装置的前述底部61。例如，图22示出了一个接触探头103，其设置有固定的杆状或者板状构件，在这些构件的上端部处具有相互面对的卡爪112。随着接触探头103如图22中箭头所示那样朝向焊球72向前移动，卡爪112会咬入焊球72内。在这种情况下，缺乏用作止挡装置的底部61会产生如下的情况，在该情况下卡爪112咬入的深度仅仅取决于接触探头103的前移距离。结果，卡爪112趋于过度咬入焊球72内。还有，如图23中所示，卡爪112通过用卡爪112的上侧压焊球72的侧部而非戳入焊球72内而导致焊球72变形。因此，易于形成毛刺75。即使在接触探头103从焊球72上分离之后，毛刺75仍旧保持它们的形状。如果剩余毛刺75大至一定的程度，那么以较小间距排布的焊球72上的相邻毛刺75有可能如图24中所示那样相互发生接触，导致短路问题。
另一方面，参照图19至21描述的接触探头80设置有末端部60，该末端部60具有用作止挡装置的底部61。底部61可以防止卡爪62过度咬入焊球72内。因此，即使产生了毛刺，它们的尺寸也有限，从而可以避免短路现象。
如前所述，卡爪62设置在凹槽60的侧壁上而并非底部61上。随着末端部51向前移动，卡爪62刮擦焊球72，去除表面上的绝缘层并且与焊球72接合。换句话说，卡爪62可以执行刮擦操作来确保电连续性。因此，不会在焊球72上的最下部形成凹坑，而是会在略微朝向侧部偏移的地方形成凹坑。因此，这种结构可以避免由于凹坑所导致的“爆米花”现象。
对于末端部上的凹槽的形状，图19至21中示出的凹槽60近乎呈梯形，带有平的底部和平的斜面。但是，所述形状并不局限于此。例如，可以采用如图25中所示的弧形凹槽60h。在这种情况下，如图26中示出的那样，凹槽60h的最低部(称作61h)用作止挡装置。
在前述说明中，不考虑其形状，凹槽具有两个双边对称的卡爪62。尽管如此，其可以具有非对称排布的卡爪。此外，卡爪的数目没有限制，只要至少设置一个卡爪。
接下来，将参照图27对卡爪62在凹槽60中的位置进行阐述。作为突起的卡爪62的位置可以被表示为位置B，该位置B在从由点O至点A的观看方向上朝向侧部偏移一个角度θ，其中点O是凹槽60的开口中心，而点A是底部61的中心。在这种情况下，为每个卡爪建立一个转动坐标，使得正值θ赋予每个卡爪。本发明人发现当角度θ至少为45度并且至多为90度时，可以获得令人满意的结果。如果角度θ小于45度，那么卡爪62会在焊球72上的最低位置附近咬入焊球72内，导致有可能存在爆米花现象。如果角度θ大于90度，那么卡爪62会在焊球72上刮擦不必要的距离。相反，当角度θ至少为45度并且至多为90度时，焊球72可以刮擦合适的距离，并且可以防止出现薄米花现象。
此外，本发明人还发现，当作为突起的卡爪62的高度H(从根部至尖端部)至多是作为对象球形电极的焊球72的半径的1/4时，可以最为有效地防止出现毛刺。如果高度H大于焊球72的半径的1/4，那么由卡爪咬入焊球的深度会过度增加，导致毛刺问题。相反，当高度H小于焊球72的半径的1/4时，可以抑制毛刺问题的发生。
在前面通过参照图27中示出的梯形凹槽60对卡爪的位置和高度进行了阐述。同样的阐述不仅可以应用于如图25中示出的弧形凹槽60h，而且可以应用于具有其它形状的凹槽。
与通过机械加工形成的传统接触探头不同，利用LIGA工艺制成整体结构的接触探头的优点在于，无需考虑卡爪的数目，可以在卡爪的位置、方向、高度方面以较高精度方便地制造。
在本说明书中公开的实施例应该在所以方面均被看作例证目的，而并非限制性的。本发明的保护范围由所附的权利要求而并非由前面的描述加以明示。因此，落入权利要求的含义和等效范围内的所有变型均被认为包含在本发明的保护范围之内。
工业实用性本发明的接触探头设置有一个具有两个角部的末端部。与在通过压力作用而进行刮擦操作的过程中在前移动的角部相对的角部的曲率半径大于前者的曲率半径。因此，在由压力进行的刮擦操作充分地去除对象表面的表层以确保电接触的同时，可以减少在分离时的刮擦去除的量。最终，这种接触探头可以使得刮屑的产生最少，并且减小在对象表面上的刮痕。
本发明中另外一种用于球形电极的接触探头设置有一个具有凹槽的末端部。该凹槽设置有一个特定的突起和一个底部。所述突起咬入一个球形电极，比如用于BGA组件中的球形电极，的侧部之内，来去除该电极表面上的绝缘层。由此，可以确保用于进行测量所需的电连续性。凹槽的底部用于与球形电极的最下部发生接触，来限制末端部的运动，由此防止所述突起过度咬入电极内。最终，这种接触探头可以避免在相邻电极之间由于毛刺过大而发生短路现象。这种接触探头还可以避免所述突起由于过度咬入而锁死在电极中。
权利要求
1.一种接触探头，包括末端部，用于与待测定面接触；以及支撑部，用于支撑并且进行电连接；以及弹性部，将所述末端部连接到所述支撑部上；所述末端部还包括接触平面，该接触平面设置于末端部的末端处，用以与所述待测定物面接触；第一倾斜面以及第二倾斜面，其是夹着所述接触平面而设置的倾斜面；所述末端部、所述支撑部以及所述弹性部被构造成，当固定所述支撑部之后所述接触平面压靠在所述待测定面时，通过所述弹性部产生的弹性变形，在保持所述接触平面与所述待测定面接触的同时，移位到从所述接触平面观察到的所述第一倾斜面一侧；所述第一斜面与接触平面之间的夹角至少为90度并且至多为170度；所述第二斜面与接触平面之间的夹角至少为90度并且至多为170度；所述第一斜面与接触平面之间的夹角部以第一曲率半径倒圆；所述第二斜面与接触平面之间的夹角部以大于第一曲率半径的第二曲率半径倒圆。
2.如权利要求1所述的接触探头，其中，第二曲率半径为第一曲率半径的两倍以上。
3.如权利要求1或2所述的接触探头，其中，第一曲率半径至少为0.1微米并且至多为5微米。
4.一种接触探头，包括末端部，用于与待测定面接触；以及支撑部，用于支撑并且进行电连接；以及弹性部，将所述末端部连接到所述支撑部上；所述末端部、所述支撑部以及所述弹性部被构造成，当固定所述支撑部之后所述接触平面压靠在所述待测定面时，通过所述弹性部产生的弹性变形，在保持所述接触平面与所述待测定面接触的同时，移位到第一侧；所述末端部，在其末端处中间介有连接点而相邻具有，设置在所述第一侧上的第一角部，以及设置在与所述第一侧为相反侧的第二侧上的第二角部；所述第一角部以第一曲率半径倒圆；所述第二角部以不同于第一曲率半径的第二曲率半径倒圆。
5.如权利要求4所述的接触探头，其中，第二曲率半径大于第一曲率半径。
6.如权利要求5所述的接触探头，其中，从所述第一角部观察所述第一侧上具有抑制部，该抑制部将由第一角部产生的切屑压靠在所述待测定面上。
7.如权利要求6所述的接触探头，其中，所述抑制部包括朝向所述第一侧延伸，并与所述待测定面相对的抑制面。
8.如权利要求7所述的接触探头，其中，所述抑制部包括多个阶梯状的所述抑制面。
9.如权利要求4所述的接触探头，其中第一曲率半径大于第二曲率半径；从所述第二角部观察所述第二侧上具有抑制部，该抑制部将由第二角部产生的切屑压靠在所述待测定面上。
10.如权利要求9所述的接触探头，其中，所述抑制部包括朝向所述第二侧延伸，并与所述待测定面相对的抑制面。
11.一种接触探头，包括用于与具有球形电极的被测定物接触的末端部；所述末端部在其末端设置有凹槽，用于允许球形电极进入该凹槽内，从而使得末端部可以与球形电极接触；所述凹槽设置有底部，该底部通过与球形电极接触来限制所述末端部朝向球形电极的移位；至少一个设置在侧壁上的突起，以刮擦并接触所述球形电极。
12.如权利要求11所述的接触探头，其中，所述突起设置于在从所述凹槽开口的中心到所述凹槽底部的中心的观察方向上，朝向侧部偏移至少为45度并且至多为90度的角度的位置处。
13.如权利要求11或12所述的接触探头，其中，所述突起从根部至尖端部的高度至多为球形电极半径的1/4。
14.如权利要求11～13中任一项所述的接触探头，其还包括支撑部，用于支撑以及电极取出；以及弹性部；所述末端部通过所述弹性部与所述支撑部连接；所述末端部、弹性部以及支撑部一体地形成。
全文摘要
一种接触探头，包括一个用于与待测量的表面接触的末端部、一个用于支撑和电连接的支撑部、以及一个用于将末端部连接到支撑部上的弹性部。在压接触同时进行刮擦的过程中的末端部后侧上的角部的曲率半径小于在前侧上的角部的曲率半径。在刮擦过程中，待测量的表面的绝缘膜可以被充分去除，同时确保电连接。此外，在探头从表面上移去时可以减少刮屑粘附，并且也可以减小在表面上的刮痕。本发明的接触探头在末端部的凹槽内具有预定的突起和底部。突起破开待测量的弯曲表面的绝缘膜，以确保电接触。凹槽的底部与待测量的对象接触，由此防止突起过渡咬入。
文档编号G01R1/067GK1496482SQ0280627
公开日2004年5月12日 申请日期2002年10月10日 优先权日2001年12月25日
发明者羽贺刚, 岛田茂树, 木村淳, 树 申请人:住友电气工业株式会社