用于半导体集成电路的具有阶梯环的测试插座和探针的制作方法

1.本发明涉及一种用于半导体集成电路的测试插座，具体地涉及一种具有接触探针的测试插座，该接触探针具有阶梯环，以限制探针在使用时在插座中的横向移动。


背景技术：

2.半导体集成电路(ic)以各种封装或芯片配置生产，包括例如在许多ic应用中常见的并且大量生产的四方扁平无引线(qfn)封装。任何数量的ic的生产通常包括以模拟最终用户对那些ic的应用的方式来测试ic。测试ic的一种方式是将每个ic连接到印刷电路板(pcb)，该印刷电路板执行ic的触点和各种功能。pcb有时被称为负载板，并且可以被重新用于测试许多ic。能够进行这种测试的负载板的基本部件是用于ic的测试插座，其能够被重复使用多次以测试大量的ic。测试插座将ic电连接和机械连接到负载板。测试插座可以被重新使用的程度通过它可以承受多少“循环”而不降低性能(例如信号性能)来量化。每次将ic插入或设置到测试插座中时，称为一个循环。
3.通常，在许多循环的过程中，由于例如氧化、磨损、压缩、拉伸或其它形式的磨损，测试插座的触点和结构的电气和机械特性开始退化。这种退化最终影响测试本身的完整性，在该点处，测试插座达到其使用寿命的终点。例如，至少一些已知的测试系统包括柱塞，该柱塞自由地延伸出测试插座以接触ic。在许多循环的过程中，与ic的重复接合可能导致柱塞弯曲，从而导致不良的信号连接和/或使系统不能操作。因此，需要在长寿命周期内保持良好的电和机械性能的测试插座。


技术实现要素：

4.在一个方面，提供了一种接触探针。该接触探针包括壳体，所述壳体具有第一端和相对的第二端。所述壳体在其中限定有内部腔室和延伸穿过所述第一端和所述第二端的纵向轴线。所述接触探针还包括柱塞，所述柱塞部分地接收在所述内部腔室中并从所述第一端纵向向外延伸。所述柱塞包括用于将接触探针电连接至外部芯片的尖端。所述接触探针还包括联接到所述壳体的阶梯环。所述阶梯环包括第一阶梯和第二阶梯。第二阶梯围绕所述壳体延伸，第一阶梯在所述第二阶梯和所述尖端之间围绕所述柱塞纵向延伸。
5.在另一方面，提供了一种电连接器组件。该电连接器组件包括插座主体和接触探针，插座主体包括颈部和中心部分，所述中心部分在插座主体内延伸并且在其中配合地限定有腔室，接触探针至少部分地定位在所述腔室内。接触探针包括壳体，该壳体包括第一端和相对的第二端。所述壳体在其中限定有内部腔室和延伸穿过所述第一端和所述第二端的纵向轴线。接触探针还包括柱塞，柱塞部分地接收在所述内部腔室中并从第一端纵向向外延伸。柱塞包括用于将接触探针电连接至外部芯片的尖端。接触探针还包括联接到壳体的阶梯环。该阶梯环包括尺寸与所述颈部对应的第一阶梯和尺寸与所述中心部分对应的第二阶梯。
6.在又一方面，提供了一种形成接触探针的方法。该方法包括提供包括壳体，所述壳
体包括第一端和相对的第二端。所述壳体在其中限定有内部腔室和延伸穿过所述第一端和所述第二端的纵向轴线。该方法还包括将柱塞至少部分地定位在所述内部腔室中。所述柱塞从第一端纵向向外延伸至用于将接触探针电连接至外部芯片的尖端。所述方法还包括将阶梯环联接到壳体。阶梯环包括第一阶梯和第二阶梯。第二阶梯围绕壳体延伸，第一阶梯在第二阶梯和尖端之间围绕柱塞纵向延伸。
附图说明
7.图1是示例性ic测试系统的分解立体图；
8.图2是图1的测试系统的截面图，示出了从测试系统断开的ic；
9.图3是图1的测试系统的截面图，示出了连接到测试系统的ic；
10.图4是图1的测试系统中使用的弹簧探针的立体图；
11.图5是图4所示的弹簧探针的分解图；以及
12.图6是图4所示的弹簧探针的截面图。
具体实施方式
13.本发明测试插座的实施方式提供了具有阶梯保持环的弹簧探针。本发明的测试插座配置成接收扁平无引线ic封装(flat no-leads ic package)，例如qfn ic，并且包括在ic和负载板(例如pcb)之间提供电连接的探针。为了使负载板与被测ic接合，将ic降低到测试插座上，从而与在ic和负载板之间延伸的弹簧探针形成连接。每个弹簧探针包括接触柱塞，ic被降低到接触柱塞上以进行测试。阶梯环围绕柱塞的至少一部分以将柱塞对准在用于与ic连接的位置并限制柱塞的横向位移，该横向位移可能在重复的循环中产生。本文所述的测试插座还允许在使用期间将弹簧探针与测试插座隔开，从而总体上减少了弹簧探针由于与测试插座接触而产生的磨损，并改善了信号性能。
14.图1是用于测试半导体ic芯片102的示例测试系统100(在此可替换地称为“电连接器组件”)的分解立体图。ic芯片102是一个或多个电子电路，其被封装到单个半导体芯片中，该单个半导体芯片通常包括多个接触焊盘104(图2)，用于将信号传导到封装内的电路以及从封装内的电路传导信号。测试系统100包括插座主体106，插座主体106限定有多个第一腔室108。测试系统100还包括插座保持器110，插座保持器110限定有多个第二腔室112。插座保持器110构造成利用在插座主体106和插座保持器110的腔室之间延伸的弹簧探针114(在此广泛地称为“接触探针”)而联接到插座主体106。特别地，多个第二腔室112中的每一个第二腔室与多个第一腔室108中的相应一个第二腔室相对应地定位，从而当插座保持器110连接到插座主体106时，相应的第一腔室108和第二腔室112共同限定了容纳弹簧探头114的连续内部腔室116(图2)。在其它实施方式中，测试系统100包括连接在插座保持器110和插座主体106之间的一个或多个附加层(未示出)。这种附加层在美国专利8,758,066中有更充分的描述，其内容通过引用整体结合到本文中。在示例性实施方式中，插座主体106由铝制成，但是在其他实施方式中，可以使用其他合适的材料。
15.图2是图1所示的示例性测试系统100的一部分处于第一位置的截面图，其中ic芯片102不与弹簧探针114接触。图3是图2所示的示例性测试系统100的一部分处于第二位置的截面图，其中弹簧探针114连接到ic芯片102。在图2和图3的截面图中，插座主体106和插
座保持器110被示出为剖开的，而弹簧探针114没有剖开以示出弹簧探针114在腔室116内的装配。
16.在示例性实施方式中，每个所示的弹簧探针114和腔室116基本上相同。图2中示出了第三腔室116，其中没有容纳弹簧探针，以示出腔室的内部结构。弹簧探针114每个都限定了纵向轴线，以l1表示。
17.参照图2，在示例性实施方式中，插座主体106联接到插座保持器110上，并且每个弹簧探针114在第一腔室108与第二腔室112之间连续地延伸(图1)。插座主体106在面向ic芯片102的外表面118和面向插座保持器110的端表面120之间延伸。插座保持器110在第一或上表面122和第二或下表面124之间延伸。第一表面122被定向为面向并且接触插座主体106的内表面120。第二表面124与第一表面122相对。
18.在该示例性实施方式中，插座保持器110与插座主体106连接，使得腔室108、112(图1)形成连续的腔室116，腔室116的尺寸适于在其中接收弹簧探针114。每个腔室116都由边缘126、第一锥形凸缘128、腔室颈部130、中心部分132、第二锥形凸缘134和槽136限定。边缘126被限定在插座主体106的外表面118内，并且从外表面118向下延伸到第一锥形凸缘128。在边缘126处的腔室116具有第一直径，以c1表示。第一锥形凸缘128从边缘126到腔室颈部130向内逐渐变细。腔室颈部130从第一锥形凸缘128向下延伸到中心部分132，并具有与边缘126的直径c1相比减小的第二直径，第二直径以c2表示。中心部分132从腔室颈部130延伸通过插座主体106的端表面120，进入插座保持器110，并且到达第二锥形凸缘134。中心部分132具有第三直径，以c3表示。在该示例实施方式中，第三直径c3大于第二直径c2并小于第一直径c1。第二锥形凸缘134从中心部分132向内朝向槽136逐渐变细，槽136延伸穿过插座保持器110的第二表面124。在其它实施方式中，插座主体106和插座保持器110可以限定任何合适尺寸的腔室116，其使得测试系统100能够如本文所述起作用。
19.在示例性实施方式中，每个弹簧探针114接收在腔室116内，并且包括第一柱塞138、第二柱塞140、壳体142、阶梯环(stepped collar)144(在本文中广义地称为“第一环”)和主体环146(在本文中广义地称为“第二环”)。纵向轴线l1延伸穿过第一柱塞138和第二柱塞140。壳体142是管状的(例如，圆柱形或具有诸如圆形、椭圆形、正方形、矩形或其它形状的横截面)。第一柱塞138和第二柱塞140的至少一部分设置在壳体142内，如下面更详细描述的。
20.第一柱塞138包括从壳体142向外延伸的冠部152。冠部152配置成接触并电连接到ic芯片102的导电焊盘104。第一柱塞138连接到壳体142，使得第一柱塞138和壳体142一起移动。例如，第一柱塞138包括插入壳体142中并与壳体142连接的第一基部156(图6)，使得第一柱塞138和壳体142一起移动。第二柱塞140包括从壳体142向外延伸的尖端部分154。尖端部分154配置成接触并电连接到导电焊盘(例如，在pcb上，未示出)。第二柱塞140还包括插入壳体142的第二基部158(图6)。壳体142的接纳第二柱塞140的端部可被卷曲以将第二柱塞140的第二基部156保持在壳体142中，使得第二基部156可在壳体142内滑动。尖端部分154从壳体142远离第二基部156向外延伸并进入槽136。第一柱塞138、第二柱塞140和壳体142由导电材料制成，使得在第一柱塞138、第二柱塞140和壳体142之间形成电连接。特别地，在示例性实施方式中，第一柱塞138由均质合金制成。第二柱塞140由镀金碳钢制成。壳体142由镀金铜合金制成。在可选实施方式中，第一柱塞138、第二柱塞140和壳体142可以由
任何其它合适的材料制成。
21.在示例性实施方式中，弹簧探针114包括阶梯环144和主体环146，在阶梯环144在第一柱塞138附近联接到壳体142，主体环146在第二柱塞140附近联接到壳体142。阶梯环144和主体环146每个都由具有低介电常数的绝缘材料制成，例如聚四氟乙烯(ptfe)，或者其它非导电材料，例如塑料、聚合物、橡胶等。阶梯环144成形为阶梯圆筒，并包括第一阶梯148和第二阶梯150。在其它实施方式中，阶梯环144可具有任何合适的形状(例如，椭圆形、正方形、矩形等)
22.如图2所示，阶梯环144在壳体142和冠部152之间纵向延伸，并安装在冠部152上以围绕壳体142和第一柱塞138的一部分。第一阶梯148具有垂直于纵向轴线l1的第一直径，以d1表示。第二阶梯150具有垂直于纵向轴线l1的第二直径，以d2表示。第二直径d2大于第一直径d1。特别地，第一阶梯148的尺寸设计成被接收在腔室颈部130内并与之接触，以限制使用期间的侧向位移(即，第一柱塞148相对于纵向轴线l1的横向位移)。第二阶梯150容纳在中心部分132内并与其接触。第一阶梯148和第二阶梯150的尺寸分别与腔室颈部130和中心部分132相对应。也就是说，在该示例性实施方式中，第一阶梯148的直径d1近似等于或略小于腔室颈部130的直径c2。第二阶梯150的直径d2约等于或略小于中心部分132的直径c3。结果，在示例性实施方式中，第一阶梯148接触并接合腔室颈部130，第二阶梯150接触并接合中心部分132。
23.主体环146装配在壳体142上以围绕壳体142的一部分。主体环146的尺寸与腔室116的中心部分132相对应。主体环146具有直径d3，直径d3大约等于或略小于中心部分132的直径c3。结果，阶梯环144和主体环146在腔室116内对准弹簧探针，使得弹簧探针114，或更具体地，弹簧探针114的导电元件，例如壳体142、第一柱塞138和第二柱塞140，与腔室116的壁间隔开并且不直接接触。结果，在一些实施方式中，腔室116可以不包括绝缘涂层。
24.参考图3，在示例性实施方式中，ic芯片102连接到插座主体106。特别地，ic芯片102从第一位置(图2中所示)下降，使得导电焊盘104接触柱塞138并且在插座主体106内向下纵向地移动柱塞138、140和壳体142。在示例性实施方式中，当ic芯片102的导电焊盘104与第一柱塞138接触时，第一阶梯148与腔室颈部130的接合以及第二阶梯150与中心部分132的接合限制了第一柱塞138的横向位移。
25.图4是弹簧探针114的立体图。图5是图4所示的弹簧探针114的分解图。
26.参照图4，在示例性实施方式中，第一阶梯148和第二阶梯150均是圆柱形的，并且尺寸被设计成外接第一柱塞138和壳体142。更具体地，第一阶梯148包括第一圆柱形外表面160，第二阶梯150包括第二圆柱形外表面162。阶梯表面164在第一圆柱形外表面160和第二圆柱形外表面162之间径向地(即，垂直于图2所示的纵向轴线l1)延伸。在替代实施方式中，阶梯表面164在第一圆柱形外表面160与第二圆柱形外表面162之间成锥形和/或倾斜。
27.在示例性实施方式中，冠部152包括多个第一接触尖端166(例如，图4的实施方式中的四个)。第一接触尖端166限定弹簧探针114的远端。参照图5，第一柱塞还包括颈部168和肩部170。肩部170接触壳体142的第一端172，并限制第一柱塞138纵向移动到壳体142中。颈部168相对于肩部170径向凹陷，并从肩部170延伸到冠部152。在其它实施方式中，第一柱塞138可包括任何合适形状的接触尖端，其使得弹簧探针114能够如本文所述起作用。例如，在一个替代实施方式中，第一柱塞138具有弯曲圆锥形状的接触尖端。
28.参照图5，在示例性实施方式中，壳体142包括第一端172、第二端174和在第一端172与第二端174之间延伸的大致圆柱形外表面176。纵向轴线l1(图2)延伸穿过第一端172和第二端174。第一柱塞138从第一端172纵向向外延伸，第二柱塞140从第二端174纵向向外延伸。壳体142还包括从外表面176径向向外延伸并且围绕外表面176周向延伸的多个凸缘178-182。更具体地，壳体142包括第一凸缘178，第一凸缘178定位成接触和接合阶梯环144。第一凸缘178和冠部152将阶梯环144保持在壳体142上(例如，如图4所示)。壳体142还包括第二凸缘180和第三凸缘182。纵向地定位在第一凸缘178和第二端174之间。第二凸缘180和第三凸缘182在外表面176上彼此隔开，以在其间接收和保持弹簧探针114上的主体环146(例如，如图4所示)。
29.如图5所示，阶梯环144包括第一阶梯148上的第一轴向或纵向(这里可互换使用)端184和第二阶梯150上的第二轴向端188。第一轴向端184在其中限定第一开口186。第一圆柱形外表面160从第一轴向端184纵向延伸到第二阶梯150，或者更具体地，延伸到第二阶梯150的阶梯表面164。主体环146限定了延伸通过其中的槽190。返回参照图4，在示例性实施方式中，阶梯环144在壳体142和冠部152之间延伸，覆盖第一柱塞138的颈部168和肩部170(图5)，使得冠部152是第一柱塞138的唯一暴露部分。主体环146在第二凸缘180和第三凸缘182之间固定到壳体142上。
30.图6是图4所示的弹簧探针114的横截面图，在该示例性实施方式中，壳体142通常是中空的并且限定有腔室192(或者在此称为“内部腔室”)。弹簧探针114还包括定位在腔室192内的将第一柱塞138联接到第二柱塞140的偏压元件194。在示例性实施方式中，偏压元件194是压缩弹簧，但是在替代实施方式中，可以使用任何合适的偏压元件。偏压元件194配置成施加偏置力到每个柱塞138、140上，以从壳体142向外并远离第一柱塞138偏置第二柱塞140。第二柱塞140可在向内指向偏压元件194的力的作用下向内压入壳体142中。因此，第一柱塞138连接到第二柱塞140以与壳体142一起移动，第二柱塞140可相对于壳体142滑动。在示例性实施方式中，偏压元件194由镀金碳钢制成，但是在替代实施方式中，可以使用任何合适的材料。
31.如图6所示，第一柱塞138在壳体142内延伸的第一基部156处与偏压元件194连接。特别地，第一基部156从偏压元件194纵向延伸到第一端172处的肩部170，并且其尺寸被设计成接触壳体142。第二柱塞140包括第二基部158、从基部158延伸的中间部196和从中间部196延伸到第二接触尖端198的顶部154。基部158具有第一径向厚度r1，中间部196具有第二径向厚度r2，第二径向厚度r2小于基部158的第一径向厚度r1，顶部154具有第三径向厚度r3，第三径向厚度r3小于中间部196的第二径向厚度r2。壳体142的第二端174限定与腔室192连接的腔室开口200。腔室开口200的尺寸在基部158的第一厚度r1和中间部的第二厚度r2之间，使得中间部196和顶部154可穿过腔室开口200，并且防止基部158通过腔室开口200离开腔室192。
32.在示例性实施方式中，阶梯环144的第二轴向端188限定第二开口202，该第二开口通过纵向延伸穿过阶梯环144的槽204在第一轴向端184处连接到第一开口186。壳体142延伸穿过第二开口202并与阶梯环144配合接触。特别地，阶梯环144包括第一内表面206和第二内表面208，它们共同限定了槽204。第一内表面206从第一轴向端184纵向延伸到第二内表面208。第二内表面208从第一内表面206纵向延伸到第二轴向端188。第一内表面206围绕
颈部168周向延伸并且与第一柱塞138的颈部168配合接触，以在使用期间限制第一柱塞138的侧向运动。第二内表面208的至少一部分围绕壳体142周向延伸并且与壳体142配合接触。特别地，在示例性实施方式中，第二内表面208从壳体142和肩部170纵向向外(即，向图6中的页面的右侧)延伸到第一内侧壁206。第一内表面206从第二内表面208径向向内围绕颈部168周向延伸，使得槽204在第一内表面206处与第二内表面208相比变窄。
33.如图6所示，冠部152的尺寸设计为从颈部168和第一开口186径向向外延伸。也就是说，冠部152基本上限制了阶梯环144的向外纵向运动(即，向图6中页面的右侧)。第一凸缘178定位成接触阶梯环144的第二轴向端188，以限制阶梯环144的向内纵向运动(即，向图6中页面的左侧)。结果，阶梯环144在第一凸缘178和冠部152之间纵向地固定在弹簧探针114上。在该示例性实施方式中，纵向间隙210限定在冠部152和第一轴向端184之间。结果，在该示例性实施方式中，允许阶梯环144的微小纵向运动。在替代实施方式中，冠部152和第一凸缘178各自定位成与阶梯环144直接接触。
34.为了组装弹簧探针114，第一柱塞138、偏压元件194和第二柱塞140可以在插入壳体142的腔室192之前单独地连接并形成为单个组件。第二柱塞140的尖端部分154可以在第一端172插入腔室192，并且偏压元件194和第一柱塞138可以与第二柱塞140一起供给到腔室192中，直到第二柱塞140在第二端174从开口200向外延伸。然后，阶梯环144在第一柱塞138上滑动(例如，通过弯曲第一轴向端184以允许冠部152通过第一开口186)并且固定在冠部152和第一凸缘178之间的位置。以与阶梯环144基本相同的方式，主体环146在第二柱塞140上滑动并滑动到第二凸缘180和第三凸缘182之间的壳体142上。在一些实施方式中，环144、146固定到壳体142(例如，通过粘合剂)。在其它实施方式中，弹簧探针114通过使弹簧探针114能够如本文所述起作用的任何合适的工艺来组装。
35.本文描述的系统和装置的技术效果可以包括：(a)将所述接触插塞对准在所述测试插座内的适当位置中以用于与所述ic芯片接触；(b)当将所述ic设置到所述测试插座中时，减少由所述接触插塞的横向位移引起的所述接触插塞上的磨损；(c)通过用环将弹簧探针固定在插座中来减小测试插座和弹簧探针之间的接触电阻；以及(d)通过将弹簧探针与测试插座绝缘来改善ic和pcb之间的信号质量。
36.在上述说明书和所附权利要求中，引用了具有以下含义的许多术语。
37.如本文所用，以单数形式叙述且前面有词语“一”或“一个”的元件或步骤应理解为不排除多个元件或步骤，除非明确叙述了这种排除。此外，对本发明的“示例实现”或“一个实现”的引用不旨在被解释为排除也结合了所叙述的特征的附加实现的存在。
[0038]“任选的”或“任选地”是指随后描述的事件或情况可以发生或可以不发生，并且该描述包括事件发生的情况和事件不发生的情况。
[0039]
如本文在整个说明书和权利要求书中所用的近似语言可用于修饰任何定量表示，所述定量表示可容许在不导致其相关的基本功能改变的情况下变化。因此，由诸如“大约”、“近似”和“基本上”的一个或多个术语修饰的值不限于所指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可对应于用于测量该值的仪器的精度。在此，以及在整个说明书和权利要求书中，范围限制可以组合或互换。这样的范围被确定并包括其中包含的所有子范围，除非上下文或语言另有说明。
[0040]
除非另外具体说明，否则诸如短语“x、y或z中的至少一个”的分离性语言在上下文
中通常被理解为用于声明项目、术语等可以是x、y或z或其任意组合(例如，x、y和/或z)。因此，这种分离性语言通常不旨在并且不应当暗示某些实施方式需要x中的至少一个、y中的至少一个或z中的至少一个各自存在。另外，除非另有明确说明，诸如短语“x、y和z中的至少一个”的连接语言也应当被理解为表示x、y、z或其任意组合，包括“x、y和/或z”。
[0041]
本文所述的系统和方法不限于本文所述的具体实施方式，而是相反，系统的构件和/或方法的步骤可与本文所述的其它构件和/或步骤独立地和分开地使用。
[0042]
虽然本发明的各种实施方式的具体特征可能在一些附图中示出而在其它附图中未示出，但这仅是为了方便。根据本发明的原理，附图的任何特征可结合任何其它附图的任何特征来引用和/或要求保护。
[0043]
本书面描述使用示例来提供关于本发明的细节，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本公开，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其它示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构元件，则这些其它示例旨在处于权利要求的范围内。