CN1879025A - 带有集成装配辅助装置的模的设计 - Google Patents

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Abstract

一种用于对准模头下模部分(12)中形成的第一阵列的第一微孔(18)中的探针(14)的模头的上模部分(36)，其通常分别包括垫片部分(38)，支撑架(40)，以及第一和第二装配辅助膜(42)和(44)。垫片部分(38)适于接触下模部分(12)。第一装配辅助膜(42)典型地位于所述第二表面(48)和所述支撑架(40)之间并且包括适于接收探针(14)的第二阵列的第二微孔(50)。第二装配辅助膜(44)通常接触或者紧密地邻近所述第一装配辅助膜(42)并且具有适于接收探针(14)的第三阵列的第三微孔(52)。第二阵列第二微孔(50)和第三阵列第三微孔(52)彼此对准，但是都偏移开第一阵列第一微孔(18)，偏移的距离大致为探针尖(20)和探针头(28)之间的横向距离。

Description

带有集成装配辅助装置的模的设计
技术领域
本发明涉及一种垂直针式(vertical pin)集成电路探测装置，并且特别涉及一种用于将探针载入到垂直针式集成电路探测装置的模头组件中的装配装置和方法。
背景技术
一种类型的垂直针式探测装置使用了弯曲梁式(buckling beam)模设计。如美国专利6,297,657中所述，要测试的集成电路或其它器件被支撑在可移动的夹盘上。集成电路典型地具有接触垫的图形或者模型，这些接触垫由垂直针式集成电路探测装置同时探测，例如由Wentworth Laboratories of Brookfield，CT销售的商标名为COBRA的探针头探测。该探测装置包括由垫片分隔开的带有一组孔的下模和带有一组孔的上模，并且载有多个垂直探针。制造模的材料典型地用例如销售商标名为Delrin的塑料绝缘材料，注册商标E.I.duPont deNemours & Co of Wilmington，DE的缩醛树脂，例如销售商标名为Invar的低膨胀金属，注册商标Imphy，S.A.的镍合金，或者例如氮化硅的陶瓷。
各个探针都具有从下模下表面中的孔突出的探针尖，以及从上模上侧面中的孔突出的露出头。容纳垂直探针相对端的孔彼此略微偏移，并且探针弯曲为蛇形构造以促进弯曲，从而即使有轻微的垂直不均或未对准，在集成电路垫上也产生基本一致的接触压力。
参考图1，示出了现有技术中已知的弯曲梁式模10的部分装配部分，包括下模12、探针14、以及装配辅助膜16。下模12包含微孔18的阵列，微孔18中插入探针尖20。装配辅助膜16包含在膜中冲出的匹配图形的微孔22。装配辅助膜16的一小片的一个边24，使用胶带或类似物粘在下模12的顶部26上，从而近似地定位在微孔18上方。每个探针尖20插入到一个下模微孔18中，随后探针头28向上插过装配辅助膜16中相应的微孔22，从而使探针14保持在适当位置。继续这样的过程直到各个探针14都位于适当的位置。探针头28的插入需要升起装配辅助膜16，从而提供足够的间隙使得各个探针头在膜下插入并向上穿过微孔18中适当的一个。当装配进行时，必须定期系紧装配辅助膜16，从而防止向上脱离已经安装好的探针头28的接触。尽管如此，装配辅助膜16偶尔会升起脱离探针头28，从而导致需要部分或全部重新进行装配。装配探针头28向上穿过装配辅助膜16中微孔22的过程，也防止了各个探针14有机会意外弯曲。
在各个探针14装载进入下模12和装配辅助膜16之后，必须切割该膜，从而使它符合上模腔的整个内部，并且移除系紧线。这个过程常常导致装配辅助膜16升起脱离一个或多个探针头28，需要再次部分或全部重建该装配。在切割装配辅助膜16并移走线之后，必须安装上模30。如图2所示，这需要将具有分别与下模12和装配辅助膜16中的微孔18和22的图形相符的微孔32阵列的上模30，对准在探针14的阵列上方，从而使得各个探针头28与上模中相应的一个微孔对齐。这是一个精密的操作，因为成千的探针14中的每一个必须同时穿过每一个微孔32，从而避免探针弯曲。因此，上模30中的各个微孔32均大于下模12和装配辅助膜16中的各微孔以便于装配。同样，仍然参考图2，制造上模30通常由大约0.1英寸厚的聚酰亚胺材料圆盘开始，并且铣出腔34，留下大约0.010″厚度的薄“蹼”，通过它钻限定图形的微孔32的阵列。由于铣削之后材料中的内部应力不平衡及吸湿等因素，常常难以使这样的薄蹼横过阵列的方向上是平坦的，并且会造成上模的相对较低的产出率。
在安装上模30之后，插入对准销(未示出)从而将上模与下模12准确对准，并且安装螺钉(未示出)从而将上下模固定在一起。随后抛光探针头32，以在整个阵列中达到全部一致的探针长度。抛光过程的一个结果是抛光碎屑穿过上模30中尺寸加大的微孔32，并且集中在模头组件中的装配辅助膜16上。碎屑为导电的，因此必须移除以避免触点之间电短路。因此必须在抛光之后移开上模30，从而充分移除碎屑。移走上模30提供又一次机会使得装配辅助膜16升起脱离探针头28，这样需要部分或完全重建装配。这也需要重复上模30的对准和装配，如果对准不理想，就又出现了探针14弯曲的机会。
弯曲梁技术的一个优点是修理能力。由于探针不是永久地结合在测试电子设备上，因此可以替换损坏的探针而不用抛弃整个组件。如图2的常规设计的修理过程存在问题。修理过程需要移走上模30，从而可接近探针14。随后通过拉动穿过装配辅助膜16，抽出一个损坏的探针14，并穿过相同的装配辅助膜的孔再次插入新的探针。使用这种技术时会出现几个问题。首先，移开上模30会造成装配辅助膜16升起脱离一个或多个探针头。静电有时会造成装配辅助膜16粘在上模30的下侧并完全脱离阵列，从而需要进行完全重建。
假定上模30成功地移走，随后必须将任何损坏的探针14抽出穿过装配辅助膜16。由于装配辅助膜16中的微孔22很“紧密”，例如其直径大约比通常的探针14大大约0.0001英寸，因此装配辅助膜必须略微撕破，从而使得探针“胀管器(swage)”穿过该膜。在装配辅助膜16上的这种“牵引”又提供一机会，使得该膜升起脱离一个或多个探针14。
假定成功地移走了损坏的一个探针14并且插入了另一个探针，装配辅助膜16中的特定的那一个微孔22现在被扩大了，造成了将新的探针和上模30中它相关的微孔32对准时的潜在的困难。并且，装配辅助膜16中扩大的那个微孔22允许探针14运动更自由，这样在公差很小的应用场合，探针14会接触相邻的探针，从而导致电短路。
发明内容
本发明的一个方面是一种模头的上模部分，用于对准模头下模部分中形成的第一阵列的第一微孔中探针，该上模部分包括有包括第一和第二表面的垫片部分，该第一表面适于接触下模部分，上模部分还包括支撑架、位于第二表面和支撑架之间并且具有适于接收探针的第二阵列的第二微孔的第一装配辅助膜。
本发明的另一方面是一种模头，包括用于对准模头中探针的对准机构，该模头包括下模部分和上模部分，下模部分具有多个表面，多个表面中的至少一个具有适于接收探针的第一阵列的第一微孔，上模部分具有垫片部分、支撑架、以及第一装配辅助膜，垫片部分包括第一和第二表面，第一表面与下模部分的多个表面中的至少一个相接触，第一装配辅助膜位于第二表面和支撑架之间，并且第一装配辅助膜具有适于接收探针的第二阵列的第二微孔。
本发明的又一方面是一种模头的上模部分，用于对准模头下模部分中形成的第一阵列的第一微孔中的探针，该上模部分包括有包括第一和第二表面的垫片部分，该第一表面适于接触下模部分，该上模部分还包括位于第二表面上的第一支撑架、具有适于接收探针的第二阵列的第二微孔的装配辅助膜、位于第一支撑架和装配辅助膜上的第二支撑架、以及与第二支撑架连接并且具有适于接收探针的第三阵列的第三微孔的片。
本发明的还有一方面是一种在具有上下部分的模头中更换探针的方法，其包括下述步骤：夹持探针；通过向上拉探针并拉出上下部分而将探针从模头中移走；以及向下插入探针穿过上下部分从而插入探针到与在移走步骤中移走的探针相同的位置。
本发明的又一方面是一种在具有上下部分的模头中装配探针的方法，其包括下述步骤：移走至少一个装配辅助膜和片中的至少一个，每个都具有微孔的阵列，该至少一个装配辅助膜和片适于置于上模部分之上，通过将每个探针容纳在一个微孔中从而保持模头中探针的位置；向下插入一个或多个探针穿过上下部分；以及重新放置在移走步骤中移走的至少一个装配辅助膜和片，其中插入模头的一个或多个探针的每一个都被微孔阵列中的一个所围绕。
附图说明
为了说明本发明，附图示出了目前优选的本发明的一种形式。然而，应当理解，本发明并不限于附图中示出的布置和手段，其中：
图1是现有技术中已知的部分装配的弯曲梁式模的横截面；
图2是现有技术中已知的完全装配的弯曲梁式模的横截面；
图3是根据本发明的一个实施例的部分装配的弯曲梁式模的横截面；
图4是根据本发明的一个实施例的完全装配的弯曲梁式模的横截面；
图5是根据本发明的一个实施例的完全装配的弯曲梁式模的横截面；
图6是根据本发明的一个实施例的完全装配的弯曲梁式模的横截面；
图7是根据本发明的一实施例装配的弯曲梁式模的顶部轴测图；以及
图8是用于本发明的弯曲梁式模装配的装配辅助工具。
具体实施方式
现在参考图3-8，其中用相同的数字标记表示相同的部件，并且特别地，参考图3和4，本发明的一个实施例包括模头的上模部分36，用于将探针14对准在模头下模部分12中形成的第一阵列的第一微孔18中。上模部分36通常包括垫片部分38，支撑架40，以及第一和第二装配辅助膜42和44。
垫片部分38分别包括第一和第二表面46和48。第一表面46适于与下模部分12接触。垫片部分38典型地为具有方形或矩形横截面的环形结构，并可由适于作为模具部分的任何已知材料形成，例如填充纤维的环氧树脂、低膨胀金属、或者陶瓷。
支撑架40典型地由金属箔片形成，如低膨胀镍合金，例如销售商标名为Invar或者类似的。支撑架40典型地形状类似垫片38，但是相对于各个探针14的纵向具有较小的尺寸。
第一装配辅助膜42典型地位于第二表面48和支撑架40之间，并且包括适于接收探针14的第二阵列的第二微孔50。第二装配辅助膜44通常接触或者紧邻第一装配辅助膜42，并具有适于接收探针14的第三阵列的第三微孔52。
第二阵列的第二微孔50和第三阵列的第三微孔52被设置成彼此对准，但是与下模12中的第一阵列的第一微孔18偏移。偏移量由各个探针14的偏移确定，即由探针尖20和探针头28之间的横向距离确定。第一装配辅助膜42的第二阵列的第二微孔50中的各个微孔通常尺寸加大，例如典型地其直径比探针14的直径约大0.5密耳(0.0005英寸)，并且小于现有技术的上模30中的微孔22。第二装配辅助膜44的第三阵列的第三微孔52中的各个微孔通常小于第一装配辅助膜42中的微孔，例如典型地其直径比各探针14的直径约大0.1密耳(0.0001英寸)，从而使得探针可以相对紧密地彼此对准，并且使得各个第三微孔有效地密封从而防止碎屑进入模头。
第一装配辅助膜42也可包括对准孔54，该孔旨在与榫头或类似结构(未示出)啮合，从而将上模部分36的构件与下模12对准。通过使用市售的粘结剂，例如3M 2290结构粘结剂(3M St.Paul，MN)或类似物，将第一装配辅助膜42粘结到支撑架40和垫片部分38上，从而给上模部分36提供附加的结构刚性。
第一和第二装配辅助膜42和44可以是任何合适的聚合物膜，例如由聚酰亚胺形成，并且典型地两者都至少半透明。第一装配辅助膜42通常形成越过孔口56的张紧的“鼓皮”，孔口56包括周边58，该周边被限定在模头和支撑架40内，因此消除了传统设计中固有的不平的问题。第二装配辅助膜44的直径通常小于第一装配辅助膜42，并具有比孔口56的周边58更小的外周边60。结果，第二装配辅助膜44典型地不与支撑架40连接，而是可以漂浮在第一装配辅助膜42的顶部上。
现在参考图5，在可选实施例中，上模部分36’包括典型地绕外周边60安装的薄垫片62，以及位于第二装配辅助膜44上、典型地在薄垫片顶部的聚合物片64。薄垫片62典型地安装在第一装配辅助膜42的顶部，第一装配辅助膜42可安装在临近其周边的刚性安装部分65上。安装部分65安置在垫片部分38表面48的顶部。在所有的探针被载入并且第二装配辅助膜如上安装之后，薄垫片62允许第二装配膜44的自由运动。聚合物片64为上模部分36’提供了附加的刚性和稳定性。聚合物片64典型地由大约6密耳厚的聚酰亚胺形成，并具有尺寸加大的、通常为钻孔形成的微孔66。聚合物片64，垫片部分38和薄垫片62可以使用对准孔54和接合销(未示出)对准。聚合物片64可以为了头部修理而移走，并可使用螺钉或类似物连接到薄垫片62和垫片38上而紧固。在图5所示的实施例中，下模部分12和上模部分36’包括四个微孔阵列，即第一微孔18的第一阵列，第二微孔50的第二阵列，第三微孔66的第三阵列和第四微孔52的第四阵列。
现在参考图6，在另一实施例中，上模部分36”包括垫片部分38，第一支撑架67，装配辅助膜68，第二支撑架70和片72。垫片部分38分别包括第一和第二表面46和48。第一表面46适于与下模部分12接触。第一支撑架67与所述第二表面48相邻，并且典型地使装配辅助膜68张紧。装配辅助膜68包括适于接收探针14的第二阵列的第二微孔74。装配辅助膜68通常至少为半透明。第二支撑架70位于所述第一支撑架67和所述装配辅助膜68之上。片72典型地与第二支撑架70结合，并且片72包括适于接收探针14的第三阵列的第三微孔76。片72典型地由大约6密耳厚的聚酰亚胺形成。第三阵列的第三微孔76典型地尺寸加大，即大于探针14的直径。如上述实施例所述，第二和第三阵列72和74分别适于与第一阵列18偏移。
现在参考图7和8，在本发明的另一实施例中，垫片部分38可以包括至少第一和第二部分38a和38b，它们彼此分隔开以便于垫片部分的抽出和插入。随后可以使第一装配辅助膜42紧邻下模部分12而进行装配。各个探针尖20几乎同时穿过装配辅助膜的微孔和下模部分的微孔。现在参考图8，在所有的探针14被载入之后，模头放在夹具100中，夹具100具有位于触点(未示出)的头上面的板102，以防止触点从下模部分12提出。第一装配辅助膜42随后可升至其最终高度。升起第一装配辅助膜42的过程通常对准所有触点。垫片的半部38a和38b随后可以插入到第一装配辅助膜42和下模部分12之间，并且整个模头可以利用对准孔54靠销钉和螺钉连在一起。
本发明的另一方面是一种在具有上下部分的模头中更换探针的方法。首先，移走片64、72。另外，如果存在的话，移走具有微孔阵列的至少一个装配辅助膜。接下来，使用镊子或者其它适合尺寸的工具夹持要被替换的探针14的探针头28。随后通过向上拉探针并从上下部分36和12中拉出，将相应的探针14从模头中移走。接下来，插入替换的探针14，向下插入探针分别穿过上下部分36和12，以插入到移走的探针的相同位置。随后，如果存在，重新放置先前移走的至少一个装配辅助膜并重新放置片64、72。
本发明的又一个方面是一种在模头中装配探针14的方法。在上模部分36使用螺钉、榫头或类似物被紧固到下模部分12之后，通过将各个探针尖20和探针的主体穿过装配辅助膜(42或68)中尺寸加大的微孔并随后进入下模中相应的微孔18中，从而载入各个探针14。各个装配辅助膜优选至少为半透明的，从而可以通过该装配辅助膜看到各个下模微孔18，从而便于装配。在使用一个以上装配辅助片或者采用聚合物片的实施例中，在插入各个探针14通过剩余装配辅助片并且插入下模部分12中的相应微孔18中之前，聚合物片和装配辅助片中的一个都可以移走。随后，移走的装配辅助膜和聚合物片放在载入的探针的顶部，使得各个探针头28穿过装配辅助膜和聚合物片上的相应的微孔。继续这个过程直到所有探针14都被载入。
本发明相对于现有技术的设计而言提供了多种益处和优点。例如，本发明的设计加强了模头的可修理能力。修理可以这样进行：简单地移走第二装配辅助膜和/或聚合物片，穿过第一装配辅助膜中尺寸加大的微孔抽出损坏的探针，重新插入新的探针，并且重新安装第二装配辅助膜。不需要移走上模，装配辅助膜不可能升起脱离探针头，并且不会撕破膜。
上述本发明的装配过程相对于现有技术的装配过程提供了几点益处。首先，它通常可以在传统装配所需时间的大约1/3的时间内完成。其次，因为不再需要系紧装配辅助膜，该膜不可能升起脱离探针头。还有，它大大降低了弯曲探针的可能性，因为探针不再必须向下弯曲并向上插入穿过装配辅助膜。
如上面本发明一个实施例所述，在所有探针都被载入之后，具有较小直径微孔阵列的第二装配辅助膜对准在探针头上方，并放下到第一装配辅助膜上。较小的微孔使得探针可以彼此相对紧密地排列。另外，由于第二装配辅助膜通常不固定在模组件上，从而使得在探针压缩的过程中，探针可以自由移动的同时还保持着它们的相对位置。相比传统设计的上模对准，第二装配辅助膜与探针的对准更加简单，因为a)第二装配辅助膜优选至少为半透明，因此总是可以看到探针，并且b)不必让所有的探针都同时穿过阵列的所有微孔，而是使得第二装配辅助膜可以分阶段地施加在阵列各部分上。
第二装配阵列膜的另一优点显然是在抛光过程中。如前所述，抛光过程产生碎屑。由于第二装配辅助膜具有小直径的，即“紧的”微孔，抛光碎屑集中在该膜的顶部，而不是进入模头组件中。因为碎屑是在组件的外面，所以可以容易地移除而不需要移走上模。第二装配辅助膜甚至可以整个移走，而用干净的膜替换。
本发明还提供了相对于现有技术设计在热膨胀领域的改进。对于高温测试应用，上下模由低热膨胀系数(CTE)材料制成，以保持探针和它们接触的垫之间对准。这些垫典型地位于具有低CTE的材料上。与常规聚酰亚胺材料相比，低CTE材料在微钻孔方面具有挑战性。在本发明中，第一装配安装膜粘在具有低CTE的金属箔片上，例如销售商标名为Invar或类似的。聚酰亚胺膜具有较高的CTE。然而，由于该膜很薄，例如1密耳，它不能支撑压缩力。因此在它膨胀时不能迫使触点分离从而导致对不准，而是会略微下垂，大大减缓了上模CTE不匹配的问题。
本发明的钻孔过程也对现有技术提供了改进。常规上模的钻孔很费时，因为钻孔过程需要受控的进给速度和多道次，以获得高质量的微孔并避免钻头断裂。相反地，根据本发明的装配辅助膜可以以低成本和低交付时间进行冲孔或者激光钻孔。同样，本发明的膜提供了槽形孔的可能，这在很紧密的间距应用方面具有优点，而常规钻孔过程典型地限制为圆孔。
尽管相对示例性的实施例叙述并图示了本发明，但是熟悉本领域的人员应当理解，前述的以及其他不同的变化、省略以及增加都应当在其范围中，并不背离本发明的精髓和范围。

Claims (10)

1、一种用于对准在模头下模部分(12)中形成的第一阵列的第一微孔(18)中的探针(14)的模头的上模部分(36)，包括：
包括第一和第二表面(46，48)的垫片部分(38)，所述第一表面(46)适于接触下模部分(12)；
支撑架(40)；
位于所述第二表面(48)和所述支撑架(40)之间并且具有适于接收探针(14)的第二阵列的第二微孔(50)的第一装配辅助膜(42)。
2、如权利要求1的上模部分(36)，还包括：
邻近所述第一装配辅助膜(42)并且具有适于接收探针(14)的第三阵列的第三微孔(52)的第二装配辅助膜(44)。
3、如权利要求2的上模部分(36)，还包括：
围绕着所述第三阵列第三微孔(52)的外周边(60)的薄垫片(62)；以及
具有加大尺寸微孔(66)的片(64)，所述片(64)位于所述第二装配辅助膜(44)的顶部。
4、一种用于对准在模头下模部分(12)中形成的第一阵列的第一微孔(18)中的探针(14)的模头的上模部分(36)，包括：
包括第一和第二表面(46，48)的垫片部分(38)，所述第一表面(46)适于接触下模部分(12)；
位于所述第二表面(48)上的第一支撑架(67)；
具有适于接收探针(14)的第二阵列的第二微孔(74)的装配辅助膜(68)；
位于所述第一支撑架(67)和所述装配辅助膜(68)上的第二支撑架(70)；以及
与所述第二支撑架(70)连接并且具有适于接收探针(14)的第三阵列的第三微孔(76)的片(72)。
5、如权利要求4的上模部分(36)，其特征在于，所述装配辅助膜(68)通过所述第一支撑架(67)被保持张紧。
6、如前面任何一项权利要求的上模部分(36)，其特征在于，所述第二和第三阵列(50，52，74，76)适于与第一微孔(18)的第一阵列偏移。
7、如前面任何一项权利要求的上模部分(36)，其特征在于，所述垫片部分(38)包括至少第一和第二可分开的部分(38a，38b)。
8、如前面任何一项权利要求的上模部分(36)，其特征在于，所述第一装配辅助膜(42)、所述第二装配辅助膜(44)、以及所述装配辅助膜(68)至少为半透明。
9、如权利要求4的上模部分(36)，还包括与所述第一装配辅助膜接触的第二装配辅助膜，所述第二装配辅助膜具有适于接收探针的第四阵列的第四微孔。
10、一种在具有上下部分(36，12)的模头中更换探针(14)的方法，包括的步骤有：
夹持探针(14)；
通过向上拉探针(14)并拉出上下部分(36，12)而将探针(14)从模头中移走；
向下插入探针(14)穿过上下部分(36，12)从而将替换的探针(14)插到与在所述移走步骤中移走的探针(14)相同的位置；以及
重新放回在所述移走步骤中移走的所述至少一个装配辅助膜(44)。
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