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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Techniken zum zuverlässigen Erzeugen
einer großen Anzahl
von elektrischen Hochgeschwindigkeitsverbindungen zwischen zwei
Schaltungsanordnungen. Im Einzelnen liefert die vorliegende Erfindung
eine Vielzahl an Techniken zum Herstellen derartiger Verbindungen
mit einer hohen Zykluslebensdauer, die gleichzeitig eine sehr geringe
extern erzeugte Kraft erfordern, um den Verbinden/Trennen-Zyklus
zu ermöglichen.
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Mit
zunehmender Dichte, höherer
Geschwindigkeit und Komplexität
von elektronischen Vorrichtungen nimmt die Kraft, die notwendig
ist, um zwischen Schaltungen zuverlässige Verbindungen herzustellen,
vor allem bei Halbleitertestsystemen, zu und wird schwieriger. Überdies
verringern Verbindungsverfahren, die sich auf hohe Kontaktkräfte und auf
einen Metall-Zu-Metall-Abrieb stützen,
die Zykluslebensdauer auf Grund von Schäden, die an der Metallplattierung
an den elektrischen Kontakten der Schaltungsanordnungen entstehen.
Dies ist besonders bei Verbindern mit kraftfreier Einführung (ZIF-Verbindern,
ZIF = zero insertion force) und bei Testköpfen, die bei Halbleitertestern
wie z.B. den Testern V5400 und V5500 von Agilent Technologies, Inc.,
verwendet werden, ein besonderes Problem. Ein typischer Testkopf
kann sechsunddreißig
Verbinder mit kraftfreier Einführung
zwischen den PEFPIF-Platinen an den PE-Modulen und den direktkontaktierten
Leiterplatten auf einer Nadelkarte aufweisen.
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Manche
herkömmliche
Verbindersysteme mit kraftfreier Einführung haben mit Problemen der elektrischen
Verbindbarkeit zu kämpfen,
die darauf zurückzuführen sind,
dass auf jedes der einzelnen Kontaktelemente eine uneinheitliche
Kraft ausgeübt wird.
Mehrere herkömmliche
Verbindersysteme ver wenden flexible Substrate, um mechanische Abmessungstoleranzen
der passenden bzw. passend zu koppelnden Schaltungsanordnung zu
kompensieren. Jedoch ist die Biegsamkeit des flexiblen Substrat
direkt auf den Kehrwert der elektrischen Leistungsfähigkeit
des Kontakts zwischen den zwei Schaltungsanordnungen bezogen. Mit
verbesserter elektrischer Leistungsfähigkeit des Substrats nimmt
die mechanische Flexibilität
ab. Dies erlegt dem Größenabstand zwischen
den einzelnen elektrischen Kontaktelementen Grenzen auf.
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Demgemäß besteht
ein Bedarf an einem Verbindersystem mit kraftfreier Einführung für eine gedruckte
Schaltungsplatine mit einer zuverlässigen elektrischen Verbindbarkeit
und einer auf einzelne Kontaktelemente ausgeübten einheitlichen Kraft.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Verbinders zwischen einem Testkopf
und einer Testvorrichtungsplatine (DUT-Platine, DUT = device under
test, Testvorrichtung bzw. zu testende Vorrichtung);
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2 eine
perspektivische Nahansicht einer DUT-Platine der 1;
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3 eine
detailliertere Ansicht einer DUT-Platinenanordnung
der 1, die detaillierte Merkmale einer Mehrzahl von
darauf angeordneten passenden Platinenanordnungen zeigt;
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4 eine
Nahansicht der Verbinderanordnung der 1, die detaillierte
Merkmale einer Mehrzahl von Klemmanordnungen zeigt, aus denen die Verbinderanordnung
besteht;
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5 eine
detailliertere Ansicht einer Klemmanordnung der 4 und
eine Teilansicht einer passenden Platine gemäß der Erfindung;
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1 veranschaulicht
eine Hochgeschwindigkeits-Verbindungsanordnung 100 zum
Herstellen einer großen
Zahl von Hochgeschwindigkeitsverbindungen zwischen zumindest einer
zu testenden Vorrichtung und automatischen Testgeräten (nicht
gezeigt), z.B. einem ZIF-Verbinder zur Verwendung zwischen einer
DUT-Platine und einem V5400- oder einem V5500-Testkopf. Es ist eine
DUT-Anordnung 102 vorgesehen, auf deren Unterseite sich
eine große
Anzahl elektrischer Kontakte (nicht gezeigt) mit einer oder mehreren
DUTs befindet. Derartige elektrische Kontakte könnten beispielsweise Sondennadeln
sein, wenn die DUT-Anordnung 102 eine Nadelkarte zur Verwendung
bei einem Scheibentest ist, oder könnten Sockel sein, wenn die
DUT-Platine 102 eine Schaltschützplatine zur Verwendung bei
einem Gehäusetest
ist. Die Hauptfunktion der DUT-Anordnung 102 besteht darin,
elektrische Signale aus der Ebene der Platine 104 heraus
zu übersetzen,
so dass sie für
den Verbindungsmechanismus, d.h. die Schnittstellenverbindungsanordnung 106,
zugänglich
sind.
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In
der US-Patentschrift Nr. 6,833,696 mit dem Titel „Methods
and Apparatus for Creating a High Speed Connection Between A Device
Under Test And Automatic Test Equipment" von Roger
Sinsheimer et al. wird ein exemplarischer Hochgeschwindigkeitsverbinder
gelehrt. Ein exemplarisches automatisches Testgerät ist der
V5400 oder V5500 von Agilent Technologies, Inc., Palo Alto, Kalifornien.
Die Hochgeschwindigkeits-Verbindungsanordnung 100 kann
eine DUT-Anordnung 102 zum Übersetzen elektrischer
Signale von einer Platine 104 über eine Mehrzahl von Verbinderschaltungen 105 in
einen Verbindungsmechanismus 106 mit einer Mehrzahl von
Klemmverbindern 108 umfassen, die radial um den Verbindungsmechanismus
herum angeordnet sind, um mit Verbinder schaltungen 105 an
der DUT-Anordnung 102 ausgerichtet zu sein.
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Unter
Bezugnahme auf 2 kann eine exemplarische DUT-Anordnung 102 eine
Mehrzahl von passenden gedruckten Schaltungsplatinen 202 aufweisen,
die radial auf der DUT-Platine 104 angeordnet sind und
eine Signalübersetzung
ermöglichen. 3 zeigt
eine Nahaufnahme eines Abschnitts einer exemplarischen Schnittstellenverbindungsanordnung 106 mit
Klemmverbindern 108, die gegenüberliegende Klemmplatten 608 mit
Kontakten 602 an Innenwänden 606 der
Klemmplatten 608 umfassen. Im Stand der Technik werden
die Klemm- und Freigabevorgänge
für Klemmplatten 608 durch
pneumatische Wellen, Zylinder oder Blasen 612 an einem
der beiden Enden der Klemmplatten 608 betätigt. Es
liegen Federn 610 vor, die gegen die Klemmzylinder 604 arbeiten,
um die Klemmplatten 608 auseinander zu halten.
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4 veranschaulicht
eine vergrößerte Ansicht
einer der Verbinderschaltungen 105, die eine passende gedruckte
Schaltungsplatine 302 mit Kontakten 310 auf einer
oder beiden Seiten und Kontakten 308 auf der Unterseite
der Anordnung aufweisen kann, um mit entsprechenden (nicht gezeigten)
Kontakten auf der Oberfläche
der Platine 104 passend gekoppelt zu werden, wenn die Verbinderschaltung 105 in
ihrer Position auf der Platine 104 befestigt wird.
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Unter
Bezugnahme auf 5 ist ein Verbindersystem mit
kraftfreier Einführung
gemäß der Erfindung
gezeigt. Im Einzelnen besteht ein Gesamtverbinderklemmgehäuse 501 des
Verbindersystems mit kraftfreier Einführung aus einem Material, das
die Kontaktkraft, die notwendig ist, um alle einzelnen Kontaktelemente
zu komprimieren, trägt.
Beispielsweise kann das Verbinderklemmgehäuse 501 aus einem
nicht-magnetischen
Edelstahl der Serie 300; aus Aluminium; einsatzgehärtetem Edelstahl 440; einsatzgehärtetem BeCu;
oder einem ähnlichen
Material oder Verbundstoff hergestellt sein.
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In
dem Verbinderklemmgehäuse 501 sind ein
oder mehrere Elektrischer-Kontakt-Substrate 503 angebracht.
Das Elektrischer-Kontakt-Substrat 503 kann Rogers 4350;
Nelco 4000-13 SI; standardmäßiges FR-4;
Hochtemperatur-FR-4; Rogers 3000; oder andere ähnliche Materialien oder Verbundstoffe
umfassen. Auf dem Elektrischer-Kontakt-Substrat 503 können passive
oder aktive Komponenten angebracht sein. Direkt hinter den Elektrischer-Kontakt-Substraten 503 und
zwischen dem Verbinderklemmgehäuse 501 und
den Elektrischer-Kontakt-Substraten 503 angeordnet
sind mehrere mechanische Federelemente 506, die die zum
Komprimieren der Elektrischer-Kontakt-Substrate 503 notwendige
Kraft ausüben.
Die mechanischen Federelemente 506 können Saitendraht; BeCu; nicht-magnetischen Edelstahl 300;
Spule (Belville oder Welle); Silikongummi (fest oder als Schaum)
oder beliebige ähnliche
Elemente vom Typ einer mechanischen Feder umfassen.
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Um
den Umfang jedes Elektrischer-Kontakt-Substrats 503 herum
befindet sich eine Vakuumdichtung 502, die betätigt wird,
um die Elektrischer-Kontakt-Substrate 503 auszuspannen.
Die Vakuumdichtungen können
hohle O-Ringe; standardmäßige O-Ringe;
Lippendichtungen; Balge; ein Vakuumzylinder oder ein anderer, ähnlicher
Vakuumdichtungsmechanismus sein. Das Elektrischer-Kontakt-Substrat 503 ist
durch Verwendung einer Platine-Zu-Platine-Zwischenverbindung 504 elektrisch mit
der passenden Schaltungsplatine 302 verbunden. In dem gesamten
vorliegenden Dokument wird der Begriff Platine-Zu-Platine-Zwischenverbindung austauschbar
mit dem Begriff Zwischenelement verwendet. Die Platine-Zu-Platine-Zwischenverbindung bzw.
das Zwischenelement 504 kann aus einer gestanzten Neoconix-Metallfeder,
die an eine PCB (printed circuit board – gedruckte Schaltungsplatine) laminiert
ist; aus einer KnS-Blattfeder, die mit einer Drahtbondmaschine hergestellt
ist; aus einem Intercom-C-Stapel; aus einer HCD-Superfeder; einem HCD-Superknopf
oder einem anderen, ähnlichen Material
hergestellt sein.
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Das
Zwischenelement 504 kann einzelne Elektrischer-Kontakt-Elemente (602 bei 3)
zum Herstellen eines elektrischen Kontakts mit den einzelnen Elektrischer-Kontakt-Elementen 310 auf
der passenden gedruckten Schaltungsplatine 302 aufweisen.
Alternativ dazu kann das Zwischenelement 504 ein leitfähiges Z-Achse-Bauelement
sein, z.B. eine Bahn aus Gummi oder aus einem anderen isolierenden
Material, in die Drähte
oder andere leitfähige
Merkmale eingebettet sind, welche zu der Ebene des isolierenden
Materials senkrecht sind. Dieser Entwurf würde die Elektrischer-Kontakt-Elemente 602 ersetzen.
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Die
passende gedruckte Schaltungsplatine 302 ist mittels Führungsstiften
oder anderer (nicht gezeigter) Merkmale, die in dem Verbindergehäuse 501 oder
größeren System,
an dem das Verbindergehäuse
angebracht ist, z.B. einem (nicht gezeigten) Testkopf, mit dem Verbindersystem 500 ausgerichtet.
Die passende Schaltungsplatine 302 kann aus Rogers 4350;
Hochtemperatur-FR-4; standardmäßigem FR-4;
Nelco 4000-13 SI; einer flexiblen Schaltung, die über geformten,
bearbeiteten Kunststoff gewickelt ist; oder einem anderen, ähnlichen
Material hergestellt sein. Das elektrische Signal kann von der passenden
gedruckten Schaltungsplatine 302 durch die Platine-Zu-Platine-Zwischenverbindung 504 in das
Elektrischer-Kontakt-Substrat 503 und anschließend durch
Signalübertragungsbauglieder 507,
z.B. ein Koaxialkabel, zu und von einem Zielsystem oder einer Zielvorrichtung,
z.B. einem (nicht gezeigten) Speichertester, fließen. Die
Signalübertragungsbauglieder 507 können kabelartig
geformtes (ribbonized) RG178; Tempflex-Koaxialkabel mit niedriger
Dk; ein mit Goretexband umwickeltes Koaxialkabel; Tensolite-Standardlitzen-Koaxialkabel;
ein umwickeltes abgeschirmtes Tempflex-Koaxialkabel oder andere, ähnliche
Signalübertragungseinrichtungen
sein.
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Die
elektrischen Signale können
auch in die entgegengesetzte Richtung fließen. Dieses Verbindersystem
kann ohne beträchtliche
Verschlechterung des Kontaktwiderstandswerts mehrere tausend Mal passend
gekoppelt und wieder gelöst
werden. Die kabelartig geformten Koaxialkabel 507 können durch Verwendung
eines Heißstangenprozesses,
um die Herstellungskosten zu minimieren, an das Elektrischer-Kontakt-Substrat 503 massenangeschlossen sein
oder nicht. Das Verbindersystem kann zweiseitig sein, kann jedoch
auch entweder für
die Vakuumbetätigung
oder das Kontaktsubstrat einseitig sein. In einem einseitigen Fall
kann ein weiteres Bauglied oder Element die ortsfeste Backe bewegen,
um eine Einführung
der passenden gedruckten Schaltungsplatine 302 zu ermöglichen.
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Eine
Anwendung für
dieses Verbindersystem 500 ist eine Verwendung als DUT-Schnittstelle
oder Nadelkartenschnittstelle in einem Speichertestsystem mit einer
hohen Anzahl von Anschlussstiften, z.B. dem Speichertestsystem V5400
oder V5500 von Agilent Technologies, Inc. Jedoch kann dieses Verbindersystem 500 bei
anderen Systemen verwendet werden, bei denen ein Verbinden und Trennen
einer großen
Anzahl von Signalpfaden zwischen gedruckten Schaltungsplatinen erforderlich
ist.
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Eine
verbesserte RF-Leistungsfähigkeit kann
mit dem Verbindersystem 500 der vorliegenden Erfindung
dadurch erzielt werden, dass eine starre gedruckte Schaltungsplatine
als Kontaktsubstrat 503 verwendet wird. Eine verbesserte
mechanische Druckkraft kann hinter jedem Elektrischer-Kontakt-Substrat 503 dadurch
erreicht werden, dass ein Zwischenelement oder eine Platine-Zu-Platine-Zwischenverbindung 504 verwendet
wird. Eine verbesserte mechanische Wiederholbarkeit und Zuverlässigkeit
wird durch Betätigen
des Verbindersystems 500 unter Verwendung eines Vakuummechanismus 502 erzielt.
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Bei
bisherigen Verbindern nahm die elektrische Leistungsfähigkeit
ab, wenn die mechanische Leistungsfähigkeit des ZIF-Verbinders
verbessert wurde, und umgekehrt. Bisherige Lösungen verwendeten eine Kombination
aus einem Zwischen element und einer gedruckten Schaltungsplatine
zu einer flexiblen Schaltung mit Goldhöckern (siehe US-Patentschrift
6,833,696), bei der ein Verbessern des mechanischen Kontaktes der
Goldhöcker
erforderte, dass die flexible Schaltung dünner war, was die elektrische
Leistungsfähigkeit
verringerte. Umgekehrt müsste
die flexible Schaltung zur Erhöhung
der elektrischen Leistungsfähigkeit
dicker sein, was die mechanische Biegsamkeit des Substrats beeinträchtigen
und somit die mechanische Leistungsfähigkeit verringern würde.
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Das
vorliegende System von Verbindern mit kraftfreier Einführung 500 entflicht
die Beziehung zwischen der elektrischen Leistungsfähigkeit
des Kontaktsubstrats 503 und der auf jedes Elektrischer-Kontakt-Element 602 ausgeübten mechanischen
Kraft. Die vorliegende Erfindung verwendet eine starre gedruckte
Schaltungsplatine 503 und ein separates Zwischenelement
oder eine separate Platine-Zu-Platine-Zwischenverbindung 504, wobei
jedes Teil einzeln optimiert werden kann, die elektrische Leistungsfähigkeit
verbessert wird und die mechanische Belastung für jedes Elektrischer-Kontakt-Element 602 gleichmäßiger ist.
Eine Klemmwirkung wird durch ein oder mehrere Federbauglieder 506 geliefert,
die dahin gehend bemessen sind, eine gleichmäßige und ausreichende Klemmkraft
zu liefern. Ein Vakuum 502 wird dazu verwendet, den Verbinder 500 aus
der Klemmung zu lösen
und das Kontaktsubstrat 503 und das Zwischenelement 504 einzufahren.
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Manche
Implementierungen können
eine aktive oder passive Schaltungsanordnung an der passenden gedruckten
Schaltungsplatine 302 umfassen. Manche Implementierungen
des Verbindersystems 500 können eine Bewegung der Kontaktsubstrate 503 mit
einer aktiven Schaltungsanordnung, um eine Klemmwirkung zu erzielen,
erfordern, müssen
aber nicht. Aktive Schaltungen können
im Inneren des ZIF-Verbindergehäuses
an der gedruckten Schaltungsplatine angebracht sein. Bisherige Flexible-Schaltung-Lösungen ermöglichen
kein Löten
von Halbleiterbauelementen oder anderen Komponenten an die fle xible
Schaltung, da die flexible Schaltung nicht mehr flexibel wäre. Bei
manchen Implementierungen kann ein Kontaktsubstrat 503 ortsfest
sein, wobei sich die passende Schaltungsanordnung bewegt, um den
Vorgang der passenden Kopplung und der Lösung aus der passenden Kopplung
zu betätigen.
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Wie
in 1 und 3 gezeigt ist, können viele
Verbindersysteme mit kraftfreier Einführung 500 an einem
Testkopf 106 angebracht sein, um Verbindungen zwischen
einem (nicht gezeigten) Tester und einer DUT-Karte oder Nadelkarte 102 zu
ermöglichen.
In einem solchen Fall werden eventuell viele Vakuumdichtungen 502 gleichzeitig
betätigt,
um zu gewährleisten,
dass bei allen Verbindern 500 an dem Testkopf gleichzeitig
eine Betätigung
und Nicht-Betätigung
durchgeführt
wird. Ein derartiges Verbindersystem ermöglicht, dass eine Maschine,
z.B. ein Speichertester, für
verschiedene Aufgaben programmiert wird, indem eine Karte oder Platine
mit einer komplexen Elektronik auf derselben, die verschiedene Merkmale
der Maschine freigibt, abgeschaltet wird. Eine derartige Verwendung
ermöglicht,
dass ein Speichertester bei einem Scheibentest verwendet wird, um
Wafer dadurch zu testen, dass Verbindungen zwischen dem Testkopf
und passend koppelnden gedruckten Schaltungsplatinen auf einer Nadelkarte
hergestellt werden, und dass anschließend Chips getestet werden,
indem Verbindungen zwischen dem Testkopf und passend gekoppelten
gedruckten Schaltungsplatinen auf einer DUT-Karte hergestellt werden.
Die vorliegende Erfindung überwindet
bisherige passend koppelnde Verbinder, die entweder die Elektrischer-Kontakt-Elemente
auf der passend gekoppelten gedruckten Schaltungsplatine oder die
Kontakte des Verbinders beeinträchtigten, unzuverlässige Verbindungen
herstellten, oder bei denen sich die Qualität der Verbindungen nach vielen Verbindungen
verschlechterte.
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Wie
Fachleuten einleuchten wird, kann das kreisförmige Layout des Testkopfes
und der Nadelkarte oder der DUT-Karte auch ein anderes physisches
Layout als ein kreisförmiges
sein, z.B. geradlinig, linear usw.