Hohes Standvermögen kein Problem

Christian Neubauer, Marketing-Manager, Uwe Electronic, Unterhaching

Der Federkontaktstift, eine ursprünglich für den Baugruppentest entwickelte Technik, weisen eine nahezu linear dosierbare Regulierung der Kontaktkräfte und eine äußerst zuverlässige Kontaktierung sowie elektrische Leitfähigkeit auf, selbstim weiten Temperaturbereich von –50 bis 150°C. Wegen der großen Zahl von Anbietern für Testsockel und Federpins wird es für Testingenieure immer schwieriger, den Überblick zu behalten. Testsockel sind momentan in etwa einem halbes Dutzend verschiedener Produktionstechniken verfügbar, individuell noch variiert. Federkontaktstifte sind dabei dasam häufigsten verwendeten Kontaktiermittel.

Jahrelang gab es das Argument, daß Federkontaktstifte wegen langer Signalleitung und hohen Induktivität keinen optimalen Kontakt gewährleisten. Durch das Fehlen von Standards waren Anwender gezwungen, eigene Lösungen zu entwickeln. Dabei bedienten sie sich der Federkontaktstifte, der eigentlich zum Testen von Boards verwendet wurde. Dort erwies sich der Federkontaktstift lange Zeit als sehr zuverlässig in der Kontaktierung von Testpunkten auf Boards, auch bei Verschmutzungen. Ebenso erfolgreich zeigte sich der Stift beim Testen von ICs bei Rastermaßen von 1.27 bis 2.54 mm und Testfrequenzen bis 40 MHz. Die Stifte jedoch hatten eine Länge von fast 25 mm und genügten somit nicht den Anforderungen für Finepitch-Bauteilen wie BGA und CSP.

Die Miniaturisierung der Bauteile mit Rastermaßen bis zu 0.25mm und Testraten über 1GHz stellt für Federkontakte eine große Herausforderung dar. Es mußte eine Reihe von Kontakten entwick-elt werden, die hohen Anforderungen genügen. Durch die Reduzierung der Größe wurde dies beim elektrischen Test erreicht, wo der konstant niedriger Übergangswiderstand wichtig ist.

Federkontaktstifte arbeiten mit vertikaler Bewegung und können somit direkt über/unter dem Testpunkt plaziert werden. Dadurch ist es möglich, ein Testboard analog zur Vorlage zu entwickeln und deutliche Vereinfachung im Layout zu erzielen. Die Federkontaktstifte werden im Testsockel in Bohrlöchern geführt und bieten daher große Möglichkeiten, den Sockel kundenspezifisch zu gestalten.

Der traditionelle, beidseitig gefederte Federkontaktstift besteht aus einer Stifthülse, einer Innenfeder und zwei Kolben, die alle vergoldet sind. Unter Ausnutzung des Biasing-Effekts wird eine sichere Kontaktierung zwischen der Stifthülse und den beiden Kolben erreicht. Dabei fließt der Strom entlang eines Wegs von Kolben zu Stifthülse und Kolben, so daß die Feder nicht im leitenden Bereich liegt. Hunderttausende fehlerfreie Zyklen können damit erreicht werden. Die Verwendung von geschlossenen Kontakten vereinfacht sowohl den Austausch einzelner als auch vieler Stifte, wenn Reinigung oder Abnutzung dies erfordern. Die lange Lebensdauer und die einfache Austauschmöglichkeit reduzieren die Kosten. Federkontaktstifte bietet eine große Bandbreite an Anwendungen, die ermöglichen den selben Testsockel sowohl in Produktionstests und IC-Charakterisierungen als auch beim Burn-in zu verwenden. Ein Schlüsselelement in der Entwicklung einer Kontaktierungstechnik ist das Design des Kontakts für spezielle IC-Tests, wobei ein kosteneffizienter Produktionsprozeß beibehalten werden muß. Die meisten Sockelproduzenten sind von externen Anbietern abhängig, bei dem sie Federkontaktstifte kaufen. Wir offerieren Testsockel, die im selben Haus konstruiert und gefertigt werden wie die Kontaktstifte. Die langjährige Erfahrung verhilft, auch kundenspezifische Lösungen für High-Performance-Anwendungen rasch und kostengünstig zu entwickeln.

Wegen er heute nicht mehr leicht überschaubaren Zahl von Varianten und der Variablen in jedem Sockeldesign ist es nicht möglich, daß ein Federkontaktstift in allen Anwendungen eingesetzt werden kann. So benötigt z.B. ein BGA mit Solderballs von 0.3mm Durchmesser auf 0.5mm Rastermaß einen Federkontaktstift, der sich deutlich von einem Stift für 0.5mm Lotkugeln bei 0.8mm Raster unterscheidet.

Eine optimale Position des Balls ist erreichbar, wenn er nicht kontaktiert wird, d.h. ein Ball mit 0.75mm Durchmesser benötigt eine Federkontaktspitze, die ungefähr 0.75mm Durchmesser aufweist. Die Kopfform sollte dabei eine Krone mit vier Innenschneiden aufweisen, so daß die Kontaktfläche vom Scheitelpunkt (Lötbereich) des Balls verlagert ist. Auf diese Weise kontaktiert der Federkontaktstift nur die Peripherie der Lotkugel und verhindert Kontakt mit dem Scheitelpunkt. Anwendungen für 0.5, 0.8, 1.00 oder 1.27mmRaster würden konsequenter-weise Federkontaktstifte mit dem jeweiligen Lotkugel-Durchmesser benötigen.

Der Grund für unterschiedliche Designs von Federkontaktstiften ist in diesem Beispiel das Rastermaß und das Verhältnis der Durchmesser von Solderball zu Federkontaktspitze. Die Verwendung von variierenden Durchmessern und von unterschiedlichen Federkräften ist zwingend erforderlich, wenn man eine saubere Kontaktierung und optimale Testbedingungen erhalten will.Eine Kopfform, die zu groß ist, würde den kleineren Solderball überlappen und möglicherweise den IC berühren, ohne korrekt zu kontaktieren. Ausschlaggebende Faktoren für die Auswahl des Kontaktstifts sind Rastermaß, Kontakttyp, Solderball Durchmesser, Zahl der Anschlüsse, Anpreßdruck des Handlingsystems und Härte des DUT-Boards. Diese Variablen müssen geklärt sein bevor ein optimale Kontaktierung möglich ist. Zudem stellen hohe Kontaktkräfte ein Problem für BGAs dar, die bis zu 4000 Anschlüsse aufweisen können. Zudem sollen Testhandler mehrere Bauteilen in einem einzigen Durchlauf prüfen.

Die Kontaktkraft des Federkontaktstiftes kann verändert werden. Dadurch ist es möglich, hohe Kräfte im Handlingsystem zu vermeiden und den Druck auf Bauteile und DUT-Board zu minimieren, während die elektrischen und mechanischen Merkmale des Sockels unverändert beibehalten werden. Viele Anwender fragen nach Kontaktspitzen, die nur eine Berührungspunkt erzeugen, da sie erkannt haben, daß eine niedrige Federkraft nur kleine Deformationen im Zentrum des Solderballs verursacht und den Lötprozeßnicht beeinträchtigt. Der Federkontaktstift zeichnet sich durch verschiedene Designalternativen aus, die kundenspezifisch variierbar sind. Dies beinhaltet die Federkraft, Kopfform, Art und Dicke der Beschichtung, Durchmesser der Kontaktoberfläche und die Gesamtlänge des Federkontaktstiftes.

Federkontaktstifte erweisen sich in ihren elektrischen Eigenschaften besser als viele andere Techniken. Damit aufgebaute Testsockel weisen eine Induktivität unter1 nH auf. Stifte mit der Induktivität von0.5 nH und einer Länge von 2.4mm sind heute Standard. Diese winzigen Kontakte zeichnen sich vor allem durch niedrige Kontaktwiderstände und hohe Wiederholbarkeit über die gesamte Lebensdauer aus. Für die meisten dieser Kontakte wurde ein Wert unter 70 mh gemessen. Künftige Entwicklungen werden noch niedrigere Übergangswiderstände aufweisen.

Die mechanischen Besonderheiten sind im Inneren der Stifthülse anzutreffen. Zu erwähnen ist hier vor allem die besondere Bauform, die eine abgedichtete Kontaktierstelle bereitstellt. Dadurch ist derFederkontaktstift ideal für selbst stark verschmutzte Umgebung geeignet. DieFederkontaktstifte haben eine Lebensdauer von mehr als einer halben Million Zyklen, sofern sie in engen Spezifikationen gefertigt und gelegentlich gereinigt werden.

In den meisten Anwendungen soll ein Testsockel über Missing Ball Detection anzeigen, wenn eine Lotkugel fehlt, indem er diesen Testpunkt als offen bezeichnet und das Bauteil den Test nicht besteht. Dies wird erreicht, indem im Sockel die Position der Federkontaktstifte in Z-Richtung kontrolliert wird. In einigen Fällen will der Anwender jedoch die Funktionalität eines Bauteils testen, unabhängig davon, ob sich ein Ball in Position befindet oder nicht. In diesen Fällen wird durch eine konstruktive Änderung im Sockel sichergestellt, daß, unabhängig von der Ball-Position, eine Kontaktierung stattfindet.

Im Zuge der rasanten IC-Gehäuseentwicklung halten die Packagetoleranzen nicht immer Schritt mit der zur Positionierung eines Kontaktfelds erforderlichen Genauigkeit. Für ein 0.5-mm-Rastermaß erweisen sich Toleranzen der IC-Gehäuse über 20 µm bereits als zu ungenau für eine zuverlässige IC-Positionierung. In diesen Fällen sorgt ein schwimmend gela-gertes Kontaktfeld (Floating Nest) für Abhilfe. Während des Kontaktiervorgangs übernehmen die konischen Kopfformen der Federkontaktstifte in Verbindung mit dem Ball die Positionierung.

Stripline-Techniken mit vielen hundert Kontakten bestimmen die Anforderungen an künftige Kontaktierungen. Ebenso wird die Miniaturisierung der Testsockel weiter fortschreiten, um sich den immer kleiner werdenden Bauteilen (CSP) anzupassen. Viele kundenspezifische Sockel werden nebeneinander verwendet, oder aber mehrere Bauteile werden simultan in einem einzigen Sockel getestet. Schnelle Speicher erfordern Testfrequenzen über1GHz, die mit Federkontaktstiften von 2.4mm Länge und einer Induktivität von 0.5nH beherrschbar sind. Neue Federkontaktstifte, deren Prototypen bereits verfügbar sind, werden folgende Anforderungen erfüllen: Rastermaß 0.3mm und Induktivität unter 0.4nH bei einer Länge von 2.0mm.

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