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JP2018179820A - コンタクトプローブ - Google Patents

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JP2018179820A
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由香 山本
Yuka Yamamoto
由香 山本
通暁 武中
Michiaki Takenaka
通暁 武中
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Abstract

【課題】デバイス構造を破壊することなく自然酸化膜を破る回転機構を有したコンタクトプローブを提供する。
【解決手段】プローブピン1には突起4を設け、内部にプローブピン1が挿入される空洞部を有するバレル2には、突起4の移動を案内するとともに垂直部10Bとこの垂直部10Bの最上部から上方向に傾斜する第1の傾斜部10Aを有する溝10が設けられ、ばね3はバレル2の空洞部に設けられるとともに、更にばね3はプローブピン1の上面とバレル2の上部との間に設けることにより、押し込まれたプローブピン1の回転角度を制限する。
【選択図】図1

Description

この発明は、半導体素子の電気特性を測定するためのコンタクトプローブに関するものである。
従来のコンタクトプローブピンは、半導体素子の電極面にプローブピンが接触しオーバードライブすると、プローブピンの外側に掘られた溝に沿ってプローブ支持部に埋め込まれたガイド球が案内され、プローブピンが回転し、電極表面の自然酸化膜を突き破るよう構成されている(特許文献1参照)。
特開2009−115659号公報
上記のようなプローブピンでは、プローブピンの溝に沿ってガイド球が案内される場合に、溝とガイド球が擦れてプローブピンの溝もしくはガイド球から金属屑が発生し、その屑が溝に溜まりプローブピンが回転しなくなることがある。その結果電極表面の自然酸化膜を突き破ることができないという問題があった。さらに、プローブピンがオーバードライブした後、プローブピンが回転しすぎて、自然酸化膜の下に位置する半導体デバイス構造が破壊されてしまうという問題もあった。
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、デバイス構造を破壊することなく自然酸化膜を破る回転機構を有したコンタクトプローブを得ることを目的としている。
この発明に係るコンタクトプローブは、突起を有するプローブピンと、内部に上記プローブピンが挿入される空洞部を有し、上記突起の移動を案内するとともに垂直部と上記垂直部の最上部から上方向に傾斜する第1の傾斜部を有する溝が設けられたバレルと、上記空洞部に設けられるとともに上記プローブピンの上面と上記バレルの上部との間に設けられたばねを備えたものである。
上記のように構成されたコンタクトプローブによれば、プローブピンの回転角度が制限されているので、プローブピンはデバイス構造を破壊することなく、自然酸化膜のみを突き破ることができる。
実施の形態1によるコンタクトプローブを示す斜視図である。 実施の形態1によるプローブピン部分を示す斜視図である。 実施の形態1によるバレル部分を示す正面図である。 図1におけるD−D断面図、図1におけるE−E断面図、及びバレルを底面から見た状態を示す図である。 図1におけるB−B線断面図である。 実施の形態1によるプローブピンの突起部分を示す斜視図である。 実施の形態1によるプローブピンの突起部分を示す正面図である。 実施の形態1によるばね引っかけ部を示す斜視図である。 実施の形態1によるばね引っかけ部を示す斜視図である。 実施の形態1によるコンタクトプローブを示す斜視図である。 実施の形態1によるコンタクトプローブを示す斜視図である。 実施の形態1によるコンタクトプローブを示す斜視図である。 実施の形態2によるコンタクトプローブを示す断面側面図である。 実施の形態3によるコンタクトプローブにおけるプローブピンを示す斜視図である。 実施の形態3によるコンタクトプローブにおけるプローブピンを示す断面側面図である。 実施の形態4によるコンタクトプローブを示す斜視図である。 実施の形態4によるバレルを示す側面図である。 図16におけるG−G線を示す断面図である。 実施の形態6によるコンタクトプローブにおけるプローブピンを示す部分斜視図である。 図19における突起をK方向から見た正面図である。 実施の形態6によるコンタクトプローブを示す断面側面図である。 実施の形態7による突起を示す正面図である。
実施の形態1.
図1は実施の形態1によるコンタクトプローブを示す斜視図である。図2はプローブピン部分を示す斜視図、図3はバレル部分を示す正面図である。このコンタクトプローブは、図2に示すような突起4を有した円柱状のプローブピン1と、図3に示すような突起4の移動を案内する溝10を有するとともに、内部にプローブピンが挿入される空洞を有する円柱状のバレル2と、バレル2内部に設けられたばね3で構成されている。バレル2においては、溝10は下部に開口部101を有する垂直部10Bと、垂直部10Bの最上部からバレル2の上部方向に傾斜する傾斜部10A(第1の傾斜部)を備え、傾斜部10Aにおける溝の幅bおよび垂直部10Bにおける溝の幅cはプローブピン1の突起4との間に、両側各々M、Nに0.1mm〜0.5mmの隙間が形成されるよう構成され、溝の高さaはプローブピン1を押し込んだときのばね3の押し込み量と同じ高さを有し、更に溝10の傾斜部10A(第1の傾斜部)においては水平線に対してθ=10度〜15度の角度を有するような傾斜を有している。
高さaを有する溝10の垂直部10Bから傾斜部10Aにかけての溝10の円弧状部分の曲率はRとなっている。この曲率Rは後に図示するプローブピン1の円筒状の突起4の曲率Rと同等か、もしくはそれ以上の曲率を有する。図4(A)は図1におけるD−D線断面図、図4(B)は図1におけるE−E線断面図であり、更に図4(C)は図4(A)と図4(B)を重ね合わせた状態、即ちバレル2を底面から見た状態を示している。図3及び図4(C)において、X点とY点との間の回転角θは、θ=5度〜30度となるよう設定されている。
図5は図1におけるB−B線断面図である。図6はプローブピンの突起4部分を示す斜視図、図7は同じく正面図である。突起4は図7に示すような曲率Rを持った円柱形状に形成されるとともに、突起4の高さはバレル2の厚みhよりも大きく構成されている。又バレル2の内部にはばね引っかけ部5を有し、ばね3が挟まる構造になっている。図8、図9はばね引っかけ部を示す斜視図であり、ばね引っかけ部は、図8に示すようなばね3の直径よりも小さい内径を有する円柱状の突起構造5Aで構成しても良く、もしくは図9に示すように、内部に突出する2個以上の突出部5Bで構成しても良い。図9では2個の突出部をもった構造を示している。またばね3は、プローブピン1の上面と点もしくは面接触によりプローブピン1と接合されている。本実施形態では、プローブピン1の上面とばね3の先端部分が点Qで接合されている構造を示している。
上記のような構成によれば、電気測定の対象物にプローブピン1の先端が接触した後、プローブピン1の突起4がバレル2の垂直部10Bに沿って、高さaの部分まで押し込まれる。その後、θ=10度〜15度の角度を有する傾斜部10Aに押し込まれながら、θ=5度〜30度を有する回転角度の範囲でプローブピン1が回転し、この状態で電気測定を行う。電気測定が終了すると、ばね3が元の状態に戻ることにより、プローブピン1は元の位置まで戻る。このとき、ばね引っかけ部5がばね3を挟みこんでいるため、バレル2からプローブピン1が落下するのを防止することができる。
また、プローブピン1が元の位置に戻る際、バレル2の溝10は突起4と同等もしくはそれ以上の曲率Rを有しているため、プローブピン1が回転動作から直線動作へ移る際、突起4がバレル2の溝10に引っかかることなく、潤滑に動作することができる。また、突起4の底部も曲率Rに構成されているので、プローブピン1が回転動作から直線動作へ移る際に突起4は潤滑に動作することができる。また、バレル2の溝幅として突起4との間に両側各々M、Nに0.1mm〜0.5mmの隙間を設けることで、プローブピン1がバレル2に押し込まれ、元の状態に戻る動作の際、僅かに左右方向にランダムに動くことができるので、プローブピン1の先端と電気測定の対象物との接触面が固定されない。
このように、突起4が溝10の高さa部分まで押し込まれた後、θ=10度〜15度の傾斜角度で押し込まれながら、θ=5度〜30度の範囲でプローブピン1が回転するという機構をもつことで、特開2009−115659号公報に示されたような従来の構造に比べるとバレル2の溝の設計が容易となり、製造コストが削減できる。電気測定の対象物に接触した状態でプローブピン1の回転範囲をθ=5度〜30度と限定することで、自然酸化膜の下に位置するデバイス構造を破壊することなく、自然酸化膜のみを破ることが可能である。一般的に自然酸化膜の膜厚は2nm以下であり、θ=5度以下では完全な酸化膜除去はできない。θ=30度以上では自然酸化膜の下に位置する電極を過剰に押しつけ、電極にかかる圧力で電極の下にあるデバイス構造にクラックや、形状破壊が引き起こされる。従って回転範囲を5度〜30度と限定することで、上記のような効果を得ることができる。
また、このプローブピン1の回転は、例えば、図10に示すように、バレル2の溝におけるθを30度となるよう設計した場合で、押し込み量をθ=10度までの押し込み量に制限することも可能である。このような押し込み量の設定はテスト装置側にあるサーボモータに流れる電流を制御することによりモータのトルクを制御し、回転角を制御することにより所定の回転角度となるよう数値制御するものである。図11はθを30度となるよう設計し、押し込み量をθ=10度とした場合の斜視図である。さらに、θが30度になるよう設計された構造で、押し込み量をθ=10度にした場合に、酸化膜除去が不十分でプローブピン1の先端が電極の新面(自然酸化膜の下に位置するデバイス面)に到達せず、電気特性が測定できなかった場合、更には特性に異常がある場合は、更なる自然酸化膜の除去が必要となる。その際、θは30度となるよう設計するとともに、10度までの押し込み量では不十分であるため、更に20度まで押し込むようにすることもできる。従って前述の不具合が生じた場合、押し込み量の設定をテスト装置側で20度、30度と設定変更をするだけで、自然酸化膜を破るようにすることも可能である。図12はθを30度となるように設計し、押し込み量をθ=30度とした場合の斜視図である。
また、バレル2の溝幅においてプローブピンの突起4との間に隙間が生じるように設計することにより、溝と突起4とが擦れる量が抑えられ、溝10および突起4からの金属屑の発生が抑制でき、バレル2の溝10へのプローブピン1の押し込みや、回転を阻害することなく、動作させることが可能である。また、溝10と突起4の間に隙間があるため、プローブピン1が僅かに左右方向にランダムに動くことができ、プローブピン1の先端と電気測定の対象物との接触が始まる位置も変えることができる。従ってプローブピン1の先端に付着する金属屑の堆積箇所も変えることができ、プローブピン1の交換頻度や、金属屑の除去等のプローブピン1のメンテナンスの頻度を少なくすることが可能である。
また、本実施形態のコンタクトプローブにおいては、バレル2と、ばね3が接合されたプローブピン1が一体型になっていない構造である。ばね3が接合されたプローブピン1、もしくはバレル2の何れかのメンテナンスが必要になった場合、バレルとプローブピンとばねが一体型になっているような構造では、コンタクトプローブごと交換する必要があった。これに対して本実施形態によるコンタクトプローブは、例えば、プローブピン1に異常があった場合、ばね3が接合されているプローブピン1をバレル2から取り外し、新たなばね3が接合されたプローブピン1をバレル2へはめ込み、ばね引っかけ部5にばね3を挟み込みことでメンテナンスが完了となる。そのためメンテナンスのコストを低減することができる。
実施の形態2.
図5においては、プローブピン1の上面が、点もしくは面接触の状態でばね3と接合されるよう構成し、プローブピン1とばね3が直接に接合されることで電気的導通を取れるよう構成した例を示した。これに対して電気的導通がとれるような、例えば銅、銀、金、鉄といった金属板6をばね3の端部とはんだ等で接合し、この金属板6とプローブピン1をはんだ等で接合することで、金属板6を介してプローブピン1とばね3との間に電気的導通を取るようにしてもよい。また、図5においては、バレル2とばね3の電気的導通は、バレル2とばね3が直接に接触することで実現している。これに対して金属板7をばね3にはんだ等で接合し、金属板7とバレル2を接触させ、金属板7を介してばね3とバレル2の電気的導通をとる構造を採用しても良い。
図13は実施の形態2によるコンタクトプローブを示す断面側面図である。図13において、ばね3の両端部に金属板6および金属板7をはんだ等で接合させ、さらに金属板6とプローブピン1の上部をはんだ等で接合させている。金属板7は、ばね引っかけ部5からバレル2の上部の隙間に入ることができるような厚み及び大きさに構成されている。
上記実施の形態1においては、プローブピン1とばね3との電気的導通に関しては、プローブピン1とばね3の接触面積はばね3の先端、もしくはばね3の一部の面のみであるので、電気的導通を取っている面積がばねの直径分しかなかった。これに対して本実施形態においては、金属板6を介しているので、接触面積が大きくなり、安定した電気的導通を確保することができる。また実施の形態1ではばね3とバレル2の接触面積は上記と同様にばねの先端、もしくはばねの一部の面のみであるので、電気的導通を取っている面積がばねの直径分しかなかった。これに対して本実施形態においては、金属板7を介しているので、接触面積が大きくなり、安定した電気的導通を確保することができる。その結果、正確な電気特性の数値を得ることが可能である。
実施の形態3.
図14は実施の形態3によるコンタクトプローブにおけるプローブピンを示す斜視図、図15は同じく断面側面図である。図5においては、プローブピン1とばね3が直接に接合され、又図13においては、金属板6を介してプローブピン1とばね3が接合するよう構成した例を示した。これに対して図14、図15に示すように、プローブピン31の上面において、ばね3の直径よりも小さな内径を有するばね引っかけ部32を形成するとともに、プローブピン31の上部にキャビティ33を設け、ばね3を引っかける構造を形成するようにしてもよい。更にばね3には、金属板6及び金属板7を接合しても良い。図15においては、金属板6および金属板7をばね3に接合させ、プローブピン31の内部に円柱状のキャビティ33を加工し、その中に金属板6およびばね3の端部を入れ込み、ばね3を引っかけた構造としている。尚バレル2と金属板7は直接接合されておらず、又金属板6とプローブピン31も直接接合されていない。
このような構成によれば、実施の形態2と同様に電気的導通が安定し、正確な電気特性の数値を得ることが可能である。さらにプローブピンがバレル2の溝10に沿って回転する際、図5および図13の構造では、プローブピンとばね3の接合部、もしくは金属板6とばね3の接合部が捻じれて、ばね3の断線や劣化が生じ、プローブピンがバレル2から落下する可能性がある。これに対して本実施形態においては、金属板6とプローブピンが直接接合されていないため、上記に示した接合部分に捻じれが生じない。従ってばね3の劣化を抑制できるとともに、バレル2からプローブピンが落下するのを防止することが出来る。尚図15においては、金属板6、7を設けた例を示しているが、金属板を設けないように構成しても良い。
実施の形態4.
図16は実施の形態4によるコンタクトプローブを示す斜視図、図17はバレルを示す側面図、図18は図16におけるG−G線を示す断面図である。実施の形態3においてはプローブピン1の上部にばね引っかけ部を設けた例を示したが、図17に示すような溝40を有したバレル42を設け、プローブピン1の落下を防止するようにしてもよい。図17において、溝40は第1の傾斜部40A、第1の垂直部40B、第2の傾斜部40C、第2の垂直部40Dを有し、第1の傾斜部40Aの溝の幅b、第1の垂直部40Bの溝の幅c及び第2の垂直部40Dの溝の幅dはプローブピン1の突起4との間に、両側各々に0.1mm〜0.5mmの隙間が形成されるよう構成され、第2の傾斜部40Cの溝の幅eはプローブピン1の突起4の直径と同等、もしくは溝とプローブピン1の突起4との間に0.1mm以下の隙間が形成される。溝の高さaはプローブピン1を押し込んだときのばね3の押し込み量と同じ高さを有し、更に第1の傾斜部40Aにおいては水平線に対してθ=10度〜15度の角度を有するような傾斜を設けている。
更にはθ=2度〜5度の角度をもった第2の傾斜部40Cを有している。高さaを有する第1の垂直部40Bから第1の傾斜部40Aにかけての溝の円弧状部分の曲率はRとなっている。この曲率Rはプローブピン1の突起4の曲率Rと同等か、もしくはそれ以上の曲率を有する。また、図16においても、図1と同様、D−D断面、E−E断面は、実施の形態1と同様に図4に示すような形状をもち、更にはθについても、実施の形態1と同様θ=5度〜30度の角度をもつ。図18において、バレル42の内部には実施の形態1に示すようなばね引っかけ部を設けても良いし、あるいは設けなくても良い。図18では、ばね引っかけ部がないバレル42の内部構造を示している。またばね3は、実施の形態1に示すように、プローブピン1の上面と点接触もしくは面接触の状態で接合されていない。
このような構造によれば、プローブピン1の突起4は第2の垂直部40Dの開口部401から第2の垂直部40D、第2の傾斜部40Cを通り、高さaを有する第1の垂直部40Bの最下部まで挿入させた後、プローブピン1に加重をかけて、電気測定の対象物にプローブピン1の先端を接触させる。その後プローブピン1の突起4がバレル42の溝40に沿って、高さa部分まで押し込まれた後、θ=10度〜15度の角度を有する第1の傾斜部40Aに押し込まれながら、θ=5度〜30度の範囲を有する回転角度でプローブピン1が回転し、この状態で電気測定を行う。電気測定が終了すると、ばね3が元の状態に戻ることにより、プローブピン1は第1の垂直部40Bの最下部(底部)まで戻る。このとき、実施の形態1ではばね引っかけ部5にばね3が挟まっているため、プローブピン1がバレル2から落下しないようにしていた。
これに対して本実施形態では、バレル42の第1の垂直部40Bに底部を設けることで、プローブピン1の落下を防止する。また、プローブピン1の突起4の直径と同等、もしくは溝の幅eとプローブピン1の突起4との間に0.1mm以下の隙間をもつ第2の傾斜部40Cと、更にこの第2の傾斜部にθ=2度〜5度の角度をもたせることで、プローブピン1の突起4がバレル42の第1の垂直部40Bの底部から高さaを有する部分に向けて押し込まれる際に、誤って溝の幅eを有する第2の傾斜部40Cの方向へ押し込まれない構造となっている。また、実施の形態1と同様に、バレル42の溝の幅b、cとプローブピン1の突起4との間に0.1mm〜0.5mmの隙間を設けることで、プローブピン1がバレル42の溝に押し込まれ、元の状態に戻る動作の際、僅かに左右方向にプローブピン1がランダムに動くことができる。従ってプローブピン1の先端と電気測定の対象物との接触面が固定されない。このように、電気測定が終了した後、プローブピン1がバレル42の第1の垂直部40Bの最下部に戻ることで、プローブピン1がバレル42から落下することを防止することができる。
実施の形態5.
上記実施の形態4においては、ばね3はプローブピン1の上面と点もしくは面接触されており、直接接合されていない。これに対して図16〜図18の構造において、ばね3の端部に電気的導通がとれる、例えば銅、銀、金、スズ、鉄といった金属板6をばね3とプローブピン1の間に介在させてもよい。またバレル42とばね3の電気的導通は、図18に示す構造ではバレル42とばね3が直接接触することで電気的導通をとっている。これに対して図15に示すような金属板7をばね3とバレル42の間に挟み、電気的導通をとるようにしてもよい。
このような構成によれば、プローブピン1の上面と金属板6が接触する面積は、ばね3と直接接触する場合の面積よりも大きくなる。また、バレル42と金属板7が接触する面積は、ばね3と直接接触する場合の面積よりも大きくなる。
このように、バレル42とばね3の接触面積、及びプローブピン1とばね3の接触面積が増えるので、バレル42内部の表面仕上げに凹凸があった場合や、プローブピン1の上面の表面仕上げに凹凸があった場合でも、安定した電気的導通を取ることが可能である。さらに、金属板6および金属板7はばね3と直接接合されていないため、プローブピン1がθ=5度〜30度の範囲で回転した場合でも、ばね3は捻じれず、ばね3の劣化を抑制することが可能である。
実施の形態6.
図19は実施の形態6によるコンタクトプローブにおけるプローブピンを示す部分斜視図、図20は図19における突起4をK方向から見た正面図である。図19、20において、プローブピン1の突起4には、嵌合溝61を設けたものである。プローブピン1の突起4に設けられる嵌合溝61の幅fは、バレル2の厚みhよりも0.1mm〜0.5mm大きくなるよう構成されている。このような構成によれば、実施の形態1および実施の形態4に示される構造において、プローブピン1がバレルに設けられた垂直部における高さaの最上部まで押し込まれた際に、プローブピン1の突起4がバレルの厚み部分に嵌合する。
そしてθ=10度〜15度の角度で傾斜部に押し込まれる動作のガイドとなり、さらにθ=5度〜30度の範囲でプローブピン1が回転する際に、回転動作をガイドすることができる。図21は、バレルに設けられた垂直部における高さaの最上部まで押し込まれた際に、プローブピン1の突起4がバレルに嵌合している状態を示す側面断面図である。
このように、プローブピン1の突起4に嵌合溝61を設けることで、自然酸化膜の除去に必要なプローブピン1の回転をガイドできる。更に実施の形態1〜実施の形態4よりもプローブピン1が容易に回転できるため、自然酸化膜を確実に除去することが可能である。
実施の形態7.
プローブピンの突起に設けられた嵌合溝は、傾斜を有した構造でも良い。図22は突起を示す正面図であり、図20に対応する図である。図において突起4に傾斜嵌合溝71が設けられている。ここで傾斜嵌合溝71の傾斜角は、バレルに設けられた第1の傾斜部の傾斜角θと同じ角度であることが望ましいが、それ以外でも良い。
このような構成によれば、プローブピン1がバレルに設けられた垂直部における高さaの最上部まで押し込まれた際に、プローブピン1の突起4がバレルに嵌合し、θ=10度〜15度の角度で押し込まれる際に、実施の形態6の場合よりもさらに潤滑に動作することが可能である。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
1,31 プローブピン、2 バレル、3 ばね、4 突起、
5,32 ばね引っかけ部、6,7 金属板、10 溝、10A 傾斜部、
10B 垂直部、61,71 嵌合溝。

Claims (7)

  1. 突起を有するプローブピンと、
    内部に上記プローブピンが挿入される空洞部を有し、上記突起の移動を案内するとともに垂直部と上記垂直部の最上部から上方向に傾斜する第1の傾斜部を有する溝が設けられたバレルと、
    上記空洞部に設けられるとともに上記プローブピンの上面と上記バレルの上部との間に設けられたばねを備えたことを特徴とするコンタクトプローブ。
  2. 上記突起と上記溝との間には両側各々に0.1mm〜0.5mmの隙間が設けられていることを特徴とする請求項1記載のコンタクトプローブ。
  3. 上記バレルの内部には上記ばねが挟まるようなばね引っかけ部が設けられていることを特徴とする請求項1又は請求項2記載のコンタクトプローブ。
  4. 上記プローブピンの上面において上記ばねの直径よりも小さな内径を有するばね引っかけ部を形成するとともに、上記プローブピンの上部にキャビティを設けたことを特徴とする請求項1又は請求項2記載のコンタクトプローブ。
  5. 上記垂直部に底部を設け、上記底部に接続されるとともに上記バレルの上方向に傾斜する第2の傾斜部を設けたことを特徴とする請求項1又は請求項2記載のコンタクトプローブ。
  6. 上記プローブピンと上記ばねの間に金属板を設けるとともに、上記ばねと上記バレルの間に金属板を設けたことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のコンタクトプローブ。
  7. 上記突起には上記バレルの厚み部分に嵌合するための嵌合溝を設けたことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のコンタクトプローブ。
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WO2020203155A1 (ja) * 2019-03-29 2020-10-08 日本電産リード株式会社 接触端子、検査治具、および検査装置
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