具有可旋转柱塞的电探针的制作方法

本公开内容总体涉及电连接器，更具体地，涉及一种具有可旋转柱塞的电探针以及相关的制造方法。

背景技术：

在电子和半导体行业中，作为生产过程的一部分，测试系统被用来测试和验证集成电路(IC)芯片。该测试系统通常包括一个用于接收IC芯片的插座(socket)主体、一个用于测试该IC芯片的印制电路板(PCB)以及一个用于提供IC芯片与PCB之间的电连接的电连接器。该电连接器可以包括定位在插座主体内部的多个电探针。每个电探针可以包括一对柱塞以及一个布置在该对柱塞之间的弹簧。所述柱塞和该弹簧可以被接收在一个壳体(shell)或外壳(casing)内部，使得该弹簧对所述柱塞施加偏置力以使所述柱塞相对于该壳体向外偏置。

然而，某些类型的电探针可能不适用于测试某些类型的IC芯片。例如，方形扁平无引脚(QFN)芯片具有暴露相对小的用于电连接的接触表面。并且，在一些情形下，这些表面可能被在生产过程中产生的碎屑或杂质覆盖，这会妨碍柱塞与IC芯片之间的电连接。因此，一个仅在垂直方向上往复移动的电探针可能不足以确保用于测试芯片的适当的电连接。

技术实现要素：

本公开内容的各种示例性实施方案可以提供一种具有可旋转柱塞的电探针，使得该柱塞的一个头部(tip)可以围绕其轴线旋转以擦洗掉在接触区域覆盖IC芯片的碎屑或杂质且因此产生增强的与IC芯片的电连接。

根据本公开内容的一个示例性方面，一种电探针可以包括一个壳体，该壳体沿着纵向轴线延伸并且限定一个具有在第一端的开口的内腔，其中该壳体可以包括一个颈部，该颈部由一个围绕纵向轴线扭曲以形成内凸轮表面的中空多边形轴限定。该电探针还可以包括一个可滑动地接收在该内腔中的柱塞。该柱塞可以包括一个配置成至少部分延伸穿过在该第一端的该开口的头部以及一个与该头部一体形成的凸轮元件，该凸轮元件具有一个在大体上垂直于纵向轴线的平面中的限定形状，该限定形状的外缘与该中空多边形轴的横截面部分的内缘大体上一致，并且小于该中空多边形轴的横截面部分的内缘。在一些示例性实施方案中，当沿着该壳体的纵向轴线往复移动该柱塞时，该凸轮元件可以与该颈部的该内凸轮表面接合以引起该头部的旋转。该柱塞还可以包括一个偏置装置，该偏置装置被配置成在该柱塞上施加一个偏置力。

在另一个示例性方面中，一种电连接器可以包括一个具有多个插座腔的插座主体以及布置在对应的多个插座腔内部的多个电探针。所述多个电探针中的每个可以包括一个粘贴到每个对应的插座腔的内表面的壳体，其中该壳体可以沿着纵向轴线延伸并且限定一个具有在第一端的开口的内腔。该壳体还可以包括一个颈部，该颈部由一个围绕纵向轴线扭曲以形成一个内凸轮表面的中空多边形轴限定。该电探针还可以包括一个可滑动地接收在该内腔中的柱塞，其中该柱塞可以包括一个配置成至少部分延伸穿过在该第一端的该开口的头部以及一个与该头部一体形成的凸轮元件，该凸轮元件具有一个在大体上垂直于纵向轴线的平面中的限定形状，该限定形状的外缘与该中空多边形轴的横截面部分的内缘大体上一致，并且小于该中空多边形轴的横截面部分的内缘。在一个示例性实施方案中，当沿着该壳体的纵向轴线往复移动该柱塞时，该凸轮元件可以与该颈部的该内凸轮表面接合以引起该头部的旋转。该电探针还可以包括一个偏置装置，该偏置装置被配置成在该柱塞上施加一个偏置力。

根据一些示例性方面，提供了一种制造电连接器的方法。该方法可以包括将镀覆的芯轴插入插座主体的插座腔中，其中该镀覆的芯轴可以具有一个在芯轴的外表面上的镀覆层。该芯轴可以包括一个颈部，该颈部由一个围绕纵向轴线扭曲的大体多边形轴限定。该方法可以还包括将该镀覆的芯轴固定到插座腔中以及将该芯轴从该插座腔去除同时保留该镀覆层的至少一部分，以形成固定到该插座腔的壳体。在一些示例性实施方案中，该壳体的内腔可以包括一个凸轮表面，该凸轮表面由该颈部的扭曲的多边形轴限定。该方法还可以包括将一个柱塞和一个偏置装置插入到该壳体的内腔中，其中该柱塞可以包括一个头部以及一个与该头部一体形成的凸轮元件，该凸轮元件具有一个在大体上垂直于纵向轴线的平面中的限定形状，该限定形状的外缘与该多边形轴的横截面部分的内缘大体上一致，并且小于该多边形轴的横截面部分的内缘。根据一个示例性实施方案，当沿着纵向轴线往复移动该柱塞时，该凸轮元件可以与该壳体的该凸轮表面接合以引起该头部的旋转。

本公开内容的附加目的和优点一部分将在下面的说明书中提出，一部分将从所述说明书中变得显而易见或者可以通过实践本公开内容而获知。本公开内容的所述目的和优点将通过在所附权利要求中特别指出的元件和组合来实现和获得。

应理解，前面的一般性描述和下面的详细描述仅是示例性和解释性的，并不限制所要求保护的本发明。

附图说明

合并在说明书中并且构成本说明书的一部分的附图描述了符合本发明的各种示例性实施方案，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是例示根据本公开内容的一个示例性实施方案的测试系统的各种部件的立体图；

图2是根据本公开内容的一个示例性实施方案的布置在一个插座腔内的电探针的横截面图；

图3-5是图2中的电探针分别在自由状态下的横截面图、在PCB按压状态下的横截面图以及在测试状态下的横截面图；

图6是根据本公开内容的一个示例性实施方案的用来形成电探针的壳体的芯轴的立体图；

图7是具有位于插座腔中的镀覆的芯轴的插座主体的横截面图；

图8是图7中示出的插座主体在镀覆的芯轴的顶端和底端被去除之后的横截面图；

图9是图8中示出的插座主体在芯轴被去除之后的横截面图；以及

图10是例示图2的电探针的一个示例性装配的示意图。

具体实施方式

现在将详细参考本公开内容的示例性实施方案，其实施例被例示附图中。尽可能地，相同的附图标记将在全部附图中被用来代表相同或者相似的部分。

图1例示了根据一个示例性实施方案的测试系统100，在该测试系统中可以使用本公开内容的电探针。虽然本公开内容的各种示例性实施方案将结合一个用于测试IC芯片的特定测试系统进行描述，应理解，本公开内容可以被应用于涉及许多不同类型的电子器件和/或半导体器件的各种各样的测试系统和应用，或结合涉及许多不同类型的电子器件和/或半导体器件的各种各样的测试系统和应用使用。

参考图1，测试系统100可以包括一个用于接收用于测试的IC芯片(未示出)的定位板20、一个具有多个插座腔45的插座主体40、安装在插座主体40的各自的插座腔45内的多个电探针60、以及一个配置成将电探针60固定在插座腔45内的保持器80。

定位板20可以包括一个芯片腔25，该芯片腔的形状和尺寸被设置成接收一个待被测试的IC芯片。定位板20还可以被配置使得当一个IC芯片被放置在芯片腔25内时，该IC芯片的接触垫可以与对应的安装在插座主体40中的电探针60的电触头对齐。定位板20还可以包括用于将定位板20紧固到插座主体40和/或紧固到一个合适的支撑框的合适的紧固件。例如，如图1中示出的，定位板20可以包括可以延伸到在插座主体40中形成的对应的孔42或与在插座主体40中形成的对应孔42接合的螺纹插入件22或螺钉。定位板20和插座主体40中的每个还可以包括合适的定位特征43以及定位孔47，以使定位板20和插座主体40相对于彼此对准。

保持器80可以形成一个大体上平的板，该板具有一个或多个与插座主体40的各自的插孔45对齐的保持器腔85。在一些示例性实施方案中，插座主体40可以包括一个在底部表面上面向保持器80以在其中接收保持器80的凹部(未示出)。保持器80可以通过合适的紧固件(诸如，螺钉90)被固定到插座主体40。

定位板20、插座主体40以及保持器80可以是总体上是平坦的，并且可以彼此相邻布置。例如，定位板20可以位于插座主体40的顶部，并且插座主体40可以位于保持器80的顶部，如图1中示出的。

图2例示了根据一个示例性实施方案的电探针60。电探针60可以是一个配置成在两个电子元件之间传递电信号的互连器。例如，根据一个示例性实施方案，电探针60可以被设置在测试系统100中以将一个IC芯片电连接到一个被用于测试该IC芯片的PCB。

如上所述，每个电探针60可以被安装到插座主体40的一个对应的插座腔45。插座主体40可以由一个绝缘基板形成以电隔离多个电探针60。如之后将更详细地描述的，电探针60可以被直接组装到插座主体40的插座腔45中。在一个替代的实施方案中，电探针60可以被预先组装在壳体或外壳内，其可以随后被焊接或被压装到对应的插座腔45中。

如图2中示出的，电探针60可以被布置在对齐的一对插座主体40的插座腔45和保持器80的保持器腔85中，其中插座腔45与该IC芯片的对应的接触垫对齐并且保持器腔85与该PCB的对应的接触垫对齐。因此，布置在对齐的一对插座腔45和保持器腔85中的电探针60可以在被放置在芯片腔25内的IC芯片的对应的接触垫和被放置在保持器80下面的PCB的对应的接触垫之间实现电连接。

电探针60的数量(以及插座腔45和保持器腔85的对应的数量)会根据许多因素变化，包括但不仅限于被测试的IC芯片的类型和配置、期望的数据速率以及通过电探针60电连接的PCB或器件的结构。

如图2中示出的，电探针60可以包括一个顶部柱塞64、一个底部柱塞66以及一个布置在顶部柱塞64和底部柱塞66之间的偏置装置65。电探针60还可以包括一个配置成大体上包围顶部柱塞64、底部柱塞66以及偏置装置65的壳体50，其中顶部柱塞64、偏置装置65以及底部柱塞66全部都被可移动地安置在壳体50内部。

壳体50可以是总体上管状的并且可以由导电材料形成，诸如，镀覆合金(例如，镍和/或金)。壳体50可以形成在插座腔45内部使得其外表面的至少一部分与插座腔45的内表面是同构的。壳体50的横截面可以是圆形、椭圆、方形、矩形或任意其它形状。壳体50可以包括具有不同横截面形状和/或尺寸的多个部分。

在一个示例性实施方案中，壳体50可以直接形成在插座腔45内部。一种合适的粘合材料(诸如，环氧树脂)可以被用来填充壳体50和插座腔45之间的空间，并且因此将壳体50固定在插座腔45内。替代地或附加地，壳体50可以被压装到插座腔45内。

顶部柱塞64可以包括一个在远端的头部61、一个在与远端相对的近端的尾部63以及一个布置在头部61和尾部63之间的凸轮元件62。凸轮元件62可以在一个大体上垂直于顶部柱塞64的纵向轴线的平面上从一个在头部61和尾部63之间的轴部分横向延伸。头部61、凸轮元件62以及尾部63可以整体形成为一个单独的单元。

凸轮元件62可以具有一个大体上多边形的形状。例如，在图2中示出的实施方案中，凸轮元件62可以被配置为一个具有小于其宽度(在垂直于顶部柱塞64的轴线的平面上)的厚度(沿着顶部柱塞64的轴线)的方形。在一些示例性实施方案中，由多边形的顶点形成的凸轮元件62的侧边缘可以被倒角以在侧面之间形成一个光滑的过渡。

壳体50可以包括一个远端开口51，顶部柱塞64的头部61可以延伸通过远端开口51以电接触IC芯片的对应的接触垫。壳体50还可以包括一个肩部53，肩部53被配置成邻接凸轮元件62的顶部表面，作为一个用于防止头部61延伸超过预定距离的阻挡件。

壳体50的顶部部分可以包括一个限定内腔的颈部55，该内腔被配置成与顶部柱塞64的凸轮元件62配合或接合，以使得顶部柱塞64随着它沿着其纵向轴线上下往复移动而旋转。例如，如将在本文中更详细地描述的，颈部55的该内腔可以由一个围绕中心轴线扭曲的中空多边形轴(例如，方形轴)限定，因此形成一个总体上螺旋的凸轮表面，该凸轮表面形状和尺寸被设置成接收凸轮元件62且与凸轮元件62接合。因此，随着顶部柱塞64沿着其轴线上下往复移动，凸轮元件62的外围侧表面可以接触颈部55的凸轮表面并且沿着颈部55的凸轮表面行进，这使得包括头部61的顶部柱塞64围绕其轴线旋转。尽管在图2的公开的实施方案中，壳体50的颈部55具有一个方形的横截面形状，应理解颈部55可以具有任何其他多边形形状，诸如，例如，三角形或五角形。另外，与该公开内容一致，应理解颈部55不限于多边形形状(无论规则的或不规则的)，而可以呈现任何非圆形形状，诸如，大体上椭圆的形状、“卵”形或任何其它不规则的形状。

在一些示例性实施方案中，颈部55的横截面面积可以沿着其长度的至少一部分变化。例如，在图2中示出的公开的实施方案中，颈部55的横截面面积可以从大约中点沿着其长度到颈部55底部逐渐增大，这可以作为一个在限定凸轮表面的颈部55的上部和邻近插座腔45的内表面的壳体50的主体之间的过渡。

根据各种示例性实施方案，随着顶部柱塞64从自由状态(例如，图3)行进到测试状态(例如，图5)，顶部柱塞64相对于顶部柱塞64的轴线的角位移(例如，旋转的角度)可以小于大约90度。例如，在一个示例性实施方案中，在颈部55的内腔中相对于中心轴线且在颈部55的长度内的扭曲角度可以在大约30度到大约40度的范围内，颈部55的长度可以在大约0.25mm到大约0.35mm的范围内。在上面参考图3-5描述的实施方案中，由于顶部柱塞64行进大约0.2mm的距离，该角位移可以是大约23度，忽略标称间隙和公差。具有这样一个相对较小的顶部柱塞64的角位移可以防止在IC芯片10的接触垫上的过渡擦洗，该过渡擦洗可能会对该接触垫造成损害并且产生不希望的碎屑和/或杂质。应理解，公开的尺寸只仅仅是实施例且被提供以有助于本公开内容的各种可能的配置的解释。在一些示例性实施方案中，该角位移可以大于90度。

在一些示例性实施方案中，壳体50还可以包括一个与壳体50相关联(例如，粘贴)的卷曲部(未示出)。该卷曲部的形状和尺寸可以被设置成捕获凸轮元件62，使得顶部柱塞64不会移动到预定位置以下。

底部柱塞66可以包括一个尾部68和一个从尾部68延伸的头部69以电连接放置在保持器80(参见，例如，图4)下面的PCB的对应的触头。底部柱塞66还可以包括一个中心突出部67，该中心突出部在与头部69相反的方向上从尾部68轴向延伸。中心突出部67的形状和尺寸可以被设置成被插入偏置装置65的中空中心中，如图2中示出的。尾部68的横截面可以大于头部69的横截面，使得保持器腔85仅允许头部69通过，同时至少部分地防止尾部68完全穿过其中，以便将底部柱塞66固定在插座腔45和保持器腔85内部。

偏置装置65可以是一个弹簧或能够将一个偏置力施加在顶部柱塞64和底部柱塞66中的一个或两者上以使它们从壳体50向外偏置的任何其它装置。偏置装置65可以具有一个经成型以对应壳体50的内表面的形状的横截面。

顶部柱塞64的头部61和尾部63以及底部柱塞66的头部69和尾部68可以由导电材料形成，以允许在柱塞64和66与壳体50之间的电连接。偏置装置65也可以由导电材料制造并且也可以允许在IC芯片与PCB之间的电连接。

图3例示了在自由状态下的电探针60，其中没有外力被施加到顶部柱塞64或底部柱塞66。在此状态下，顶部柱塞64和底部柱塞66通过偏压装置65的力向外延伸。例如，在图3的公开的实施方案中，柱塞64的头部61可以突出到壳体50的远端开口51之外，并且底部柱塞66的头部69可以突出到保持器80的保持器腔85的底部之外。仅作为实施例，在图3中示出的自由状态下，顶部柱塞64的头部61与底部柱塞66的头部69之间的距离d₁可以是大约2.75mm；顶部柱塞64的头部61与插座主体40的顶部表面之间的距离d₂可以是大约0.20mm；并且底部柱塞66的头部69与插座主体40的底部表面之间的距离d₃可以是大约0.15mm。在自由状态下的弹簧力可以是大约6.2克力(gf)。

图4例示了在PCB按压状态下的电探针60，其中用于测试的PCB30与插座主体40的底部表面接触，使得其接触垫可以接触底部柱塞66的对应的头部61。在此状态下，底部柱塞66可以在向内指向偏置装置65的力下被向内压下到壳体50内。仅作为实施例，在此PCB按压状态下的弹簧力可以是大约15.3gf。

图5例示了在测试状态下的电探针60，其中IC芯片10被放置在定位板20的芯片腔25内，以允许IC芯片10的接触垫与顶部柱塞64的对应的头部61对齐并且接触。在此状态下，IC芯片10和PCB30可以分别对顶部柱塞64的头部61和底部柱塞66的头部69施加力，导致柱塞64和66都被向内压下到壳体50内。随着顶部柱塞64被压下到壳体50内，凸轮元件62的外围侧表面可以接触并且跟随由壳体50的颈部55的内腔限定的凸轮表面，或者与该凸轮表面接合。这可以导致顶部柱塞64随着它被压下而围绕其轴线旋转。顶部柱塞64的旋转可以允许顶部柱塞64的头部61擦洗掉可能出现在接触区域的IC芯片10的接触垫上的任何碎屑或杂质，从而增强顶部柱塞64的头部61和对应的IC芯片10的接触垫之间的电接触。仅作为实施例，在测试状态下的弹簧力可以是大约27.4gf。

图6-10例示了根据一个示例性实施方案的一种制造电探针的方法，诸如，图2-5中示出的电探针60。如图6中示出的，可以提供一个具有大体上对应于该电探针的壳体的期望形状的外部形状的芯轴200。芯轴200可以由线机械加工而成或者可以(诸如，例如，通过注塑模制)模制而成。

芯轴200可以由可以被溶解或被化学去除(诸如，通过化学腐蚀)的材料形成。在一些示例性实施方案中，芯轴200可以由铝合金形成。芯轴200可以包括一个头部部分210、一个肩部220、一个颈部230以及一个主体部分240。主体部分240可以是大体上圆柱形的，并且具有一个大于颈部230的横截面面积。在一个实施方案中，颈部230可以由一个围绕其轴线扭曲以限定一个盘旋的或螺旋的外表面的大体上多边形的轴形成。颈部230的横截面面积可以沿其长度从顶部到底部逐渐增大。在一些示例性实施方案中，颈部230的侧边缘可以被倒角，如图6中示出的。颈部230的顶端可以终止于具有一个大体上垂直于芯轴200的纵向轴线的平面的肩部240。头部部分210可以具有一个小于肩部240的横截面面积的横截面面积，并且可以从肩部240沿着芯轴200的纵向轴线延伸。

尽管颈部230被描述为具有总体上方形的横截面形状(其中在多边形的“角”或顶点处的过渡，例如，可以呈现为从两个相邻边缘之间的尖锐的过渡到包括在两个相邻边缘之间的斜切边缘或倒角的粗糙的过渡——如图6中描述的——到在两个相邻边缘之间的大体上弯曲的或“圆形的”光滑的过渡之间的任一情况)，应理解，颈部230可以具有任何其它具有在多边形的任一“角”或顶点的过渡的相同的潜在变化的多边形形状，诸如，例如，三角形或五边形。

芯轴200可以随后被镀覆一个或多个层250(图7)。在一个示例性实施方案中，芯轴200可以被镀覆一种或多种镀覆金属，诸如，例如，金、镍以及其它镀覆合金。镀覆材料和层250的厚度可以基于具体的应用而确定。

接下来，如图7中示出的，具有层250的芯轴200可以通过将合适的粘合材料(诸如，环氧树脂)注入到层250的插座腔245内表面之间的间隙中而被固定到插座腔245。因此，层250的外表面可以被粘贴到插座腔245的内表面。替代地或附加地，具有层250的芯轴200可以被压装到插座腔245内，其中主体部分240的外表面被压缩到插座腔内，从而将层250的外表面粘贴到插座腔245的内表面。

插座腔245可以在插座主体400中形成并且延伸穿过插座主体400的整个厚度。插座腔245可以具有一个沿着其长度大体上统一的横截面面积，如图7中示出的。替代地，插座腔245的横截面面积可以沿着其长度变化。例如，插座腔245可以具有一个与带有层250的芯轴200的外表面紧密配合的内表面。

在具有层250的芯轴200被牢固地粘贴在插座腔245内部并且粘合材料大体上被固化之后，分别突出到插座主体400的顶部表面和底部表面之外的芯轴200的顶端210和底端290可以被去除(例如，被机械加工)，使得层250和芯轴200与插座主体400的顶部表面和底部表面齐平，如图8中示出的。可以替代地或附加地使用本领域已知的用于去除端部210和290的任何其它方法。

一旦具有层250的芯轴200的端部210和290被去除，具有层250的芯轴200可以从两个端部被暴露。通过暴露的端部，芯轴200随后可以被溶解和/或化学去除(例如，经由化学腐蚀)，仅在插座腔245中留下层250，如图9中示出的。插座腔245中的层250可以随后形成上面参考图2-5描述的壳体50。

如图10中示出的，为形成图2-5的电探针60，顶部柱塞64、偏置装置65以及底部柱塞66可以被插入到由层250(此后被称为壳体50)的内表面限定的插座腔270内。例如，在一个示例性实施方案中，顶部柱塞64可以被插入到插座腔270内，其头部61至少部分地延伸穿过壳体50的远端开口51。随后，偏置装置65和底部柱塞66可以被插入到壳体腔270内。偏置装置65可以被定位在相应的顶部柱塞64和底部柱塞66的相应的尾部63和67之间。接下来，保持器80可以被定位成抵靠插座主体400的底部表面，使得底部柱塞66的头部69可以延伸穿过对应的保持器腔(例如，如图2中示出的保持器腔85)。保持器80可以用来保持和限制在壳体50内部的顶部柱塞64和底部柱塞66以及偏置装置65的滑动移动。

对于本领域的技术人员显而易见的是，在不脱离本公开内容的范围的情况下，在所公开的系统和方法中，可以做出各种修改和变化。换言之，考虑本公开内容的说明书和实践，其它实施方案对于本领域的技术人员将是显而易见的。这意味着，仅将本说明书和实施例视为示例性的，真正范围由所附权利要求及其等同物表示。

考虑在本文中公开的本发明的说明书和实践，本发明的其它实施方案对于本领域的技术人员将是显而易见的。这意味着，仅将本说明书和实施例视为示例性的，本发明的真正范围和精神由所附权利要求表示。