專利名稱：彈性電氣接插件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及一種可以在兩個導(dǎo)電元件之間提供電氣連接的接插件。特別是，本發(fā)明是一種包含了一系列布置在硅酮基體上的電氣通道裝置的接插件，它通過彈性力在兩個導(dǎo)電元件例如硅片和電路板之間提供優(yōu)良的電氣連接。
當(dāng)前使用的這種互連的例子包括球柵陣列組件(BGA)、CinchConnector生產(chǎn)的CIN∷APSE插接件、Form Factor開發(fā)的晶片上導(dǎo)線(WOW)技術(shù)、用于電子封裝和測試的彈性接插件(申請?zhí)枮?932883的美國專利)，以及Thomas和Betts使用的噴涂金屬微?；ミB工藝。
球柵陣列組件(BGA)開發(fā)的目的是用來在電路板底板上封裝硅片，這樣可能達(dá)到比使用金屬引線封裝(例如Quad Flat封裝)實現(xiàn)更多的輸入/輸出連接。這種封裝方法使用連接在硅片底面的墊板上的“高溫”焊球。與Quad Flat封裝相比，這種方法通過使用整個硅片底面而不是硅片的圓周，和電路板接觸的觸點數(shù)量可以大幅增加。這種方法需要一個諸如FR4或者陶瓷的底板，并且在頂部的導(dǎo)線連接墊板和底面上的凸起墊板之間具有電鍍通孔。底面上的凸起墊板含有裝配在其上面的高溫焊球，然后將完成后的裝置裝配在電路板上。這種封裝方法相對昂貴(每個輸入/輸出連接為0.015到0.05美元)，而且自身不能在硅片內(nèi)進(jìn)行圓片級的測試，而是必須在測試前進(jìn)行封裝。典型的七十位封裝(seventy position package)成本在1美元到3美元之間。
第二種互連方法CIN∷APSE主要用于高端硅片設(shè)備和電路板的相互連接。它包括一個具有網(wǎng)格狀分布孔的平板塑料框架，孔間距在0.8毫米到2毫米之間，每個孔中都壓入一塊鍍金鋼絲絨。這種裝置被壓縮在兩個導(dǎo)電墊板之間，為它們提供電氣接觸。這種接插件典型的夾持力是每個觸點上兩盎司，結(jié)果總的夾持力可達(dá)到幾百盎司。CIN∷APSE接插件的平均價格是每個觸點0.04美元。因此，典型的七十位設(shè)備的價格是2.8美元。這種電力部件封裝的方法相對昂貴，而且自身不能進(jìn)行圓片級的測試。
第三種技術(shù)，晶片上導(dǎo)線(WOW)，依賴于直接在硅片上裝配金屬彈簧。這些彈簧在硅片和諸如電路板的配合面之間提供電氣互連。其優(yōu)點包括相對較低的成本；能夠進(jìn)行圓片級的測試。其缺點包括存儲器生產(chǎn)商需要裝配大量設(shè)備，以便在硅片上加工并裝配彈簧。這種封裝方法的耐久性和成本效率還有待確定。
硅封裝的第四種方法依賴于使用彈性底板，這種底板在表面上進(jìn)行了部分金屬噴涂(metalize)。使用通孔對下墊板和上墊板進(jìn)行電氣連接。平面彈性表面上的噴涂了金屬的墊板與電鍍通孔偏離一段距離，這樣當(dāng)彈性材料壓縮時，它不會破壞電鍍通孔內(nèi)的接插件。這種接插件的一個例子在5071359號美國專利和5245751號美國專利中有所描述。
本發(fā)明提供一種接插件，能夠克服以前工藝中存在的問題，并且提供超過以前工藝的其它優(yōu)點。通過閱讀所附說明書并結(jié)合對附圖的研究，這些優(yōu)點將更為清晰。
發(fā)明目標(biāo)和概述本發(fā)明總的目標(biāo)是提供一種電氣接插件，這種插接件不需要金屬引線的導(dǎo)線連接。
本發(fā)明的一個目的是提供一種電氣接插件，這種插接件在電路板的單位接觸面積內(nèi)可以比以前的一些封裝技術(shù)工藝的提供更多的輸入/輸出連接。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提供一種電氣接插件，這種插接件使在接插件和電路板上的導(dǎo)電墊板、硅片或者其它電氣設(shè)備上的之間的電氣連接成為可能。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種電氣接插件，這種插接件可以節(jié)約制造成本。
本發(fā)明的一個特殊目的是提供一種，可以圓片級測試的電氣接插件。
簡而言之，根據(jù)前面所述，本發(fā)明披露了一種電氣接插件，這種插接件能夠減少對于金屬導(dǎo)線架的需求；在電路板的單位接觸面積上提供更多的輸入/輸出連接；在所連接的設(shè)備之間提供優(yōu)良的電氣連接；可以承受對整個集成芯片的所有陣列進(jìn)行圓片級測試；并且可以節(jié)約制造成本。該接插件包括一個彈性底板，底板上具有通孔和突起的彈性凸起。通孔和凸起經(jīng)過電鍍處理，可以在所要連接的設(shè)備，例如硅片和電路板之間提供電氣通路。凸起位于彈性底板的上下表面上，通過施加壓緊力，使電氣設(shè)備上的導(dǎo)電板和電鍍孔之間保持電氣接觸。凸起為相互連接的設(shè)備提供彈性力，以形成良好的電氣接觸和配合。
該應(yīng)用領(lǐng)域的例子包括表面裝配接插件的安裝、顯示設(shè)備的相互連接，例如應(yīng)用在液晶顯示(LCDs)中的顯示設(shè)備，以及各種硅裝置之間的相互連接。
圖2是本電氣接插件基于

圖1的底部透視圖。
圖3是本電氣接插件基于圖1的頂部透視圖。
圖4是本電氣接插件沿圖2中3-3剖面線剖開的的剖視圖。
圖5是本發(fā)明第二實施例中本電氣接插件連接特征的局部剖視圖。
圖6是本發(fā)明第三實施例中本電氣接插件連接特征的局部剖視圖。
圖7是本發(fā)明第四實施例中本電氣接插件連接特征的局部剖視圖。
圖8是本發(fā)明第五實施例中本電氣接插件連接特征的局部剖視圖。
圖9是本發(fā)明第六實施例中本電氣接插件連接特征的局部剖視圖。
優(yōu)選實施例詳述正如在附圖中顯示，本發(fā)明可方便地應(yīng)用在在不同形式的實施例中。此處將對此實施例進(jìn)行詳細(xì)描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，本披露內(nèi)容只是本發(fā)明原理的一個例證，而并不希望將本發(fā)明局限于在此圖示和描述的內(nèi)容。
圖1到圖4顯示本發(fā)明的第一實施例，圖5顯示本發(fā)明的第二實施例，圖6顯示本發(fā)明的第三實施例，圖7顯示本發(fā)明的第四實施例，圖8顯示本發(fā)明的第五實施例，圖9顯示本發(fā)明的第六實施例。
現(xiàn)在來看圖1到4中顯示的本發(fā)明的第一實施例。如圖1所示，電氣接插件10在之間，諸如硅片12和電路板16的兩設(shè)備之間提供連接。在描述硅片12和電路板16的連接時，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明的電氣接插件10可以用來連接許多種電氣設(shè)備。硅片12包括相互隔開并排成行和列的金屬接觸墊板(圖中未顯示)。硅片12放置在罩14內(nèi)。在罩14上有四個裝配柱22(圖中顯示了3個)，其原因在將這里描述。電路板16包括相互隔開并排成行和列的接觸墊板20，電路板16還包括四個穿過它的裝配孔26。
如圖2和3所示，電氣接插件10包括由彈性底板形成的主體30，可以選擇將其電鍍或者噴涂金屬，如此處所述。主體30有一個底面30a，圖2；和一個頂面30b，圖3。如這些圖所示，主體30為矩形，應(yīng)當(dāng)理解，主體30也可以采用其它形狀。
彈性凸起陣列32從主體30的底面30a上伸出，而彈性凸起陣列34從主體30的頂面30b上伸出。凸起32的直徑比凸起34的直徑大。凸起32、34為環(huán)形，每個凸起32、34的表面都具有一斜度，因此鄰近主體30的各表面30a、30b的每個凸起32、34的直徑比在最外端表面30a、30b的凸起32、34的直徑大。凸起32按照與電路板16上的接觸墊板20相似的方式，在主體30的表面30a上相互隔開并排成行和列。凸起34按照與硅片12上的接觸墊板(圖中未顯示)相似的方式，在主體30的表面30b上相互隔開并排成行和列。每個凸起32與每個凸起34垂直對齊，以便形成凸起對。凸起32、34伸出主體30的表面30a和30b，，形成類似彈簧墊圈的形狀，例如Bellville彈簧墊圈。
穿透每副對齊的凸起對32、34并穿過主體30的內(nèi)壁即可以形成通孔36。每個通孔36位于凸起32、34的中心。正如圖4所示，每個通孔36形成特定外形或者形成錐度，這樣每個凸起32上的每個通孔36的直徑大于每個凸起34上的每個通孔36的直徑。
裝配孔24穿過主體30，一直從底面30a延伸到頂面30b。裝配孔24位于主體30的每個角上。
優(yōu)選實施例中，凸起32、34和主體30一起成形。主體30和凸起32、34由彈性底板，例如硅，或者氟橡膠，例如VITON加工而成。主體30、凸起32、34、通孔36以及裝配孔24可以通過使用所謂的液體注模法(LIM)模制成形。硅和VITON可以提供所需要的特性，例如可以模制成形，同時提供耐高溫、低壓縮形變、良好的電性能以及可選擇金屬化。可以在這些材料中添加適合的填充物，以使接插件10的熱膨脹性能(CTE)接近諸如銅之類的金屬。例如，硅的熱膨脹性能在150-300ppm/℃(每攝氏度百萬分之一)的范圍內(nèi)，但是如果添加了硅酸鹽，可以減小到近似為75ppm/℃。銅的熱膨脹性能為17ppm/℃，鋁的熱膨脹性能近似為27ppm/℃。具有熱膨脹性能為20ppm/℃的硅材料的一個例子是GE MC550。
通孔36和凸起32、34的表面經(jīng)過了金屬噴涂。如圖4所示，通過在凸起32、34的表面和沿著形成通孔36的壁沉淀一層金屬40，實現(xiàn)金屬噴涂。這種金屬可以是銅、鎳、金、錫、鋁、鉻、鈦或者是這些金屬的混合物，或者是其它合適的導(dǎo)電金屬。由于銅和金具有很好的展延性，因此可視它們?yōu)閮?yōu)選材料。通孔36和凸起32、34可以通過使用直接真空沉淀工藝進(jìn)行金屬噴涂，例如，直接對著需要金屬化的表面噴射已經(jīng)霧化的金屬。使用這種方法可以滿足金屬層厚度的要求，也可以先形成基層或者初始層，然后再使用其它電鍍方法增加厚度。也可以使用其它技術(shù)實現(xiàn)金屬化，例如電鍍、非電解鍍或者類似工藝。
由于只需要金屬化這些通孔和需要在硅片12和電路板16之間提供電氣連接的相關(guān)凸起32、34，因此可以有選擇地對通孔36和凸起32、34進(jìn)行金屬化處理。為了有選擇地對通孔36和凸起32、34進(jìn)行金屬噴涂，一個簡單而節(jié)約成本的方法是在表面上沉淀適當(dāng)?shù)慕饘僦埃诠桕嚵薪硬寮?0的表面上放置掩模。也可以使用其它方法，有選擇地對通孔洞36和凸起32、34進(jìn)行金屬化處理。
使用中，接插件10被壓縮在硅片12和電路板16之間。罩14上的裝配柱22穿過接插件10的主體30上的裝配孔24，然后穿過電路板16上的裝配孔26。四個裝配柱22端部的特征(圖中未顯示)將罩14和硅片12固定在接插件10和電路板16上。裝配柱22與電路板16的連接導(dǎo)致在接插件10上施加了壓緊力。由于施加了壓緊力，接插件10底面30a上的凸起32被壓向電路板16頂面上的接觸墊板20，而接插件10頂面30b上的凸起34被壓向硅片12底面上的接觸墊板(圖中未顯示)。凸起32、34與接觸墊板之間典型的接觸力近似為每個接觸點5到10克。這個力壓緊了凸起32、34，并且向硅片12和凸起32之間的接觸配合(圖中未顯示)提供恒定的力。在電路板16的接觸凸起20和凸起34之間也提供一個恒定力。凸起32、34在接插件10和硅片12之間以及接插件和電路板16之間提供連續(xù)的力，同時導(dǎo)致在這些金屬化表面之間產(chǎn)生摩擦接觸，確保它們之間良好的電氣接觸。盡管本部分只顯示并描述了一種夾緊裝置，但是可以使用各種的夾緊裝置將硅片12裝配到接插件10和電路板16上。
如圖4所示，通孔36可能具有特殊外形。貫通孔洞36的特殊外形具有雙重目的。首先，通孔36的外形使金屬層40和彈性體30之間的應(yīng)力最小化，這個應(yīng)力是將硅片12和罩14裝配到電路板16上時所施加的壓緊力引起的。使用具有豎直壁的通孔可能會在壓緊時增加沿著通孔表面的金屬發(fā)生翹曲的可能性，這會在凸起32和凸起34之間潛在地產(chǎn)生斷路。其次，通孔36的外形簡化了通孔36的金屬噴涂工藝，因為外形允許通孔表面金屬噴涂時，相對于對通孔進(jìn)行金屬噴涂的裝置，允許在視線(line-of-sight)內(nèi)進(jìn)行處理。
如圖5到7所示，接插件10的彈性凸起32、34和通孔36可能具有不同的形狀。應(yīng)當(dāng)理解這些凸起62、64、72、74、82、84和通孔60、70、80都可用來代替第一種實施例中所示的凸起32、34和通孔36。
圖5顯示通孔60和對應(yīng)的彈性凸起62、64，這些合并在本發(fā)明第二實施例的特征之內(nèi)。通孔60從接插件10的主體30的底面30a直到主體30的頂面30b具有相同的直徑。彈性凸起62、64同樣為圓柱形，具有平直的接觸面62a、64a。
圖6顯示通孔70和對應(yīng)的彈性凸起72、74，這些合并在本發(fā)明第三實施例的特征之內(nèi)。通孔70為砂漏形，其中部的直徑小于底面30a和頂面30b的直徑。彈性凸起62、64為圓柱形，具有平直的接觸面72a、74a。
圖7顯示通孔80和對應(yīng)的彈性凸起82、84，這些合并在本發(fā)明第四種結(jié)構(gòu)的實施例特征之內(nèi)。通孔80為砂漏形，其中部的直徑小于底面30a和頂面30b的直徑。凸起82、84通常為圓柱形，然而，凸起82的接觸面82a是波紋狀的，而凸起84的接觸面84a是平直的。波紋狀表面82a允許接插件10和電路板16之間多點接觸，同時就減小了接觸面82a和電路板16上的接觸墊板20之間的電阻。應(yīng)當(dāng)理解波紋狀面82a可以采用不同的形狀。例如，表面82a可以包括任意數(shù)量的相互隔開的頂點。除了能夠包括眾多頂點以外，表面82a也可以具有第一實施例中所描述的坡度。除此之外，圖7中所示的波紋狀表面不限于圖7所示的實施例，而是可能應(yīng)用在這里所描述或者考慮的任何實施例中，位于接插件一側(cè)或者兩側(cè)的凸起都可能采用波紋狀表面。
如上所述，通孔36和凸起32、34可以使用掩模工藝進(jìn)行有選擇的金屬噴涂?；蛘撸鐖D8所示，主體30的表面30a和30b中的至少一個表面包括凸起32、34和通孔36，可以通過金屬噴涂，在接插件10的至少一個完整面上提供金屬層90。合適的金屬包括銅、鎳、金、錫、鋁、鉻、鈦或者是這些金屬的混合物，或者是其它合適的導(dǎo)電金屬。然后蝕刻通道92，例如通過激光蝕刻，以穿透金屬化的表面90，沿著激光蝕刻通道92將主體30的彈性表面暴露出來。通過在通孔36和相關(guān)的凸起對32、34的周圍提供激光蝕刻通道92，每個通孔36和每個凸起對32、34與其它的通孔36和凸起對32、34可以做到絕緣。應(yīng)當(dāng)理解每個通孔都可以與其它通孔電氣絕緣，而不需要在每個凸起對周圍提供激光蝕刻通道。相反，如果通道通過了凸起32、34的一部分，仍然可以實現(xiàn)絕緣。再者，通過選擇通道，可以選擇使特定的通孔與其它通孔絕緣，而同時保持其它通孔電氣連接。
另一種情況，如圖9所示，整個表面經(jīng)過金屬噴涂，然后在金屬噴涂的表面上加工圖案96，圖案在所選的通孔32、34之間深入到接插件10的彈性表面30a和30b。因此圖案96將這些選中的通孔相互絕緣。通過不在特定的通孔之間加工圖案，可以將選中的這些通孔相互電氣連接在一起。圖案可以采用已知的任何方法加工，例如激光蝕刻或者光刻。
本發(fā)明的接插件10允許用戶把硅片12直接連接到電路板16上。彈性罩14的柱22在罩14和電路板16之間將硅片12夾緊。這種夾持產(chǎn)生的壓緊力在接插件10的金屬化凸起32、34的接觸面以及硅片12和電路板16的接觸面之間形成良好的電氣接觸。加工硅陣列接插件的預(yù)計成本大大低于以前工藝方法。除此之外，大多數(shù)硅片制造商不再需要裝配任何附加的設(shè)備來制造本發(fā)明的接插件10，結(jié)果形成一種在電路板16上電氣封裝硅片12的低成本高效率的方法。
盡管圖示并描述了凸起32、34陣列和通孔36，但是沒有必要將凸起和通孔排列成排和列，而是可以排列成任何希望的格式。只需表面30a上的凸起32和所選的電路板16上的接觸墊板20對齊，表面30b上的凸起34和所選的硅片12上的接觸墊板對齊，以及凸起對相互對齊就完全滿足要求了。另外，盡管所描述的接插件10如所描述的包括幾種貫通孔洞36和凸起32、34，但是也可能應(yīng)用于特殊場合，只是需要一種通孔和凸起對來提供必要的電氣連接就完全可行。
盡管對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進(jìn)行了圖示和描述，可以預(yù)見本領(lǐng)域一般技術(shù)人員可能會對本發(fā)明進(jìn)行各種修改，而不會偏離權(quán)利要求的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種接插件，用于將第一元件上的電接觸面和第二元件上的電接觸面電氣連接起來，包括具有第一表面和第二表面的彈性主體；從所述第一表面上伸出的彈性凸起；從所述第二表面上伸出的彈性凸起；由壁限定的孔，穿過所述凸起和所述主體；以及位于所述凸起和所述限定孔的壁上的金屬涂層。
2.權(quán)利要求1中所述的接插件，其特征在于所述彈性主體和所述彈性凸起為一體成形。
3.權(quán)利要求1中所述的接插件，其特征在于所述彈性主體、彈性凸起和所述孔為一體成形。
4.權(quán)利要求1中所述的接插件，其特征在于所述彈性主體和凸起的熱膨脹系數(shù)近似為75ppm/℃或者更小。
5.權(quán)利要求1中所述的接插件，其特征在于所述第一表面上的凸起和第二表面上的凸起垂直對齊。
6.權(quán)利要求1中所述的接插件，其特征在于每個所述凸起包括一個表面，而且至少一個所述凸起的所述表面是波紋狀的。
7.權(quán)利要求1中所述的接插件，其特征在于所述限定孔的壁具有錐度。
8.權(quán)利要求1中所述的接插件，其特征在于每個所述凸起都具有預(yù)先確定的直徑，而且第一表面上凸起的直徑小于所述第二表面上所述凸起的所述直徑。
9.權(quán)利要求1中所述的接插件，其特征在于所述涂層由以下材料組中的一類形成銅、鎳、金、錫、鋁、鉻和鈦，或者是銅、鎳、金、錫、鋁、鉻和鈦的混合物。
10.一種接插件，用于將第一元件上的電接觸面和第二元件上的電接觸面電氣連接起來，包括具有第一表面和第二表面的彈性主體；從第一表面上伸出的多個彈性凸起；從第二表面上伸出的多個彈性凸起；從所述第一表面上伸出的各彈性凸起，與從第二表面上伸出的各彈性凸起對齊，形成多個凸起對；多個由壁確定的孔，各孔都穿過一個凸起對和所述主體；位于多個凸起和確定多個孔的壁上的金屬涂層。
11.權(quán)利要求10中所述的接插件，其特征在于彈性主體和所述凸起的熱膨脹系數(shù)近似為75ppm/℃或者更小。
12.權(quán)利要求10中所述的接插件，其特征在于所述第一和第二表面中至少有一個經(jīng)過金屬噴涂。
13.權(quán)利要求10中所述的接插件，其特征在于所述多個孔中至少有一個與所述多個孔中其它孔電氣絕緣。
14.權(quán)利要求10中所述的接插件，其特征在于所述形成凸起對的凸起垂直對齊。
15.權(quán)利要求10中所述的接插件，其特征在于每個所述凸起包括一個表面，而且至少有一個表面是波紋狀的。
16.權(quán)利要求10中所述的接插件，其特征在于確定每個穿過所述凸起對和主體的孔的壁是有錐度的。
17.權(quán)利要求10中所述的接插件，其特征在于每個所述凸起具有預(yù)定的直徑，而且第一表面上凸起的直徑小于第二表面上凸起的直徑。
18.權(quán)利要求10中所述的接插件，其特征在于所述涂層由以下材料組中的一類形成銅、鎳、金、錫、鋁、鉻或鈦，或者是銅、鎳、金、錫、鋁、鉻和鈦的混合物。
19.一種制造接插件的方法，包括以下步驟形成具有第一表面和第二表面的彈性主體，包括從第一表面上伸出的多個第一彈性凸起和從第二表面上伸出的多個第二彈性凸起；各第一凸起和第二凸起相互對齊，形成凸起對；一個穿過所述主體和每個所述各凸起對的孔，從而確定了多個孔，每個所述孔由壁確定；以及對所述凸起和孔進(jìn)行金屬噴涂。
20.權(quán)利要求19中所述的方法，其特征在于通過直接真空沉積完成所述金屬噴涂。
21.權(quán)利要求19中所述的方法，其特征在于所述主體的第一和第二表面中的至少一個經(jīng)過金屬噴涂。
22.權(quán)利要求21種所述的方法，其特征在于在多個孔中的至少一個孔周圍蝕刻通道，以便使所述的多個孔中的至少一個孔與所述多個孔中的其它孔絕緣。
全文摘要
一種用于連接第一和第二電氣元件的接插件。接插件的主體由彈性材料加工而成，具有一個頂面和一個底面。彈性凸起從底面和頂面上伸出，而孔則穿過成對凸起對和主體。凸起和孔都經(jīng)過金屬噴涂。安裝接插件時，將接插件壓緊，然后夾持在第一和第二元件之間。接插件的壓力迫使凸起將接插件的金屬涂層壓向第一和第二元件。
文檔編號H01R11/01GK1429419SQ01809596
公開日2003年7月9日 申請日期2001年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月15日
發(fā)明者維克多·薩德爾 申請人:莫萊克斯公司