專利名稱：帶狀芯互連元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在電子元件特別是微電子元件之間形成互連，并且更具體地，涉及顯示彈性以便形成壓力接觸的互連元件、形成互連元件的方法、及這些互連元件的應(yīng)用。
參照的有關(guān)專利申請本專利申請是95年5月26日提交的普通擁有、共同未決美國專利申請No.08/452,255(以下簡稱“原始案例”)及95年11月13日提交的對應(yīng)的PCT專利申請PCT/US95/14909二者的一個(gè)部分繼續(xù)申請，后二者都是94年11月15日提交的普通擁有、共同未決美國專利申請No.08/340,144及94年11月16日提交的對應(yīng)的PCT專利申請PCT/US94/13373(95年5月26日以WO95/14314公開)的部分繼續(xù)申請，后二者又是93年11月16日提交的美國專利申請No.08/152,812(現(xiàn)在是USP5,476,211，95年12月19日)的部分繼續(xù)申請，在此將其全部引入供參考。
本專利申請還是下面普通擁有，共同未決的一些美國專利申請書的一個(gè)部分繼續(xù)申請95年9月21日提交的08/526,246(PCT/US95/14843,95.11.13)95年10月18日提交的08/533,584(PCT/US95/14842,95.11.13)95年11月19日提交的08/554,902(PCT/US95/14844,95.11.13)95年11月15日提交的08/558,332(PCT/US 95/14845,95.11.15)95年12月18日提交的08/573,945；96年1月11日提交的08/584,981；96年2月15日提交的08/602,179；96年2月21日提交的60/012,027；96年2月22日提交的60/012,040；96年3月5日提交的60/012,878；96年3月11日提交的60/013,247；和96年5月17日提交的60/005,189。
所有這些專利都是前面提到的原始案例的部分繼續(xù)申請，并且在這里將它們?nèi)恳牍﹨⒖肌?br> 發(fā)明的背景電子元件特別是微電子元件如半導(dǎo)體器件(芯片)常常具有許多個(gè)引線端(也稱作焊片、電極、或?qū)щ妳^(qū)域)。為了將這些器件組裝成一個(gè)有用的系統(tǒng)(或子系統(tǒng))，許多單個(gè)的器件必須在電學(xué)上彼此互連，典型的是通過一個(gè)印刷電路(或線路)板(PCB，PWB)的中介相互連接。
半導(dǎo)體器件通常都安置在一個(gè)半導(dǎo)體封裝殼內(nèi)，該封裝殼具有許多個(gè)引出銷、墊片、引線、焊球等形式的外部連接件。已知有許多半導(dǎo)體組件，和在組件內(nèi)連接半導(dǎo)體器件的技術(shù)，包括接合引線、帶式自動(dòng)接合(TAB)等類似技術(shù)。在某些情況下，一個(gè)半導(dǎo)體器件裝備有凸起的碰撞接觸，并且利用倒裝片技術(shù)連接到另一個(gè)電子元件上。
一般，電子元件之間的互連可以分成“比較永久的”和“容易可拆卸的”兩大類。
一種“比較永久的”連接的一個(gè)例子是焊接結(jié)合。一旦兩個(gè)電子元件相互焊牢，為將兩個(gè)元件分開就必須采用去焊方法。引線接合是“比較永久的”連接的另一個(gè)例子。
“容易可拆卸的”連接的一個(gè)例子是一個(gè)電子元件的剛性引出銷被另一個(gè)電子元件的彈性插口元件容納。插口元件施加一個(gè)接觸力(壓力)到引出銷上，力的總量足以保持它們之間一種可靠的電連接。打算與一個(gè)電子元件完成壓力接觸的互連元件在這里稱作“彈簧”或“彈性元件”或“彈性接觸”。
現(xiàn)有技術(shù)用于形成彈性元件的方法一般包括沖壓(穿孔)或蝕刻一種“單片的”彈性材料如磷青銅或鋼或一種鎳一鐵-鈷合金(如柯伐(kovar)合金)，以形成單個(gè)的彈性元件，將該彈性元件成形為具有彈簧形狀(如拱形等)，彈性元件鍍一種良好接觸材料(如一種貴金屬象金，當(dāng)接觸同樣材料時(shí)，金將顯示低的接觸電阻)，并將許多這種加工形成的、電鍍好的彈性元件模壓成一種直線的、周邊的或矩陣的圖象。當(dāng)在上述材料上鍍金時(shí)，有時(shí)一個(gè)薄的(例如，30-50微英寸)鎳阻擋層是合適的。
一般，希望用某種最小的接觸力來實(shí)現(xiàn)對電子元件(如電子元件上的接線端)產(chǎn)生可靠的壓力接觸。例如，可以期望一個(gè)約15克(每個(gè)接觸，其中包括少至2克或更少和多至150克或更多)的接觸(負(fù)載)力保證對一個(gè)電子元件的一個(gè)接線端產(chǎn)生可靠的電連接，該電子元件可能被其表面上的薄膜沾污，或者其表面上具有腐蝕或氧化產(chǎn)物。每個(gè)彈性元件民要求的最小接觸力一般需要或者增加彈性材料的屈服強(qiáng)度或者增加彈性元件的尺寸。但是，一般，材料的屈服強(qiáng)度越高，加工起來(如穿孔、彎曲等)就越困難。并且把彈簧做得更小的愿望實(shí)際上排除了將它們截面做得更大。
與將彈簧安裝在電子元件上有關(guān)的另一個(gè)問題在性質(zhì)上主要是力學(xué)問題。在一個(gè)彈簧以其一端安裝到一個(gè)基片(對于這個(gè)問題來說，基片被認(rèn)為是一種不能動(dòng)的物體)上，并要求對其自由端施加作用力的情況下，“弱環(huán)節(jié)”(在使用中是最弱點(diǎn))將常常是彈簧被連接(如，彈簧的基底被焊接)到基片(如，一個(gè)電子元件的接線端)上的那一點(diǎn)。
另一個(gè)與互連元件包括彈簧觸點(diǎn)有關(guān)的難題常常是，一個(gè)電子元件的各個(gè)接線端不是完美的共平面。各互連元件缺少與此有關(guān)的某種機(jī)構(gòu)用于調(diào)節(jié)這些“容限”(嚴(yán)重的非共面性)，它們將很難被壓成使與電子元件的接線端的接觸形成牢固的壓力接觸。
引用下列美國專利作為值得關(guān)心的專利5,386,344；5,336,380；5,317,479；5,086,337；5,067,007；4,989,069；4,893,172；4,793,814；4,777,564；4,764,848；4,667,219；4,642,889；4,330,165；4,295,700；4,067,104；3,795,037；3,616,532；和3,509,270。
發(fā)明的簡要說明(概述)因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種方法，用于制造電子元件特別是微電子元件用的互連元件。
本發(fā)明的另一目的是提供一種彈性接觸結(jié)構(gòu)(互連元件)，這些結(jié)構(gòu)適用于對電子元件形成壓力接觸。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供一種方法，用于將互連元件牢固地固定到各電子元件上。
本發(fā)明還有一個(gè)目的是提供一種方法，用于制造具有可控制阻抗的互連元件。
按照本發(fā)明，公開這些方法用于制造互連元件特別是彈性元件，并用于將這些互連元件裝配到電子元件上。所公開的方法克服了與制造極小尺寸的彈性元件有關(guān)的問題，該方法還能施加足夠量的接觸力，以保證可靠的互連。所公開的這些方法還克服了與直接將彈簧裝配到各種電子元件如半導(dǎo)體器件上有關(guān)的一些問題。
按照本發(fā)明，通過將一個(gè)帶狀的細(xì)長元件(“芯元件”)裝配到一個(gè)電子元件上制造“復(fù)合的”互連元件，將芯元件成形為具有一種彈簧形狀，并給芯元件加一涂層以增強(qiáng)所得到的復(fù)合互連元件的物理(如彈性)特性和/或?qū)⒌玫降膹?fù)合的互連元件牢固地固定到電子元件上。
正好這里所用的，術(shù)語“帶”和“帶狀”涉及具有一種非圓形截面的細(xì)長元件，該細(xì)長元件具有一個(gè)橫向(橫方向)尺寸至少是另一個(gè)橫向尺寸的二倍(包括至少三倍、四倍、或五倍)。例如，一個(gè)細(xì)長的元件具有一個(gè)矩形截面，所述矩形具有一個(gè)至少是高度尺寸(或反過來也一樣)二倍的底部尺寸。
在這里貫穿陳述說明中使用的術(shù)語“復(fù)合的”與該術(shù)語的“通用”意義(如，由兩個(gè)或兩個(gè)以上元件形成)是一致的，并且不會(huì)與其它專業(yè)領(lǐng)域中術(shù)語“復(fù)合的”的任何用法發(fā)生混淆，例如，它可以應(yīng)用于例如在一種樹脂基體或類似物中被支承的玻璃、碳纖維或其它纖維那樣的材料。
正如這里所用的，術(shù)語“彈簧形狀”實(shí)際上涉及一種細(xì)長元件的任何形狀，該細(xì)長元件將顯示細(xì)長元件的一端(尖端)相對于施加到該尖端的一個(gè)力的彈性(復(fù)原的)運(yùn)動(dòng)。這包括加工成形為不但基本上是直的而且具有一個(gè)或多個(gè)拐彎的細(xì)長元件。
正如這里所用的，術(shù)語“接觸區(qū)”，“接線端”，“焊片”等術(shù)語涉及任何電子元件上的任何導(dǎo)電區(qū)，一個(gè)互連元件裝配在此電子元件上或在其上形成接觸。
或者，芯元件在裝配到一個(gè)電子元件上之前先加工成一定形狀。
或者，芯元件被裝配到一個(gè)不是電子元件的過渡性基片上或是該過渡性基片的一部分。芯元件在成形后及在涂層之前或之后，該過渡性基片被除去。按照本發(fā)明的一個(gè)方面，具有各種粗糙表面光潔度的尖端可以設(shè)置在互連元件的接觸端處(也見原始案例的

圖11A-11F)。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，芯是一種有較低屈服強(qiáng)度的“軟”材料，并且用一種有較高屈服強(qiáng)度的“硬”材料涂層。例如，一種象金引線這樣的軟材料被連接(例如，通過引線接合法)到一個(gè)電子元件的接線端上，并用一種象鎳及其合金這樣的硬材料涂層(如通過電化學(xué)鍍)。
給芯元件面對面涂層、單層或多層涂層、具有微突起的“粗糙”涂層(也見原始案例的圖5C和5D)、及延伸芯元件整個(gè)長度及只延伸芯元件一部分長度的涂層均予以敘述。在后一種情況下，芯元件的尖端可以適當(dāng)?shù)芈冻?，以便與一個(gè)電子元件形成接觸(也見原始案例的圖5B)。
一般，在這里所述的整個(gè)說明中，采用術(shù)語“電鍍”作為用于給芯加涂層的許多方法中的一個(gè)示范性例子。在本發(fā)明的范圍內(nèi)，芯可以用任何合適的方法涂層，其中包括但不限于包括從水溶液中沉積出材料的各種方法；電解電鍍；無電極電鍍；化學(xué)氣相沉積(CVD)；物理氣相沉積(PVD)；通過液體或固體產(chǎn)物母體的誘導(dǎo)分解使材料沉積的方法；及類似方法；所有這些用于沉積材料的方法都是人所熟知的。
一般，為了用一種金屬材料如鎳給芯元件涂層，最好是用電化學(xué)方法特別是電解電鍍法。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，芯是一種用固有地適合起一個(gè)彈簧元件作用的“硬”材料制成的細(xì)長元件，并且在一端處被裝配到一個(gè)電子元件的接線端上。用一種材料給芯和至少接線端的一個(gè)附近區(qū)域涂層，該材料將增強(qiáng)將芯固定到接線端上。照這樣，在涂層之前，不必將芯完全裝配到接線端上，并且可以應(yīng)用不太可能損壞電子元件的方法將芯“釘”在適當(dāng)位置，以便隨后涂層。這些“順利”方法包括焊接、膠粘、及將硬芯的一端刺入接線端的一個(gè)軟部分中。公開了用于芯元件和用于涂層的一些有代表性的材料。
下面主要是說明從一種比較軟(低屈服強(qiáng)度)的芯元件開始的方法，這些芯元件一般具有很小的尺寸(如2.0密耳或更小)。軟的材料如金容易連接到半導(dǎo)體器件的所敷金屬(如鋁)上，軟材料一般缺乏足夠起彈簧作用的彈性。(這類軟的金屬材料主要表現(xiàn)塑性變形而不是表現(xiàn)彈性變形)。另一些可以很容易連接到半導(dǎo)體器件上并具有合適彈性的軟的材料，如在大多數(shù)彈性材料的情況下那樣，常常是不導(dǎo)電的。無論在哪種情況下，都可以通過在芯上涂層將所希望的結(jié)構(gòu)特性和電特性賦予所得到的復(fù)合互連元件。得到的復(fù)合互連元件可以做得很小，還可以顯示合適的接觸力。而且，可以按一種細(xì)間距(如10密耳)安排許多個(gè)這種復(fù)合互連元件，盡管元件具有一個(gè)長度(如100密耳)比到相鄰的復(fù)合互連元件的距離大許多(相鄰的互連元件之間的距離稱之為“間距”)。
在本發(fā)明的范圍之內(nèi)，復(fù)合互連元件可以超小型規(guī)模制造，例如作為用于連接器和插口的“微型彈簧”，它具有橫截面尺寸在20-5微米(μm)或更小的數(shù)量級。這種制造具有尺寸以微米計(jì)而不是以密耳計(jì)的可靠互連的能力正面地針對現(xiàn)有互連方法和將來的面積矩陣法不斷發(fā)展的需求。
本發(fā)明的復(fù)合互連元件顯示出優(yōu)越的電特性，其中包括電導(dǎo)性、可焊性和低接觸電阻。在許多情況下，互連元件隨著施加的接觸力偏轉(zhuǎn)造成一種“摩擦閉合”接觸，它有助于保證產(chǎn)生一種可靠的接觸。
本發(fā)明的一個(gè)另外的優(yōu)點(diǎn)是用本發(fā)明的互連元件所產(chǎn)生的連接可容易拆卸。使互連到一個(gè)電子元件的接線端上起作用的焊接是隨意的，但在一個(gè)系統(tǒng)水平上一般不是優(yōu)選的。
按照本發(fā)明的一個(gè)方面，說明了用于形成具有可控制阻抗的互連元件的這些方法。這些方法一般包括用一種不導(dǎo)電材料(絕緣層)給芯元件或整個(gè)復(fù)合互連元件涂層(如電泳法)，并用一種導(dǎo)電材料在不導(dǎo)電材料外面涂層。通過將外面的導(dǎo)電材料層接地，所得到的互連元件可以有效地被屏蔽，并且它的阻抗可以很容易控制(也見原始案例的圖10K)。
按照本發(fā)明的一個(gè)方面，互連元件可以預(yù)制成各個(gè)獨(dú)立的單元，以便以后連接到電子元件上。在這里陳述用于達(dá)到這一目的的各種方法。盡管在本專利文件中沒有特別包括，但制造一種機(jī)器相信是比較肯定的，這種機(jī)器將把許多單個(gè)的互連元件安裝到一個(gè)基片上，或者將許多單個(gè)的互連元件懸掛在一個(gè)彈性體中或懸掛在一個(gè)支承基片上。
應(yīng)該清楚地理解，本發(fā)明的復(fù)合互連元件與現(xiàn)有技術(shù)的互連元件顯著地不同，現(xiàn)有技術(shù)的互連元件涂層是為了增加它們的電導(dǎo)性特性或增加它們的耐腐蝕性。
本發(fā)明的涂層特別用來顯著增強(qiáng)將互連元件固定到一個(gè)電子元件的接線端上和/或?qū)λ玫降膹?fù)合互連元件賦予所希望的彈性特點(diǎn)。應(yīng)力(接觸力)對準(zhǔn)特別用來吸收應(yīng)力的互連元件的部分。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，這里所說明的方法完全適合如在一個(gè)過渡性構(gòu)件上“預(yù)制”互連元件特別是彈性互連元件，而且以后將該互連元件安裝到一個(gè)電子元件上。與直接在電子元件上制造互連元件相比，這可以縮短處理電子元件的周期。另外，可能與互連元件制造有關(guān)的產(chǎn)量問題因此與電子元件無關(guān)。例如，對一種另外的十分良好的、相當(dāng)貴的集成電路器件在制造安裝于其上的互連元件過程中因誤操作而損壞將是不真實(shí)的。正如從下面所述的說明中明顯了解的那樣，將預(yù)制好的互連元件安裝到電子元件上是比較直接了當(dāng)?shù)摹?br> 還應(yīng)理解，本發(fā)明主要是提供一種新的用于形成彈簧結(jié)構(gòu)的方法。一般，所得到的彈簧的操作結(jié)構(gòu)是一種電鍍產(chǎn)品，而不是彎曲或成形的產(chǎn)品。這就為使用各種各樣的材料來形成彈簧形狀，及使用各種“方便”方法用于將芯的“臨時(shí)支撐”連接到電子元件上打開了大門。涂層在芯的“臨時(shí)支撐”上起一種“上層結(jié)構(gòu)”的作用，這兩個(gè)術(shù)語起源于土木工程領(lǐng)域。
借助下面的說明，本發(fā)明的其它目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將變得很明顯。
附圖的簡要說明現(xiàn)在將詳細(xì)參照本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施例，其中一些例子將在附圖中加以說明。盡管本發(fā)明將在這些優(yōu)選實(shí)施例的范圍內(nèi)加以說明，但應(yīng)理解，不意謂將本發(fā)明的精神和范圍限制在這些特別的實(shí)施例中。
為了圖示清楚起見，在這里所表示的側(cè)視圖中，常常是以截面形式表示側(cè)視圖的各個(gè)部分。例如，在許多視圖中，引線莖(芯元件)全部以一種實(shí)心黑粗線示出，而涂層以實(shí)際截面(常常不畫交叉陰影線)示出。
在這里所介紹的圖中，為了圖示清楚起見，某些元件的尺寸常常被擴(kuò)大(相對圖中其它元件，不是按比例示出)。
圖1A是按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的一個(gè)互連元件的縱向部分(包括一端)的截面圖。
圖1B是按照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的一個(gè)互連元件的縱向部分(包括一端)的截面圖。
圖1C是按照本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例的包括一個(gè)互連元件一端的縱向部分的截面圖。
圖1D是按照本發(fā)明的角一個(gè)實(shí)施例的包括一個(gè)互連元件一端的縱向部分的截面圖。
圖1E是按照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的包括一個(gè)互連元件一端的縱向部分的截面圖。
圖2A是按照本發(fā)明的一個(gè)安裝到電子元件的一個(gè)接線端上并具有一個(gè)多層外套的互連元件的截面圖。
圖2B是按照本發(fā)明的一個(gè)具有一個(gè)多層外套，其中一個(gè)中間層由一種導(dǎo)電材料制成的互連元件的截面圖。
圖2C是按照本發(fā)明的安裝到一個(gè)電子元件(如，一個(gè)探測板插件)上的多個(gè)互連元件的透視圖。
圖2D是按照本發(fā)明的一種用于制造互連元件的方法一個(gè)示范性的第一個(gè)的截面圖。
圖2E是按照本發(fā)明的用于制造互連元件的圖2D中方法的一個(gè)示范性另一個(gè)的截面圖。
圖2F是按照本發(fā)明的用于制造互連元件的圖2E中方法的一個(gè)示范性的另一個(gè)的截面圖。
圖2G是按照本發(fā)明的按圖2D-2F的方法制造的一個(gè)示范性的許多單個(gè)互連元件的截面圖。
圖2H是按照本發(fā)明的按圖2D-2F的方法制造并彼此有一種規(guī)定的空間關(guān)系的一個(gè)示范性的許多個(gè)互連元件的截面圖。
圖2I是按照本發(fā)明的一種用于制造互連元件的可供選擇的實(shí)施例，示出一個(gè)元件一端的截面圖。
圖3是按照本發(fā)明的一個(gè)插件的實(shí)施例的截面圖，解釋一個(gè)可以通過一對復(fù)合互連元件實(shí)施單純彈性(壓力)連接的原理。
圖4是按照本發(fā)明的一個(gè)復(fù)合互連元件的截面圖，該元件從一個(gè)電子元件的接線端自由站立延伸，并且在許多方面與圖1E和2A的示例類似。
圖4A是按照本發(fā)明的圖4中復(fù)合互連元件的截面圖，它示出引線莖具有一個(gè)圓形橫截面。
圖4B是按照本發(fā)明的一對復(fù)合互連元件(相當(dāng)于圖3)的截面圖，示出的兩個(gè)引線莖中每一個(gè)都具有一個(gè)圓形橫截面。
圖5是按照本發(fā)明的一種安裝到一個(gè)電子元件接線端上的帶狀芯元件的透視圖。
圖5A是按照本發(fā)明的一個(gè)帶狀芯元件的截面圖，該芯元件已經(jīng)球形接合到一個(gè)電子元件的接線端上。
圖5B是按照本發(fā)明的圖5A中帶狀芯元件在涂層后的截面圖。
圖5C是按照本發(fā)明的一個(gè)與帶狀芯形成的復(fù)合互連元件的局部透視圖。
圖5D是圖5C中復(fù)合互連元件的橫截面圖。
圖5E是一個(gè)包括五個(gè)單獨(dú)的復(fù)合互連元件的復(fù)合互連元件的橫截面圖，該復(fù)合互連元件可以按照在這里所陳述的方法形成。
圖6A是按照本發(fā)明的一個(gè)用于引線接合器的毛細(xì)管的側(cè)視圖。
圖6B是按照本發(fā)明的圖6A中毛細(xì)管的端視圖，它示出該毛細(xì)管的尖端。
圖7A是按照本發(fā)明的一個(gè)方面的引線接合設(shè)備的透視圖，它包括一個(gè)外部成形工具的實(shí)施例。
圖7B和7C是按照本發(fā)明的用圖7A中的成形工具成形一個(gè)細(xì)長元件(如引線)的方法的側(cè)視圖。
發(fā)明的詳細(xì)說明前述在95年5月26日提交的美國專利申請書號08/452,255(“原始案例”)的公開內(nèi)容在這里引用供參考。該專利申請書綜合了這里公開的幾種方法。
本發(fā)明的一個(gè)重要方面是，可以通過從一個(gè)芯(它可以安裝在一個(gè)電子元件的接線端上)開始形成一個(gè)復(fù)合互連元件，然后用一種合適的材料給芯涂層，以便(1)確立所得到的“復(fù)合”互連元件的力學(xué)性質(zhì)；和/或(2)當(dāng)該互連元件被安裝到一個(gè)電子元件的接線端上時(shí)，將該互連元件牢固地固定到接線端上。照這樣，從一種軟材料制成的芯開始，可以制造一個(gè)彈性互連元件(彈簧元件)，這種軟材料容易被成形為一種有彈性的形狀并且容易連接到電子元件的甚至最易碎的部分。按照現(xiàn)有技術(shù)，由硬質(zhì)材料形成彈簧元件的方法不容易有效，并且可以論證與直覺是相反的，因?yàn)檐洸牧峡梢孕纬蓮椈稍幕A(chǔ)。這一種“復(fù)合”的互連元件一般是用于本發(fā)明各個(gè)實(shí)施例的彈性接觸結(jié)構(gòu)的優(yōu)選形式。
圖1A、1B、1C和1D以一種普通方式示出按照本發(fā)明的復(fù)合互連元件的各種形狀。
下面，主要是說明顯示彈性的復(fù)合互連元件。但是，應(yīng)該理解，非彈性的復(fù)合互連元件屬于本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
進(jìn)而，下面主要是說明具有一個(gè)軟的(容易成形，并適合用順利方法可控制地固定到電子元件上的)芯的復(fù)合互連元件，該軟芯用硬質(zhì)(有彈性的)材料涂層。但是，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，芯可以是一種硬質(zhì)材料，涂層主要是用于將互連元件牢固地固定到一個(gè)電子元件的接線端上。
在圖1A中，一個(gè)電互連元件110包括一個(gè)由一種“軟的”材料(如一種具有屈服強(qiáng)度低于40,000磅/英寸2(psi)的材料)制成的芯112，和一個(gè)由一種“硬”材料(如一種具有屈服強(qiáng)度高于80,000psi的材料)制成的外套(涂層)114。芯112是一種成形(構(gòu)型)為一個(gè)基本上是直的懸臂梁的細(xì)長元件，并可以是一種具有0.0005-0.0030英寸(0.001英寸＝1密日≈25微米(μm))直徑的引線，利用任何合適的方法如用一種電鍍方法(如用電化學(xué)電鍍)將外套114加到已經(jīng)成形的芯112上。
圖1A示出的也許是用于本發(fā)明的互連元件的最簡單的彈簧形狀一也就是說，一個(gè)直的懸臂梁與在其尖端110b處施加的一個(gè)力“F”成一個(gè)角度定向。當(dāng)這個(gè)力由一個(gè)電子元件的接線端施加時(shí)，互連元件與電子元件形成一個(gè)壓力接觸，尖端的向下(正如觀察到的)偏轉(zhuǎn)將明顯地造成尖端以一種“摩擦閉合”運(yùn)動(dòng)方式跨過接線端運(yùn)動(dòng)。這一種摩擦閉合接觸保證在互連元件和電子元件的被接觸的接線端之間形成一種可靠的接觸。
外套114依靠它的“硬度”并通過控制它的厚度(0.00025-0.00500英寸)，賦予整個(gè)互連元件110一個(gè)所希望的彈性。照這樣，在互連元件110的兩端110a和110b之間實(shí)施一種電子元件(未示出)之間的彈性互連。(在圖1A中，標(biāo)號110a表示互連元件110的一個(gè)端部，而對面的端部110b的實(shí)際端部未示出)。在接觸一個(gè)電子元件的接線端時(shí)，互連元件110將會(huì)受到一個(gè)接觸力(壓力)作用，如標(biāo)有“F”的箭頭所表示的。
一般優(yōu)選的是涂層(無論是單層還是多層涂層)的厚度大于欲加涂層的引線的直徑。假定事實(shí)是所得到的接觸結(jié)構(gòu)的總厚度是芯的厚度加兩倍涂層厚度之和，則具有與芯相同厚度(如1密耳)的涂層本身將合計(jì)表現(xiàn)為具有芯厚度的兩倍。
互連元件(如110)將響應(yīng)施加的接觸力偏轉(zhuǎn)，所述偏轉(zhuǎn)(彈性)是部分地由互連元件的整體形狀決定，部分地由涂層材料的占優(yōu)勢的(較大)屈服強(qiáng)度(與芯的屈服強(qiáng)度相比)決定，及部分地由涂層材料的厚度決定。
正如在這里所用的，術(shù)語“懸臂”和“懸臂梁”被用來表示在一端安裝(固定)一個(gè)細(xì)長的結(jié)構(gòu)(如，涂層的芯112)，而另一端是自由活動(dòng)，典型的是響應(yīng)一般橫向作用于該細(xì)長元件的縱向軸的力。沒有打算用這些術(shù)語來傳遞或包含別的特殊的或限制的意義。
在圖1B中，一個(gè)電互連元件120類似地包括一個(gè)軟芯122(相當(dāng)于112)和一個(gè)硬的外套124(相當(dāng)于114)。在這個(gè)例子中，芯122被成形為具有兩個(gè)彎曲，并因此可以認(rèn)為是S形。正如在圖1A中的例子一樣，以這種方式，在互連元件120的兩端120a和120b之間可以實(shí)施一種電子元件(未示出)之間的彈性互連。(在圖1B中，標(biāo)號120a表示互連元件120的一個(gè)端部而對面的端部120b的實(shí)際端部未示出)。在接觸一個(gè)電子元件的接線端時(shí)，互連元件120將會(huì)受到一個(gè)接觸力(壓力)的作用，如標(biāo)有“F”的箭頭所表示的。
在圖1C中，一個(gè)電互連元件130相似地包括一個(gè)軟芯132(相當(dāng)于112)和一個(gè)硬的外套134(相當(dāng)于114)。在這個(gè)例子中，芯132被成形為具有一個(gè)彎曲，并可以認(rèn)為是U形。如在圖1A中的例子一樣，以這種方式，在互連元件130的兩端130a和130b之間可以實(shí)現(xiàn)一種電子元件(未示出)之間的彈性互連。(在圖1c中，標(biāo)號130a表示互連元件130的一個(gè)端部，而對面的端部130b的實(shí)際端部未示出)。在接觸一個(gè)電子元件的接線端時(shí)，互連元件130將會(huì)受到一個(gè)接觸力(壓力)的作用，如標(biāo)有“F”的箭頭所表示的?；蛘撸梢詰?yīng)用互連元件130不在其端部130b形成接觸，如標(biāo)有“F”的箭頭所表示的。
圖1D示出一種彈性互連元件140的另一實(shí)施例，它具有一個(gè)軟芯142和一個(gè)硬的外套144。在這個(gè)例子中，互連元件140基本上是一個(gè)簡單的懸臂(相當(dāng)于圖1A)，它具有一個(gè)彎曲的尖端140b，受到一個(gè)橫向作用到其縱向軸上的接觸力“F”。
圖1E示出一種彈性互連元件150的又一個(gè)實(shí)施例，它具有一個(gè)軟芯152和一個(gè)硬的外套154。在這個(gè)例子中，互連元件150一般是“C形”，最好是具有稍微彎曲的尖端150b，并且適合于形成一個(gè)如標(biāo)有“F”的箭頭所表示的壓力接觸。
應(yīng)該理解，軟芯可以很容易形成為任何有彈性的形狀-換句話說，一種將使一個(gè)欲得到的互連元件響應(yīng)在其尖端施加的一個(gè)力彈性偏轉(zhuǎn)的形狀。例如，芯可以形成為一種常用的線圈形狀。但是線圈形狀是優(yōu)選的，由于互連元件的總長度和與其有關(guān)的電感(和類似物)及它們在高頻(速度)下工作的電路上的反作用。
外套材料或一種多層外套中至少一層材料(在下面說明)具有一個(gè)顯著高于芯材料的屈服強(qiáng)度。因此，在形成所得到的互連結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性(如彈性)時(shí)，此外套覆蓋了芯。外套芯的屈服強(qiáng)度比最好是至少2∶1，其中包括至少3∶1和至少5∶1，并且可以高至10∶1。另外很顯然，外套或至少一種多層外套的一個(gè)外層應(yīng)當(dāng)是導(dǎo)電的，特別是在外套覆蓋住芯的端部情況下更應(yīng)如此。(但是，原始案例敘述的是芯的端部露出的實(shí)施例，在這種情況下芯必須導(dǎo)電)。
從一種學(xué)術(shù)觀點(diǎn)來看，只需要所得到的復(fù)合互連元件的彈性(彈簧成形的)部分用硬的材料涂層。在這個(gè)觀點(diǎn)來看，芯的兩端全都涂層一般就不重要了。但是，照實(shí)際情況看，最好是整個(gè)芯都涂層。下面更詳細(xì)地討論給固定(連接)到一個(gè)電子元件上的芯的一端加涂層產(chǎn)生的特殊原因和優(yōu)點(diǎn)。
用于芯(112，122，132，142)的合適材料包括但不限于金、鋁、銅及其合金。這些材料通常都與少量別的金屬如與鈹、鎘、硅、鎂等形成合金，以得到所希望的物理性質(zhì)。也可以用銀、鈀、鉑；如鉑族元素那樣的金屬或合金。可以使用由鉛、錫、銦、鉍、鎘、銻及其合金構(gòu)成的焊料。
若是面對面的將芯(引線)的一端連接到一個(gè)電子元件的接線端上(下面將更詳細(xì)地討論)，一般，任何適合于接合(利用溫度、壓力和/或超聲能量來實(shí)施接合)的材料(如金)的引線都適用于實(shí)施本發(fā)明。在本發(fā)明的范圍內(nèi)，任何適合涂層(如電鍍)的材料其中包括非金屬材料都可以用于芯。
用于外套(114、124、134、144)的合適材料包括(并且，正如下面所討論的，用于一個(gè)多層外套中的各個(gè)單獨(dú)的層)但不限于鎳及其合金；銅、鈷、鐵、及其合金；金(特別是硬的金)和銀，二者都顯示出良好的輸送電流的能力和良好的接觸彈性特點(diǎn)；鉑族元素；貴金屬；半貴金屬及其合金，特別是鉑族元素及其合金；鎢和鉬。在希望有焊料狀光潔度的情況下，也可以用錫、鉛、鉍、銦及其合金。
上述用于將這些涂層材料施加到各種芯上所選定的方法，當(dāng)然因應(yīng)用地方不同而有改變。電鍍和無電極電鍍一般是優(yōu)選的方法。但是，一般，在一個(gè)金芯上電鍍是直覺相反的。按照本發(fā)明的一個(gè)方面，當(dāng)在一個(gè)金芯上電鍍(特別是無電極電鍍)外套時(shí)，為了有助于電鍍開始，希望首先在金引線莖上施加一個(gè)薄的銅開始層。
如在圖1A-1E中所示的一種示范性互連元件可以具有約0.001英寸的芯直徑和0.001英寸的外套厚度-因此該互連元件具有約0.003英寸的總直徑(也就是說，芯直徑加外套厚度的兩倍)。一般，外套的這個(gè)厚度大約是芯厚度(如直徑)的0.2-5.0(五分之一到五)倍。
用于復(fù)合互連元件的某些示范性參數(shù)是(a)一個(gè)金引線芯具有1.5密耳的直徑，它被成形為具有總高度為40密耳和半徑為9密耳的一般C形彎曲(相當(dāng)于圖1E)，將其鍍0.75密耳的鎳(總直徑＝1.5+2×0.75＝3密耳)，并任意地接受一個(gè)為50微英寸金的最終涂層(如為為了降低和增強(qiáng)接觸電阻)。所得到的復(fù)合互連元件顯示彈性常數(shù)(K)約為3-5克/密耳。(如這里所用的，術(shù)語“彈性常數(shù)”意指每單位偏轉(zhuǎn)的力)。在使用時(shí)，偏轉(zhuǎn)3-5密耳將產(chǎn)生9-25克接觸力。這個(gè)例子在用于一個(gè)插入件的彈簧元件方面是有用的。
(b)一個(gè)金引線芯具有1.0密耳的直徑，它被成形為具有總高度為35密耳，將其鍍1.25密耳的鎳(總直徑＝1.0+2×1.25＝3.5密耳)，并任意地接受一個(gè)為50微英寸金的最終涂層。所產(chǎn)生的復(fù)合互連元件顯示彈性常數(shù)(K)約為3克/密耳，并且在用于一個(gè)探針的彈簧元件的方面是有用的。
(c)一個(gè)金引線芯具有1.5密耳的直徑，它被成形為具有一個(gè)總高度約為20密耳和一個(gè)半徑約為5密耳的一般S型彎曲，將其鍍0.75密耳的鎳或銅(總直徑＝1.5+2×0.75＝3密耳)。所得到的復(fù)合互連元件顯示彈性常數(shù)(K)約為2-3克/密耳，并且在用于安裝在半導(dǎo)體器件上的彈簧元件方面是有用的。
按照本發(fā)明，芯元件不必具有一個(gè)圓形橫截面，而可能寧愿是一種具有一般是矩形橫截面的一種平的從一個(gè)薄板延伸的薄片(帶)。應(yīng)當(dāng)理解，這里所用的，術(shù)語“薄片”不會(huì)與術(shù)語“TAB”(帶式自動(dòng)接合)混淆。別的非圓形的截面如C形、I形、L型和T型都在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
多層外套圖2A示出一種安裝到一個(gè)電子元件212上的互連元件210的實(shí)施例200，該電子元件212裝備有一個(gè)接線端214。在這個(gè)例子中，軟的(如金)引線芯216在一端216a處被接合(連接)到該接線端214上，該引線芯216被構(gòu)形為從接線端延伸和具有一種彈簧形狀(相當(dāng)于圖1B中所示的形狀)，并切斷成具有一個(gè)自由端216b。利用引線接合設(shè)備照這種方式完成接合、成形和切斷引線。在芯的端部216a處的接合只覆蓋接線端214露出的表面的比較小的一部分。
將一個(gè)外套(涂層)設(shè)置在引線芯216上，在這個(gè)例子中，外套以具有一個(gè)內(nèi)層218和一個(gè)外層219的多層形式示出，可以適當(dāng)?shù)乩秒婂兎ㄊ┘由线@兩層。多層外套中的一層或n層用一種硬的材料(如鎳及其合金)形成，以賦予互連元件210一個(gè)所希望的彈性。例如，外層219可以是一種硬的材料，而內(nèi)層可以是一種在將硬的材料219電鍍到芯材料216上時(shí)充當(dāng)一種緩沖層或阻擋層(或充當(dāng)一種活化層，或充當(dāng)一種粘結(jié)層)的材料?；蛘撸瑑?nèi)層218可以是該硬的材料，而外層219可以是一種顯示優(yōu)越電特性包括電導(dǎo)性和可焊性的材料(如軟金)。當(dāng)希望一種軟焊或硬焊型接觸時(shí)，互連元件的外層可以分別是鉛-錫軟焊接或金-錫焊材料。
固定到接線端圖2A以一種一般方式示出本發(fā)明的另一個(gè)關(guān)鍵特點(diǎn)-也就是說，彈性互連元件可以牢固地被固定到一個(gè)電子元件的接線端上。由于一個(gè)施加到互連元件的自由端210b的壓縮力(箭頭“F”)作用的結(jié)果，該互連元件的連接端210a將經(jīng)受相當(dāng)大的機(jī)械應(yīng)力。
如在圖2A中所示，涂層(218、219)不僅覆蓋芯216，而且還以一種連續(xù)(不中斷)的方式覆蓋芯216附近接線端214露出表面的整個(gè)余下部分(也就是說，接頭216a之外的部分)。這就牢固而可靠地將互連元件210固定到接線端上，同時(shí)涂層材料對將得到的互連元件固定到接線端上提供重要的(如大于50％)作用。一般，只是要求涂層材料至少覆蓋芯附近的接線端的一部分。但是，一般優(yōu)選的是涂層材料覆蓋接線端的整個(gè)余下表面。最好是，外套中的每一層都是金屬的。
作為一個(gè)普遍問題，在芯被連接(如接合)到接線端處的比較小的區(qū)域不很適合接受由施加到所得到的互連元件上的接觸力(“F”)所引起的應(yīng)力。由于外套覆蓋整個(gè)接線端露出的表面(除了在包括將芯端部216a連接到接線端上的比較小區(qū)域中之外)，整個(gè)互連結(jié)構(gòu)被牢固地固定到接線端上。涂層的粘結(jié)強(qiáng)度、和對接觸力起作用的能力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過芯的端部(216a)本身的粘結(jié)強(qiáng)度和能力。
正如在這里所用的，術(shù)語“電子元件”(如212)包括但不限于互連基片和插入件基片；由任何合適的半導(dǎo)體材料如硅(Si)或砷化鎵(GaAs)制成的半導(dǎo)體晶片和模片；生產(chǎn)互連插口；試驗(yàn)插口；如在原始案例中所述的過渡性構(gòu)件、元件和基片；半導(dǎo)體組件包括陶瓷和塑料組件，及芯片載體；和連接器。
本發(fā)明的互連元件特別適合用作·直接安裝到硅模片上而不需要有一個(gè)半導(dǎo)體組件的互連元件；·作為探針從用于試驗(yàn)電子元件的基片(下面更詳細(xì)地說明)中延伸的互連元件；和·插入件(下面更詳細(xì)地討論)的互連元件。
本發(fā)明的互連元件獨(dú)特之處在于，它得益于硬的材料的力學(xué)特性(如高屈服強(qiáng)度)而不受硬的材料通常附帶的不良接合特性限制。正如在原始案例中所詳細(xì)說明的，這可能主要是由于外套(涂層)在芯的“臨時(shí)支撐”中起一種“上層結(jié)構(gòu)”作用造成的，這兩個(gè)術(shù)語是從土木工程的背景借用過來的。這很不同于現(xiàn)有技術(shù)的電鍍的互連元件，在現(xiàn)有技術(shù)中，電鍍是用作一種過渡性(如耐腐蝕)涂層，并且一般不能賦予互連結(jié)構(gòu)所希望的力學(xué)特性。
在本發(fā)明的許多優(yōu)點(diǎn)中，一些優(yōu)點(diǎn)是在基片上從其不同水平(如一塊具有去耦容器的印刷電路板)到該基片上方的一個(gè)共同高度容易形成許多自由站的互連結(jié)構(gòu)，因此它們的自由端彼此是共平面。此外，按照本發(fā)明的形成的一個(gè)互連元件的電特性和力學(xué)(如塑性和彈性)特性容易適合特殊的應(yīng)用。例如，在一個(gè)規(guī)定的應(yīng)用中，可以希望互連元件表現(xiàn)兩種塑性和彈性變形。(可以希望塑性變形適應(yīng)在由互連元件互連的電子元件中的粗糙的非平面性)。當(dāng)希望彈性性能時(shí)，要求該互連元件產(chǎn)生一個(gè)最小量接觸力的閾值，以便實(shí)施一種可靠的接觸。另外有利的是，由于在接觸表面上沾污的薄膜的偶然存在，互連元件的尖端與電子元件的一個(gè)接線端產(chǎn)生一種摩擦閉合接觸。
正如這里所用的，術(shù)語“彈性的”當(dāng)應(yīng)用于接觸結(jié)構(gòu)時(shí)意思是接觸結(jié)構(gòu)(互連元件)響應(yīng)一個(gè)施加的負(fù)載(接觸力)而主要顯示出的彈性性能，而術(shù)語“順從的”意思是接觸結(jié)構(gòu)(互連元件)響應(yīng)一個(gè)施加的負(fù)載(接觸力)顯示出彈性和塑性兩種性能。正如這里所用的，一種“順從的”接觸結(jié)構(gòu)是一種“彈性的”接觸結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的復(fù)合互連元件是既是順從的接觸結(jié)構(gòu)又是彈性的接觸結(jié)構(gòu)的一種特殊情況。
在原始案例中，被詳細(xì)說明的許多特點(diǎn)包括但不限于在過渡性基片上制造互連元件；將許多互連元件成組轉(zhuǎn)移到一個(gè)電子元件上；給互連元件配置接觸尖端，最好是具有一種粗糙的表面光潔度；應(yīng)用一個(gè)電子元件上的互連元件做成與該電子元件臨時(shí)的，然后是永久的連接；將這些互連元件安排成在它們的一端而不是在它們的相對端具有不同的間距；制造彈簧夾并以與制造互連元件相同的操作步驟對齊引線針；應(yīng)用互連元件來適應(yīng)已連接的元件之間的熱膨脹方面的差異；消除對分立的半導(dǎo)體組件(如對單列直插式封裝存儲器組件(SIMMs))的需要；及任意地焊接彈性互連元件(彈性接觸結(jié)構(gòu))。
可控制的阻抗圖2B示出具有許多層的一種復(fù)合互連元件220?；ミB元件220的一個(gè)最里面部分(內(nèi)部細(xì)長的導(dǎo)電元件)222或是一種未加涂層的芯，或是一種具有如上所述已涂層的芯。最里面部分222的尖端222b用一種合適的掩蔽材料(未示出)掩蔽。例如利用電泳法將一個(gè)不導(dǎo)電層224加到最里面部分222上。將一種導(dǎo)電材料制的外層226加到不導(dǎo)電層224上。
在使用時(shí)，外層226在電路上接地將使互連元件220具有可控制的阻抗。用于不導(dǎo)電層224的一種示范性材料是聚合物材料，它以任何合適的方式施加并施加到任何合適的厚度(如，0.1-3.0密耳)。
外層226可以是多層的。例如，在其中最里面部分222是未涂層芯的情況下，當(dāng)希望整個(gè)互連元件顯示彈性時(shí)，外層226當(dāng)中至少一層是一種彈性材料。
變換間距圖2C示出一個(gè)實(shí)施例250，其中許多個(gè)(示出許多個(gè)當(dāng)中的六個(gè))互連元件251……256安裝在一個(gè)電子元件260如一個(gè)探針板插件上(一種以普通方式安裝在探針板上的子配件)。為了直接清楚起見，從該圖中省去了探針板插件的許多接線端和導(dǎo)電路線?；ミB元件251…256的連接端251a…256a在一個(gè)第一間距(間隔)處如0.050-0.010英寸開始。互連元件251……256被如此成形并定向，以使它們的自由端(尖端)處在一個(gè)第二較細(xì)的間距如0.005-0.010英寸處。一個(gè)從一個(gè)間距到另一個(gè)間距產(chǎn)生互連的互連組件一般地被稱作一種“間距變量器”。
如圖所示，互連元件的尖端251b…256b被安排成平行的兩排，以便與具有焊盤的兩個(gè)平行排(接觸點(diǎn))的一個(gè)半導(dǎo)體器件形成接觸(用于試驗(yàn)和/或老化)。這些互連元件可以安排成具有別的尖端圖案，用于與具有別的接觸點(diǎn)圖案如矩陣的電子元件形成接觸。
一般，在這里公開的全部實(shí)施例，盡管只可以示出一個(gè)互連元件，但本發(fā)明可用于制造許多互連元件并將許多互連元件安排彼此成一種前述的空間關(guān)系，如安排成一種周邊圖案或成一種矩形矩陣圖案。
應(yīng)用過渡性基片的方法上面已經(jīng)說明了將互連元件直接安裝到電子元件的接線端子。一般地說，本發(fā)明的互連元件可以在任何合適基片包括過渡性的基片的任何合適的表面上制造，或安裝在所述表面上。
現(xiàn)在把注意力集中到原始案例上，該原始案例例如對于圖11A-11F做了說明，圖中將許多互連結(jié)構(gòu)(例如，彈性接觸結(jié)構(gòu))制造成分開的和各不相同的結(jié)構(gòu)，以便隨后安裝到電子元件上，并且該原始案例對于圖12A-12C做了說明，圖中將許多互連元件安裝到一個(gè)過渡性的基片(載體)上，然后將許多互連元件全部地轉(zhuǎn)移到一個(gè)電子元件上。
圖2D-2F示出一種方法，用于采用一種過渡性基片制造許多具有預(yù)成形的尖端結(jié)構(gòu)的互連元件。
圖2D示出該方法250的第一步，其中將一種形成圖案的掩蔽材料252層加到一個(gè)過渡性基片254的表面上。作為例子，過渡性基片254可以是薄的(1-10密耳)銅或鋁箔，而掩蔽材料252可以是普通的光阻材料。掩蔽層252被形成圖案在位置256a、256b、256c處具有許多個(gè)(示出了許多個(gè)當(dāng)中的三個(gè))開口，在那里希望制造互連元件。在這種情況下，位置256a、256b和256c與一個(gè)電子元件的接線端不相上下。位置256a、256b和256c最好在此階段處理成具有一個(gè)粗糙的或有特點(diǎn)的表面織構(gòu)。如圖所示，這可以以機(jī)加工方式用一種壓花工具257在位置256a、256b和256c的箔中形成凹陷來完成。或者，在這些位置的箔的表面可以化學(xué)蝕刻成具有一種表面織構(gòu)。任何適合實(shí)施這個(gè)總目標(biāo)的方法都在本發(fā)明的范圍之內(nèi)，例如噴砂法、噴丸硬化法等。
接著，在每個(gè)位置(如，256b)形成許多(示出許多個(gè)當(dāng)中的一個(gè))導(dǎo)電的尖端結(jié)構(gòu)258，如圖2E所示。這可以用任何合適的方法如電鍍法完成，并且可以包括具有多層材料的尖端結(jié)構(gòu)。例如，該尖端結(jié)構(gòu)258可以具有一個(gè)加到過渡性基片上的薄的(如10-100微英寸)鎳阻擋層，再加一層薄的(如，10微英寸)軟金，再加一層薄的(如，20微英寸)硬金，再加一層比較厚的(如，200微英寸)鎳，最后再加一層薄的(如，100微英寸)軟金。一般，提供第一層薄的鎳阻擋層以保護(hù)隨后的金層免于被基片254的材料(如，鋁、銅)“中毒”，比較厚的鎳層是為尖端結(jié)構(gòu)提供強(qiáng)度，而最后的薄的軟金層提供一個(gè)容易被接合于其上的表面。本發(fā)明的不限制在過渡性基片上的如何形成尖端結(jié)構(gòu)的任何細(xì)節(jié)，因?yàn)檫@些細(xì)節(jié)會(huì)因不同的應(yīng)用而不可避免地發(fā)生改變。
如圖2E所示，比如用任何將一個(gè)軟的引線芯接合到上述一個(gè)電子元件的接線端上的方法可以在尖端結(jié)構(gòu)258上形成許多個(gè)(示出許多個(gè)當(dāng)中的一個(gè))芯260用于各個(gè)互連元件。然后以上述方式用一種合適的硬材料262給芯260涂層，并且然后除去掩蔽材料252，同時(shí)產(chǎn)生許多個(gè)(示出許多個(gè)中的三個(gè))自由站立的安裝在過渡性基片的一個(gè)表面上的互連元件264，如圖2F所示。
在一種類似于關(guān)于圖2A所示的涂層材料至少覆蓋住五個(gè)接線端(214)的附近區(qū)域的方式中，該涂層材料262牢固地將芯260固定到它們各自的尖端258上，并且如果希望的話，將彈性特性賦予所得到的互連元件264。正如在原始案例中所提到的，可以將許多安裝到過渡性基片上的互連元件成組地轉(zhuǎn)移到一個(gè)電子元件的接線端上?；蛘撸梢圆扇蓚€(gè)寬分散路線。
在本發(fā)明的范圍內(nèi)，可以采用一種硅片作為在其上制造尖端結(jié)構(gòu)的過渡性基片，如此制造的尖端結(jié)構(gòu)可以接合(如，軟焊、硬焊)到已經(jīng)安裝到一個(gè)電子元件的彈性接觸結(jié)構(gòu)上。
如圖2G所示，過渡性基片254可以用任何合適的方法如選擇性化學(xué)蝕刻法簡單地除去。因?yàn)榇蠖鄶?shù)選擇性的化學(xué)蝕刻法將以比另一種材料大得多的速率蝕刻一種材料，而另一種材料在此方法中可以稍微被蝕刻，這種現(xiàn)象被有利地用來與除去過渡性基片同時(shí)除去尖端結(jié)構(gòu)中的薄的鎳阻擋層。但是，如果需要的話，該薄的鎳阻擋層可以在隨后的蝕刻階段中被除去。這就產(chǎn)生許多個(gè)(示出許多個(gè)中的三個(gè))單個(gè)的、分立的、獨(dú)特的互連元件264，如虛線266所表示的，這些互連元件264以后可以安裝(如利用軟焊或硬焊)或電子元件的接線端上。
必須提到，在除去過渡性基片和/或薄的阻擋層的過程中，涂層材料也可能稍微變薄，但是這種情況最好不發(fā)生。
為了防止涂層變薄，優(yōu)選的是在涂層材料262上加一薄層金或者例如在約20微英寸的硬金上加約10微英寸軟金作為最后的一層。主要想把這個(gè)外面的金層利用它的優(yōu)越的導(dǎo)電性、接觸彈性，和可焊接，并且它一般不受打算用于除去薄阻擋層和過渡性基片的大多數(shù)腐蝕性的溶液的影響。
或者，如圖2H所示，在除去過渡性片基片254之前，可以用任何合適的支承結(jié)構(gòu)266如用一種其中具有許多孔的薄板將許多個(gè)(示出許多個(gè)中的三個(gè))互連元件264以一種彼此成所希望的空間關(guān)系被“固定”，隨后過渡性基片在該支承結(jié)構(gòu)266上除去。支承結(jié)構(gòu)266可以用一種不導(dǎo)電材料制造，或是用一種用不導(dǎo)電材料涂層的導(dǎo)電材料制造。然后可以進(jìn)行進(jìn)一步的處理步驟(圖中未示出)如將許多互連元件安裝到一個(gè)電子元件如一個(gè)硅片或一個(gè)印刷電路板上。此外，在某些應(yīng)用中，可能理想的是使互連元件264的尖端(在尖端結(jié)構(gòu)的對面)從運(yùn)動(dòng)中特別是當(dāng)其上施加接觸力時(shí)穩(wěn)定下來。為此目的，也可能理想的是用一種具有許多孔的薄片268如由一種不導(dǎo)電材料形成的網(wǎng)眼來限制互連元件尖端的運(yùn)動(dòng)。
上述方法250的一個(gè)明顯優(yōu)點(diǎn)是尖端結(jié)構(gòu)(258)可以用實(shí)際上任何所希望的材料制成，并具有實(shí)際上任何所希望的織構(gòu)。如上所述，金是顯示電導(dǎo)性、低接觸電阻、可焊性、和耐腐蝕的極好電特性的一種貴金屬的一個(gè)例子。因?yàn)榻鹗强裳诱沟?，所以它是極為適合加到任何這里所述的互連元件特別是這里所述的彈性互連元件上的最后的涂層。別的貴金屬顯示類似的理想特性。但是，某些材料如銠顯示這種極好的電特性一般不適合用于給整個(gè)互連元件。例如，銠特別地脆，因而不可能很好地作為一個(gè)彈性元件上的最好涂層使用。在這方面，由方法250所舉例說明的方法很容易克服這個(gè)局限性。例如，一個(gè)多層尖端結(jié)構(gòu)(見258)的第一層可以是銠(而不是如上所述的金)，因而，利用它的優(yōu)越的電特性以便形成與電子元件的接觸而對得到的互連元件的力學(xué)性能一點(diǎn)也沒有任何影響。
圖2I示出用于制造互連元件的可供選擇的實(shí)施例270。在這個(gè)實(shí)施例中，將一種掩蔽材料272施加到一個(gè)過渡性基片274的表面上，并以一種類似于上述圖2D中的方法的方式形成具有許多個(gè)(示出許多個(gè)的一個(gè))開口276的圖案。這些開口276確定了互連元件將被制造成自由站立結(jié)構(gòu)的區(qū)域。(正如在這里所述整個(gè)說明所用的，當(dāng)一個(gè)互連元件具有一端接合到一個(gè)電子元件的接線端上，或接合到一個(gè)過渡性基片的一個(gè)區(qū)域，而該互連元件的相對端不接合到電子元件或過渡性基片上時(shí)，該互連元件就是“自由站立的”。)開口內(nèi)的區(qū)域可以用任何合適的方式制成某種織構(gòu)，如制成具有一個(gè)或多個(gè)凹陷的結(jié)構(gòu)，正如由單個(gè)延伸到過渡性基片274的表面中的凹陷278表示。
一個(gè)芯(引線莖)280被接合到開口276內(nèi)的過渡性基片的表面上，并可以具有任何合適的形狀。為圖示清楚起見，在這個(gè)圖例中，只示出一個(gè)互連元件的一端。另一端(未示出)可以被連接到一個(gè)電子元件上?，F(xiàn)在可以很容易看出，方法270不同于上述方法250的地方在于芯280直接接合到過渡性基片274上，而不是接合到尖端結(jié)構(gòu)258上。作為一個(gè)例子，用常規(guī)的引線接合方法，很容易將一個(gè)金引線芯(280)接合到一個(gè)鋁基片(274)的表面上。
在該方法(270)的下一個(gè)步驟中，將一層金282施加(如，利用電鍍)到芯280上并到達(dá)開口276內(nèi)其中包括凹陷278內(nèi)的基片274的露出區(qū)域上。這一層282的主要用途是在所得到的互連元件(也就是說，一旦除去過渡性基片)的端部形成接觸表面。
接著，將一層比較硬的材料284如鎳施加到該層282上。如上所述，這一層284的主要用途是將所希望的力學(xué)特性(如彈性)賦予所得到的互連元件。在這個(gè)實(shí)施例中，該層284的另一個(gè)主要用途是在得到的互連元件的下面(如所看到的)端部處增加制造的接觸表面的耐用性。在該層284上可以施加最后的一層金(未示出)，以增強(qiáng)所得到的互連元件的電特性。
在最后一個(gè)步驟中，除去掩蔽材料272和過渡性基片274，同時(shí)或形成許多單個(gè)的互連元件(相當(dāng)于圖2G)或形成許多彼此具有一個(gè)預(yù)定的空間關(guān)系(相當(dāng)于圖2H)的互連元件。
這個(gè)實(shí)施例270是用于在互連元件端部上制造具有某種織構(gòu)的接觸尖端的一種方法的范例。在這種情況下，已經(jīng)說明了一種“金包鎳”接觸尖端的極好的例子。但是，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，按照這里所述的方法，可以在互連元件的端部制造其它類似的接觸尖端。這個(gè)實(shí)施例270的另一個(gè)特點(diǎn)是這些接觸尖端完全在過渡性基片的頂上制造，而不是如前面實(shí)施例所打算的在過渡性基片(254)的表面內(nèi)部制造。
插入件本發(fā)明的復(fù)合互連(彈簧)元件可用于各種各樣的應(yīng)用，例如供在插入件中使用。在插入件中使用復(fù)合互連元件的目的在原始案例中已經(jīng)討論過了，因而在這里只作簡要說明。
一般，正如這里所用的，一個(gè)“插入件”是一種具有從其兩個(gè)相對的表面延伸的電接觸結(jié)構(gòu)的基片，它放置在兩個(gè)電子元件之間以使這兩個(gè)電子元件互連。常常，理想的是該插入件能移開兩個(gè)互連好的電子元件中的至少一個(gè)(如，用于替換，改進(jìn)等)。
圖3示出一個(gè)采用本發(fā)明的互連元件的一個(gè)插入件的實(shí)施例300。一般，一個(gè)絕緣的基片302如一個(gè)印刷電路板(PCB)型基片裝備有許多個(gè)(示出許多個(gè)當(dāng)中的兩個(gè))導(dǎo)電的通孔(如，電鍍好的通路)306，308，或類似物，每個(gè)通孔都具有在絕緣基片302的頂部(上面)表面302a和底部(下面)表面302b上露出的導(dǎo)電部分。
一對軟芯311和312被連接在基片302的頂部表面302a上的通孔306的露出部分上。一對軟芯313和314被連接在基片302的底部表面上通孔306的露出部分上。同樣，一對軟芯315和316被連接到基片302的頂部表面上的通孔308的露出部分上，而一對軟芯317和318被連接到基片302的底部表面上的通孔308的露出部分上。然后用一種硬的材料320給這些芯311…318涂層，以在基片302的頂部表面302a上形成互連結(jié)構(gòu)322和324，及在基片302的底部表面302b上形成互連結(jié)構(gòu)326和328。照這樣，各個(gè)芯311…318被牢固地固定到這些通孔的相應(yīng)露出部分上，互連結(jié)構(gòu)322在電路上連接到互連結(jié)構(gòu)326上，而互連結(jié)構(gòu)324電路上連接到互連結(jié)構(gòu)328上。應(yīng)當(dāng)理解，通過提供每個(gè)互連結(jié)構(gòu)(如，322)作為一對互連元件(如，311，312)，實(shí)現(xiàn)了(也就是說，比用單一互連元件)與外部元件(未示出)更可靠的連接。
正如所示出的，頂部互連元件組311，312，315和316全都形成具有相同的形狀，而底部互連元件組全都具有相同的形狀。應(yīng)該理解，底部互連元件組可以具有不同于頂部互連元件組的形狀，這將為形成從絕緣基片的頂部表面延伸的互連結(jié)構(gòu)提供了機(jī)會(huì)此絕緣基片具有不同于從該基片的底部表面延伸互連結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。
得到增加了的接觸力本發(fā)明的復(fù)合互連元件的一個(gè)主要用途是能在電子元件之間形成壓力連接。
如上所述，在實(shí)施壓力接觸時(shí)主要關(guān)心的一點(diǎn)是由彈簧接觸元件所提供的接觸力。作為一個(gè)普遍問題，對于由該彈簧元件所形成的彈性連接希望接觸力最大，或具有一個(gè)較高的彈簧常數(shù)。
在上述一個(gè)插入件300的例子中，每個(gè)彈性連接都是由一對復(fù)合互連元件形成。用于每個(gè)連接的接觸力將是由這一對中每個(gè)互連元件所提供的接觸力之和。
按照本發(fā)明的一個(gè)方面，不使用由具有一個(gè)圓形截面(即，引線莖)的芯元件制造的兩個(gè)或兩個(gè)以上的復(fù)合互連元件來實(shí)施一種單個(gè)的壓力連接，而一個(gè)單個(gè)壓力連接由一種單個(gè)的具有一種非圓形的并加以選擇的截面的復(fù)合互連元件實(shí)施，以使可以由復(fù)合在互連元件提供的接觸力最大。
圖4和4A示出一種安裝到一個(gè)電子元件404的接線端402上的自由站立的復(fù)合互連元件400的例子。對這個(gè)例子來說，該復(fù)合互連元件400具有一種與圖3中復(fù)合互連元件150類似的彈簧形狀，但它不限于任何特別的彈簧形狀。復(fù)合互連元件400具有一個(gè)內(nèi)芯406，該內(nèi)芯406是一種具有一個(gè)圓形(環(huán)形)橫截面的軟的(如，金)引線，并且用一種硬的(如，鎳)材料408涂層，如上所述。
當(dāng)元件404推向緊貼另一個(gè)(未示出)元件時(shí)，也就是說，當(dāng)引起該復(fù)合互連元件偏轉(zhuǎn)一個(gè)給定的距離時(shí)，這個(gè)復(fù)合互連元件400將顯示一個(gè)給定的(可計(jì)算的)量的接觸力“F”。
芯元件(引線莖)406被用一種常用的引線接合器接合到接線端402上，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)“球形”接頭410，如圖4所示。彈簧元件400安裝于其上的單個(gè)接線端402a(相當(dāng)于402)以虛線示出。
如上面對于圖3所述，一個(gè)壓力接觸可以用一對復(fù)合互連元件(如，400)形成，這對復(fù)合互連元件從一個(gè)電子元件上的單個(gè)接線端延伸并與在一個(gè)電子元件上的相應(yīng)的單個(gè)接線端接觸。在這種情況下，對一個(gè)給定量的偏轉(zhuǎn)來說，接觸力將是2F，因?yàn)槠渲忻總€(gè)互連元件貢獻(xiàn)一個(gè)接觸力“F”，如上所述。圖4B以截面圖解這種情況。一對彈簧元件400安裝于其上的單個(gè)接線端402b(相當(dāng)于402)以虛線示出。此外，這不限于任何特別的電子元件或不限于任何特別的彈簧形狀。
帶狀芯元件使用一種具有不是圓形橫截面的引線在許多普通擁有共同未決案例中已經(jīng)公開了。
例如，普通擁有、共同未決的美國專利申請書號No.08/452,255，在第63頁4-6行就說到“引線不必具有一種圓形橫截面……(它)可以具有一個(gè)矩形橫截面，或者還可以具有另外一種形狀的橫截面”。
圖5是一種從一個(gè)電子元件506的接線端504延伸的帶狀芯元件502的一個(gè)實(shí)施例500的透視圖。該芯元件502由任何合適的軟材料以與上述引線莖差不多的方式形成。
帶狀芯元件502不是一種引線，例如不是具有直徑為1.0密耳的引線，而是一般橫截面為矩形，它具有第一橫向尺寸“d1”，該尺寸“d1”大于一個(gè)在與第一橫向尺寸“d1”正交的方向上的第二橫向尺寸“d2”。尺寸“d1”最好至少是尺寸“d2”的兩倍(包括三倍、四倍和四倍以上)。例如·尺寸“d1”(或?qū)挾?可以是0.001-0.010英寸，例如5.0密耳；而·尺寸“d2”(或厚度)可以是0.0003-0.0015英寸，例如1.0密耳。
一種涂層材料(未示出，在圖5B中示出)被以上述方式施加到芯元件上，并且合適地是一種多層涂層，它至少包括一層高屈服強(qiáng)度材料如鎳(以及合金)。
一般，因?yàn)閹钚驹?如，502)具有這樣一個(gè)大的表面(特別是截面及其相對于彎曲力矩的分布)面積，所以不需提供象用一個(gè)或多個(gè)具有引線莖(圓形橫截面的芯元件)的差不多尺寸的互連元件那么厚的涂層材料來達(dá)到一個(gè)類似的彈簧常數(shù)。實(shí)際上，一個(gè)帶狀芯元件(502)可以加涂層以提供一個(gè)復(fù)合互連元件，該復(fù)合互連元件比具有一個(gè)引線芯的厚度相等或較大的類似尺寸的復(fù)合互連元件的彈簧常數(shù)高，并且是全面地比具有一個(gè)引線莖的一個(gè)差不多的復(fù)合互連元件要薄。
由于具有一個(gè)非圓形橫截面的芯元件，所以得到超過具有圓形橫截面的芯元件的許多優(yōu)點(diǎn)，其中包括·由于比要求對具有圓形橫截面的兩個(gè)或兩個(gè)以上引線莖涂層較少的鍍層(涂層)，所以可以得到相同或較高的彈簧常數(shù)值，從而對于該復(fù)合互連元件可以得到較大的接觸力；·當(dāng)帶狀彈簧元件被壓縮時(shí)，將改善應(yīng)力分布(對相同的反作用力來說，一個(gè)矩形截面的莖將顯示一個(gè)比一個(gè)相當(dāng)?shù)膱A形橫截面的莖低的應(yīng)力。換句話說，矩形是一種更有效的橫截面)；·彈簧元件中較小的應(yīng)力將產(chǎn)生較大的彈性變形(彈性)；及·芯元件的主要尺寸(d1)可以如此定向，以便使得到的彈簧元件在壓縮過程中對于側(cè)向(如圖中所看到的，在低頁面的內(nèi)和外)運(yùn)動(dòng)將顯示較大的穩(wěn)定性。
帶狀芯元件(502)可以具有一個(gè)帶銳邊(角)的矩形橫截面。但是，這些角也可能被修圓或倒角。一般，這些芯元件通過軋制(壓平)一種最初具有圓形橫截面的引線制造的。
在本發(fā)明的范圍內(nèi)，一種帶狀芯元件可以是矩形截面以外的形狀，其中包括橢圓形、卵形、工字梁形和C梁形。由這種帶狀芯元件制造的復(fù)合互連元件將顯示上述有關(guān)矩形截面帶狀芯元件的某些或全部優(yōu)點(diǎn)。
帶狀芯元件接合到一個(gè)接線端上如上所述，任何合適的方法都可以用于將芯元件“釘”到接線端上，以便它可以被涂層，該涂層形成一個(gè)將得到的復(fù)合互連元件固定到接線端上的主要部分。
然而，一般優(yōu)選的是帶狀芯元件以與一根引線莖接合到接線端上相同的方式接合到接線端上-也就是說，采用一般常用的引線接合設(shè)備來實(shí)施芯元件到接線端上的球形(與楔形相比)接合。(顯然，在引線接合器的毛細(xì)管中的孔將必須適合(成形為)容納和供給這些帶狀元件。)圖5A示出一種方法550，利用它將一個(gè)帶狀芯元件552(相當(dāng)于502)球形接合到一個(gè)電子元件556(相當(dāng)于506)上的一個(gè)接線端554(相當(dāng)于504)上，成形為具有一個(gè)彈簧形狀，并切斷成為自由站立。以上述方式將一涂層施加到該自由站立的帶狀芯元件上。
在芯元件552的最近端552a處形成一個(gè)球形接頭558，該芯元件552被固定到接線端554上。一般，為了與一個(gè)帶狀芯元件形成一個(gè)球形接頭，可能要求許多次點(diǎn)火(相對于一次點(diǎn)火)。
以類似的方式，優(yōu)選的是在芯元件552的遠(yuǎn)端(尖端)552b處形成一個(gè)焊球560。還有，可能要求一個(gè)電子滅焰(EFO)電極多次點(diǎn)火，以在芯元件的尖端處有效地形成所希望的焊球。
在本發(fā)明的范圍內(nèi)，帶狀導(dǎo)電元件不同于以這種方式將復(fù)合互連元件球形接合到電子元件的接線端上的芯元件。
圖5B以截面形式示出按上述方式施加了涂層后的圖5A的芯元件552。如上所述，為了達(dá)到相同(或更高)的接觸力，用于這種帶狀芯元件的涂層562可能比用于具有圓形橫截面的一個(gè)或多個(gè)相當(dāng)?shù)囊€莖的涂層顯著地薄(例如，有小于1.0密耳的額定厚度)，同時(shí)在所得到的復(fù)合互連元件壓縮期間改善了應(yīng)力分布。
圖5C示出一個(gè)復(fù)合互連元件550(一般，示出圖5A的互連元件的透視圖)，它是通過將一個(gè)平的(矩形橫截面)芯元件552球形接合到一個(gè)基片556(它可以是一個(gè)電子元件)上的接線端554(它可簡單地是一個(gè)選好的區(qū)域)上形成的。芯元件552或在接合之前或者接合之后被加工形成具有彈簧形狀。圖中示出許多這樣彈簧形狀當(dāng)中示范性的一個(gè)。然后用一層或多層材料558將帶狀芯元件涂層，以賦予所得到的互連元件所希望的特性，如上所述。此外，可能要求一個(gè)電極多次點(diǎn)火(放電、火花)，以便在元件550的尖端(未安裝端)形成焊球。
圖5D示出互連元件550的一個(gè)橫截面，而圖5E示出由具有圓形橫截面并具有相當(dāng)尺寸的芯元件制造的許多個(gè)(如，五個(gè))互連元件560的橫截面。例如·圖5D的互連元件550包括一單個(gè)的平的(帶狀)芯元件552，該芯元件552具有1密耳的厚度(圖中的垂直方向)和1密耳的寬度(圖中的水平方向)，并且被一種具有1密耳厚度的材料涂層；和
·在圖5E中示出的五個(gè)互連元件560其中的每一個(gè)都包括一個(gè)具有直徑為1密耳和涂層厚度為1密耳的芯元件562。
五個(gè)互連元件560中的每一個(gè)都提供一個(gè)接觸力F，如圖中的箭頭所示?？傆?jì)，五個(gè)互連元件560將提供一個(gè)5F的接觸力。(應(yīng)當(dāng)理解，該接觸力一般朝向紙面的里面)。
由和五個(gè)互連元件560相同材料和相當(dāng)尺寸制成的單個(gè)帶狀互連元件550具有約10-20F如15F的接觸力，它顯示比由五個(gè)互連元件560所提供的合計(jì)的接觸力(5F)大得多。(此外，應(yīng)該理解，該接觸力一般朝向紙面的里面。)因此可以理解，當(dāng)與許多個(gè)圓形橫截面的互連元件相比時(shí)，具有一個(gè)非圓形橫截面的互連元件可以提供增大的接觸力、降低的應(yīng)力。和增大的彈性范圍。無論互連元件(如，550)是“復(fù)合的”還是“單片的”一般這都是確實(shí)的。此外，盡管為形成圖5D中所示的結(jié)構(gòu)560。要求五個(gè)單個(gè)的引線接合操作，但為形成圖5C和5D中的互連元件，卻只要求一次(也就是，單次的)引線接合操作。
毛細(xì)管本發(fā)明的互連元件有利地應(yīng)用將一個(gè)平的(非圓形橫截面)引線的一端球形接合到一個(gè)基片(包括到一個(gè)電子元件的接線端)上的方法。這點(diǎn)可以用一個(gè)裝備有一個(gè)合適的毛細(xì)管的常用引線接合器做到。
圖6A和6B以截面形式示出按照本發(fā)明的用于一個(gè)引線接合器(如K&s 1419型引線接合器)的示范性的毛細(xì)管。正如已知的那樣，一個(gè)常用的毛細(xì)管具有一個(gè)管體部分和一個(gè)同心地穿過該管體延伸的孔，而引線(如，接合引線)通過該毛細(xì)管供入并從毛細(xì)管的尖端引出來。
毛細(xì)管600具有一個(gè)管體部分602和一個(gè)孔604，該孔從頂(如所看到的)到底(如所看到的)完全穿過管體部分延伸。毛細(xì)管的底端是尖端606。正如在圖6B中清楚看到的，孔604具有一個(gè)非圓形的橫截面。確切地說，該橫截面呈一種修圓的矩形形狀，它具有一個(gè)稍大于芯元件尺寸d2(如，0.5密耳)的較小尺寸T，和一個(gè)稍大于芯元件尺寸d1(如，0.5密耳)的較大尺寸W。對具有下列尺寸的帶，毛細(xì)管尺寸合適地是(所有尺寸均以英寸計(jì))d2 d1 W T0.0005 0.0015 0.0020 0.0010
0.0005 0.0025 0.0030 0.00100.0010 0.0050 0.0057 0.0015孔的端部(正如在圖6B中所看到的)被適當(dāng)?shù)厍谐蓤A角，以適應(yīng)芯元件穿過它的通路，而孔604具有一個(gè)約10°的斜度(在頂部比在尖端要大)。毛細(xì)管管體602的外表面在尖端606處被修圓，而孔604在它從尖端606出口的地方也適當(dāng)?shù)乇恍迗A(如圖所示)。
因此，這里公開了一種將一個(gè)導(dǎo)電帶(在一個(gè)復(fù)合互連元件前身的情況下，該帶是一個(gè)芯元件)球形接合到一個(gè)基片(它可以是一個(gè)電子元件)的表面上的一個(gè)區(qū)域(它可以是一個(gè)接線端)上的方法，該方法包括將一個(gè)帶(或芯元件)穿過一個(gè)引線接合器的類似形狀(在橫截面)的毛細(xì)管，該帶從毛細(xì)管的尖端引出并且最好具有一個(gè)在帶的端部預(yù)先形成的焊球(增加橫截面尺寸的區(qū)域)，推動(dòng)毛細(xì)管的尖端緊貼基片表面上的區(qū)域；并施加一種或多種能量，以實(shí)施帶的端部與基片之間的球形接合，該能量是從包括超聲能、熱能和壓縮力的任何組合的一組能中選出來的。這里公開的毛細(xì)管可以和下述任何一種一起使用(a)超聲引線接合器；(b)熱超聲引線接合；和(c)熱壓引線接合器。
在使用中，在帶被球形接合到基片上后，毛細(xì)管被如此拉出(Z-軸上)，以便帶從基片的表面延伸。在此操作過程中，可以給予X-Y移動(dòng)(如，在基片正停在這一階段)，以賦予帶一種彈簧形狀?；蛘?，如下所述，可以用單獨(dú)的機(jī)械手段(成形工具)來賦予帶一種彈簧形狀。
在拉出毛細(xì)管后，該帶被切斷形成一個(gè)接合到基片上的自由站立的結(jié)構(gòu)(它可以是一個(gè)復(fù)合互連元件的芯元件)，而帶的其余部分留在毛細(xì)管內(nèi)并從其尖端延伸為形成隨后的球形接合到基片上做準(zhǔn)備。最好是，在球形接合之前(也就是說，在前面的切斷操作之后)，在帶的余下部分的端部形成一個(gè)焊球，以便形成隨后的與基片的接合。
在本發(fā)明的范圍內(nèi)，該焊球是通過應(yīng)用由一種電子滅火(EFO)電極激發(fā)的一種火花(放電)在帶的端部(在一部分通過毛細(xì)管尖端延伸的帶上)形成的。最好是，將電極如此定向，以使火花在其窄的一側(cè)(d2，見圖5)觸發(fā)帶，而不是觸發(fā)該帶“寬的一側(cè)”。還是在本發(fā)明的范圍之內(nèi)，可能要求電子滅火(EFO)電極的多次點(diǎn)火以便切斷帶和/或在該帶的端部形成一個(gè)焊球。
在一種類似于常用的引線接合法的方式中，帶可以由一種從包括金、銅、鋁及其合金組成的組中選定的材料制造。
成形并切斷帶狀芯元件正如在原始案例中所討論的，在將芯元件切斷成一種自由站立的引線莖之前，通過在毛細(xì)管和細(xì)長的芯元件接合其上的元件(基片)之間作相對運(yùn)動(dòng)，很容易使細(xì)長的芯元件具有一種彈簧形狀。
按照本發(fā)明的一個(gè)方面，使用一種外部機(jī)械工具如在這里引入?yún)⒖嫉钠胀〒碛?，共同未決美國專利申請書號No.60/013,247中所公開的，合適地將帶狀芯元件(如，502,552)加工成形。在下面敘述一種示范性的外部機(jī)械成形工具的說明。
圖7A-7C示出用于成形一部分細(xì)長元件702的方法的一個(gè)實(shí)施例700，該細(xì)長元件702在一個(gè)基片708的一個(gè)區(qū)域710如一個(gè)電子元件的接線端和一個(gè)引線接合器(未示出)的毛細(xì)管704(相當(dāng)于600)之間延伸。該細(xì)長元件702合適地由一個(gè)供給卷軸706供給。
在這個(gè)示范性的實(shí)施例中，成形工具712是一根桿(圓柱形元件)，它被一個(gè)驅(qū)動(dòng)器(“ACT”)720如一個(gè)螺線管驅(qū)動(dòng)在X-Y平面中移動(dòng)。桿和驅(qū)動(dòng)器之間的虛線722表示任何合適的連接元件如一個(gè)杠桿。最好是，驅(qū)動(dòng)器720屬于一種類型，如一種組合式電動(dòng)機(jī)/編碼器或伺服系統(tǒng)在其整個(gè)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)，驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)和位置可以被控制(如，用軟件)。照這樣，由成形工具施加到細(xì)長元件上的力和成形工具的行進(jìn)可以小心地被控制和做成型材。但是，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，可以用一種簡單的螺線管作為驅(qū)動(dòng)器，用一種合適的與連接機(jī)構(gòu)(或，與成形工具本身)有關(guān)的機(jī)械止動(dòng)器限制螺線管的“行程”(螺線管運(yùn)動(dòng)的距離)。
成型工具712用一種比細(xì)長元件702硬的材料制成，如鎢、石英、或類似材料。在本發(fā)明的范圍內(nèi)，成形工具可以被加熱，如用一種受激準(zhǔn)分子激光器加熱，以幫助成形細(xì)長元件。在本發(fā)明的范圍內(nèi)，可將一個(gè)電位(包括接地)施加到成形工具上用于控制施加到細(xì)長元件上的切割火花。
圖7B示出成形工具712正推向細(xì)長元件702，使該細(xì)長元件具有彈簧形狀。圖7C示出成形工具已從細(xì)長元件702中撤回，并且該細(xì)長元件已在毛細(xì)管704附近被切斷。
在圖7B和7C中，示出細(xì)長元件702已經(jīng)產(chǎn)生具有類似于圖1E中所示形狀(一種C型)的形狀。成形工具712的直徑最好稍小于已成型的細(xì)長元件的最后高度。例如，已成形的高度為30-35密耳的細(xì)長元件可以用一種直徑為20-25密耳的圓柱形成形工具來適當(dāng)?shù)爻尚?。這不過是可以賦予細(xì)長元件許多可能的彈簧形狀當(dāng)中的一種。
最好是，在實(shí)施例700中，細(xì)長元件702被來自一個(gè)電子滅焰電極(EFO)732中的火花(放電)切斷，該電極732固定到毛細(xì)管704上。
在本發(fā)明的范圍內(nèi)，細(xì)長元件用火花714切斷，而成形工具512處于與細(xì)長元件702機(jī)械和電接觸(嚙合)，如圖7A中所示。成形工具712可以接地，或處于一個(gè)給定的電位以控制火花和/或防止火花損壞一個(gè)精密的電子元件(708)。
在前述使用一種成形工具712來賦予細(xì)長元件(如，接合引線)一種彈簧形狀的實(shí)施例700中，該接合引線首先被接合到基片上，而毛細(xì)管704在Z軸方向上被拉開，以便供給出希望被成形的接合引線部分。
在本發(fā)明的范圍內(nèi)，成形工具可以具有許多自由度，并且可以以這種方式運(yùn)動(dòng)，使細(xì)長元件圍繞成形工具扭絞，以便賦予細(xì)長元件的已成形部分復(fù)雜的形狀。
使用一種外部成形工具(與賦予毛細(xì)管和元件間相對運(yùn)動(dòng)相比)以賦予細(xì)長元件所希望的彈簧形狀一般被優(yōu)選用于帶狀芯元件的可靠成形。
如上所述，本發(fā)明顯著與現(xiàn)有技術(shù)不同之處在于，涂層被用來賦予一種別樣的非彈性的、容易成形的、初期的互連元件(接觸結(jié)構(gòu))所希望的力學(xué)特性(如，彈性)。在現(xiàn)有技術(shù)中，涂層(包括鍍金)主要是用來增加互連元件的電特性，并防止其腐蝕。
互連元件既可以在電子元件上“就地”制造，也可以“預(yù)制”用于以后安裝到電子元件上。
盡管在附圖和前述說明中已經(jīng)圖示并詳細(xì)說明了本發(fā)明，但上述情況可看做是說明性的而在性質(zhì)上不是限制性的-應(yīng)當(dāng)理解，已經(jīng)示出并說明的僅是優(yōu)選實(shí)施例，并且在本發(fā)明的精神范圍之內(nèi)的所有改變和修改都希望得到保護(hù)。無疑，有關(guān)上述“主題”的許多其它“變動(dòng)”對具有最接近本發(fā)明的那些技術(shù)的普通專業(yè)人員來說將會(huì)發(fā)生，并且這些變動(dòng)意謂在如這里公開的本發(fā)明的范圍之內(nèi)。這些變動(dòng)中的一些在原始案例中已陳述了。
例如，一個(gè)復(fù)合互連元件可以用一種帶狀元件制造，并可用作一個(gè)探針的彈性接觸、各種插入件的彈性接觸、硅片上的彈性接觸、具有可控制阻抗的彈性接觸等。
例如，它可以是楔形接合，而不是球形接合帶狀芯元件。
例如，可以將芯元件的一端接合到一個(gè)過渡性基片或?qū)由?如，見上述美國專利申請書號No.08/152,812)，而將其另一端接合到一個(gè)電子元件上的接線端上。
權(quán)利要求
1.將一種細(xì)長導(dǎo)電元件球形接合到一個(gè)基片的表面上的一個(gè)區(qū)域的方法，包括使該細(xì)長的導(dǎo)電元件穿過一個(gè)毛細(xì)管，所述細(xì)長的導(dǎo)電元件在該毛細(xì)管的尖端處引出來；將該毛細(xì)管的尖端壓緊在一個(gè)基片表面上的一個(gè)區(qū)域；和施加一種或多種能量，以在細(xì)長導(dǎo)電元件的一個(gè)端部與基片之間實(shí)施一種球形接合，該能量是從對毛細(xì)管施加的包括超聲能、熱能和壓縮力的一組能中選出來的；其特征在于，細(xì)長的導(dǎo)電元件是帶狀物。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于在將帶狀物球形接合到基片表面上的區(qū)域后，移去毛細(xì)管，以使該帶狀物從基片的表面延伸。
3.按照權(quán)利要求2的方法，其特征在于在移開毛細(xì)管后，切斷帶狀物以形成一個(gè)接合到基片上的自由站立結(jié)構(gòu)，帶狀物的其余部分留在毛細(xì)管中并從其尖端延伸。
4.按照權(quán)利要求3的方法，其特征在于在該帶狀物的其余部分的端部形成一個(gè)焊球，以便形成隨后的與基片的接合。
5.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于在尖端壓緊到基片之前，在從該尖端延伸的帶狀物的一端處形成一個(gè)焊球。
6.按照權(quán)利要求5的方法，其特征在于用電子滅焰法實(shí)施在帶狀物端部形成焊球的步驟。
7.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于帶狀物用一種從包括金、銅、鋁及其合金的一組材料中選出的材料制造。
8.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于該基片是一種電子元件；而該區(qū)域是該電子元件上的一個(gè)接線端。
9.按照權(quán)利要求1的方法，還包括在將帶狀物接合到基片上的該區(qū)域后，給帶狀物涂層。
10.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于帶狀物是一種復(fù)合互連元件的一個(gè)芯元件。
11.形成一種彈性接觸的方法，其特征在于將一種容易成形的材料制造的帶狀芯元件成形為一個(gè)有彈性的形狀；和用一種具有足夠厚度和足夠屈服強(qiáng)度的材料給芯元件涂層，以賦予得到的彈性接觸所希望的彈性量并控制所述彈性。
12.按照權(quán)利要求11的方法，其特征在于芯元件是一種從包括金、銅、鋁及其合金的一組材料中選出的材料。
13.按照權(quán)利要求11的方法，其特征在于用一種從包括鎳及其合金的一組材料中選出來的材料給芯元件涂層。
14.按照權(quán)利要求11的方法，其特征在于該芯元件沿著一個(gè)軸線具有的厚度為0.0003-0.0015英寸。
15.按照權(quán)利要求14的方法，其特征在于該芯元件沿著與一個(gè)軸成正交的另一個(gè)軸線具有的厚度為0.001-0.010英寸。
16.按照權(quán)利要求11的方法，其特征在于該芯元件具有第一橫向尺寸d1和第二橫向尺寸d2；及第一橫向尺寸至少比第二橫向尺寸大兩倍。
17.將一個(gè)互連元件安裝到一個(gè)電子元件的接線端上的方法，其特征在于將帶狀芯元件連接到一個(gè)電子元件的接線端上；和用一種具有足夠厚度和足夠屈服強(qiáng)度的材料給芯元件和至少接線端的相鄰部分涂層，以將所生成的復(fù)合互連元件牢固地安裝到接線端上，所述涂層材料對將所得到的復(fù)合互連元件固定到接線端上起一重要作用。
18.按照權(quán)利要求17的方法，其特征在于芯元件是一種從包括金、銅、鋁及其合金的一組材料中選出的材料。
19.按照權(quán)利要求17的方法，其特征在于用一種從包括鎳及其合金的一組材料中選出的材料給芯元件涂層。
20.按照權(quán)利要求17的方法，其特征在于芯元件在第一個(gè)軸線上具有的厚度為0.0003-0.0015英寸，而在第二正交的軸線上具有的厚度為0.0010-0.010英寸。
21.按照權(quán)利要求17的方法，其特征在于給芯元件涂層的材料具有的名義厚度小于0.0010英寸。
22.制造互連元件的方法，其特征在于將許多個(gè)帶狀芯元件安裝到一個(gè)過渡性基片的表面上；用至少一種材料的至少一層給芯元件涂層；及除去過渡性基片。
23.按照權(quán)利要求22的方法，還包括在除去過渡性基片之前，將涂層的芯元件安裝到一個(gè)電子元件的接線端上。
24.制造一種供在微電子應(yīng)用中使用的互連元件的方法，其特征在于提供一種由比較軟的材料制成的帶狀芯元件；和用一種比較硬的材料制成的外套給芯元件涂層。
25.按照權(quán)利要求24的方法，其特征在于用一種從包括各種方法的一組方法中選出的方法給芯涂層，這些方法包括從水溶液中沉積出各種材料；電解電鍍；無電極電鍍；化學(xué)氣相沉積(CVD)；物理氣相沉積(PVD)；及引起液體、固體或氣體分解的方法。
26.按照權(quán)利要求24的方法，其特征在于芯元件是一種從包括金、銅、鋁及其合金的一組材料中選出的材料。
27.按照權(quán)利要求24的方法，其特征在于外套是一種從包括鎳及其合金的一組材料中選出的材料。
28.按照權(quán)利要求24的方法，其特征在于芯元件具有第一屈服強(qiáng)度；外套具有第二屈服強(qiáng)度；及第二屈服強(qiáng)度至少是第一屈服強(qiáng)度的兩倍。
29.將一個(gè)互連元件安裝到一個(gè)電子元件的接線端上的方法，其特征在于將第一種材料制造的帶狀細(xì)長元件連接到一個(gè)電子元件的接線端上；和用比第一種材料屈服強(qiáng)度高的第二種材料給細(xì)長元件涂層。
30.按照權(quán)利要求29的方法，其特征在于當(dāng)給細(xì)長元件涂層時(shí)，用第二種材料至少給接線端的一部分露出的表面涂層。
31.按照權(quán)利要求29的方法，其特征在于用一種從包括各種方法的一組方法中選出的方法給芯元件涂層，這些方法包括從水溶液中沉積出各種材料；電解電鍍；無電極電鍍；化學(xué)氣相沉積(CVD)；物理氣相沉積(PVD)；及引起液體，固體或氣體分解的各種方法。
32.按照權(quán)利要求29的方法，其特征在于第一種材料是從包括金、銅、鋁及其合金的一組材料中選出的。
33.按照權(quán)利要求29的方法，其特征在于第二種材料是從包括鎳及其合金的一組材料中選出的。
34.按照權(quán)利要求29的方法，其特征在于用一種多層涂層方法給細(xì)長元件涂層，其中至少一層是由第二種材料形成的。
35.制造一種插入件的方法，其特征在于用第二種材料給由第一種材料制成的許多個(gè)帶狀細(xì)長元件涂層，第二種材料具有比第一種材料高的屈服強(qiáng)度；和以一種規(guī)定的彼此的空間關(guān)系支承這許多個(gè)涂層的帶狀細(xì)長元件。
36.制造一種具有可控制的阻抗，供在微電子應(yīng)用中使用的互連元件的方法，其特征在于將一種帶狀芯元件成形為有彈性的形狀；將一種不導(dǎo)電材料施加到該芯元件上；用一種導(dǎo)電材料給該層不導(dǎo)電材料涂層。
37.按照權(quán)利要求36的方法，其特征在于在施加不導(dǎo)電材料之前，用一種具有足夠厚度和足夠屈服強(qiáng)度的材料給芯元件涂層，以賦予所得到的互連元件一個(gè)所希望的彈性量。
38.一種用于微電子學(xué)的互連元件，具有以下特點(diǎn)一種帶狀芯由一種軟材料制造；且一種硬材料被布置在該芯上；其特征在于選擇所述硬材料用于賦予所得到的互連元件彈性。
39.按照權(quán)利要求38的一種互連元件，其特征在于芯具有小于40,000磅/英寸2(psi)的屈服強(qiáng)度；和硬的材料具有大于80,000磅/英寸2(psi)的屈服強(qiáng)度。
40.按照權(quán)利要求38的一種互連元件，其特征在于芯的一端被連接在一個(gè)電子元件的接線端上，并且該芯從接線端延伸。
41.用于一種引線接合器的毛細(xì)管，包括一個(gè)管體，它具有一個(gè)穿過其延伸的孔，該孔從毛細(xì)管的一端延伸到該毛細(xì)管相對的一端，所述孔有一端在毛細(xì)管的尖端處，其特征在于孔的端部具有一個(gè)非圓形的形狀。
42.按照權(quán)利要求41的毛細(xì)管，其特征在于該孔具有一個(gè)成一種修圓的矩形形狀的橫截面。
43.按照權(quán)利要求42的毛細(xì)管，其特征在于孔的端部具有一個(gè)較小的尺寸T和一個(gè)較大的尺寸W；且較大的尺寸至少比較小的尺寸大一倍。
44.按照權(quán)利要求43的毛細(xì)管，其特征在于較小的尺寸是在0.0010-0.0015英寸范圍內(nèi)，而較大的尺寸是在0.0020-0.0057英寸范圍內(nèi)。
45.按照權(quán)利要求41的毛細(xì)管，其特征在于該孔在一端與毛細(xì)管的尖端之間具有約10°的斜角。
全文摘要
用于電子元件(556)的互連元件(550)顯示合乎需要的力學(xué)特性(如彈性),通過將一種軟材料(如金或軟銅)制成的帶狀芯元件(552)成型為具有一種有彈性的形狀(其中包括懸臂梁、S型、U型),并用一種硬材料(558)如鎳及其合金給已成型的芯元件涂層,以賦予所得到的復(fù)合互連元件(550)一種所希望的彈簧(彈性)特性的方法形成此互連元件,以便產(chǎn)生壓力接觸。一種具有優(yōu)越的電特性(如導(dǎo)電性和/或可焊性)的材料(220)的涂層可以施加到該復(fù)合互連元件(200)上。所得到的互連元件(500,550)可以安裝到各種電子元件上。
文檔編號H01L21/603GK1191500SQ96195738
公開日1998年8月26日 申請日期1996年5月28日 優(yōu)先權(quán)日1995年5月26日
發(fā)明者I·Y·漢德羅斯, T·H·多茲爾, B·N·艾爾德里格, W·G·加賴, L·M·格坦 申請人:福姆法克特公司