CN104081585A - 电气互连机构及方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种电气互连机构和方法，其中，弹性针印刷在一个或多个金属保持片上，每个保持片均具有至少一个从该保持片横向地延伸出的凸出部或片，以接合层压的容纳体中的钩部或凹槽，以便定位每个弹性针并将所述弹性针固定在容纳体内。在一个实施方式中，可以在容纳体中采用具有钩部或凹槽的斜面，以接合地固定从所述弹性针的另一侧横向地延伸出的凸出部或片。在另一个实施方式中，弹性针可以具有围绕所述针中心的固体金属环或者滑动圈，其中，所述环具有用于与容纳体中的凹槽接合的一个或多个片，优选地，该凹槽具有斜面。

Description

电气互连机构及方法
相关申请的交叉引用
本申请是Thomas P.Warwick等人于2012年4月18日提交的临时申请No.61/687084的非临时申请。
技术领域
本公开涉及一种用于高性能互连系统的独立弹性电连接器以及方法。具体地，本公开涉及用于可更换的弹性针的方法和系统，其具有用于在容纳体内定位和固定这些针的机构。
背景技术
电气互连机构包括至少两个导电接触垫、连接所述接触垫的导电路径、容纳体、压缩结构、以及某些形式的屈服和机械抵抗机构，所述机构根据电连接的需要使所述接触垫压在两个目标体的对正的导电垫上。
在现有工业技术中主要使用三种接触技术。第一种使用金属弹簧。虽然在电气工业中这种接触技术存在许多变形，但是其基本原理是：在两个接触垫或区域之间压缩独立接触器中的螺旋弹簧或线性弹簧。该弹簧提供所需要的力以及机械滞后。作为电气工业的主导技术，这种方法的主要优点在于：寿命长、出色的机械滞后性、以及易于更换单独的接触机构。这也是高性能应用中最普遍的电接触技术。
第二种技术采用小的金属摇杆，用于抵靠多种硬度的非导电聚合弹性体。该聚合弹性体提供所需要的力和机械滞后。当目标体被压入单独的摇杆时，该摇杆由于一端或多端抵靠在弹性隔板(spacer)上而因此往回推。但是，这种技术很受电接触所应用的目标体的形状和类型的限制。这种技术的主要优点在于接触器的寿命长，以及易于更换单独的接触器。
第三种类型的机械接触器涉及填充有金属颗粒的聚合弹性材料领域。虽然这种类型的接触器存在许多变形，但是所有的导电弹性体均形成为片状或板状，各个接触器必须在基体(matrix)中组合在一起。导电弹性接触器的主要优点在于其电性能——包括接触阻抗和极高频的性能。在重要的RF参数方面，弹性接触器以大约10：1的比例优于同等的金属接触器。但是，各个针不能被替换，因为弹性体构成在片上或在片中。关于弹性体的另一个重要问题就是由于过度压缩而导致的寿命衰减。最后的问题在于，在弹性片中，各个接触点不能彼此独立地起作用，这使得所述片在连接目标体的共面性较差时很难使用。
期望提供一种电气互连机构能够满足以下关键标准：
首先要提出的关键标准是解决在需要连接时按压目标体的抵抗力。由于需要力来维持连接，所以在复杂的机械结构中，需要较大的力来将目标体按压在一起。
其次，需要屈服范围来吸收两个目标体之间的机械共平面的差异。
需要机械滞后，以便前述的抵抗力将使接触垫在被压缩之后返回到标称位置。
另一个标准在于，互连系统在X-Y方向的物理尺寸(经常描述为间距(pitch))。
还有，互连系统在Z方向上的物理高度也很重要，这通常涉及在非常高速、数字化和RF互连系统中的关键性能。
还有另一个标准就是被称为“接触阻抗”(CRES)的电性能，其反应在互连系统中转化为热量的能量损耗。
互连系统在其使用环境中的较长寿命也是重要的。
使该系统能够构成为从仅具有数个互联点到具有数千个互联点也是重要的。
另一个重要的考量或标准在于，当在使用中受到损害或发生疲劳(寿命已尽)时，能够低成本且方便地更换单个互连机构。
发明内容
本公开提供一种电气互连机构和方法，其中，弹性针可以形成在一个或多个金属保持片上，每个保持片均具有至少一个从该保持片横向地延伸出的凸出部或片，以接合层压或形成的容纳体中的钩部或凹槽，以便定位每个弹性针并将所述弹性针固定在容纳体内。在一个实施方式中，可以在容纳体中采用具有钩部或凹槽的斜面，以接合地固定从所述弹性针的一侧横向地延伸的凸出部或片。在另一个实施方式中，弹性针可以具有固体金属环或者绕所述针的中心的滑动圈，其中，所述环具有一个或多个片用于容纳体中的凹槽，优选地，该凹槽具有斜面。本发明可以用于提高诸如美国专利7326064和7297003所示的系统。
附图说明
图1示出本公开的第一实施方式的剖视图，其中，根据本公开示出了在被压入容纳体之前的单个弹性针；
图2示出图1的本公开的第一实施方式的剖视图，其中，根据本公开示出了在插入容纳体之后的单个弹性针；
图3示出了图2的本公开的第一实施方式的剖视图，其中，示出了插入到容纳体中的单个弹性针，具有电镀以进行更好的电连接，还具有根据本发明的可选金属保持体和可选BGA阻挡件；
图4示出本发明的栅阵列的剖视图，其中，根据本发明通过焊接球来压缩单个弹性针；
图5示出本公开的另一个实施方式的剖视图，其中，根据本发明，与图1类似地示出了在插入容纳体之前的单个弹性针，但是容纳体中不具有斜面；
图6示出本公开的另一个实施方式的剖视图，其中，根据本发明，与图2类似地示出了在插入容纳体之后的单个弹性针，但是在容纳体中具有滑动圈和开口处的金属镀线；
图7示出根据本公开的另一个实施方式的单个弹性针的俯视图；
图8示出本发明的又一个实施方式，其中弹性针具有横向延伸出的一个或多个凸出部，以提供用于与容纳体的钩部接合的保持机构，所述容纳体作为固持阻挡件以将针保持到位；
图9是本发明的另一个实施方式，其中，与图8的实施方式类似，形成针以提供保持机构，但是，在这个实施方式中，一个或多个凸出部形成弹性针的大头针尾形状，并接合用于容纳体的凸出部或钩部的横向凸出片；
图10示出图9的实施方式，具有放在弹性针下方的印刷电路板或电气设备，以防止大头针尾状的弹性针向下滑动而离开容纳体；以及
图11示出某些方式与图10相似的实施方式，其中，弹性针形成为两个分开的针，每个针均具有用于接合容纳体的片的大头针尾状凸出部。
具体实施方式
参考图1-11，本公开提供一种用于电气互连的机械互连系统和方法，提供可更换的各个弹性接触器，所述接触器能够定位并固定在容纳体中，还提供增强的导电性能。
图1示出本发明的互连系统的第一实施方式的基本概念。可选的接触器冠部1压入要建立电连接的目标体中。当目标体被挤压在一起时，导电弹性接触器材料5受到压缩。该导电弹性接触器5通过接触机构而提供必要的力以及导电路径来建立电连接。容纳体4提供结构支撑，对正/保持独立弹性接触器5，并防止因过度压缩对弹性体造成损害。
保持片2以及在容纳体中的用于该保持片的钩部3均提供用于组装该互连系统并更换独立弹性接触器5的机构。所述容纳体，优选地为层压制成或者注塑成型，允许通过使金属片2在接触器5的两侧弯曲来将独立接触器5按压至容纳体4中。金属片2如图1所示地从接触器5横向地延伸。可选的斜面6有助于将保持片2引导到锁定位置。所述保持片2一旦到位，就回到原来的水平状态。优选地，在保持片2和钩部3的尺寸之间存在一定间隙，以便当更换弹性接触器5时，可以将保持片2从钩部中移除。这在图2中示出。图5示出了一种可替代的实施方式，其中示出了不具有可选的斜面的容纳体4。在这个实施方式中，保持片2需要与容纳体4的钩部3接合。
随着技术使尺寸减小，有必要将接触器引导到位。图3示出本公开的另一个实施方式，其中，通过绕弹性接触器的中心放置固体金属环以提供滑动圈7来引导独立弹性接触器。该滑动圈7所增加的优点是：当弹性接触器处于压缩状态时，能够防止弹性接触器膨胀进入层压容纳体4的钩部开口中。考虑闩定针可能的行程，当滑动圈7的长度覆盖了钩部开口的整体长度，能够确保弹性接触器不会进入层压容纳体4的钩部开口中。为了进一步减少弯曲，容纳体4的内孔可以镀上金属衬层9(参见图3)。这也用于改善电连接。根据本申请，可以使容纳体4延伸以防止弹性接触器的过度压缩。(BGA阻挡件8)(参见图3)。
在操作过程中，独立弹性接触器可以放置在两个想要建立电连接的目标体之间。使用机械力将目标体压在一起。当目标体被压在一起时，弹性接触器开始被压缩。在压缩过程中，提供足够的力迫使可选的冠部点1进入目标体中。这克服了目标体上的污垢和氧化物。导电的弹性接触器5在被压缩时还以非常低的接触阻抗来传导电流。因为每个弹性接触器都可以不依赖于附近的接触器而运动，所以本发明能够适应连接目标体中的机械共平面装置(参见图4)。
图6示出本公开的另一种实施方式，其中导电弹性体5只形成在滑动圈7的一侧上，触点1形成在滑动圈7的底部。此外，滑动圈7的底部可以是平坦的，用于使结合物直接附接至期望的物体。此外，虽然前述的所有连接器1均具有冠部尖端结构，应理解，连接器可以根据应用而形成多种结构，本公开不限于任何具体的结构。
图7示出具有滑动圈2的金属保持片1的俯视图。请注意，保持片1可以是任意数量的，或者可以形成为绕滑动圈的固体环。
图8和图9示出本公开的两个额外的实施方式，其中，用于弹性针5的保持机构5a形成为弹性针5的一部分，并且优选地由相同的弹性材料制成。在图8中，弹性针5具有凸出部5a，该凸出部5a从针5的周长上的任一侧横向延伸，以提供用于与容纳体4中的钩部11接合的保持机构5a，可选地，容纳体内部具有针5所插入的斜面，用于引导针5进入容纳体4的钩部或者凸出部。通过这种方式，保持机构5a可以形成仅由弹性材料或者导电弹性材料制成的一体单元，减少了使用单独的保持材料来将针5保持到位而所需的成本。该凸出部可以形成绕针5的周长的连续环，或者可选地，可以形成为从针5的侧部凸出的一个、两个或更多的片或凸出部。
在图8和图9的实施方式中，弹性针5形成为提供保持机构5b。但是，在这个实施方式中，凸出部5b形成为大头针尾形状5b作为弹性针5的一部分，并接合容纳体4的横向突出片或其它凸出部11a，可选地，容纳体4内部包括针5所插入的斜面。再一次地，保持机构5a可以形成仅由弹性材料或者导电弹性材料制成的一体单元，并减少了使用单独的保持材料来将针5保持到位而所需的成本。这一次针5形成为，使大头针尾状结构5b与容纳体4的可选斜面的凸出部11a锁定到位。容纳体的底部经由可选的压缩机构而永久的粘合或压缩，例如但是不限于本领域已知的螺栓或固定机构，还可以通过本领域已知的临时或永久粘合剂或环氧树脂或其它任何粘结剂来固定。请注意，对于本发明的每个实施方式，可以在每个压缩阻挡件和/或容纳体和/或BGA阻挡件的顶部和底部上使用相同的粘合技术，因此减轻了对机械固定机构的需求，诸如但不限于螺栓或其它固定机构。用这种方式，容纳体的底部使位于针底部的大头针尾状部的底部与电子部件对正，所述电子部件例如但不限于印刷电路板(pcb)，从而如图10所示地将针的大头针尾状部固定到位。针的大头针尾状部可以形成为环绕针5的全部周长。还应该理解，对于本公开的每个实施方式，容纳体4均起到防止过度压缩的阻挡件的作用。
图11是在某些方面上与图10类似的另一个实施方式，其中，弹性针5形成为两个分开的针中的一个，另一个针是金属针，每个针均具有大头针尾形状凸出部5b，用于接合容纳体4的钩部5。
虽然为了公开而描述优选的实施方式，但是应理解，本领域的技术人员可以对装置的布置进行多种改变。这种改变包括在由权利要求书所限定的本发明的精神内。

Claims (36)

1.一种电气互连机构，包括：
至少一个导电弹性针，固定地放置在至少一个保持片上，所述保持片具有至少一个从所述保持片横向地延伸出的凸出部；以及
容纳体，具有用于与所述保持片的所述凸出部接合的钩部或凹槽，以便定位所述至少一个导电弹性针，并将所述至少一个导电弹性针可移除地固定在所述容纳体内。
2.如权利要求1所述的机构，其中，由于所述针的压缩而形成电连接。
3.如权利要求1所述的机构，其中，所述容纳体包括斜面，所述斜面用于将所述针引导到所述容纳体中并且具有另一个钩部，所述保持片具有另一个凸出部，所述另一个凸出部从所述保持片的与所述凸出部相反的一侧横向地延伸，使得所述另一个凸出部接合所述斜面的所述钩部。
4.如权利要求1所述的机构，其中，所述片由金属制成。
5.如权利要求1所述的机构，其中，所述片形成为固体金属环，用作滑动圈并绕弹性连接器的中心而定位。
6.如权利要求4所述的机构，其中，所述弹性连接器位于所述滑动圈的一侧上。
7.如权利要求5所述的机构，其中，所述弹性连接器位于具有在弹性连接器上的接触针的所述滑动圈引导件的一侧。
8.如权利要求5所述的机构，其中，所述弹性连接器位于不具有在弹性连接器上的接触针的所述滑动圈引导件的一侧上。
9.如权利要求5所述的机构，其中，所述弹性连接器位于所述滑动圈引导件的一侧上，并且在所述滑动圈引导件的相对侧上具有接触针。
10.如权利要求1所述的机构，其中，所述凸出部形成为绕所述针的周长的连续环。
11.一种电连接机构，包括：
至少一个导电弹性针，所述弹性针具有至少一个从所述导电弹性针横向地延伸出的凸出部；以及
容纳体，具有用于与所述片的所述凸出部接合的机构，以便定位每个所述弹性针，并将所述弹性针可移除地固定在所述容纳体的内部。
12.如权利要求11所述的机构，其中，当所述针被压缩时形成电连接。
13.如权利要求11所述的机构，其中，用于所述弹性针的保持机构形成为所述弹性针的一部分。
14.如权利要求11所述的机构，其中，所述保持机构形成为从所述针的两侧横向地延伸出的凸出部，以提供用于与容纳体的保持片接合的保持机构。
15.如权利要求13所述的机构，其中，所述容纳体在内部具有一个或多个斜面，将所述针插入以在所述容纳体中引导所述针，所述斜面具有钩部或凸出部，用于接合所述针的钩部的横向延伸的所述凸出部。
16.如权利要求11所述的机构，其中，所述保持机构形成为只由弹性材料制成的一体单元。
17.如权利要求11所述的机构，其中，所述弹性针形成以提供用于所述弹性针的大头针尾形状的保持机构，接合用于容纳体的可选斜面的横向凸出片或钩部，以接合所述针的大头针尾状凸出部。
18.如权利要求13所述的机构，其中，用于所述弹性针的保持机构形成为所述弹性针的一部分。
19.如权利要求12所述的机构，其中，所述保持机构形成为只由弹性材料制成的一体单元。
20.如权利要求1所述的机构，其中，所述凸出部形成为绕所述针的周长的连续环。
21.一种用于电气互连机构的方法，包括如下步骤：
放置至少一个导电弹性针，其中，所述至少一个导电弹性针固定地放置在至少一个保持片上，所述保持片具有至少一个从所述保持片横向地延伸出的凸出部；以及
接合容纳体，其中，所述容纳体具有用于与所述片的所述凸出部接合的钩部或凹槽，以便定位每个所述弹性针，并将所述弹性针可移除地固定在所述容纳体内。
22.如权利要求21所述的方法，还包括如下步骤：
提供作为所述容纳体的一部分的至少一个斜面，所述斜面具有另一个凹槽，所述保持片具有从所述片的相反侧横向地延伸的另一个凸出部，所述另一个凸出部与所述容纳体的所述钩部接合；当所述弹性连接器被压缩时，使所述斜面与所述另一个凸出部的所述钩部接合。
23.如权利要求21所述的方法，还包括如下步骤：将所述凸出部形成为绕所述针的周长的连续环。
24.一种用于电气互连机构的方法，包括如下步骤：
提供至少一个导电弹性针，其中所述导电弹性针具有至少一个从所述导电弹性针横向地延伸出的凸出部；以及
接合容纳体，所述容纳体具有用于与所述弹性针的所述凸出部接合的机构，以便定位每个所述弹性针，并将所述弹性针可移除地固定在所述容纳体的内部。
25.如权利要求24所述的方法，还包括如下步骤：形成作为所述弹性针的一部分的保持机构。
26.如权利要求248所述的方法，还包括如下步骤：形成所述针的所述保持机构，凸出部横向延伸以提供用于与容纳体的钩部接合的保持机构。
27.如权利要求24所述的方法，其中，所述保持机构形成为只由弹性材料制成的一体单元。
28.如权利要求24所述的方法，其中，形成弹性针以提供用于弹性针的大头针尾状保持机构，接合用于容纳体斜面的横向凸出片而不是接合容纳体的斜面阻挡件的钩部，以接合所述针的大头针尾状凸出部。
29.如权利要求24所述的方法，其中，用于所述弹性针的保持机构形成为所述弹性针的一部分。
30.如权利要求24所述的方法，其中，所述保持机构形成为只由弹性材料制成的一体单元。
31.如权利要求24所述的方法，还包括如下步骤：使所述凸出部形成为绕所述针的周长的连续环。
32.如权利要求24所述的方法，其中，所述容纳体具有能够改变的高度，所述容纳体通过起到压缩阻挡件的作用来对所述弹性针的压缩量进行控制。
33.如权利要求1所述的机构，其中，所述容纳体具有控制所述弹性针的压缩量的预定高度，从而所述容纳体起到压缩阻挡件的作用。
34.如权利要求18所述的方法，其中，所述弹性针形成为两个分开的针，每个针均具有大头针尾状的保持机构，用于接合用于容纳体的片的横向凸出片。
35.如权利要求1所述的机构，其中，所述弹性针形成为两个分开的针中的一个，另一个针由金属制成，每个针均具有用于弹性针和金属针的大头针尾状的保持机构，以接合用于容纳体的片的横向定位钩部或突出片。
36.如权利要求1所述机构，其中，将临时的或永久的粘合剂或环氧树脂或其它任何粘结剂施加于每个压缩阻挡件和/或容纳体和/或BGA阻挡件的顶部和底部，以减少对机械固定机构或其它类似的固定机构的需求。
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