CN1191500A - 带状芯互连元件 - Google Patents

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I·Y·汉德罗斯
T·H·多兹尔
B·N·艾尔德里格
W·G·加赖
L·M·格坦
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Abstract

用于电子元件(556)的互连元件(550)显示合乎需要的力学特性(如弹性),通过将一种软材料(如金或软铜)制成的带状芯元件(552)成型为具有一种有弹性的形状(其中包括悬臂梁、S型、U型),并用一种硬材料(558)如镍及其合金给已成型的芯元件涂层,以赋予所得到的复合互连元件(550)一种所希望的弹簧(弹性)特性的方法形成此互连元件,以便产生压力接触。一种具有优越的电特性(如导电性和/或可焊性)的材料(220)的涂层可以施加到该复合互连元件(200)上。所得到的互连元件(500,550)可以安装到各种电子元件上。

Description

带状芯互连元件
发明的技术领域
本发明涉及在电子元件特别是微电子元件之间形成互连，并且更具体地，涉及显示弹性以便形成压力接触的互连元件、形成互连元件的方法、及这些互连元件的应用。
参照的有关专利申请
本专利申请是95年5月26日提交的普通拥有、共同未决美国专利申请No.08/452,255(以下简称“原始案例”)及95年11月13日提交的对应的PCT专利申请PCT/US95/14909二者的一个部分继续申请，后二者都是94年11月15日提交的普通拥有、共同未决美国专利申请No.08/340,144及94年11月16日提交的对应的PCT专利申请PCT/US94/13373(95年5月26日以WO95/14314公开)的部分继续申请，后二者又是93年11月16日提交的美国专利申请No.08/152,812(现在是USP5,476,211，95年12月19日)的部分继续申请，在此将其全部引入供参考。
本专利申请还是下面普通拥有，共同未决的一些美国专利申请书的一个部分继续申请：
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。
所有这些专利都是前面提到的原始案例的部分继续申请，并且在这里将它们全部引入供参考。
发明的背景
电子元件特别是微电子元件如半导体器件(芯片)常常具有许多个引线端(也称作焊片、电极、或导电区域)。为了将这些器件组装成一个有用的系统(或子系统)，许多单个的器件必须在电学上彼此互连，典型的是通过一个印刷电路(或线路)板(PCB，PWB)的中介相互连接。
半导体器件通常都安置在一个半导体封装壳内，该封装壳具有许多个引出销、垫片、引线、焊球等形式的外部连接件。已知有许多半导体组件，和在组件内连接半导体器件的技术，包括接合引线、带式自动接合(TAB)等类似技术。在某些情况下，一个半导体器件装备有凸起的碰撞接触，并且利用倒装片技术连接到另一个电子元件上。
一般，电子元件之间的互连可以分成“比较永久的”和“容易可拆卸的”两大类。
一种“比较永久的”连接的一个例子是焊接结合。一旦两个电子元件相互焊牢，为将两个元件分开就必须采用去焊方法。引线接合是“比较永久的”连接的另一个例子。
“容易可拆卸的”连接的一个例子是一个电子元件的刚性引出销被另一个电子元件的弹性插口元件容纳。插口元件施加一个接触力(压力)到引出销上，力的总量足以保持它们之间一种可靠的电连接。打算与一个电子元件完成压力接触的互连元件在这里称作“弹簧”或“弹性元件”或“弹性接触”。
现有技术用于形成弹性元件的方法一般包括冲压(穿孔)或蚀刻一种“单片的”弹性材料如磷青铜或钢或一种镍一铁-钴合金(如柯伐(kovar)合金)，以形成单个的弹性元件，将该弹性元件成形为具有弹簧形状(如拱形等)，弹性元件镀一种良好接触材料(如一种贵金属象金，当接触同样材料时，金将显示低的接触电阻)，并将许多这种加工形成的、电镀好的弹性元件模压成一种直线的、周边的或矩阵的图象。当在上述材料上镀金时，有时一个薄的(例如，30-50微英寸)镍阻挡层是合适的。
一般，希望用某种最小的接触力来实现对电子元件(如电子元件上的接线端)产生可靠的压力接触。例如，可以期望一个约15克(每个接触，其中包括少至2克或更少和多至150克或更多)的接触(负载)力保证对一个电子元件的一个接线端产生可靠的电连接，该电子元件可能被其表面上的薄膜沾污，或者其表面上具有腐蚀或氧化产物。每个弹性元件民要求的最小接触力一般需要或者增加弹性材料的屈服强度或者增加弹性元件的尺寸。但是，一般，材料的屈服强度越高，加工起来(如穿孔、弯曲等)就越困难。并且把弹簧做得更小的愿望实际上排除了将它们截面做得更大。
与将弹簧安装在电子元件上有关的另一个问题在性质上主要是力学问题。在一个弹簧以其一端安装到一个基片(对于这个问题来说，基片被认为是一种不能动的物体)上，并要求对其自由端施加作用力的情况下，“弱环节”(在使用中是最弱点)将常常是弹簧被连接(如，弹簧的基底被焊接)到基片(如，一个电子元件的接线端)上的那一点。
另一个与互连元件包括弹簧触点有关的难题常常是，一个电子元件的各个接线端不是完美的共平面。各互连元件缺少与此有关的某种机构用于调节这些“容限”(严重的非共面性)，它们将很难被压成使与电子元件的接线端的接触形成牢固的压力接触。
引用下列美国专利作为值得关心的专利：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。
发明的简要说明(概述)
因此，本发明的一个目的是提供一种方法，用于制造电子元件特别是微电子元件用的互连元件。
本发明的另一目的是提供一种弹性接触结构(互连元件)，这些结构适用于对电子元件形成压力接触。
本发明的又一个目的是提供一种方法，用于将互连元件牢固地固定到各电子元件上。
本发明还有一个目的是提供一种方法，用于制造具有可控制阻抗的互连元件。
按照本发明，公开这些方法用于制造互连元件特别是弹性元件，并用于将这些互连元件装配到电子元件上。所公开的方法克服了与制造极小尺寸的弹性元件有关的问题，该方法还能施加足够量的接触力，以保证可靠的互连。所公开的这些方法还克服了与直接将弹簧装配到各种电子元件如半导体器件上有关的一些问题。
按照本发明，通过将一个带状的细长元件(“芯元件”)装配到一个电子元件上制造“复合的”互连元件，将芯元件成形为具有一种弹簧形状，并给芯元件加一涂层以增强所得到的复合互连元件的物理(如弹性)特性和/或将得到的复合的互连元件牢固地固定到电子元件上。
正好这里所用的，术语“带”和“带状”涉及具有一种非圆形截面的细长元件，该细长元件具有一个横向(横方向)尺寸至少是另一个横向尺寸的二倍(包括至少三倍、四倍、或五倍)。例如，一个细长的元件具有一个矩形截面，所述矩形具有一个至少是高度尺寸(或反过来也一样)二倍的底部尺寸。
在这里贯穿陈述说明中使用的术语“复合的”与该术语的“通用”意义(如，由两个或两个以上元件形成)是一致的，并且不会与其它专业领域中术语“复合的”的任何用法发生混淆，例如，它可以应用于例如在一种树脂基体或类似物中被支承的玻璃、碳纤维或其它纤维那样的材料。
正如这里所用的，术语“弹簧形状”实际上涉及一种细长元件的任何形状，该细长元件将显示细长元件的一端(尖端)相对于施加到该尖端的一个力的弹性(复原的)运动。这包括加工成形为不但基本上是直的而且具有一个或多个拐弯的细长元件。
正如这里所用的，术语“接触区”，“接线端”，“焊片”等术语涉及任何电子元件上的任何导电区，一个互连元件装配在此电子元件上或在其上形成接触。
或者，芯元件在装配到一个电子元件上之前先加工成一定形状。
或者，芯元件被装配到一个不是电子元件的过渡性基片上或是该过渡性基片的一部分。芯元件在成形后及在涂层之前或之后，该过渡性基片被除去。按照本发明的一个方面，具有各种粗糙表面光洁度的尖端可以设置在互连元件的接触端处(也见原始案例的图11A-11F)。
在本发明的一个实施例中，芯是一种有较低屈服强度的“软”材料，并且用一种有较高屈服强度的“硬”材料涂层。例如，一种象金引线这样的软材料被连接(例如，通过引线接合法)到一个电子元件的接线端上，并用一种象镍及其合金这样的硬材料涂层(如通过电化学镀)。
给芯元件面对面涂层、单层或多层涂层、具有微突起的“粗糙”涂层(也见原始案例的图5C和5D)、及延伸芯元件整个长度及只延伸芯元件一部分长度的涂层均予以叙述。在后一种情况下，芯元件的尖端可以适当地露出，以便与一个电子元件形成接触(也见原始案例的图5B)。
一般，在这里所述的整个说明中，采用术语“电镀”作为用于给芯加涂层的许多方法中的一个示范性例子。在本发明的范围内，芯可以用任何合适的方法涂层，其中包括但不限于：包括从水溶液中沉积出材料的各种方法；电解电镀；无电极电镀；化学气相沉积(CVD)；物理气相沉积(PVD)；通过液体或固体产物母体的诱导分解使材料沉积的方法；及类似方法；所有这些用于沉积材料的方法都是人所熟知的。
一般，为了用一种金属材料如镍给芯元件涂层，最好是用电化学方法特别是电解电镀法。
在本发明的另一实施例中，芯是一种用固有地适合起一个弹簧元件作用的“硬”材料制成的细长元件，并且在一端处被装配到一个电子元件的接线端上。用一种材料给芯和至少接线端的一个附近区域涂层，该材料将增强将芯固定到接线端上。照这样，在涂层之前，不必将芯完全装配到接线端上，并且可以应用不太可能损坏电子元件的方法将芯“钉”在适当位置，以便随后涂层。这些“顺利”方法包括焊接、胶粘、及将硬芯的一端刺入接线端的一个软部分中。公开了用于芯元件和用于涂层的一些有代表性的材料。
下面主要是说明从一种比较软(低屈服强度)的芯元件开始的方法，这些芯元件一般具有很小的尺寸(如2.0密耳或更小)。软的材料如金容易连接到半导体器件的所敷金属(如铝)上，软材料一般缺乏足够起弹簧作用的弹性。(这类软的金属材料主要表现塑性变形而不是表现弹性变形)。另一些可以很容易连接到半导体器件上并具有合适弹性的软的材料，如在大多数弹性材料的情况下那样，常常是不导电的。无论在哪种情况下，都可以通过在芯上涂层将所希望的结构特性和电特性赋予所得到的复合互连元件。得到的复合互连元件可以做得很小，还可以显示合适的接触力。而且，可以按一种细间距(如10密耳)安排许多个这种复合互连元件，尽管元件具有一个长度(如100密耳)比到相邻的复合互连元件的距离大许多(相邻的互连元件之间的距离称之为“间距”)。
在本发明的范围之内，复合互连元件可以超小型规模制造，例如作为用于连接器和插口的“微型弹簧”，它具有横截面尺寸在20-5微米(μm)或更小的数量级。这种制造具有尺寸以微米计而不是以密耳计的可靠互连的能力正面地针对现有互连方法和将来的面积矩阵法不断发展的需求。
本发明的复合互连元件显示出优越的电特性，其中包括电导性、可焊性和低接触电阻。在许多情况下，互连元件随着施加的接触力偏转造成一种“摩擦闭合”接触，它有助于保证产生一种可靠的接触。
本发明的一个另外的优点是用本发明的互连元件所产生的连接可容易拆卸。使互连到一个电子元件的接线端上起作用的焊接是随意的，但在一个系统水平上一般不是优选的。
按照本发明的一个方面，说明了用于形成具有可控制阻抗的互连元件的这些方法。这些方法一般包括用一种不导电材料(绝缘层)给芯元件或整个复合互连元件涂层(如电泳法)，并用一种导电材料在不导电材料外面涂层。通过将外面的导电材料层接地，所得到的互连元件可以有效地被屏蔽，并且它的阻抗可以很容易控制(也见原始案例的图10K)。
按照本发明的一个方面，互连元件可以预制成各个独立的单元，以便以后连接到电子元件上。在这里陈述用于达到这一目的的各种方法。尽管在本专利文件中没有特别包括，但制造一种机器相信是比较肯定的，这种机器将把许多单个的互连元件安装到一个基片上，或者将许多单个的互连元件悬挂在一个弹性体中或悬挂在一个支承基片上。
应该清楚地理解，本发明的复合互连元件与现有技术的互连元件显著地不同，现有技术的互连元件涂层是为了增加它们的电导性特性或增加它们的耐腐蚀性。
本发明的涂层特别用来显著增强将互连元件固定到一个电子元件的接线端上和/或对所得到的复合互连元件赋予所希望的弹性特点。应力(接触力)对准特别用来吸收应力的互连元件的部分。
本发明的一个优点是，这里所说明的方法完全适合如在一个过渡性构件上“预制”互连元件特别是弹性互连元件，而且以后将该互连元件安装到一个电子元件上。与直接在电子元件上制造互连元件相比，这可以缩短处理电子元件的周期。另外，可能与互连元件制造有关的产量问题因此与电子元件无关。例如，对一种另外的十分良好的、相当贵的集成电路器件在制造安装于其上的互连元件过程中因误操作而损坏将是不真实的。正如从下面所述的说明中明显了解的那样，将预制好的互连元件安装到电子元件上是比较直接了当的。
还应理解，本发明主要是提供一种新的用于形成弹簧结构的方法。一般，所得到的弹簧的操作结构是一种电镀产品，而不是弯曲或成形的产品。这就为使用各种各样的材料来形成弹簧形状，及使用各种“方便”方法用于将芯的“临时支撑”连接到电子元件上打开了大门。涂层在芯的“临时支撑”上起一种“上层结构”的作用，这两个术语起源于土木工程领域。
借助下面的说明，本发明的其它目的、特点和优点将变得很明显。
附图的简要说明
现在将详细参照本发明的一些优选实施例，其中一些例子将在附图中加以说明。尽管本发明将在这些优选实施例的范围内加以说明，但应理解，不意谓将本发明的精神和范围限制在这些特别的实施例中。
为了图示清楚起见，在这里所表示的侧视图中，常常是以截面形式表示侧视图的各个部分。例如，在许多视图中，引线茎(芯元件)全部以一种实心黑粗线示出，而涂层以实际截面(常常不画交叉阴影线)示出。
在这里所介绍的图中，为了图示清楚起见，某些元件的尺寸常常被扩大(相对图中其它元件，不是按比例示出)。
图1A是按照本发明的一个实施例的一个互连元件的纵向部分(包括一端)的截面图。
图1B是按照本发明的另一个实施例的一个互连元件的纵向部分(包括一端)的截面图。
图1C是按照本发明的又一个实施例的包括一个互连元件一端的纵向部分的截面图。
图1D是按照本发明的角一个实施例的包括一个互连元件一端的纵向部分的截面图。
图1E是按照本发明的另一个实施例的包括一个互连元件一端的纵向部分的截面图。
图2A是按照本发明的一个安装到电子元件的一个接线端上并具有一个多层外套的互连元件的截面图。
图2B是按照本发明的一个具有一个多层外套，其中一个中间层由一种导电材料制成的互连元件的截面图。
图2C是按照本发明的安装到一个电子元件(如，一个探测板插件)上的多个互连元件的透视图。
图2D是按照本发明的一种用于制造互连元件的方法一个示范性的第一个的截面图。
图2E是按照本发明的用于制造互连元件的图2D中方法的一个示范性另一个的截面图。
图2F是按照本发明的用于制造互连元件的图2E中方法的一个示范性的另一个的截面图。
图2G是按照本发明的按图2D-2F的方法制造的一个示范性的许多单个互连元件的截面图。
图2H是按照本发明的按图2D-2F的方法制造并彼此有一种规定的空间关系的一个示范性的许多个互连元件的截面图。
图2I是按照本发明的一种用于制造互连元件的可供选择的实施例，示出一个元件一端的截面图。
图3是按照本发明的一个插件的实施例的截面图，解释一个可以通过一对复合互连元件实施单纯弹性(压力)连接的原理。
图4是按照本发明的一个复合互连元件的截面图，该元件从一个电子元件的接线端自由站立延伸，并且在许多方面与图1E和2A的示例类似。
图4A是按照本发明的图4中复合互连元件的截面图，它示出引线茎具有一个圆形横截面。
图4B是按照本发明的一对复合互连元件(相当于图3)的截面图，示出的两个引线茎中每一个都具有一个圆形横截面。
图5是按照本发明的一种安装到一个电子元件接线端上的带状芯元件的透视图。
图5A是按照本发明的一个带状芯元件的截面图，该芯元件已经球形接合到一个电子元件的接线端上。
图5B是按照本发明的图5A中带状芯元件在涂层后的截面图。
图5C是按照本发明的一个与带状芯形成的复合互连元件的局部透视图。
图5D是图5C中复合互连元件的横截面图。
图5E是一个包括五个单独的复合互连元件的复合互连元件的横截面图，该复合互连元件可以按照在这里所陈述的方法形成。
图6A是按照本发明的一个用于引线接合器的毛细管的侧视图。
图6B是按照本发明的图6A中毛细管的端视图，它示出该毛细管的尖端。
图7A是按照本发明的一个方面的引线接合设备的透视图，它包括一个外部成形工具的实施例。
图7B和7C是按照本发明的用图7A中的成形工具成形一个细长元件(如引线)的方法的侧视图。
发明的详细说明
前述在95年5月26日提交的美国专利申请书号08/452,255(“原始案例”)的公开内容在这里引用供参考。该专利申请书综合了这里公开的几种方法。
本发明的一个重要方面是，可以通过从一个芯(它可以安装在一个电子元件的接线端上)开始形成一个复合互连元件，然后用一种合适的材料给芯涂层，以便：(1)确立所得到的“复合”互连元件的力学性质；和/或(2)当该互连元件被安装到一个电子元件的接线端上时，将该互连元件牢固地固定到接线端上。照这样，从一种软材料制成的芯开始，可以制造一个弹性互连元件(弹簧元件)，这种软材料容易被成形为一种有弹性的形状并且容易连接到电子元件的甚至最易碎的部分。按照现有技术，由硬质材料形成弹簧元件的方法不容易有效，并且可以论证与直觉是相反的，因为软材料可以形成弹簧元件的基础。这一种“复合”的互连元件一般是用于本发明各个实施例的弹性接触结构的优选形式。
图1A、1B、1C和1D以一种普通方式示出按照本发明的复合互连元件的各种形状。
下面，主要是说明显示弹性的复合互连元件。但是，应该理解，非弹性的复合互连元件属于本发明的范围之内。
进而，下面主要是说明具有一个软的(容易成形，并适合用顺利方法可控制地固定到电子元件上的)芯的复合互连元件，该软芯用硬质(有弹性的)材料涂层。但是，在本发明的范围内，芯可以是一种硬质材料，涂层主要是用于将互连元件牢固地固定到一个电子元件的接线端上。
在图1A中，一个电互连元件110包括一个由一种“软的”材料(如一种具有屈服强度低于40,000磅/英寸2(psi)的材料)制成的芯112，和一个由一种“硬”材料(如一种具有屈服强度高于80,000psi的材料)制成的外套(涂层)114。芯112是一种成形(构型)为一个基本上是直的悬臂梁的细长元件，并可以是一种具有0.0005-0.0030英寸(0.001英寸＝1密日≈25微米(μm))直径的引线，利用任何合适的方法如用一种电镀方法(如用电化学电镀)将外套114加到已经成形的芯112上。
图1A示出的也许是用于本发明的互连元件的最简单的弹簧形状一也就是说，一个直的悬臂梁与在其尖端110b处施加的一个力“F”成一个角度定向。当这个力由一个电子元件的接线端施加时，互连元件与电子元件形成一个压力接触，尖端的向下(正如观察到的)偏转将明显地造成尖端以一种“摩擦闭合”运动方式跨过接线端运动。这一种摩擦闭合接触保证在互连元件和电子元件的被接触的接线端之间形成一种可靠的接触。
外套114依靠它的“硬度”并通过控制它的厚度(0.00025-0.00500英寸)，赋予整个互连元件110一个所希望的弹性。照这样，在互连元件110的两端110a和110b之间实施一种电子元件(未示出)之间的弹性互连。(在图1A中，标号110a表示互连元件110的一个端部，而对面的端部110b的实际端部未示出)。在接触一个电子元件的接线端时，互连元件110将会受到一个接触力(压力)作用，如标有“F”的箭头所表示的。
一般优选的是涂层(无论是单层还是多层涂层)的厚度大于欲加涂层的引线的直径。假定事实是所得到的接触结构的总厚度是芯的厚度加两倍涂层厚度之和，则具有与芯相同厚度(如1密耳)的涂层本身将合计表现为具有芯厚度的两倍。
互连元件(如110)将响应施加的接触力偏转，所述偏转(弹性)是部分地由互连元件的整体形状决定，部分地由涂层材料的占优势的(较大)屈服强度(与芯的屈服强度相比)决定，及部分地由涂层材料的厚度决定。
正如在这里所用的，术语“悬臂”和“悬臂梁”被用来表示在一端安装(固定)一个细长的结构(如，涂层的芯112)，而另一端是自由活动，典型的是响应一般横向作用于该细长元件的纵向轴的力。没有打算用这些术语来传递或包含别的特殊的或限制的意义。
在图1B中，一个电互连元件120类似地包括一个软芯122(相当于112)和一个硬的外套124(相当于114)。在这个例子中，芯122被成形为具有两个弯曲，并因此可以认为是S形。正如在图1A中的例子一样，以这种方式，在互连元件120的两端120a和120b之间可以实施一种电子元件(未示出)之间的弹性互连。(在图1B中，标号120a表示互连元件120的一个端部而对面的端部120b的实际端部未示出)。在接触一个电子元件的接线端时，互连元件120将会受到一个接触力(压力)的作用，如标有“F”的箭头所表示的。
在图1C中，一个电互连元件130相似地包括一个软芯132(相当于112)和一个硬的外套134(相当于114)。在这个例子中，芯132被成形为具有一个弯曲，并可以认为是U形。如在图1A中的例子一样，以这种方式，在互连元件130的两端130a和130b之间可以实现一种电子元件(未示出)之间的弹性互连。(在图1c中，标号130a表示互连元件130的一个端部，而对面的端部130b的实际端部未示出)。在接触一个电子元件的接线端时，互连元件130将会受到一个接触力(压力)的作用，如标有“F”的箭头所表示的。或者，可以应用互连元件130不在其端部130b形成接触，如标有“F”的箭头所表示的。
图1D示出一种弹性互连元件140的另一实施例，它具有一个软芯142和一个硬的外套144。在这个例子中，互连元件140基本上是一个简单的悬臂(相当于图1A)，它具有一个弯曲的尖端140b，受到一个横向作用到其纵向轴上的接触力“F”。
图1E示出一种弹性互连元件150的又一个实施例，它具有一个软芯152和一个硬的外套154。在这个例子中，互连元件150一般是“C形”，最好是具有稍微弯曲的尖端150b，并且适合于形成一个如标有“F”的箭头所表示的压力接触。
应该理解，软芯可以很容易形成为任何有弹性的形状-换句话说，一种将使一个欲得到的互连元件响应在其尖端施加的一个力弹性偏转的形状。例如，芯可以形成为一种常用的线圈形状。但是线圈形状是优选的，由于互连元件的总长度和与其有关的电感(和类似物)及它们在高频(速度)下工作的电路上的反作用。
外套材料或一种多层外套中至少一层材料(在下面说明)具有一个显著高于芯材料的屈服强度。因此，在形成所得到的互连结构的力学特性(如弹性)时，此外套覆盖了芯。外套：芯的屈服强度比最好是至少2∶1，其中包括至少3∶1和至少5∶1，并且可以高至10∶1。另外很显然，外套或至少一种多层外套的一个外层应当是导电的，特别是在外套覆盖住芯的端部情况下更应如此。(但是，原始案例叙述的是芯的端部露出的实施例，在这种情况下芯必须导电)。
从一种学术观点来看，只需要所得到的复合互连元件的弹性(弹簧成形的)部分用硬的材料涂层。在这个观点来看，芯的两端全都涂层一般就不重要了。但是，照实际情况看，最好是整个芯都涂层。下面更详细地讨论给固定(连接)到一个电子元件上的芯的一端加涂层产生的特殊原因和优点。
用于芯(112，122，132，142)的合适材料包括但不限于：金、铝、铜及其合金。这些材料通常都与少量别的金属如与铍、镉、硅、镁等形成合金，以得到所希望的物理性质。也可以用银、钯、铂；如铂族元素那样的金属或合金。可以使用由铅、锡、铟、铋、镉、锑及其合金构成的焊料。
若是面对面的将芯(引线)的一端连接到一个电子元件的接线端上(下面将更详细地讨论)，一般，任何适合于接合(利用温度、压力和/或超声能量来实施接合)的材料(如金)的引线都适用于实施本发明。在本发明的范围内，任何适合涂层(如电镀)的材料其中包括非金属材料都可以用于芯。
用于外套(114、124、134、144)的合适材料包括(并且，正如下面所讨论的，用于一个多层外套中的各个单独的层)但不限于：镍及其合金；铜、钴、铁、及其合金；金(特别是硬的金)和银，二者都显示出良好的输送电流的能力和良好的接触弹性特点；铂族元素；贵金属；半贵金属及其合金，特别是铂族元素及其合金；钨和钼。在希望有焊料状光洁度的情况下，也可以用锡、铅、铋、铟及其合金。
上述用于将这些涂层材料施加到各种芯上所选定的方法，当然因应用地方不同而有改变。电镀和无电极电镀一般是优选的方法。但是，一般，在一个金芯上电镀是直觉相反的。按照本发明的一个方面，当在一个金芯上电镀(特别是无电极电镀)外套时，为了有助于电镀开始，希望首先在金引线茎上施加一个薄的铜开始层。
如在图1A-1E中所示的一种示范性互连元件可以具有约0.001英寸的芯直径和0.001英寸的外套厚度-因此该互连元件具有约0.003英寸的总直径(也就是说，芯直径加外套厚度的两倍)。一般，外套的这个厚度大约是芯厚度(如直径)的0.2-5.0(五分之一到五)倍。
用于复合互连元件的某些示范性参数是：
(a)一个金引线芯具有1.5密耳的直径，它被成形为具有总高度为40密耳和半径为9密耳的一般C形弯曲(相当于图1E)，将其镀0.75密耳的镍(总直径＝1.5+2×0.75＝3密耳)，并任意地接受一个为50微英寸金的最终涂层(如为为了降低和增强接触电阻)。所得到的复合互连元件显示弹性常数(K)约为3-5克/密耳。(如这里所用的，术语“弹性常数”意指每单位偏转的力)。在使用时，偏转3-5密耳将产生9-25克接触力。这个例子在用于一个插入件的弹簧元件方面是有用的。
(b)一个金引线芯具有1.0密耳的直径，它被成形为具有总高度为35密耳，将其镀1.25密耳的镍(总直径＝1.0+2×1.25＝3.5密耳)，并任意地接受一个为50微英寸金的最终涂层。所产生的复合互连元件显示弹性常数(K)约为3克/密耳，并且在用于一个探针的弹簧元件的方面是有用的。
(c)一个金引线芯具有1.5密耳的直径，它被成形为具有一个总高度约为20密耳和一个半径约为5密耳的一般S型弯曲，将其镀0.75密耳的镍或铜(总直径＝1.5+2×0.75＝3密耳)。所得到的复合互连元件显示弹性常数(K)约为2-3克/密耳，并且在用于安装在半导体器件上的弹簧元件方面是有用的。
按照本发明，芯元件不必具有一个圆形横截面，而可能宁愿是一种具有一般是矩形横截面的一种平的从一个薄板延伸的薄片(带)。应当理解，这里所用的，术语“薄片”不会与术语“TAB”(带式自动接合)混淆。别的非圆形的截面如C形、I形、L型和T型都在本发明的范围之内。
多层外套
图2A示出一种安装到一个电子元件212上的互连元件210的实施例200，该电子元件212装备有一个接线端214。在这个例子中，软的(如金)引线芯216在一端216a处被接合(连接)到该接线端214上，该引线芯216被构形为从接线端延伸和具有一种弹簧形状(相当于图1B中所示的形状)，并切断成具有一个自由端216b。利用引线接合设备照这种方式完成接合、成形和切断引线。在芯的端部216a处的接合只覆盖接线端214露出的表面的比较小的一部分。
将一个外套(涂层)设置在引线芯216上，在这个例子中，外套以具有一个内层218和一个外层219的多层形式示出，可以适当地利用电镀法施加上这两层。多层外套中的一层或n层用一种硬的材料(如镍及其合金)形成，以赋予互连元件210一个所希望的弹性。例如，外层219可以是一种硬的材料，而内层可以是一种在将硬的材料219电镀到芯材料216上时充当一种缓冲层或阻挡层(或充当一种活化层，或充当一种粘结层)的材料。或者，内层218可以是该硬的材料，而外层219可以是一种显示优越电特性包括电导性和可焊性的材料(如软金)。当希望一种软焊或硬焊型接触时，互连元件的外层可以分别是铅-锡软焊接或金-锡焊材料。
固定到接线端
图2A以一种一般方式示出本发明的另一个关键特点-也就是说，弹性互连元件可以牢固地被固定到一个电子元件的接线端上。由于一个施加到互连元件的自由端210b的压缩力(箭头“F”)作用的结果，该互连元件的连接端210a将经受相当大的机械应力。
如在图2A中所示，涂层(218、219)不仅覆盖芯216，而且还以一种连续(不中断)的方式覆盖芯216附近接线端214露出表面的整个余下部分(也就是说，接头216a之外的部分)。这就牢固而可靠地将互连元件210固定到接线端上，同时涂层材料对将得到的互连元件固定到接线端上提供重要的(如大于50％)作用。一般，只是要求涂层材料至少覆盖芯附近的接线端的一部分。但是，一般优选的是涂层材料覆盖接线端的整个余下表面。最好是，外套中的每一层都是金属的。
作为一个普遍问题，在芯被连接(如接合)到接线端处的比较小的区域不很适合接受由施加到所得到的互连元件上的接触力(“F”)所引起的应力。由于外套覆盖整个接线端露出的表面(除了在包括将芯端部216a连接到接线端上的比较小区域中之外)，整个互连结构被牢固地固定到接线端上。涂层的粘结强度、和对接触力起作用的能力将远远超过芯的端部(216a)本身的粘结强度和能力。
正如在这里所用的，术语“电子元件”(如212)包括但不限于：互连基片和插入件基片；由任何合适的半导体材料如硅(Si)或砷化镓(GaAs)制成的半导体晶片和模片；生产互连插口；试验插口；如在原始案例中所述的过渡性构件、元件和基片；半导体组件包括陶瓷和塑料组件，及芯片载体；和连接器。
本发明的互连元件特别适合用作：
·直接安装到硅模片上而不需要有一个半导体组件的互连元件；
·作为探针从用于试验电子元件的基片(下面更详细地说明)中延伸的互连元件；和
·插入件(下面更详细地讨论)的互连元件。
本发明的互连元件独特之处在于，它得益于硬的材料的力学特性(如高屈服强度)而不受硬的材料通常附带的不良接合特性限制。正如在原始案例中所详细说明的，这可能主要是由于外套(涂层)在芯的“临时支撑”中起一种“上层结构”作用造成的，这两个术语是从土木工程的背景借用过来的。这很不同于现有技术的电镀的互连元件，在现有技术中，电镀是用作一种过渡性(如耐腐蚀)涂层，并且一般不能赋予互连结构所希望的力学特性。
在本发明的许多优点中，一些优点是在基片上从其不同水平(如一块具有去耦容器的印刷电路板)到该基片上方的一个共同高度容易形成许多自由站的互连结构，因此它们的自由端彼此是共平面。此外，按照本发明的形成的一个互连元件的电特性和力学(如塑性和弹性)特性容易适合特殊的应用。例如，在一个规定的应用中，可以希望互连元件表现两种塑性和弹性变形。(可以希望塑性变形适应在由互连元件互连的电子元件中的粗糙的非平面性)。当希望弹性性能时，要求该互连元件产生一个最小量接触力的阈值，以便实施一种可靠的接触。另外有利的是，由于在接触表面上沾污的薄膜的偶然存在，互连元件的尖端与电子元件的一个接线端产生一种摩擦闭合接触。
正如这里所用的，术语“弹性的”当应用于接触结构时意思是接触结构(互连元件)响应一个施加的负载(接触力)而主要显示出的弹性性能，而术语“顺从的”意思是接触结构(互连元件)响应一个施加的负载(接触力)显示出弹性和塑性两种性能。正如这里所用的，一种“顺从的”接触结构是一种“弹性的”接触结构。本发明的复合互连元件是既是顺从的接触结构又是弹性的接触结构的一种特殊情况。
在原始案例中，被详细说明的许多特点包括但不限于：在过渡性基片上制造互连元件；将许多互连元件成组转移到一个电子元件上；给互连元件配置接触尖端，最好是具有一种粗糙的表面光洁度；应用一个电子元件上的互连元件做成与该电子元件临时的，然后是永久的连接；将这些互连元件安排成在它们的一端而不是在它们的相对端具有不同的间距；制造弹簧夹并以与制造互连元件相同的操作步骤对齐引线针；应用互连元件来适应已连接的元件之间的热膨胀方面的差异；消除对分立的半导体组件(如对单列直插式封装存储器组件(SIMMs))的需要；及任意地焊接弹性互连元件(弹性接触结构)。
可控制的阻抗
图2B示出具有许多层的一种复合互连元件220。互连元件220的一个最里面部分(内部细长的导电元件)222或是一种未加涂层的芯，或是一种具有如上所述已涂层的芯。最里面部分222的尖端222b用一种合适的掩蔽材料(未示出)掩蔽。例如利用电泳法将一个不导电层224加到最里面部分222上。将一种导电材料制的外层226加到不导电层224上。
在使用时，外层226在电路上接地将使互连元件220具有可控制的阻抗。用于不导电层224的一种示范性材料是聚合物材料，它以任何合适的方式施加并施加到任何合适的厚度(如，0.1-3.0密耳)。
外层226可以是多层的。例如，在其中最里面部分222是未涂层芯的情况下，当希望整个互连元件显示弹性时，外层226当中至少一层是一种弹性材料。
变换间距
图2C示出一个实施例250，其中许多个(示出许多个当中的六个)互连元件251……256安装在一个电子元件260如一个探针板插件上(一种以普通方式安装在探针板上的子配件)。为了直接清楚起见，从该图中省去了探针板插件的许多接线端和导电路线。互连元件251…256的连接端251a…256a在一个第一间距(间隔)处如0.050-0.010英寸开始。互连元件251……256被如此成形并定向，以使它们的自由端(尖端)处在一个第二较细的间距如0.005-0.010英寸处。一个从一个间距到另一个间距产生互连的互连组件一般地被称作一种“间距变量器”。
如图所示，互连元件的尖端251b…256b被安排成平行的两排，以便与具有焊盘的两个平行排(接触点)的一个半导体器件形成接触(用于试验和/或老化)。这些互连元件可以安排成具有别的尖端图案，用于与具有别的接触点图案如矩阵的电子元件形成接触。
一般，在这里公开的全部实施例，尽管只可以示出一个互连元件，但本发明可用于制造许多互连元件并将许多互连元件安排彼此成一种前述的空间关系，如安排成一种周边图案或成一种矩形矩阵图案。
应用过渡性基片的方法
上面已经说明了将互连元件直接安装到电子元件的接线端子。一般地说，本发明的互连元件可以在任何合适基片包括过渡性的基片的任何合适的表面上制造，或安装在所述表面上。
现在把注意力集中到原始案例上，该原始案例例如对于图11A-11F做了说明，图中将许多互连结构(例如，弹性接触结构)制造成分开的和各不相同的结构，以便随后安装到电子元件上，并且该原始案例对于图12A-12C做了说明，图中将许多互连元件安装到一个过渡性的基片(载体)上，然后将许多互连元件全部地转移到一个电子元件上。
图2D-2F示出一种方法，用于采用一种过渡性基片制造许多具有预成形的尖端结构的互连元件。
图2D示出该方法250的第一步，其中将一种形成图案的掩蔽材料252层加到一个过渡性基片254的表面上。作为例子，过渡性基片254可以是薄的(1-10密耳)铜或铝箔，而掩蔽材料252可以是普通的光阻材料。掩蔽层252被形成图案在位置256a、256b、256c处具有许多个(示出了许多个当中的三个)开口，在那里希望制造互连元件。在这种情况下，位置256a、256b和256c与一个电子元件的接线端不相上下。位置256a、256b和256c最好在此阶段处理成具有一个粗糙的或有特点的表面织构。如图所示，这可以以机加工方式用一种压花工具257在位置256a、256b和256c的箔中形成凹陷来完成。或者，在这些位置的箔的表面可以化学蚀刻成具有一种表面织构。任何适合实施这个总目标的方法都在本发明的范围之内，例如喷砂法、喷丸硬化法等。
接着，在每个位置(如，256b)形成许多(示出许多个当中的一个)导电的尖端结构258，如图2E所示。这可以用任何合适的方法如电镀法完成，并且可以包括具有多层材料的尖端结构。例如，该尖端结构258可以具有一个加到过渡性基片上的薄的(如10-100微英寸)镍阻挡层，再加一层薄的(如，10微英寸)软金，再加一层薄的(如，20微英寸)硬金，再加一层比较厚的(如，200微英寸)镍，最后再加一层薄的(如，100微英寸)软金。一般，提供第一层薄的镍阻挡层以保护随后的金层免于被基片254的材料(如，铝、铜)“中毒”，比较厚的镍层是为尖端结构提供强度，而最后的薄的软金层提供一个容易被接合于其上的表面。本发明的不限制在过渡性基片上的如何形成尖端结构的任何细节，因为这些细节会因不同的应用而不可避免地发生改变。
如图2E所示，比如用任何将一个软的引线芯接合到上述一个电子元件的接线端上的方法可以在尖端结构258上形成许多个(示出许多个当中的一个)芯260用于各个互连元件。然后以上述方式用一种合适的硬材料262给芯260涂层，并且然后除去掩蔽材料252，同时产生许多个(示出许多个中的三个)自由站立的安装在过渡性基片的一个表面上的互连元件264，如图2F所示。
在一种类似于关于图2A所示的涂层材料至少覆盖住五个接线端(214)的附近区域的方式中，该涂层材料262牢固地将芯260固定到它们各自的尖端258上，并且如果希望的话，将弹性特性赋予所得到的互连元件264。正如在原始案例中所提到的，可以将许多安装到过渡性基片上的互连元件成组地转移到一个电子元件的接线端上。或者，可以采取两个宽分散路线。
在本发明的范围内，可以采用一种硅片作为在其上制造尖端结构的过渡性基片，如此制造的尖端结构可以接合(如，软焊、硬焊)到已经安装到一个电子元件的弹性接触结构上。
如图2G所示，过渡性基片254可以用任何合适的方法如选择性化学蚀刻法简单地除去。因为大多数选择性的化学蚀刻法将以比另一种材料大得多的速率蚀刻一种材料，而另一种材料在此方法中可以稍微被蚀刻，这种现象被有利地用来与除去过渡性基片同时除去尖端结构中的薄的镍阻挡层。但是，如果需要的话，该薄的镍阻挡层可以在随后的蚀刻阶段中被除去。这就产生许多个(示出许多个中的三个)单个的、分立的、独特的互连元件264，如虚线266所表示的，这些互连元件264以后可以安装(如利用软焊或硬焊)或电子元件的接线端上。
必须提到，在除去过渡性基片和/或薄的阻挡层的过程中，涂层材料也可能稍微变薄，但是这种情况最好不发生。
为了防止涂层变薄，优选的是在涂层材料262上加一薄层金或者例如在约20微英寸的硬金上加约10微英寸软金作为最后的一层。主要想把这个外面的金层利用它的优越的导电性、接触弹性，和可焊接，并且它一般不受打算用于除去薄阻挡层和过渡性基片的大多数腐蚀性的溶液的影响。
或者，如图2H所示，在除去过渡性片基片254之前，可以用任何合适的支承结构266如用一种其中具有许多孔的薄板将许多个(示出许多个中的三个)互连元件264以一种彼此成所希望的空间关系被“固定”，随后过渡性基片在该支承结构266上除去。支承结构266可以用一种不导电材料制造，或是用一种用不导电材料涂层的导电材料制造。然后可以进行进一步的处理步骤(图中未示出)如将许多互连元件安装到一个电子元件如一个硅片或一个印刷电路板上。此外，在某些应用中，可能理想的是使互连元件264的尖端(在尖端结构的对面)从运动中特别是当其上施加接触力时稳定下来。为此目的，也可能理想的是用一种具有许多孔的薄片268如由一种不导电材料形成的网眼来限制互连元件尖端的运动。
上述方法250的一个明显优点是尖端结构(258)可以用实际上任何所希望的材料制成，并具有实际上任何所希望的织构。如上所述，金是显示电导性、低接触电阻、可焊性、和耐腐蚀的极好电特性的一种贵金属的一个例子。因为金是可延展的，所以它是极为适合加到任何这里所述的互连元件特别是这里所述的弹性互连元件上的最后的涂层。别的贵金属显示类似的理想特性。但是，某些材料如铑显示这种极好的电特性一般不适合用于给整个互连元件。例如，铑特别地脆，因而不可能很好地作为一个弹性元件上的最好涂层使用。在这方面，由方法250所举例说明的方法很容易克服这个局限性。例如，一个多层尖端结构(见258)的第一层可以是铑(而不是如上所述的金)，因而，利用它的优越的电特性以便形成与电子元件的接触而对得到的互连元件的力学性能一点也没有任何影响。
图2I示出用于制造互连元件的可供选择的实施例270。在这个实施例中，将一种掩蔽材料272施加到一个过渡性基片274的表面上，并以一种类似于上述图2D中的方法的方式形成具有许多个(示出许多个的一个)开口276的图案。这些开口276确定了互连元件将被制造成自由站立结构的区域。(正如在这里所述整个说明所用的，当一个互连元件具有一端接合到一个电子元件的接线端上，或接合到一个过渡性基片的一个区域，而该互连元件的相对端不接合到电子元件或过渡性基片上时，该互连元件就是“自由站立的”。)
开口内的区域可以用任何合适的方式制成某种织构，如制成具有一个或多个凹陷的结构，正如由单个延伸到过渡性基片274的表面中的凹陷278表示。
一个芯(引线茎)280被接合到开口276内的过渡性基片的表面上，并可以具有任何合适的形状。为图示清楚起见，在这个图例中，只示出一个互连元件的一端。另一端(未示出)可以被连接到一个电子元件上。现在可以很容易看出，方法270不同于上述方法250的地方在于芯280直接接合到过渡性基片274上，而不是接合到尖端结构258上。作为一个例子，用常规的引线接合方法，很容易将一个金引线芯(280)接合到一个铝基片(274)的表面上。
在该方法(270)的下一个步骤中，将一层金282施加(如，利用电镀)到芯280上并到达开口276内其中包括凹陷278内的基片274的露出区域上。这一层282的主要用途是在所得到的互连元件(也就是说，一旦除去过渡性基片)的端部形成接触表面。
接着，将一层比较硬的材料284如镍施加到该层282上。如上所述，这一层284的主要用途是将所希望的力学特性(如弹性)赋予所得到的互连元件。在这个实施例中，该层284的另一个主要用途是在得到的互连元件的下面(如所看到的)端部处增加制造的接触表面的耐用性。在该层284上可以施加最后的一层金(未示出)，以增强所得到的互连元件的电特性。
在最后一个步骤中，除去掩蔽材料272和过渡性基片274，同时或形成许多单个的互连元件(相当于图2G)或形成许多彼此具有一个预定的空间关系(相当于图2H)的互连元件。
这个实施例270是用于在互连元件端部上制造具有某种织构的接触尖端的一种方法的范例。在这种情况下，已经说明了一种“金包镍”接触尖端的极好的例子。但是，在本发明的范围内，按照这里所述的方法，可以在互连元件的端部制造其它类似的接触尖端。这个实施例270的另一个特点是这些接触尖端完全在过渡性基片的顶上制造，而不是如前面实施例所打算的在过渡性基片(254)的表面内部制造。
插入件
本发明的复合互连(弹簧)元件可用于各种各样的应用，例如供在插入件中使用。在插入件中使用复合互连元件的目的在原始案例中已经讨论过了，因而在这里只作简要说明。
一般，正如这里所用的，一个“插入件”是一种具有从其两个相对的表面延伸的电接触结构的基片，它放置在两个电子元件之间以使这两个电子元件互连。常常，理想的是该插入件能移开两个互连好的电子元件中的至少一个(如，用于替换，改进等)。
图3示出一个采用本发明的互连元件的一个插入件的实施例300。一般，一个绝缘的基片302如一个印刷电路板(PCB)型基片装备有许多个(示出许多个当中的两个)导电的通孔(如，电镀好的通路)306，308，或类似物，每个通孔都具有在绝缘基片302的顶部(上面)表面302a和底部(下面)表面302b上露出的导电部分。
一对软芯311和312被连接在基片302的顶部表面302a上的通孔306的露出部分上。一对软芯313和314被连接在基片302的底部表面上通孔306的露出部分上。同样，一对软芯315和316被连接到基片302的顶部表面上的通孔308的露出部分上，而一对软芯317和318被连接到基片302的底部表面上的通孔308的露出部分上。然后用一种硬的材料320给这些芯311…318涂层，以在基片302的顶部表面302a上形成互连结构322和324，及在基片302的底部表面302b上形成互连结构326和328。照这样，各个芯311…318被牢固地固定到这些通孔的相应露出部分上，互连结构322在电路上连接到互连结构326上，而互连结构324电路上连接到互连结构328上。应当理解，通过提供每个互连结构(如，322)作为一对互连元件(如，311，312)，实现了(也就是说，比用单一互连元件)与外部元件(未示出)更可靠的连接。
正如所示出的，顶部互连元件组311，312，315和316全都形成具有相同的形状，而底部互连元件组全都具有相同的形状。应该理解，底部互连元件组可以具有不同于顶部互连元件组的形状，这将为形成从绝缘基片的顶部表面延伸的互连结构提供了机会此绝缘基片具有不同于从该基片的底部表面延伸互连结构的力学特性。
得到增加了的接触力
本发明的复合互连元件的一个主要用途是能在电子元件之间形成压力连接。
如上所述，在实施压力接触时主要关心的一点是由弹簧接触元件所提供的接触力。作为一个普遍问题，对于由该弹簧元件所形成的弹性连接希望接触力最大，或具有一个较高的弹簧常数。
在上述一个插入件300的例子中，每个弹性连接都是由一对复合互连元件形成。用于每个连接的接触力将是由这一对中每个互连元件所提供的接触力之和。
按照本发明的一个方面，不使用由具有一个圆形截面(即，引线茎)的芯元件制造的两个或两个以上的复合互连元件来实施一种单个的压力连接，而一个单个压力连接由一种单个的具有一种非圆形的并加以选择的截面的复合互连元件实施，以使可以由复合在互连元件提供的接触力最大。
图4和4A示出一种安装到一个电子元件404的接线端402上的自由站立的复合互连元件400的例子。对这个例子来说，该复合互连元件400具有一种与图3中复合互连元件150类似的弹簧形状，但它不限于任何特别的弹簧形状。复合互连元件400具有一个内芯406，该内芯406是一种具有一个圆形(环形)横截面的软的(如，金)引线，并且用一种硬的(如，镍)材料408涂层，如上所述。
当元件404推向紧贴另一个(未示出)元件时，也就是说，当引起该复合互连元件偏转一个给定的距离时，这个复合互连元件400将显示一个给定的(可计算的)量的接触力“F”。
芯元件(引线茎)406被用一种常用的引线接合器接合到接线端402上，同时产生一个“球形”接头410，如图4所示。弹簧元件400安装于其上的单个接线端402a(相当于402)以虚线示出。
如上面对于图3所述，一个压力接触可以用一对复合互连元件(如，400)形成，这对复合互连元件从一个电子元件上的单个接线端延伸并与在一个电子元件上的相应的单个接线端接触。在这种情况下，对一个给定量的偏转来说，接触力将是2F，因为其中每个互连元件贡献一个接触力“F”，如上所述。图4B以截面图解这种情况。一对弹簧元件400安装于其上的单个接线端402b(相当于402)以虚线示出。此外，这不限于任何特别的电子元件或不限于任何特别的弹簧形状。
带状芯元件
使用一种具有不是圆形横截面的引线在许多普通拥有共同未决案例中已经公开了。
例如，普通拥有、共同未决的美国专利申请书号No.08/452,255，在第63页4-6行就说到：
“引线不必具有一种圆形横截面……(它)可以具有一个矩形横截面，或者还可以具有另外一种形状的横截面”。
图5是一种从一个电子元件506的接线端504延伸的带状芯元件502的一个实施例500的透视图。该芯元件502由任何合适的软材料以与上述引线茎差不多的方式形成。
带状芯元件502不是一种引线，例如不是具有直径为1.0密耳的引线，而是一般横截面为矩形，它具有第一横向尺寸“d1”，该尺寸“d1”大于一个在与第一横向尺寸“d1”正交的方向上的第二横向尺寸“d2”。尺寸“d1”最好至少是尺寸“d2”的两倍(包括三倍、四倍和四倍以上)。例如：
·尺寸“d1”(或宽度)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。
一种涂层材料(未示出，在图5B中示出)被以上述方式施加到芯元件上，并且合适地是一种多层涂层，它至少包括一层高屈服强度材料如镍(以及合金)。
一般，因为带状芯元件(如，502)具有这样一个大的表面(特别是截面及其相对于弯曲力矩的分布)面积，所以不需提供象用一个或多个具有引线茎(圆形横截面的芯元件)的差不多尺寸的互连元件那么厚的涂层材料来达到一个类似的弹簧常数。实际上，一个带状芯元件(502)可以加涂层以提供一个复合互连元件，该复合互连元件比具有一个引线芯的厚度相等或较大的类似尺寸的复合互连元件的弹簧常数高，并且是全面地比具有一个引线茎的一个差不多的复合互连元件要薄。
由于具有一个非圆形横截面的芯元件，所以得到超过具有圆形横截面的芯元件的许多优点，其中包括：
·由于比要求对具有圆形横截面的两个或两个以上引线茎涂层较少的镀层(涂层)，所以可以得到相同或较高的弹簧常数值，从而对于该复合互连元件可以得到较大的接触力；
·当带状弹簧元件被压缩时，将改善应力分布(对相同的反作用力来说，一个矩形截面的茎将显示一个比一个相当的圆形横截面的茎低的应力。换句话说，矩形是一种更有效的横截面)；
·弹簧元件中较小的应力将产生较大的弹性变形(弹性)；及
·芯元件的主要尺寸(d1)可以如此定向，以便使得到的弹簧元件在压缩过程中对于侧向(如图中所看到的，在低页面的内和外)运动将显示较大的稳定性。
带状芯元件(502)可以具有一个带锐边(角)的矩形横截面。但是，这些角也可能被修圆或倒角。一般，这些芯元件通过轧制(压平)一种最初具有圆形横截面的引线制造的。
在本发明的范围内，一种带状芯元件可以是矩形截面以外的形状，其中包括椭圆形、卵形、工字梁形和C梁形。由这种带状芯元件制造的复合互连元件将显示上述有关矩形截面带状芯元件的某些或全部优点。
带状芯元件接合到一个接线端上
如上所述，任何合适的方法都可以用于将芯元件“钉”到接线端上，以便它可以被涂层，该涂层形成一个将得到的复合互连元件固定到接线端上的主要部分。
然而，一般优选的是带状芯元件以与一根引线茎接合到接线端上相同的方式接合到接线端上-也就是说，采用一般常用的引线接合设备来实施芯元件到接线端上的球形(与楔形相比)接合。(显然，在引线接合器的毛细管中的孔将必须适合(成形为)容纳和供给这些带状元件。)
图5A示出一种方法550，利用它将一个带状芯元件552(相当于502)球形接合到一个电子元件556(相当于506)上的一个接线端554(相当于504)上，成形为具有一个弹簧形状，并切断成为自由站立。以上述方式将一涂层施加到该自由站立的带状芯元件上。
在芯元件552的最近端552a处形成一个球形接头558，该芯元件552被固定到接线端554上。一般，为了与一个带状芯元件形成一个球形接头，可能要求许多次点火(相对于一次点火)。
以类似的方式，优选的是在芯元件552的远端(尖端)552b处形成一个焊球560。还有，可能要求一个电子灭焰(EFO)电极多次点火，以在芯元件的尖端处有效地形成所希望的焊球。
在本发明的范围内，带状导电元件不同于以这种方式将复合互连元件球形接合到电子元件的接线端上的芯元件。
图5B以截面形式示出按上述方式施加了涂层后的图5A的芯元件552。如上所述，为了达到相同(或更高)的接触力，用于这种带状芯元件的涂层562可能比用于具有圆形横截面的一个或多个相当的引线茎的涂层显著地薄(例如，有小于1.0密耳的额定厚度)，同时在所得到的复合互连元件压缩期间改善了应力分布。
图5C示出一个复合互连元件550(一般，示出图5A的互连元件的透视图)，它是通过将一个平的(矩形横截面)芯元件552球形接合到一个基片556(它可以是一个电子元件)上的接线端554(它可简单地是一个选好的区域)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弹簧形状。图中示出许多这样弹簧形状当中示范性的一个。然后用一层或多层材料558将带状芯元件涂层，以赋予所得到的互连元件所希望的特性，如上所述。此外，可能要求一个电极多次点火(放电、火花)，以便在元件550的尖端(未安装端)形成焊球。
图5D示出互连元件550的一个横截面，而图5E示出由具有圆形横截面并具有相当尺寸的芯元件制造的许多个(如，五个)互连元件560的横截面。例如：
·图5D的互连元件550包括一单个的平的(带状)芯元件552，该芯元件552具有1密耳的厚度(图中的垂直方向)和1密耳的宽度(图中的水平方向)，并且被一种具有1密耳厚度的材料涂层；和
·在图5E中示出的五个互连元件560其中的每一个都包括一个具有直径为1密耳和涂层厚度为1密耳的芯元件562。
五个互连元件560中的每一个都提供一个接触力F，如图中的箭头所示。总计，五个互连元件560将提供一个5F的接触力。(应当理解，该接触力一般朝向纸面的里面)。
由和五个互连元件560相同材料和相当尺寸制成的单个带状互连元件550具有约10-20F如15F的接触力，它显示比由五个互连元件560所提供的合计的接触力(5F)大得多。(此外，应该理解，该接触力一般朝向纸面的里面。)
因此可以理解，当与许多个圆形横截面的互连元件相比时，具有一个非圆形横截面的互连元件可以提供增大的接触力、降低的应力。和增大的弹性范围。无论互连元件(如，550)是“复合的”还是“单片的”一般这都是确实的。此外，尽管为形成图5D中所示的结构560。要求五个单个的引线接合操作，但为形成图5C和5D中的互连元件，却只要求一次(也就是，单次的)引线接合操作。
毛细管
本发明的互连元件有利地应用将一个平的(非圆形横截面)引线的一端球形接合到一个基片(包括到一个电子元件的接线端)上的方法。这点可以用一个装备有一个合适的毛细管的常用引线接合器做到。
图6A和6B以截面形式示出按照本发明的用于一个引线接合器(如K&s 1419型引线接合器)的示范性的毛细管。正如已知的那样，一个常用的毛细管具有一个管体部分和一个同心地穿过该管体延伸的孔，而引线(如，接合引线)通过该毛细管供入并从毛细管的尖端引出来。
毛细管600具有一个管体部分602和一个孔604，该孔从顶(如所看到的)到底(如所看到的)完全穿过管体部分延伸。毛细管的底端是尖端606。正如在图6B中清楚看到的，孔604具有一个非圆形的横截面。确切地说，该横截面呈一种修圆的矩形形状，它具有一个稍大于芯元件尺寸d2(如，0.5密耳)的较小尺寸T，和一个稍大于芯元件尺寸d1(如，0.5密耳)的较大尺寸W。对具有下列尺寸的带，毛细管尺寸合适地是(所有尺寸均以英寸计)：
   d2         d1         W          T
 0.0005     0.0015     0.0020     0.0010
    0.0005       0.0025     0.0030     0.0010
    0.0010       0.0050     0.0057     0.0015
孔的端部(正如在图6B中所看到的)被适当地切成圆角，以适应芯元件穿过它的通路，而孔604具有一个约10°的斜度(在顶部比在尖端要大)。毛细管管体602的外表面在尖端606处被修圆，而孔604在它从尖端606出口的地方也适当地被修圆(如图所示)。
因此，这里公开了一种将一个导电带(在一个复合互连元件前身的情况下，该带是一个芯元件)球形接合到一个基片(它可以是一个电子元件)的表面上的一个区域(它可以是一个接线端)上的方法，该方法包括：将一个带(或芯元件)穿过一个引线接合器的类似形状(在横截面)的毛细管，该带从毛细管的尖端引出并且最好具有一个在带的端部预先形成的焊球(增加横截面尺寸的区域)，推动毛细管的尖端紧贴基片表面上的区域；并施加一种或多种能量，以实施带的端部与基片之间的球形接合，该能量是从包括超声能、热能和压缩力的任何组合的一组能中选出来的。这里公开的毛细管可以和下述任何一种一起使用：
(a)超声引线接合器；
(b)热超声引线接合；和
(c)热压引线接合器。
在使用中，在带被球形接合到基片上后，毛细管被如此拉出(Z-轴上)，以便带从基片的表面延伸。在此操作过程中，可以给予X-Y移动(如，在基片正停在这一阶段)，以赋予带一种弹簧形状。或者，如下所述，可以用单独的机械手段(成形工具)来赋予带一种弹簧形状。
在拉出毛细管后，该带被切断形成一个接合到基片上的自由站立的结构(它可以是一个复合互连元件的芯元件)，而带的其余部分留在毛细管内并从其尖端延伸为形成随后的球形接合到基片上做准备。最好是，在球形接合之前(也就是说，在前面的切断操作之后)，在带的余下部分的端部形成一个焊球，以便形成随后的与基片的接合。
在本发明的范围内，该焊球是通过应用由一种电子灭火(EFO)电极激发的一种火花(放电)在带的端部(在一部分通过毛细管尖端延伸的带上)形成的。最好是，将电极如此定向，以使火花在其窄的一侧(d2，见图5)触发带，而不是触发该带“宽的一侧”。还是在本发明的范围之内，可能要求电子灭火(EFO)电极的多次点火以便切断带和/或在该带的端部形成一个焊球。
在一种类似于常用的引线接合法的方式中，带可以由一种从包括金、铜、铝及其合金组成的组中选定的材料制造。
成形并切断带状芯元件
正如在原始案例中所讨论的，在将芯元件切断成一种自由站立的引线茎之前，通过在毛细管和细长的芯元件接合其上的元件(基片)之间作相对运动，很容易使细长的芯元件具有一种弹簧形状。
按照本发明的一个方面，使用一种外部机械工具如在这里引入参考的普通拥有，共同未决美国专利申请书号No.60/013,247中所公开的，合适地将带状芯元件(如，502,552)加工成形。在下面叙述一种示范性的外部机械成形工具的说明。
图7A-7C示出用于成形一部分细长元件702的方法的一个实施例700，该细长元件702在一个基片708的一个区域710如一个电子元件的接线端和一个引线接合器(未示出)的毛细管704(相当于600)之间延伸。该细长元件702合适地由一个供给卷轴706供给。
在这个示范性的实施例中，成形工具712是一根杆(圆柱形元件)，它被一个驱动器(“ACT”)720如一个螺线管驱动在X-Y平面中移动。杆和驱动器之间的虚线722表示任何合适的连接元件如一个杠杆。最好是，驱动器720属于一种类型，如一种组合式电动机/编码器或伺服系统在其整个运动范围内，驱动器的运动和位置可以被控制(如，用软件)。照这样，由成形工具施加到细长元件上的力和成形工具的行进可以小心地被控制和做成型材。但是，在本发明的范围内，可以用一种简单的螺线管作为驱动器，用一种合适的与连接机构(或，与成形工具本身)有关的机械止动器限制螺线管的“行程”(螺线管运动的距离)。
成型工具712用一种比细长元件702硬的材料制成，如钨、石英、或类似材料。在本发明的范围内，成形工具可以被加热，如用一种受激准分子激光器加热，以帮助成形细长元件。在本发明的范围内，可将一个电位(包括接地)施加到成形工具上用于控制施加到细长元件上的切割火花。
图7B示出成形工具712正推向细长元件702，使该细长元件具有弹簧形状。图7C示出成形工具已从细长元件702中撤回，并且该细长元件已在毛细管704附近被切断。
在图7B和7C中，示出细长元件702已经产生具有类似于图1E中所示形状(一种C型)的形状。成形工具712的直径最好稍小于已成型的细长元件的最后高度。例如，已成形的高度为30-35密耳的细长元件可以用一种直径为20-25密耳的圆柱形成形工具来适当地成形。这不过是可以赋予细长元件许多可能的弹簧形状当中的一种。
最好是，在实施例700中，细长元件702被来自一个电子灭焰电极(EFO)732中的火花(放电)切断，该电极732固定到毛细管704上。
在本发明的范围内，细长元件用火花714切断，而成形工具512处于与细长元件702机械和电接触(啮合)，如图7A中所示。成形工具712可以接地，或处于一个给定的电位以控制火花和/或防止火花损坏一个精密的电子元件(708)。
在前述使用一种成形工具712来赋予细长元件(如，接合引线)一种弹簧形状的实施例700中，该接合引线首先被接合到基片上，而毛细管704在Z轴方向上被拉开，以便供给出希望被成形的接合引线部分。
在本发明的范围内，成形工具可以具有许多自由度，并且可以以这种方式运动，使细长元件围绕成形工具扭绞，以便赋予细长元件的已成形部分复杂的形状。
使用一种外部成形工具(与赋予毛细管和元件间相对运动相比)以赋予细长元件所希望的弹簧形状一般被优选用于带状芯元件的可靠成形。
如上所述，本发明显著与现有技术不同之处在于，涂层被用来赋予一种别样的非弹性的、容易成形的、初期的互连元件(接触结构)所希望的力学特性(如，弹性)。在现有技术中，涂层(包括镀金)主要是用来增加互连元件的电特性，并防止其腐蚀。
互连元件既可以在电子元件上“就地”制造，也可以“预制”用于以后安装到电子元件上。
尽管在附图和前述说明中已经图示并详细说明了本发明，但上述情况可看做是说明性的而在性质上不是限制性的-应当理解，已经示出并说明的仅是优选实施例，并且在本发明的精神范围之内的所有改变和修改都希望得到保护。无疑，有关上述“主题”的许多其它“变动”对具有最接近本发明的那些技术的普通专业人员来说将会发生，并且这些变动意谓在如这里公开的本发明的范围之内。这些变动中的一些在原始案例中已陈述了。
例如，一个复合互连元件可以用一种带状元件制造，并可用作一个探针的弹性接触、各种插入件的弹性接触、硅片上的弹性接触、具有可控制阻抗的弹性接触等。
例如，它可以是楔形接合，而不是球形接合带状芯元件。
例如，可以将芯元件的一端接合到一个过渡性基片或层上(如，见上述美国专利申请书号No.08/152,812)，而将其另一端接合到一个电子元件上的接线端上。

Claims (45)

1.将一种细长导电元件球形接合到一个基片的表面上的一个区域的方法，包括：
使该细长的导电元件穿过一个毛细管，所述细长的导电元件在该毛细管的尖端处引出来；
将该毛细管的尖端压紧在一个基片表面上的一个区域；和
施加一种或多种能量，以在细长导电元件的一个端部与基片之间实施一种球形接合，该能量是从对毛细管施加的包括超声能、热能和压缩力的一组能中选出来的；
其特征在于，细长的导电元件是带状物。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于：
在将带状物球形接合到基片表面上的区域后，移去毛细管，以使该带状物从基片的表面延伸。
3.按照权利要求2的方法，其特征在于：
在移开毛细管后，切断带状物以形成一个接合到基片上的自由站立结构，带状物的其余部分留在毛细管中并从其尖端延伸。
4.按照权利要求3的方法，其特征在于：
在该带状物的其余部分的端部形成一个焊球，以便形成随后的与基片的接合。
5.按照权利要求1的方法，其特征在于：
在尖端压紧到基片之前，在从该尖端延伸的带状物的一端处形成一个焊球。
6.按照权利要求5的方法，其特征在于：
用电子灭焰法实施在带状物端部形成焊球的步骤。
7.按照权利要求1的方法，其特征在于：
带状物用一种从包括金、铜、铝及其合金的一组材料中选出的材料制造。
8.按照权利要求1的方法，其特征在于：
该基片是一种电子元件；而该区域是该电子元件上的一个接线端。
9.按照权利要求1的方法，还包括：
在将带状物接合到基片上的该区域后，给带状物涂层。
10.按照权利要求1的方法，其特征在于：
带状物是一种复合互连元件的一个芯元件。
11.形成一种弹性接触的方法，其特征在于：
将一种容易成形的材料制造的带状芯元件成形为一个有弹性的形状；和
用一种具有足够厚度和足够屈服强度的材料给芯元件涂层，以赋予得到的弹性接触所希望的弹性量并控制所述弹性。
12.按照权利要求11的方法，其特征在于：
芯元件是一种从包括金、铜、铝及其合金的一组材料中选出的材料。
13.按照权利要求11的方法，其特征在于：
用一种从包括镍及其合金的一组材料中选出来的材料给芯元件涂层。
14.按照权利要求11的方法，其特征在于：
该芯元件沿着一个轴线具有的厚度为0.0003-0.0015英寸。
15.按照权利要求14的方法，其特征在于：
该芯元件沿着与一个轴成正交的另一个轴线具有的厚度为0.001-0.010英寸。
16.按照权利要求11的方法，其特征在于：
该芯元件具有第一横向尺寸d1和第二横向尺寸d2；及
第一横向尺寸至少比第二横向尺寸大两倍。
17.将一个互连元件安装到一个电子元件的接线端上的方法，其特征在于：
将带状芯元件连接到一个电子元件的接线端上；和
用一种具有足够厚度和足够屈服强度的材料给芯元件和至少接线端的相邻部分涂层，以将所生成的复合互连元件牢固地安装到接线端上，所述涂层材料对将所得到的复合互连元件固定到接线端上起一重要作用。
18.按照权利要求17的方法，其特征在于：
芯元件是一种从包括金、铜、铝及其合金的一组材料中选出的材料。
19.按照权利要求17的方法，其特征在于：
用一种从包括镍及其合金的一组材料中选出的材料给芯元件涂层。
20.按照权利要求17的方法，其特征在于：
芯元件在第一个轴线上具有的厚度为0.0003-0.0015英寸，而在第二正交的轴线上具有的厚度为0.0010-0.010英寸。
21.按照权利要求17的方法，其特征在于：
给芯元件涂层的材料具有的名义厚度小于0.0010英寸。
22.制造互连元件的方法，其特征在于：
将许多个带状芯元件安装到一个过渡性基片的表面上；
用至少一种材料的至少一层给芯元件涂层；及
除去过渡性基片。
23.按照权利要求22的方法，还包括：在除去过渡性基片之前，将涂层的芯元件安装到一个电子元件的接线端上。
24.制造一种供在微电子应用中使用的互连元件的方法，其特征在于：
提供一种由比较软的材料制成的带状芯元件；和
用一种比较硬的材料制成的外套给芯元件涂层。
25.按照权利要求24的方法，其特征在于：
用一种从包括各种方法的一组方法中选出的方法给芯涂层，这些方法包括：从水溶液中沉积出各种材料；电解电镀；无电极电镀；化学气相沉积(CVD)；物理气相沉积(PVD)；及引起液体、固体或气体分解的方法。
26.按照权利要求24的方法，其特征在于：
芯元件是一种从包括金、铜、铝及其合金的一组材料中选出的材料。
27.按照权利要求24的方法，其特征在于：
外套是一种从包括镍及其合金的一组材料中选出的材料。
28.按照权利要求24的方法，其特征在于：
芯元件具有第一屈服强度；
外套具有第二屈服强度；及
第二屈服强度至少是第一屈服强度的两倍。
29.将一个互连元件安装到一个电子元件的接线端上的方法，其特征在于：
将第一种材料制造的带状细长元件连接到一个电子元件的接线端上；和
用比第一种材料屈服强度高的第二种材料给细长元件涂层。
30.按照权利要求29的方法，其特征在于：
当给细长元件涂层时，用第二种材料至少给接线端的一部分露出的表面涂层。
31.按照权利要求29的方法，其特征在于：
用一种从包括各种方法的一组方法中选出的方法给芯元件涂层，这些方法包括：从水溶液中沉积出各种材料；电解电镀；无电极电镀；化学气相沉积(CVD)；物理气相沉积(PVD)；及引起液体，固体或气体分解的各种方法。
32.按照权利要求29的方法，其特征在于：
第一种材料是从包括金、铜、铝及其合金的一组材料中选出的。
33.按照权利要求29的方法，其特征在于：
第二种材料是从包括镍及其合金的一组材料中选出的。
34.按照权利要求29的方法，其特征在于：
用一种多层涂层方法给细长元件涂层，其中至少一层是由第二种材料形成的。
35.制造一种插入件的方法，其特征在于：
用第二种材料给由第一种材料制成的许多个带状细长元件涂层，第二种材料具有比第一种材料高的屈服强度；和
以一种规定的彼此的空间关系支承这许多个涂层的带状细长元件。
36.制造一种具有可控制的阻抗，供在微电子应用中使用的互连元件的方法，其特征在于：
将一种带状芯元件成形为有弹性的形状；
将一种不导电材料施加到该芯元件上；
用一种导电材料给该层不导电材料涂层。
37.按照权利要求36的方法，其特征在于：
在施加不导电材料之前，用一种具有足够厚度和足够屈服强度的材料给芯元件涂层，以赋予所得到的互连元件一个所希望的弹性量。
38.一种用于微电子学的互连元件，具有以下特点：
一种带状芯由一种软材料制造；且
一种硬材料被布置在该芯上；
其特征在于：
选择所述硬材料用于赋予所得到的互连元件弹性。
39.按照权利要求38的一种互连元件，其特征在于：
芯具有小于40,000磅/英寸2(psi)的屈服强度；和
硬的材料具有大于80,000磅/英寸2(psi)的屈服强度。
40.按照权利要求38的一种互连元件，其特征在于：
芯的一端被连接在一个电子元件的接线端上，并且该芯从接线端延伸。
41.用于一种引线接合器的毛细管，包括：
一个管体，它具有一个穿过其延伸的孔，该孔从毛细管的一端延伸到该毛细管相对的一端，所述孔有一端在毛细管的尖端处，
其特征在于：
孔的端部具有一个非圆形的形状。
42.按照权利要求41的毛细管，其特征在于：
该孔具有一个成一种修圆的矩形形状的横截面。
43.按照权利要求42的毛细管，其特征在于：
孔的端部具有一个较小的尺寸T和一个较大的尺寸W；且
较大的尺寸至少比较小的尺寸大一倍。
44.按照权利要求43的毛细管，其特征在于：
较小的尺寸是在0.0010-0.0015英寸范围内，而较大的尺寸是在0.0020-0.0057英寸范围内。
45.按照权利要求41的毛细管，其特征在于：
该孔在一端与毛细管的尖端之间具有约10°的斜角。
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