CN1222087C - 弹性电气接插件 - Google Patents

Abstract

一种用于连接第一和第二电气元件的接插件。接插件的主体由弹性材料加工而成，具有一个顶面和一个底面。弹性凸起从底面和顶面上伸出，而孔则穿过成对凸起对和主体。凸起和孔都经过金属喷涂。安装接插件时，将接插件压紧，然后夹持在第一和第二元件之间。接插件的压力迫使凸起将接插件的金属涂层压向第一和第二元件。

Description

弹性电气接插件

技术领域

本发明总体上涉及一种可以在两个导电元件之间提供电气连接的接插件。特别是，本发明是一种包含了一系列布置在硅酮基体上的电气通道装置的接插件，它通过弹性力在两个导电元件例如硅片和电路板之间提供优良的电气连接。

发明背景

典型情况下，硅片或者其它导电设备和电路板的相互连接，是通过在硅片上的导电板和最终焊接在电路板上的金属引线之间连接电线实现的。金属引线提供硅片和电路板之间的输入/输出连接。现在的发展趋势是在电路板特定的区域内封装更多的设备，这将导致需要更多的引线数量。通过将引线间距做得更小并且增加伸出引线的侧面或者表面的数量，可以实现引线数量的增加。然而，当不能冲压出更小的金属引线架时，这种技术就达到了极限。其结果是每硅片面积上需要更多的输入/输出连接以及更高的功率密度(即，热)，而且需要更高级的封装技术。

当前使用的这种互连的例子包括球栅阵列组件(BGA)、CinchConnector生产的CIN∷APSE插接件、Form Factor开发的晶片上导线(WOW)技术、用于电子封装和测试的弹性接插件(申请号为4932883的美国专利)，以及Thomas和Betts使用的喷涂金属微粒互连工艺。

球栅阵列组件(BGA)开发的目的是用来在电路板底板上封装硅片，这样可能达到比使用金属引线封装(例如Quad Flat封装)实现更多的输入/输出连接。这种封装方法使用连接在硅片底面的垫板上的“高温”焊球。与Quad Flat封装相比，这种方法通过使用整个硅片底面而不是硅片的圆周，和电路板接触的触点数量可以大幅增加。这种方法需要一个诸如FR4或者陶瓷的底板，并且在顶部的导线连接垫板和底面上的凸起垫板之间具有电镀通孔。底面上的凸起垫板含有装配在其上面的高温焊球，然后将完成后的装置装配在电路板上。这种封装方法相对昂贵(每个输入/输出连接为0.015到0.05美元)，而且自身不能在硅片内进行圆片级的测试，而是必须在测试前进行封装。典型的七十位封装(seventy position package)成本在1美元到3美元之间。

第二种互连方法CIN∷APSE主要用于高端硅片设备和电路板的相互连接。它包括一个具有网格状分布孔的平板塑料框架，孔间距在0.8毫米到2毫米之间，每个孔中都压入一块镀金钢丝绒。这种装置被压缩在两个导电垫板之间，为它们提供电气接触。这种接插件典型的夹持力是每个触点上两盎司，结果总的夹持力可达到几百盎司。CIN∷APSE接插件的平均价格是每个触点0.04美元。因此，典型的七十位设备的价格是2.8美元。这种电力部件封装的方法相对昂贵，而且自身不能进行圆片级的测试。

第三种技术，晶片上导线(WOW)，依赖于直接在硅片上装配金属弹簧。这些弹簧在硅片和诸如电路板的配合面之间提供电气互连。其优点包括：相对较低的成本；能够进行圆片级的测试。其缺点包括存储器生产商需要装配大量设备，以便在硅片上加工并装配弹簧。这种封装方法的耐久性和成本效率还有待确定。

硅封装的第四种方法依赖于使用弹性底板，这种底板在表面上进行了部分金属喷涂(metalize)。使用通孔对下垫板和上垫板进行电气连接。平面弹性表面上的喷涂了金属的垫板与电镀通孔偏离一段距离，这样当弹性材料压缩时，它不会破坏电镀通孔内的接插件。这种接插件的一个例子在5071359号美国专利和5245751号美国专利中有所描述。

本发明提供一种接插件，能够克服以前工艺中存在的问题，并且提供超过以前工艺的其它优点。通过阅读所附说明书并结合对附图的研究，这些优点将更为清晰。

发明目标和概述

本发明总的目标是提供一种电气接插件，这种插接件不需要金属引线的导线连接。

本发明的一个目的是提供一种电气接插件，这种插接件在电路板的单位接触面积内可以比以前的一些封装技术工艺的提供更多的输入/输出连接。

本发明进一步的目的是提供一种电气接插件，这种插接件使在接插件和电路板上的导电垫板、硅片或者其它电气设备上的之间的电气连接成为可能。

本发明的另一个目的是提供一种电气接插件，这种插接件可以节约制造成本。

本发明的一个特殊目的是提供一种，可以圆片级测试的电气接插件。

简而言之，根据前面所述，本发明披露了一种电气接插件，这种插接件能够减少对于金属导线架的需求；在电路板的单位接触面积上提供更多的输入/输出连接；在所连接的设备之间提供优良的电气连接；可以承受对整个集成芯片的所有阵列进行圆片级测试；并且可以节约制造成本。该接插件包括一个弹性底板，底板上具有通孔和突起的弹性凸起。通孔和凸起经过电镀处理，可以在所要连接的设备，例如硅片和电路板之间提供电气通路。凸起位于弹性底板的上下表面上，通过施加压紧力，使电气设备上的导电板和电镀孔之间保持电气接触。凸起为相互连接的设备提供弹性力，以形成良好的电气接触和配合。

该应用领域的例子包括表面装配接插件的安装、显示设备的相互连接，例如应用在液晶显示(LCDs)中的显示设备，以及各种硅装置之间的相互连接。

附图简述

参照下文中的描述，并结合附图进行考虑，可更好地理解本发明的组织、结构和操作的方式，以及进一步的目标和优点，图中相同的参考号表示相同的元件：

图1是本电气接插件的分解透视图，其中包括本发明第一实施例的特点，此实施例的罩内放置有一个硅片和一个电路板，硅片通过本电气接插件连接在电路板上。

图2是本电气接插件基于图1的底部透视图。

图3是本电气接插件基于图1的顶部透视图。

图4是本电气接插件沿图2中3-3剖面线剖开的的剖视图。

图5是本发明第二实施例中本电气接插件连接特征的局部剖视图。

图6是本发明第三实施例中本电气接插件连接特征的局部剖视图。

图7是本发明第四实施例中本电气接插件连接特征的局部剖视图。

图8是本发明第五实施例中本电气接插件连接特征的局部剖视图。

图9是本发明第六实施例中本电气接插件连接特征的局部剖视图。

优选实施例详述

正如在附图中显示，本发明可方便地应用在在不同形式的实施例中。此处将对此实施例进行详细描述，但是应当理解，本披露内容只是本发明原理的一个例证，而并不希望将本发明局限于在此图示和描述的内容。

图1到图4显示本发明的第一实施例，图5显示本发明的第二实施例，图6显示本发明的第三实施例，图7显示本发明的第四实施例，图8显示本发明的第五实施例，图9显示本发明的第六实施例。

现在来看图1到4中显示的本发明的第一实施例。如图1所示，电气接插件10在之间，诸如硅片12和电路板16的两设备之间提供连接。在描述硅片12和电路板16的连接时，应当理解本发明的电气接插件10可以用来连接许多种电气设备。硅片12包括相互隔开并排成行和列的金属接触垫板(图中未显示)。硅片12放置在罩14内。在罩14上有四个装配柱22(图中显示了3个)，其原因在将这里描述。电路板16包括相互隔开并排成行和列的接触垫板20，电路板16还包括四个穿过它的装配孔26。

如图2和3所示，电气接插件10包括由弹性底板形成的主体30，可以选择将其电镀或者喷涂金属，如此处所述。主体30有一个底面30a，图2；和一个顶面30b，图3。如这些图所示，主体30为矩形，应当理解，主体30也可以采用其它形状。

弹性凸起阵列32从主体30的底面30a上伸出，而弹性凸起阵列34从主体30的顶面30b上伸出。凸起32的直径比凸起34的直径大。凸起32、34为环形，每个凸起32、34的表面都具有一斜度，因此邻近主体30的各表面30a、30b的每个凸起32、34的直径比在最外端表面30a、30b的凸起32、34的直径大。凸起32按照与电路板16上的接触垫板20相似的方式，在主体30的表面30a上相互隔开并排成行和列。凸起34按照与硅片12上的接触垫板(图中未显示)相似的方式，在主体30的表面30b上相互隔开并排成行和列。每个凸起32与每个凸起34垂直对齐，以便形成凸起对。凸起32、34伸出主体30的表面30a和30b，，形成类似弹簧垫圈的形状，例如Bellville弹簧垫圈。

穿透每副对齐的凸起对32、34并穿过主体30的内壁即可以形成通孔36。每个通孔36位于凸起32、34的中心。正如图4所示，每个通孔36形成特定外形或者形成锥度，这样每个凸起32上的每个通孔36的直径大于每个凸起34上的每个通孔36的直径。

装配孔24穿过主体30，一直从底面30a延伸到顶面30b。装配孔24位于主体30的每个角上。

优选实施例中，凸起32、34和主体30一起成形。主体30和凸起32、34由弹性底板，例如硅，或者氟橡胶，例如VITON加工而成。主体30、凸起32、34、通孔36以及装配孔24可以通过使用所谓的液体注模法(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，同时提供耐高温、低压缩形变、良好的电性能以及可选择金属化。可以在这些材料中添加适合的填充物，以使接插件10的热膨胀性能(CTE)接近诸如铜之类的金属。例如，硅的热膨胀性能在150-300ppm/℃(每摄氏度百万分之一)的范围内，但是如果添加了硅酸盐，可以减小到近似为75ppm/℃。铜的热膨胀性能为17ppm/℃，铝的热膨胀性能近似为27ppm/℃。具有热膨胀性能为20ppm/℃的硅材料的一个例子是GE MC550。

通孔36和凸起32、34的表面经过了金属喷涂。如图4所示，通过在凸起32、34的表面和沿着形成通孔36的壁沉淀一层金属40，实现金属喷涂。这种金属可以是铜、镍、金、锡、铝、铬、钛或者是这些金属的混合物，或者是其它合适的导电金属。由于铜和金具有很好的展延性，因此可视它们为优选材料。通孔36和凸起32、34可以通过使用直接真空沉淀工艺进行金属喷涂，例如，直接对着需要金属化的表面喷射已经雾化的金属。使用这种方法可以满足金属层厚度的要求，也可以先形成基层或者初始层，然后再使用其它电镀方法增加厚度。也可以使用其它技术实现金属化，例如电镀、非电解镀或者类似工艺。

由于只需要金属化这些通孔和需要在硅片12和电路板16之间提供电气连接的相关凸起32、34，因此可以有选择地对通孔36和凸起32、34进行金属化处理。为了有选择地对通孔36和凸起32、34进行金属喷涂，一个简单而节约成本的方法是在表面上沉淀适当的金属之前，在硅阵列接插件10的表面上放置掩模。也可以使用其它方法，有选择地对通孔洞36和凸起32、34进行金属化处理。

使用中，接插件10被压缩在硅片12和电路板16之间。罩14上的装配柱22穿过接插件10的主体30上的装配孔24，然后穿过电路板16上的装配孔26。四个装配柱22端部的特征(图中未显示)将罩14和硅片12固定在接插件10和电路板16上。装配柱22与电路板16的连接导致在接插件10上施加了压紧力。由于施加了压紧力，接插件10底面30a上的凸起32被压向电路板16顶面上的接触垫板20，而接插件10顶面30b上的凸起34被压向硅片12底面上的接触垫板(图中未显示)。凸起32、34与接触垫板之间典型的接触力近似为每个接触点5到10克。这个力压紧了凸起32、34，并且向硅片12和凸起32之间的接触配合(图中未显示)提供恒定的力。在电路板16的接触凸起20和凸起34之间也提供一个恒定力。凸起32、34在接插件10和硅片12之间以及接插件和电路板16之间提供连续的力，同时导致在这些金属化表面之间产生摩擦接触，确保它们之间良好的电气接触。尽管本部分只显示并描述了一种夹紧装置，但是可以使用各种的夹紧装置将硅片12装配到接插件10和电路板16上。

如图4所示，通孔36可能具有特殊外形。贯通孔洞36的特殊外形具有双重目的。首先，通孔36的外形使金属层40和弹性体30之间的应力最小化，这个应力是将硅片12和罩14装配到电路板16上时所施加的压紧力引起的。使用具有竖直壁的通孔可能会在压紧时增加沿着通孔表面的金属发生翘曲的可能性，这会在凸起32和凸起34之间潜在地产生断路。其次，通孔36的外形简化了通孔36的金属喷涂工艺，因为外形允许通孔表面金属喷涂时，相对于对通孔进行金属喷涂的装置，允许在视线(line-of-sight)内进行处理。

如图5到7所示，接插件10的弹性凸起32、34和通孔36可能具有不同的形状。应当理解这些凸起62、64、72、74、82、84和通孔60、70、80都可用来代替第一种实施例中所示的凸起32、34和通孔36。

图5显示通孔60和对应的弹性凸起62、64，这些合并在本发明第二实施例的特征之内。通孔60从接插件10的主体30的底面30a直到主体30的顶面30b具有相同的直径。弹性凸起62、64同样为圆柱形，具有平直的接触面62a、64a。

图6显示通孔70和对应的弹性凸起72、74，这些合并在本发明第三实施例的特征之内。通孔70为砂漏形，其中部的直径小于底面30a和顶面30b的直径。弹性凸起62、64为圆柱形，具有平直的接触面72a、74a。

图7显示通孔80和对应的弹性凸起82、84，这些合并在本发明第四种结构的实施例特征之内。通孔80为砂漏形，其中部的直径小于底面30a和顶面30b的直径。凸起82、84通常为圆柱形，然而，凸起82的接触面82a是波纹状的，而凸起84的接触面84a是平直的。波纹状表面82a允许接插件10和电路板16之间多点接触，同时就减小了接触面82a和电路板16上的接触垫板20之间的电阻。应当理解波纹状面82a可以采用不同的形状。例如，表面82a可以包括任意数量的相互隔开的顶点。除了能够包括众多顶点以外，表面82a也可以具有第一实施例中所描述的坡度。除此之外，图7中所示的波纹状表面不限于图7所示的实施例，而是可能应用在这里所描述或者考虑的任何实施例中，位于接插件一侧或者两侧的凸起都可能采用波纹状表面。

如上所述，通孔36和凸起32、34可以使用掩模工艺进行有选择的金属喷涂。或者，如图8所示，主体30的表面30a和30b中的至少一个表面包括凸起32、34和通孔36，可以通过金属喷涂，在接插件10的至少一个完整面上提供金属层90。合适的金属包括铜、镍、金、锡、铝、铬、钛或者是这些金属的混合物，或者是其它合适的导电金属。然后蚀刻通道92，例如通过激光蚀刻，以穿透金属化的表面90，沿着激光蚀刻通道92将主体30的弹性表面暴露出来。通过在通孔36和相关的凸起对32、34的周围提供激光蚀刻通道92，每个通孔36和每个凸起对32、34与其它的通孔36和凸起对32、34可以做到绝缘。应当理解每个通孔都可以与其它通孔电气绝缘，而不需要在每个凸起对周围提供激光蚀刻通道。相反，如果通道通过了凸起32、34的一部分，仍然可以实现绝缘。再者，通过选择通道，可以选择使特定的通孔与其它通孔绝缘，而同时保持其它通孔电气连接。

另一种情况，如图9所示，整个表面经过金属喷涂，然后在金属喷涂的表面上加工图案96，图案在所选的通孔32、34之间深入到接插件10的弹性表面30a和30b。因此图案96将这些选中的通孔相互绝缘。通过不在特定的通孔之间加工图案，可以将选中的这些通孔相互电气连接在一起。图案可以采用已知的任何方法加工，例如激光蚀刻或者光刻。

本发明的接插件10允许用户把硅片12直接连接到电路板16上。弹性罩14的柱22在罩14和电路板16之间将硅片12夹紧。这种夹持产生的压紧力在接插件10的金属化凸起32、34的接触面以及硅片12和电路板16的接触面之间形成良好的电气接触。加工硅阵列接插件的预计成本大大低于以前工艺方法。除此之外，大多数硅片制造商不再需要装配任何附加的设备来制造本发明的接插件10，结果形成一种在电路板16上电气封装硅片12的低成本高效率的方法。

尽管图示并描述了凸起32、34阵列和通孔36，但是没有必要将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和所选的电路板16上的接触垫板20对齐，表面30b上的凸起34和所选的硅片12上的接触垫板对齐，以及凸起对相互对齐就完全满足要求了。另外，尽管所描述的接插件10如所描述的包括几种贯通孔洞36和凸起32、34，但是也可能应用于特殊场合，只是需要一种通孔和凸起对来提供必要的电气连接就完全可行。

尽管对本发明的优选实施例进行了图示和描述，可以预见本领域一般技术人员可能会对本发明进行各种修改，而不会偏离权利要求的精神和范围。

Claims (22)

1.一种接插件，用于将第一元件上的电接触面和第二元件上的电接触面电气连接起来，包括：

具有第一表面和第二表面的弹性主体；

从所述第一表面上伸出的弹性凸起；

从所述第二表面上伸出的弹性凸起；

由壁限定的孔，穿过所述凸起和所述主体；以及

位于所述凸起和所述限定孔的壁上的金属涂层。

2.权利要求1中所述的接插件，其特征在于所述弹性主体和所述弹性凸起为一体成形。

3.权利要求1中所述的接插件，其特征在于所述弹性主体、弹性凸起和所述孔为一体成形。

4.权利要求1中所述的接插件，其特征在于所述弹性主体和凸起的热膨胀系数为75ppm/℃或者更小。

5.权利要求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对齐。

6.权利要求1中所述的接插件，其特征在于每个所述凸起包括一个表面，而且至少一个所述凸起的所述表面是波纹状的。

7.权利要求1中所述的接插件，其特征在于所述限定孔的壁具有锥度。

8.权利要求1中所述的接插件，其特征在于每个所述凸起都具有预先确定的直径，而且第一表面上凸起的直径小于所述第二表面上所述凸起的所述直径。

9.权利要求1中所述的接插件，其特征在于所述涂层由以下材料组中的一类形成：铜、镍、金、锡、铝、铬和钛，或者是铜、镍、金、锡、铝、铬和钛的混合物。

10.权利要求1中所述的接插件，包括：

从第一表面上伸出的多个附加弹性凸起；

从第二表面上伸出的多个附加弹性凸起；

从所述第一表面上伸出的各弹性凸起，与从第二表面上伸出的各弹性凸起对齐，形成多个凸起对；

多个由壁确定的孔，各孔都穿过一个凸起对和所述主体；

位于多个凸起和确定多个孔的壁上的金属涂层。

11.权利要求10中所述的接插件，其特征在于弹性主体和所述凸起的热膨胀系数为75ppm/℃或者更小。

12.权利要求1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个经过金属喷涂。

13.权利要求10中所述的接插件，其特征在于所述多个孔中至少有一个与所述多个孔中其它孔电气绝缘。

14.权利要求10中所述的接插件，其特征在于所述形成凸起对的凸起垂直对齐。

15.权利要求10中所述的接插件，其特征在于每个所述凸起包括一个表面，而且至少有一个表面是波纹状的。

16.权利要求10中所述的接插件，其特征在于确定每个穿过所述凸起对和主体的孔的壁是有锥度的。

17.权利要求10中所述的接插件，其特征在于每个所述凸起具有预定的直径，而且第一表面上凸起的直径小于第二表面上凸起的直径。

18.权利要求10中所述的接插件，其特征在于所述涂层由以下材料组中的一类形成：铜、镍、金、锡、铝、铬或钛，或者是铜、镍、金、锡、铝、铬和钛的混合物。

19.一种制造接插件的方法，包括以下步骤：

形成具有第一表面和第二表面的弹性主体，包括从第一表面上伸出的多个第一弹性凸起和从第二表面上伸出的多个第二弹性凸起；各第一凸起和第二凸起相互对齐，形成凸起对；一个穿过所述主体和每个所述各凸起对的孔，从而确定了多个孔，每个所述孔由壁确定；以及

对所述凸起和孔进行金属喷涂。

20.权利要求19中所述的方法，其特征在于通过直接真空沉积完成所述金属喷涂。

21.权利要求19中所述的方法，其特征在于所述主体的第一和第二表面中的至少一个经过金属喷涂。

22.权利要求21种所述的方法，其特征在于在多个孔中的至少一个孔周围蚀刻通道，以便使所述的多个孔中的至少一个孔与所述多个孔中的其它孔绝缘。

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