CN1278451C - 用于对各向异性导电弹性材料预加应力的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于对各向异性导电弹性材料预加应力的设备和方法。该具有导电弹性片材料的互连件包括：限定开口的框架；以及一各向异性导电弹性材料，所述材料包括贯穿其厚度的间隔开的导电柱状体，所述柱状体由一系列磁导电颗粒构成，所述材料耦合到所述框架并且在充分的张力的作用下跨过框架开口以将在所述材料的至少一个表面上的柱状体之间的弹性体表面拉到所述柱状体的顶部之下，以产生在柱状体之间提供空隙空间的不平坦表面，以允许所述材料的热膨胀。
Description
技术领域
本发明涉及用各向异性导电弹性材料制成的电互连件领域。
背景技术
各向异性导电弹性体(ACE)是导电部件(例如金属颗粒或者细线)在弹性基体中形成的复合体，它构成为只沿着一根轴线导电。通常，这种材料做成为沿着其厚度导电。可以通过将磁性颗粒或其它导电体与液体树脂混合、将该混合物形成为连续片并且使该片在磁场中固化来形成ACE。这导致形成贯穿片厚度的柱状体的导体。这些柱状体是导电的，从而产生各向异性导电性。该片具有既柔性又各向异性导电的独特性能。随后将这些片切成所要求的形状并且通过机械部件或者通过涂覆粘合剂连接在框架或连接器结构上。在一些情况中，简单地将切下的ACE设置在互连结构内。使用ACE的这些方法导致材料浪费、需要组装工作并且不能提供最佳性能。
在ACE的通常用途中，采用ACE形成的互连件代替了焊接互连结构以允许可分开的互连。通常需要将可分开的互连件用于测试设备、检测设备(老化)并且用于最终应用在OEM产品上。一个这种实施例是在面栅阵列(LGA)中，其中需要将装置上的焊盘阵列连接在线路板上的匹配阵列上。第二个实施例是当由带有焊球阵列的装置构成的球栅阵列(BGA)可分开地连接在线路板上的匹配阵列时。在这些实施例中，当置于装置和线路板之间的ACE材料层在被正确使用时可以提供可靠的连接。
另外弹性材料的性质对于互连性能的好坏是至关重要的。典型的高度填充的弹性材料具有不好的弹性，当形成分散的钮扣状触点时，它们容易向油灰一样移动，从而呈现严重的永久变形。这些材料具有很小的残余弹力。这些因素影响着触点的可靠性，并实际上排除了具有不同器件的器件插入件。因为这些高度填充的材料具有不好的弹性，因此需要一个外部弹簧部件来产生接触力。但是，弹性按钮在作用力下会连续流动。传统的解决方法是利用止动器来限制流动。其实际结果就造成非常低的接触力。另外，片状的弹性体可以具有优异的弹性，但是性质容易类似不可压缩的流体。这种性质要求采用了片状弹性体的连接器系统设计为材料的移动提供地方。
ACE使用的一个说明性示例为在现有技术的组装方法中用于表面安装的LGA或者BGA连接器。该连接器由一个对准框架和一片ACE材料构成。该ACE可以是通过机械部件或者粘合剂而连接在对准框架上。在一些应用中，ACE可以松散地设置在印刷线路板上，并在装置和线路板之间适当压缩。这样在例如老化和测试的应用中是可以接受的，但是对于大多数OEM应用来说是不可接受的。
对于接触电路焊盘的焊球、焊盘或者管脚的表面来说，重要的是尽可能没有缺陷。BGA的焊球的变形，尤其是在顶点区域内的变形会导致不好的或者不起作用的焊接连接。通常由采用了弹簧加载触点的定制插口组件来测试BGA器件。在一种测试设备中，这些触点包括带有锯齿状面的管脚，从而可以与各焊球成为切线接触。
尽管接触面提供了优异的电接触，但是与在本发明中使用的ACE提供的较短路径相比，管脚的整体长度给触针组件提供了更高的电感。随着微处理器速度的提高，电感阻碍了性能的提高。一些制造商已经注意到了在低至500MHz的带宽处的这种性能降低。
当由磁性对准的颗粒制成的ACE层被压缩在两个导体之间时，压缩的柱状体内的颗粒开始彼此接触并且与导体接触，从而形成导电通路。随着使用ACE的装置的升温，弹性材料按照高于该系统中的金属、陶瓷和其它部件的速度发生热膨胀。弹性体的横向膨胀破坏的颗粒柱状体的整体性，垂直膨胀容易使按照低很多的速度膨胀的柱状体卸载。这些效应都会影响互连件相对于温度的电稳定性。
发明内容
因此本发明的一个目的是提供一种具有整体ACE的互连件。
本发明的另一个目的是提供使ACE材料的浪费最小化的这种互连件。
本发明的再一个目的是提供需要较少组装劳动的这种互连件。
本发明的再一个目的是提供提高了ACE互连性能的这种互连件。
本发明的再一个目的是提供一种用于使两个或者多个部件互连的装置，它在使用时能够适应反复的热漂移。
本发明的再一个目的是提供一种利用压缩载使两个或者多个部件互连的装置，它在组装过程中通过将互连介质在一个平面内预先伸展而来减少电通路的变形，其中互连介质因为施加了压缩载荷而会部分挤压进入所述平面。
本发明的再一个目的是提供一种用于互连两个或者多个部件的设备，它通过约束各向异性导电介质的周边，可以抵抗因为热或机械变化而垂直于各向异性导电介质内的导电通路的变形。
本发明的再一个目的是在一种用于互连两个或者多个部件的设备提供对准部件的机械特征。
本发明的再一个目的是提供一种用于互连两个或者多个部件的设备，它可以在部件的测试、检测和最终应用中反复使用。
本发明的再一个目的是提供一种用于互连两个或者多个部件的设备，它提供了设备中的弹性材料在压力之下可以流入的流动空间。
已经显示，通过将片预加应力(拉伸)至超过弹性体在操作温度范围内的膨胀所能产生的程度，可以消除因为弹性体的不同热膨胀导致的电不稳定性。当拉伸过的弹性片被加热时，它会随着温度而松弛，但是不会发生横向的物理移动，直至所有的应力都释放。因此当已经施加了充分的拉伸时，在系统的热操作范围内不会发生柱状体的破坏移动。另外，当片被拉伸时，柱状体的高度不会改变，而是柱状体之间的弹性体收缩成颈状，从而为提高拉伸片的面积提供材料。这种颈缩提供了系统所需的额外自由体积来抵消弹性体随着温度而沿着平行于柱状体的方向的竖直膨胀。
具体的说，在本发明的一个实施方案中，ACE片被均匀地拉伸并安装在一个刚性框架上。该片因为框架而保持受拉。这种张力的存在可以通过击打框架时拉伸的弹性体所发出的谐振音调来显示，非常类似于手鼓、鼓或者其它打击乐器。
在ACE压缩在装置之间之前拉伸ACE并将其固定在框架上的另一个优点是减少了在组装过程中的横向变形。对于典型的系统，随着ACE片的压缩，它略微横向挤出，导致柱状体朝着周边弯曲。因为ACE片的顶部和底部由摩擦力来约束，因此片的中部比起表面来说有更多的横向移动，起初导致竖直柱状体弯曲。如果在组装过程中约束了ACE的横向移动，可以防止发生这种弯曲。
本发明披露了一种均匀拉伸ACE并将其安装在框架上的方法和装置。
本发明提供了一种具有导电弹性片材料的互连件，它包括：限定开口的框架；以及一各向异性导电弹性材料，所述材料包括贯穿其厚度的间隔开的导电柱状体，所述柱状体由一系列磁导电颗粒构成，所述材料耦合到所述框架并且在充分的张力的作用下跨过框架开口以将在所述材料的至少一个表面上的柱状体之间的弹性体表面拉到所述柱状体的顶部之下，以产生在柱状体之间提供空隙空间的不平坦表面，以允许所述材料的热膨胀。
本发明提供了一种形成具有整体导电弹性片材的互连件的方法，该方法包括以下步骤：提供限定开口的结构；将未固化的各向异性导电弹性材料铸造在该结构上并跨过所述开口；并且在磁场中使该材料固化，以将材料一体耦合在该结构上，并且形成一系列贯穿材料厚度的间隔开的导电柱状体，其中所述材料在足够的张力跨过所述开口以将在所述材料的至少一个表面上的柱状体之间的弹性体表面拉到所述柱状体的顶部之下，以产生在柱状体之间提供空隙空间的不平坦表面，以允许所述材料的热膨胀。
本发明在一个实施方案中的特征在于，一种带有整体导电弹性片材的互连部件，包括连接器框架和与该连接器框架连接成一体的各向异性导电弹性体(ACE)。可以利用其中保持着ACE的框架内的一个或多个开口来加强这种整体连接。框架可以是环形的，开口沿着框架的至少两个相对的侧边。该框架通常是矩形的，开口是沿着框架的四个侧边。
互连部件还可以包括ACE内的一个或者多个凸起，它与框架相接触，以帮助保持互连部件和所连接的装置之间的对准。ACE可以在框架内伸展。ACE内的导电柱状体可以从ACE的至少一个表面突起。该ACE可以限定一个或者多个接近至少某些导电柱状体的凹陷。该互连部件还可以包括在框架的一个或者多个部分与ACE之间的一个或者多个间隔部件。
互连部件还可以包括与ACE电接触的柔性电路互连件，以增强装置与ACE的互连。互连部件还可以包括处于ACE表面上的并与导电柱状体电接触的一系列电互连件。
本发明的特征还在于一种形成具有整体ACE材料的互连部件的方法，包括提供连接器框架，将未固化的ACE材料浇铸在连接器框架上，固化ACE，以将ACE一体连接在连接器框架上。
该方法还包括提供带有中央基座的限定环形腔的浇铸板，在浇铸未固化的ACE之前将框架放在腔内。该方法还包括在框架中提供一个或者多个其中保持有ACE的开口。ACE中的导电柱状体可以从ACE的至少一个表面突起。该突起可以用在ACE浇铸的浇铸温度下为液体的材料来制成，并设置在基座和未固化的ACE之间。
该方法还包括在中央基座中提供高磁导率区的阵列，以聚集磁场，从而颗粒柱状体优选定位在电互连的区域内。
本发明的特征还在于一种利用导电弹性片材形成互连部件的方法，包括：提供限定开口的框架；将各向异性导电弹性材料设置成处于受拉状态，所述材料包括贯穿其厚度的间隔开的导电柱状体，所述柱状体由一系列磁导电颗粒构成；以及在该材料处于受拉状态的同时，将该材料与框架耦合，并且该材料在充分的张力作用下跨越所述开口，以将在所述材料的至少一个表面上的柱状体之间的弹性体表面拉到所述柱状体的顶部之下，以产生在柱状体之间提供空隙空间的不平坦表面，以允许所述材料的热膨胀。在该方法中，设置ACE的步骤可以包括拉伸ACE。拉伸ACE可以包括在ACE中提供总体均匀的径向张力。该设置ACE的步骤可以包括提供一种用于保持处于受拉状态的ACE的安装框架。该安装框架可以包括一系列机械结构，它们在多个分开的位置处保持ACE。设置ACE的步骤可以包括提供可变拉伸框架组件，该组件给ACE提供了可变的拉伸。
本发明还提供了一种具有导电弹性片材的互连件，它包括：限定开口的框架；一各向异性导电弹性材料，它连接在框架上并且跨过框架开口，该材料形成有一系列贯穿其厚度的间隔开的导电柱状体，该材料在充分的张力作用下将在所述材料的至少一个表面上的柱状体之间的弹性体表面拉到所述柱状体的顶部之下，以产生在柱状体之间提供空隙空间的不平坦表面，以允许所述材料的热膨胀；以及柔性电路互连，它与该材料电接触，以增强器件到材料的互连。
附图说明
本领域普通技术人员从本发明优选实施方案的下面说明以及附图中将了解其它目的、特征和优点，其中：
图1为本发明的弹性片导电体ACE的一个实施方案的局部剖视图，并且该片受到横向拉伸作用，从而引起该弹性基体相对于弹性导电柱状体的高度垂直收缩；
图2A为在框架上伸展的本发明ACE片的一个实施方案的顶视图；
图2B显示出具有应力释放槽的相同片；
图3显示出用来拉伸ACE片的设备；
图4A为在本发明一实施方案中使用的ACE浇铸板的透视图；
图4B为设在图4A的浇铸板中的本发明一实施方案的对准框架；
图4C示意性地显示出分布在图4B的组件上的未固化ACE材料；
图5A描绘了在浇铸板中适当用在本发明这个实施方案中的可选对准框架，并且图5B显示出一部分框架的放大详细视图；
图5C显示出在其上具有铸造固化ACE材料的图5A的框架；
图6A用于本发明这个实施方案的浇铸板的中心基座的可选实施方案，图6B显示出一部分浇铸板的放大详细视图；
图7显示出在铸造ACE之前间隔结构在用于该实施方案的框架上的使用；
图8A至8D显示出本发明另一个可选方案，其中在该组件中使用了一柔性电路；
图9未采用柔性电路互连件与本发明的ACE连接的BGA封装的剖视图；
图10为图9的封装的单球的放大剖视图；
图11A显示出图8-10的柔性电路的一可选方案，其中触点直接设在ACE上，并且图11B显示出一部分电镀ACE表面的放大详细视图；
图12A显示出用于本发明浇铸板的中心基座的另一个可选方案，其中采用了一排高磁导率材料的区域，并且图12B显示出图12A的一部分阵列的放大详细视图；
图13为用于本发明另一个实施方案的固定拉伸框架ACE试件的顶视图；
图14图示了用于图13的试件的拉伸框架；
图15图示了用连接到所述试件的刚性对准框将图13的试件装到图14的框架上形成的组件；
图16为在来自图15的对准框架中使用预加应力的ACE的组件的分解视图；
图17为用于向ACE片施加可变但均匀的预加应力的框架的顶视图；
图18为装有ACE片的图17的框架的侧面示意图；并且
图19为用于使ACE片均匀拉伸的图15的组件的视图。
具体实施方式
用于电连接两个或两个部件的本发明弹性装置包括以下基本部件：具有一个或多个外表面的弹性基体；一条或多条贯穿基体的导电通路；以及与导电通路垂直地使基体保持受拉的框架。
弹性体的整体性质
在弹性基体(ACE)中的对准导体的通路的材料使用了比弹性体(体积)更少的金属，并且材料的平面内特性容易呈现基底弹性体的弹性性质。但是，如上所述，弹性材料的性质对于该设备的性能好坏是至关重要的。以前使用的材料例如高度填充材料通常具有少量的残留弹力，这降低了触点的可靠性并且用不同器件进行多器件插入。在本发明中，通过使用由在大温度范围上具有近乎完美的弹性的弹性体构成。具体地说，已经确定GE-615和GE-630硅树脂(通用电气公司)的1∶1混合物接近理想性能。在优选实施方案中，基体由体积百分比为2％至25％的磁取向对准的颗粒(magnetically aligned particles)在GE-615加上GE-630或等同物(等同物指的是在20℃至70℃的温度范围上保持其大部分压缩模量的弹性材料)的基质中的混合而形成。这种组合在大温度范围上不会永久变形。
一般来说，在一个实施方案中，为了实施本发明的方法，为了制作用于电连接两个或多个部件的弹性装置，通过在弹性体固化之前将颗粒混合在弹性体中并且向这些颗粒施加磁力从而这些颗粒自己在弹性体固化时在电绝缘的柱状体中对准，这样将多个导电磁性颗粒(图1)嵌入在弹性体12中，该弹性体优选在大约20℃至70℃的温度范围上保持其大部分的弹性模量。这就形成这样一种弹性基体，它具有一个或多个外表面26，27并且包括一条或多条贯穿该基体的导电通路14。沿着与导电通路垂直的方向(沿着箭头A的方向)将该基体设置在张力中。可以通过铸造工艺或机械拉伸或热膨胀来使基体拉伸。该拉伸使得柱状体(导电通路)14的端部从该表面中突出，如在区域20-23处示意性地显示出的一样。在柱状体端部之间的区域24位于柱状体自身下面，从而产生空隙，弹性体在受热时可以膨胀进这些空隙中。将该材料粘接在框架上。这保持着张力。或者，可以使该材料保持受拉(不是粘接在框架上)直到将它装配；在该情况中组装使该基体保持处于张力中。然后在电连接的部件之间压缩该基体。
在本发明的一个实施例中，将弹性基体材料片10冲切或切割成如在图2A中所示的大体上为“+”的形状。即使切下的片的四个臂31-34的端部受到约束因此只能非轴向伸展的情况下，在图2B中所示的应力释放槽30也使得方形中心断面能够各向同性地伸展。然后通过条带将切片的四个臂连接在图3中所示的拉伸机构40上。该机构具有相对的可相对运动的部分。然后沿着箭头B所示的方向使拉伸机构的四根杆41-44转动，从而它们使弹性材料切片拉伸大约5％。锁紧机构46使这些杆保持不动从而使该材料片保持处于张力中。拉伸的效果是可以明显可见的：以前的平坦光滑底面明显变得粗糙，并且具有无光泽表面。在材料处于拉伸状态中的情况中，然后采用Loctite’s PermatixBlue RTV Silicone Gasket Maker，Part No.6B将在图4中所示的玻璃纤维框架50胶粘在材料上。在一天固化之后，将框架外面的多余材料切掉，从而让框架和材料粘接在一起，并且材料处于张力中。在拉伸前后测量拉伸量(即，片面积)和片厚度显示出片体积明显增加6-7％。由于实际体积不会显著改变，所以这个表面变化来自当弹性体从这些表面向内拉时的拓扑结构(粗糙度增加)，但是导电柱状体的高度保持基本上不变。这产生隙间体积，这是本发明的一个理想最终结果。
在这里所述的本发明的另一个实施方案解决了上述许多问题。它还可以向各项异性导电弹性材料添加特征，而这不能很容易由其它制造方法实现。该实施方案将材料片形成过程和连接器组装过程结合在一起。
在本发明的实施方案中，通过采用浇铸板将导电弹性体直接浇铸在适当的成型框架上来制成该连接器。图4A显示出用在该实施方案中的浇铸板。板1000形成有空腔1400和中心基座16。开口18和20通向浇铸板1000的另一个表面(未示出)。如在图4B中所示将对准框架3000设在空腔1400中。对准框架3000带有在下面更详细地所示的开口22。基底的顶部和对准框架3000位于浇铸板1000的表面下面。将一起包括未固化材料混合物26(图4C)的足够量未固化弹性体和混合导电颗粒浇在浇铸板1000上并且用橡皮刮板或刮刀24分散以形成其厚度由在基座16和框架3000以及浇铸板1000的上表面之间的高度差所限定的薄膜。一些材料流进框架3000中的开口22，以便将薄膜锁在框架上，并且因此使薄膜与框架对准。在聚合物固化之前，将整个组件设置在磁铁和炉子中以便使这些颗粒对准并且使聚合物固化。在材料已经固化之后，采用排出孔18从该组件中排出包括具有跨过框架中的中心开口的固化材料的框架3000的组装部件。
弹性体在适当高于室温的温度下固化。在弹性体冷却至室温时，由于其热膨胀系数所以其体积将收缩。但是，该片在其边缘处由对准框架3000限制。该框架其热膨胀系数比弹性体更低。该弹性体在固化时将粘接在框架和框架中的保持部件上。当组件冷却时，弹性体比框架更快收缩，因此使材料处于张力中。该片包含有许多垂直刚性柱状体。由于其相对较高的柏松比v，所以张力使得空隙弹性体在受到横向拖拉时基本上垂直收缩。这将导致导电颗粒的柱状体的接近最佳定位。该片通常处于足够的张力作用下，从而它在一定程度上象磁鼓磁头一样工作，因为在它受到手指击打时，它发出象鼓一样的声音。该张力优选足以使该片在该器件的工作温度范围上保持受拉。
框架3000具有模具结构(开口3100)，它使得框架3000能够与模具(板)1000和其相关的基座16精确对准。在空腔1400中的开口20是在浇铸板中的这些模具结构的实施例。穿过开口3100和20的对准管脚(未示出)实现了该对准。基座16限定了可控制地在铸造过程中设定混合物的内表面的表面。这使得部件能够模制到相对于连接器框架精确定位的材料中。下面将对这种实现原理的几个应用进行说明。
为了举例说明，这些附图以说明显示出单个连接器制造系统。在生产中，在工具中将同时构建多个连接器，从而提供了低成本，高效制造工艺。
可以将其它部件结合进本发明中以更好地解决连接器的功能性。例如，可以在铸造过程中将弹性装置封装对中突起42(图5)引入到对准框架3000a中。这是通过如在图5中所示一样在对准框架3000a和基座16a中产生空隙38来实现的。在将弹性体滚压进板中时，它将填充这些空隙，从而在固化片40中产生铸造对准突起42。这可以设计成最优地满足该器件的全部机械公差范围。还可以将弹簧模制或连接在框架结构上，这将使该器件在连接器框架中对中。这些对中弹簧可以用围绕着框架的内周边基本上在突起42所处的位置处的模制指状件来实现。这些指状件将使该器件偏压进框架中以正确定位框架/片和部件。
在铸造过程中通过弹性体的表面来复制在对准板中的基底的表面。将增强弹性体性能的部件可以形成在基底上，并且这些部件将复制在弹性体的表面中。在图6中显示出这种部件的一个实施例，其中一系列44间隔突起46已经设置在位于格栅上的基座16b上，该格栅配合了与材料连接的器件的焊盘阵列的空隙空间。这将导致在弹性体中的凹坑阵列，这将允许弹性体的体积膨胀，并且潜在地降低了在相邻触点之间出现短路的几率。可以通过机加工方法或者通过采用可光形成的(photo definable)介质例如焊接掩模将突起46施加在基座16b上。
可以用在室温下为固体但是在炉温下为液体的脱模剂涂覆在浇铸板的中心基座上。这将在材料固化之前融化，从而在材料和基座之间产生液态薄膜。这使得从在材料中的颗粒中机械形成的导电柱状体向下(以及向上)伸入进液态薄膜中。结果是，这些柱状体从固化片的表面中稍微伸出。还有，该柱状体的底部颗粒处于液态薄膜中，所以增强了这些柱状体的横向活动性，因此提高了它们通过相互推动而均匀分布的能力，减小了高密度异常和回填进任何分散区域中。
还可以将间隔结构结合进连接器框架例如作为刚性角部间隔件52(图7)。间隔件52在片和框架之间坐在框架上。因此，间隔件52会将弹性体的压缩限制在固定的压缩厚度上。还有，由热缩和装置的冲击和震动引起的惯性力将从装置直接传递给基底(框架)，从而使弹性体和其电互连件绝缘。
在这里还可以考虑其它实现将受拉的ACE连接在结构上的方法。例如，可以将材料直接铸造在印刷电路板上，然后如所述一样固化，这消除了需要单独框架来承载材料。或者，可以如在现有技术中一样将材料铸造在承载片上，然后然后可以在将它从承载片中提升起来之前(并且因此它仍然受拉)可以将框架或板粘接在固化材料上。然后，当切割该材料并且从材料载体上提升该板时，该材料在该结构上将处于张力中。
在另一个优选实施方案中，可以如在图8中所示一样将柔性电路54设置在系统中。如在该图中所示一样可以将柔性电路54安装在装置侧面上或者在弹性体的宽边上。柔性电路54在通过涂有金属的通孔连接的两个侧面上具有焊盘56。焊盘56可以相互绝缘，或者通过电路47相互连接，这类似于电路60(图11)。后者将被用来提供不用花费重建该装置的费用来改变装置互连件的途径。
以这种方式插入的柔性电路给该结构提供了几个独特的增强。当用于连接BGA(球栅阵列)装置时，柔性电路插入件提供从球体将负载最优地传递给弹性体的途径(具有正确形状和尺寸的焊盘)。在柔性电路上或在材料上的相对焊盘表面将被定尺寸并且镀覆以便优化连接。例如，面对着BGA侧的焊盘可以是涂覆有焊剂的。在另一个实施例中，面对装置的焊盘小于装置焊盘，以便更好地容纳在装置和线路板之间的公差不匹配问题。在柔性电路插入件的装置侧上的焊盘可以具有形成在它们上的突起，例如镀银镍颗粒或电镀菱形碎屑。这些将咬住在装置焊盘上的任何氧化物或碎片，从而提高了电连接的质量。
在另一个优选实施方案中，弹性体的每个表面都可以直接镀有在上面结合图8所述的相同界面焊盘结构。参见图11，其中已经将焊盘58直接镀在材料40b上，并且可以包括焊盘互连电路60。触点58提供由上述柔性电路提供的许多相同功能。这些焊盘为需要许多插入循环的应用提供坚固耐磨表面。
本发明的一个实施方案将弹性导电材料与独特柔性电路结合，从而导致具有低电感的电路和不会损坏在BGA封装上的焊球的顶端区域的电路。本发明的原理是独特的，因为它具有明显更小的电感并且仍然保持焊球表面的完整性。
图9显示出通过一排焊球的中心线的剖视图。该图显示出本发明设计的一个实施方案。该设计将独特的柔性电路与材料结合以形成一种具有低电感的连接系统，它保护了BGA的顶端或焊盘或管脚的端部或顶部。
图10显示出采用本发明的独特柔性/材料互连件连接在线路板上的单个焊球的扩展图。该柔性电路容纳有镀有金属的通孔，这些通孔具有不同的顶部和底部结构。顶侧(面对着焊球的侧面)具有加工后的孔尺寸，这使得球能够“座”在孔中。加工后的孔优选如此设定尺寸，从而形成在球中心和与镀有金属的通孔的切点之间的三角形形成大约90度的夹角。该柔性电路保护了球并且在连接期间提供摩擦接触。它还用作磨损部件，从而允许许多重复使用循环。它还为缺乏装置平坦度和在球直径上的公差变化提供有限补偿。这种补偿通常对于大范围可用BGA装置而言是不够的。通过该材料提供大部分动态范围，这为该互连件提供几个毫英寸的动态范围。
柔性电路用具有层压在一个侧面上的铜的聚合物柔性电路构成的基底材料制成。使用激光从没有铜的侧面钻出穿过聚合物的孔。将激光调制成穿透柔性材料(电绝缘聚氨酯材料)，但是不能穿透铜。采用传统的印版印刷和蚀刻技术来形成焊盘并且连接顶层和底层。激光钻探和电镀孔的组合导致所要求的加工后的孔尺寸。
图9和10涉及这样一种结构。其可选形式如下：
1.代替电绝缘聚氨酯材料作为在柔性电路中的载体，本发明可以采用更加顺应的材料例如硅树脂。该变型将使得镀金焊盘能够具有一定程度的运动，这将帮助焊球对准。
2.已经显示出接触焊球的图案是圆形。但是可以考虑其它形状，例如菱形或方形以便于不同连接几何图形或者提供更小的接触面积。使用激光允许形成任意形状的孔。
3.在这里已知柔性电路和材料为两个不同的部件。但是，材料可以直接铸造在柔性电路自身上。
基座16c(图12)可以在与器件触点相同的格栅上结合有包含高磁导率材料的区域64的阵列62。区域64在它正在固化时将磁场聚集在材料中，从而导电颗粒柱状体密度在互连件附近中将最高，并且在触点之间的空间中最低。这通常增强了在相邻触点之间的接触导电性和绝缘阻力。
用于拉伸材料、固定拉伸框架和可变拉伸框架的两个额外方法和设备包括了本发明的另一个实施方案。基于该公开内容的其它方法和设备对于本领域普通技术人员将是显而易见的。
图13显示出在装配在固定拉伸框架上之前材料的片80(预制片)。该片具有以限定图案形成在周边处的一组冲孔。图14显示出具有一组管脚84的安装框架82，其上安装有片80。在片80中的孔和在框架82上的管脚84之间的关系为如此，从而在安装在框架上时该片设置在大体均匀的径向拉伸中。建立管脚和孔之间的关系以在片中产生所要求的张力。处于张力作用下的片的可用区域由图13的虚线表示。
一旦已经拉伸了片，则通过机械或粘合剂方法将刚性框架86(图15)粘接在片的活性区域上。应该注意的是，拉伸框架和片的尺寸可以如此，从而容纳了一个或几个刚性框架。一旦将刚性框架粘接在片上，则从片中将刚性框架和相关材料除去，并且通过刚性框架保持材料中的张力。图15显示出在除去之前粘接在经拉伸的片80上的单个刚性框架86。在该实施例中，刚性框架用作在器件和板之间的对准工具。
如在图16中所示一样，包括具有附着的材料的对准框架86的组件90用来使电子器件92与印刷电路板94电连接。电子器件的对准通过对准框架的内部切口或其它部件(未示出)来实现，并且通过对准管脚96传送给印刷电路板。
上面描述了一种为材料提供固定均匀拉伸的设备。下面描述了一种用于向材料时间可变均匀拉伸的设备。图17为可变拉伸框架夹具100的顶视图。这些槽102用作让促动器管脚径向运动的引导件。槽102沿着从夹具100中出来的半径对准。该方法赋予了材料片连续大体均匀的径向拉伸。
图18和19为组件120的侧视图，它使用了夹具100来拉伸材料片。这些图分别显示出处于初始和材料拉伸位置中的组件120。顶板110和底板106之间的空间由间隔件(未示出)固定。滑动促动器板100自由地在顶板和底板之间上下运动，但是由一部件(未示出)限定为平行于顶板110停留。一排管脚例如管脚108铰接安装在底板106上，从而每个管脚108可以相对于组件中心轴线122转动，但是径向固定在底板106处。这些管脚108穿过在促动器板100中的槽102。因为管脚108在促动器板100从其顶部位置(图18)下降至其底部位置(图19)时稍微外倾，所以通过促动器板100从在顶板中的槽102的内端将管脚108朝着槽102的外端驱动。安装在管脚(例如，在板100或板110上)上的片(未示出)将根据促动器板的最终位置受到径向拉伸至一定程度。可以确定拉伸程度和滑动促动器板的位置之间的直接关系，从而使得能够限定预定垂直板的拉伸量。
至于固定拉伸框架，将具有正确设定的孔的材料片安装在管脚上。这利用在顶部位置处的促动器板来完成，从而使得能够用很少张力或不用任何张力来连接片。然后降低促动器板，从而均匀径向地拉伸片。然后如上述一样将刚性框架粘接在片上以将材料片保持在张力中。
其它实施方案对于本领域普通技术人员将是显而易见的并且处于下面权利要求的范围内。例如，在材料中的张力不必是径向的；它可以沿着材料的任意一个或两个方向，以实现所要求的结果。
Claims (47)
1.一种具有导电弹性片材料的互连件，它包括：
限定开口的框架；以及
一各向异性导电弹性材料，所述材料包括贯穿其厚度的间隔开的导电柱状体，所述柱状体由一系列磁导电颗粒构成，所述材料耦合到所述框架并且在充分的张力的作用下跨过框架开口以将在所述材料的至少一个表面上的柱状体之间的弹性体表面拉到所述柱状体的顶部之下，以产生在柱状体之间提供空隙空间的不平坦表面，以允许所述材料的热膨胀。
2.如权利要求1所述的互连件，其中所述材料整体地耦合在框架上。
3.如权利要求2所述的互连件，其中通过其中保持着所述材料的在框架中的一个或多个开口来增强所述整体耦合。
4.如权利要求3所述的互连件，其中所述框架为环形的，并且这些开口沿着所述框架的至少两个相对侧边。
5.如权利要求4所述的互连件，其中所述框架大体上为矩形，并且这些开口沿着所述框架的所有四个侧边。
6.如权利要求1所述的互连件，还包括在材料中并且与框架接触的一个或多个凸起，从而帮助保持互连件和器件之间的对准。
7.如权利要求1所述的互连件，其中该材料处于充分受拉状态，从而当用手指敲击时产生可以听到的声音。
8.如权利要求1所述的互连件，其中该材料在互连件的整个操作范围中保持处于伸展状态。
9.如权利要求1所述的互连件，还包括在所述框架和所述材料的一个或多个部分之间的一个或多个间隔件。
10.如权利要求1所述的互连件，还包括与材料电接触的柔性电路互连件，从而增强了器件与材料的互连。
11.如权利要求10所述的互连件，其中所述柔性电路互连件在至少一个侧面上具有焊盘。
12.如权利要求11所述的互连件，其中所述焊盘中的至少一些形成有导电开口，该开口的直径小于连接结构的直径，从而将连接结构坐在开口中。
13.如权利要求12所述的互连件，其中所述连接结构包括球栅阵列的球。
14.如权利要求1所述的互连件，还包括在材料表面上并且与导电柱状体电接触的一系列电互连件。
15.一种形成具有整体导电弹性片材的互连件的方法，该方法包括以下步骤：
提供限定开口的结构；
将未固化的各向异性导电弹性材料铸造在该结构上并跨过所述开口；并且
在磁场中使该材料固化，以将材料一体耦合在该结构上，并且形成一系列贯穿材料厚度的间隔开的导电柱状体，其中所述材料在足够的张力跨过所述开口以将在所述材料的至少一个表面上的柱状体之间的弹性体表面拉到所述柱状体的顶部之下，以产生在柱状体之间提供空隙空间的不平坦表面，以允许所述材料的热膨胀。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述结构包括形成有开口的框架，并且铸造材料跨过开口，并且其中所述框架的热膨胀系数低于所述材料，从而使材料保持在受拉状态。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述方法还包括提供一个限定了带有中央基座的环形空腔的铸造板，在未固化材料的浇铸之前将框架放在该空腔内。
18.如权利要求15所述的方法，其中所述方法还包括在该结构中设置一个或者多个开口，材料保持在该开口中。
19.如权利要求16所述的方法，其中框架是环形的，开口沿着框架的至少两个侧边设置。
20.如权利要求19所述的方法，其中框架大体是矩形的，开口沿着框架的全部四个侧边设置。
21.如权利要求15所述的方法，其中还包括在材料中的一个或者多个突起，它们与所述结构相接触，以帮助保持互连部件和器件之间的对准。
22.如权利要求15所述的方法，其中利用在材料铸造温度下为液体的材料形成突起，并且该突起设置在所述结构和未固化的材料之间。
23.如权利要求15所述的方法，其中所述材料限定了靠近至少某些导电柱状体的一个或者多个凹陷。
24.如权利要求15所述的方法，还包括在所述结构的一个或者多个部分与材料之间的一个或者多个隔离部件。
25.如权利要求15所述的方法，还包括与材料电接触的柔性电路互连，以增强器件与材料的互连。
26.如权利要求15所述的方法，还包括位于材料表面上并与导电柱状体电接触的一系列电互连。
27.如权利要求17所述的方法，其中该方法还包括在中央基座中提供高磁导率区的阵列，以聚集磁场，从而颗粒的柱状体优先位于电互连的区域内。
28.如权利要求17所述的方法，其中中央基座限定了一个或多个模具结构，用于在该材料跨越框架开口的部分中产生模制结构。
29.如权利要求15所述的方法，其中该结构包括印刷线路板。
30.如权利要求15所述的方法，其中该结构包括载体片，该方法还包括在固化的材料在载体片上处于伸展状态的同时将第二结构固定在固化的材料上，以将处于伸展状态的材料转移到第二结构上。
31.如权利要求30所述的方法，其中第二结构包括限定开口的框架，处于张力之下的材料跨越所述开口。
32.一种利用导电弹性片材形成互连部件的方法，包括：
提供限定开口的框架；
将各向异性导电弹性材料设置成处于受拉状态，所述材料包括贯穿其厚度的间隔开的导电柱状体，所述柱状体由一系列磁导电颗粒构成；以及
在该材料处于受拉状态的同时，将该材料与框架耦合，并且该材料在充分的张力作用下跨越所述开口，以将在所述材料的至少一个表面上的柱状体之间的弹性体表面拉到所述柱状体的顶部之下，以产生在柱状体之间提供空隙空间的不平坦表面，以允许所述材料的热膨胀。
33.如权利要求32所述的方法，其中所述设置步骤包括拉伸该材料。
34.如权利要求33所述的方法，其中拉伸所述材料的步骤包括在材料中提供大体均匀的径向张力。
35.如权利要求33所述的方法，其中所述设置步骤包括提供将材料保持为伸展状态的安装框架。
36.如权利要求35所述的方法，其中安装框架包括一系列的机械结构，该结构在多个分开的位置处保持所述材料。
37.如权利要求33所述的方法，其中所述设置步骤包括提供一可变拉伸框架组件，该组件给材料提供了可变的拉伸。
38.如权利要求33所述的方法，其中拉伸是沿着正交方向进行的。
39.如权利要求33所述的方法，其中通过将所述材料沿着其边缘在一个或者多个位置处牵拉而拉伸该材料。
40.如权利要求39所述的方法，其中具有对置的可相对移动的部分的设备被用来拉伸所述材料。
41.如权利要求40所述的方法，其中将该材料连接至所述设备，所述对置的可相对移动的部分在围绕着所述材料周边的至少两个间隔开的位置。
42.如权利要求41所述的方法，其中所述材料总体上为“+”形状，限定了两组相对的端部，每个端部连接至所述设备的一个对置的可移动部分。
43.如权利要求42所述的方法，其中通过所述设备的对置的可移动部分的相对移动来拉伸所述材料。
44.一种具有导电弹性片材的互连件，它包括：
限定开口的框架；
一各向异性导电弹性材料，它连接在框架上并且跨过框架开口，该材料形成有一系列贯穿其厚度的间隔开的导电柱状体，该材料在充分的张力作用下将在所述材料的至少一个表面上的柱状体之间的弹性体表面拉到所述柱状体的顶部之下，以产生在柱状体之间提供空隙空间的不平坦表面，以允许所述材料的热膨胀；以及
柔性电路互连，它与该材料电接触，以增强器件到材料的互连。
45.如权利要求44所述的互连件，其中柔性电路互连在至少一侧上具有焊盘。
46.如权利要求45所述的互连件，其中所述焊盘中的至少一些形成有导电开口，该开口的直径小于连接结构的直径，从而将连接结构坐在开口中。
47.如权利要求46所述的互连件，其中所述连接结构包括球栅阵列的球。
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