CN1620741A - 揿钮电极及其连接方法和使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种能拆装插件或FPC的高密度连接用电极。为了达到该目的，本发明的揿钮电极(11)具有剖面是圆形或多边形的筒状环(11a)和在环内与环连接的至少一个板簧电极(11b)。通过把插入安装型插件或FPC的销电极(13)用板簧电极(11b)夹住与基板或FPC连接。该揿钮电极(11)最好用镍或镍合金，或铜或铜合金制成。也可以用贵金属或导电性的金钢石类炭进行涂敷。

Description

揿钮电极及其连接方法和使用方法
技术领域
本发明涉及半导体安装用的电极和柔性印刷电路(flexible printedcircuit)(以下也称为[FPC])连接用的电极。特别涉及适用于安装插入型半导体插件(以下也称为[连接])的电极或用于连接FPC的电极。
背景技术
为了放置半导体保护其与外部环境隔开，并把其安装在基板等上，使用半导体插件(以下简称为[插件]。半导体插件根据往基板上安装的方法分为表面安装型和插入安装型。
作为表面安装型插件例如有BGA(Ball Grid Array)。在插件的底面上按一定间隔成格子状并列焊球。直接在基板表面上的锡焊的图形(安装小块)上通过锡焊进行安装。而作为插入安装型插件，例如有PGA(Pin GridArray)。把从插件主体垂直取出的销电极插入基板的插座电极中进行安装。在今天随着半导体的高集成化、高速化和电子设备的小型化，要求半导体的高密度安装和小型化。
表面安装型插件能够使基板表面进行锡焊的图形和焊点细微化，能在基板的两面安装，故具有容易实现高密度的结构。但是，表面安装型插件由于底面在基板上进行锡焊，不能一下撕掉安装的插件。假设要撕掉，必须加热，使焊锡熔化，存在对设备自身造成不好的影响，由于焊球变形不能再安装的问题。
插入安装型插件在结构上可以使输入输出用的销电极具有多个销，也能拆装插件。但是，由于插入销电极的插座电极是用机械加工制造的，插座电极很难小型化。因此，500μm～1mm的销节距是极限。另外，由于用机械加工制造，尺寸的偏差也大，为了得到可靠的电接触，厚度至少需要1mm左右。
另一方面，在FPC的连接中，当相互连接FPC或连接FPC与印刷电路基板等基板等时，使用用树脂制的壳覆盖由冲切形成的电极的接插件。但是，在FPC接插件中由于对用机械加工的电极尺寸的细微化有限制，并且要确保壳的机械强度，故存在很难实现接插件的小型化和端子节距窄小的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能拆装插件或FPC的高密度连接用电极。为了达到该目的，本发明的揿钮电极具有剖面是圆形或多边形筒状环和在环内与环连接的至少一个板簧电极。通过把插入安装型插件或FPC的销电极用板簧电极夹住与基板或FPC连接。揿钮电极最好用镍或镍合金、铜或铜合金制成。也可以用贵金属或导电性金钢石类炭进行涂敷。
本发明的揿钮电极的连接方法是连接具有剖面是圆形或多边形筒状环和在环内与环连接的至少一个板簧电极的揿钮电极的连接方法。其借助金进行超声波连接或用锡焊把揿钮电极只是环部与基板电极或FPC的电极连接。
本发明的揿钮电极的使用方法是使用具有剖面是圆形或多边形筒状环和在环内与环连接的至少一个板簧电极的揿钮电极的使用方法，通过用板簧电极夹住插入安装型插件或FPC的销电极与基板或FPC连接。
附图说明
图1A和图1B是表示本发明的揿钮电极的使用方法的立体图；
图2A～图2L是表示本发明的揿钮电极的形状的剖面图；
图3A～图3E和图4A～图4G是表示本发明的揿钮电极的制造方法的工序图；
图5是表示本发明的揿钮电极的连接方法的立体图。
具体实施方式
(揿钮电极)
本发明的揿钮电极典型的如图1A或图1B所示，由环11a和板簧电极11b组成。该揿钮电极11与设在印刷电路基板等基板上的基板电极12或FPC上的电极连接。在使插入安装型插件或FPC与基板或其它的FPC连接时，通过用板簧电极11b夹住插入安装型插件或FPC的销电极13进行。现有的PGA用插件用塑料壳保护电极，但该结构在细微化方面有限制。本发明的揿钮电极通过在板簧电极周围使保护电极的环形成一体，实现微小尺寸。
在用板簧电极11b夹住销电极13的状态下，例如，如图1A所示，把销电极13沿箭头方向向由板簧电极11b形成的间隙14插入，处于用板簧电极11b夹住销电极13的状态。又如图1B所示，在把销电极13插入环11a中后，向箭头方向偏移，使移动到由板簧电极11b形成的间隙14中的销电极13处于用板簧电极11b夹住的状态。
本发明的揿钮电极在使插入安装型插件或FPC与基板或FPC连接时可以有效地使用。例如可以在把插入安装型插件安装在印刷电路基板等基板上的状态、使FPC与基板连接的状态、使插入安装型插件与FPC连接的状态或使FPC与其它的FPC连接的状态下使用。
环是剖面为圆形或多边形的筒状体。所谓剖面为圆形或多边形是指用与长度方向垂直的面剖切筒状的环时的剖面为圆形或多边形。另外，所谓剖面是圆形，不只是完全的圆形，也包括与圆形近似的形状，如包括椭圆形和圆周部分变形的等的形状。所谓多边形是指例如四边形或六边形，但不限于正多边形，也包括边的长度不同的形状。图2A～图2F表示环21a是圆形的例；图2G～图2L表示环21a是六边形的例。
在环内至少有一个板簧电极。通过设置板簧电极，可以夹住插入型插件等的销电极，与基板等连接得到电或机械的连接。另外，板簧电极与环连接。通过与环连接，在制造揿钮电极时保护板簧电极，同时，即使在连接等时，在插入销电极时也可以使加在板簧电极上的负荷分散到环上，保护板簧电极。在图2A～图2c、图2F、图2G～图2I及图2L中，表示揿钮电极21具有环21a和两个板簧电极21b的例。而图2D、图2E、图2J及图2K中表示揿钮电极21具有环21a和一个板簧电极21b及在环21a的上半部由电极材料组成的填充物21c的例。形成嵌合销电极的间隙24除如图2A所示，位于环21a的中央部的状态外，本发明也包括如图2F所示间隙24位于稍微偏离环21a的中央部的状态。
(揿钮电极的制造方法)
本发明的揿钮电极最好用包括由光刻法形成树脂模的工序和在树脂模中通过电铸形成金属材料层的工序的方法制造。在插入型插件等的连接中使用的插座电极由于用机械加工的方法制造不能小型化，即使小的也是外径为500μm～1mm、厚度为1mm左右的大小。该尺寸在半导体的高密度连接中有限制。由于本发明的揿钮电极通过使用光刻法和电铸组合的方法制造可以作成外径为50μm～500μm、厚度为50μm～1mm左右的小尺寸，故能高密度地连接。另外，由于是插入型插件等的连接用电极，所以能够进行插件的拆装。进而能使连接板簧电极与用于保护板簧电极的环构成的揿钮电极作成一体而容易制造，而不必组装。
揿钮电极的制造方法，如图3所示，首先在导电基板31上形成用于光刻的树脂层32。作为导电性基板例如可以使用铜、镍、不锈钢等金属制基板，或者使用溅射镀钛、铬等金属材料的硅基板等。作为形成树脂层的材料，有聚甲基异丁烯酸甲酯(PMMA)等以聚甲基异丁烯酸酯为主要成份的树脂材料、对X线有感光性的化学增幅型树脂材料等。树脂层的厚度可以根据要形成的揿钮电极的高度任意设定。例如可以作成50μm～1mm。揿钮电极通过确保某一程度的高度，在插入销电极时，可以擦掉附着在电极表面的污垢收到可靠的电连接效果(摩擦接触效果)。
接着，在导电性基板31上配置掩膜33，通过掩膜33照射X线34(或紫外线)。作为X线，在可以实现缩影比这一点上最好是同步加速器放射的X线(以下简称为“SR光”)。掩膜33具有对应揿钮电极规定的图形形成的X线吸收层33a。构成揿钮电极的环的形状例如在对比圆形和六边形时，在掩膜上配置可以更高效这一点上，六边形比圆形好。在构成掩膜33的透光性基材33b上可以使用如氮化硅、硅、金钢石、钛等。另外，在X线吸收层33a上可以使用如金、钨、钽等重金属或其化合物。在照射X线34后，显影，除去用X线34变质的部分32a就可以得到图3B所示的树脂膜32b。
接着，进行电铸，如图3C所示，在树脂模32b的空孔部中堆积金属材料35。所谓电铸是指用金属离子溶液在导电性基板上形成金属材料层。通过把导电基板31作为电镀电极进行电铸可以把金属材料35堆积在树脂模32b的空孔部中，由堆积的金属材料35组成的层最终成为揿钮电极。作为金属材料可以使用镍、铜、金和这些金属的合金、或坡莫合金等，但在插件等的销电极插入时及插入后机械强度大这一点和作为电极导电性强这一点上最好是镍、铜、镍合金或铜合金。
电铸后，通过研磨或研削使得与规定的厚度一致后，用液体腐蚀或等离子体腐蚀除掉树脂模32b(图3D)。接着，用酸或碱进行液体腐蚀或进行机械加工除掉导电性基板31就得到图3E所示的揿钮电极。
作为用于制造本发明的揿钮电极的另一种方法，可以使用包括用模具形成树脂模的工序和在树脂模中通过电铸形成金属材料层的工序的方法。使用这种方法，也可以制造外径为50μm～500μm、厚度为50μm～1mm的小尺寸的揿钮电极。该揿钮电极具有连接板簧电极和用于保护板簧电极的环的结构，可以实现半导体的高密度连接。还可以作为插入安装型插件或FPC用的电极使用，且插件或FPC可以拆装。
首先，如图4所示，使用有凸部模具42通过压或射出成型等方式形成图4B所示的凹状树脂体43。作为树脂，可以使用如聚甲基异丁烯酸酯等丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、聚氧化甲基等的聚缩醛树脂等热可塑性树脂。模具42与本发明的揿钮电极一样，由于是微小结构体，最好用光刻法制造。
接着，如图4C所示，使树脂体43上下反转后，贴在导电性基板41上。接着，如图4D所示，研磨树脂体43，形成树脂模43a。此后，与上述一样，通过电铸堆积金属材料45(图4E)，调整厚度后，除掉树脂模43a(图4F)，并除掉导电性基板41，可以得到图4G所示的揿钮电极。
在提高电接触性和耐腐蚀性这一点上，揿钮电极最好是用金、钯或白金等贵金属形成镀层的形态。通过筒镀可以很容易地用金等使揿钮电极的表面形成镀层。另外，揿钮电极在提高耐磨耗性这一点上最好用导电的金钢石类炭作成涂层。通过用金钢石类炭作成涂层，在揿钮电极的表面形成具有金钢石状结晶结构的炭膜。
(揿钮电极的连接方法)
本发明的揿钮电极的连接方法通过金进行超声波连接，或通过锡焊把所述揿钮电极的只是环部分与基板电极或FPC的电极连接。通过把揿钮电极的只是环部分连接在基板电极或FPC的电极上，在基板电极或FPC的电极与板簧电极之间制造间隙，在插入销电极时可以使板簧电极的动作平滑地进行。例如为了只使揿钮电极的环部分与基板电极连接，如图5所示，准备在与揿钮电极51的环51a接触的部分有凸部52a的基板电极52，使该基板电极52和揿钮电极51连接。而作为另一例，在基板电极中，只在与揿钮电极的环接触的部分进行锡焊，使两者连接。
作为连接方法，在可以得到高导电性和足够的连接强度这一点上最好是通过金进行超声波连接的方法或用锡焊连接方法。超声波连接法是在固态下边使接触面加压，边利用超声波施加振动，利用其能量破坏吸附膜等进行连接的方法，其在短时间内可以得到强力连接这方面最好。超声波的振动次数最好是10kHz～1000kHz，若是10kHz～100kHz更好。若小于10kHz，很难充分破坏吸附层；若大于1000kHz，由于成为高能量，恐怕会产生破损。加压条件最好是0.01MPa～100MPa，若是0.01MPa～50MPa更好。若小于0.01MPa，接触界面的附近很难发生塑性变形，难以得到足够的连接强度；若大于100MPa，电极变形，恐怕会产生破损。在超声波连接时，为了得到足够的导电性和连接强度，最好在揿钮电极和基板电极双方镀金后进行。
(揿钮电极的使用方法)
本发明的揿钮电极的使用方法通过用上述的揿钮电极的板簧电极夹住插入安装型插件或FPC的销电极与基板或FPC连接。根据这种使用方法可以进行插件的拆装，并可以实现高密度的连接。
实施例1
首先，如图3A所示，在导电性基板31上形成用于光刻的树脂层32。作为导电性基板使用了溅射镀钛的硅基板。作为形成树脂层的材料使用甲基异丁烯酸酯和甲基异丁烯酸的共聚合体，树脂层的厚度作成100μm。
接着，在导电性基板31上配置掩膜33，通过掩膜33照射X线34。作为X线，用SR(NIJI-III)装置照射SR光。掩膜33使用具有由规定的揿钮电极的图形组成的X线吸收层33a的材料。构成掩膜33的透光性材料33b由氮化硅组成，X线吸收层33a使用由氮化钨制成的材料。
在照射X线34后，只要用甲基异丁基酮显影，除掉由X线34产生的变质的部分32a，就可以得到图3B所示的树脂模32b。接着进行电铸，如图3C所示，在树脂模32b的空孔部堆积金属材料35。作为金属材料使用镍。
电铸后，研磨除掉表面的凹凸后，用氧等离子体除掉树脂模32b(图3D)，接着用NaOH水溶液进行湿腐蚀，除掉导电性基板31，得到图3E所示的贯通状态的揿钮电极。
如图5所示，得到的揿钮电极51具有剖面为圆形的筒状的环51a，在环51a内有两个板簧电极51b。板簧电极51b的两端与环51a连接。该环51a的外径为200μm，高为100μm。
如图5所示，在与揿钮电极51的环51a连接的部分备有具有凸部52a的基板电极52，在揿钮电极51和基板电极52上用筒镀作成金镀层后，在印刷电路基板(图中未示出)上安装基板电极52。最后使揿钮电极51的环51a与基板电极52的凸部52a重迭，进行超声波连接(50kHz、30MPa)。同样地操作，在印刷电路基板上安装30组揿钮电极和基板电极。
在得到的印刷电路基板上安装销节距为250μm的PGA。如图1A所示，沿着箭头的方向向板簧电极11b形成的间隙14插入销电极13，用板簧电极11b夹住销电极13进行安装。结果，可以得到电和机械的连接，另外，PGA是可拆装的。在本实施例，揿钮电极的外径为200μm，但由于也可以制造外径为50μm左右的揿钮电极，显然也可以进一步高密度地安装。
实施例2
代替图5所示的揿钮电极51，除作成图1B所示的揿钮电极11外，与
实施例1
一样制造印刷电路基板。揿钮电极11具有剖面为圆形的筒状的环11a，在环11a内有两个板簧电极11b。本实施例的板簧电极11b与实施例1的板簧电极不同，板簧电极11b的一端与环11a连接，而另一端不与环11a连接，因此，与实施例1的板簧电极相比，可动性大。
在得到的印刷电路基板上安装销节距为250μm的PGA。如图1B所示，把销电极13插入环11a后，向箭头的方向错开，把移动到板簧电极11b形成的间隙14中的销电极13用板簧电极11b夹住进行安装。结果可以得到电和机械的连接，另外，PGA也能拆装。
可以认为现公开的实施方式和实施例在所有方面都是示例而不是限制。本发明的范围不由上述的说明而是权利要求书所示，包括在和权利要求均等的意义及范围内的所有变更。
根据本发明可以提供一种插件或FPC可拆装的高密度连接的电极，该电极很小且尺寸误差小，不需要组装。

Claims (6)

1一种揿钮电极，其包括：剖面是圆形或多边形的筒状环(11a)和在该环内与该环连接的至少一个板簧电极(11b)，其特征在于，通过把插入安装型插件或柔性印刷电路的销电极(13)用所述板簧电极(11b)夹住，与基板或柔性印刷电路连接。
2如权利要求1所述的揿钮电极，其特征在于，所述揿钮电极(11)由镍或镍合金制成。
3如权利要求1所述的揿钮电极，其特征在于，所述揿钮电极(11)由铜或铜合金制成。
4如权利要求1所述的揿钮电极，其特征在于，所述揿钮电极(11)用贵金属或导电性的金钢石类炭进行涂敷。
5一种揿钮电极的连接方法，其连接具有剖面是圆形或多边形的筒状环(11a)和在该环内与该环连接的至少一个板簧电极(11b)的揿钮电极(11)，其特征在于，借助金进行超声波连接或用锡焊把揿钮电极(11)只是所述环部(11a)与基板电极(12)或柔性印刷电路的电极连接。
6一种揿钮电极的使用方法，其使用具有剖面是圆形或多边形的筒状环(11a)和在该环内与该环连接的至少一个板簧电极(11b)的揿钮电极(11)，其特征在于，通过把插入安装型插件或柔性印刷电路的销电极(13)用所述板簧电极(11b)夹住，与基板或柔性印刷电路连接。
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