CN1692682A - 使用弹性体芯和导电金属外壳或网孔制造的岸面栅格阵列 - Google Patents

使用弹性体芯和导电金属外壳或网孔制造的岸面栅格阵列 Download PDF

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Abstract

一种用于制造岸面栅格阵列(LGA)内插件接触的方法，该内插件接触是导电的和有弹性的。还提供通过本发明的方法制造的LGA内插件接触。提供利用覆盖有导电材料的纯的未填充弹性体按钮芯的LGA类型，导电材料从按钮结构的顶表面至底表面是连续的。为了避免依照使用导电内插件接触的岸面栅格阵列的制造和结构的技术中目前遇到的缺点和障碍，提供了用于将弹性体按钮模制为预金属化的LGA载体薄片的方法和结构，以及其中非导电弹性体按钮被表面金属化，以便将它们转变为导电接触。

Description

使用弹性体芯和导电金属外壳或网孔制造的岸面栅格阵列
相关申请的交叉引用
本申请要求2002年10月24日申请的美国临时专利申请号60/421,480的优先权。
技术领域
本发明涉及用于制造岸面栅格阵列(LGA)内插件(interposer)接触的新颖并独特的方法，该内插件接触是导电的和有弹性的。此外，本发明还涉及通过本发明的方法制造的LGA内插件接触。
背景技术
LGA内插件通常在多芯片模块(MCM)和印刷电路板(PWB)之间提供互连。附图中示出了模块和PWB之间的位置中保持的LGA的一般例子，由此，LGA能够提供I/O的非常致密的二维(2-D)阵列，并且目前被用于最高端服务器和超级计算机产品。
一种商业上广泛可用的LGA使用按钮接触，每个由填充有银颗粒的硅氧烷橡胶构成，如附图的图1所示。该结构用来提供具有导电性的橡胶状弹性体的接触。尽管硅氧烷本身具有用于这类应用的非常合适的性能，包括低弹性模量和高弹性，但是在导电性所需的负荷下，颗粒填充的硅氧烷橡胶系统损失了这些合适性能的重要部分。尽管模量增加，它总体上保持低，并需要每接触仅仅约30至80克，以保证良好的电可靠性；然而，弹性的损失导致恒定负荷下的严重蠕变和恒定应变下的应力弛豫。该趋势致使导电弹性体LGAs对于在长时间段上需要非常稳定的高端产品来说是不可靠的。的确，现代高端服务器CPU要求基于每接触的LGA故障率处于ppb级别，因为整个系统依赖于单个信号接触。
由于通过填充现有技术的导电弹性体LGA已经说明的蠕变和应力弛豫的不利程度，工业上目前喜欢使用由随机线圈弹簧制造的LGA阵列，该随机线圈弹簧例如由Synapse公司制造的称作Cinch连接器的产品。这些弹簧与导电弹性体类型相比具有更高的弹簧常数，并需要每接触120克以上的压力，以保证穿过阵列的可靠电连接。这些力穿过具有超过7000个I/O的多芯片模块(MCM)结合，因此在4×4英寸模块的区域上需要几乎一吨的连续作用力。这些高压力可以使陶瓷模块变形，减小它们的平面度，这可能产生芯片的断裂，使C4连接断裂，以及通过引入通常采用的热膏剂中的缺陷损失与热沉的导热性。
对于使用LGA代替模块和印刷电路板之间的刚性直接焊料连接具有强烈的技术激发因子。由于陶瓷模块和有机PWB之间的TCE(热膨胀系数)失配而发生的横向应力很大，以及直接球栅阵列型连接通常趋于失败。由此以横向顺应性而形成的系统是优选的。解决该问题的一种直接连接方案是所谓的“柱栅阵列”或CGA。CGA是永久性焊料型互连，其可以无故障变形，以适应施加的横向应力。
对于直接连接方案使用LGA内插件也存在强烈的经济激发因子。这是因为在直接连接方案领域中不能对芯片集进行修复和升级。在该领域中压力安装的LGA可以被代替，由此节省了用户拆卸、装运和在加工停机时间的显著成本。
由此，对于压力施加型LGA内插件方法具有技术上和经济上的优势。当前方案不能提供对于较大I/O数或更脆弱的有机芯片模块系统可升级的可靠连接。
由此，本发明旨在提供一种能够实现足够长期可靠性、低接触力和领域可替换性的综合需要的器件类型和制造方法。
发明内容
本发明主要描述一种LGA类型，该LGA类型利用由导电材料覆盖的纯的未填充弹性体按钮芯，该导电材料从按钮结构的顶表面至底表面是连续的。
为了避免依照使用导电内插件接触的岸面栅格阵列的制造和结构的技术中目前遇到的缺点和障碍，根据本发明，提供了用于将弹性体按钮模制为预金属化的LGA载体薄片的方法和结构，以及其中非导电弹性体按钮被表面金属化，以便将它们转变为导电接触。
关于上述，根据本发明的一个方面，提供了在内插件载体薄片中形成的通孔阵列的金属化，其中内插件载体薄片优选是塑性或聚酰亚胺LGA载体，其可以通过掩蔽工序的中间过程制造，即利用光刻胶的显影，以及此后将弹性体按钮模制为金属化通孔，弹性体按钮由基本上非导电或介质弹性材料构成。此后，金属化弹性体按钮，优选通过物理掩膜，以便提供与在载体薄片或薄片上安装的电路或电子部件通信的导电表面结构。
根据本发明的其它特征，提供了通过前述方法制造的接触孔的阵列，接触孔填充有弹性体，然后根据具体需要用不同的金属化图形将接触孔金属化，以及其中代替通孔的金属化也可以提供垂直的未金属化孔，以允许用于垂直腔激光器的光学路径。
还描述了包括物理掩膜的结构，物理掩膜用于能够根据特定的物理应用和工业需要用各种图形金属化内插件按钮。
由此，本发明的一个目的是提供一种用于采用介质弹性体芯和导电金属外壳或网孔结构的制造岸面栅格阵列的方法，从而制造用于电连接的内插件。
本发明的另一目的是提供一种制造岸面栅格阵列内插件接触的方法，该内插件接触的物理性能是导电的和弹性的或有弹力的。
本发明的又一目的是提供一种LGA型结构，该结构利用覆盖有导电材料的纯介质弹性体按钮芯，以便在印刷电路板和电子部件之间提供电路径。
附图说明
现在参考附图详细描述本发明的优选实施例，其中：
图1A示出了利用根据现有技术制造的压力施加的LGA的模块组件的概略剖面图；
图1B示出了图1A的内插件部分的放大的详细图；
图2A至2E表示用于金属化内插件载体薄片中的通孔的基本工序步骤；
图3A和3B分别示出了将弹性体按钮模制为预金属化的LGA载体薄片的模制步骤的基本方法；
图4A至4D示出了金属化弹性体按钮以便变为导电接触的方法中的步骤；
图5A和5B分别示出了金属化LGA内插件的相对侧的进一步方法步骤；
图6示出了图2A的塑性或聚酰亚胺载体薄片的透视图；
图7示出了图2A的载体薄片的进一步透视图；
图8A示出了图2E的载体薄片的透视图；
图8B示出了穿过图8A的载体薄片中形成的两个金属化通孔的放大比例的概略剖面图；
图9A示出了与图3B类似的内插件载体薄片的透视图；
图9B示出了穿过填充有弹性体按钮或内插件以最终形成两个接触的两个接触孔的放大比例的剖面图；
图10示出了稍微类似于图3B的透视图；
图11A至11H表示如上所述在内插件或塑性按钮上形成的各种金属化图形；
图12A和12B分别示出了用于金属化塑性或弹性体按钮的物理接触掩膜；
图13示出了在金属化之前形成与物理掩膜接触的未金属化内插件的形成，此后执行金属化，掩膜去除和保留金属化的内插件按钮结构；
图14A示出了依据图11G的按钮帽盖图形；
图14B示出了穿过具有完整金属外壳作为帽盖的两个内插件接触的放大比例的剖面图；
图15A示出了装入物理掩膜的硅氧烷LGA按钮的未金属化阵列，该按钮具有图11B的图形；
图15B概略地示出了沿图15A中的线15B的剖面图；
图16示出了装入物理掩膜的硅氧烷LGA按钮的未金属化阵列，该按钮具有图11E所示的图形；
图17示出了采用图11H的图形制造之后，LGA内插件的最终型式；以及
图18A和18B示出了在图3的变化中用于弹性体按钮的金属化和提供如图11G所示的金属外壳的的方法步骤。
具体实施方式
现在参考图1，其更具体地详细示出了用于在多芯片模块(MCM)14和印刷电路板(PWB)16之间的位置中定位或保持岸面栅格阵列(LGA)的模块布置10。
如剖面图所示，示出了在现有技术中利用压力施加的LGA内插件20的模块组件10，其中采用了由硅氧烷构成的导电按钮和接触22。在此情况下，也如图1A所示，硅氧烷型按钮接触22利用在导电性的渗流阈之上在其中混合有银颗粒填料的硅氧烷材料。与上述不同的是，本申请旨在一种由无填料的介质弹性体构成的按钮类型，但是代替其，提供在内插件按钮22的外表面上沉积的导电材料，尽管常规模块组件与在此描述的LGA内插件类型的使用一致。
如图1B所示，可以用于印刷电路板(PWB)16的载体薄片24可以由Kapton或许多其它合适的材料构成，而内插件接触按钮22填充有银并由硅氧烷构成。
尽管为了说明仅仅示出了两个按钮，但是通常载体薄片24可以包括可能40或更多这种导电按钮22的阵列，用于接触多芯片模块和印刷电路板。
如图2A至2E所示，示出了用于金属化内插件载体薄片30中的通孔的基本流程方法或工艺。
如图2A所示，载体薄片30可以是在其中形成有至少一个通孔32的由塑性或聚酰亚胺构成的LGA载体。在实际情况中，提供通孔的阵列，但是，为了清楚在此仅仅描述一个孔32。
参考图2B，孔32和载体薄片表面34在其两侧并以从一侧穿过通孔至另一侧的连续方式电镀或涂覆有金属材料36。
此后，如图2C所示，在所有表面上电镀光刻胶38；然后如图2D所示，在孔32上同心地放置圆形图形的掩膜40。然后将一侧暴露于UV光。然后除去掩膜40，以及将该组件翻转并在孔上的载体薄片的第二侧上重新放置掩膜，以及此后将其第二侧暴露于UV光。
在实际情况中，然后可以同时显影在载体薄片两侧上的光刻胶38，以提供图2E所示的布置，图2E示出了外部涂有金属的塑性载体薄片和在通孔32的壁上延伸的光刻胶。
图3A示出了金属化的通孔32，其中已经从载体薄片的表面剥离了光刻胶38；以及在图3B中，模制的弹性体按钮50被插入和装入载体薄片的金属化孔32中。非按钮或焊盘区已经被掩蔽，然后用导电金属材料溅射或涂覆，此后在弹性体按钮50上形成无电镀的金属外壳，如下所述。
如图4A所示，图4A是图3A和3B的修改，在载体薄片表面上设置蒸发掩膜52，载体薄片表面包括具有通孔32和以自对准方式穿过孔延伸的按钮50的平面结构。
如图4B所示，在凸出按钮50的表面上和蒸发掩膜52上设置蒸发、溅射或喷射的金属涂层54。这种金属涂层可以是超弹性的镍涂层、或铜或钛合金，尽管其它弹性金属如金等也可应用于上述工序。
如图4C所示，然后从载体薄片去除掩膜52，仅仅在按钮表面上留下通过通孔焊盘56接触的涂层54。
在图4D的图例中，反转该布置，并将掩膜52施加到相反侧以及如前重复金属化工序。
在图5A和5B中也示出了上述工序，其中在图5A中，在相反薄片侧上和掩膜52和弹性体按钮50上设置溅射沉积的金属，然后去除掩膜，如图5B所示，以形成包括金属化内插件或按钮的所完成的LGA布置。
图6A示出了具有如前所述的通孔32的阵列的塑性或聚酰亚胺载体薄片的透视图，而图6B示出了在空内插件载体薄片30中的两个接触孔32的放大比例的剖面图。
如图7所示，概略示出了对应于图2A的内插件载体薄片30；也如图8A所示，示出了对应于图2A的薄片的透视图；以及图8B示出了穿过两个电镀通孔32的放大比例的横向剖面图。
对应于图3B的图9A和9B中示出了金属化内插件载体薄片30之前具有接触孔32的内插件载体薄片30的透视图，接触孔32填充有弹性体按钮50；以及其中图9B示出了金属化之前具有由弹性材料形成的内插件的两个接触。在基本上对应于图3B的图10中还示意性地描绘了这些。
图11A至11G示出了在最终制造之后金属化的硅氧烷按钮接触的各种图形，金属化图形基本上是不连续的。如图11A至11H所示，在硅氧烷或塑性按钮接触50的表面上涂覆各种金属条图形；而图11G示出了在塑性按钮50的表面或内插件结构上设置的完整金属帽盖60。
在图11H中，设置了具有未金属化的中心孔66的特殊帽盖设计64以便于光学路径的形成，例如，其中可以在BLM的位置处设置垂直腔激光器，以便于发射电信号。
图12A和12B示意性地示出了具有将要描绘的两个按钮位置的如图12A所示掩蔽的完整金属外壳按钮的剖面图；以及形成图11G所示按钮类型的掩膜，而在图12B中设置这样的掩膜，以示出部分金属化的按钮(示出了两个按钮位置)，其中该掩膜对应于图11A所示按钮的截面。
图13示出了在金属化之前怎样使未金属化的内插件按钮50与物理掩膜52接触的方法。在此情况下，施加物理掩膜，此后执行金属化，以及去除掩膜，以保留金属化的内插件按钮50。在此情况下，由图11H的例子示出了图形，其具有以金属图形中的孔的形式在其中设置的光学窗口，以允许光从VCSEL传输到探测器。
在一种情况下，示出掩膜52与内插件接触，以及在一种情况下，内插件具有纯硅氧烷按钮。在金属上蒸发或溅射之后去除掩膜，以及金属化内插件具有保持未金属化用于应力释放的条，以及保持未金属化用于光学连接的中心孔，如图11H所示。
如图14A和14B所示，示出了依照11G的帽盖图形，如果所有制造步骤都使用图12A所示的掩膜类型，其中在图14B中，示出了具有两个接触的内插件的截面，其具有作为帽盖的完整金属外壳。
图15A和15B示出了与图11B的图形对应的装入物理掩膜70的LGA按钮50的未金属化阵列，图15B示出了两个LGA按钮50的剖面图。
在图16中，示出了与图11E的图形对应的装入物理掩膜的硅氧烷LGA按钮的未金属化阵列，而图17示出了用类似于图11H的图形制造之后最终的LGA内插件阵列，具有用于光学观察的中心孔。
最后，图18A和18B示出了用于金属化弹性体按钮的方法步骤，其中采用使用预设籽晶的(pre-seeded)硅氧烷弹性体的无电镀。对于图11G所示的完整金属外壳类型不需要掩膜；以及在其上施加使用包含于弹性体按钮中的籽晶的无电镀。
从上述，与现有技术中遇到的按钮的内部金属化不同，提供了金属化这些弹性体或弹性塑性内插件按钮的表面的简单方法和布置。
制造方法的描述
制造一种岸面栅格阵列内插件，以具有在栅格图形中穿孔的非导电聚合物载体平面。一个孔用于每个接触按钮。然后金属化每个孔，以便形成连续的电路径，从围绕孔的顶表面的同心金属环，向下穿过通孔，到达围绕孔的底表面的同心环。然后通过注入模制填充这些孔，以形成具有弹性体的杠铃状或其它形状的按钮接触。优选通过弹性材料化合物如硅氧烷橡胶的注入模制同时制造所有接触按钮。然后以任意的几种方法金属化这些按钮的阵列。构成优选实施例的最简单的方法利用接触掩膜，由此通过掩膜保护LGA的非按钮区，作为按钮上的某些选择区。例如通过真空溅射进行金属化，然后除去掩膜。金属仅仅覆盖接触按钮的希望部分。将LGA翻转到另一侧，施加掩膜，进行第二侧的金属化，然后再次除去掩膜。
从而提供了这样的LGA内插件，具有从按钮的顶部到按钮的底部的优异的导电性，是高弹性的，具有低的恢复力，以及不具有现有技术的填充弹性体系统的不希望的塑性变形和蠕变。
尽管由于纯的弹性体按钮这类接触将具有大的TCE(800ppm)，但是由于恢复力在其使用寿命中始终保持高级别，因此它不重要。只有在这样的情况下才重要，由于蠕变和应力弛豫在现有技术的按钮中恢复力变弱，TCE阻力(pullback)具有足够的尺寸，从而引起从压缩到开路的不希望的转变。
具有条状的金属接触代替连续外壳的优点是对于更高的接触负荷和更极端的条件，使用过程中接触的压缩过程中产生的应力可以从导电金属分散，并在此情况下保持按钮的结构完整性。导电条之间未包含的弹性体可以凸出，只要不对导体造成损伤或过度的应力。
尽管根据其优选实施例已经具体示出和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行上述及其它改变。

Claims (30)

1.一种用于岸面栅格阵列(LGA)在电子部件之间形成电互连结构的内插件，所述内插件包括至少一个基本上纯的介质弹性接触按钮，以及在所述至少一个接触按钮的外部上设置的导电材料提供所述电互连。
2.根据权利要求1的LGA内插件，其中形成所述至少一个接触按钮的所述介质弹性体包括硅氧烷。
3.根据权利要求1的LGA内插件，其中所述导电材料包括金属。
4.根据权利要求3的LGA内插件，其中所述金属选自由镍、钛合金、铜或金及其它金属构成的材料。
5.根据权利要求3的LGA内插件，其中所述金属包括覆盖所述至少一个弹性接触按钮的外表面的导电材料的连续外壳。
6.根据权利要求3的LGA内插件，其中所述金属包括在所述至少一个弹性接触按钮的外表面上沉积的导电材料的间断图形。
7.根据权利要求1的LGA内插件，其中在所述电子部件之间布置内插件载体薄片，所述载体薄片包括至少一个金属化通孔，并将所述内插件接触装入所述金属化通孔中，以在所述电子部件之间提供电接触。
8.根据权利要求7的LGA内插件，其中所述内插件载体薄片包括所述金属化通孔的阵列，每个所述金属化通孔分别装配有一个所述内插件接触按钮。
9.根据权利要求5或6的LGA内插件，其中通过在所述外表面上真空蒸发或真空溅射金属，在所述外表面上金属化所述接触按钮，同时物理掩膜与所述LGA的表面接触。
10.根据权利要求5或6的LGA内插件，其中通过在电镀液中无电镀金属，金属化所述接触按钮，只在所述接触按钮的外表面上进行所述无电镀。
11.根据权利要求8的LGA内插件，其中预金属化每个所述通孔，以便电接触装入所述通孔中的各个接触按钮的金属化外表面部分。
12.根据权利要求11的LGA内插件，其中每个所述通孔的所述预金属化在所述载体薄片的相反表面上形成金属环，所述金属环在连接到各个相关通孔的金属化壁表面的每个所述通孔周围同心地延伸。
13.根据权利要求6的LGA内插件，其中从穿过所述接触按钮延伸的中心孔除去所述金属化图形，以提供便于光信号传输通过的光学窗口。
14.根据权利要求7的LGA内插件，其中所述载体薄片由塑性材料构成。
15.根据权利要求14的LGA内插件，其中所述塑性材料包括聚酰亚胺。
16.一种制造用于岸面栅格阵列(LGA)在电子部件之间形成电互连结构的内插件的方法，包括：提供包括至少一个基本上纯的介质弹性接触按钮的内插件，并在所述至少一个接触按钮的外部上形成导电材料用于提供所述电互连。
17.根据权利要求16的制造LGA内插件的方法，其中形成所述至少一个接触按钮的所述介质弹性体包括硅氧烷。
18.根据权利要求16的制造LGA内插件的方法，其中所述导电材料包括金属。
19.根据权利要求18的制造LGA内插件的方法，其中所述金属选自由镍、钛合金、铜或金及其它金属构成的材料。
20.根据权利要求18的制造LGA内插件的方法，其中所述金属包括覆盖所述至少一个弹性接触按钮的外表面的导电材料的连续外壳。
21.根据权利要求18的制造LGA内插件的方法，其中所述金属包括在所述弹性接触按钮的外表面上沉积的导电材料的间断图形。
22.根据权利要求16的制造LGA内插件的方法，其中在所述电子部件之间布置内插件载体薄片，所述载体薄片包括至少一个金属化通孔，并将所述内插件接触装入所述金属化通孔中，以在所述电子部件之间提供电接触。
23.根据权利要求22的制造LGA内插件的方法，其中所述内插件载体薄片包括所述金属化通孔的阵列，每个所述金属化通孔分别装配有一个所述内插件接触按钮。
24.根据权利要求20或21的制造LGA内插件的方法，其中通过在所述外表面上真空蒸发或真空溅射金属，在所述外表面上金属化所述接触按钮，同时物理掩膜与所述LGA的表面接触。
25.根据权利要求20或21的制造LGA内插件的方法，其中通过在电镀液中无电镀金属，金属化所述接触按钮，只在所述接触按钮的外表面上进行所述无电镀。
26.根据权利要求23的制造LGA内插件的方法，其中预金属化每个所述通孔，以便电接触装入所述通孔中的各个接触按钮的金属化外表面部分。
27.根据权利要求27的制造LGA内插件的方法，其中每个所述通孔的所述预金属化在所述载体薄片的相反表面上形成金属环，所述金属环在连接到各个相关通孔的金属化壁表面的每个所述通孔周围同心地延伸。
28.根据权利要求21的制造LGA内插件的方法，其中从穿过所述接触按钮延伸的中心孔除去所述金属化图形，以提供便于光信号传输通过的光学窗口。
29.根据权利要求22的制造LGA内插件的方法，其中所述载体薄片由塑性材料构成。
30.根据权利要求29的制造LGA内插件的方法，其中所述塑性材料包括聚酰亚胺。
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