CN1973407A - 批形成三维弹簧元件的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种批形成三维弹簧元件片的系统包括分隔顶层。多个滚珠轴承以预定图案布置在该分隔顶层上。含有以二维限定的弹簧元件的弹簧元件片位于该分隔顶层和多个滚珠轴承上。分隔顶层位于弹簧元件片上。分隔顶层和支承底层适于力作用到其上以将该多个滚珠轴承推到弹簧元件片上，于是弹簧元件就伸出弹簧元件片的平面，由此形成三维弹簧元件。

Description

批形成三维弹簧元件的方法和系统

本申请是申请日为2003年4月11日的美国专利申请10/412,729的接续部分申请，在此将其内容全部并入以供参考。

本申请还要求得到申请日为2004年3月19日的美国临时申请60/554,816和申请日为2004年4月9日的国际申请US04/011074的权益，在此将两件申请的内容全部并入以供参考。

发明领域

本发明涉及三维弹簧元件的形成，更具体地说，涉及采用可置配模(configurable die)批形成三维弹簧元件的方法和系统。

发明背景

电互连件或连接器用于将两个或更多个电子元件连接在一起，或将电子元件与一件电设备比如计算机、路由器或检测器连接起来。术语“电子元件”包括但不限于印刷电路板，连接器可以是板-板连接器。例如，电互连件用于将电子元件比如集成电路(IC或芯片)与印刷电路板连接起来。电互连件还用于在集成电路制造过程中连接受检测的IC器件和检测系统。在一些应用中，电互连件或连接器提供了可分离的、或嵌入式的、或可重装的连接，于是可拆卸和再连接与之相连的电子元件。例如，希望采用可分离的互连器件将封装的微处理器芯片装到个人计算机主板上，这样就可容易地拆卸不正常工作的芯片，或可容易地安装升级的芯片。

还存在这样的应用，即，电连接器用于建立与形成在硅片上的金属焊垫(pad)的直接电连接。这样的电连接器通常称作“探针”或“探针板”，一般用在制造过程中的硅片检测当中。一般装在检测器上的探针板提供了检测器到硅片的电连接，于是就可针对功能性和对特定参数极限的顺应性而检测形成在硅片上的各集成电路。

传统的电连接器通常由冲压的金属弹簧制成，它们成形之后分别插入绝缘载体中，以形成电连接元件的阵列。其它形成电连接器的方法包括采用各向同性的导电粘合剂、注射成型的导电粘合剂、束线导电元件、由丝焊技术形成的弹簧以及小实心金属件。

岸面栅格阵列(LGA)指的是金属焊垫(也称岸面)的阵列，这些金属焊垫用作集成电路封装、印刷电路板或其它电子元件的电触点。金属焊垫通常是采用薄膜沉积技术形成的，并涂覆有金以提供不氧化的表面。球栅阵列(BGA)指的是焊球或焊料隆起的阵列，这些焊球或焊料隆起用作集成电路封装的电触点。LGA和BGA封装都广泛地用在半导体工业中，各自具有相关的优点或缺点。LGA连接器通常用于给与PC板或芯片模块连接的LGA封装提供可拆卸且可重装的插装能力。

电子器件封装技术的发展已缩小了封装的几何结构并增加了引脚数。也就是说，电子器件上每个元件电连接(也称“引脚”)之间的间距(或节距)不断减小，而连接的总数越来越大。例如，现有的IC封装可构造为节距为1毫米或更小而连接为600个或更多。此外，IC器件被设计成以越来越高的频率工作。例如，用在电信和连网应用场合中的IC器件可包括频率超出1GHZ的输入输出信号。电子器件的操作频率、封装尺寸以及器件封装的引脚数对用于检测或连接这些电子器件的互连系统提出了严格的要求。

半导体技术的发展也导致半导体集成电路内的尺寸减小，特别是硅片或半导体封装上触点的节距也减小。例如，半导体片上的接触垫可具有250微米或更小的节距。在250微米的节距水平，采用常规技术形成与这些半导体器件可分离的电连接过于困难和昂贵。当半导体器件上的接触垫节距减至50微米以下且同时要求与阵列中的多个接触垫连接时，该问题变得更为关键。尤其是，对互连系统的机械、电、可靠性的性能标准要求越来越高。传统的互连技术已不能够满足与高速度、小尺寸和大引脚数的IC器件一起使用时的所有关于机械、电和可靠性方面的要求。

如今互连系统碰到的一个特定问题就是，要连接的电子元件中引脚的共面性变化(垂直偏移)和位置不对准。共面性变化导致一些接触元件压缩得比其它接触元件厉害。这种差异主要源自下面三个因素的总和：(1)封装平面性的变化；(2)板平面性的变化；以及(3)封装相对于板的任何倾斜。

在传统的LGA封装中，封装的焊垫(引脚)会因为基底的翘曲而不呈平面。当最终的垂直偏移量超过LGA连接器的容许时，一些焊垫根本不能与连接器形成电接触。LGA元件焊垫的平面性变化导致难于与电子元件的所有引脚形成高质量且可靠的电连接。

此外，引脚的位置也会因为制造上的限制偏离其预定的理想位置，导致位置不对准。有效的互连件必须适应要连接的电子元件引脚的水平位置变化。更糟的是，当封装的尺寸减小时，由于电子器件上的共面性变化、位置不对准或是两者引起的引脚相对于引脚尺寸本身与其理想位置的位置偏差增大。

平面性的问题并不限于IC封装，还会存在于这些IC封装要连接的印刷电路板(PCB)上。对于在PCB上形成为区域阵列的LGA焊垫，由于PCB基底的翘曲，会出现平面性的问题。一般来说，传统PCB中平面度的偏差大约是每英寸50到75微米或更多。LGA连接器例如必须能够适应连接的元件、封装与PCB之间共面性的总偏差。这意味着，接触元件必须既在压缩最小的状态又在压缩最大的状态下发挥作用，其中，在压缩最小的状态下，封装和PCB的曲率和倾斜度致使它们相距最远，而在压缩最大的状态下，封装和PCB的曲率和倾斜度致使它们靠得最近。因此，希望具有可缩放的电接触元件，其可表现出弹性作用，于是就可容许触点正常的共面性变化和位置不对准。

虽然LGA连接器可有效地用于将LGA封装与印刷电路板或模块电连接，但连接器与要连接的元件之间的连接界面会潜在地降低可靠性。例如，腐蚀性物质或微粒碎屑会进入界面区域，从而防止形成适当的电连接。并且，LGA封装的重复配合和分离会减弱LGA连接器的能力，从而出现间断的连接情况，并抑制可靠的电连接。

当与接触垫比如硅片或LGA封装上的金属焊垫形成电连接时，重要的是在接触元件与接触垫接合时具有滑动接触作用或穿透作用，以便穿透任何可能出现在金属焊垫表面上且会抑制电连接的氧化物、有机物或其它薄膜。图1示出了现有的接触元件，其与基底上的金属焊垫接合。参见图1，连接器100包括接触元件102，以与基底106上的金属焊垫104形成电连接。连接器100可以是晶片探针板，而接触元件102是与焊垫104接合的探针头。在正常加工和存储的情况下，可以是氧化物膜或有机膜的薄膜108形成在焊垫104的表面上。当接触元件102与焊垫104接合时，接触元件102必须穿透薄膜108以便与焊垫104形成可靠的电连接。薄膜108的穿透可在接触元件102与焊垫104接合时通过接触元件102的滑动接触作用或穿透作用执行。

虽然需要提供滑动接触作用或穿透作用，但重要的是具有较好控制的滑动接触或穿透作用，其足够强以穿过表面薄膜108但却足够柔以避免在形成电接触时损坏金属焊垫104。此外，重要的一点在于，任何滑动接触作用提供了足够大的滑触距离，这样金属表面就足够露出来实现令人满意的电连接。

同样，当与焊球形成接触时，重要的是提供滑动接触或穿透作用以穿过焊球上固有的氧化层，从而与焊球形成良好的电接触。不过，当将传统方法用于与焊球形成电接触时，焊球会受到损坏或从封装移开。图2a示出了现有的接触元件100，其被施加以接触形成在基底202上的焊球200。当接触元件102接触焊球200比如用来进行检测时，接触元件102就施加穿透作用，这通常会在焊球200的顶面(也称基面)上形成凹坑204。

当随后将基底202加到另一个半导体器件上时，焊球200中的凹坑204会在焊球界面上形成空隙。图2b和2c示出了将焊球200加到基底212的金属焊垫210上的结果。在焊料回流之后(图2c)，焊球200连在金属焊垫210上。不过，空隙214由于焊球200顶面上凹坑204的存在而形成在焊球界面上。空隙214的存在会影响连接的电特性，更为重要的是，会降低连接的可靠性。

传统的互连器件比如冲压的金属弹簧、束线以及注射成型的导电粘合剂在尺寸按比例减小时变得难于制造。尤其是冲压的金属弹簧元件，其在尺寸按比例减小时变得脆弱且难于制造，从而造成它们不适于使电子元件适应正常的位置变化。在触头之间的间距按比例低于1毫米以及电通路长度要求也按比例低于1毫米以使电感最小并满足高频率性能要求的情况下，这一点体现得尤为真实。以该尺寸，由现有的制造技术制成的弹簧元件变得更为脆弱、弹性更低，并且在合理的插入力大约为每触头30-40克的情况下，不能适应系统共面性中的正常变化和位置不对准。

理想的是提供这样一种电接触元件，其可在金属焊垫尤其是节距小于50微米的焊垫上提供受控的滑动接触作用。还希望滑动接触作用提供达到接触垫50％的滑触距离。此外，当形成与焊球的电接触时，希望具有这样一种电接触元件，其可在焊球上提供受控的滑动接触作用，而不用损坏焊球的接触表面。

理想的是提供这样一种电互连系统，其可适应要连接的电子元件中的正常位置容差，比如共面性变化和位置不对准。此外，希望提供这样一种电互连系统，其适于与几何结构小的、引脚密度高的、以高频率操作的电子器件一起使用。

现有的形成三维弹簧元件的方法和系统已采用了定制工具，它们通常针对特定尺寸的弹簧元件设计、不可置配、制造昂贵。因此需要这样一种形成三维弹簧元件的方法和系统，其灵活、对于不同的弹簧元件特性可置配、成本低。

附图的简要说明

图1是与基底上的金属焊垫接合的现有接触元件的示意图；

图2a是与焊球接触的现有接触元件的示意图；

图2b和2c是示出了将受损的焊球加到基底的金属焊垫上的结果的示意图；

图3a和3b是本发明的梁式球栅阵列(BBGA)系统及其加到印刷电路板(PCB)上的示意放大透视剖面图；

图3c和3d是两种用于使图3a的接触系统与PCB电连接的相应接触方案的示意剖面图；

图3e是根据图3a和3b所示结构的托住焊球的结构的示意图；

图3f是图3a所示的接触臂阵列的示意平面图；

图3g是几种不同的示范性的接触臂设计的示意平面图；

图4a是梁式岸面栅格阵列(BLGA)系统及其加到PCB上的示范性表面安装型式的示意横剖图；

图4b是BLGA系统及其加到PCB上的示范性可分离型式的示意横剖图；

图5是BLGA触头阵列的示范性接触臂的示意放大剖面图；

图6是示范性接触臂设计的示意放大透视图；

图7是根据本发明一个结构的连接器的示意透视图；

图8是根据本发明另一结构的包括采用多层金属形成的接触元件的示范性连接器的示意图；

图9a和9b是根据本发明一个结构的示范性连接器的示意横剖图；

图10a和10b是根据本发明一替换结构的示范性连接器的示意横剖图；

图11是根据本发明一替换结构的示范性连接器的示意横剖图；

图12是根据本发明一替换结构的示范性连接器的示意透视图；

图13a-13c是在热交换操作中应用的连接器结构的示意横剖图；

图14a和14b是示出了根据本发明的接电路连接器的结构的两幅示意图；

图15a是根据本发明一替换结构的包括同轴接触元件的示范性连接器的示意横剖图；

图15b是图15a的同轴接触元件的示意俯视图；

图16是示出了通过图15a的连接器将LGA封装配合到PC板上情况的示意图；

图17a-17h是示出了根据本发明一实施方式形成图9a连接器的示范性加工步骤横剖图的示意图；

图18a和18b是示出了根据本发明一替换实施方式形成连接器的示范性加工步骤横剖图的示意图；

图19a-19d是示出了根据本发明一替换实施方式形成连接器的示范性方法步骤的流程图；

图20是根据图19a-19d所示方法施加到弹簧材料片上的示范性抗蚀膜的示意横剖图；

图21是根据图19a-19d所示方法施加到抗蚀膜上的UV光的示意横剖图；

图22是根据图19a-19d所示方法形成的示范性接触元件片的示意平面图；

图23a是用在图19a-19d所示方法的一个步骤中的示范性叠积层每层的示意图；

图23b是图23a所示的组装的叠积层的示意侧视图；

图24是根据本发明一个结构的示范性叠积层的示意分解透视图；

图25是用在图1所示叠积层中的示范性分隔层的示意放大局部俯视平面图；

图26和27是插入用在图1所示的叠积层中的分隔层中的示范为滚珠轴承的置配模的示意横剖图；

图28是示范性弹簧元件片的示意俯视平面图；

图29是施压之后弹簧元件片的一替换结构的示意横剖侧视图；

图30a是根据本发明的一个结构示出了未形成图案的弹簧片中的三维特征成形的示意图；

图30b根据本发明的一个结构示出了弹性触头的标准梁弹簧元件的横剖图；

图30c根据本发明的一个结构示出了弹性触头的扭力梁弹簧元件的横剖图；

图31a是批形成根据本发明的弹簧元件的示范性方法的流程图；

图31b是批形成图30所示的弹簧元件的示范性方法的流程图。

详细说明

图3a和3b是根据本发明构造的梁式球栅阵列(BBGA)系统的横剖图。在图3a所示的第一结构300中，焊球302提供了一种在器件、封装或模块304与载体306之间实现电接触的方法。焊球302被示出安置在电镀的通孔或过孔308内，这些通孔或过孔308已经通过印刷电路技术制入了载体306中。焊球302通过悬置在形成为层312一部分的挠性接触臂310上而被赋予了弹性。接触臂310托住焊球302，如图3e所示，并提供了如图3c和3d所示的弹簧式支架。

接触臂310的阵列是制造在层312中的，正如参照图3f最好观察到的那样。接触臂310不同的设计图案分别由图3g中的元件310a、310b、310c和310d表示。

在图3b中，制造继续进行，结构300通过电接触元件318而被连到PCB316的焊垫314上，电接触元件318可包括梁式岸面栅格阵列(BLGA)接触元件、LGA、针栅阵列(PGA)或如下所述的其它类型的接触元件。

在图3c中，载体306通过触及焊垫314的焊球320而与PCB316电接触。在图3d中，载体306通过接触臂318而与焊垫314接触。接触臂310可冲压或蚀刻成理想的几何结构。正如将在下面更为详细地描述一样，它们可在PCB式制造过程中组装。

图4a是根据本发明构造的BLGA电接触元件400的表面安装型式的横剖图。BLGA系统包括载体层402，载体层402具有臂404的阵列，臂404形成了在载体402平面之外的弹性元件。臂404的角度、厚度以及数量可容易地改变，以提供特定的设计特征如接触力、载流能力以及接触电阻。载体402被示出通过触及焊垫410的焊球408而与PCB406电接触。臂404可具有与图3a中的臂310a-d相似的形状。

图4b是根据本发明构造的BLGA接触元件400a的可分离型式的横剖图，包括通过BLGA接触电刷412而与焊垫410接触的载体402，接触电刷412与载体402顶部的接触臂404相似。

图5示出了根据本发明的连接器500的横剖图，包括示出了接触元件502一些部分尺寸的一些示范性尺度。相面对的弹簧部504的远端之间的间距是5密耳。接触元件502从基底的表面到弹簧部顶部的高度是10密耳。穿过基底的过孔的宽度可大约为10密耳。接触元件502从一个基部的外边缘到另一个基部的外边缘的宽度是16密耳。该尺寸的触头可根据如下所述的本发明的方法形成，容许连接器具有大大低于50密耳的节距，大约为20密耳或更小。要注意的是，这些尺度仅仅是利用本发明所能实现的示范，本领域的技术人员自该公开内容将会理解，可形成尺度更大或更小的接触元件。

根据本发明的一个结构，下面的机械性能可特定地针对一个接触元件或一组接触元件设计，以实现理想的操作特性。首先，可选择每个接触元件的接触力，以确保一些接触元件低电阻的连接或连接器低的总接触力。其次，每个接触元件的弹性工作范围可变化。第三，每个接触元件的垂直高度可变化。第四，接触元件的节距或水平尺寸可变化。

参见图6，多个接触臂的设计示出为用于BBGA或BLGA系统。如上所述，这些触头可冲压或蚀刻成弹簧式结构，并且可在成形之前或之后作热处理。

图7是示出根据本发明一个结构的连接器700的组装件的分解透视图。连接器700包括第一组接触元件702和第二组接触元件706，第一组接触元件702位于介电基底704的第一主表面上，而第二组接触元件706位于基底704的第二主表面上。每一对接触元件702和706都优选与基底704中形成的孔708对齐。金属线路穿过孔708形成，以将第一主表面的接触元件和第二主表面的接触元件连接起来。

图7示出了形成连接器的制造过程中的中间步骤时的连接器700。因此，接触元件的阵列被示出为在金属片上或形成接触元件的金属材料上被连接在一起。在随后的制造步骤中，接触元件之间的金属片形成图案，以将金属片中不想要的部分去除，于是接触元件被按需隔离(即，分开(singulate))。例如，金属片可掩蔽并蚀刻，以使一些或全部接触元件分开。

在一个结构中，本发明的连接器如下形成。首先，提供了介电基底704，其包括在顶面与底面之间的导电通路。导电通路可采取过孔或孔708的形式。在一个结构中，介电基底704是一片任何合适的介电材料，具有电镀的导电通孔。随后，导电金属片或多层金属片形成图案，以形成包括基部和一个或多个弹性部的接触元件的阵列。包括弹簧部的接触元件可通过蚀刻、冲压或其它方式形成。金属片被加到介电基底704的第一主表面上。当要包括第二组接触元件时，类似地使第二导电金属片或多层金属片形成图案并将之加到介电基底704的第二主表面上。这些金属片随后又形成图案，以从其中去除不想要的金属，于是接触元件就被按需彼此隔离(即，分开)。金属片可通过蚀刻、刻绘、冲压或其它方式形成图案。

在替换结构中，在包括有形成了图案的接触元件的金属片已经加到介电基底上之后，可形成弹性部的突起。在另一替换结构中，在接触元件形成之前，可去除不想要的金属片部分。此外，在金属片加到介电基底上之前，可去除不想要的金属片部分。

另外，在图7所示的结构中，导电线路形成在电镀的通孔708中，还以围绕每个电镀通孔的环状图案710形成在介电基底704的表面上。虽然可提供导电环710以增强金属片上的接触元件与形成在介电层704中的导电线路之间的电连接，但导电环710不是连接器700的必需组成部分。在一个结构中，连接器700可通过采用包括没有电镀的通孔的介电基底形成。包括接触元件阵列的金属片可加到介电基底上。在金属片形成图案以形成各个接触元件之后，就可随后电镀整个结构以在通孔中形成导电线路，从而将接触元件穿过孔连接到介电基底另一面上的各相应端子上。

图8示出了根据本发明另一结构的连接器800，其包括采用多层金属形成的接触元件。参见图8，连接器800包括一个多层结构，形成了第一组接触元件802和第二组接触元件804。在该结构中，采用第一金属层806形成第一组接触元件802，并采用第二金属层808形成第二组接触元件804。第一金属层806和第二金属层808通过介电层810隔离。每个金属层都形成图案，使得一组接触元件形成在特定金属层的理想位置上。例如，接触元件802形成在金属层806的预定位置上，而接触元件804形成在金属层808的不被接触元件802占用的位置上。不同的金属层可包括厚度不同或冶金性质不同的金属层，于是就可专门定制接触元件的操作特性。因此，通过在不同的金属层形成选择的一个接触元件或选择的一组接触元件，连接器800的接触元件就可具备不同的电性能和机械性能。

在一个结构中，连接器800可采用下面的加工顺序形成。第一金属层806被加工，以形成第一组接触元件802。金属层806随后加到介电基底812上。之后，使一绝缘层比如介电层810位于第一金属层806上。第二金属层808可被加工以形成接触元件，并加到介电层810上。过孔和导电线路按照需要形成在介电基底812和介电层810中，以提供每个接触元件之间到基底812相反面上相应端子814的导电通路。

图9a和9b是根据本发明一个结构的连接器的横剖图。图9a和9b示出了与半导体器件910连接的连接器900，半导体器件910包括作为触点形成在基底914上的金属焊垫912。半导体器件910可以是硅片，其中，金属焊垫912是形成在硅片上的金属结合垫。半导体器件910也可以是LGA封装，其中，金属焊垫912表示形成在LGA封装上的“岸面”或金属连接垫。图9a和9b中连接器900与半导体器件910的耦合仅是例证性的，并非要将连接器900的应用限制成仅与硅片或LGA封装连接。图9a和9b示出了倒转以与半导体器件910接合的连接器900。本说明书中诸如“上”和“顶面”之类的方向性术语的使用是为了描述连接器的元件的相对位置关系，好像连接器是布置成接触元件面向下一样。

参见图9a，连接器900包括位于基底904上的接触元件902的阵列。因为连接器900可构造成是为了以半导体等级与半导体器件连接，所以连接器900通常是采用半导体制造工艺中常用的材料形成的。在一个结构中，基底904由石英、硅或陶瓷片构成，并且，接触元件902位于形成在基底904顶面上的一介电层上，该介电层可以是旋涂二氧化硅层(SOS)、旋涂玻璃层(SOG)、硼磷四乙氧基甲硅烷层(BPTEOS)或四乙氧基甲硅烷层(TEOS)。接触元件902的阵列一般是作为二维阵列形成的，布置成与要接触的半导体器件910上相对应的触点相配合。在一个结构中，连接器900形成为接触具有50微米或更小节距的金属焊垫。每个接触元件902包括加到基底904顶面上的基部906，和自该基部906延伸的弯曲或线性弹簧部908。弹簧部908具有邻接基部906的近端和突伸出基底904的远端。

弹簧部908远离接触平面弯曲或倾斜地形成，该接触平面是接触元件902将要与之接触的触点的表面，也即金属焊垫912的表面。弹簧部908被形成为相对于基底904的表面有凹曲度，或形成为倾斜地远离基底904的表面。因而，弹簧部908弯曲或倾斜地远离金属焊垫912的表面，这就在与金属焊垫912接合时提供了受控的滑动接触作用。

在操作中，将如图9a中F所示的外偏压力作用到连接器900上，以将连接器900压到金属焊垫912上。接触元件902的弹簧部908在受控的滑动接触作用中与对应的金属焊垫912接合，于是每个接触元件902就与对应的金属焊垫912形成了有效的电连接。接触元件902的曲率或角度确保了最佳接触力与最佳滑触距离同时实现。滑触距离是弹簧部908的远端在接触金属焊垫912时在金属焊垫912的表面上行进的量。通常，接触力根据应用情况大约为5-100克，而滑触距离大约为5-400微米。

接触元件902的另一个特征是弹簧部908允许一个大的弹性工作范围。具体地说，因为弹簧部908在垂直和水平方向上均可移动，就可实现相当于接触元件902的电通路长度的弹性工作范围。接触元件902的“电通路长度”被定义为电流从弹簧部908的远端到接触元件902的基部906必须行进的距离。接触元件902具有跨过接触元件整个长度的弹性工作范围，这就能让连接器适应要连接的半导体或电子器件中通常的共面性变化和位置不对准。

接触元件902采用还能提供理想弹性的导电金属形成。在一个结构中，接触元件902是采用钛(Ti)形成的，其作为支承结构，可随后电镀以获得理想的电和/或弹性性能。在其它的结构中，接触元件902采用铜合金(Cu-合金)或多层金属片如涂覆有铜-镍-金(Cu/Ni/Au)的不锈钢多层金属片形成。在一优选结构中，接触元件902采用小晶粒的铜铍(CuBe)合金形成，随后镀有化学镍-金(Ni/Au)，以提供不氧化的表面。在一替换结构中，接触元件902的基部和弹簧部采用不同的金属形成。

在图9a所示的结构中，接触元件902被示出为具有矩形的基部906，其带有一弹簧部908。本发明的接触元件可采用多种结构形成，并且，每个接触元件只需具有足以将弹簧部加到基底上的基部。基部可采取任何形状并可形成为用于将接触元件加到基底上的圆形或其它有效形状。接触元件可包括多个自基部延伸的弹簧部。

图10a和10b示出了根据本发明替换结构的连接器1000。连接器1000包括形成在基底1004上的接触元件1002的阵列。每个接触元件1002包括基部1006和两个自基部1006延伸的弯曲弹簧部1008、1010。弹簧部1008和1010都具有伸出基底1004且相向面对的远端。弹簧部1008和1010的其它特征与弹簧部908的相同。也就是说，弹簧部1008和1010弯曲地远离接触平面，且各自具有这样的曲率，即，在与将要接触的半导体器件的触点接合时提供受控的滑动接触作用。

连接器1000可用于接触半导体器件1020如BGA封装，其包括作为触点安装在基底1024上的焊球1022的阵列。图10b示出了与半导体器件1020充分接合的连接器1000。连接器1000还可用于接触金属焊垫，比如岸面栅格阵列封装上的焊垫。不过，通过采用接触焊球的连接器1000，提供了特别的优点。

首先，接触元件1002沿着焊球的侧面接触对应的焊球1022。并未与焊球1022的底面形成接触。因而，接触元件1002在接触过程中并不损坏焊球1022的底面，并且有效地消除了焊球1022随后回流以永久加接时形成空隙的可能性。

其次，因为接触元件1002的弹簧部1008和1010弯曲地远离接触平面(在本例中为与接触的焊球1022的侧面相切的平面)，所以接触元件1002在接触对应的焊球1022时提供了受控的滑动接触作用。按此方式，就可形成有效的电连接而不会损坏焊球1022的表面。

第三，连接器1000是可缩放的，且可用于接触节距为250微米或更小的焊球。

最后，因为每个接触元件1002具有相当于电通路长度的大弹性工作范围，接触元件1002就能适应大的压缩范围。因此，本发明的连接器就可有效地用于接触具有正常的共面性变化或位置不对准的传统器件。

图11和12示出了根据本发明替换结构的连接器。参见图11，连接器1100包括形成在基底1104上的接触元件1102。接触元件1102包括基部1106、第一弯曲弹簧部1108以及第二弯曲弹簧部1110。第一弹簧部1108和第二弹簧部1110具有彼此远离的远端。接触元件1102可用于接合包括金属焊垫或焊球在内的触点。当用于接合焊球时，接触元件1102在第一弹簧部1108与第二弹簧部1110之间托住焊球，与图3e所示的情况相似。因而，第一和第二弹簧部1108、1110沿着弯曲地远离焊球接触平面的方向在受控的滑动接触运动中接触焊球的侧面。

图12示出了位于基底1202上的接触元件1200。接触元件1200包括基部1204、自基部1204延伸的第一弯曲弹簧部1206、以及自基部1204延伸的第二弯曲弹簧部1208。第一弹簧部1206和第二弹簧部1208以螺旋形的结构伸出基底1202。接触元件1200可用于接触金属焊垫或焊球。在两种情况下，第一弹簧部1206和第二弹簧部1208均弯曲地远离接触平面并提供了受控的滑动接触作用。

图13a-13c是例如可应用在热交换操作中的连接器1300的横剖图。参见图13a，连接器1300是在卸载的状况下示出的。连接器1300将要被连接到岸面栅格阵列(LGA)封装1320和印刷电路板(PC板)1330上。LGA封装1320上的焊垫1322代表将要与PC板1330上的焊垫1332连接的LGA封装1320中的集成电路的电源接头(也就是说，正电源电压或接地电压)。焊垫1322是电有源的或“加强的(powered-up)”。LGA封装1320上的焊垫1324代表将要与PC板1330上的焊垫1334连接的集成电路的信号脚。为了能进行热交换操作，电源焊垫1322应在信号焊垫1324与焊垫1334连接之前与焊垫1332连接。连接器1300包括在基底1302中的接触元件1304和1306，这些接触元件具有扩展的高度和比接触元件1308、1310更大的弹性工作范围，于是就采用连接器1300实现了LGA封装1320与PC板1330之间的热交换操作。选择接触元件1304和1306的高度，以获得理想的接触力和理想的间距，从而实现可靠的热交换操作。

图13b示出了采用连接器1300将LGA封装1320安装到PC板1330上的安装过程时的中间步骤。当将LGA封装1320和PC板1330一起压到连接器1300上时，在焊垫1324和1334与接触元件1308、1310形成连接之前，焊垫1322和焊垫1332将与对应的接触元件1304、1306形成电连接。按此方式，在信号焊垫连接之前，实现了LGA封装1320与PC板1330之间的电源连接。

图13c示出了完全加载状况下LGA封装1320安装到PC板1330上的情况。通过进一步施加压缩力，LGA封装1320被压到连接器1300上，于是接触元件1308就与信号焊垫1324接合。同样，PC板1330被压到连接器1300上，于是接触元件1310就与焊垫1334接合。LGA封装1320由此安装到PC板1330上。在连接器1300中，当进一步地压缩较高的接触元件1304、1306以容许较短的接触元件1308、1310接合时，连接器所需的接触力就将增加。为了最大程度地减小连接器所需的总接触力，可将较高的接触元件1304、1306设计成具有比较短的接触元件1308、1310要小一些的弹簧常数，于是所有接触元件在完全加载状况下的接触力都能达到最佳。

图14a示出了根据本发明的接电路(circuitized)连接器1400的一个结构。连接器1400包括在介电基底1402顶面上的接触元件1404，其与介电基底1402底面上的接触元件1406连接。接触元件1404与表面安装式的电元件1410和嵌入式的电元件1412连接。电元件1410和1412例如可以是去耦电容器，其位于连接器1400上，于是电容器就可尽可能地靠近电子元件放置。在传统的集成电路组装件中，通常将这样的去耦电容器放置在远离电子元件的印刷电路板上。因而，在要补偿的电子元件与实际的去耦电容器之间存在一个大的间距，由此降低了去耦电容器的效果。通过采用接电路的连接器1400，可尽可能靠近电子元件地放置去耦电容器，以提高去耦电容器的效能。其它可用于给连接器接成电路的电元件包括电阻、感应器以及其它无源或有源的电元件。

图14b示出了根据本发明的接电路连接器的另一结构。连接器1420包括位于介电基底1422上的接触元件1424，其经由过孔1428与焊球端子1426耦接。接触元件1424与表面安装式的电元件1430和嵌入式的电元件1432连接。连接器1420还示出了：端子1426的位置不必与接触元件1424对齐，只要接触元件比如经由过孔1428与端子电耦接就行。要注意的是，根据本发明的连接器可被构造，而不用在基底上构造释放孔(relief hole)。电触头或过孔可限定在偏置孔中或以任何合适的方式限定，以提供内部的电连接或与基底相对面的电连接。

根据本发明的另一方面，连接器可包括一个或多个同轴的接触元件。图15a和15b示出了连接器1500，其包括根据本发明一个结构的同轴接触元件。参见图15a，连接器1500包括形成在介电基底1502顶面上的第一接触元件1504和第二接触元件1506。接触元件1504和1506彼此靠近但电隔离。接触元件1504包括形成为孔1508外环的基部，而接触元件1506包括形成为孔1508内环的基部。每个接触元件1504、1506包括三个弹性部(图15b)。接触元件1504的弹性部并不与接触元件1506的弹性部重叠。接触元件1504经由至少一个过孔1512与介电基底1502底面上的接触元件1510连接。接触元件1504和1510形成第一电流通路，称作连接器1500的外电流通路。接触元件1506经由形成在孔1508中的金属线路1516与介电基底1502底面上的接触元件1514连接。接触元件1506和1514形成第二电流通路，称作连接器1500的内电流通路。

经过如此的构造，连接器1500可用于将LGA封装1520上的同轴连接和PC板1530上的同轴连接互连。图16示出了LGA封装1520通过连接器1500与PC板1530配合的情况。当将LGA封装1520安装在连接器1500上时，接触元件1504与LGA封装1520上的焊垫1522接合。同样，当将PC板1530安装在连接器1500时，接触元件1510与PC板1530上的焊垫1532接合。因此，就在焊垫1522与焊垫1532之间形成了外电流通路。一般来说，外电流通路构成了接地电位连接。接触元件1506与LGA封装1520上的焊垫1524接合，而接触元件1514与PC板1530上的焊垫1534接合。因此，就在焊垫1524与焊垫1534之间形成了内电流通路。一般来说，内电流通路构成了高频率的信号。

连接器1500的特定优点是，可按照一毫米或更小的尺寸制造同轴接触元件。因而，连接器1500可用于提供同轴连接，即便是对于几何结构小的电子元件而言。

电连接器的制造方法

图17a-17h示出了形成图9a中根据本发明的一个结构的连接器900的加工步骤。参见图17a，提供了基底1700，接触元件将定位在其上。例如，基底1700可以是具有事先限定的电路的硅片或陶瓷片，且可包括形成在其上的介电层(未在图17a中示出)。例如SOS、SOG、BPTEOS或TEOS的介电层可形成在基底1700上，以使接触元件与基底1700隔离。随后，支承层1702形成在基底1700上。支承层1702可以是沉积的介电层，比如氧化层或氮化层、旋涂电介质、聚合物或任何其它合适的可蚀刻材料。支承层1702可通过多种不同的工艺沉积，包括化学汽相沉积(CVD)、等离子汽相沉积(PVD)、旋涂工艺，或者当基底1700不被介电层或导电粘合层覆盖时，可采用半导体制造中常用的氧化法形成支承层1702。

在沉积了支承层1702之后，在支承层1702的顶面上形成掩模层1704。掩模层1704是结合传统的光刻工艺使用的，以利用掩模层1704在支承层1702上限定图案。在掩模层印刷并显影(图17b)之后，就在支承层1702的表面上形成了包括区域1704a-1704c在内的掩模图案，从而限定了免受随后蚀刻的支承层1702的区域。

参见图17c，将区域1704a-1704c用作掩模而执行各向异性蚀刻工艺。作为各向异性蚀刻工艺的结果，就去除了未被形成图案的掩模层覆盖的支承层1702的那些部分。因此，就形成了支承区域1702a-1702c。随后去除包括区域1704a-1704c在内的掩模图案，以曝光支承区域(图17d)。

然后，对支承区域1702a-1702c实施各向同性蚀刻工艺。各向同性蚀刻工艺在垂直和水平方向上以基本相同的蚀刻速度去除受蚀刻材料。因此，作为各向同性蚀刻的结果，支承区域1702a-1702c的顶角被修圆，如图17e所示。在一个结构中，各向同性蚀刻工艺为等离子蚀刻工艺，采用了SF₆、CHF₃、CF₄或其它众所周知的蚀刻介电材料常用的化学物质。在替换结构中，各向同性蚀刻工艺为湿式蚀刻工艺，比如采用了缓冲氧化蚀刻(BOE)的湿式蚀刻工艺。

接着，参见图17f，在基底1700的表面上和支承区域1702a-1702c的表面上形成了金属层1706。金属层1706可以是铜层、铜合金(Cu-合金)层、或多层金属沉积物比如涂覆有铜-镍-金(Cu/Ni/Au)的钛。在一优选结构中，接触元件是采用小晶粒的铜铍(CuBe)合金形成的，随后镀有化学镍-金(Ni/Au)，以提供不氧化的表面。金属层1706可通过CVD工艺、电镀、溅射、PVD或其它传统的金属膜沉积技术沉积。掩模层采用传统的光刻工艺沉积且形成图案为掩模区域1708a-1708c。掩模区域1708a-1708c限定了免受后面蚀刻的金属层1706的区域。

图17f中的结构随后经受蚀刻过程，以将没被掩模区域1708a-1708c覆盖的金属层的部分去除。因此，金属部分1706a-1706c如图17g所示地形成。金属部分1706a-1706c中的每一个都包括形成在基底1700上的基部和形成在相应支承区域1702a-1702c上的弯曲弹簧部。因此，每个金属部分的弯曲弹簧部呈现了下面支承区域的形状，伸出了基底1700的表面。

为了完成连接器，支承区域1702a-1702c比如通过采用湿式蚀刻、各向异性等离子蚀刻或其它蚀刻工艺去除(图17h)。如果支承层采用氧化层形成，就可将缓冲氧化蚀刻剂用于去除支承区域。因此，自由竖立的接触元件1710a-1710c形成在基底1700上。

上述加工步骤可变化来制造本发明的连接器。例如，各向同性蚀刻工艺的化学物质和蚀刻条件可定制，以提供支承区域中理想的形状，于是接触元件就具有理想的曲率。通过采用半导体加工技术，所制造的连接器的接触元件可具有多种性能。例如，第一组接触元件可形成有第一节距，而第二组接触元件可形成有大于或小于第一节距的第二节距。接触元件的电性能和机械性能上的其它变化也是可行的。

图18a和18b示出了用于形成根据本发明替换结构的、与图14a的连接器1400相似的接电路连接器的第一项和最后一项加工步骤。参见图18a，提供了包括预定电路1802的基底1800。预定电路1802可包括互连的金属层或其它电器件，比如电容器、电阻、晶体管、感应器，其一般形成在基底1800中。金属顶部1804形成在基底1800的顶面上，以与要形成的接触元件连接。支承层1806和掩模层1808形成在基底1800的顶面上。

采用与上面结合图17b-17g描述的工艺相似的工艺形成接触元件1810(图18b)。在如此成形时，接触元件1810与电路1802电连接。按此方式，就可通过本发明的连接器提供附加的功能。例如，电路1802可形成为将一些接触元件电连接到一起。电路1802还可用于将一些接触元件与形成在基底1800中或基底1800上的比如电容器或感应器的电器件连接起来。

作为集成电路制造工艺的一部分的制造接触元件1810提供了额外的优点。具体地说，在接触元件1810与下面的电路1802之间形成连续的电通路。在接触元件与相关电路之间不存在金属不连续性或阻抗失配。在一些现有技术的连接器中，采用金接合线形成接触元件。不过，这样的结构会导致在接触元件与下面的金属连接之间的界面出现总材料和横截面的不连续性和阻抗失配，从而导致电特性不理想、高频率操作差。

根据本发明的另一个方面，连接器设有具有不同操作性能的接触元件。也就是说，连接器可包括不同种类的接触元件，其中接触元件的操作性能可选择以满足理想应用的要求。接触元件的操作性能指的是接触元件的电性能、机械性能和可靠性。通过使接触元件具有不同的电性能和/或机械性能，连接器就可制成为满足高性能互连应用中严格的电、机械以及可靠性方面的要求。

根据本发明的替换结构，电性能可针对一个接触元件或一组接触元件特定地设计，以实现一些理想的操作特性。例如，每个接触元件的DC电阻、阻抗、电感以及载流能力都可改变。因此，可将一组接触元件设计成具有较低的电阻或具有低电感。接触元件还可设计成在环境影响比如热循环、热冲击和振动、腐蚀试验以及湿度试验之后没有性能降低或性能降低最小。接触元件亦可设计成满足由工业标准限定的其它可靠性需求，比如满足电子工业联盟(EIA)所限定的要求。

接触元件的机械性能和电性能可通过改变下面的设计参数而变化。首先，接触元件的弹簧部的厚度可选择，以产生理想的接触力。例如，大约30微米的厚度一般产生相当于10克或更小的低接触力，而40微米的翼缘厚度相对于相同的位移产生20克的较高接触力。弹簧部的宽度、长度以及形状还可选择以产生理想的接触力。

其次，包括在接触元件中的弹簧部的数量可选择以实现理想的接触力、理想的载流能力以及理想的接触电阻。例如，通过弹簧部数量的加倍，接触力和载流能力大致也加倍，同时接触电阻大致减少了两倍。

第三，特定的金属成分和处理可选择以获得理想的弹性和传导性。例如，可将比如铍铜的铜合金用于提供机械弹性与导电性之间良好的权衡。作为替换，可将金属多层用于提供优异的机械性能和电性能。在一个结构中，采用涂覆铜(Cu)、然后涂覆镍(Ni)、最后涂覆金(Au)的钛(Ti)形成接触元件，以形成Ti/Au/Ni/Au多层。Ti提供了弹性和高的机械耐久性、Cu提供了传导性、Ni和Au层提供了耐腐蚀性。最后，不同的金属沉积技术比如电镀或溅射和不同的金属处理技术比如合金化、退火以及其它冶金技术都可用于设计接触元件的理想特性。

第四，弹簧部的形状可设计成产生一定的电性能和机械性能。弹簧部的高度或伸出基部的量亦可改变，以产生理想的电性能和机械性能。

图19a-19d是形成根据本发明一替换结构的接触元件的方法1900的流程图。图20-23b将在讨论方法1900的情况下予以讨论。方法1900还涉及采用掩模、蚀刻、成型以及层压技术来批制造接触元件。方法1900生成多个设计优异的电触头，能用在可分离的连接器比如用在插件中，或者这些触头可作为连续的线路直接集成到基底中，该连续的线路随后充当永久的内置连接器。不过，三维弹簧部并不是采用额外的掩模和蚀刻步骤形成的，它们是在平阵列中产生而后形成为三维形状的。

首先，选择触头片的弹簧基材，比如铍铜(Be-Cu)、弹簧钢、磷青铜或任何其它具有适当机械性能的材料(步骤1902)。材料的正确选择能将接触元件设计成具有理想的机械性能和电性能。选择基材的一个因素是材料的工作范围。工作范围是接触元件满足接触力(载荷)和接触电阻技术要求的位移范围。例如，假定理想的接触电阻小于20毫欧且容许的最大接触载荷是40克。如果接触元件以10克的载荷达到小于20毫欧的电阻范围，随后继续到梁元件的40克的最大载荷，同时维持小于20毫欧的电阻，那么接触元件在10克与40克载荷之间行经的距离将是触头的工作范围。

触头片可在随后的加工之前作热处理(步骤1904)。片是否在过程中的此时加热，取决于片所选材料的类型。加热被执行用来使材料从半硬状态进入提供形成触头所需理想机械性能的硬状态或高度拉伸状态。

将接触元件设计并复制成阵列形式，以用在批加工中(步骤1906)。阵列中触头的数量是一种设计选择，并可根据连接器的要求改变。将阵列复制到面板格式中，与半导体晶片中的芯片或模(die)相似，从而产生适合于批加工的可缩放设计。在已完成触头设计后(通常在CAD绘图环境中)，设计被接口(port)到格伯(Gerber)格式，这是一种翻译程序，能将设计接口到用于产生要用在随后步骤中的底版幻灯片或胶片的制造工具。

面板格式可具有一个触头到大量触头之间的任何数目的触头，因为光刻的使用允许将高密度的触头放置到面板上。高密度的触头优于现有方法的地方在于，与冲压并形成各个触头相比，批处理可用于使触头分开。方法1900允许大量的触头被形成图案、显影且立即蚀刻。

随后，将光刻光敏抗蚀膜加到片的两面上(步骤1908和图20)。干膜可用于较大的从1密耳到20密耳的特征尺寸，而液体抗蚀膜可用于小于1密耳的特征尺寸。

通过使用步骤1906中限定的原图，将片的顶部和底部曝露在紫外(UV)光中，随后显影，以在抗蚀膜中限定触头特征(步骤1910和图21)。将要蚀刻的部分未受到掩模的保护。通过采用光刻工艺限定接触元件，使得能印刷具有精细分辨率的线，与半导体制造中存在的相似。

片随后在专门为所使用材料选择的溶液中蚀刻(步骤1912)。可选择用于片的每种特定材料一般具有与之相关的特定蚀刻化学性质，以提供最好的蚀刻特性，比如蚀刻速度(即，溶液执行蚀刻有多好，有多快)。这是考虑生产量情况下的一个重要因素。所选择的蚀刻剂还影响其它特性如侧壁轮廓或横截面中看出的特征的平直度。在方法1900中，采用工业中常见的化学制品，如氯化铜、氯化铁以及氢氧化硫。一旦蚀刻，就在剥离过程中去除抗蚀剂的保护层，从而将蚀刻的特征留在片中(步骤1914和图22)。

基于在步骤1906中限定的原图，设计批成形工具(步骤1916)。在一个结构中，批成形工具包括多个排列成阵列型式的滚珠轴承，优选通过置入一支承表面中的开口阵列内。滚珠轴承可具有不同的大小，以将不同的力作用到触头上，从而将不同的机械特性赋予同一面板上的触头。滚珠轴承的曲率用于将凸缘推离片的平面。随后，通过将成形工具施加到片上，使触头的凸缘在所有三根轴线上成形，以在批过程中产生理想的接触元件(步骤1918)，正如下面参照图24-30更为详细地讨论一样。

片可作热处理以解除由成形过程产生的应力(步骤1920)。如同步骤1904一样，加热步骤1920是可选的，并且依片所选的材料而定。基于限定在片上的触头的材料和尺寸，可执行加热以获得实现最佳成形条件所需的理想物理性能。

随后，对片进行表面处理，以提高随后层压过程的粘合性(步骤1922)。如果粘合不充分，就存在片与基底分离或分层的趋势。可采用几种执行表面处理的方法，包括微蚀刻和黑色氧化物法。微蚀刻用于使片表面凹下，有效地产生了较大的表面积(通过使表面粗化并凹陷)以促进更好地粘合。不过，如果没有控制好微蚀刻的话，就会对片有损害。

黑色氧化物法是涉及自我限制反应的置换过程，其中，氧化物生长在片的表面上。在该反应中，氧仅扩散穿过固定的厚度，由此限制了氧化物的生长量。氧化物具有隆起形式的粗化表面，这有助于促进粘合。微蚀刻或黑色氧化物法可用于表面处理步骤，优选其中任一种工艺方法是设计选择。

在压制之前，低流动性粘合材料和电介质芯被加工成具有位于凸缘元件下面的释放凹陷或孔(步骤1924)。这用于防止材料在层压过程中过分地流到凸缘上。万一发生这种流动，接触性能就会改变，使得接触元件不适于电和机械的用途。

下面的序列是产生用于层压的典型叠积层(步骤1926)。这种配置可改变，以将接触元件作为内层插入。图23a示出了叠积层的每一层。

a.层1是顶部压板材；

b.层2是具有在弹簧接触元件上的释放孔的间隔材料；

c.层3是具有在弹簧接触元件上的释放孔的脱离材料；

d.层4是所形成的触头片的顶片；

e.层5是具有在弹簧接触元件下面的释放孔的粘合材料；

f.层6是具有在弹簧接触元件下方和上方的释放孔的芯电介质；

g.层7是具有在弹簧接触元件上方的释放孔的粘合材料；

h.层8是所形成的接触元件的底片；

i.层9是具有在弹簧接触元件下方的释放孔的脱离材料；

j.层10是具有在弹簧接触元件下方的释放孔的间隔材料；

k.层11是底部压板材。

叠积层是在实现粘合材料理想的粘合和流动条件而优化的温度条件下受压的(步骤1928和图23b)。在该过程中，顶部和底部触头片结合成为芯电介质材料。在经过一个冷却阶段之后，将叠积层从压板中去除，从而留下由层4-8构成的面板(步骤1930)。

随后对面板表面和开口进行电镀，以将顶部和底部凸缘电连接(步骤1932)。该步骤取走顶部凸缘并通过称作非电解工艺的电镀工艺使之与底部凸缘电连接。该工艺有效地将传导材料沉积在顶面上，使之进入通孔中以连接两个接触元件片，随后沉积到基底另一面的片上。电镀工艺形成了从板一面行进到另一面的电流线路。

接着，将光敏抗蚀膜施加到面板的两面(步骤1934)。图案曝光并显影以限定各个接触元件(步骤1936)。然后作出有关触头终饰类型(硬金或软金)的决定(步骤1938)。硬金用在所需插件数多的特定场合，比如测试插座。硬金自身具有使金更加耐用的杂质。软金是纯金，这样它就有效地不存在杂质，一般用在插件数相当少的PCB或连网空间中。例如，用在PC中的封装到板插座(软金)一般看得到大约1到20个的插件，而其它采用硬金的技术将会看到10到1000000个的大量插件。

如果触头终饰类型是硬金，那么进行局部蚀刻以使接触元件几乎分开(步骤1940)。经由剥离法去除抗蚀膜(步骤1942)。施加新的抗蚀剂层，覆盖面板的两面(步骤1944)。曝光并显影先前蚀刻的区域(步骤1946)。之后，经由硬金法对面板进行电解的铜/镍/金电镀(步骤1948)。

去除抗蚀剂以曝光先前局部蚀刻的刻划线(步骤1950)。整个面板是采用电解镍/金作为硬掩模蚀刻的，以完成触头阵列的分开(步骤1952)。使最终的插件轮廓在面板之外走线，以将面板分成各个连接器阵列(步骤1954)，然后方法结束(步骤1956)。

如果采用软金终饰(步骤1938)，随后进行蚀刻以使接触元件完全分开(步骤1960)。经由剥离法将抗蚀膜去除(步骤1962)。将化学镍/金(也称软金)镀到面板上以完成接触元件(步骤1964)。使最终的插件轮廓在面板之外走线，以将面板分成各个连接器阵列(步骤1954)，然后结束方法(步骤1956)。

软金终饰法在电镀之前使触头分开。镍/金将只在金属表面上电镀并给接触元件提供了一个密封机构。这有助于防止可能在触头系统寿命中出现的潜在腐蚀性，因为金实际上是惰性的。电镀之前的分开是用别的金属使铜触头隔离或封装的一种方式，从而更清晰地成像，产生更洁净的触头，这样短路的可能性就低。

图24示出了示范性的叠积层2400，其可用在步骤1918中，以批形成根据本发明一个结构的三维弹簧元件。叠积层2400具有充当其底层的底部压板2402。底部压板2402优选包括至少两个定位销2404或其它对齐部件如基准孔、边缘等，以对齐叠积层2400的元件。底部压板2402所用的材料可以是任何具有足够的刚性以承受用于压缩叠积层的力但不使压板2402变形的材料，例如钢或铝。虽然叠积层2400被示出采用了两个定位销2404，但可采用任何数量的定位销。

底部分隔层2406(在图25的局部俯视平面图中示出)位于底部压板2402之上。在一个结构中，底部分隔层2406由一种比底部压板2402要软的材料制成，例如是金属或塑料。要注意的是，层2406可替换性地由与底部压板2402相似的材料制成。层2406具有定位孔2408或其它上面讨论的合适部件，以使层2406与底部压板2402对准。层2406还具有多个孔2410。每个孔2410的尺寸和形状被设定成容纳可置配模例如滚珠轴承2412，如图26的放大图所示。在此所用的术语“可置配模”指的是可用于在别的结构比如可变形的片中形成或赋予一个形状的元件。除了球形的滚珠轴承外，可置配模还可以是圆锥形、棱锥形或其它形状。

虽然图24-27中所示的示范性结构采用了通孔2410，但可提供部分或全部贯穿层2406的开口。在本发明的一个结构中，孔2410和可置配模2412利用光刻掩模和蚀刻技术形成在精确的位置上，以便形成与特定的触头配置精确匹配的阵列，例如与完成的弹簧元件片接触的器件的触头配置。该配置可以微米级精确度便宜地实施，能非常快地转变成适应各种触头图案。

滚珠轴承2412或其它可置配模根据理想图案通过手动或机械方式被放置到孔2410中以形成弹簧元件或圆顶特征，该圆顶特征随后可形成图案并蚀刻以形成弹簧元件。滚珠轴承2412可具有微小的干涉配合，以使它们被加压并固定就位。如图26和27所示，轴承突伸的高度会受到孔径的控制。滚珠轴承2412可一直插到其赤道位置或更远以实现稳定性，如图29所示。孔2410一般钻得稍微小于滚珠轴承2412，例如0.025mm或更小。通过将滚珠轴承2412压入配合到孔2410中，就存在分隔层2406的微小的弹性变形。该变形施加了分隔层2406的摩擦力，这有助于将滚珠轴承2412保持就位。

在将一个或多个可置配模2412比如滚珠轴承插入并压力配合到孔2410中之后，分隔层2406保持住可置配模，于是最终形成的包含可置配模的分隔层可作为模板操作，以使可变形的片成形，从而在片中形成弹簧元件。最终形成的模板包含在尺寸和形状上对应于各个伸出分隔层2406平面之上的可置配模部分的三维特征，从而得到一个三维表面，例如图27中所示的表面2450。

因此，根据最终三维弹簧元件所需的预定设计，表面2450特征的特征和尺寸可通过改变插在分隔层2406中的可置配模的形状和尺寸定制。例如，预定设计会要求弹簧元件具有横截面观察为圆弧的形状，如图29中的层2414所示。因此，球形或圆柱形模可用于产生这样的设计。此外，如果设计需要弹簧元件伸出平面预定距离，可置配模伸出模板平面表面部分的高度就可相应地改变。

滚珠轴承2412或其它可置配模可由硬化工具钢或不锈钢制成并可根据要形成的弹簧元件的理想特性改变直径。滚珠轴承2412也可由任何其它适当的材料制成，比如AL6061、AL76075、铬钢或碳化钨。作为实例，滚珠轴承2412的直径为约0.3mm-约127.0mm。滚珠轴承2412插入层2406中的深度受底部压板2402的限制。滚珠轴承2412的插入深度(如图26和27所示)也可改变以给各个弹簧元件提供不同的弹簧特性。此外，滚珠轴承2412或其它不同尺寸或形状的可置配模也可用于实现不同的弹簧特性。

在一个结构中，将具有与定位销2404对齐的定位孔2416或其它对齐部件的弹簧元件片2414置于滚珠轴承2412或其它可置配模的顶部。弹簧元件片2414包含以二维限定的弹簧元件并可通过各种方法(包括蚀刻或冲压)形成。图28中示出了具有以二维限定的元件的弹簧元件片的一个实例。在该结构中，仍参见图19b，步骤1918的成形工具由此包括层2402、2406、2412、2418和2424，它们被施加到片2414上以形成例如以阵列布置在片2414内的三维弹簧元件。

再次参见图25，可置配模2412能以二维图案布置在分隔层2406中，这样最终模板中的模位置就对应于布置在弹簧片2414中至少一些二维弹簧元件的位置，此时模板(未示出)与弹簧片2414相接触。因此，如果用户确定弹簧片2414中的二维弹簧元件(见图28)每隔一个将形成为三维弹簧元件，置于分隔层2406内的可置配模2412的图案由此就布置了。按此方式，可置配模2412仅让希望形成为三维弹簧元件的二维弹簧元件变形。通过增加或去除产生新形式或尺寸触头的模区域，可容易地改变结构。

在图30所示的替换结构中，可采用没有预定弹簧元件的弹簧元件片2414′。弹簧元件片2414′是平坦的弹簧元件片，仅具有让片2424′与其它层对齐的定位孔2416。本发明以相同的方式操作，而不论使用的是片2414还是2414′，除了下面提示注意的之外。出于仅讨论的目的，进一步的讨论仅提到片2414，但同样适用于片2414′。

如图24所示，分隔顶层2418置于片2414的顶上。分隔顶层2418具有让层2418与定位销2404对齐的定位孔2420，或如上所述的其它对齐部件。分隔顶层2418还可包括多个开口2422，它们与可置配模2412形成互补，弹簧元件通过这些开口而形成。正如在此使用的一样，术语“互补”意味着：当分隔顶层2418与弹簧片2414接触时，开口2422基本上与可置配模2412的位置对齐。因此，当分隔顶层2418接触弹簧片2414且使之在可置配模2412上变形时，可置配模2412周围弹簧片2414的局部变形可基本上容纳在开口2422内。

分隔顶层2418可由与分隔底层2406相似或不同的材料构成。与分隔底层2406中的孔2410相比，层2418中的开口2422的尺寸可小一些、相同或大一些。按此方式，就可通过改变开口2422的尺寸实现对弹簧元件最终形状的某些控制。此外，分隔顶层2418的厚度也可有助于确定弹簧元件在片2414表面上的最终高度。

或者，分隔层2418由基本上绕着可置配模2412顺应的顺从材料(例如硅橡胶)制成，以便在可置配模2412的接触区域上形成弹簧元件，如图29所示。因此，层2418可最初包括具有均匀厚度的层，其可通过表面2419的变形遵从三维形状，如图29所示。

再次参见图24，在替换结构中，分隔顶层2418可设计为具有多个开口的分隔顶片，可置配模可在限定位置上压入这些开口中。按此方式，分隔顶层2418形成第二模板(未示出)，其可用于在片2414平面的下方形成弹簧元件。按此方式，当层2418和层2406与弹簧片2414接触时，弹簧元件可形成在弹簧片2414平面的上方和下方。分隔顶层2418中可置配模的图案被这样布置，即，各模的位置并不对应于分隔底片2406中可置配模的相同平面位置。也就是说，弹簧片2414的任何平面位置比如二维弹簧元件的位置可由分隔顶层2418或分隔底片2406中的可置配模接触，二者并非都是。因此，布置在分隔顶层或分隔底层中的每组可置配模的每个可置配模对应于弹簧片2414中一个独特的弹簧元件位置。因此，当叠积层2400合到一起时，每个要形成为三维弹簧元件的二维弹簧元件被迫在弹簧片2414平面的上方或下方突伸。

如图24所示，顶部压板2424被置于分隔顶层2418的顶部。顶部压板2424具有与定位销2404对齐的定位孔2426或其它对齐部件。顶部压板2424由与底部压板2402相似的材料构成。在叠积层2400的元件已经组装并对齐之后，优选采用定位销2404，将压力施加到顶部压板2424和底部压板2402上。该压力将可置配模2412压到片2414的下侧，从而向上推动弹簧元件，继而形成三维弹簧元件，如图29所示。

形成弹簧元件所需力的量取决于所成形材料的性能，并且如果想要的话受到底部压板2402屈服强度的限制。不过，从形成的接触臂的尺寸和比例来看，这通常不是问题。

如上所述，在将可置配模压入顶层2418中的替换结构中，可取得与图29所示相似的结果，差别在于：可置配模将向下压而不是向上压弹簧片。因此，在替换结构中，弹簧片的一些弹簧元件可通过位于弹簧片下方的可置配模向上推动，而另一些则通过位于弹簧片上方的可置配模向下推动。

当使用弹簧元件片2414′的替换结构时，所施加的压力将滚珠轴承2412压到弹簧元件片2414′的下侧上，从而向上推动弹簧元件片2414′，继而形成三维圆顶3010，如图30a所示。施压之后，圆顶3010可形成图案并蚀刻，以形成三维接触元件。

根据本发明具有通过采用滚珠轴承形成的弹簧元件的电连接器具有独特的特性。通过在滚珠轴承上压弹簧元件，使得弹簧元件具有加给材料弹簧力的扭转力，从而提供了附加的弹簧特性。这就产生了独特的物理结构，其给电连接器的邻接电触头提供了更好的滑动接触作用。扭转力存在于材料扭转的任何时候；在本例中，材料形成在球形滚珠轴承的周围，从而使其绕着球表面扭转，由此提供扭转力。要注意的是，本发明中可设想到具有形状不同于上述球形滚珠轴承的表面的可置配模的配置。因此，可改变施于形成在本发明的可置配模上的电触头的力的程度和性质。

图30b示出了可形成触头的弹簧元件的传统悬臂梁弹簧元件3020的横截面，而图30c示出了根据本发明结构的触头的扭力梁弹簧元件3030的横截面。长度为L、宽度为b以及高度为h的悬臂梁中的最大偏转δmax可根据下面的公式计算：δmax＝(PL³)/(3Ebh³/12)，其中P是施加到梁上的载荷，E是梁的弹性模量。将图30b标准梁的梁横截面与图30c扭力梁的梁横截面两相比较，容易明显地看出：在解h2(扭力梁的高度)时，h1(标准梁的高度)小于h2。因此，针对给定的δmax，最终的载荷明显不同于标准的非扭力的悬臂梁上的载荷，因此，通过选择用于形成三维触头的适当的模元件比如球形滚珠轴承，可将或多或少的扭力施加到所形成的三维触头弹簧元件比如梁上，于是所形成的触头弹簧元件就可设计成满足一定的理想机械响应。

根据本发明的原理，还可获得形成三维弹簧元件的方法3100，如图31a所示。首先，提供滚珠轴承或其它可置配模的底层，其中，滚珠轴承例如布置在对应于要形成的弹簧元件位置的预定图案中(步骤3102)。接着，将弹簧元件片置于滚珠轴承的顶上，弹簧元件被限定成二维并位于底层上的滚珠轴承上(步骤3104)。弹簧元件片随后被压到滚珠轴承上，其中滚珠轴承接触弹簧元件片的下侧，由此压出超出片平面的弹簧元件并形成三维弹簧元件(步骤3106)。

图31b示出了由三维结构(比如图30中所示的圆顶3010)形成弹簧元件的替换方法3110。首先，提供可置配模例如滚珠轴承的底层，其中滚珠轴承布置在对应于要形成的三维圆顶位置的预定图案中(步骤3114)。接着，将平坦的弹簧片置于可置配模的顶上(步骤3116)。术语“平坦”指的是平坦弹簧片在压到可置配模上之前并不包含预先形成图案的二维弹簧元件这一事实。随后，将弹簧片压在可置配模上，其中可置配模接触弹簧片的下侧，由此压出在片平面上方的弹簧片部分并形成表面三维结构(也称“三维弹簧前体”)，例如在滚珠轴承上形成的圆顶3010(步骤3118)。在步骤3120中，包含三维弹簧前体比如圆顶的弹簧片随后形成图案并蚀刻成三维弹簧接触元件。因此，例如各个圆顶可形成图案并穿过整个弹簧片厚度蚀刻以去除圆顶部分并形成具有例如相似于图12的触头1200的结构的触头。

虽然已经示出并描述了本发明的具体结构，但对于本领域的技术人员来说，可做出许多改型和变型，而不脱离本发明的范围。总之，上述说明起例证作用而非限制特定发明。

本领域的技术人员将会认识到，根据本发明的连接器可以用作插件、PCB连接器，或可形成为PCB的组成部分。本发明的可缩放性是不受限制的，并且可容易地针对生产要求定制，这归因于形成三维连接器元件所用的光刻技术和简单的加工模。

本发明的上述结构公开内容起到例证和说明的目的。决非是彻底详尽的，或是要将本发明限制到披露的精确形式。按照上述公开内容，在此描述结构的多种变型和改型对于本领域的技术人员来说将是显而易见的。例如，提到叠积层2400元件时的“顶部”和“底部”术语的运用是为了清楚起见。顶部和底部元件颠倒的结构落在本发明的范围内。此外，可设想叠积层2400的层布置为水平叠积层的结构。本发明的范围仅受随附权利要求及其等价物的限定。

此外，在描述本发明的代表性结构时，说明书会将本发明的方法和/或工艺显示为特定的步骤顺序。不过，在方法或工艺并不依赖于在此提出的特定步骤顺序的方面来说，方法或工艺不应被限制到所描述的特定步骤顺序。正如本领域的普通技术人员所能理解的一样，其它步骤顺序也是可行的。因此，说明书中提出的特定步骤顺序不应被解释为对权利要求的限制。此外，涉及本发明方法和/或工艺的权利要求不应被限制到所书写顺序中其步骤的执行，本领域的技术人员可容易地理解出：顺序可变化并仍落在本发明的精髓和范围内。

Claims (24)

1、一种批形成三维弹簧元件的系统，包括：

具有三维结构的模板；

安置在弹簧元件片上的第一分隔层；以及

包括二维弹簧元件并安置在模板与分隔层之间的弹簧元件片，在模板和分隔层压到弹簧元件片上时，三维结构接触并形成生成为三维弹簧元件的二维弹簧元件。

2、如权利要求1所述的系统，还包括：

安置在分隔顶层上的第一压板；

相邻模板安置的第二压板，第一压板和第二压板被构造成在形成三维弹簧元件过程中接收压力和传递压力时保持不变形。

3、如权利要求1所述的系统，模板包括：

位于第二压板上的第二分隔层，第二分隔层含有多个开口；以及

多个可置配模，可置配模位于第二分隔层中的多个开口的至少一些开口中并给模板提供三维结构。

4、如权利要求1所述的系统，三维结构形成在伸出弹簧元件片平面表面部分的弹簧元件片完成的弹簧元件中。

5、如权利要求3所述的系统，可置配模包括滚珠轴承，其被构造成压入配合到第二分隔层的开口中并基于完成的弹簧元件的想要高度而伸出模板的平面表面至预定的高度。

6、如权利要求2所述的系统，还包括对齐系统，其包括至少一个位于第二压板上的定位销和至少一个位于模板、弹簧元件片、第一分隔层以及第一压板中的对齐孔。

7、如权利要求5所述的系统，第一分隔层包括第一分隔片，其具有多个与模板的滚珠轴承互补的第一分隔片开口。

8、如权利要求1所述的系统，第一分隔层包括弹性材料，其具有预定的厚度并且基本上与模板的三维结构顺应一致。

9、如权利要求8所述的系统，预定厚度大于模板三维特征的预定高度。

10、如权利要求1所述的系统，第一分隔层包括由顶部分隔片形成的第一模板，顶部分隔片具有在指定位置容纳可置配模的多个开口。

11、一种批形成三维弹簧元件片的方法，包括：

在弹簧片中限定多个单独的二维弹簧元件；

在第二分隔层中布置第一组模，以接触各个二维弹簧元件中的一些；以及

将弹簧片压到第一组模上，以使接触的二维弹簧元件形成为三维弹簧元件。

12、如权利要求11所述的方法，所述布置第一组模以接触各个二维弹簧元件中的一些包括：

提供以第一图案布置在第二分隔层中的第一组第二分隔孔；

根据第二图案将第一组模插入第一组第二分隔孔中的一些中；

对齐弹簧片和第一分隔层，使得第一组模的平面位置对应于二维弹簧元件的位置。

13、如权利要求12所述的方法，第一图案和第二图案基本上相同。

14、如权利要求11所述的方法，第二分隔层与弹簧片对齐，使得模的所有位置对应于弹簧片的弹簧元件的位置。

15、如权利要求12所述的方法，将第一组模布置成伸出第二分隔层的平面表面至预定的模高度。

16、如权利要求11所述的方法，还包括采用第一板和第二板将第一组模压到弹簧片上。

17、如权利要求11所述的方法，第一组模包括至少一些滚珠轴承，并且该方法还包括采用该至少一些滚珠轴承将扭转力加到形成的弹簧元件中。

18、如权利要求12所述的方法，还包括：

提供第一分隔层以接触弹簧片；以及

在将弹簧片压到第一组模中之前，将第一分隔层布置在弹簧片与第一组模相反的面上。

19、如权利要求18所述的方法，还包括：

使具有第一分隔孔的第一分隔层形成图案；

对齐分隔顶层和第一组模，使得第一分隔孔的位置对应于第一组模的位置。

20、如权利要求18所述的方法，还包括在第一分隔层中提供可弹性变形的层，其具有足以容纳第一组模的层厚。

21、如权利要求19所述的方法，还包括将第二组模置入至少一些第一分隔孔中，第二组模被布置成在不同于第一组模接触弹簧片的平面位置的平面位置接触弹簧片。

22、如权利要求12所述的方法，还包括：

根据第三图案在第二分隔层中布置第二组第二分隔孔；

使第三组模配合到第二组第二分隔孔中，该第三组模具有基本上不同于第一组模的单独模特性。

23、一种批形成三维弹簧元件片的方法，包括：

将具有未形成图案区域的二维弹簧片置靠在可置配模上；

将弹簧片压到可置配模上，由此在弹簧片中形成多个未形成图案的三维结构；

使三维结构形成图案并蚀刻，以形成三维弹簧元件。

24、如权利要求23所述的方法，二维弹簧片还包括形成图案的二维弹簧元件。

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