DE10162992A1

DE10162992A1 - Stecksockel und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE10162992A1
Application number: DE2001162992
Authority: DE
Inventors: Uwe Dreisigacker; Dirk Hillebrand
Original assignee: Siemens Dematic AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-12-20
Filing date: 2001-12-20
Publication date: 2003-07-17

Abstract

Der Stecksockel besteht aus einem Grundkörper (1) aus Kunststoff mit einer Bestückungsseite (2) zur Aufnahme eines Bauelementes und einer Anschlußseite (3) zur Lötkontaktierung auf einer Leiterplatte. Von der Bestückungsseite her sind Steckkanäle (5) in den Grundkörper eingeformt, und deren Boden ist über Kontaktierungsdurchbrüche (6) mit der Anschlußseite verbunden. Auf der Anschlußseite (3) sind Kontakthöcker (8) aus Kunststoff angeformt und mit einer leitenden Schicht überzogen. Durch entsprechende leitende Beschichtungen ist jeweils ein Kontakthöcker über einen Kontaktierungsdurchbruch (6) mit der Innenwand eines Steckkanals (5) verbunden. DOLLAR A Der Stecksockel ist aus einem Stück geformt, wobei alle kontaktgebenden Elemente einstückig angeformt sind und alle leitenden Verbindungen durch Aufbringen von Metallschichten und deren Strukturierung erzeugt werden. Die Steckkräfte werden allein durch die Elastizität des Grundkörpers und die Abstimmung der Geometrie mit den Steckerstiften bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stecksockel für ein miniaturisiertes, mit Steckerstiften versehenes elektrisches Bauelement, wobei der Sockel einen Grundkörper aus Isolierstoff aufweist, der eine Bestückungsseite mit Steckkanälen und eine Anschlußseite mit Kontaktelementen zur Kontaktierung auf einem Schaltungsträger besitzt. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Stecksockels.

Zur Steckkontaktierung von kleinen elektrischen Bauelementen auf Leiterplatten, beispielsweise von integrierten Schaltkreisen, Oberflächenwellenfiltern oder auch von kleinen Steckerleisten, werden vielfach Stecksockel in BGA-Technik eingesetzt (US 6 116 922 A). Bei diesen Stecksockeln erfolgt die Kontaktierung in den Steckkanälen durch zusätzlich eingesetzte Kontaktfedern, deren Anschlußenden auf der Anschlußseite mit Lotkugeln bzw. Lothöckern versehen sind, die zur Kontaktierung auf der Leiterplatte aufgeschmolzen werden können. Die Herstellung dieser zusätzlichen Elemente und deren Montage in und an dem Grundkörper erfordert eine Reihe aufwendiger und kostspieliger Arbeitsgänge. Außerdem ist die Kontaktierung über Lotkugeln nicht optimal, da unterschiedliche Wärmeausdehnungen bei der Leiterplatte einerseits und dem Stecksockel bzw. dem zu kontaktierenden Bauelement andererseits zu Spannnungen mit entsprechenden negativen Folgen für die Lebensdauer führen können.

Daneben ist zur Kontaktierung von Halbleiterschaltkreisen auch bereits ein Zwischenträger bekannt, der als Anschlußelemente gegenüber der Leiterplatte einstückig angeformte Polymerhöcker aufweist, die mit einer Metallisierung überzogen sind und über entsprechende Leiterbahnen und Innenanschlüsse mit dem Bauelement verbunden sind (sogenanntes PSGA^TM). Diese Polymerhöcker haben nicht nur den Vorteil, daß sie in einem Arbeitsgang mit dem Grundkörper selbst ausgeformt werden können, sondern sie können aufgrund ihrer Elastizität auch Spannungen, beispielsweise aufgrund von Wärmeausdehnungen, aufnehmen und ausgleichen. Ein solcher Zwischenträger ist beispielsweise in der US 5 929 516 A beschrieben. Bei diesem Zwischenträger ist allerdings das Halbleiter-Bauelement über Bond-Drähte kontaktiert, was wiederum zusätzliche Arbeitsgänge verlangt.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Stecksockel der eingangs genannten Art zu schaffen und ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, welcher möglichst einfach und mit wenigen Einzelteilen aufgebaut ist, somit in weniger Verfahrensschritten und kostengünstig herstellbar ist.

Erfindungsgemäß wird dieses Ziel erreicht mit einem Stecksockel, der einen Grundkörper aus elastischem Isolierstoff mit folgenden Merkmalen aufweist:

- der Grundkörper besitzt eine Bestückungsseite zur Aufnahme eines Bauelementes und dazu gegenüberliegend eine Anschlußseite zur stoffschlüssigen Kontaktierung auf einem Schaltungsträger,
- von der Bestückungsseite ausgehend sind in den Grundkörper röhrenartige Steckkanäle eingeformt, die an die Maße der einzusteckenden Steckerstifte angepaßt sind und jeweils Kontaktierungsdurchbrüche zur Anschlußseite hin aufweisen,
- die Innenwände der Steckkanäle und der Kontaktierungsdurchbrüche sind zumindest teilweise mit elektrisch leitendem Material beschichtet,
- auf der Anschlußseite sind Kontakthöcker aus dem Isolierstoff einstückig angeformt und zumindest teilweise mit elektrisch leitendem Material beschichtet und
- auf der Anschlußseite sind voneinander isolierte Leiterbahnen vorgesehen, welche mindestens einem Kontakthöcker mit mindestens einem Kontaktierungsdurchbruch bzw. Steckkanal leitend verbinden.

Der erfindungsgemäße Stecksockel besitzt also anstelle der bekannten BGA-Lotkugelanschlüsse die an sich bereits bekannten, einstückig angeformten Polymerhöcker, die durch eine oberflächliche Metallisierung als Anschlußkontakte dienen. Diese Polymerhöcker ermöglichen aufgrund ihrer Elastizität jeweils einen Ausgleich von wärmebedingten unterschiedlichen Ausdehnungen. Weiterhin sind bei dem erfindungsgemäßen Stecksockel keine zusätzlichen metallischen Steckbuchsen oder Kontaktfedern verwendet, die getrennt hergestellt und eingesetzt oder umspritzt werden müßten. Vielmehr übernimmt das elastische Kunststoffmaterial des Grundkörpers selbst durch eine entsprechende Anpassung der Geometrie der Steckkanäle die Gewährleistung der Kontaktkräfte in den Steckverbindungen.

Es handelt sich also um einen Grundkörper, der mit allen Teilen der Steckverbindung in einem Arbeitsgang dreidimensional ausgeformt wird, wobei lediglich zusätzliche Verfahrensschritte zur Aufbringung und Strukturierung von Metallschichten erforderlich sind. So werden die Steckkontaktbuchsen durch eine Beschichtung der Innenwände der Steckkanäle mit einem gut leitenden Metall, beispielsweise Gold, und durch ringförmig die Ränder der einzelnen Steckkanäle auf der Bestückungsseite umschließende Kontaktsegmente gebildet. Die elektrisch leitenden Verbindungen zwischen den einzelnen Steckkanälen und den Kontakthöckern auf der Anschlußseite werden ebenfalls durch eine leitende Beschichtung an den Innenwänden der Kontaktierungsdurchbrüche und auf der Anschlußseite des Grundkörpers gebildet. Vorzugsweise sind auf der Anschlußseite jeweils inselartige leitende Bereiche gebildet, die jeweils mindestens einen Kontakthöcker und mindestens einen Kontaktierungsdurchbruch einschließen.

Wie bereits erwähnt, werden die Kontaktkräfte in den Steckkanälen allein durch das Material des Grundkörpers und ohne zusätzliche Metallfedern erzeugt. Zu diesem Zweck ist der Querschnitt der Steckkanäle an den Durchmesser bzw. den Querschnitt der Steckerstifte des einzusteckenden Bauelementes eng angepaßt, also vorzugsweise derart, daß die jeweiligen Querschnitte einander geringfügig durchdringen. Dies ist möglich, sowohl bei jeweils runden Querschnitten als auch bei ovalen oder vieleckigen Querschnitten der Steckkanäle, wobei die Durchdringung an zwei oder mehr Berührungslinien erfolgt. Denkbar ist aber auch, die Steckkanäle mit einem runden Querschnitt auszubilden, während die Steckerstifte beispielsweise einen quadratischen Querschnitt haben können. Um eine elastische Aufweitung der Steckkanäle zu erleichtern, können beispielsweise in die den Rand der Steckkanäle umschließenden Kontaktsegmente eine oder mehrere radiale Schlitze eingebracht werden. Die Innenwände der Steckkanäle können auch mit Zinn oder einer Zinnlegierung beschichtet sein, so daß die Steckerstifte durch Reflow-Löten kontaktiert werden können.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung des Stecksockels weist folgende Schritte auf:

- ein Grundkörper wird mit Kontakthöckern auf einer Anschlußseite und mit röhrenförmigen Steckkanälen auf einer gegenüberliegenden Bestückungsseite aus Isolierstoff geformt,
- von der Kontaktseite her werden Kontaktdurchbrüche zu den Steckkanälen gebohrt, vorzugsweise durch Laserbohren,
- die Bestückungsseite, die Anschlußseite sowie die Steckkanäle einschließlich der Kontaktierungsdurchbrüche werden mit leitendem Material beschichtet und
- auf der Bestückungsseite werden die Steckkanäle umschließende Kontaktsegmente, auf der Anschlußseite werden jeweils zusammengehörige Kontakthöcker und Durchkontaktierungsöffnungen einschließende Leiterinseln durch Strukturierung der leitenden Beschichtung voneinander isoliert.

Die Strukturierung der leitenden Schichten erfolgt vorzugsweise mit Laserstrahlung, es sind aber auch andere Verfahren, wie selektives Ätzen oder eine Kombination von Laserstrukturierung und Ätzprozeß, möglich.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 bis 3 einen erfindungsgemäß gestalteten Stecksockel in drei Ansichten, nämlich von oben, von der Seite (teilweise geschnitten) und von unten,
Fig. 4 eine etwas abgewandelte Ausführungsform in einer Fig. 1 entsprechenden Ansicht von oben,
Fig. 5 und 6 zwei weitere Abwandlungen des Stecksockels, ebenfalls in einer Ansicht von oben.
Der in den Fig. 1 bis 3 gezeigte Stecksockel besitzt einen Grundkörper 1 aus elastischem Isolierstoff. Der Grundkörper ist im wesentlichen flach ausgebildet und besitzt eine Oberseite oder Bestückungsseite 2 zur Aufnahme eines Bauelementes, beispielsweise eines integrierten Schaltkreises, sowie eine Unterseite oder Anschlußseite 3 zur Kontaktierung auf einer Leiterplatte oder einem anderen Schaltungsträger. Von der Bestückungsseite sind Steckkanäle 4 in den Grundkörper eingeformt, die den größten Teil der Höhe des Grundkörpers durchsetzen. Im Boden der Steckkanäle 5 sind Kontaktierungsdurchbrüche 6 zur Anschlußseite 2 durchgebohrt; sowohl die Wände der Steckkanäle 5 als auch die der Kontaktierungsdurchbrüche 6 sind mit gut leitendem Metall, beispielsweise mit einer Goldschicht 7, überzogen.
Auf der Anschlußseite 2 des Grundkörpers sind Kontakthöcker 8 einstückig aus dem Kunststoff des Grundkörpers 1 angeformt. Diese Kontakthöcker 8 sind ganz oder zumindest teilweise ebenfalls mit einer gut leitenden Metallschicht überzogen und mit jeweils einem Kontaktdurchbruch 6 leitend verbunden. Auf diese Weise steht jeder Steckkanal 5 mit einem Kontakthöcker 8 in leitender Verbindung.
Zur Herstellung der leitenden Verbindungen werden zunächst sowohl die Bestückungsseite 2 als auch die Anschlußseite 3 einschließlich der Kontakthöcker 8 mit einer Metallschicht überzogen. Danach werden durch Strukturierung der leitenden Schichten, das heißt durch Abtragung dieser leitenden Schicht entlang von Isolationsgräben 9 auf der Bestückungsseite Kontaktsegmente 11 jeweils um die Steckkanäle herum erzeugt. In gleicher Weise werden auf der Anschlußseite durch Abtragung der leitenden Schicht entlang von Isolationsgräben 10 Leiterbereiche 12 geschaffen, welche jeweils einen Kontakthöcker 8 und einen zugehörigen Kontaktierungsdurchbruch 6 einschließen. Im vorliegenden Beispiel sind die Kontakthöcker 8 alle in einer Reihe angeordnet; es wäre aber auch eine andere Anordnung in mehreren Reihen bzw. in einem vorgegebenen Raster möglich. Zur Lageestabilisierung und zum Schutz der Anschlußseite sind am Grundkörper seitliche Randleisten 13 angeformt.
Die Isolationsgräben 9 bzw. 10 können beispielsweise durch direktes Laserstrukturieren erzeugt werden, wobei das leitende Material unmittelbar durch den Laserstrahl abgetragen wird. Es ist aber auch möglich, in bekannter Weise eine zusätzlich aufgetragene Ätzresistschicht mit dem Laserstrahl zu strukturieren und durch nachfolgendes Ätzen dieser Struktur die Isolationsgräben zu erzeugen. Auch ein Positivverfahren kann angewendet werden, wobei in dem Kunststoffmaterial enthaltene Metallteilchen durch Bestrahlung mit dem Laser zur Bildung einer gewünschten Leiterschicht aktiviert werden.
Bei der Darstellung in den Fig. 1 bis 3 ist vorgesehen, daß die Steckkanäle 5 einen runden Querschnitt besitzen, so daß genau angepaßte Steckerstifte mit ebenfalls rundem Querschnitt mit geringem Übermaß in die Steckkanäle eingesteckt werden, um Kontakt zu geben. Um die elastische Nachgiebigkeit der Steckkanäle zu verbessern, kann der metallisierte Randbereich dieser Steckkanäle 5 auf der Bestückungsseite durch zusätzlich eingeschnittene Schlitze 14 verbessert werden. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, können solche Schlitze 14 in unterschiedlicher Zahl und unterschiedlicher Anordnung vorgesehen werden. Die den einzelnen Steckkanal ringförmig umgebende Metallschicht auf der Bestückungsseite wird auf diese Weise aufgetrennt, so daß das Einstecken erleichtert wird, während der Kunststoff des Grundkörpers ohnehin elastisch ist.
Es ist aber auch denkbar, daß die Querschnitte der Steckerstifte und der Steckkanäle unterschiedlich gestaltet werden, um stellenweise eine stärkere Durchdringung und damit eine stärkere linienförmige Kontaktierung zu ermöglichen. In Fig. 5 ist eine Ausführungsform schematisch gezeigt, bei der die Steckkanäle 15 einen ovalen Querschnitt aufweisen. Beim Einstecken von Steckerstiften mit rundem Querschnitt können die Steckkanäle somit seitlich aufgeweitet werden. Um das Aufweiten zu erleichtern, könnten auch im Grundkörper zusätzliche Hohlräume bzw. Entlastungskanäle 16 vorgesehen werden, wie sie schematisch gestrichelt angedeutet sind.
Eine weitere Abwandlung ist in Fig. 6 gezeigt. In diesem Fall sind die Steckkanäle beispielsweise mit sechseckigem Querschnitt gestaltet, wobei Steckerstifte mit rundem Querschnitt ebenfalls linienförmig Kontakt geben. Auch in diesem Fall sind Entlastungskanäle 18 schematisch gestrichelt angedeutet.
Natürlich sind auch andere Querschnittsformen denkbar. Lediglich beispielshalber sei erwähnt, daß ein erfindungsgemäßer Stecksockel für Anwendungen mit Halbleiterbauelementen und Steckerleisten einen Grundkörper mit einer Dicke von 2-8 mm, vorzugsweise 4-5 mm aufweisen kann. Die Steckkanäle haben dann einen Durchmesser von etwa 0,5-2 mm, während die Kontakthöcker eine Höhe in der Größenordnung von 0,3-0,6 mm haben können. Als Material für den Grundkörper kommen verschiedene Kunststoffe in Betracht, beispielsweise LCP (Liquid Crystal Polymer). Als Metallbeschichtung kommt beispielsweise Gold auf Kupfer in Betracht (Dicke 15-25 µm).

Claims

1. Stecksockel für ein miniaturisiertes, mit Steckerstiften versehenes elektrisches Bauelement, wobei der Sockel einen Grundkörper (1) aus elastischem Isolierstoff mit folgenden Merkmalen aufweist:

- der Grundkörper (1) besitzt eine Bestückungsseite (2) zur Aufnahme eines Bauelementes und dazu gegenüberliegend eine Anschlußseite (3) zur stoffschlüssigen Kontaktierung auf einem Schaltungsträger,

- von der Bestückungsseite (2) ausgehend sind in dem Grundkörper (1) röhrenartige Steckkanäle (5) eingeformt, die an die Maße der einzusteckenden Steckerstifte eng angepaßt sind und jeweils Kontaktierungsdurchbrüche (6) zur Anschlußseite (3) aufweisen,

- die Innenwände der Steckkanäle (5) und der Kontaktierungsdurchbrüche (6) sind zumindest teilweise mit elektrisch leitendem Material (7) beschichtet,

- auf der Anschlußseite (3) sind Kontakthöcker (8) aus dem Isolierstoff einstückig angeformt und zumindest teilweise mit elektrisch leitendem Material beschichtet und

- auf der Anschlußseite (3) sind voneinander isolierte Leiterbahnen (12) vorgesehen, welche jeweils mindestens einen Kontakthöcker (8) mit mindestens einem Kontaktierungsdurchbruch (6) bzw. einem Steckkanal (5) leitend verbinden.

2. Stecksockel nach Anspruch 1, wobei die Leiterbahnen auf der Anschlußseite durch inselartige leitende Bereiche (12) gebildet sind, welche jeweils mindestens einen Kontakthöcker (8) und mindestens einen Kontaktierungsdurchbruch (6) des Grundkörpers (1) einschließen.

3. Stecksockel nach Anspruch 2, wobei die Anschlußseite (3) des Grundkörpers (1) eine Beschichtung mit Kontaktmaterial aufweist, in der die inselartigen Bereiche (12) durch jeweils ringsum verlaufende Unterbrechungen (10) der Beschichtung gebildet sind.

4. Stecksockel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Bestückungsseite (2) des Grundkörpers (1) jeweils die einzelnen Steckkanäle (5) ringförmig umschließende, voneinander isolierte und mit den Innenwänden der Steckkanäle verbundene Kontaktsegmente (11) aufweist.

5. Stecksockel nach Anspruch 4, wobei die Kontaktsegmente (11) jeweils durch ringsum verlaufende Unterbrechungen (9) einer ansonsten die gesamte Bestückungsseite des Grundkörpers (1) bedeckenden Metallschicht voneinander isoliert sind.

6. Stecksockel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steckkanäle (5) annähernd kreisförmigen Querschnitt aufweisen, der eng an den Durchmesser der Steckerstifte angepaßt ist.

7. Stecksockel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steckkanäle (15; 17) einen vom Querschnitt der Steckerstifte abweichenden Querschnitt derart aufweisen, daß die beiden Querschnitte einander in einem oder mehreren Abschnitten durchdringen.

8. Stecksockel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei in den Grundkörper (1) jeweils an Wandabschnitte der Steckkanäle (5) angrenzende Hohlräume (16; 18) vorgesehen sind, die eine elastische Aufweitung der Steckkanäle (15; 17) ermöglichen.

9. Stecksockel nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei die Kontaktsegmente (11) jeweils vom Rand eines jeweiligen Steckkanals (5) ausgehende Schlitze (14) aufweisen.

10. Stecksockel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die auf den Innenwänden der Steckkanäle (5) vorgesehene Metallschicht (7) mit Zinn oder einer Zinnlegierung beschichtet ist.

11. Verfahren zur Herstellung eines Stecksockels nach Anspruch 1, mit folgenden Schritten:

- ein Grundkörper (1) wird mit Kontakthöckern (8) auf einer Anschlußseite (3) und mit röhrenförmigen Steckkanälen (5) auf einer gegenüberliegenden Bestückungsseite (2) aus Isolierstoff geformt,

- zwischen der Anschlußseite (3) und den einzelnen Steckkanälen (5) werden Kontaktierungsdurchbrüche (6) gebohrt, vorzugsweise durch Laserbohren,

- die Bestückungsseite (2), die Anschlußseite (3) sowie die Steckkanäle (5) einschließlich der Kontaktierungsdurchbrüche (7) werden mit leitendem Material beschichtet, und

- auf der Bestückungsseite werden die Steckkanäle (5) einschließende Kontaktsegmente (11) und auf der Anschlußseite werden jeweils zusammengehörige Kontakthöcker (8) und Kontaktierungsdurchbrüche (6) einschließende Leiterbereiche (12) durch Strukturierung der leitenden Beschichtung voneinander isoliert.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Strukturierung der leitenden Schichten mittels Laserbearbeitung erfolgt.

13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Strukturierung der leitenden Schichten durch selektives Ätzen erfolgt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei vom Rand der Steckkanäle (5) ausgehend jeweils ein oder mehrere Schlitze (14) - vorzugsweise mittels eines Laserstrahls - in das den jeweiligen Steckkanal (5) umschließende Kontaktsegment (11) geschnitten werden.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Schlitze (14) jeweils mittels Laserbestrahlung erzeugt werden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei der Grundkörper durch Spritzgießen aus Kunststoffmasse geformt wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei der Grundkörper (1) durch Heißprägen aus einer Kunststoffplatte bzw. -folie geformt wird.