DE602005003351T2

DE602005003351T2 - Flexibler scrub-ring-kontakt

Info

Publication number: DE602005003351T2
Application number: DE602005003351T
Authority: DE
Inventors: Atsuhito Fujisawa-shi NODA; Shigeyuki Yokohama-shi HOSHIKAWA; Hiroshi Hadano-shi IKEDA
Original assignee: Molex LLC
Current assignee: Molex LLC
Priority date: 2004-05-28
Filing date: 2005-05-27
Publication date: 2008-09-11
Anticipated expiration: 2025-05-28
Also published as: DE602005003351D1; EP1749334B1; US20050277309A1; KR20070012725A; KR100883455B1; EP1749334A1; US7284991B2; WO2005119849A1; JP4456149B2; JP2007537579A

Description

Hintergrund der Erfindung
Mikroelektronische Vorrichtungen, wie Mikroprozessoren aus dem Stand der Technik erfordern eine große Anzahl verlässlicher Verbindungen in zunehmend kleineren Bereichen. Da die Anzahl an Verbindungen zwischen einer elektronischen Vorrichtung und einem Substrat, auf welches die Vorrichtung montiert werden soll, zunimmt, nimmt die Wahrscheinlichkeit, dass gerade eine einzelne Verbindung nicht hergestellt werden kann oder fehlschlägt, ebenfalls zu.
Beim "Schwalllöten" wird eine elektronische Komponente an ein Substrat gelötet, indem geschmolzenes Lötmittel über ein Substrat, auf dem elektronische Komponente montiert sind, fließen gelassen wird. Die Komponenten werden auf das Substrat platziert, das dann über fließendes geschmolzenes Lötmittel gehalten wird, derart, dass freiliegendes Metall und fließende Oberfläche auf der unteren Oberfläche der Substratoberfläche das geschmolzene Lötmittel vom Lötbad nach oben führen. Da sich das Substrat mit dem geführten geschmolzenen Lötmittel vom geschmolzenen Lötbad entfernt, kühlt sich das Lötmittel ab und verfestigt sich und baut eine elektrische Verbindung zwischen den elektronischen Vorrichtungen und gelöteten Oberflächen des Substrats auf.
Da sich die Verbindungsdichte im Elektronik-Stand der Technik erhöht und die Leitungslängen von elektronischen Vorrichtungen abnehmen, macht es die Zunahme der Anzahl von Verbindungen, die hergestellt werden müssen, statistisch wahrscheinlicher, dass selbst eine einzelne Verbindung nicht hergestellt wird oder fehlschlägt. Selbst minimale Irregularitäten in der Planarität eines Substrats können Verbindungsprobleme verursachen.
Ein Problem mit Löttechniken aus dem Stand der Technik tritt auf, wenn die Kontaktoberflächen eines Substrats und einer elektronischen Vorrichtung voneinander durch verschiedene Abstände getrennt werden. Wenn beispielsweise ein oder zwei Kontaktleitungen oder ein oder zwei Kontaktoberflächen eines Mikroprozessors weiter von einem planaren Substrat getrennt sind, als die anderen Kontaktleitungen oder Kontaktoberflächen, könnte das geschmolzene Lötmittel sich nicht zwischen dem Substrat und den weiter beabstandeten Kontaktoberflächen der elektronischen Vorrichtung führen lassen. Löttechniken aus dem Stand der Technik unterliegen der Unfähigkeit, eine Verbindung herzustellen, wenn der Raum oder Abstand zwischen Kontaktoberflächen von zwei Vorrichtungen oder Oberflächen, die verbunden werden sollen, mehr als in kleinem Umfang variiert.
Selbst wenn eine einzelne Verbindung zwischen einer elektronischen Vorrichtung und seinem Trägersubstrat entweder zum Zeitpunkt der Herstellung nicht hergestellt wird, oder wenn eine einzelne Verbindung nicht erreicht wird, während sich die elektronische Vorrichtung in Verwendung befindet, können die Kosten, um eine versagende elektrische Verbindung zu identifizieren und diese zu reparieren, häufig die Kosten der Herstellung des Produkts übersteigen, worin die elektronische Vorrichtung und das Trägersubstrat arbeiten. Eine Verbesserung der Herstellbarkeit von elektronischen Verbindungen sowie eine Verbesserung der Verlässlichkeit von elektronischen Verbindungen nach Herstellung würde eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik darstellen.
Biegsame Ringe können nicht in der Lage sein, eine gute elektrische Verbindung zu einer Oberfläche herzustellen, insbesondere wenn die Oberfläche nicht sauber ist. Wie Fachleuten im elektronischen Stand der Technik gut bekannt ist, können selbst sehr dünne Schichten von Material, die sich auf einer Schalttafelleitung oder einem Kontaktblock ansammeln, den Aufbau einer guten Verbindung verhindern. Wenn es Kontaminationen gibt oder Schmutz oder ein Film auf einer leitfähigen Oberfläche vorliegt, dann ist selbst ein Federkontakt in Form eines Rings nicht dazu in der Lage, eine gute elektrische Verbindung zu den Leitungen oder Kontaktblöcken bereitzustellen. Oberflächenoxidation, restliches konformes Beschichtungsmaterial, Lötmittelflüsse, atmosphärische Verschmutzungen und andere Chemikalien können dünne Beschichtungen auf einem Metall-Kontaktblock bilden, die die Bildung eines festen elektrischen Kontakts verhindern.
Um diese Unzulänglichkeiten zu vermeiden, ist es erwünscht, einen Verbinder bereitzustellen, der über die Kontaktblöcke oder Schalttafelleitungen wischt, um Kontaminationen und/oder Oxidation und Filme von der Kontaktoberfläche zu entfernen, wenn der Verbinder mit der Schalttafel in Kontakt gebracht wird. Die vorliegende Erfindung richtet sich auf einen verbesserten Ringverbinder, der die oben erwähnten Unzulänglichkeiten überwindet.
Das Dokument EP-A-1 315 244 offenbart einen Federkontakt gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist daher ein allgemeines Ziel der vorliegenden Erfindung, einen mechanisch flexiblen Verbinder bereitzustellen, der einen entgegengesetzten Kontakt wischt, um dünne Schichten oder Beschichtungen, die auf der Kontaktoberfläche abgelagert sein können, zu entfernen oder abzuarbeiten, an die der Verbinder befestigt wird, so dass eine elektrische Verbindung durch derartige Beschichtungen aufgebaut werden kann.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen flexiblen Kontakt in Form eines hohlen deformierbaren Rings bereitzustellen, der einen vergrößerten Körperabschnitt auf seinem Umfang aufweist, der als Wischklinge fungiert.
Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen flexiblen hohlen Ringkontakt mit einer vergrößerten dreieckförmigen Sektion bereitzustellen, die einen radial nach außen sich erstreckenden Scheitelpunkt enthält, der eine Wischkante des Kontakts definiert, wobei die Ringkante für verlässliches Wischen im Zentrum des Rings angeordnet ist.
Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen flexiblen Kontakt bereitzustellen, zur Verwendung zum Aufbau einer Verbindung zwischen zwei Schalttafeln, wobei der Kontakt eine hohle Ringkonfiguration aufweist, der Ring ein kontinuierlich leitfähiges Band aufweist, das einen Basisabschnitt definiert, sowie einen Kontaktabschnitt, wobei der Basisabschnitt eine Basis zum Kontaktieren eines Abschnitts einer ersten Schalttafel in einer Art und Weise aufweist, um zwei Bereiche zu definieren, auf die Lötmittel aufge bracht werden kann, um den Ringkontakt auf der ersten Schalttafel zu halten, und der Ring weiterhin einen vergrößerten Bereich des Kontaktabschnitts enthält, der eine Wischkante des Kontakts definiert, die sich schräg vom Ringkörper erstreckt, wobei der vergrößerte Bereich sich radial nach außen von einem Körperabschnitt des Rings zu einem Scheitelpunkt erstreckt und die Wischkante mit dem Scheitelpunkt zusammenfällt.
Die vorliegende Erfindung erreicht diese Ziele durch den Federkontakt von Anspruch 1. In den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden mikroelektronische Vorrichtungen elektrisch verbunden und auf eine Schalttafel oder andere planare Oberfläche unter Verwendung von kleinen leitfähigen hohlen Ringen zwischen elektrischen Kontakten einer elektronischen Vorrichtung und einer Schalttafel oder einem Substrat montiert. Jeder Ring enthält ein durchgängiges bzw. kontinuierliches Band eines biegsamen oder flexiblen leitfähigen Materials, das sich um einen geometrischen Mittelpunkt erstreckt, aber mindestens eine Ausstülpung mit einem Scheitelpunkt enthält.
Wenn der Ring deformiert wird, wenn Kontakt zwischen einer ersten und zweiten Schalttafel entsteht, biegt sich der Ring nach außen. Als Folge der Biegewirkung bewegt sich die Ausstülpung tatsächlich linear gegen die zweite Schalttafel. Der Scheitelpunkt der Ausstülpung kratzt dann oder "scheuert" die Kontaktoberfläche, gegen die der Ring drückt. Die Scheuerwirkung der Ausstülpung führt dazu, dass Material aus der Oberfläche entfernt wird, gegen die gescheuert wird, wodurch die elektrische Verbindung verbessert wird.
Dieses und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch eine Berücksichtigung der nachfolgenden detaillierten Beschreibung klar verständlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Laufe dieser detaillierten Beschreibung wird häufig auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
1 eine perspektivische Ansicht eines einzelnen leitfähigen hohlen Rings darstellt, aufgebaut gemäß dem Prinzip der vorliegenden Erfindung und mit einer Ausstülpung mit einem Scheitelpunkt, angeordnet auf einer äußeren Oberfläche des Ringkörpers;
2 eine zweite perspektivische Ansicht des leitfähigen Rings von 1 darstellt, aus einem anderen Winkel;
3 eine schematische Draufsicht auf einen leitfähigen hohlen Ring darstellt, der den Ring und die Ausstülpung im Querschnitt zeigt und ebenfalls die Höhe D des Rings zeigt, wenn sich dieser in entspanntem Zustand befindet;
4 eine Endansicht des Rings von 3 darstellt;
5 dieselbe Ansicht wie 3 darstellt, aber diese veranschaulicht den Ring in einem deformierten Zustand, verursacht durch eine extern aufgebrachte Kraft F, die radial auf den Ring wirkt und die Ringhöhe verringert;
6 eine Seitenansicht des deformierten Rings darstellt, der in 5 gezeigt ist;
7 eine Diagrammansicht darstellt, die veranschaulicht, wie ein Ring der vorliegenden Erfindung innerhalb der kugel- bzw. patronenförmigen Schnittfläche von zwei Kurven positioniert sein kann, die denselben Krümmungsradius aufweisen, und die eine Form bilden, die als ein nach unten gerichteter Spitzbogen bezeichnet wird;
8 eine weitere Diagrammansicht darstellt, die die geometrische Position einer Ausstülpung auf einem Ring und die geometrische Position des Scheitelpunkts der Ausstülpung veranschaulicht;
9 eine Draufsicht darstellt, die eine Vielzahl von Ringen der Erfindung an Ort und Stelle zwischen einem Substrat und einer Vorrichtung veranschaulicht, um zwischen diesen eine elektrische Verbindung herzustellen;
10 eine perspektivische Ansicht eines Rings von 1 darstellt, angeordnet oberhalb einer H-förmigen Öffnung, gebildet in einer Trägerlage;
11 eine perspektivische Ansicht des in 10 gezeigten Rings darstellt, angeordnet an Ort und Stelle in der H-förmigen Öffnung der Trägerlage;
12 einen Querschnitt einer Vorrichtung darstellt, die elektrisch und mechanisch an ein Substrat montiert ist, mit Hilfe der in den 1 bis 12 gezeigten Ringe;
13A eine seitliche Draufsicht darstellt, die einen Ringkontakt der Erfindung mit einem Durchbiegemuster veranschaulicht, das im Scheinbild darüber gelegt ist;
13B dieselbe Ansicht wie in 13A darstellt, aber die Deformation des Ringkontakts unter Last und die Wischbewegung des vergrößerten Ringabschnitts zeigt;
14 eine perspektivische Ansicht der Ringkontakte der Erfindung darstellt, angeordnet in einer Anordnung auf einem Substrat; und
15 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform eines Ringkontakts, aufgebaut gemäß der Erfindung, darstellt.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
1 ist eine perspektivische Ansicht eines einzelnen leitenden hohlen Rings 10, aufgebaut gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Der Ring 10 ist bevorzugt aus einem biegsamen (flexiblen) leitfähigen Material gebildet und wird verwendet, um eine elektronische Vorrichtung mit einer Schalttafel oder einem anderen Substrat zu verbinden, welches in 1 nicht gezeigt ist. Wie es für Ringe genauso wie für Zylinder zutreffend ist, ist das Ringmaterial im allgemeinen um einen Punkt 12 im Raum zentriert, durch den sich die Ringdrehachse 14 erstreckt, die in 4 gezeigt ist. Bevorzugt ist dieser Punkt 12 die geometrische Mitte des Rings 10, aber es versteht sich, dass dieser nicht notwendigerweise das geometrische Zentrum darstellen muss.
Der Ring 10 weist eine im Wesentlichen kreisförmige innere Oberfläche 16, eine kontinuierliche äußere Oberfläche sowie eine Wanddicke auf (nicht durch ein Bezugszeichen angegeben, aber deutlich in der Figur gezeigt zwischen der inneren und äußeren Oberfläche). Wie aus 1 ersehen werden kann, wird die äußere Oberfläche 18 des Rings 10 gebildet, um eine lokale Beule oder Ausstülpung 20 entlang eines Abschnitts aufzuweisen, was als eine "Seite" hiervon angesehen werden kann, und es ist in den Zeichnungen, zwischen den Positionen eines Zifferblatts, bekannt als 11.00 und 12.00 Uhr, gezeigt. Die Ausstülpung 20 hat einen höchsten Punkt oder Scheitelpunkt 22, welcher einen Punkt auf der äußeren Ringoberfläche darstellt, der vom Ringzen trumspunkt 12 am weitesten entfernt ist. Die Ausstülpung 20 wird bevorzugt und am einfachsten als Teil des Verfahrens gebildet, in dem der Ring 10 gebildet wird, und ist daher aus demselben Material, aus dem der Ring 10 gebildet wird, gebildet, obwohl diese auf dem Ring 10 in anderer Art und Weise gebildet werden kann, wie durch Abscheidung oder dergleichen.
In der bevorzugten Ausführungsform kann der Ring 10 relativ klein sein, mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 500 bis 1.000 μm. Mit derartig kleinen Größen wird der Ring 10 bevorzugt unter Verwendung von Techniken, wie Lithographie und Galvanoformung, gebildet, die im Stand der Technik bekannt sind. Die Basis des Rings kann ein vergrößerter Abschnitt sein, wie in 1 und 2 gezeigt, oder kann insgesamt bogenförmig sein und bevorzugt kreisförmig, wie in den 3 und 5 gezeigt.
2 zeigt den Ring 10 von 1, wenn auch im Uhrzeigersinn gedreht, so dass der Scheitelpunkt 22 der Ausstülpung sich auf der 12.00 Uhr-Position befindet, d. h. in Richtung der Oberseite von 2 zeigt. Sowohl in 1 als auch 2 befindet sich der Ring 10 in einem entspannten Zustand. Wie nachfolgend noch genauer beschrieben, wird der Ring 10 bei Anwendung einer Kraft F, die in einer vertikalen Richtung aufgebracht wird, deformiert. Aufgrund der Belastung durch diese Kraft F bewegen sich die Ausstülpung 20 und der Scheitelpunkt 22 hiervon als direkte Folge der Ringdeformation oder werden versetzt. Diese Bewegung, wie am besten in 13A gezeigt, ist eine Seite-zu-Seite-Bewegung des Ringkörpers, die bevorzugt in einer horizontalen Ebene auftritt. Diese Bewegung des Scheitelpunkts 22 gegen eine Oberfläche, auf die der Ring 10 gelötet wird, bewirkt, dass der Scheitelpunkt sich gegen eine entgegengesetzte Oberfläche bewegt oder an dieser "scheuert", und dieses Scheuern oder diese Wischwirkung entfernt Material von der Oberfläche, die elektrische Signale beeinträchtigen kann.
3 zeigt eine Seitenansicht des Rings 10 der 1 und 2 in einem entspannten oder nicht deformierten Zustand und ist kopfüber orientiert, verglichen mit der Orientierung in den 1 und 2. 2 zeigt ebenfalls den Ring 10 mit einem im Allgemeinen kreisförmigen Querschnitt und die Ausstülpung 20 mit einem im Allgemeinen dreieckigen Querschnitt. In 2 sind die Ausstülpung 20 und der Scheitelpunkt 22 der Ausstülpung in der 6.00 Uhr-Position gezeigt, d. h. mit dem Scheitelpunkt 22 auf einer geometrischen Linie liegend, die sich hiervon erstreckt, und die senkrecht zur Oberfläche 23 liegt, auf die der Ring 10 aufgelötet wird. Im entspannten Zustand wird der Abstand zwischen dem Scheitelpunkt 22, der Ausstülpung 20 und einem Punkt auf dem Umfang des Rings 10, direkt entgegengesetzt zum Scheitelpunkt 22, in der Figur als "D" bezeichnet. Dieser Abstand ist natürlich größer als der Durchmesser des Rings aufgrund der erhöhten Dicke der Ausstülpung 20.
3 zeigt ebenfalls zwei Nickelmetall-Lötbarrieren 68 und 70, die auf die äußere Ringoberfläche 18 aufgebracht werden können, von denen beide zumindest teilweise auf dem Ringumfang von der Ausstülpung 20 angeordnet sind. In einer bevorzugten Ausführungsform können die Lötbarrieren 68 und 70 die Form von relativ schmalen Streifen aus Nickelplattierung auf der äußeren Oberfläche 18 einnehmen, die verhindert, dass Lötmittel vollständig um den Ring 10 vom Basisabschnitt, der in 1, 2 und 13A und 13B veranschaulicht ist, fließt, wenn die Ringe auf einem Substrat mittels Löten befestigt werden. Alternativ können die Barrieren mit Nickel, integriert im Körper des Rings, in einer Art und Weise, wie dies im Stand der Technik bekannt ist, aufgebaut sein.
4 zeigt eine Endansicht des entspannten Lötmittelrings 10 und die Drehachse 14, die angesehen wird, als ob sie sich durch das geometrische Zentrum des Rings 10 erstreckt. Diese Figur zeigt ebenfalls die relative Position einer Lötmittelbarriere 70 im Hinblick auf die Ausstülpung 20.
5 zeigt mindestens einen Weg, in dem der Ring 10 deformiert werden kann, wenn der Ring 10 gegen die Metalloberfläche 23 durch eine Kraft, die auf den Ring 10 von der oberen oder vertikalen Richtung wirkt, gepresst wird. Die Kraft auf den Ring 10 wird durch die Linie "F" angegeben. Wie in 5 gezeigt, kann der Ring 10 in eine längliche oder elliptische Form deformiert werden, und bevorzugt wird der Ring 10 in eine komprimierte oder zerdrückte Birnenform deformiert, wie in den 13A und 13B veranschaulicht. Wie in 5 gezeigt, wenn der Ring 10 deformiert wird, neigt der Scheitelpunkt 22 der Ausstülpung 20 dazu, sich zur Seite in einer im Allgemeinen horizontalen Art und Weise über die Metallkontaktoberfläche 23 von einer ersten oder anfänglichen Stelle 25 zu einer zweiten oder Endstelle 27 zu bewegen. Mit einer derartigen Bewegung kratzt, scheuert oder wischt der Scheitelpunkt 22, wenn dieser gegen die Oberfläche gedrückt wird, die Oberfläche 23 zwischen der anfänglichen Stelle 25 zu einer zweiten Stelle 27 und schneidet im Verfahren durch den Film oder das Material auf der Oberfläche 23, wodurch er den Kontakt zwischen dem Ring 10 und der Metalloberfläche 23, auf die der komprimierte Ring 10 daraufhin gelötet wird, sauber macht. Der Abstand zwischen der anfänglichen Stelle 25 und der zweiten Stelle 27 in 5 ist der Wischabstand "S". Die Oberfläche 23, die unter dem Ring 10 und entlang des Wischabstands "S" liegt, wird durch den Scheitelpunkt 22 gekratzt oder gewischt, wodurch jegliches beschichtendes Material, das eine elektrische Verbindung zwischen der Oberfläche 23 und dem Ring 10 verhindern könnte, entfernt wird.
Mit Bezug auf 13A kann ersehen werden, dass die Deformation des Rings 102 rechts auftritt (und es versteht sich, dass sie auch links auftreten kann) und der Ring 102 gliedert sich oder biegt sich um zwei Biegepunkte AA und BB. Die Biegepunkte AA treten auf, wo der Ring 102 entweder die Lötmittelauffüllung 104 verbindet oder, in einigen Anwendungen, an einer Basis 105, die entweder direkt als Teil des Ringkontakts gebildet werden kann, oder als einzelnes Element gebildet und mit dem Ringkörper verbunden wird, während der Biegepunkt BB auf der entgegengesetzten Seite des Rings auftritt, wo die Ausstülpung oder der verdickte Abschnitt sich mit der regelmäßigen Dicke des Ringkörperabschnitts verbindet. Diese beiden Biegepunkte definieren eine Linie AB, gezeigt in 13B, die sich in einem spitzen Winkel von der Schalttafel 100 erstreckt, auf die der Ringkontakt montiert ist.
In 4, wenn der Ring 10 sich in entspanntem Zustand befindet, ist der Abstand zwischen dem Scheitelpunkt 22 und einem Punkt diametral entgegengesetzt zum Scheitelpunkt 22 der Abstand "D", wie in 5 gezeigt. Wie in 5 gezeigt, verursacht der Einsatz einer radialen Kraft F auf den Ring, dass der Ring 10 deformiert wird, und ebenfalls dass der Scheitelpunkt 22 seitlich wegschlüpft. Folglich nimmt der maximale Abstand von der Oberfläche 23 vom obersten Punkt des Rings auf D' ab.
6 zeigt eine Seitenansicht des Rings 10 radial komprimiert von seinem entspannten Zustand durch eine radial einwirkende Kraft F. Von der Gesamthöhe des Rings 10 ist in 6 ebenfalls gezeigt, dass sie abnimmt, was, wie in 5 gezeigt, dazu führt, dass das Ringmaterial gleitet, wenn es sich deformiert. Nachdem der Ring 10 deformiert wurde und die Signal-leitenden Oberflächen gescheuert werden, können der Ring 10, eine Vorrichtung, die den Ring 10 auf ein Substrat montiert, und der Substratleiter sämtlich zusammen schwallgelötet werden, während eine Kraft auf den Ring 10 ausgeübt wird. In einer alternativen Ausführungsform kann der Ring 10 komprimiert werden, hierdurch wird die Oberfläche gescheuert und dann wieder freigegeben und gelötet. In jedem Fall wird der Scheitelpunkt 22 des Rings gegen eine Lötoberfläche gedrückt, so dass der Scheitelpunkt 22 die Oberfläche sauber scheuert und die elektrische Verbindung zwischen der Oberfläche des Substrats und dem leitfähigen Ring 10 verbessert wird.
Bei der Ausführungsform der in den 1 und 2 gezeigten Ausstülpung ist der Querschnitt der Ausstülpung bevorzugt ein gleichschenkliges Dreieck, gebildet durch die äußeren Oberflächen der Ausstülpung 20, die sich vom Scheitelpunkt 22 weg erstrecken, der zwischen diesen einen stumpfen Winkel bildet. Demgemäß kann der Querschnitt der Ausstülpung als dreieckig angesehen werden. In den 3 und 5 ist der Querschnitt der Ausstülpung 20 ebenfalls als dreieckig zu sehen, aber in anderen Ausführungsformen kann der Querschnitt der Ausstülpung auch parabolisch, elliptisch und von der Form eines "nach unten gerichteten Spitzbogens" sein.
Ein "Spitzbogen" ist eine kugel- bzw. patronenförmige Schnittfläche von zwei Kurven, die denselben Krümmungsradius aufweisen. Ein "nach unten gerichteter Spitzbogen" ist ein Spitzbogen, in dem der Mittelpunkt der Krümmung jeder Schnittkurve innerhalb der anderen Kurve liegt.
7 zeigt ein Beispiel eines nach unten gerichteten Spitzbogens 24, der einen Ring 10 umschließt. Eine erste Kurve 26 hat einen Krümmungsradius, definiert durch den Abstand von einem Mittelpunkt 32, der innerhalb der zweiten Kurve 28 liegt. Die zweite Kurve weist einen Krümmungsradius auf, definiert durch denselben Abstand, aber mit einem anderen Mittelpunkt 30, der innerhalb der ersten Kurve 26 liegt.
In 7 gibt der durchbrochene Kreis, angegeben durch Bezugszeichen 10, die Außenlinie des in den 1 bis 6 gezeigten Rings an. Der Bereich, der unter dem Schnittpunkt 34 der zwei Kurven 26 und 28 und außerhalb des Rings 10 liegt, entspricht dem Querschnitt der Ausstülpung 20.
8 zeigt mindestens ein Verfahren, wie die Position des Scheitelpunkts und die Form der Ausstülpung geometrisch mindestens in einer Ausführungsform bestimmt werden können. In 8 definiert der Winkel 44, gebildet zwischen den zwei Radien 40 und 48 des Rings 10, einen Bogen 46. Die geometrische Position des Scheitelpunkts 22 befindet sich auf einer Sekantenlinie 42, die gebildet wird, indem sich ein erster Radius 40 des Rings 10 durch den Ring erstreckt, bis dieser eine Linie 50 schneidet, die senkrecht zum zweiten Radius 48 ist, wo der zweite Radius 48 den Bogen 46 schneidet.
Der Fachmann im Stand der Technik erkennt, dass die tatsächliche Position des Scheitelpunkts 22 von den Abbildungen der 1 bis 8 variieren kann. Die Beschreibung, wie die Position des Scheitelpunkts 22 geometrisch definiert sein kann, sollte nicht als eine Anforderung angesehen werden. Dies ist eher eine Beschreibung, die sich annähert, wo ein Scheitelpunkt 22 auf einer physikalischen Ausführungsform des Rings 10 gefunden werden kann. Der Fachmann im Stand der Technik erkennt, dass Querschnitte tatsächlicher Ringe 10 nicht im Wortsinn "dreieckig", "parabolisch", "elliptisch" oder von der Form eines "nach unten gerichteten Spitzbogens" sind. Die tatsächliche Umsetzung der beanspruchten Erfindung, die Linearität und Krümmung der Ringoberflächen nähert sich den Formen und Oberflächen, die oben beschrieben und gezeigt sind, an.
Wendet man sich 9 zu, ist dort ein Substrat 80 mit Signalleitungen 82 gezeigt, an das eine mikroelektronische Vorrichtung 88 elektrisch und mechanisch zu koppeln ist. Das Substrat 80 kann als gedruckte Schalttafel, keramischer Chip-Träger oder andere nicht-leitende planare Vorrichtung ausgeführt sein, die leitende Leitungen oder Pfade für elektrische Signale trägt.
Elektrische Kontaktoberflächen 86 der elektronischen Vorrichtung 88 werden mit den leitfähigen Leitungen 82 des Substrats 80 durch mehrere der zuvor erwähnten leitfähigen hohlen Ringe 10 gekoppelt. Jeder der leitfähigen hohlen Ringe 10 ist gelötet 83 oder in anderer Weise elektrisch an eine entsprechende leitende Leitung 82 auf dem planaren Substrat 80, genauso wie die elektronische Vorrichtung 88 gekoppelt. Aus Zwecken der Klarheit ist jedoch eine Lötmittelauffüllung zwischen den leitenden Substratoberflächen 82 weggelassen, aber eine Darstellung einer repräsentativen Lötmittelauffüllung 83 zwischen dem Ring 10 und den Kontaktoberflächen 86 der Vorrichtung 88 kann direkt über der Ausstülpung 20 gesehen werden. Wie gezeigt, liegt die Ausstülpung jedes Rings 10 und des begleitenden Scheitelpunkts 22 jeder Ausstülpung 20 oben auf einer leitfähigen Oberfläche 82, auf die die Ringe 10 aufgelötet werden.
Wie in 9 gezeigt, gibt es mindestens einen Ring 10 mit dessen Ausstülpung 20 und Scheitelpunkt 22, dessen Größe, Form, Position und Anordnung derart ist, dass der Scheitelpunkt 22 über die entsprechende leitfähige Leitung 82 kratzt, wenn die elektronische Vorrichtung 88 nach unten in Richtung des Substrats 80 gedrückt wird, und hierdurch die Ringe 10 gequetscht und deformiert werden.
Während die Ausführungsform von 9 die Drehachse 14 eines jeden Rings 10 zeigt, die sich in die Papierebene erstreckt, umfassen alternative und äquivalente Ausführungsformen die Ringe 10 so angeordnet, dass ihre Drehachsen 14 in der Papierebene liegen. In einer derartigen Ausführungsform würde die Drehachse 14 entlang mindestens einer Kante einer Vorrichtung im wesentlichen co-linear verlaufen.
In noch einer weiteren Ausführungsform können die Drehachsen 14 jedes Rings statistisch orientiert oder in einem radialen Muster vorliegen, wie in 14 veranschaulicht. Die Drehachsen 14 sind jedoch bevorzugt parallel zur Oberfläche mindestens eines des Substrats 80 und der Vorrichtung 88, so dass die Ringe 10 nicht verkanten oder abwinkeln, um die Oberflächen, über die das Lötmittel die Teile miteinander verbinden kann, maximiert werden.
Wenn verwendet, um Komponenten an Substrate zu binden, umfassen die Ringe 10 bevorzugt zwei Lötbarrierestreifen oder -bänder aus Nickelplattierung 68, 70, die entlang der Seite des Rings 10 von einem offenen Ende zum anderen verlaufen. Die Nickelbänder 68 und 70 verhindern, dass Lötmittel den gesamten Weg um den Ring läuft, wodurch sichergestellt wird, dass mindestens ein Teil der flexiblen Ringseitenwand nicht verlötet wird und beweglich bleibt.
10 zeigt einen einzelnen leitfähigen hohlen Ring 10 eines Multi-Ringverbinders 2, angeordnet oberhalb einer im Wesentlichen planaren Lage eines nicht-leitfähigen flexiblen Films 60, wie einen Polyimidfilm und Aquivalenten hiervon. Der Film 60 wird so geschnitten oder gebildet, dass das Filmmaterial selektiv derart entfernt wird, dass das entfernte Filmmaterial die Form des Buchstabens "H" bildet. In 10 ist von dieser H-förmigen Öffnung 62 zu sehen, dass sie einen Zentrumsbasisabschnitt aufweist, der zwei beabstandete Schenkelabschnitte schneidet, die zusammenwirkend zwei klappenähnliche Erstreckungen aus Filmmaterial 64, 66 definieren, die sich in das Zentrum der H-Öffnung 32 erstrecken. Diese Klappen aus Filmmaterial 64 und 66 sind ohne den Film 60 auf drei Seiten, wobei diese ebenfalls als vom Film 60 ausgekragt sein können und einander gegenüber liegen. Wenn der flexible Film 60 in geeigneter Weise ausgewählt ist, um geeignet elastisch zu sein, werden die gegenüber liegenden Klappen 64 und 66 "nach unten" gebogen, wenn der Ring 10 "in" die H-Öffnung 62 gedrückt wird, wodurch es dem Ring 10 möglich wird, in den Film 60 eingeführt und durch diesen lose getragen zu werden.
Wie in 11 gezeigt, wenn der Ring 10 auf halbem Weg durch den Film 30 gedrückt wird, macht dessen Umfang die Klappen 64 und 66 frei und erlaubt diesen, in ihre ursprüngliche Position zurück zu springen. Die H-Öffnung 62 hält daher den Ring 10 auf halbem Weg durch die Folie 60. Der Körper jeden Rings wird mit dem H-förmigen Öffnungsbasisabschnitt ausgerichtet und durch Anordnen der Ausstülpungen mehrerer Ring 10 unter- und oberhalb der Folie, wird deren Anordnung gegenüber der Oberfläche abgesichert. Nachdem die Ringe 10 in die Ausschnitte 62 eingeführt sind, werden die Klappen 64 und 66 hiernach den Ring 10 durch die Klappen 64 und 66, die sich in das Innere des Rings 10 erstrecken, lose an Ort und Stelle halten. Durch Bilden mehrerer H- förmiger Öffnungen 62 in einer Lage aus nicht-leitendem Material, wie einem Polyimidfilm, können mehrere der Ringe 10 an Ort und Stelle gehalten und in Bezug auf einander orientiert werden.
Der Fachmann im Stand der Technik sollte abschätzen, dass die Fähigkeit des Films 30 hohle leitfähige Ringe 10 zu befestigen, von der relativen Größe der Ringe und Öffnungen 62 in Bezug zueinander abhängt. Der leitfähige hohle Ring 10 und die H-förmigen Öffnungen 62 sind jeweils so groß und derart geformt, dass sie miteinander kooperativ zusammenwirken, wenn der leitfähige hohle Ring 10 in die Öffnung 62 eingeführt und in dieser positioniert wird.
In noch einer weiteren alternativen Ausführungsform kann das Innenvolumen eines Rings 10 teilweise oder vollständig mit einem flexiblen nichtleitenden Material, wie Silicon, gefüllt werden. Lötmittelauffüllungen können mechanisch und elektrisch den Ring 10 an einem Substrat 8 befestigen, aber durch Auffüllen des Ringinnenraums mit einem flexiblen Material, kann die Ringfestigkeit erhöht werden, während verhindert wird, dass Lötmittel entweder durch Herumfließen oder Kapillarwirkung in den Innenraum fließt.
12 zeigt eine Seitenansicht einer elektronischen Vorrichtung 88, wie einem Mikroprozessorkern, montiert auf ein Substrat 80, unter Verwendung mehrerer leitfähiger Ringe 10, gehalten an Ort und Stelle mittels der zuvor erwähnten leitfähigen Lage 30. Der Fachmann im Stand der Technik wird schätzen, dass die elektrischen Verbindungen zwischen der Vorrichtung 88 und den Leitungen auf dem Substrat 80 (nicht gezeigt) durch die Scheuerwirkung der oben beschriebenen Ausstülpungen 20 verbessert wird. Zusätzlich zur Bereitstellung verbesserter elektrischer Verbindung, liefern die Ringe 10 eine relativ flexible Verbindung, durch die Vibration und Durchbiegen des Substrats 80 weniger wahrscheinlich ein Abbrechen einer elektrischen Verbindung bewirkt.
In den bevorzugten Ausführungsformen sind die hohlen leitfähigen Ringe bevorzugt aus elektrisch-leitenden Metallen hergestellt, die ebenfalls eine Lötbarriere akzeptieren. Kupfer, Silber und Gold sind ausgezeichnete Leiter und können mit anderen Metallen Legierungen bilden, die gute Flexibilität bereitstellen können. Sie können auch mit Lötbarrieremetallen, wie Nickel, lokal plat tiert sein. Die Ringe 10 können ebenfalls aus Metall-plattierten Kunststoffen gebildet werden.
Die Ringe 10 werden bevorzugt unter Verwendung eines Galvanoformungsverfahrens gebildet, welches im Elektro-Stand der Technik gut bekannt ist. Die Ringe 10 können ebenfalls unter Verwendung bekannter Lithographie-Techniken gebildet werden. Ringdimensionen 10 so klein wie 500 μm sind möglich, obwohl größer dimensionierte Ringe, z. B. bis zu 1.000 μm und darüber hinaus, für viele Anwendungen einfacher zu handhaben sind.
Es versteht sich, dass die offenbarte und hier beanspruchte Erfindung in anderen spezifischen Formen ausgeführt sein kann, ohne vom Umfang hiervon abzuweichen. Beispielsweise, während die vorangehend diskutierten biegsamen Hohlringe 10, die gebildet sind, um eine einzelne Ausstülpung 20 aufzuweisen, und wobei die Ausstülpung einen einzelnen Scheitelpunkt 22 bildet, umfasst mindestens eine alternative und äquivalente Ausführungsform einen Ring 10, gebildet mit einer Ausstülpung mit multiplen Scheitelpunkten oder Scheuerpunkten 22. Nach noch einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Ring 10, der gebildet ist, um eine Mehrzahl von Ausstülpungen 20 aufzuweisen, jeweils einen oder mehrere Punkte oder Scheitelpunkte 22, derart, dass, wenn der Ring schnell komprimiert wird, dieser die Oberflächen bei multiplen Punkten scheuert, wenn der Ring komprimiert wird. Eine derartige alternative Ausführungsform würde einen Ring 10 bereitstellen, der ebenfalls Kontaktoberflächen auf sowohl dem Substrat als auch der Vorrichtung scheuert, dass der Ring 10 an das Substrat koppelt.
Die Kontakte der vorliegenden Erfindung können in Zwischenschaltungsanwendungen verwendet werden, wie in 14 gezeigt, wo eine Vielzahl von Kontakten 200 in einem radialförmigen Muster auf einem Substrat 202 angeordnet sind. Weil die Kontakte hohle Öffnungen aufweisen, liefern diese verbesserte thermische Leistungsfähigkeit, weil die Öffnungen als Luftpfade dienen, die durch den Pfeil 204 von 14 gezeigt sind. Die Kontakte können in Steckdosen oder anderen Anwendungstypen eingesetzt werden.
15 ist eine Endansicht eines weiteren Federkontakts 300 in Form eines kontinuierlichen Rings, aufgebaut gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform weist der Ring 300 ein Paar ansteigende Bereiche 302, 303 auf. Diese Bereiche umfassen eine Vielzahl von Wischarmen 304, die sich im Allgemeinen radial nach außen von den äußeren Oberflächen des Rings erstrecken, anders als ein einzelnes erhöhtes Bauteil, wie die oben beschriebene Ausstülpung. Die Wischerarme 305 sind voneinander in Längsrichtung entlang des Rings beabstandet. Der Körper des Rings kann in den Bereichen, die die Wischerarme tragen, dicker sein als die Seiten des Rings, wie gezeigt.

Claims

Federkontakt (10) zur Verbindung eines Stromkreises einer elektronischen Vorrichtung (88) an einen Stromkreis, montiert auf einer ebenen Montagefläche (23, 80, 82), umfassend: einen durchgängigen Ring, gebildet aus einem biegsamen Material, das sich um einen geometrischen Punkt (12) erstreckt, wobei der Ring einen Körper aufweist, der ein hohles Inneres umschließt, wobei der Körper eine innere Oberfläche (16) und eine äußere Oberfläche (18) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring mindestens eine Ausstüplung (20) umfasst, die sich von der äußeren Oberfläche des Ringkörpers erstreckt, wobei die Ausstülpung zwei Seiten aufweist, die von der äußeren Oberfläche des Ringkörpers zu einem Schnittpunkt führt und hierdurch einen Scheitelpunkt (20) davon definiert.
Federkontakt nach Anspruch 1, worin der Ringscheitelpunkt sich linear bewegt, wenn der Ring einer Kompressionskraft ausgesetzt wird.
Federkontakt nach Anspruch 1, worin die Ausstülpung im Wesentlichen einen Querschnitt in Form eines nach unten weisenden Spitzbogens aufweist.
Federkontakt nach Anspruch 3, worin der nach unten weisende Spitzbogen einen Scheitelpunkt aufweist, der im Wesentlichen auf der Sekante eines ersten Bogens liegt, wobei die Sekante des ersten Bogens gebildet wird durch Ausweiten eines Radius eines Sektors eines Bogens, der auf einem kreisförmigen Querschnitt des Rings liegt, bis die Ausweitung des einen Radius eine Linie trifft, die im Wesentlichen senkrecht ist zu einem zweiten Radius des Querschnitts des Rings an dem Punkt, wo der zweite Radius den ersten Bogen trifft.
Federkontakt nach Anspruch 1, worin der Querschnitt der Ausstülpung die Form eines parabolischen Segments aufweist.
Federkontakt nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine nicht-leitende Lage mit einer darin gebildeten H-förmigen Öffnung, wobei die H-förmige Öffnung erste und zweite Klappen definiert, wobei der in der H-förmigen Öffnung aufgenommene Ringkörper und die ersten und zweiten Trägerklappen sich zumindest teilweise ins hohle Innere des Rings erstrecken.
Federkontakt nach Anspruch 6, worin er eine Lage aus Polyimidfilm umfasst.
Federkontakt nach Anspruch 6, worin die Lage aus einem flexiblen Material gebildet ist.
Federkontakt nach Anspruch 1, worin der Ring einen Metallring umfasst.
Federkontakt nach Anspruch 1, worin der Ring einen Kunststoffring umfasst, wobei die äußere Oberfläche hiervon leitend beschichtet ist.
Federkontakt nach Anspruch 1, worin der Ring lithographisch gebildet wird.
Federkontakt nach Anspruch 1, worin der Ringkörper erste und zweite Lötbarrieren aufweist, angeordnet auf mindestens der äußeren Oberfläche hiervon und voneinander beabstandet entlang eines Umfangs des Rings.
Federkontakt nach Anspruch 12, worin die erste und zweite Lötbarriere allgemein einander gegenüberliegend auf dem Ringumfang angeordnet sind.
Federkontakt nach Anspruch 12, worin die Lötbarrieren aus Nickel gebildet sind.
Federkontakt nach Anspruch 1, worin der Ring einen Durchmesser zwischen etwa 500 Mikrometern und 1500 Mikrometern aufweist.
Federkontakt nach Anspruch 1, wobei der Ring einen vergrößerten Basisabschnitt umfasst, der gegenüberliegend zu der Ausstülpung angeordnet ist.
Kombination eines planaren Substrats und einer Vielzahl von leitfähigen hohlen Ringen zur Verbindung mit einer elektronischen Vorrichtung, wobei das planare Substrat (80) eine Vielzahl von leitfähigen Leitungen (82) aufweist, die in der Lage sind, elektrische Signale zu übertragen; einer Vielzahl leitfähiger hohler Ringe (10), wobei jeder Ring mit mindestens einer leitfähigen Leitung auf dem planaren Substrat verbunden ist; wobei jeder Ring aus einem biegsamen Material gebildet ist, das sich um einen geometrischen Punkt (12) erstreckt und ein hohles Inneres umschließt; wobei die Ringe Ausstülpungen (20) aufweisen, die sich von äußeren Oberflächen (18) erstrecken, wobei die Ausstülpungen Scheitelpunkte (22) aufweisen, die sich auf den äußeren Oberflächen der Ringe befinden, und so angeordnet sind, dass sich die Scheitelpunkte linear bewegen, wenn eine elektronische Vorrichtung auf die Ringe hinuntergepresst wird.
Kombination nach Anspruch 17, worin die Ausstülpung einen Querschnitt in Form eines nach unten gerichteten Spitzbogens aufweist.
Kombination nach Anspruch 17, weiterhin umfassend eine nicht-leitende Lage, umfassend eine Vielzahl darin angeordneter H-förmiger Öffnun gen, wobei jede H-förmige Öffnung einander gegenüberliegende erste und zweite Trägerklappen der Lage definiert, wobei die H-förmigen Öffnungen einen einzelnen Ring darin aufnehmen, wobei sich die ersten und zweiten Trägerklappen ins hohle Innere des Rings erstrecken.
Kombination nach Anspruch 17, worin die Lage eine Lage von flexiblem Film umfasst.
Kombination nach Anspruch 17, worin die Ausstülpungen eine Vielzahl von Wischerarmen aufweisen, die voneinander beabstandet sind und sich von äußeren Oberflächen des Ringkörpers nach Außen erstrecken.