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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft elektrische Verbinder. Insbesondere
betrifft die Erfindung Kugelmatrix-Sockelanordnungen.
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Stand der
Technik
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Kugelmatrix-Sockelanordnungen
(BGA) sind allgemein bekannt um elektrische Matrixvorrichtungen,
wie integrierte Schaltkreisvorrichtungen, an externe Schaltungen,
wie zum Beispiel einer Leiterplattenplatine (PCB) anzuschließen. Üblicherweise
haben solche Sockel Verbindungsstifte, die so angeordnet sind, dass
sie den Verbindungsanschlüssen
verschiedener Arten elektrischer Geräte entsprechen. So haben zum
Beispiel elektrische Vorrichtungen oder integrierte Schaltkreisanordnungen
Anschlüsse, die
für die
Verwendung in einer Kugelmatrixanordnung (BGA) angepasst sind, die
im Wesentlichen kugelförmige
Verbindungsanschlüsse
aufweisen oder für
die Verwendung in einer Lötzungenmatrixanordnung
(LGA), die stiftartige Verbindungsanschlüsse aufweisen. Diese Anordnungen
haben eine relativ geringe Höhe,
was wünschenswert
ist, da dadurch in elektronischen Anordnungen Platz gespart wird.
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Eine
BGA-Anordnung integrierter Schaltkreise weist typischerweise einen
Körper
mit den notwendigen Schaltkreisen auf sowie eine große Anzahl von
Verbindungsanschlüssen
mit Lötmaterial,
welche auf einer Bodenfläche
des Anordnungskörpers
matrixartig angeordnet sind und zur Verbindung mit einer externen
Schaltung kugelförmig
vorstehen. Um eine BGA-Anordnung integrierter Schaltkreise mit einem externen
Schaltkreis, wie beispielsweise einer Leiterplatine, zu verbinden
wird der Anordnungskörper
typischerweise an einem vorbestimmten Ort auf der Leiterplatte montiert
und die Verbindungsanschlüsse sind
direkt mit den entsprechenden Schaltkreisanschlüssen verbunden, indem das Lötmaterial
teilweise auf den Verbindungsanschlüssen verschmolzen wird. Ein
Nachteil ist jedoch, dass bei der Verwendung von Lötverbindungen
die Anordnung nicht einfach entfernt werden kann, um sie zu ersetzen
oder ein upgrade auszuführen.
Dementsprechend ist es erstrebenswert einen elektrischen Verbinder
zur Montage an einer elektrischen Vorrichtung auf einer Leiterplatte
anzugeben, der entfernbar bzw. abtrennbar ist.
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Elektrische
Verbinder zur entfernbaren Montage einer BGA- oder LGA-Anordnung
auf einer Leiterplatine sind allgemein bekannt. Diese entfernbaren
Verbinder weisen typischerweise ein im Wesentlichen flaches dielektrisches
Gehäuse
auf, welches zwischen der elektronischen Vorrichtung und der Leiterplatte
angeordnet ist. Das Gehäuse
hat eine Matrix von Ausnehmungen, in welchen elektrische Kontakte angeordnet
sind. Die Kontakte sind entsprechend der Anordnung von Anschlüssen auf
der elektronischen Vorrichtung angeordnet. Jeder der Kontakte hat
typischerweise ein paar sich in entgegengesetzter Richtung erstreckender
Endbereiche, welche über
die Außenflächen des
Verbindergehäuses
vorstehen. Wenn das elektronische Gerät auf dem Verbinder montiert
ist, ist ein Endbereich des Kontakts jeweils mit einem entsprechenden
Anschluss des elektronischen Geräts
verbunden und der gegenüber
liegende Endbereich mit einem entsprechenden Anschlussdraht oder
einer Leiterbahn auf der Leiterplatine.
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Typischerweise
wird das elektronische Gerät abnehmbar
auf dem Sockelgehäuse
durch eine Druckkraft gehalten, welche die elektrischen Kontakte
des Sockels von oben nieder presst, wodurch eine seitliche Verbiegung
des Kontakts stattfindet, wenn die elektrische Verbindung zwischen
dem elektronischen Gerät
und der Leiterplatte hergestellt ist. Beispiele für solche
Halterungen an elektrischen Schaltkreisen (IC) auf einem Sockel
mittels eines Geräts, die
eine Druckkraft auf den Sockel ausüben, sind den US-Patentschriften
US 6,191,480, US 5,761,036, US 5,588,847 oder US 5,703,753 beschrieben,
die verschiedene Ausführungen
von IC-Sockelanordnungen beschreiben. Alternativ weisen herkömmliche
Sockel ein Nockenmechanismus auf, um selektiv elektrische Kontakte
des Sockels in seitlicher Richtung zu bewegen, um einen Kontakt
mit den Seiten der Anschüsse des
elektronischen Geräts
herzustellen oder zu lösen.
Diese seitliche Verbiegung erfordert Raum in dem Sockelgehäuse und
kann einen Mindestabstand zwischen elektrischen Kontakten bestimmen.
Dieses Problem wird verstärkt,
wenn elektrische Geräte
immer kleiner werden und die Matrixdichten bei solchen elektrischen
Geräten
immer größer werden.
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Ferner
gewährleisten übliche Sockelanordnungen
nicht immer eine zuverlässige
mechanische/elektrische Verbindung zwischen dem elektronischen Gerät und der
Sockelanordnung. Ein Problem ist, dass Herstellungsungenauigkeiten
bei der Herstellung bestimmter Komponenten seitliche Verbiegungen
zwischen den Komponenten ermöglichen. Solche
Verbiegungen fügen
den Komponenten Spannungen hinzu, welche zu Gerätebeschädigungen und einem Verlust
sicherer elektrischer Verbindungen führen kann.
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Die
US 4,999,023 beschreibt
einen elektromechanischen Sockel mit mehrfach geschichteten isolierenden
Schichten zwischen den elektrisch leitenden Buchsen in leitend plattierten Öffnungen
angeordnet sind, wobei jede dieser Öffnungen mit einem elektrischen
Leiter verlötet
ist, der auf einer der isolierenden Schichten angeordnet ist. Um
sicher zu stellen, dass eine elektrische Verbindung zwischen einem
Kontakt der integrierten Schaltung und dem zugehörigen elektrischen Leiter hergestellt
wird, weist jede Hülse
einen leitenden Zylinder und eine federelastische schwammartige
Masse auf, die sich in horizontaler Richtung auf die Wand der Hülse hin
erstreckt, wenn Druck auf die integrierte Schaltung ausgeübt wird.
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Ein
weiteres Problem, welches mit der Verwendung von Sockelanordnungen
auftreten kann ist die unterschiedliche Reaktion einer jeden Komponente
auf Temperaturänderungen.
Der thermische Ausdehnungskoeffizient (CTE), stellt in dem Sinne wie
er hier verwendet wird, die Größe der Veränderung
der Abmessungen eines Materials in einem spezifischen Temperaturbereich
dar. Zum Beispiel besteht zwischen elektronischen Geräten, einem
Sockel und einer Leiterplatine ein Unterschied in dem thermischen
Ausdehnungskoeffizient dieser Bauteile und dem Verbindermaterial,
dem Material der Lötverbindung,
dem Sockelmaterial und dem Material der Leiterplattenplatine. Flächige Matrixanordnungen (Verbinder/Geräte/Anordnung,
etc.) haben typischerweise eine begrenzte Größe aufgrund der Effekte der unterschiedlichen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen den zugehörigen Materialien.
Je größer die
Verschiebungen aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
während
Temperaturänderungen
sind, umso stärker
ist davon die elektrische Integrität und Leistungsfähigkeit
des Systems betroffen.
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Dementsprechend
besteht Bedarf an einem Kugelmatrixsockel, der eine elektrische
Verbindung zwischen der Sockelanordnung und dem elektrischen Gerät herstellt,
bei gleichzeitiger Beibehaltung einer sicheren mechanischen Verbindung
für den Fall,
dass sich Komponenten zueinander bewegen.
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Kurze Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung befriedigt das oben genannte Bedürfnis, indem
Systeme und Verfahren angegeben werden, welche eine solide und zuverlässige Verbindung
zwischen einer Sockelanordnung und einem elektrischen Gerät liefert,
welches daran befestigt ist. Erfindungsgemäß wird eine Kugelmatrix-Sockelanordnung
zum Verbinden eines elektrischen Geräts mit einer Mehrzahl von Kugelkontakten
an eine elektrische Schaltung, beispielsweise einer Leiterplatte,
angegeben. Die Kugelmatrix-Sockelanordnung weist ein Gehäuse auf
mit einer Bodenfläche
und einer oberen Oberfläche
mit einer Mehrzahl von Durchgangsöffnungen und einer Mehrzahl
von Anschlüssen.
Jeder Anschluss ist innerhalb einer Öffnung des Gehäuses angeordnet
und eine komprimierbare Kugel aus elektrisch leitendem Material
ist innerhalb eines jeden der Anschlüsse angeordnet. Auf diese Weise
komprimieren die Kontakte des Geräts, wenn dieses in dem Sockel
angeordnet ist, jeweils die komprimierbare Kugel in den Kontaktanschlüssen und
erzeugt eine elektrische Verbindung und bildet ein mechanisches
Spiel zwischen den Anschlüssen
und den Gerätekontakten.
Wenn eine Relativbewegung zwischen dem elektrischen Gerät und dem
Sockel (durch thermische Expansion oder Ähnlichem) auftritt, kompensiert
die komprimierbare Kugel aus elektrisch leitendem Material diese Bewegung,
sodass eine aus solchen Bewegungen resultierende Spannung absorbiert
wird. Außerdem umfasst
nach einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung die Sockelanordnung ein Druckbeaufschlagungsmittel,
um das elektrische Gerät
am Sockel zu befestigen.
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Kurzbeschreibung verschiedener
Ansichten in der Zeichnung
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Weitere
Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten
Beschreibung von Ausführungsformen
der Erfindung hervor in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung,
in der zeigen:
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1 eine
Kugelmatrix-Sockelanordnung nach der vorliegenden Erfindung und
eine elektrische Komponente zur Einführung in die Anordnung; und
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2 ein
Kontaktanschluss nach der vorliegenden Erfindung;
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3 ein
beispielhaftes Verfahren nach der vorliegenden Erfindung zur Herstellung
einer elektrischen Verbindung zwischen einem elektrischen Gerät und einem
Sockel.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung gibt einen Kugelgittermatrixsockel an, mit
einer komprimierbaren Kugel aus elektrisch leitendem Material, welche
in einem Anschluss am Gehäuse
des Sockels angeordnet ist. Die Kugel aus elektrisch leitendem Material dient
dazu, einen festen und sicheren Passsitz zwischen einem Kugelkontakt
an einem elektrischen Gerät
und dem Anschluss des Sockels herzustellen. Auf diese Weise kann
die komprimierbare Kugel aus elektrisch leitendem Material jede
Bewegung oder Verbiegung (zum Beispiel eine Bewegung aufgrund thermische
Expansion oder Herstellungsungenauigkeiten) aufnehmen, indem ein
mechanischer Puffer zwischen dem Anschluss des Sockels und den Kontakten
des Geräts
hergestellt wird. Die Kugel aus elektrisch leitendem Material sorgt
nicht nur für
eine mechanische Passung zwischen dem Anschluss und dem Kontakt
sondern stellt auch eine solide elektrische Verbindung zwischen
diesen her.
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1 zeigt
eine Kugelmatrix-Sockeleinheit 5 mit einer Sockelanordnung 7 nach
der vorliegenden Erfindung und eine elektrische Komponente 15,
die in diese Anordnung einführbar
ist. Die Kugelmatrix-Sockelanordnung 7 weist
einen Sockel 10 und eine Ladevorrichtung 20 auf.
Der Sockel 10 hat ein Gehäuse 12 mit einer Bodenfläche 13 und
einer oberen Oberfläche 11 mit
einer Mehrzahl von Durchgangsöffnungen 14.
In einer Ausführungsform
ist das Gehäuse 12 aus
Kunststoff hergestellt, das Gehäuse 12 kann
jedoch ebenfalls aus jedem geeigneten Material hergestellt sein,
ohne das Wesen der Erfindung zu verlassen.
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Der
Sockel weist ferner eine Mehrzahl von Anschlüssen 16 auf, die innerhalb
der Durchgangsöffnungen
angeordnet sind. Bei einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind die Anschlüsse 16 aus Kupfer
hergestellt, jedoch jedes geeignete Material kann für die Anschlüsse verwendet
werden ohne aus dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung herauszutreten.
Außerdem
kann jeder Anschluss 16 einen Kontakt 18 aufweisen,
der an Anschluss 16 angeordnet ist, um den Sockel 10 an
einem anderen elektrischen Gerät,
zum Beispiel einer gedruckten Schaltungsplatine (nicht gezeigt)
anzuschließen.
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Nach
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist eine komprimierbare Struktur aus elektrisch
leitendem Material 50 innerhalb eines jeden der Vielzahl
von Anschlüssen 16 angeordnet. Wenn das
elektrische Gerät 15 mit
seinen Kontakten 17 in dem Sockel 10 angeordnet
ist, komprimieren die Kontakte 17 des Geräts 15 die
komprimierbare Struktur 50 in den Anschlüssen 16,
sodass eine elektrische Verbindung zwischen dem Anschluss 16 und dem
Gerät 15 hergestellt
ist.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist die Sockelanordnung 7 eine
Ladevorrichtung 20 aus Edelstahl auf, die ein elektrisches
Gerät 15 am
Sockel 10 befestigt. Auf diese Art kann die Ladevorrichtung 20 jede übliche Befestigungsstruktur
verwenden, um das Gerät 15 am
Sockel 10 zu befestigen. Wie in 1 gezeigt
hat die Ladevorrichtung 20 Öffnungen 25, in die
Schrauben, Nieten oder durch die Ladevorrichtung 20 hindurch
eingefügt
werden können,
um die Ladevorrichtung 20 am Sockel 10 zu befestigen,
wodurch das Gerät 15 im
Sockel 10 ebenfalls befestigt ist. Andere Befestigungsmittel
wie Klammern oder Scharnierbefestigungen können ebenfalls verwendet werden,
um die Ladevorrichtung 20 am Sockel 10 (und das
elektrische Gerät 15 am
Sockel 10) zu befestigen, ohne das Wesen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen.
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Nach
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung hat die Ladevorrichtung (nicht gezeigt) Federn,
die auf der Seite zwischen der Ladevorrichtung 20 und dem
Sockel 10 angeordnet sind. Auf diese Weise erzeugen die
Federn einen gleichmäßigen Druck
gegen den Sockel 10, wenn die Ladevorrichtung 20 am
Sockel 10 befestigt ist. Eine solche Konfiguration verhindert
eine ungleichmäßige Druckverteilung,
die zu Verbiegungen und/oder physikalischer Beschädigung des
Sockels 10, der Ladevorrichtung 20 und/oder des
Geräts 15 führen könnten.
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2 zeigt
einen Anschluss 16 als Beispiel für einen Aspekt der vorliegenden
Erfindung. Der Anschluss 16 kann becherförmig ausgeführt sein
mit einem offenen Ende 77 und einem geschlossenen Ende 79,
wobei ein Kugelkontakt 18 am geschlossenen Ende 79 des
Anschlusses 16 angeordnet ist. Der Kugelkontakt 18 wird
verwendet, um den Sockel 10 elektrisch mit einem (nicht
gezeigten) externen Schaltkreis zu verbinden. Auf diese Weise, wie
in 2 gezeigt, besteht die Struktur aus elektrisch
leitendem Material 50, aus einer Kugel, aus Metalldraht und
ist im Anschluss 16 angeordnet. Wenn die Kugelkontakte 17 eines
elektrischen Geräts
(wie beispielsweise das Gerät 15 in 1)
in den Anschluss 16 eingefügt sind, komprimiert der Vorrichtungskontakt 17 die
Kugel aus elektrisch leitendem Material 50 und eine elektrische
Verbindung zwischen dem (nicht gezeigten) Gerät und dem Anschlusskontakt 18 ist
hergestellt. Der Sockel 10 mit dem darauf montierten Gerät 15 kann
in einen externen Schaltkreis eingefügt werden, zum Beispiel einer
gedruckten Schaltkreisplatine, und eine elektrische Verbindung kann zwischen
dem Gerät 15 und
dem Schaltkreis hergestellt werden.
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Zusätzlich sorgt
die komprimierbare Kugel aus elektrisch leitendem Material 50 nicht
nur eine elektrische Verbindung zwischen dem Gerät und dem (nicht gezeigten)
Substrat, sondern das Material 50 sorgt für mechanische
Unterstützung.
Somit kann das komprimierbare Material Abmessungstolleranzen zwischen
dem Gerätekontakt 17 und
dem Anschluss 16 kompensieren. So können beispielsweise Fertigungstolleranzen
in herkömmlichen
Anordnungen auftreten, die die Gerätekontakte mit Spiel zwischen
dem Kontakt und dem Anschluss belassen. Somit können ohne die komprimierbare
Struktur des elektrisch leitenden Materials die Tolleranzen unter gewissen
Umständen
in Spalten zwischen den Kontakten und den Anschlüssen führen, was wiederum zu seitlichen
Verschiebungen der Gerätekontakte wäh rend der
Einführung
in den Anschluss führen kann.
Solche Bewegungen verursachen Spannungen zwischen den Komponenten,
die zu einem Verlust der elektrischen Verbindung oder zu Beschädigung des
Kontaktes und/oder Anschlusses führen können, was
wiederum zu inkorrekter elektrischer Kommunikation zwischen dem
Gerät und
der externen Schaltung führt.
Mit einer komprimierbaren Struktur 50 in dem Anschluss 16 nach
der vorliegenden Erfindung erzeugt eine Deformation der Struktur 50 einen
Presssitz zwischen dem Kontakt 17 und dem Anschluss 16 und
somit wird eine seitliche Bewegung durch die komprimierbare Struktur 50 absorbiert,
wodurch physische Beschädigung
und ein Verlust der elektrischen Leitung verhindert werden.
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Außerdem kann
die komprimierbare Struktur 50 jede Größenvariation der Komponenten
auffangen, die durch Temperaturänderungen
hervorgerufen wird. Zum Beispiel kann sich der Gerätekontakt 17 ausdehnen
und zusammenziehen wenn er stromdurchflossen ist, und die komprimierbare
Struktur 50 wird die Verschiebung kompensieren während ein solider
zuverlässiger
elektrischer Kontakt aufrecht erhalten bleibt.
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Die
komprimierbare Struktur 50 aus elektrischem komprimierbaren
Material ist kugelförmig,
wie man in 2 erkennt.
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3 zeigt
den Ablauf eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung einer
elektrischen Verbindung zwischen einem elektrischen Gerät mit einer Mehrzahl
von Gerätekontakten
und einem Sockel mit einer Mehrzahl von Anschlüssen, wobei die Anschlüsse eine
komprimierbare Struktur aus elektrisch leitendem Material beinhalten.
Wenn eine elektrische Verbindung zwischen dem Sockel und dem Gerät hergestellt
ist, wird eine elektrische Verbindung zwischen einer externen Schaltung
(wie beispielsweise einer Leiterplatte) und dem Sockel hergestellt,
wodurch das Gerät
elektrisch mit der Schaltung verbunden wird. Es wird angenommen,
dass der Sockel zuerst auf der externen Schaltung angebracht werden kann
und dann das elektrische Gerät
in den Sockel eingefügt
wird.
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Auf
jeden Fall wird in Schritt 300 das elektrische Gerät oberhalb
eines Sockels platziert, derart, dass die Gerätekontakte im Wesentlichen
mit den Anschlüssen
den Sockels ausgerichtet sind und in Schritt 310 werden
die Gerätekontakte
in einer Abwärtsbewegung
die Anschlüsse
eingeführt,
derart, dass die Gerätekontakte
die komprimierbare Struktur aus elektrisch leitendem Material komprimiert,
welche in dem Anschluss angeordnet ist. Auf diese Art ergibt sich
eine elektrische Verbindung zwischen dem Sockel und dem elektrischen
Gerät,
wenn das komprimierbare elektrisch leitende Material komprimiert
wird. Bei einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird im Schritt 320 eine Ladevorrichtung
am Sockel gefestigt derart, dass das elektrische Gerät ebenfalls
am Sockel befestigt ist.
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Wie
oben stehend erläutert
ist die vorliegende Erfindung auf eine Kugelmatrix-Sockelanordnung gerichtet. Änderungen
an den oben beschriebenen Ausführungsformen
können
durchgeführt
werden ohne das breite Erfindungskonzept zu verlassen. So können beispielsweise
verschiedene Ladevorrichtungen und Befestigungsstrukturen verwendet
werden ohne aus dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu treten.
Dementsprechend ist die vorliegende Erfindung nicht auf die beschriebenen
besonderen Ausführungsformen
beschränkt
sondern beabsichtigt alle Modifikationen zu berücksichtigen, die unter die beanspruchte
Erfindung fallen.