JP2006004928A

JP2006004928A - スタッドバンプソケット

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Publication number: JP2006004928A
Application number: JP2005173143A
Authority: JP
Inventors: K Falk David; ケイフォークデビッド; Jurgen H Daniel; エイチダニエルユルゲン
Original assignee: Palo Alto Research Center Inc
Current assignee: Palo Alto Research Center Inc
Priority date: 2004-06-18
Filing date: 2005-06-14
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2025-06-14
Also published as: JP4728707B2; CN1722535A; US7118389B2; CN1722535B; US20050282411A1

Abstract

【課題】スタッドバンプ付のＩＣデバイスをホストシステムに電気的に接続するための、可撓性のある再利用可能なコネクションソケットを提供する。
【解決手段】スタッドバンプ１５０は、ベース部１５１と、これから先端１５７にかけて延びる細長いボディ１５２とを含む。ソケット１００は、中央室１２５を取り巻く少なくとも一つの側壁１１２とこれの上端１１４に位置した接点構造１１５とを含む金属フレーム１１０を含む。接点構造１１５は、中央室１２５に連通する開口１１７を画定する。スタッドバンプ１５０の先端１５７が中央室１２５に挿入されると、スタッドバンプ１５０のベース部１５１および細長いボディ１５２の少なくとも一方が二つ以上の接触点において接点構造１１５に当接する。
【選択図】図１

Description

本発明は、スタッドバンプを電気的に接続するソケットに関する。

電子パッケージとは集積回路（ＩＣ）デバイスのための相互配線可能なハウジングのことである。パッケージ操作は、半導体ウェハが公知の半導体プロセス技術によって作製された後、個々のＩＣ「チップ」にダイシング（すなわち切断）された後に行われる。一般に、パッケージ操作には、パッケージハウジング内への一つ以上のＩＣチップの配置、ハウジングに形成された接点パッドへのＩＣチップの電気的接続であって、例えばワイヤボンディングによるＩＣチップに形成された対応する入出力（Ｉ／Ｏ）ダイボンディングパッドへのこれら接点パッドの電気的接続、およびＩＣチップおよびワイヤボンディング部上への保護用被覆形成が含まれる。一般にハウジングは、導電トレースによって接点パッドに接続される、複数のリード、ピン、またはバンプを含み、所定パターンに配置されて、検査設備を用いてリード、ピン、またはバンプに検査信号を印加することによりパッケージ後のＩＣチップを検査できるようになっている。これにより欠陥ＩＣチップが識別および廃棄される一方で、この検査工程を通過したＩＣチップは、次に別のホストシステムのプリント回路基板（ＰＣＢ）の対応する接点部位に搭載される（例えばハンダ付けされる）。この後、パッケージＩＣに欠陥があった場合は、ハンダを加熱してその欠陥ＩＣを除去することによりホストシステムから欠陥ＩＣを除去し、ＰＣＢの接点部位を洗浄した後、新たなパッケージＩＣがその接点部位に再ハンダ付けされる。

検査前にＩＣチップをパッケージする従来法に伴う問題として、損傷もしくは非機能ＩＣチップをパッケージする工程が全体としての製造コストを著しく上昇させることがある。現在は、パッケージ前のＩＣチップを検査することができるチップスケールソケットのソリューションはほとんどない。該ソケットの代りに、大半のＩＣ検査用ソケット技術はジフ（ＺＩＦ）ソケットであって、特別なツールを用いずにデュアルインラインパッケージやピングリッドアレイパッケージを挿入および取外しできるように構成されたジフソケットを用いて構成されている。このように、上記従来のＺＩＦソケットによるソリューションは各ＩＣチップをパッケージした後に初めて適用できるものであり、このことが全体としての製造コストを高めて収益性を低下させている。

このため、可撓性のある、再利用可能なＩＣチップのコネクションがパッケージ操作前のＩＣチップの検査およびバーンインにおいて強く望まれている技術としてある。アセンブリおよび再利用がより簡単かつ高速になることに加えて、このコネクションによって輸入コンピュータ部品に対する関税を回避することができる（例えば、ラップトップコンピュータをそのプロセッサと別に出荷し、それによって完成したコンピュータシステムとしてではなく、部品として課税されるようにすることができる）。

フリップチップ技術は、その高い入出力密度能力、高いチップパッケージ密度、および優れた電気的性質のために人気を博している。ＩＢＭがＣ４プロセスを開発して以来、ハンダバンプ方式のフリップチップ技術が確立されている。このプロセスにおいては、ハンダバンプがチップのアンダバンプメタル（ＵＢＭ）パッド上に形成されリフロープロセスによって基板上のマッチングメタルパッドに接合されていた。この確立技術の実施には難しくて高価なプロセスを伴うため、新たな低コストフリップチップコネクション技術が求められていた。

近年、ワイヤボンディング技術に基づくスタッドバンプボンディング（ＳＢＢ）技術が、低コストフリップチップ技術のきわめて魅力的なソリューションとして開発されている。ＳＢＢ技術においては、従来のワイヤボンディングで使用される「ボールボンディング」プロセスの変形として、金のスタッドバンプがＩＣのダイボンディングパッドに配置される。ボールボンディングにおいては、金のボンディングワイヤの先端を溶融して球状にする。ワイヤボンディングツールによってアルミニウムボンディングパッドにこの球を押圧し、機械的力、熱および超音波エネルギを印加して金属のコネクションを形成する。ワイヤボンディングツールは次に、金ワイヤをプリント回路基板、基板またはリードフレーム上のコネクションパッドまで延ばして、当該パッドに「ステッチ」ボンディングを行い、ボンディングワイヤを断ち切って別のサイクルを開始する。金のスタッドバンプ付けの場合は、最初のボールボンディングは前述のように行われるが、その後ワイヤはボール上のごく近接位置で切断される。生じた切頭ワイヤ付き金ボール、すなわち「スタッドバンプ」がボンディングパッド上に残ることで、酸化アルミニウムを貫通して下地金属に至る永久的で信頼性の高いコネクションが与えられる。この技術には、ＵＢＭプロセスが不要、バンプ付けコストが低い、および微細ピッチかつチップレベルでのバンプ付けが可能といったいくつかの効果がある。

金スタッドバンプフリップチップ技術によって従来のＩＣパッケージ操作にないいくつかの効果がもたらされる。ワイヤボンダや専用のスタッドバンプ付け装置などのバンプ付け装置が広範に利用されて適切に特徴付けされる。スタッドバンプはワイヤボンダによって形成されるため、ワイヤボンディングが可能であればどこでもスタッドバンプを配置することができる。スタッドバンプは簡単に１００μｍより小さいピッチにすることができ、また７５μｍより小さいパッド上に配置することができる。スタッドバンプ付けはワイヤボンダで行うことができるため、ウェハやアンダバンプメタライゼーション（ＵＢＭ）を必要としない。個片の既製のダイを前処理なしにバンプ付けおよび反転させることができる。これによりスタッドバンプ式フリップチップ方式が高速、高効率になると共に、製品開発、プロトタイプ作製および小乃至中規模の生産にフレキシブルに対応するようになり、また一方で自動装置を用いた大規模ウェハベース生産に向けて容易にスケールアップすることができる。

スタッドバンプ付けはきわめてよい具合に開発されたものであるが、未確立の事項として、スタッドバンプを高信頼性かつ再利用可能に収容可能なコネクションソケットがある。

ジョーダン(Jordan)著，"Gold Stud Bump In Flip-Chip Applications"，パロマーテクノロジーズインク(Palomar Technologies, Inc.)，２００２年，４頁ユーンら(Yoon et al.)著，"RF Mems Based On Epoxy-Core Conductors"，Solid-State Sensor，Actuator and Microsystems Wrkshop Hilton Head Island，South Carolina，２００２年６月２−６日，pp.374-375 ゲリン(Guerin)著，"3-D Multichip Modules And Microclip; A Simple And Low-Cost Vertical Interconnection Technique"，SOTEC Microsystems，１９９７年７月１４日，１頁

したがって、強く必要とされているのは、スタッドバンプ付のＩＣデバイスをホストシステム（例えば、検査装置や電子デバイスのＰＣＢ）に電気的に接続するための、可撓性のある再利用可能なコネクションソケットである。

本発明は、ソケットであって、該ソケットに搭載されるスタッドバンプを電気的に接続するソケットであり、前記スタッドバンプは、ベース部および前記ベース部から先端にかけて延びた細長いボディを含み、前記ソケットは、中央室を取り巻く少なくとも一つの側壁と該側壁の上端に位置した接点構造とを含む金属フレームを含んで構成され、前記接点構造は前記中央室に連通する開口を画定し、前記スタッドバンプの前記先端が前記中央室に挿入されると、前記スタッドバンプの前記ベース部および前記細長いボディの少なくとも一方が二つ以上の接触点において前記接点構造に当接することを特徴とする。

図１は本発明の一実施形態による、スタッドバンプ１５０に摺動接触するソケット１００を示す分解斜視図である。図１の上部を参照する。スタッドバンプ１５０は相対的に広めのベース部１５１、ベース部１５１から延びた細長い（テーパ付の）ボディ１５２、および細長いボディ１５２の自由（先）端に位置した先端部１５７を含む。スタッドバンプ１５０は変形ワイヤボンディング法により形成される。ソケット構造は、中央室１２５を取り巻く少なくとも一つの側壁１１２を含む金属フレーム１１０、および側壁１１２の上端１１４に位置した接点構造１１５を含む。接点構造１１５は、中心軸Ｘに沿ったスタッドバンプ１５０の挿入を可能にするための、中心室１２５と連通した開口１１７を画定している。

以下でさらに詳しく述べる本発明の一態様によれば、接点構造１１５は、スタッドバンプ１５０の先端部１５７が中心室１２５に挿入されると、スタッドバンプ１５０のベース部１５１および／または細長いボディ１５２が複数の接触点で接点構造１１５に当接するように形成される。この複数接触の目的は、側壁１１２から開口１１７に向かって延びた複数の接点突起１１６を設けることにより達成される。特に、接点構造１１５は、開口１１７がクローバ状の形を画定して、接点突起１１６が中心軸Ｘの比較的近傍まで延びるクローバ状の凸部を形成し、接点構造１１５の凹部１１８が中心軸Ｘから比較的遠くに位置するように形成される。このようにして開口１１７の周囲に配列した複数の接点突起１１６を設けることにより、一つの接触点に間欠的な接触不良や抵抗増加が生じた場合でも、ソケット１００によって、スタッドバンプ１５０およびソケット１００間に信頼性の高い電気的接触が確保される。

図２は、検査、バーンイン、およびパッケージのため、ホストシステム（例えばプリント回路基板（ＰＣＢ））２３０とＩＣチップ（電子デバイス）２１０との間の可撓性のある、直接の再利用可能な接続を容易にする態様を示したアセンブリ２００を示す断面側面図である。

図２の上部を参照する。スタッドバンプ１５０のベース部１５１が、該ベース部１５１がダイボンディングパッド２１４に電気的に接触するように、ＩＣチップ２１０の表面２１２に搭載されている。当業者に明らかなように、ダイボンディングパッド２１４は、公知の方法によってＩＣチップ２１０に設けられた、関連するＩ／Ｏ回路（図示せず）に電気的に接続されている。留意すべき点として、図２ではスタッドバンプ１５０は例解のために拡大して（つまり、電子デバイス２１０に対して拡大して）描かれている。一実施形態において、スタッドバンプ１５０の全長（すなわち表面２１２から先端部１５７までの長さ）は約２５μｍになっている。各図における他の寸法も同様に例解のために歪んで示されている。

ソケット１００は、ホストシステム２３０の上面２３１に形成されたパターン化されたテンプレート構造１２０を含み、金属フレーム１１０は、パターン化されたテンプレート構造１２０の外面上に形成された（例えばメッキされた）金属層で構成される。下記により詳しく述べるように、パターン化されたテンプレート構造１２０はネガ形フォトレジスト材料で形成され、本実施形態では中央室１２５を取り巻く連続壁構造（すなわち、ほぼ環状の壁または隣接し合った壁片のセット）で構成されている。留意すべき点として、中央室１２５は中心軸Ｘの周囲で実質的に対称であって該中心軸Ｘを画定しており、ホストシステム２３０の表面２３１に実質的に垂直に延びている。金属フレーム１１０は、表面２３１に形成された外側ベース部１１１、テンプレート構造１２０の外面に形成されて下端部１１１および上端１１４間に延びた外側側壁１１２−１、パターン化されたテンプレート構造１２０の上端上に延在する上壁（接点構造）１１５、テンプレート構造１２０の内面に形成されて上壁１１５の内縁から下方に延びた内側側壁１１２−２、および内側側壁１１２−２の下縁に接続されかつ表面２３１上に形成された内側ベース部１１９を含む。図１に示すように、上壁１１５は、中央室１２５と連通したクローバ状の開口１１７を画定し、中央室１２５は、金属フレーム１１０の内側側壁１１２−２および内側ベース部１１９によって実効的に画定される。内側側壁１１２−２はクローバ状の開口１１７と基本的に同一の水平方向断面を有していて、凹形および凸形の壁部分を含んでいる。凸形壁部の上端によって上壁１１５の凹部１１８が画定され、凹形壁部の上端によって上壁１１５の凸部（接点突起）１１６が画定される。よって、接点構造１１５および内側側壁１１２−２は、スタッドバンプ１５０の先端部１５７が開口１１７を通じて中心室１２５に挿入されると、ベース部１５１および細長いボディ１５２の少なくとも一方が複数の接触点（例えば、図２に示すように接触点Ｃ１およびＣ２）であって、内側側壁１１２−２の上方凸部および接点突起１１６の最も内側の部分に相当する接触点で接点構造１１５に当接し、それによりスタッドバンプ１５０およびソケット１００間に信頼性の高いコネクションがもたらされるように形成される。

留意すべき点として、ホストシステム２３０には、上面２３１上に露出して、金属フレーム１１０の外側ベース部１１１および内側ベース部１１９の少なくとも一方に接触する、一つ以上の接点パッド（例えば、外側接点パッド２３２および内側接点パッド２３３）が含まれている。ホストシステム２３０は、公知のプリント回路基板（ＰＣＢ）技術によって構成され、絶縁体２３５（例えばＣＲ４）に埋め込まれた一連の導体２３４を含んで、ソケット１００と選択されたシステムエレクトロニクス（図示せず）との間で電気信号が送信されるようにされている。一実施形態において、上記システムエレクトロニクスは、公知の方法によって電子デバイス２１０が用いる検査信号を送信および／または受信するように構成された検査装置を含む。

本発明の一実施形態によれば、パターン化テンプレート構造１２０は、以下に詳しく述べるように、ネガ形フォトレジスト材料（例えばＳＵ−８）で形成される。このようなネガ形材料を用いた場合、生じた壁構造は、その下端に隣接した（すなわち、ホストシステム２３０の上面２３１に隣接した）相対的に小さい厚さＷ１、およびその上端に隣接した（すなわち上壁１１５に隣接した）相対的に大きい厚さＷ２を呈している。この凹角の壁形状（リエントラント壁形状）によって、ソケット１００の全体寸法はベース部１１１の近傍よりも上端近傍の方が広くなっており、このこととスタッドバンプ１５０のテーパ付形状とが合わさって、スタッドバンプ１５０が中央室１２５に挿入される際にスタッドバンプ１５０がソケット１００の中心に位置合せされ、さらにそれによってスタッドバンプ１５０への接触圧が生じるようになっている。

別の実施形態（図示せず）では、パターン化テンプレート構造はシリコーン（ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ））などの弾性材料を用いて形成される、ただしこのパターン化構造では、前述の凹角の壁形状（リエントラント壁形状）による効果は得られない。

一実施形態において、スタッドバンプ１５０は長さが約２５μｍであり、所定パターンの隣接し合ったスタッドバンプは約１００乃至５００μｍ間隔で分離されている。一実施形態において、各ソケット１００の中央室１２５の深さ（すなわち、中心軸Ｘに沿って測定した深さ、図１参照）はスタッドバンプ１５０の長さを越えていて、接触点が金属フレーム１１０の上壁１１５と各スタッドバンプ１５０のベース部１５１との間に確実に存在するようになっている。一実施形態において、各ソケット１００の高さは約２００μｍ（またはパターニングされたテンプレート構造１２０の形成に用いた材料によって決定される他の適当な距離）になっており、金属フレーム１１０は厚さ１０μｍの金属メッキにより形成されている。生じた構造体は挿入時に約５μｍのたわみを示す。一実施形態において、金属フレーム１１０はメッキニッケル（Ｎｉ）からなっており、各接触点において約０．２ｇの接触力を保証している。このようにして複数の接点を設けかつ金のパッシベーションを用いることにより、生じたソケットアセンブリは、一部の用途に対して信頼性の高い電気的接触を保証するものとなる。必要により、異なる形状のものを用いてソケットのバネ定数を高めることができる。

図３は、電子デバイス２１０（例えば「フリップチップ」式ＩＣデバイス）を収容して電気的に接続する、ホストシステム２３０上に形成されたソケットアレイ３００を示す分解斜視図である。電子デバイス２１０は、所定パターンに配列されて前述のように搭載されたスタッドバンプ１５０のアレイを含む。前述のように、各スタッドバンプ１５０（例えばスタッドバンプ１５０−１）は、ベース部１５１と先端部１５７との間に延びた細長いボディ１５２を含む。ソケットアレイ３００は、スタッドバンプ１５０と同様のパターンでホストシステム（基板）２３０の上面に配列された複数のソケット１００を含む。前述のように、各ソケット１００（例えばソケット１００−３）は、少なくとも一つの側壁１１２を有する金属フレーム１１０を含み、側壁１１２は、基板表面に接続された固定端１１１、および基板表面から離れて位置した自由端１１４を含む。細長い中央室１２５を取り巻く側壁１１２、および側壁１１２の自由端１１４に位置した接点構造１１５によって、中央室１２５と連通した開口１１７が画定される。ソケットアレイ３００の各ソケット１００は、対応するスタッドバンプ１５０の先端部１５７が中央室１２５に挿入されると、ベース部１５１および対応するスタッドバンプの細長いボディ１５２の少なくとも一方が複数の接触点で前記接点構造に当接するように構成されている。

典型的な一実施形態において、アレイ３００中の各ソケット１００の面積は約１５０×１５０μｍである。このようなアレイの実現可能なピッチは約数百μｍである。エリアアレイ配線（ａｒｅａａｒｒａｙｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ）の場合、これにより１ｃｍ×１ｃｍのダイの上に約１千のソケット１００を収容することが可能になる。ただし本発明者らは、本発明を１ｃｍ²よりかなり小さいダイに適用することを想定している。例えば、ハンドヘルドデバイス（例えば携帯型情報端末）中の多くの部品は約数平方ミリメータの小部品からなっている。

予備計算の示すところでは、スタッドバンプ（ピン）およびソケット間のアセンブリコネクションは高い信頼性および優れた耐衝撃性を備えている。摩擦係数を０．５とし、一つのピン／ソケットコネクションに四つの接触点があるとすると、３０ピン／ソケットアレイにおける挿入力は約１２ｇである。このような部品におけるシリコンダイの質量は約数ｍｇでしかない。基本的なデバイスのモデルを下記表１にまとめて示す。計算による特性では、ＩＣチップをホストシステムから取り除くには数百または数千の重力加速度の衝撃が必要になり、ソケットアレイ３００によって信頼性の高い接続構造が得られることが示されている。留意すべき点として、必要により欠陥部品を簡単に交換できるようにしたまま、ソケットに入った部品の耐衝撃性をさらに高めるために、簡単な保持用クリップまたは何らかのコーナー接合品が該部品（ＩＣ）またはホストに含まれていてもよい。

信頼性および耐衝撃性の高い無ハンダ接続構造をもたらすことに加えて、ソケットアレイ３００は、熱膨張率の不一致や関連するスタッドバンプパターンの機械的不完全さに順応して、種々の条件下で電子デバイス２１０とホストシステム２３０とを繰り返し接続することを可能にしている。その幾つかを図４Ａおよび図４Ｂを参照して以下に説明する。

図４Ａおよび図４Ｂは、ソケット１００−１乃至１００−３およびスタッドバンプ１５０−１乃至１５０−３を含む、アレイ３００（図３）中の一列を示す断面側面図である。図４Ａの左側を参照する。ソケット１００−１およびスタッドバンプ１５０−１は公称配置にあり、この配置において、スタッドバンプ１５０は中央室１２５−１の軸Ｘと実質的に整列しており、接続プロセスはほぼ前述の通りに進行して、詳細に前述した、図４Ｂに示す複数の接点コネクションが形成される。これに対して、図４Ａの真中に示したスタッドバンプ１５０−２の位置は、例えば熱膨張率の不一致および／または機械的不完全さ（例えば、ワイヤボンディングツールによる配置誤り）によって（破線の輪郭１１５−２Ａで示した）理想位置から若干変位している。ソケットアレイは、ソケット１００−２に付随した弾性変形および複数接触点構成によってこのような位置整合エラーに順応する。特に、図４Ｂに示すように、側壁１１２−２Ａは、その凹角（リエントラント）形状および可撓性構造により、スタッドバンプ１５０−２が中央キャビティ１２５−２に進入する際に変形して該スタッドバンプの位置不整合に順応し、それによってベース部１５１―２および接点構造１１５−２間に少なくとも一つの信頼性の高いコネクションをもたらす。図４Ａの右側を参照する。スタッドバンプ１５０−３は、変形ワイヤボンディング製造プロセスの間または後に機械的不完全さによって（破線の輪郭１１５−３Ａで示した）理想形状から屈曲した先端部１５７−３を含む。本発明のソケット構造は、屈曲先端部１５７−３が中央キャビティ１２５−３に進入する際に該先端部に順応するように変形することによってこの不完全さに順応し、それによって先端部１５７−３および内側側壁１１２−３Ｂ間、および／またはベース部１５１−３および上部壁１１５−３間の少なくとも一方に信頼性の高いコネクションをもたらす。留意すべき点として、ソケット１００−１乃至１００−３の弾性的性質によってスタッドバンプ１５０−１乃至１５０−３の取り外しおよび挿入を繰り返し行うことができ、それによってコネクションの加熱、洗浄および再ハンダ付けを要することなくアセンブリを再利用することができる。

（前述の）ソケット１００を製造する典型的な製造プロセスを図５Ａ乃至図８Ｃを参照して説明する。

図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃは、それぞれホストシステム２３０の上面２３１および接点パッド２３２および２３３上へのネガ形フォトレジスト材料層５１０の堆積、および続いての層５１０の上面５１５上のマスクパターン５２０の形成（図５Ｃ）を示す断面側面図である。一実施形態において、層５１０の形成に使用されるネガ形フォトレジストは、約２００μｍの厚さＴ_SU-8を有するＳＵ−８などのエポキシ系フォトレジスト材料からなる。ＳＵ−８は一般に液状で塗布されるため、最初の段階から平滑度が高い。ＳＵ−８は、塗布工程時の回転速度と粘度とに基づいて広い範囲の厚さにわたって塗布することができる。

図５Ｃおよび（上面平面図である）図６に示したように、マスク５２０をパターニングして、ウィンドウ５２５を画定する主マスク部５２０Ａ、およびウィンドウ５２５の内側の中心に位置するクローバ状のマスク部５２０Ｂが含まれるようにする。留意すべき点として、ネガ形フォトレジスト材料層５１０のパターン化表面領域５１２がウィンドウ５２５を通して露出している。

図７Ａおよび図７Ｂは、前記材料層の現像および続いての材料層の除去によるパターン化テンプレート構造１２０の作製の完了を示す断面側面図である。図７Ａに示したように、材料層５１０中の部分５１５が露出したパターン化表面領域５１２の下に位置しており、この部分が光ビーム５３０による照射を受ける。留意すべき点として、露光を次第に減衰させることにより、部分５１５は、上部領域（つまり表面領域５１２の隣接領域）の方が下部領域より広がった、テーパ付きの（凹角の）形状を有するようになっている。この後、マスク５２０およびその下の材料層５１０中の非露光領域が公知の方法により除去されて、ホストシステム２３０上にパターン化テンプレート構造１２０が残される（図７Ｂ）。留意すべき点として、パターン化テンプレート構造１２０は接点パッド２３２の上またはそれに隣接して形成され、および／または中央室１２５を画定して、中央の接点パッド２３３を露出させている。

図８Ａ乃至図８Ｃは、本発明の別の態様によるパターン化テンプレート構造１２０上の金属フレームの形成を示す断面側面図である。最初に、図８Ａに示すように、任意のシード層５４０が、パターン化テンプレート構造１２０、接点パッド２３２および２３３、およびその他の露出したホストシステム２３０の構造および表面上に形成される。スパッタによるシードを用いてＳＵ−８上に電気メッキすることができる。パターン化された反応開始剤を用いて無電解メッキを行うこともできる。図８Ｂを参照する。シード層形成後、メッキ用マスク５５０をパターン化テンプレート構造１２０の周囲に形成し、次いで金属フレーム１１０を電気メッキまたは無電解メッキによってパターン化テンプレート構造１１０および周辺の露出した構造上に形成する。金でパッシベーションされたニッケルリンがこのメッキコネクタ金属に適した候補材料であるが、その他の材料も使用可能であることは当業者に明らかである。電気メッキ等の一部のメッキ方式においては、金属がシャープな形状で高速に堆積されやすい。このことは凹角の側壁を備えた構造の作製に効果的に活用できる。その理由は、これによってパターン化テンプレート構造１２０およびその他の水平面上に厚い金属膜が形成され、ほぼ垂直の側壁面沿いに薄い金属膜が形成されるためである。図８Ｃに示したように、ソケット１００の製造プロセスの終了段階で、例えばエッチングによってメッキ用マスクおよび下地のシード材料が金属フレーム１１０およびパターン化テンプレート構造１２０の周囲から除去される。

ここで提案した各種ソケット構造などの、高アスペクトの凹角構造体上へのレジストの配置は困難と考えられる。スプレーコーティングされたレジストが一つのオプションとして考えられる。しかしながら最近の検討により、電着レジストを用いて高信頼性かつ安価に部品コーティングを行う装置が開発されていることが明らかにされている。このプロセスにおいては、レジスト堆積システム中の陰極に電気的に接続された、任意の金属表面にフォトレジストがコーティングされる。

図９Ａ乃至図９Ｃは、本発明の他の実施形態による、変形例の自立式金属フレーム１１０Ａを有するソケット１００Ａ（図９Ｃ）の形成を示す断面側面図である。この実施形態から、完成したソケット構造から完全にもしくは部分的に内部のポリマフレームワークを除去したソケット構造を作製する方法があること、およびその作製には潜在的利点があることが明らかである。図９Ａに示したように、図８Ａを参照して前述したようにしてメッキ用マスク５５０が形成されると、マスク部分５５５がパターン化テンプレート構造１２０の上面１２１に形成される。続いての金属フレーム１１０Ａの形成により、上面１２１にメッキ金属が存在しない状態の開端構造が形成される。次のマスキング材料（およびシード材料）の除去によって図９Ｂに示す構造、すなわちパターン化テンプレート構造１２０が金属フレーム１１０Ａの中を通って上面１２１で露出した構造が残る。図９Ｃに示したように、この後エッチング液または溶剤を用いてパターン化テンプレート構造１２０を除去する。このエッチング液または溶剤は、金属フレーム１１０Ａの開口した上端から浸入して、外側側壁１１２−１と内側側壁１１２−２との間からマスキング材料を取り払って、溝１１３を形成する働きをする。留意すべき点として、本実施形態では、接点構造１１５−Ａ１および１１５−Ａ２はそれぞれ外側側壁１１２−１および内側側壁１１２−２の上縁によって形成され、接点構造１１５−Ａ２によってソケット１００Ａの基本的な接点構造が与えられている。さらに留意すべき点として、パターン化テンプレート構造１２０の一部を露出させるマスク部分５５５をより小さく形成して、内側側壁１１２−２の上端から外向きに延びる水平方向のフランジ構造を形成することにより、接点構造１１５−Ａ２が強化される。また、マスク部分５５０および５５５間にマスキング材料を延在させて、外側側壁１１２−１を形成させないようにすることにより、単壁のソケット構造を形成することができる（すなわち、メッキ材料はパターン化テンプレート構造１２０の内面上のみに保持され、生じたソケットは内壁１１２−２、内側ベース部１１９、および水平方向フランジが設けられる場合は内壁１１２−２の上端から延びた水平方向フランジ構造のみを含むようにすることができる）。ソケット１００Ａの潜在的利点として、熱サイクルの間の内部応力が小さいことおよびフレキシビリティが高いことがある。これらの特徴は、ソケットに入った部品自身または同一回路基板上の他の部品のいずれかのためのハンダリフローを受ける構造において特に効果的である。

本発明のソケットを用いてＩＣチップを検定するための検査やバーンインを行った後、ハンダ付けによって十分な金属接点を形成する上で２つの方法がある。一方法においては、スタッドバンプまたはソケットのいずれか、またはスタッドバンプおよびソケットの両方にメッキハンダを用いてハンダメッキし、ＩＣチップの性能を検定した後、該ハンダのリフローが行われる。

本発明により作製されたソケットは、前述の典型的実施形態よりも小さい寸法や高い密度に対応してサイズ変更することが十分に可能である。例えば、スタッドバンプをメッキコラムに置換えることができ、またソケットの幅方向の寸法を小さくすることもできる。サイズ変更の限界は、部品の公差、および部品を集め並べるツールの配置精度に基づいている。

さらに、前述の典型的実施形態はクローバ状の開口を有するソケットについてのものであるが、その他の本発明の精神と範囲を包含するソケット構造を作製することも可能である。数種の、そのような変形例によるソケット構造を図１０乃至図１５を参照して以下に紹介する。

図１０は、本発明の別の実施形態によるソケット１００Ｃおよびスタッドバンプ１５０を示す斜視図である。ソケット１００Ｃは金属フレーム１１０Ｃを含み、フレーム１１０Ｃは、中央キャビティ（室）１２５Ｃを取り巻く、比較的厚い（例えば１０乃至５０μｍ）、実質的に筒状の壁１１２Ｃ、および主壁１１２Ｃから中央キャビティ１２５Ｃ内に延びた、数枚の比較的薄い（例えば１乃至５μｍ）フレキシブルなメンブレン１１６Ｃを有している。筒状壁１１２Ｃは、中央キャビティ１２５Ｃと連通した上端１１４Ｃで開口１１７Ｃを画定している。上縁１１５Ｃおよび／またはフレキシブルメンブレン１１６Ｃによって、ソケット１００の接点構造が形成される。一実施形態において、筒状壁１１２Ｃおよびメンブレン１１６Ｃは、これらの構造により、上端１１４Ｃ近傍で大きく下端１１１Ｃ近傍で小さい、凹角の断面が画定されるように、ネガ形フォトレジスト材料（例えばＳＵ−８）を用いて形成されている。適切な幅を注意深く選択することにより、メンブレン１１６Ｃを、該メンブレンがネガ形フォトレジストの凹角形状のために下地基板に固定されることなく、さらなるフレキシビリティがこのメンブレンに付与されるように形成することができる。次いで、生じた構造に、前述のようにしてニッケルおよび／または金などの金属で重ねメッキ（または部分重ねメッキ）が施される。

図１１Ａおよび図１１Ｂは使用時のソケット１００Ｃを示す上面平面図である。図１１Ａは、スタッドバンプ１５０の相対的に狭い部分が中央キャビティ１２５Ｃに進入した場合の、挿入プロセスにおける１ポイントを示している。図１１Ｂに示したように、スタッドバンプ１５０が中央キャビティ１２５Ｃ中にさらに挿入されるにしたがって、広めのスタッドバンプ１５０の外壁がフレキシブルメンブレン１１６Ｃに接触してこれを押圧し、メンブレン１１６Ｃを筒状壁１１２Ｃに向けて外向きに（すなわち、矢印で示した方向に）押し込む。留意すべき点として、主壁１１２Ｃによって画定された大きめの開口１１７Ｃおよびメンブレン１１６Ｃのフレキシビリティによって、スタッドバンプ１５０の水平方向の位置決め精度を緩和することができる。

図１２Ａ乃至図１２Ｃは本発明のさらに別の実施形態による別のソケットの製造法を示す斜視図である。このプロセスにおいて、最初に、前述の方法のいずれかによるホストシステム表面２３１Ｄ上に犠牲材料のコラム１２０Ｄが形成される（図１２Ａ）。次に、図１２Ｂに示したように、メッキ用マスクであって、コラム１２０Ｄを取り巻く周辺部５５０Ｄ、およびコラム１２０Ｄの上面でパターニングされたＸ字状部分５５５Ｄを含むメッキ用マスクが設けられる。この後、コラム１２０Ｄの露出部上に金属層をメッキして、メッキ用マスクを取り除くことにより金属フレーム１１０Ｄが形成される。図１２Ｃに示したように、生じた金属フレーム１１０Ｄは、ベース部１１１Ｄ、筒状のテンプレート構造を取り巻く実質的に筒状の側壁１１２Ｄ、および上壁（接点構造）１１５Ｄであって、上縁１１４Ｄから内向きに延びて、径方向の溝１１７Ｄにより形成されたＸ字状の開口によって分離された、複数のくさび形接点構造１１６Ｄを含む上壁１１５Ｄを含む。金属フレーム１１０Ｄを形成した後、コラム１２０Ｄの形成に用いた犠牲材料（例えば図１２Ａに示した材料）を溶解もしくは径方向の開口１１７Ｄから除去することで、金属フレーム１１０Ｄの内側に中空のキャビティを形成する。

図１３Ａおよび図１３Ｂは使用時のソケット１００Ｄを示す断面側面図である。特に、これらの図は、先端部１５７が上壁１１５Ｄに押圧されて、それにより筒状側壁１１２Ｄおよび上壁１１５Ｄによって画定された中央室１２５Ｄ内に下向きに変位する、カンチレバー形の接点構造１１６Ｄが生じる際のスタッドバンプ１５０を示している。

図１４は、本発明のさらに別の実施形態によるソケット１００Ｅを示す上面平面図である。ソケット１００Ｅは、金属フレームの上壁１１５Ｅであって、径方向の溝１１７Ｅによって分離された図１３Ｂを参照して前述した働きと実質的に同様の働きをする、８つのくさび形接点構造１１６Ｅに分離された上壁１１５Ｅを含む。任意の数の径方向の溝を形成することによって、任意の数のくさび形接点構造を有するソケットを作製することができることは当業者に明らかである。

図１５は、本発明のさらに別の実施形態によるソケット１００Ｆを示す上面平面図である。ソケット１００Ｆは、図１４を参照して前述したものと同様の金属フレーム１１０Ｆを含むと共に、並列に形成されて平行な溝１１７Ｆによって分離された、実質的に方形のカンチレバー形接点構造１１６Ｆを含む。カンチレバー形接点構造１１６Ｆの端部を図１５に示したように偏移させる（オフセットさせる）ことによって、スタッドバンプが二つ以上の位置で接触する可能性が高まるためにきわめて信頼性の高い接点構造が得られる。

数種のソケットについて筒状側壁を特に参照して前述したが、これらの側壁は、長円形壁や、例えば四角形、五角形または六角形構造を形成するように配置された、隣接し合った一連の直線壁などの、他の隣接壁構成と置換えることができることは当業者に明らかである。さらに、図１４および図１５に示した特定の接点構造の形状は例示のためのものであり、例えば湾曲したらせん形構造やジグザグ構造を含むように変形することが可能である。さらに、垂直の側壁の代りに、これらの構造を、内向きに傾斜した（正勾配の）側壁を備えて形成して、該構造の垂直方向の長さに関して若干の応従し得るたわみが許容されるように形成してもよい。このことは、該構造の傾斜した側壁を下方に（すなわち、接点構造のベースが側壁上に位置するように）伸ばすスロットを形成することによりさらに促進される。また、ここで用いた「スタッドバンプ」という用語は、変形ワイヤボンディング法によって形成された構造に限定されるものでなく、電気メッキによって形成された金属ポストなどの類似の金属構造にも拡張されるものである。最後に、前述の凹角の壁構造は、像反転、角度露光、および種々の焦点深さの露光による方法などの、ネガ形レジスト材料以外の方法を用いて形成することができる。

本発明の一実施形態によるソケットおよびスタッドバンプを示す分解斜視図である。図１のソケットおよびスタッドバンプを含むアセンブリを示す図である。本発明の別の実施形態によるソケットアレイを示す分解斜視図である。図３のアレイの一列を示す断面側面図である。図３のアレイの一列を示す断面側面図である。本発明の実施形態による、パターン化テンプレート構造の製造における、ネガ形材料の堆積および続いてのマスクパターンの形成を示す断面側面図である。本発明の実施形態による、パターン化テンプレート構造の製造における、ネガ形材料の堆積および続いてのマスクパターンの形成を示す断面側面図である。本発明の実施形態による、パターン化テンプレート構造の製造における、ネガ形材料の堆積および続いてのマスクパターンの形成を示す断面側面図である。図５Ｃの工程で用いられるマスクパターンを示す上面平面図である。現像および続いてのネガ形材料の除去によるパターン化テンプレート構造の形成を示す断面側面図である。現像および続いてのネガ形材料の除去によるパターン化テンプレート構造の形成を示す断面側面図である。本発明の実施形態による図７Ｂのパターン化テンプレート構造上の金属フレームの形成を示す断面側面図である。本発明の実施形態による図７Ｂのパターン化テンプレート構造上の金属フレームの形成を示す断面側面図である。本発明の実施形態による図７Ｂのパターン化テンプレート構造上の金属フレームの形成を示す断面側面図である。本発明の他の実施形態による金属フレームの形成を示す断面側面図である。本発明の他の実施形態による金属フレームの形成を示す断面側面図である。本発明の他の実施形態による金属フレームの形成を示す断面側面図である。本発明の別の実施形態によるソケットおよびスタッドバンプを示す斜視図である。使用時の図１０のソケットを示す上面平面図である。使用時の図１０のソケットを示す上面平面図である。本発明の実施形態によるソケットの製造を示す斜視図である。本発明の実施形態によるソケットの製造を示す斜視図である。本発明の実施形態によるソケットの製造を示す斜視図である。使用時の図１２Ｃのソケットを示す断面側面図である。使用時の図１２Ｃのソケットを示す断面側面図である。本発明の別の実施形態によるソケットを示す上面平面図である。本発明のさらに別の実施形態によるソケットを示す上面平面図である。

符号の説明

１００ソケット、１１０金属フレーム、１１２側壁、１１４上端、１１５接点構造、１１７開口、１２５中央室、１５０スタッドバンプ、１５１ベース部、１５２細長いボディ、１５７先端部、２００アセンブリ、２１０電子デバイス、２３０ホストシステム、３００ソケットアレイ。

Claims

ソケットであって、該ソケットに搭載されるスタッドバンプを電気的に接続するソケットであり、前記スタッドバンプは、ベース部および前記ベース部から先端にかけて延びた細長いボディを含み、前記ソケットは、中央室を取り巻く少なくとも一つの側壁と該側壁の上端に位置した接点構造とを含む金属フレームを含んで構成され、前記接点構造は前記中央室に連通する開口を画定し、前記スタッドバンプの前記先端が前記中央室に挿入されると、前記スタッドバンプの前記ベース部および前記細長いボディの少なくとも一方が二つ以上の接触点において前記接点構造に当接することを特徴とするソケット。
電子デバイスとホストシステムとを含むアセンブリであって、
前記電子デバイスは、スタッドバンプを含み、
前記スタッドバンプは、前記電子デバイスの表面に取り付けられたベース部、前記表面から離れて位置した先端、および前記ベース部から前記先端にかけて延びた細長いボディを含み、
前記ホストシステムは、基板と、当該基板の表面に設けられたソケットとを含み、
前記ソケットは、金属フレームを含み、
前記金属フレームは、前記基板表面に接続された固定端および前記基板表面から離れて位置した自由端を有する少なくとも一つの側壁であって、細長い中央室を取り巻く少なくとも一つの側壁、および、前記少なくとも一つの側壁の前記自由端に位置した接点構造であって、前記中央室に連通する開口を画定する接点構造を含み、
前記電子デバイスは、前記スタッドバンプの前記先端が前記開口を通って前記ソケットの前記中央室内に挿入されるように、かつ前記ソケットの前記接点構造が二つ以上の接触点において前記スタッドバンプの前記ベース部および前記細長いボディの少なくとも一方に当接するように、前記ホストシステムに接続されることを特徴とするアセンブリ。
電子デバイスであって該電子デバイスから延びた複数のスタッドバンプを含む電子デバイスを電気的に接続するソケットアレイであって、前記複数のスタッドバンプは所定のパターンに配列され、前記スタッドバンプの各々はベース部および前記ベース部から先端にかけて延びた細長いボディを含むソケットアレイであって、
基板、および、前記基板の表面に前記所定のパターンで配列された複数のソケットを含んで構成され、
各ソケットは、金属フレームを含んで構成され、
前記金属フレームは、前記基板表面に接続された固定端および前記基板表面から離れて位置した自由端を有する少なくとも一つの側壁であって、細長い中央室を取り巻く少なくとも一つの側壁、および、前記少なくとも一つの側壁の前記自由端に位置した接点構造であって、前記中央室に連通する開口を画定する接点構造を含み、
前記ソケットアレイの各ソケットは、対応するスタッドバンプの前記先端が該ソケットの中央室に挿入されると、前記対応するスタッドバンプの前記ベース部および前記細長いボディの少なくとも一方が二つ以上の接触点で前記接点構造に当接するように、構成されることを特徴とするソケットアレイ。