JP2008166278A - 電気相互接続デバイス - Google Patents

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Abstract

【課題】エラストマ支柱のポリマ材料が接触面に移行したり、ポリマ材料の一部が接触面に永久的に接着されたりするおそれがない電気的相互接続デバイスの提供。
【解決手段】電気的相互接続デバイス(100)は、基板(110)を具備する。基板は、対向する外面(136,138)を有する。基板は、エラストマ支柱(112)のアレーを保持する。各エラストマ支柱は、基板の外面の各々を超えて延びる対向する端部(114,116)を有する。各エラストマ支柱の対向端部上には、導電性コンタクトキャップ(124,126)が配置される。
【選択図】図1

Description

本発明は、対向するコンタクトアレー間を電気的に接続するエラストマ支柱を有する電気相互接続デバイスに関する。
少なくとも1個の電気回路を構築するために、2個以上の対向するコンタクトアレー間を電気的に接続する相互接続デバイスが使用されている。ここで、各アレーは、デバイス、印刷回路基板、ピングリッドアレー(PGA)、ランドグリッドアレー(LGA)、ボールグリッドアレー(BGA)等に設けられる。相互接続技法の一つにおいて、対向するコンタクトアレーの対応する電気コンタクト間に物理的に介在する相互接続デバイスにより、電気的に接続される。しかし、対向するアレーの電気コンタクト間の高さ変動、相互接続デバイスの対向するアレー又は導電要素のいずれかを支持する基板の厚さ変動、対向するアレーのいずれかの基板の反り等のため、電気的接続の信頼性は低い。
少なくともいくつかの公知の相互接続デバイスは、基板上に支持されたエラストマ支柱のアレーを使用する。エラストマ支柱は、対向するコンタクト間に信頼性の高い接触を構築するよう圧縮される。公知の相互接続デバイスにおいて、エラストマ支柱は、導電性を有し、電気的に接続する。他の公知の相互接続デバイスにおいて、エラストマ支柱は非導電性であり、別体のコンタクト又はトレースを介して電気的に接続される。相互接続デバイスは、多くの電気デバイスの物理的寸法を小さくすることに関連する等の、収容寸法を制限することができる。さらに、相互接続デバイスは、構築された電気回路の部品を除去するか又は置換する必要性に順応するために、非永久的に設置することができる。
米国特許第4548451号明細書 米国特許第6056557号明細書 米国特許第6271482号明細書 米国特許第6790057号明細書 米国特許第7070420号明細書
エラストマ支柱を使用する公知の相互接続デバイスにおいて、エラストマ支柱は、コンタクトと直接係合する。使用時、エラストマ支柱は、形状が接触面と適合し、温度及び2要素間の圧力の効果のため、長期にわたって接触面に接合する。2要素が一旦接合されると、これら要素を互いに分離することが困難である。さらに、エラストマ支柱のポリマ材料は接触面に移行し、ポリマ材料の一部は接触面に永久的に接着されるおそれがある。
従って、これらの問題を克服するエラストマ支柱を有する電気的相互接続デバイスに対するニーズがある。
本発明によれば、電気的相互接続デバイスは基板を具備し、基板は、対向する外面を有する。この基板は、エラストマ支柱のアレーを保持する。各エラストマ支柱は、基板の外面の各々を超えて延びる対向する端部を有する。各エラストマ支柱の対向端部上には、導電性コンタクトキャップが配置される。
以下、添付図面を参照して本発明を説明する。
図1は、本発明の典型的な一実施形態に従って形成された典型的な電気的相互接続システム100の側面図である。このシステム100は、第1電気部品102と、第2電気部品104と、これら電気部品間に挟まれた相互接続デバイス106とを有する。第1及び第2の電気部品102,104は、図1において印刷回路基板として図示されているが、グリッド等の他のタイプの部品102,104を使用することもできる。電気部品102,104はほぼ平坦であり、(図1において、矢印Zで示される)距離Zだけ離間している。コンタクト107のアレーは部品102の内側に面する面に沿って配向され、コンタクト108のアレーは部品104の内側に面する面に沿って配向される。特定用途により、任意の数のコンタクト107,108を設けてもよい。典型的な一実施形態において、コンタクト107,108は、同一パターンで配列され、相互接続デバイス106が対応するコンタクト107,108間に導電性経路を提供することができるように、互いにほぼ整列している。しかし、アレーのパターンは、別の実施形態では、互いに異なってもよい。
相互接続デバイス106は、エラストマ支柱112のアレーを保持する基板110を有する。エラストマ支柱112は、コンタクト107,108にそれぞれ対面する対向した端部114,116間を延びる。エラストマ支柱112は切頭円錐形状であり、中間部が広く、端部114,116が直線的である。典型的な一実施形態において、エラストマ支柱112は、導電性のエラストマ支柱であり、エラストマ材料及び導電性薄片の混合物で製造される。このため、エラストマ支柱112は、第1コンタクト107及び第2コンタクト108間の導電性経路を提供する。しかし、エラストマ支柱112は、以下にさらに詳細に説明するように、別の実施形態では非導電性エラストマ支柱であってもよい。
基板110は、内側層118及び2つの外側層120を有する。内側層118は、エラストマ支柱112をしっかりと保持する寸法に設定されており、典型的な一実施形態ではエラストマ支柱112の円周溝122内に受容される。外側層120は、部品102,104によりエラストマ支柱112に力が印加される間、エラストマ支柱112の圧縮を制限することができる。各層118,120は、ポリイミド又はシリコーンゴム材料等の弾性材料から製造される。層118,120は、異なる特性を有する異なるタイプの材料から製造されてもよい。層118,120は、接着剤を使用して互いに接合されてもよい。
システム100は、エラストマ支柱112の端部114及び対応するコンタクト107間に配置された第1アレーのコンタクトキャップ(コンタクトパッド)124を有する。システム100はまた、エラストマ支柱112の端部116及び対応するコンタクト108間に配置された第2アレーのコンタクトキャップ126を有する。コンタクトキャップ124,126は、コンタクト107,108からエラストマ支柱112を物理的に隔離し、コンタクト107,108で金属対金属インタフェースを可能にする。隔離は、エラストマ支柱112及びコンタクト107,108の接合を制限し、完全に抗する。隔離はまた、エラストマ支柱112からコンタクト107,108への弾性材料の移行を制限し、完全に抗する。
図2は、エラストマ支柱112及びコンタクトキャップ124のアレーの典型的なパターンを示す相互接続デバイス106の一部を示す。エラストマ支柱112及びコンタクトキャップ124は、一様に離間した行及び列を有するマトリクス状に配列される。このパターンは、コンタクト107,108のアレーのパターンに対応する。
コンタクトキャップ124は、キャップ部130及び尾部132をそれぞれ有する。キャップ部130は、エラストマ支柱112の端部114(図1参照)の少なくとも一部を覆う。尾部132は、キャップ部130から延びている。尾部132は、基板110の露出面からキャップ部130まで移行する。キャップ部130は、基板110よりもZ方向に異なる高さにあってもよい。図示の実施形態において、尾部132の末端は拡大され、尾部132は列及び行に対して所定角度を向く。隣接するエラストマ支柱112間をより狭い間隔とすることは、尾部132を傾斜させることにより達成することができる。
図3は、相互接続デバイス106の一部の断面図である。基板110の内側層118及び外側層120は、積み重ね配置される。壁135により区画される開口134は、第1外面136及び第2外面138間の各層118,120を貫通する。開口134は、外側層120に沿った第1直径、及び内側層118に沿った小さい第2直径を有する。換言すると、内側層118の一部は、エラストマ支柱112の溝122と係合するよう開口134内に延びる。エラストマ支柱112の端部114が第1面136を超えて延び、端部116が第2面138を超えて延びるように、エラストマ支柱112は開口134内に保持される。開口134を区画する壁はエラストマ支柱112の外面から離間しているものとして図示されているが、別の実施形態において、これらの壁はエラストマ支柱112の外面に近接又は係合してもよい。さらに、これら壁は、外面136,138にほぼ直交して図示されているが、エラストマ支柱112の外面と同様の角度で傾斜してもよい。
コンタクトキャップ124,126は、基板110の外面136,138及びエラストマ支柱112の端部114,116に沿って延びている。典型的な一実施形態において、コンタクトキャップ124,126の尾部132の少なくとも一部は、キャップ部130が開口134の上に横たわるように基板110の外面136,138に固定されている。エラストマ支柱112が開口134内に受容されると、キャップ部130は、エラストマ支柱112の端部114,116上に配置される。任意であるが、キャップ部130はまた、端部114,116に固定されてもよい。キャップ部130は、端部114,116を完全に覆う寸法に設定されるか、或いは、端部114,116の一部のみを覆ってもよい。キャップ部130が端部114,116上に一旦配置されると、システム100が組み立てられる際に、端部114,116及びコンタクト107,108(図1参照)間に緩衝帯が形成される。この緩衝帯は、端部114,116及びコンタクト107,108間の分離を維持すると共に、物理的に隔離する。一実施形態において、端部114,116及び外面136,138間のZ高さの変動に順応するために、コンタクトキャップ124,126は柔軟性を有してもよい。例えば、尾部132は、キャップ部130が端部114,116上に横たわり、尾部132の末端が外面136,138上に横たわるように、結合部140に沿って曲げられてもよい。
図4は、相互接続デバイス106の分解図である。典型的な組み立て方法を、図4を参照して説明する。最初に、エラストマ支柱112は内側層118に固定されるので、エラストマ支柱及び内側層の副組立体を形成する。固定を達成するために、内側層118はエラストマ支柱112にオーバーモールドされてもよく、エラストマ支柱112は内側層118内の開口134を通って装填されてもよく、エラストマ支柱112は内側層118内で開口134内の所定位置に成形されてもよく、エラストマ支柱112は内側層118と一体に形成されてもよい。図示されているように、内側層118は、露出した接合面142を有する。別の初期組立方法は、外側層120にコンタクトキャップ124,126を固定することを含むので、キャップ及び外側層の副組立体を形成する。例えば、コンタクトキャップ124,126は、外面136,138に接合されてもよいし、固定されてもよい。図示されているように、外側層120は、外面136,138とは反対側の露出接合面144を有する。副組立体は、エラストマ支柱112が外側層120内の開口134と整列するように配置される。
最終組立工程は、キャップ及び外側層の副組立体をエラストマ支柱及び内側層の副組立体と接触状態にする工程である。このようにするために、露出した接合面142,144は互いに接触し、接合面142,144は、接合剤、温度、圧力を用いて互いに接合される。副組立体を接触状態に配置すると、エラストマ支柱112は、コンタクトキャップ124,126のキャップ部130を、図3に示される位置等まで外方へ強制する。
図5は、別の一実施形態に従って形成された別の相互接続デバイス150の一部の断面図である。相互接続デバイス150は相互接続デバイス106と同様であるが、相互接続デバイス150は非導電性エラストマ支柱152を利用している。エラストマ支柱152は、基板110(図1ないし図4参照)と同様の基板156の開口154内にしっかりと保持される。
相互接続デバイス150は、内側層118及び外側層120を貫通する半田支柱等の導電性支柱158を有する。導電性支柱158は、第1コンタクトキャップ160及び第2コンタクトキャップ162間の導電性経路を提供する。コンタクトキャップ160,162は導電性支柱158に電気的に結合されるので、これらを通った導電性経路が形成される。任意であるが、導電性支柱158はコンタクトキャップ160,162を通過する開口を貫通することができるので、導電性支柱158はコンタクトキャップ間を電気的に接続する。コンタクトキャップ160,162は、互いに分離して設けられ、互いに直接結合されない。むしろ、導電性支柱158は、コンタクトキャップ160,162間を電気的に相互接続する。導電性支柱158は、基板156を完全に貫通し、基板156の対向する外面164,166で露出する。導電性支柱158は、基板156を通る開口154から離間するが、導電性材料で基板156を通る第2開口を充填することにより形成してもよい。或いは、導電性支柱158は、ピン、コンタクト、トレース等の、基板156を通る導電性要素であってもよい。
コンタクトキャップ160,162は、結合等により基板156の外面164,166にしっかりと結合されている。或いは、コンタクトキャップ160,162は、導電性支柱158に機械的に固定することにより、所定位置に固定してもよい。コンタクトキャップ160,162は、端部168,170及びコンタクト107,108(図1参照)間の緩衝帯を形成するために、エラストマ支柱152の対向する端部168,170に沿って延びている。この緩衝帯は、エラストマ支柱152及びコンタクト107,108間の分離を維持し、物理的に隔離する。
図6は、相互接続デバイス106(図3参照)で使用される基板110の外側層120の一方の典型的な製造方法のフローチャートである。最初に、銅クラッドが基板上に設けられる(工程180)。銅クラッドの少なくとも一部は、基板に接合されるか、又は基板に固定されてもよい。銅クラッドは、結局、コンタクトキャップ124(図1参照)を形成する。別の一実施形態では、銅クラッドよりも他の金属クラッドを使用することができる。基板は、基板110の外側層120の一方を代表する。
次に、典型的な一実施形態において、コンタクトキャップ124は、銅クラッドからフォトエッチングされる(工程182)。換言すると、銅クラッドの部分は、基板から除去され、コンタクトキャップ124を区画する他の部分を残す。銅クラッドの残余部の形状は、所望のコンタクトキャップ124の形状に依存する。別の実施形態では、銅クラッドの超過部を除去するのに、フォトエッチングではなく、化学エッチング、機械加工、打抜き加工等の他の方法が実行される。実施形態によっては、コンタクトキャップの内部をフォトエッチングする任意工程(工程184)が、コンタクトキャップ124を貫通する開口を提供する。例えば、相互接続デバイス150(図5参照)等の非導電性エラストマ支柱を使用して相互接続デバイスを使用する際に、コンタクトキャップ160を貫通する開口により、基板156の複数層が互いに接合した後に、導電性支柱158を追加することが可能になる。フォトエッチング工程182,184は工程180の前に実行できるので、図6の典型的方法に示されるように、基板110上のコンタクトキャップ124を形成するよりも、形成されたコンタクトキャップを基板110に取り付けることができることを理解されたい。
次に、基板110の外側層120を貫通する開口134がレーザードリル加工し(工程186)、コンタクトキャップ124を露出する。別の実施形態では、開口134を形成するために基板の材料を除去する機械加工、フライス加工等の他の方法を使用してもよい。さらに、実施形態によっては、基板110の形成の際に、成形により開口134を基板110に形成してもよい。コンタクトキャップ124は開口134により露出するので、相互接続デバイス106の組立中に、エラストマ支柱112(図1参照)の端部はコンタクトキャップ124と係合することができる。実施形態によっては、基板110を貫通する第1開口をレーザードリル加工する任意工程(工程188)を使用して、導電性支柱158のために基板110を貫通する孔を設けてもよい。第2開口は、導電性支柱158を受容するために、導電性キャップを貫通してフォトエッチングされた開口とほぼ整列する。レーザードリル加工工程186,188は、工程180,182,184の実行の前に実行してもよいことを理解されたい。
図7は、別の一実施形態に従って形成された別の相互接続デバイス200の斜視図である。相互接続デバイス200は相互接続デバイス106に類似するが、相互接続デバイス200は、導電性エラストマ支柱204にしっかりと結合されたコンタクトキャップ202を使用している。エラストマ支柱204は、基板206によりしっかりと保持されている。一実施形態において、基板206はエラストマ支柱204に対してオーバーモールドされているが、別の実施形態において、エラストマ204及び基板206は他の方法で互いに固定されている。図示の実施形態において、基板206は単一層を有するが、基板206は、図1ないし図4に図示された基板110等の多層を有してもよい。
コンタクトキャップ202は、エラストマ支柱204とは別に設けられ、エラストマ支柱204に機械的及び電気的に結合される。典型的な一実施形態において、コンタクトキャップ202は、銀、ニッケル、銅、金等、又はその合金等の導電性材料から製造される。コンタクトキャップ202は、接合剤、温度、圧力等を用いた接合工程を使用して、エラストマ支柱204の端部に固定される。コンタクトキャップ202がエラストマ支柱204に一旦固定されると、導電性経路は、コンタクトキャップ202のうちの1個からエラストマ支柱204を介してコンタクトキャップ202の反対側の1個まで形成される。このため、相互接続デバイス200は、電気部品102,104(図1参照)のコンタクト107,108(図1参照)間を相互接続する。さらに、コンタクトキャップ202がエラストマ支柱204に一旦固定されると、エラストマ支柱204の端部及びコンタクト107,108間に緩衝帯が形成される。この緩衝帯は、エラストマ支柱204の端部及びコンタクト107,108の間の分離を維持し、物理的に隔離する。
図8は、相互接続デバイス200(図7参照)の典型的な製造方法のフローチャートである。以下の方法は、単一エラストマ支柱204(図7参照)への単一のコンタクトキャップ202(図7参照)の形成及び取付について説明しているが、複数のコンタクトキャップ202を一度に形成し、複数のエラストマ支柱204に一度に取り付けてもよいことを理解されたい。
最初に、ポリイミドパッドが設けられる(工程220)。ポリイミドパッドは、以下にさらに詳細に説明するように、コンタクトキャップ202(図7参照)用のキャリアとして機能する。ポリイミドパッドは典型例であり、異なるタイプの材料から形成されたパッド等の他のタイプのパッドを設けることができ、ポリイミドパッドと同様の機能を果たすことができる。次に、銅クラッドがパッド上に形成される(工程222)。銅クラッドは、パッドの外面に接合又は固定される。銅クラッドは、以下にさらに説明するように、コンタクトキャップ202を形成するためのバリアとして機能する。別の実施形態において、本明細書で説明した銅クラッドよりも、他の材料すなわち非金属製クラッドを使用してもよいことを理解されたい。
レーザードリル加工でパッドを貫通する孔が形成され(工程224)、銅クラッドを露出する。この孔は、以下に説明するように、コンタクトキャップ202を形成するよう作用する。以下の説明で明らかになるように、2個以上のコンタクトキャップ202がエラストマ支柱204に一度に取り付けられるように、複数のコンタクトキャップ202用のキャリアを形成する際に、複数の孔を形成してもよい。別の実施形態では、他の製造方法又は形成方法を用いて、パッドの孔を形成してもよい。例えば、孔を有するようにパッドを成形加工で形成してもよい。また、レーザードリル加工工程224は、工程222の前に実行してもよいことを理解されたい。孔の形状は、コンタクトキャップ202の形状を定める。このため、孔は、円形、矩形、又は他の形状等のコンタクトキャップ202用の所望の任意形状に形成することができる。さらに、孔を定める壁は、パッドの上面に直交してもよく、又は上面から傾斜してもよい。
次に、孔は導電性プラグで充填される(工程226)。導電性プラグは、プラグがエラストマ支柱204に固定される際に、コンタクトキャップ202を形成する。充填することにより、孔は、導電性プラグを形成する材料で部分又は全体が充填されることを意味する。例えば、孔内に液体金属が注がれ、冷却され、孔内に固体金属のプラグが残り、パッドと共に輸送されてもよい。上述したように、銅クラッドは、コンタクトキャップ202を形成するためのバリアとして機能する。銅クラッドは、孔の底を形成し、孔を充填する間、プラグを形成する材料を保持する。別の実施形態において、孔は、底としても銅クラッドを使用することなく充填されてもよい。このように、工程222は任意の工程である。
次に、銅クラッドは、パッドから化学エッチングされる(工程228)。銅クラッドを除去することにより、パッド及びプラグのみが残り、パッドはプラグ用のキャリアとして作用する。フォトエッチング、フライス加工等の、銅クラッドをパッドから除去する他の方法も使用できることを理解されたい。
相互接続デバイス200を製造する最終工程は、エラストマ支柱204等の導電性エラストマ支柱にプラグを固定し(工程230)、プラグからパッドを除去すること(工程232)である。上述したように、プラグはコンタクトキャップ202を代表する。コンタクトキャップ202をエラストマ支柱204に固定するために、接合剤、温度、圧力を使用してもよい。コンタクトキャップ202がエラストマ支柱204に一旦固定されると、それらの間に導電性経路が形成される。さらに、コンタクトキャップ202がエラストマ支柱204に一旦固定されると、パッドが除去される(工程232)。パッドは、パッドを剥がすことにより除去してもよい。コンタクトキャップ202はエラストマ支柱204に1個ずつ取り付けてもよいし、或いは、単一キャリアを用いて複数のエラストマ支柱204に複数のコンタクトキャップ202を取り付けるとより効率的である。このように、複数の孔をパッド内にドリル加工してもよいし、複数の孔を同時に充填してもよい。相互接続デバイス200を製造する任意の工程として、コンタクトキャップ202をエラストマ支柱204に一旦固定し、コンタクトキャップ202を最終形状に形成してもよい。
上述の実施形態を参照して、相互接続デバイス106及び種々の電気部品102,104のコンタクト107,108間にコンタクトキャップ124,126(又は、図7の実施形態に関してはコンタクトキャップ202)を使用した電気相互接続システム100が提供される。コンタクトキャップ124,126は、システム100が組み立てられると、エラストマ支柱112の端部114,116及びコンタクト107,108(図1参照)間に緩衝帯を形成する。この緩衝帯は、端部114,116及びコンタクト107,108間の分離を維持し、物理的に隔離する。隔離は、エラストマ支柱112及びコンタクト107,108の接合を制限し、完全に抗する。隔離はまた、エラストマ支柱112からコンタクト107,108への弾性材料の移行を制限し、完全に抗する。コンタクトキャップ124,126は、導電性エラストマ支柱、非導電性エラストマ支柱のいずれかと共に使用してもよい。さらに、コンタクトキャップ124,126は互いに別体であり、製造及び組立の容易性等の利点を提供する。
本発明の典型的な一実施形態に従って形成された典型的な電気的相互接続システムを示す側面図である。 図1に示された電気的相互接続用の相互接続デバイスを示す平面図である。 図2に示された相互接続デバイスの一部を示す断面図である。 図3に示された相互接続デバイスの分解図である。 別の実施形態に従って形成された別の相互接続デバイスの一部を示す断面図である。 図3ないし図5に示された相互接続デバイスの典型的な製造方法を示すフローチャートである。 別の実施形態に従って形成された別の相互接続デバイスを示す斜視図である。 図7に示された相互接続デバイスの典型的な製造方法を示すフローチャートである。
符号の説明
106,150,200 相互接続デバイス
110,156,206 基板
112,152,204 エラストマ支柱
114,116,168,170 端部
124,126,160,162,202 コンタクトキャップ
132 尾部
136,136,164,166 外面
158 導電性支柱

Claims (6)

  1. 対向する外面を有する基板と、該基板に保持されたエラストマ支柱のアレーとを具備し、前記エラストマ支柱の各々は、前記基板の前記外面の各々を超えて延びる対向する端部を有する電気的相互接続デバイスにおいて、
    各前記エラストマ支柱の前記対向する端部上には、導電性のコンタクトキャップが配置されることを特徴とする電気的相互接続デバイス。
  2. 前記コンタクトキャップは、前記エラストマ支柱の前記対向する端部に固定されていることを特徴とする請求項1記載の電気的相互接続デバイス。
  3. 前記コンタクトキャップの各々は、前記基板の前記外面の一つに固定された尾部を有することを特徴とする請求項1記載の電気的相互接続デバイス。
  4. 前記電気的相互接続デバイスは、前記基板を貫通する導電性支柱をさらに具備し、
    該導電性支柱は、対向する前記コンタクトキャップに接続され、前記対向するコンタクトキャップ間に導電性経路を形成することを特徴とする請求項1項記載の電気的相互接続デバイス。
  5. 前記コンタクトキャップの各々は、前記導電性支柱の一つの端部に固定された尾部を有することを特徴とする請求項4記載の電気的相互接続デバイス。
  6. 前記エラストマ支柱の各々は、1個の前記コンタクトキャップから前記エラストマ支柱を介して別の前記コンタクトキャップまでの導電性経路が形成されるように、導電性を有することを特徴とする請求項1項記載の電気的相互接続デバイス。
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