JP2641355B2 - 円錐状接点を有する電気的接続体 - Google Patents

円錐状接点を有する電気的接続体

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体集積回路チッ
プ、回路基板およびカード、ケーブル、モジュール等の
電子回路パッケージングの応用分野で有用な電気的相互
接続および電気的相互接続を形成する手段に関するもの
である。
【0002】
【従来の技術】最近の集積回路の進歩により、電子デバ
イスを少しでも小型化したパッケージ中に形成すること
による利点が、明らかに実証されている。これらの小型
パッケージは、各段に信号面、電力面その他の機能を備
え、選択された段を相互に接続する手段を有する、高密
度の多段パッケージである。これらの相互接続は、それ
自体が信号を劣化させる可能性がある。たとえば、導線
のレベル間の相互接続やプリント回路基板またはカード
およびそれらの上に取り付けた電気デバイスの導線間の
相互接続は、パッドと呼ばれる導電性領域の間に設けら
れる。高速、低ノイズ、低損失および低抵抗で信号伝送
を行うには、これらの相互接続でインピーダンスが一致
し、接続間の不連続および余計な介在物の数が最小でな
ければならない。現在これらの電子回路パッケージの相
互接続に使用されている手法では、多数の加工工程が必
要であり、表面搭載デバイスの取付けには、はんだ付け
および手直しが必要で、時には部品を破壊するような温
度サイクルにさらすことになる。
【0003】米国特許出願第07/520335号明細
書には、エキシマ・レーザによって重合体シート中に形
成し表面を金属化した、重合体の円錐体からなる片面お
よび両面接点が記載されている。
【0004】樹枝状の突起を固く組み合わせた電気的相
互接続方法は、科学研究の実り豊かな分野の産物であ
る。本発明の円錐形の突起は、製造方法、組成および位
置と寸法の制御の点で樹枝状の突起とは異なる。軟質金
属でコーティングするなど樹枝状の突起を強化する方法
が、IBMテクニカル・ディスクロージャ・ブルテン、
Vol.22、No.7、1979年12月、p.27
06に所載のバブカ(Babuka)等の論文、および
米国特許出願第07/415435号明細書に提案され
ている。
【0005】上記のバブカ等の論文には、パッド上に樹
枝状の突起を成長させ、液状のガリウム合金でコーティ
ングした、高密度パッドとパッドの間のコネクタが記載
されている。樹枝状の突起のパッド同士を合わせると、
樹枝状の突起が第2のパッドのさびた液体金属皮膜を貫
通して、電気的に接続する。
【0006】アームストロング(Armstrong)
他の論文、IBMテクニカル・ディスクロージャ・ブル
テン、Vol.24、No.1A、1981年6月、
p.2には、樹枝状の突起の基部の断面積が小さいこと
が、少なくとも部分的に樹枝状の突起の破損の原因とな
ることが記載されている。また、接触抵抗を低くするた
めに表面の擦り合せが必要であるが、樹枝状の突起の粗
い表面によって、十分な擦り合せが行えると述べてい
る。
【0007】アームストロングの論文、IBMテクニカ
ル・ディスクロージャ・ブルテン、Vol.23、N
o.8、1981年1月、p.1には、上記の判断と一
致するが、その解決方法として、代りに樹枝状の突起の
基部の周囲に錫をリフローさせることを提案している。
パッドとパッドの接点として樹枝状の突起を使用するこ
とは、リサーチ・ディスクロージャ、1988年3月、
No.287、p.28748にも記載されている。こ
の場合も、記載された樹枝状の突起は不規則な形状で、
位置も任意である。しかし、この参照文献は樹枝状の突
起のコネクタの長さを減少させることにより、ノイズが
減少し、信号速度が改善されると述べており、さらに複
数の接点を設けることにより接触抵抗が低下することを
示唆している。
【0008】接触パッド間に電気的相互接続を形成する
ための他の手段には、球(米国特許第3634807号
および第4604644号明細書)、導電性ロッド(米
国特許第4644130号、第4050756号、第4
240198号明細書)、中空ポスト(米国特許第37
25845号明細書)、ならびに2個のコネクタ・パッ
ドの間に平行にかつ離して設けた第3の構造(米国特許
第3881799号および第3634807号明細書)
がある。
【0009】多層構造の層間でパッドとパッドを永久的
に接続する上部の平坦な突起が、米国特許第47515
63号明細書に記載されている。
【0010】米国特許第3634807号明細書には、
柔軟な絶縁シートの片面にあらかじめ決められたパター
ンで取り付けた複数の中空金属球またはワイヤ・ボール
を備えた、取外し可能な接点が記載されている。別法と
して、絶縁材料の薄片の交差する所の開口部に金属が付
着される。もう一つの実施例では、1組の接点の間に導
電性シートが挟まれている。これらの実施例は、X−Y
方向には比較的柔軟性がなく、Z方向に柔軟性があるよ
うに設計されている。
【0011】米国特許第3725845号明細書には、
複数の中空ポストを備えた両性コネクタが記載されてい
る。これは、パッケージングの超小型接触パッドに使用
するのではなく、地質調査用のケーブルに使用する大型
の防水用のコネクタである。
【0012】米国特許第3881799号明細書には、
接続される接点の間に、どちらの接点とも一体でない第
3のエレメントが介在する、スプリング・マトリックス
の両側から突出する複数のドームを備えたコネクタが記
載されている。
【0013】上記の樹枝状の突起を使用しない接点手段
は、すべて寸法が大き過ぎ、汚染されやすいため、高密
度のパッケージ構造に使用するには不適当である。
【0014】米国特許第4644130号明細書には、
導電性の粒子を分散させて充填することによって導電性
にした、複数の弾性のある高分子物質のコネクタ・ロッ
ドが記載されている。
【0015】米国特許第4751563号明細書には、
電子線を使用して、炭素質を含んだ表面を有する円錐形
構造を作成する方法が記載されている。円錐体の少なく
とも一部と円錐体の基部の周囲の基板領域に導電層を付
着させる。次に絶縁材料を全体に付着させ、次の加工を
行う。上記特許に記載された構造は、スルー・ホールの
性質を有し、単一の多層構造内に永久的に埋め込まれ、
取外しができない。電子線を使用するので、円錐体を形
成する材料は電子線で除去されるものでなければならな
い。
【0016】電気化学加工に関する基礎研究が数件文献
に報告されている。ダッタ(Datta)他の論文、エ
レクトロケミカ・アクタ、Vol.25、1980年、
p.1255〜1263に、鉄およびニッケルを5mo
lのNaCl、5molのNaClO3、6molのN
aNO3に高速溶解する際の大量輸送条件の重要性が論
じられている。クラーク(Clerc)他の論文、エレ
クトロケミカ・アクタ、Vol.29、1984年、
p.1477〜1486に、NaCl溶液中のニッケル
突起の陽極レベリングが考察されている。最近では、ダ
ッタ他の論文、ジャーナル・オブ・エレクトロケミカル
・ソサイティ、Vol.136、No.6、1989年
6月、p.285C〜292Cに、各種の金属および半
導体−電解質系のための、数ミクロンないし数ミリメー
トルの範囲の小寸法の微細加工が論じられている。ダッ
タ他の論文、ジャーナル・オブ・エレクトロケミカル・
ソサイティ、Vol.138、No.8、1989年8
月、p.2251〜2256には、中性塩溶液中でニッ
ケルおよび鋼に丸穴や長穴をあける方法が論じられてい
る。ロセット(Rosset)他の論文、ジャーナル・
オブ・アプライド・エレクトロケミストリイ、Vol.
20、1990年、p.69〜76には、フォトレジス
ト・マスクを用いて中性塩溶液中でステンレス鋼に溝を
エッチングすることの実現可能性と、その方法に固有の
問題が考察されている。
【0017】これらの論文は、一般に金属−電解質系の
陽極における挙動を理解するために、制御された流体力
学的条件で行った電気化学加工の基礎研究について報告
したものである。電気化学加工では、電解セルの中で陽
極として作られた加工途中の品から高速で金属除去が行
われる。中性塩溶液では、陰極で水素が発生する。陽極
から金属を除去する工程は、本質的に電気化学的であ
り、除去する金属の硬度とは無関係である。機械加工と
異なり、電気化学加工(ECM)では、加工された加工
品に応力が生じることはない。
【0018】電気化学的研究に基づき、電気化学加工
は、不動態性のものと非不動態性のものの2つのタイプ
に分類される。不動態性電解質は、硝酸塩陰イオンなど
の酸化物陰イオンを含み、その結果、電流密度が低いと
きは陽極で金属が溶解するのではなく、陽極材料に酸化
物皮膜が生成して、酸素を発生する可能性がある。しか
し、電流密度が高いときは、酸化物系中でも高速の金属
溶解が可能である。非不動態性電解質では、侵食性の強
い陰イオンの存在により、酸化物皮膜が生成せず、酸素
の発生は不可能である。金属の溶解は、非不動態性電解
質中での唯一の陽極反応である。フォトリソグラフィ・
マスクを使用しない従来の電気化学加工では、一般に不
動態性電解質が不活性な性質をもち、低い電流密度で酸
素を発生でき、そのため漂遊カット効果が最小になるの
で好ましい。しかし、本発明では、マスクを使用するの
で、酸素の発生によってマスクが浮き上がったりその他
の損傷が生じる可能性がある。
【0019】不動態性の系でも非不動態性の系でも、金
属の溶解速度は、電流密度(または印加電圧)、電解質
濃度およびある程度は流体力学的条件に依存する。
【0020】以上要約した文献には、本発明の鋭い先端
を持ったパッドとパッドの間の円錐コネクタまたはその
製造方法についての記載はない。
【0021】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、単純
な塩溶液中で電気化学加工技術を使用して、高性能の固
体金属円錐コネクタを提供することである。
【0022】本発明の他の目的は、電気的に取り付けら
れたデバイスの高密度パッケージと、プリント回路基板
および/またはカードを相互接続するおよびケーブルと
相互接続できるようにすることである。
【0023】本発明の他の目的は、信頼性が高く、高速
で、汚染に強く、ノイズが少なく、損失が少なく、低抵
抗の信号伝送が可能な電気的相互接続を提供することで
ある。
【0024】本発明の他の目的は、上記の電気的相互接
続を効率的かつ制御可能な形で形成する方法を提供する
ことである。
【0025】本発明の他の目的は、電子パッケージング
に有用な円錐形の電気的相互接続を提供することであ
る。
【0026】本発明の他の目的は、固体金属円錐体から
なる破壊せずに取付け、取外しが可能な低抵抗の電気的
相互接続を提供することである。
【0027】本発明の他の目的は、少なくとも一方が実
質的に垂直なあらかじめ決められた形状と寸法の円錐形
の突起を備えた2つの接触表面の間に、電気的相互接続
を形成する方法を提供することである。
【0028】本発明の目的は、低価格、高周波、冗長、
微細先端の高性能パッドとパッドの間の接点をなす円錐
コネクタを提供することである。
【0029】
【課題を解決するための手段】本発明の電気的相互接続
は、第1および第2の接触表面を備え、その少なくとも
一方が実質的に垂直に延びる円錐形突起を有する導電性
基板を含む。円錐形導体は、下記に示すように、高性能
の電気接点に適した複数の固体金属の円錐体を備える。
【0030】金属円錐体は、金属箔、シート、ピン・ヘ
ッド等をマスクを介して高速電気化学加工することによ
って形成する。この方法は、マスクによって限定された
金属の領域の選択的陽極溶解により、塩の水溶液中で高
速電気化学エッチングを行うことを含んでいる。この方
法は、銅、金、クロム、錫、鉛、ニッケル、アルミニウ
ム、チタン、ロジウム、パラジウム、鋼を含むが、それ
だけに限定されない各種の金属および合金に適用可能で
あり、またエッチングされる材料の硬度には無関係であ
る。
【0031】上記の米国特許出願第07/520355
号と同様に、本発明は片面および両面の実施例を含む。
【0032】塩の水溶液の流れが陽極帯電した金属表面
に向かう。マスクで被覆されていない領域から金属が除
去される。マスク上のフォトレジストの点の配列によ
り、形成される円錐形の突起の位置が予め決まる。任意
選択により第2の導電性表面にも、第1の導電性表面上
の円錐形の突起と擦り合わせ、それらと噛み合うように
設計され、かつ同様の方法で製作された円錐形の突起を
設けることができる。互いに接触する各導電性基板から
実質的に垂直に延びる導電性の円錐体が、相互接続を形
成し、たとえば試験のために、必要に応じて自由に取付
け取外しが可能な接点を形成する。別法として、はんだ
付け等によりそれらの接点を永久的に接続することもで
きる。
【0033】両面の実施例、すなわち第1の導電性基板
上の円錐形の突起が、第2の導電性基板上に第1の円錐
形の突起と同様に設けた円錐形の突起と互いに噛み合う
実施例では、円錐形の突起の各間隔は接触する円錐形の
突起の間で破損することなく相互に擦り合わせが可能
で、同時に円錐形の突起から表面の汚染を除去するよう
に設計される。
【0034】各々の円錐形の突起の先端を鋭い円形に成
形することによって、さらに接触時に1つの代表的な円
錐形の突起が隣接する4つの円錐体と接触するという事
実によって、接触がより容易になる。
【0035】片面の実施例では、第1の導電性基板だけ
に設けた導電性の円錐形の突起を第2の平坦な導電性表
面と接触させて、電気的相互接続を形成する。円錐形の
突起の尖端を第2の導電性表面上に存在する可能性のあ
る汚染物質を排除するのに十分な力で接触させる。
【0036】別法として、ピン型の円錐形相互接続で
は、第2の導電性表面が接続パッドだけの代りに、導電
性のスルー・ホールまたはブラインド・バイア(blind
vias)を含み、その中でコネクタ・ピンによって接続を
行う。ピンは任意選択により定位置にはんだ付けしても
よい。次に、ピンの頭に設けた円錐形の突起を第1の導
電性表面と接触させる。
【0037】円錐形の突起は、各導電性表面に対して実
質的に垂直である。円錐体の高さは、一部には、円錐体
の間にある汚染物質またはちりが取り除かれたときに、
相互接続の抵抗がそれによって増加しないように選択す
る。本発明では通常、円錐体の高さは約60〜80μm
で十分である。
【0038】
【実施例】円錐形の突起の配列は、高分子マスクを用い
た、中性塩溶液中での電気化学加工によって形成された
金属の円錐形の突起から成っている。この方法は、金属
の高速溶解の原理に関係する。金属フィルム、箔、シー
ト、またはピン・ヘッド上に円錐を形成するために、マ
スクを介した加工という概念を使用する。金属材料にフ
ォトレジストを塗布する。光を利用した加工により、パ
ッドとパッドの間のコネクタ(図1)に適した配列の等
間隔の点が形成される。点を形成するためにシルク・ス
クリーン等、光を利用した加工以外の代替方法も使用で
きる。フォトレジストでマスクした金属基板を電解質セ
ル中で陽極とし、直接に近接した陰極に対面させる。電
解質を陰極と陽極の間に流す。電流を流すと、陽極の材
料のフォトレジストで被覆されていない部分が溶解す
る。陽極溶解を続けると、点と点の間の材料が除去され
て、くぼみが形成される。このくぼみは、ある種の条件
下では図2に示すように垂直方向に優先的に成長し、最
終的に図3に示すような円錐体が形成する。所望の方向
での優先的溶解が起こるかどうかがこの方法の成否にと
って重要である。所望の方向での優先的溶解を起こさせ
るには、衝突する複数ノズル・フローを利用するか、あ
るいはチャネル・フロー装置を使って極めて高速の電解
質の流れを生成させる。系を低速すなわち層流で運転す
ると、円錐体の形成および優先エッチングは生じない。
使用する装置は、電解質フロー・セルと極めて速い流れ
を起こす手段のほかに、小型の渦巻ポンプと、加工が進
むにつれて溶液中に生成する水酸化物の沈殿を濾過する
濾過装置を備えている。
【0039】硝酸ナトリウムまたは塩化ナトリウムを含
む中性塩溶液を使用すると、マスクを用いた非常な高速
での電気化学加工により、銅と、ステンレス鋼のいずれ
にも円錐体を形成することができる。最良の結果を得る
には、金属溶解の電流効率が高くなるように、金属と電
解質の組合せおよび運転パラメータを選択することが必
要である。これは、陽極で酸素が発生すると、フォトレ
ジストの点が早目に除去され、その結果、不満足な円錐
体が形成されるためである。
【0040】図3は、銅フィルム上、およびステンレス
鋼上に形成した円錐体の一部の走査型電子顕微鏡(SE
M)写真を基にして描いた円錐体の概念図である。電解
質と加工条件の選択により、他の金属および合金からも
円錐体が形成できる。
【0041】図4は、生産現場で使われる大規模なリー
ル・トウ・リールの円錐体形成用の連続システムのフロ
ー・チャートである。
【0042】上記の方法は、連続した生産工程に使用す
ることができる。その場合、フォトレジスト・パターン
で被覆した金属陽極を、等間隔に配置した電解質が流れ
る複数ノズル付きの陰極を通して高速で通過させる。均
一に分布した針状の円錐体を得るため、電気化学技術で
周知のように、円錐を形成する場所の周囲にダミーのフ
ォトレジストの線を追加することにより、陽極における
電流分布の問題を解決することができる。
【0043】応用分野によっては、接触抵抗を低く保つ
ために、ステンレス鋼の円錐体上に約1.3〜2.5μ
mの硬質な金を電気メッキまたは無電解メッキすること
によって、完成した円錐体を貴金属でコーティングする
工程を追加することが望ましい。円錐体が銅の場合は、
金と銅が相互拡散するので、銅の円錐と金のコーティン
グの間に、約1.3〜2.5μmのニッケルの拡散バリ
アを設けることが必要となろう。
【0044】この方法で製作した金属円板を、柔軟な回
路、回路基板またはカード上の回路パッドに、円錐側を
上にしてはんだ付けリフローして、パッドとパッドの間
の接続を行うことができる。
【0045】一般に、円錐の先端が細いほど、接触が良
好になる。ただし、基部が広いほど、横方向の力に対す
る円錐体の抵抗が大きくなる。
【0046】3molのNaClからなる電気化学加工
の電解質を常温で使用するために準備した。陽極材料
は、厚さ3.2mmの硬質#420(Fe13%Cr)
のステンレス鋼板とした。ステンレス鋼の陽極をイソプ
ロピルアルコールを使用する従来の脱脂法で清浄化し
た。ダイナケム(Dynachem)UFフォトレジス
トを塗布し、フォトレジストの点のパターンを陽極表面
上に現像した。水素イオン濃度pH約3〜8の環境に耐
えるものであれば、どんな液状または乾性のフォトレジ
ストでもよい。フォトレジスト・マスクを塗布したサン
プルを陽極ホルダに取り付け、電解質セル中に入れ、サ
ンプル陽極に電解質のシャワーを掛けた。通常の電解質
セルならどれを使用してもよい。陰極構造体はプレキシ
グラス(Plexiglas)の容器に取り付けたシャワー・ヘ
ッドとして機能する、穴をあけたステンレス鋼板で構成
した。貯蔵容器からの電解質をポンプで陰極構造体中に
注入した。電解質の流速は、毎分11リットルとした。
陰極板と陽極の間隔は3mmとした。この装置により、
サンプルのある陽極に電解質が大量に衝突し、円錐体を
得るのに必要な方向から優先的に金属が除去される。セ
ルの両端間に5Vの電圧を印加した。この条件では、酸
素の発生はなく、非常に高速で材料除去が行われた。所
望の円錐形を得るために必要な電荷の量を電量計で測定
した。電量計は、電気化学加工の終点を判定する手段と
しても使用した。
【0047】図2に示すように、鋭い針状の円錐体を形
成するには、フォトレジストのアンダーカットがフォト
レジストの点の直径の約半分になるまで材料の除去を続
けることが必要であった。必要な円錐形を得るのに必要
な電荷の量は、点の大きさとアンダーカットの量に依存
し、したがって金属の除去速度と電解質の衝突速度に依
存する。必要な円錐形を得るための最適条件は、原理的
には、システムの数学モデルによって得られる。上記の
パラメータに対する針の形状を決定するのに必要な電荷
量は実験的に決定された。点の寸法が100μmの場
合、厚み約60μmの材料の除去が必要であった。必要
な電荷量は、ファラデーの法則によって、下記のように
除去される厚みに関係づけられる。 δl = QM/nF ρ 上式で、δlは除去される材料の厚み、Qは電荷量、M
は分子量、nは移動する電子の数(Fe13%Crステ
ンレス鋼の場合は3.4)、Fはファラデー定数、ρは
材料の密度である。電荷量は電量計で監視した。電荷量
を変化させることにより、高さの異なる円錐体が得られ
た。
【0048】陽極の材料を銅板とした以外は、使用した
方法の詳細は上記の方法と実質的に同様とした。フォト
レジスト塗布前の清浄化工程として、希硫酸に浸漬した
後、洗浄を行った。印加電圧は3V、上記のファラデー
の式でn=2とした。
【0049】金属円錐コネクタを形成するための上記し
た電気化学的微細加工は、容易にロール・トウ・ロール
の連続生産で行うことができる。使用する各工程を図4
に示す。
【0050】本発明は、その原理および範囲から逸脱す
ることなく、他の特定の形態および工程で実施できる。
上記の実例および実施例は説明のためのものであり、本
発明を限定するものではなく、本発明は本明細書に記載
する細部のみに限定されるものではない。
【0051】
【発明の効果】本発明によれば、中性塩溶液中で電気化
学加工技術を使用して、高性能の金属円錐コネクタを形
成することができる。
【0052】従来技術によるコネクタとは異なり、本発
明の電気化学加工によるコネクタは、製作が容易で再現
性があり、完全に金属性で、実質的に平滑であり、高さ
が一定で、もろさがないので、高密度回路の相互接続に
使用することができる。さらに、本発明の円錐体を形成
する中性塩電解質溶液は、再循環させた場合も、安全上
の問題を生じない。
【図面の簡単な説明】
【図1】フォトレジストの点の列でマスクした、エッチ
ングされていない金属基板の図である。
【図2】マスクを用いた電気化学加工中の、円錐体の形
成を示す概念図である。
【図3】マスクを用いた電気化学加工によって製作され
た、硬質ステンレス鋼(a)および銅(b、c)からな
る金属円錐体の走査型電子顕微鏡(SEM)写真に基づ
いて描いた図である。
【図4】金属円錐体を製作するロール・トウ・ロール方
式の製造の諸工程を示す概略図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 デーヴィド・アーネスト・キング アメリカ合衆国13760、ニューヨーク州 エンディコット、レイオン・ドライブ 617番地 (72)発明者 アラン・ダグラス・ナイト アメリカ合衆国13811、ニューヨーク州 ニューアーク・バレー、アール・ディー 2番、ボックス271 (72)発明者 カルロス・ジュアン・サンブチェッティ アメリカ合衆国、ニューヨーク州クロト ン・オン・ハドソン、サッソ・ドライブ 4番地 (56)参考文献 特開 平4−229632(JP,A)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 高密度回路用の電気的接続体であって、 自由に分離可能ですり合わせ態様で接続する第1および
    第2の接続基板を備え、該第1の基板は、1つの金属材
    料から電気化学的に形成された、基部の金属材料で互い
    に電気的に接続された周囲が丸い複数の円錐状突起を持
    ち、該突起を上記第2の基板に設けられた電気接点にす
    り合わせ接触させて電気的接続を形成した電気的接続
    体。
  2. 【請求項2】 上記円錐状突起の高さが60ないし80
    ミクロンである請求項1の接続体。
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