JP4461226B2 - スパイラル状接触子 - Google Patents

Description

電子部品、中でも半導体のパッケージは、高密度実装に対応するため、小型化、薄型化に対応可能な接続端子を有しており、さらに高密度化可能な電子機器に用いたスパイラル状接触子に関する。

半導体集積回路（ＩＣ）の多機能化、高性能化に伴い、ＩＣを搭載するパッケージ（以下、電子部品と称する）は、さまざまなニーズにより変遷し、進化してきた。図１３は、その進化の過程を示した説明図である。
図１３（ａ）は、インライン型と呼ばれる挿入実装型パッケージ５０の斜視図である。ＩＣのリード（足）５１が両サイドから下向きにまっすぐ伸びており、このリード５１をプリント基板上に設けられた開口部に差込み、ハンダ付けをして固定すると同時に電気的接続を確保する。しかし、多機能化、高性能化により、パッケージ５０の個数が多くなるとそのスペースも大きくなることから、より小型化・薄型化、省スペースに対応できない。

図１３（ｂ）は、多ピン化によりそれらを改善したもので、底面全体からピンを取り出すピンタイプ、つまり、ピン状接続端子（ＰＧＡ：Pin Grid Array）のパッケージ６０を表から見た斜視図であり、（ｃ）は、裏返しにして見た斜視図である。裏面には多くのピン６１が林立し、多機能化による入・出力端子数の増加や各種信号用の端子数の増加に対応できる。
図１３（ｄ）は、ピンをボールに換え、より薄く、より狭ピッチ化に対応可能なタイプ、球状接続端子（ＢＧＡ：Ｂall Ｇrid Array）のパッケージ７０を表から見た斜視図であり、（ｅ）は、裏返しにして見た斜視図である。つまり、ピンはボール７１に代えることにより薄くでき、省スペースに貢献できた。
図１３（ｆ）は、ＩＣチップサイズのパッケージ、つまり、ＣＳＰ（Chip Size Package）のパッケージ８０を示し、表から見た斜視図であり、（ｇ）は、裏返しにして見た斜視図である。これは、小型化を狙ったものであり、ＩＣを覆うプラスチックがなく、薄い基板と基板に載せたＩＣのチップそのもののサイズがその大きさであり、裏面には、一段と小さなボール８１が接続端子として採用されている。

このように、電子部品の底面には、ピンに代わって球状接続端子（以下、ボールという）が碁盤の目状に配列され、ＢＧＡのピッチ間隔は０．５ｍｍから０．３ｍｍへと狭ピッチ化が進んでおり、ボールの高密度化が進んでいる。また、電子部品は、実装密度と電気的電送特性を高めることからも、軽薄短小化の傾向にあり、当然ながらボールの相手となるコネクタ（以下、電子部品ともいう）の接触子（コンタクタ）も同様に高密度化への対応が求められている。

そこで、本発明者は、特願２００１−７７３３８にて、高密度化に対応した接触子（スパイラルコンタクタ）を開示している。
図１４（ａ）は、前記した特願のスパイラルコンタクタ１０を平面視した平面図であり、図１４（ｂ）は、スパイラルコンタクタ１０のスパイラル状接触子１１を絶縁基板上に形成した様子を示す断面図である。
図１４（ａ）に示すように、このスパイラルコンタクタ１０は、複数のスパイラル状接触子１１より構成している。スパイラル状接触子１１は、渦巻き（スパイラル）状を形成し、根元から中心に向かって徐々に細くなっており、押圧による弾性変形がしやすい形状になっている。
図１４（ｂ）において、絶縁基板１６に孔（スルーホール）１３を穿設し、孔１３の内面を銅メッキ１４により接続し、開口部にスパイラル状接触子１１を形成している。

図１５は、絶縁基板１６に設けられたスパイラル状接触子１１に、球状接続端子（ボール）１７を有する電子部品１８を挿着する前の様子を示す断面図である。絶縁基板１６の上面には、ボールの落とし込み用ガイドとしてガイドフレーム１２が設けられており、スルーホール１３の開口部には、スパイラル状接触子１１が形成されている。スルーホール１３の孔には弾性体のエラストマを充填してもよい。
図１６は、絶縁基板１６上のスパイラル状接触子１１に、電子部品１８のボール１７を挿着した様子を示す断面図である。電子部品１８のボール１７が押圧されると、カイドフレーム１２に当接し、その時、ちょうどよい押し込み量が確保されて接触する。つまり、自然態では平坦状スパイラルであるが、電気部品のボール１７がスパイラル状接触子１１を押圧すると、スパイラル状接触子１１の中央部から外側に接触を広げ、渦巻き部は凹状に撓みボールを抱き込むように変形する。なお、この耐久試験に対しては、１０万回クリアしている。

しかしながら、スパイラル状接触子１１にボール１７が接触すると、図１６に示すように、球形のもつ特性からボール１７の先端部はフラットに近いために撓み量（寸法ｄ）が少なく、ボール１７の先端部から離れるにしたがってスパイラル状接触子１１の撓み量（寸法ｃ）が増大する。つまり、ｃ＞ｄとなっている。したがって、スパイラル状接触子１１の一番撓みにくい根元付近の曲げ応力が一番高くなるという問題があることが分かった。
また、電子部品の超小型、薄型、球状接続端子ピッチの縮小化に伴い、ボールの接合面積（寸法ｅを直径とする円）は小さいため欠けが発生し易く、信頼性に問題があった。
さらに、より薄く、狭く、高密度化に対応できる接触子の開発が要望されていた。

そこで、本発明は、根元付近の曲げ応力が軽減できて、かつ、衝撃的な繰り返し荷重に対しても強く、接続端子の接合面積を大きくして信頼性を高め、さらに、半導体デバイス、コネクタ等の電子部品の超小型、薄型に対応可能な接続端子の接続相手となるスパイラル状接触子を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、渦巻き状を呈し、根元から中心に向かって徐々に細くなり、先端をフリーにし、押圧による弾性変形がしやすい形状に形成され、半導体デバイス又は電子部品との電気的接続により、押圧によって中央部から外側に広げ、撓みながら変形するスパイラル状接触子（１１）であって、下部に弾性体（２１）を配置して凸型に形成し、パッド状接続端子２′によって押圧されて接続することを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、スパイラル状接触子は凸型を呈し、根元から中心に向かって徐々に細くなっていることから、根元付近の曲げ応力が軽減できて、かつ、衝撃的な繰り返し荷重に対しても強く、接続端子の接合面積を大きくして信頼性を高め、さらに、電子部品の超小型、薄型に対応可能な接続端子の接続相手となるスパイラル状接触子を提供することができる。さらに、パッド状接続端子と接触することにより、電子部品の超小型、薄型に対応可能な接続端子を提供することができる。

本発明の実施の形態については、図１１を参照しながら追って説明する。
（参考例１の実施の形態）
図１（ａ）は、本発明の参考例１の実施の形態を説明するための模式図であり、電子部品１の正面図、図１（ｂ）はその１部を破断した下面図である。
図１（ａ）に示すように、ＣＳＰ（Chip Size Package）と呼ばれる極小のパッケージでは、電子部品１は、ＩＣチップ４とインターポーザの基板３と円錐形状の接続端子２（以下、コーン状接続端子２という。）により構成される。
また、ウエハレベルのＣＳＰのパッケージでは、電子部品１は、ＩＣチップ４とコーン状接続端子２により構成される。
いずれの場合の接続端子も、錐体形状（コーン）となっている。
図１（ｂ）は、例えば、コーン状接続端子２が格子状に配置された様子を示している。

図２は、本発明であるコーン状接続端子２の作用を説明するための断面図である。コーン状接続端子２をスパイラル状接触子１１に押圧すると、スパイラル状接触子１１の中央部から外側に接触を広げ、渦巻き部はコーン状接続端子２に巻きつくように撓みながら変形して線接触する。
コーン状接続端子２としたことにより、スパイラル状接触子１１の撓み量は、根元付近の撓み量（寸法ａ）と先端部の撓み量（寸法ｂ）がほぼ均等にすることができるため、根元付近の曲げ応力が軽減できて、衝撃的な繰り返し荷重に対しても、その影響を小さくできる作用効果がある。また、コーン状接続端子２は、四角錐形状、三角錐形状のような多角錐形状の接続端子であってもよいし、さらに、砲弾形状であっても構わない。
なお、ＣＧＡ（Cone Grid Array）とは、ＩＣ基板等の電子部品に、コーン状接続端子を縦横に配置したものをもいう。

図３は、前記した両者を接続した際の違いを比較するための比較図である。
図３（ａ）は、挿着する前の従来のボール１７を有する電子部品１８と、絶縁基板１６にスパイラル状接触子１１を有する電子部品の断面図、（ｂ）は本発明のコーン状接続端子２を有する電子部品３と、同様に絶縁基板１６にスパイラル状接触子１１を有する電子部品の断面図である。
図３（ａ）に示すように、従来のボール１７の直径をＤとすれば、（ｂ）に示すコーン状接続端子２は、ちょうどＤ／２の高さをもつ三角形で、スパイラル状接触子１１を同じ量だけ撓ませることができる。
したがって、両者を比較すると、接続端子の大きさの差分だけ、Ｈ１＞ｈ１となる。また、接続端子の高さをＤ／２としたことから、ガイドフレーム１２も、低くすることができるため、Ｈ２＞ｈ２とすることができる。トータルでは、Ｈ＞ｈとなり、ボール径に相当する寸法を薄くすることが可能である。
また、電子部品１８とボール１７の接合面は、接触部の直径が寸法ｅであるのに対し、コーン状接続端子２の接合面は、たとえば、コーン状接続端子２が円錐とすれば、寸法ｆを直径とする円となり、接合面積が４〜５倍に拡大できるため、接合は充分であり、欠けが発生しにくく、信頼性を確保できる。

図４は、球状接続端子（ボール）とコーン状接続端子の違いを説明するための図である。図４（ａ）は、従来のボールを有する電子部品と絶縁基板にスパイラル状接触子を設けた電子部品とを挿着した状態での断面図であり、（ｂ）は、本発明のコーン状接続端子を有する電子部品と、絶縁基板にスパイラル状接触子を設けた電子部品とを挿着した状態での断面図である。
図４（ａ）、（ｂ）に示すように、両者の接続端子による撓み量を同じ（Ｈ３＝ｈ３）とした場合、コーン状接続端子２を採用した電子部品の厚み寸法は、Ｈ４＞ｈ４となり、ボール１７の半径分、薄くすることができることが判る。
このように、コーン状接続端子との組み合わせは、例えば、携帯電話に要求される、軽量化、小型化、多機能化に伴う狭ピッチ化に多大なる作用効果を発揮することが可能である。

（参考例２の実施の形態）
図５は、本発明の参考例２の実施の形態を説明するための斜視図である。
図５に示すように、スパイラル状接触子１１を有するコネクタ５と、コーン状接続端子を有するプリント基板（ＰＷＢ：Printed Wire Board）７との接続を示す斜視図である。たとえば、プリント基板７の厚みは、０．７ｍｍであり、複数のエッジ７ｃにそれぞれ複数個のコーン状接続端子２が配置され、コネクタ５との位置決め用ピン７ａと抜け止め用のノッチ７ｂを備えている。
一方、コネクタ５には、スパイラル状接触子１１と、位置決め用穴５ａと、抜け止め用の穴５ｂを有している。
したがって、プリント基板７とコネクタ５との挿着は、位置決め用穴５ａ、５ａに位置決め用ピン７ａ、７ａが挿入されると、複数個配列したコーン状接続端子２はスパイラル状接触子１１を押圧し、抜け止め用のノッチ７ｂ、７ｂは、抜け止め用の穴５ｂ、５ｂに装填されて、接続される。
なお、コネクタ５にコーン状接続端子２を設け、相手部品のプリント基板７にスパイラル状接触子１１を設ける構成としてもよい。

図６は、たとえば、プリント基板（ＰＷＢ）７のエッジに設けられたコネクタを多層式に集合した実施例を示す斜視図である。このエッジ７ｃにそれぞれ複数個のコーン状接続端子２が配置され、バックプレーン９との位置決め用に位置決め用ピン７ａを備えている。
一方、バックプレーン９には、スパイラル状接触子１１と、位置決め用の穴９ａを備えており、多層のＰＷＢ７を一体化して省スペースを可能としている。
この場合も、バックプレーン９にコーン状接続端子２を設け、相手部品のＰＷＢ７にスパイラル状接触子１１を設ける構成としても構わない。

図７（ａ）は、複数枚の電子部品を一体化したもう一つの例を示し、組み付け前のプリント基板７と両面コネクタ８を示した正面図であり、図７（ｂ）は、プリント基板７の表面に形成したコーン状接続端子２を示す拡大した斜視図であり、図７（ｃ）は、コーン状接続端子２の配置に合わせてスパイラル状接触子１１を配置した両面コネクタ８の一部を拡大した斜視図であり、図７（ｄ）は、複数枚のプリント基板７を両面コネクタ８に挟み込んで接続した正面図である。プリント基板７の両面にコーン状接続端子２を設けることにより、スパイラル状接触子１１を有する両面コネクタ８を挟み込んで多層に接続を可能にした様子を示す正面図である。図７（ｄ）に示すように、両面コネクタ８の厚み分、空間ができるため、放熱スペースとして都合がよい。
図８は、図７（ｄ）の一部を示した断面拡大図であり、これにより、多層化であっても薄型にして、確実に接続できる。

（参考例３の実施の形態）
図９は、本発明の参考例３の実施の形態を説明するための模式図であり、図９（ａ）は、電子部品をソケットに挿着する様子を示す模式図、図９（ｂ）は、電子部品がソケットに挿着された状態の模式図である。
図９（ａ）に示すように、電子部品４１の下面にはコーン状接続端子２が複数個配置されており、相対する電子部品であるソケット４０の上面にはスパイラル状接触子１１が複数個配置されている。
つぎに、図９（ｂ）では、電子部品４１のコーン状接続端子２がソケット４０上のガイドフレーム１２によりガイドされながら当接し、スパイラル状接触子１１が押圧されて接触し、フック部４２で固定される。これにより、確実な接続が確保される。

図１０は、図９同様に本発明の第３実施の形態を説明するための模式図であり、図１０（ａ）は電子部品をソケットに挿着する様子を示す模式図、図１０（ｂ）は電子部品がソケットに挿着された状態の模式図である。
図１０（ａ）に示すように、図９と反対にソケット４３にコーン状接続端子２を設け、電子部品４４にスパイラル状接触子１１を設けている。
図１０（ｂ）は、電子部品４４のガイドフレーム１２によりガイドされ、位置決めされて、ソケット４３のコーン状接続端子２にスパイラル状接触子１１がかぶさりながら押圧されて接触し、フック部４２で固定される。これにより、確実な接続が確保される。

（本発明の実施の形態）
図１１（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態を説明するための模式図であり、コーン状接続端子（コーン）２をパッド状接続端子２′にした場合を示す断面図である。
図１１（ａ）に示すように、パッド状接続端子２′にした場合は、代わりにスパイラル状接触子１１を凸型形状にすればよく、スルーホール１３内に球状の弾性体２１を複数個入れ、絶縁基板１５ａの入り口を塞ぐことで、スパイラル状接触子１１がちょうど突き出る形の凸型スパイラル状接触子１１にすることができることから、接触が容易にできる。
なお、弾性体２１は、ボール状のエラストマが都合よく、個数は絶縁基板１６の厚みに合わせて、図のように複数個としても構わない。
図１１（ｂ）は、もう一例である。円錐形状に形成した弾性体（エラストマ）２１′をスパイラル状接触子１１の内側に装填することにより、凸型のスパイラル状接触子１１にすることができるため、絶縁基板１６より薄い絶縁基板１５ａの超薄型の電子部品が可能である。
なお、弾性体（エラストマ）２１′は、円錐形状に限定されるものではなく、三角錐、四角錐等の多角錐やコーンのほか、半球状のものや球であっても構わない。

参考例４としてコーン状接続端子２の製造方法について説明する。
図１２は、電子部品の表面に、円錐形の接続端子２を複数形成する製造方法を示した工程図である。以下、各工程を説明する。
第１工程の（ａ）では、基板となるステンレス板２２の上面に第１絶縁層であるドライフィルム２３を塗布する。
第２工程の（ｂ）では、前記ドライフィルム２３上に第１金属層である銅メッキ２４を形成する。
第３工程の（ｃ）では、前記ドライフィルム２３上の第１金属層である銅メッキ２４を押圧工具２５により押圧してくぼみ部を形成する。ここでは、円錐形状
の工具とするが、工具形状を多角錐形状にすれば多角錐形状のくぼみにすることができる。
第４工程の（ｄ）では、前記した銅メッキ２４のくぼみ部を除く上面のフラット部に、第２絶縁層であるドライフィルム２６を塗布する。
第５工程の（ｅ）では、引き続き上面に第２金属層である金メッキ２７を施し、ニッケルメッキ２８を施し、また、金メッキ２７を施す。但し、第２金属層はニッケルメッキ２８の一つとしても構わない。
第６工程の（ｆ）では、第２絶縁層であるドライフィルム２６を除去する。
第７工程の（ｇ）では、別途、プリント基板（ＰＷＢ）２９を用意して、上面の要部パッドに導電接着材３０を塗布する。
第８工程の（ｈ）では、前記導電接着材３０を塗布したＰＷＢ２９に、銅メッキ２３の上面にコーン状接続端子を成形したステンレス板２２を反転して接合する。
第９工程の（ｉ）では、前記ステンレス板２２を剥がし取る。
第１０工程の（ｊ）では、前記ドライフィルム２３を除去する。
第１１工程の（ｋ）では、前記銅メッキ２４をエッチングにより除去する。
以上の加工手順にしたがえば、電子部品６の一面に配置したコーン状接続端子２の製作が可能である。また、次世代の接続端子として、ボールがコーンに置き換わることが予想される。

本発明の参考例１の実施の形態を説明するための模式図である。 （ａ）は、電子部品の正面図である。 （ｂ）は、その１部を破断した下面図である。 本発明のコーンを有する電子部品とスパイラル状接触子を設けた電子部品の断面図である。 （ａ）は、接続する前の従来のボールを有する電子部品とスパイラル状接触子を有する電子部品の断面図である。 （ｂ）は、本発明のコーンを有する電子部品と、同様にスパイラル状接触子を有する電子部品の断面図である。 （ａ）は、従来の球状接続端子（ボール）を有する電子部品とスパイラル状接触子を設けた電子部品とを挿着した状態での断面図である。 （ｂ）は、本発明のコーンを有する電子部品と、スパイラル状接触子を設けた電子部品とを挿着した状態での断面図である。 本発明の参考例２の実施の形態を説明するためのスパイラル状接触子を有するコネクタと、スパイラル状接触子を有するプリント基板（ＰＷＢ）との接続を示す斜視図である。 プリント基板（ＰＷＢ）のエッジに設けられたコネクタを多層式集合体に集合した実施例を示す斜視図である。 （ａ）は、多層式の組み付け前のプリント基板と両面コネクタを示した正面図である。 （ｂ）は、プリント基板の表面に形成したコーン状接続端子を示す拡大した斜視図である。 （ｃ）は、コーン状接続端子の配置に合わせてスパイラル状接触子を配置した両面コネクタの一部を拡大した斜視図である。 （ｄ）は、両面コネクタを挟み込んで多層に接続を可能にした正面図である。 図７（ｄ）の部分断面した拡大図である。 本発明の参考例３の実施の形態を説明するための模式図である。 （ａ）は、電子部品をソケットに挿着する様子を示す模式図である。 （ｂ）は、電子部品がソケットに挿着された状態の模式図である。 図９同様に、本発明の参考例３の実施の形態を説明するための模式図である。 （ａ）は、電子部品をソケットに挿着する様子を示す模式図である。 （ｂ）は、電子部品がソケットに挿着された状態の模式図である。 図１１（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態を説明するための模式図であり、（ａ）は、パッド状接続端子の場合を示し、凸型スパイラル状接触子を球状の弾性体により形成する断面図である。 （ｂ）は、パッド状接続端子の場合を示し、凸型スパイラル状接触子を、円錐形状の弾性体により形成する断面図である。 電子部品の表面に、円錐形の接続端子を複数形成する製造方法を示した工程図である。 （ａ）は、従来のインライン型と呼ばれる挿入実装型パッケージの斜視図である。 （ｂ）は、多ピン化によりそれらを改善した底面全体からピンを取り出すピンタイプのパッケージを表から見た斜視図である。 （ｃ）は、裏返しにして見た斜視図である。 （ｄ）は、ボールによるタイプのパッケージを表から見た斜視図である。 （ｅ）は、裏返しにして見た斜視図である。 （ｆ）は、ＩＣチップサイズのパッケージを示し、表から見た斜視図である。 （ｇ）は、裏返しにして見た斜視図である。 （ａ）は、スパイラルコンタクタを平面視した平面図である。 （ｂ）は、スパイラルコンタクタのスパイラル状接触子を絶縁基板に形成した様子を示す断面図である。 絶縁基板に設けられたスパイラル状接触子に、球状接続端子を有する電子部品を挿着する前の様子を示す断面図である。 絶縁基板上のスパイラル状接触子に、電子部品の球状接続端子を挿着した様子を示す断面図である。

符号の説明

１，１８，４１，４４ 電子部品
２ コーン状接続端子
２′ パッド状接続端子
３ 基板（電子部品）
４ ＩＣチップ
５ コネクタ
５ａ 位置決め用穴
５ｂ 抜け止め用穴
７，２９ プリント基板（ＰＷＢ）
７ａ 位置決め用ピン
７ｂ 抜け止め用ノッチ
７ｃ エッジ
８ 両面コネクタ
９ バックプレーン
１０ スパイラルコンタクタ
１１ スパイラル状接触子
１２ ガイドフレーム
１３ 孔（スルーホール）
１４ 銅メッキ
１５ 接続部
１５ａ，１６ 絶縁基板
１７ 球状接続端子（ボール）
２１，２１′ 弾性体
２２ ステンレス板
２３，第１ドライフィルム
２４ 銅メッキ
２５ 工具金
２６ 第２ドライフィルム
２７ 金、ニッケルメッキ
２８ ニッケルメッキ
３０ 導電接着材
４０ ソケット
４２ フック部

Claims (1)

1. 渦巻き状を呈し、根元から中心に向かって徐々に細くなり、先端をフリーにし、押圧による弾性変形がしやすい形状に形成され、半導体デバイス又は電子部品との電気的接続により、押圧によって中央部から外側に広げ、撓みながら変形するスパイラル状接触子（１１）であって、
   下部に弾性体（２１）を配置して凸型に形成し、パッド状接続端子（２′）によって押圧されて接続することを特徴とするスパイラル状接触子（１１）。

Images