JPWO2003098753A1 - スナップ電極、その接合方法および使用方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、パッケージまたはＦＰＣの着脱が可能な高密度接続用電極を提供することを目的とする。かかる目的を達成するために、本発明のスナップ電極（１１）は、断面が円形または多角形の筒状のリング（１１ａ）と、そのリング内に、そのリングに連結する少なくとも一つのバネ電極（１１ｂ）を有し、挿入実装型パッケージまたはＦＰＣの、ピン電極（１３）をバネ電極（１１ｂ）で挟み込むことにより、基板またはＦＰＣに接続することを特徴とする。このスナップ電極（１１）は、ニッケルもしくはニッケル合金、または銅もしくは銅合金からなるものが好ましく、貴金属または導電性ダイヤモンドライクカーボンでコートしているものが好ましい。

Description

技術分野
本発明は、半導体実装用の電極およびフレキシブルプリント回路（ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）（以下、「ＦＰＣ」ともいう。）接続用の電極に関する。特に、挿入型の半導体パッケージを実装（以下、「接続」ともいう。）するための電極、またはＦＰＣを接続するための電極に関する。
背景技術
半導体を収納し、外部環境から半導体を保護し、プリント基板などに実装するために半導体パッケージ（以下、単に「パッケージ」ともいう。）が使用されている。半導体パッケージは、基板への実装方法により、表面実装型と挿入実装型とに分類される。
表面実装型パッケージとしては、たとえばＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）があり、パッケージのベース面にハンダボールが一定の間隔で格子状に並べられており、基板の表面にあるハンダ付けパターン（マウントパッド）に直接、ハンダ付けをすることにより実装する。また、挿入実装型パッケージとしては、たとえばＰＧＡ（Ｐｉｎ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）があり、パッケージ本体から垂直に取り出されたピン電極を、基板のソケット電極に挿入して、実装する。今日における半導体の高集積化、高速化、また電子機器の小型軽量化に伴い、半導体の高密度実装および小型化が要求されている。
表面実装型パッケージは、基板表面のハンダ付けパターンおよびハンダボールの微細化が可能であり、また基板の両面に実装できるため、高密度化しやすい構造を有する。しかし、表面実装型パッケージは、ベース面が基板にハンダ付けされているため、一度実装したパッケージを引き剥がすことができない。仮に引き剥がそうとすると、加熱してハンダを溶かす必要があり、デバイス自体に悪影響を及ぼしたり、ハンダボールの変形により再実装ができなかったりする問題がある。
挿入実装型パッケージは、構造上、入出力用ピン電極の多ピン化が可能であり、パッケージの着脱も可能である。しかし、ピン電極を挿入するソケット電極が機械加工により製造されているため、ソケット電極の小型化が困難であり、このため５００μｍ〜１ｍｍ程度のピンピッチが限界である。また、機械加工により製造しているため、寸法のバラツキも大きく、確実な電気的接触を得るために厚さが少なくとも１ｍｍ程度必要である。
一方、ＦＰＣの接続では、ＦＰＣ同士、またはＦＰＣとプリント基板などの基板を接続する場合、打抜きで形成した電極を樹脂製のハウジングで覆ったコネクタが使用されている。しかし、ＦＰＣコネクタにおいては、機械加工のため電極サイズの微細化に限界があり、かつハウジングの機械的強度を確保するため、コネクタの小型化および端子の狭ピッチ化が難しいという問題がある。
発明の開示
本発明は、パッケージまたはＦＰＣの着脱が可能な高密度接続用電極を提供することを目的とする。かかる目的を達成するため、本発明のスナップ電極は、断面が円形または多角形の筒状のリングと、リング内に、リングに連結する少なくとも一つのバネ電極とを有し、挿入実装型パッケージまたはＦＰＣの、ピン電極をバネ電極で挟み込むことにより、基板またはＦＰＣに接続することを特徴とする。スナップ電極は、ニッケルもしくはニッケル合金、または銅もしくは銅合金からなるものが好ましく、貴金属または導電性ダイヤモンドライクカーボンでコートしているものが好ましい。
本発明のスナップ電極の接合方法は、断面が円形または多角形の筒状のリングと、リング内に、リングに連結する少なくとも一つのバネ電極とを有するスナップ電極の接合方法であって、スナップ電極のリング部分のみと、基板電極またはＦＰＣの電極とを金を介して超音波接合し、またはハンダ付けにより接合することを特徴とする。
本発明のスナップ電極の使用方法は、断面が円形または多角形の筒状のリングと、リング内に、リングに連結する少なくとも一つのバネ電極とを有するスナップ電極の使用方法であって、挿入実装型パッケージまたはＦＰＣの、ピン電極をバネ電極で挟み込むことにより、基板またはＦＰＣに接続することを特徴とする。
発明を実施するための最良の形態
（スナップ電極）
本発明のスナップ電極は、典型的には図１Ａまたは図１Ｂに示すように、リング１１ａとバネ電極１１ｂとからなる。このスナップ電極１１は、プリント基板などの基板上に設けられた基板電極１２、またはＦＰＣ上に設けられた電極に接合している。挿入実装型パッケージまたはＦＰＣを、基板または他のＦＰＣに接続するときは、挿入実装型パッケージまたはＦＰＣのピン電極１３をバネ電極１１ｂに挟み込むことにより行なう。従来のＰＧＡ用ソケットは、プラスチックのケースによって電極が守られているが、この構造では微細化に限界がある。本発明のスナップ電極は、バネ電極のまわりに、電極を保護するリングを一体形成することで、微細なサイズを実現している。
ピン電極１３をバネ電極１１ｂで挟み込む態様には、たとえば、図１Ａに示すように、バネ電極１１ｂにより形成される隙間１４へピン電極１３を矢印の方向に挿入し、ピン電極１３をバネ電極１１ｂで挟み込む態様がある。また、たとえば、図１Ｂに示すように、ピン電極１３をリング１１ａ内に挿入した後、矢印の方向にずらして、バネ電極１１ｂにより形成される隙間１４にまで移動したピン電極１３を、バネ電極１１ｂで挟み込む態様などがある。
本発明のスナップ電極は、挿入実装型パッケージまたはＦＰＣを、基板またはＦＰＣに接続する際に有効に利用することができる。たとえば、挿入実装型パッケージをプリント基板などの基板に実装する態様、ＦＰＣを基板に接続する態様、挿入実装型パッケージをＦＰＣに接続する態様、または、ＦＰＣを他のＦＰＣに接続する態様において利用することができる。
リングは、断面が円形または多角形の筒状体である。断面が円形または多角形とは、筒状のリングを長手方向に垂直な面で切断したときの断面が、円形または多角形であることをいう。また、断面が円形とは、完全な円形のもののみならず、円形に近いもの、たとえば楕円形や円周の一部が歪んだようなものも含まれる。多角形とは、たとえば四角形または六角形を指すが、正多角形に限らず、辺の長さが異なるようなものも含まれる。図２Ａ〜図２Ｆにリング２１ａが円形である例を示す。また、図２Ｇ〜図２Ｌにリング２１ａが六角形である例を示す。
バネ電極を、リング内に少なくとも一つ有する。バネ電極を設けることにより、挿入型パッケージなどのピン電極を挟み込み、基板などに接続し、電気的および機械的接続を得ることができる。また、バネ電極は、リングに連結している。リングに連結していることにより、スナップ電極の製造時にバネ電極を保護するとともに、接続時などにおいても、ピン電極を挿入するときにバネ電極にかかる負荷をリングに分散させ、バネ電極を保護することができる。図２Ａ〜図２Ｃ、図２Ｆ、図２Ｇ〜図２Ｉおよび図２Ｌに、スナップ電極２１が、リング２１ａと二つのバネ電極２１ｂとを有する例を示す。また、図２Ｄ、図２Ｅ、図２Ｊおよび図２Ｋに、スナップ電極２１が、リング２１ａと、一つのバネ電極２１ｂと、リング２１ａの上半分に電極材料からなる充填物２１ｃとを有する例を示す。ピン電極が嵌合することになる隙間２４は、図２Ａに示すように、リング２１ａの中央部に位置する態様のほか、図２Ｆに示すように、隙間２４が、リング２１ａの中央部から少しずれた場所に位置する態様も本発明に含まれる。
（スナップ電極の製造方法）
本発明のスナップ電極は、リソグラフィにより樹脂型を形成する工程と、樹脂型に金属材料からなる層を電鋳により形成する工程とを含む方法により製造する態様が好ましい。挿入型パッケージなどの接続に使用されているソケット電極は、機械加工により製造されているため、小型化することができず、小さなものでも外径５００μｍ〜１ｍｍ、厚さ１ｍｍ程度の大きさがあり、このサイズでは、半導体の高密度接続には限界がある。本発明のスナップ電極は、リソグラフィと電鋳とを組合せた方法で製造することにより、外径５０μｍ〜５００μｍ、厚さ５０μｍ〜１ｍｍの微小サイズとすることができるため、高密度接続が可能である。また、挿入型パッケージなどの接続用の電極であるため、パッケージの着脱が可能である。さらに、バネ電極と、バネ電極を保護するためのリングとが連結している構造のスナップ電極を、一体物として容易に製造することができ、組立てが不要である。
スナップ電極の製造方法は、まず、図３Ａに示すように、導電性基板３１上にリソグラフィのための樹脂層３２を形成する。導電性基板として、たとえば、銅、ニッケル、ステンレス鋼などの金属製基板、または、チタン、クロムなどの金属材料をスパッタリングしたシリコン基板などを用いることができる。樹脂層を形成するための材料としては、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）などのポリメタクリル酸エステルを主成分とする樹脂材料、Ｘ線に感受性を有する化学増幅型樹脂材料などがある。樹脂層の厚さは、形成しようとするスナップ電極の高さに応じて任意に設定することができ、たとえば、５０μｍ〜１ｍｍとすることができる。スナップ電極は、ある程度の高さを確保することにより、ピン電極を挿入するときに、電極の表面に付着している汚れを擦り落とし、電気的に確実に接続する効果（ワイピング効果）が得られる。
つぎに、導電性基板３１上にマスク３３を配置し、マスク３３を介してＸ線３４（または紫外線）を照射する。Ｘ線としては、高いアスペクト比を実現することができる点で、シンクロトロン放射のＸ線（以下、「ＳＲ光」と略す。）が好ましい。マスク３３は、スナップ電極の所定のパターン応じて形成したＸ線吸収層３３ａを有する。スナップ電極を構成するリングの形状は、たとえば円形と六角形とを比べた場合には、マスクに効率よく配置できる点で、円形よりも六角形の方が好ましい。マスク３３を構成する透光性基材３３ｂには、たとえば窒化シリコン、シリコン、ダイヤモンド、チタンなどを用いることができる。また、Ｘ線吸収層３３ａには、たとえば金、タングステン、タンタルなどの重金属あるいはその化合物を用いることができる。Ｘ線３４の照射後、現像し、Ｘ線３４により変質した部分３２ａを除去すると、図３Ｂに示すような樹脂型３２ｂが得られる。
つぎに、電鋳を行ない、図３Ｃに示すように、樹脂型３２ｂの空孔部に金属材料３５を堆積する。電鋳とは、金属イオン溶液を用いて導電性基板上に金属材料からなる層を形成することをいう。導電性基板３１をめっき電極として電鋳を行なうことにより、樹脂型３２ｂの空孔部に金属材料３５を堆積することができ、堆積した金属材料３５からなる層は、最終的にスナップ電極となる。金属材料としては、ニッケル、銅、金、それらの合金、またはパーマロイなどを用いることができるが、パッケージなどのピン電極を挿入するとき、および挿入した後の機械的強度が大きい点、ならびに電極として導電性が大きい点で、ニッケル、銅、ニッケル合金または銅合金が好ましい。
電鋳後、研磨または研削により所定の厚さに揃えてから、ウエットエッチングまたはプラズマエッチングにより樹脂型３２ｂを除去する（図３Ｄ）。続いて、酸もしくはアルカリによりウエットエッチングし、または機械的に加工して導電性基板３１を除去すると、図３Ｅに示すようなスナップ電極が得られる。
本発明のスナップ電極を製造するための別の方法として、金型により樹脂型を形成する工程と、樹脂型に金属材料からなる層を電鋳により形成する工程とを含む方法を使用することができる。かかる方法によっても、外径５０μｍ〜５００μｍ、厚さ５０μｍ〜１ｍｍの微小サイズのスナップ電極を製造することができる。このスナップ電極は、バネ電極と、バネ電極を保護するためのリングとが連結した構造を有し、半導体の高密度接続を実現することができる。また、挿入実装型パッケージまたはＦＰＣ用の電極として使用でき、パッケージまたはＦＰＣの着脱が可能である。
まず、図４Ａに示すとおり、凸部を有する金型４２を用いて、プレスまたは射出成型などのモールドにより、図４Ｂに示すような凹状の樹脂体４３を形成する。樹脂としては、たとえばポリメタクリル酸メチルなどのアクリル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリオキシメチレンなどのポリアセタール樹脂などの熱可塑性樹脂を用いることができる。金型４２は、本発明のスナップ電極と同様に、微小構造体であるため、リソグラフィ法などにより製造することが好ましい。
つぎに、図４Ｃに示すように、樹脂体４３の上下を反転した後、導電性基板４１に貼り付ける。続いて、図４Ｄに示すように、樹脂体４３を研磨し、樹脂型４３ａを形成する。その後は前述と同様に、電鋳により金属材料４５を堆積し（図４Ｅ）、厚さを調整した後、樹脂型４３ａを除去し（図４Ｆ）、導電性基板４１を除去すると、図４Ｇに示すようなスナップ電極が得られる。
スナップ電極は、電気接触性および耐腐食性を向上させる点で、金、パラジウムまたは白金などの貴金属でコートしている態様が好ましい。バレルメッキなどにより、スナップ電極の表面を金などで容易にコートすることができる。また、スナップ電極は、耐摩耗性を向上させる点で、導電性ダイヤモンドライクカーボンでコートしていることが好ましい。ダイヤモンドライクカーボンでコートすることにより、スナップ電極の表面に、ダイヤモンド状の結晶構造を有するカーボン膜が形成される。
（スナップ電極の接合方法）
本発明のスナップ電極の接合方法は、前述したスナップ電極のリング部分のみと、基板電極またはＦＰＣの電極とを金を介して超音波接合し、またはハンダ付けにより接合することを特徴とする。スナップ電極のリング部分のみを、基板電極またはＦＰＣの電極に接合することにより、基板電極またはＦＰＣの電極と、バネ電極との間に隙間を作り、ピン電極の挿入に際して、バネ電極の動きをスムーズにすることができる。たとえば、スナップ電極のリング部分のみと基板電極とを接合するには、図５に示すように、スナップ電極５１のリング５１ａと接触する部分に凸部５２ａを有する基板電極５２を用意し、この基板電極５２とスナップ電極５１とを接合する。また、別の例としては、基板電極のうち、スナップ電極のリングと接触する部分にのみハンダ付けをして、両者を接合する。
接合方法としては、高い導電性および十分な接合強度が得られる点で、金を介して超音波接合する方法、または、ハンダ付けにより接合する方法が好ましい。超音波接合法は、固相状態で接触面を加圧しながら超音波により振動を加えて、そのエネルギにより吸着膜などを破壊し、接合する方法であり、短時間で強力な接合が得られる点で好ましい。超音波の振動数は１０ｋＨｚ〜１０００ｋＨｚが好ましく、１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚがより好ましい。１０ｋＨｚより小さいと、吸着層を十分に破壊することが困難となり、１０００ｋＨｚより大きいと、高エネルギとなるため、破損する虞がある。加圧条件は０．０１ＭＰａ〜１００ＭＰａが好ましく、０．０１ＭＰａ〜５０ＭＰａがより好ましい。０．０１ＭＰａより小さいと、接触界面の近傍で塑性変形が起こりにくく、十分な接合強度を得にくい。一方、１００ＭＰａより大きいと、電極が変形し、破損する虞がある。超音波接合に際しては、十分な導電性と接合強度を得るために、スナップ電極および基板電極などの双方を金コートしてから行なうのが好ましい。
（スナップ電極の使用方法）
本発明のスナップ電極の使用方法は、前述したスナップ電極のバネ電極で、挿入実装型パッケージまたはＦＰＣのピン電極を挟み込むことにより、基板またはＦＰＣに接続することを特徴とする。かかる使用方法により、パッケージの着脱が可能であって、かつ高密度接続を実現することができる。
実施例１
まず、図３Ａに示すように、導電性基板３１上にリソグラフィのための樹脂層３２を形成した。導電性基板としては、チタンをスパッタリングしたシリコン基板を用いた。樹脂層を形成するための材料としては、メタクリル酸メチルとメタクリル酸との共重合体を用い、樹脂層の厚さは１００μｍとした。
つぎに、導電性基板３１上にマスク３３を配置し、マスク３３を介してＸ線３４を照射した。Ｘ線としては、ＳＲ装置（ＮＩＪＩ−ＩＩＩ）によりＳＲ光を照射した。マスク３３は、所定のスナップ電極のパターンからなるＸ線吸収層３３ａを有するものを使用した。マスク３３を構成する透光性基材３３ｂは窒化シリコンからなり、Ｘ線吸収層３３ａは窒化タングステンからなるものを用いた。
Ｘ線３４の照射後、メチルイソブチルケトンにより現像し、Ｘ線３４により変質した部分３２ａを除去すると、図３Ｂに示すような樹脂型３２ｂが得られた。つぎに、電鋳を行ない、図３Ｃに示すように、樹脂型３２ｂの空孔部に金属材料３５を堆積した。金属材料としては、ニッケルを用いた。
電鋳後、研磨して表面の凹凸を除去してから、酸素プラズマにより樹脂型３２ｂを除去し（図３Ｄ）、続いてＮａＯＨ水溶液によりウエットエッチングし、導電性基板３１を除去して、図３Ｅに示すような、貫通状態のスナップ電極を得た。
図５に示すように、得られたスナップ電極５１は、断面が円形の筒状のリング５１ａを有し、リング５１ａ内に二つのバネ電極５１ｂを有していた。また、バネ電極５１ｂは、その両端がリング５１ａと連結していた。このリング５１ａは、外径２００μｍ、高さ１００μｍであった。
図５に示すような、スナップ電極５１のリング５１ａに接する部分に凸部５２ａを有する基板電極５２を用意し、スナップ電極５１および基板電極５２にバレルメッキで金コートした後、基板電極５２をプリント基板（図示していない。）に取り付けた。最後に、スナップ電極５１のリング５１ａと、基板電極５２の凸部５２ａとを重ねて、超音波接合（５０ｋＨｚ、３０ＭＰａ）した。同様にして、３０組のスナップ電極と基板電極をプリント基板に取り付けた。
得られたプリント基板に、ピンピッチ２５０μｍのＰＧＡを実装した。実装は、図１Ａに示すように、バネ電極１１ｂにより形成された隙間１４へピン電極１３を矢印の方向に挿入し、ピン電極１３をバネ電極１１ｂで挟み込むようにして行なった。その結果、電気的および機械的接続が得られ、また、ＰＧＡの着脱も可能であった。本実施例では、スナップ電極の外径は２００μｍであったが、外径５０μｍ程度のスナップ電極も製造することができることから、さらに高密度化した実装も可能であることがわかった。
実施例２
図５に示すようなスナップ電極５１の代りに、図１Ｂに示すようなスナップ電極１１とした以外は実施例１と同様にしてプリント基板を製造した。スナップ電極１１は、断面が円形の筒状のリング１１ａを有し、リング１１ａ内に、２つのバネ電極１１ｂを有していた。本実施例のバネ電極１１ｂは、実施例１のバネ電極と異なり、バネ電極１１ｂの１端がリング１１ａに連結していたが、他端はリング１１ａに連結していないため、実施例１のバネ電極と比較して、可動性が大きかった。
得られたプリント基板に、ピンピッチ２５０μｍのＰＧＡを実装した。実装は、図１Ｂに示すように、ピン電極１３をリング１１ａ内に挿入した後、矢印の方向にずらして、バネ電極１１ｂにより形成された隙間１４にまで移動したピン電極１３を、バネ電極１１ｂで挟み込むようにして行なった。その結果、電気的および機械的接続が得られ、また、ＰＧＡの着脱も可能であった。
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
産業上の利用可能性
本発明によれば、パッケージまたはＦＰＣの着脱が可能な高密度接続用電極を提供することができる。この電極は、微小でありながら寸法のバラツキが小さく、組立てを要しない。
【図面の簡単な説明】
図１Ａと図１Ｂは、本発明スナップ電極の使用方法を示す斜視図である。
図２Ａ〜図２Ｌは、本発明のスナップ電極の形状を示す断面図である。
図３Ａ〜図３Ｅと、図４Ａ〜図４Ｇは、本発明のスナップ電極の製造方法を示す工程図である。
図５は、本発明のスナップ電極の接合方法を示す斜視図である。

Claims (6)

1. 断面が円形または多角形の筒状のリング（１１ａ）と、該リング内に該リングに連結する少なくとも一つのバネ電極（１１ｂ）とを有するスナップ電極（１１）であって、挿入実装型パッケージまたはフレキシブルプリント回路の、ピン電極（１３）を前記バネ電極（１１ｂ）で挟み込むことにより、基板またはフレキシブルプリント回路に接続することを特徴とするスナップ電極。
2. 前記スナップ電極（１１）は、ニッケルまたはニッケル合金からなる請求の範囲第１項に記載のスナップ電極。
3. 前記スナップ電極（１１）は、銅または銅合金からなる請求の範囲第１項に記載のスナップ電極。
4. 前記スナップ電極（１１）は、貴金属または導電性ダイヤモンドライクカーボンでコートしている請求の範囲第１項に記載のスナップ電極。
5. 断面が円形または多角形の筒状のリング（１１ａ）と、該リング内に該リングに連結する少なくとも一つのバネ電極（１１ｂ）とを有するスナップ電極（１１）の接合方法であって、スナップ電極（１１）の前記リング部分（１１ａ）のみと、基板電極（１２）またはフレキシブルプリント回路の電極とを金を介して超音波接合し、またはハンダ付けにより接合することを特徴とするスナップ電極の接合方法。
6. 断面が円形または多角形の筒状のリング（１１ａ）と、該リング内に該リングに連結する少なくとも一つのバネ電極（１１ｂ）とを有するスナップ電極（１１）の使用方法であって、挿入実装型パッケージまたはフレキシブルプリント回路の、ピン電極（１３）を前記バネ電極（１１ｂ）で挟み込むことにより、基板またはフレキシブルプリント回路に接続することを特徴とするスナップ電極の使用方法。

Images