KR100730273B1 - 전기 커넥터 - Google Patents

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KR100730273B1
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Abstract

본 발명은 커넥터와 하부 회로 기판의 서로 다른 열팽창 계수의 영향을 감소시키기 위해 제공되는 커넥터에 관한 것이다. 커넥터는 응력 생성이 회피되는 절연 커넥터 하우징을 제공함으로써 장착면을 따라 높은 평면성을 보인다. 커넥터 하우징은 기판에서 최대 변형이 예상되는 지점에 상응하는 가요성 부분을 구체화한다. 하우징은 커넥터의 중심점(NP)으로부터 가장 먼 위치에(예컨대, 모서리 주위에) 노치 또는 슬롯을 갖는다. 이러한 배치에 의해, 하우징의 비틀림 및 뒤틀림을 최소화하기 위해 응력 생성이 회피된다.
하우징, 표면 장착 접촉부, 전기 커넥터, 중립점, 노치

Description

전기 커넥터{ELECTRICAL CONNECTOR}
도1은 종래의 구슬 격자 배열식(BGA) 접속 커넥터의 상부 사시도.
도2는 도1의 BGA 접속 커넥터의 하부 사시도.
도3은 본 발명에 따른 예시적인 BGA 접속 커넥터의 측면도.
도4는 도3의 BGA 접속 커넥터의 사시도.
도5는 도3의 BGA 접속 커넥터의 하부 사시도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 커넥터
12 : 개구
15 : 하우징
25 : 통로
35 : 납땜 구슬
본 발명은 통상 전기 커넥터, 보다 구체적으로는 열 싸이클 및 회로 기판의 변형 또는 뒤틀림 특성을 수용하는 하우징을 갖는 구슬 격자 배열식(ball grid array; BGA) 커넥터에 관한 것이다.
전기 장비, 특히 개인 휴대용 장비의 크기를 줄이기 위한, 그리고 이러한 장비에 추가적 기능을 더하기 위한 추진은 모든 부품, 특히 전기 커넥터의 소형화를 위한 지속적인 추진으로 귀착하였다. 커넥터를 소형화하기 위한 노력은 상대적으로 많은 개수의 I/O 라인 또는 다른 라인을 수납 커넥터에 할당된 회로 기판에 조밀하게 제한된 영역 내에 맞출 수 있는 커넥터에 의해 상호 연결되도록 단일 또는 복수 열의 직선형 커넥터의 단자 사이의 피치를 감소시키는 것을 포함한다.
소형화를 위한 추진은 회로 기판 위에 부품 장착을 위한 표면 장착 기술(SMT; surface mount technique)에 대한 선호도의 변화를 수반한다. SMT 사용의 증가와 직선형 커넥터에 요구되는 미세한 피치의 만남은 높은 용량 및 낮은 비용의 작동을 위한 SMT의 한계에 접근하게 되었다. 단자의 피치를 감소시키는 것은 납땜 페이스트(solder paste)의 리플로(reflow) 중에 인접한 납땜 패드들 또는 단자들이 브리지되는 위험을 증가시킨다. 증가한 I/O 밀도의 필요성을 충족시키기 위해, 커넥터 정렬이 제안되어 왔다. 이러한 커넥터는 절연 기판 위에 장착되는 단부의 2차원적인 정렬을 갖고 증가된 밀도를 제공할 수 있다. 그러나, 이러한 커넥터들은 단자들의 전부는 아니더라도 대부분의 표면 장착 미부가 커넥터 몸체의 아래에 위치해야 하므로 SMT 기술에 의해 회로 기판에 부착하는 것에 비해 일정한 어려움이 있다. 결과적으로, 사용된 장착 기술은 결점이 있어서 수리하기 위해 납땜 연결을 육안으로 관찰하기가 어려우므로 매우 신뢰성이 있어야 한다.
집적 회로(IC)를 플라스틱 또는 세라믹 기판에 장착함에 있어서, 구슬 격자 배열(BGA) 및 다른 유사한 패키지의 사용은 일반적이 되었다. BGA 패키지에서는, IC 패키지에 부착된 둥근 납땜 구슬은 전형적으로 스크린 또는 마스크를 사용해서 납땜 페이스트의 층이 가해지는 회로 기판의 전기 접촉부 패드 위에 위치한다. 그 후, 유닛은 납땜 페이스트와 납땜 구슬의 적어도 일부분 또는 전부가 회로 기판 위에 형성되는 하부의 전도성 패드에 용융 및 융합되는 온도까지 가열된다. 따라서, IC는 IC 위의 외부 리드(lead)의 필요 없이 기판에 연결된다.
IC를 기판에 연결하는 데에 BGA 및 유사한 시스템의 이용은 많은 장점을 갖는 반면, 전기 커넥터 또는 유사한 부품을 인쇄 배선 기판(PWB) 또는 다른 기판에 장착하기 위한 대응 수단이 아직 개발되지 않았다. 대부분의 경우에 마지막 적용 단계에서 구슬이 평평한 인쇄 회로 기판에 고르게 리플로 및 납땜되기 위해 납땜 구슬의 기판 연결 표면은 실질적으로 평평한 장착 표면을 형성하도록 평면인 것이 중요하다. 주어진 기판 위에서 납땜의 평면성의 어떠한 현저한 차이도 커넥터가 인쇄 회로 기판 위로 리플로될 때 불충분한 납땜 성능을 유발할 수 있다.
커넥터를 기판에 납땜함에 있어서 다른 문제점은 예컨대, 커넥터는 종종 복수의 공동을 보유하는 상대적으로 복잡한 모양의 절연 하우징을 가진다는 것이다. 이러한 하우징의 잔류 응력은 성형 과정, 접촉부 삽입의 결과인 응력 생성, 또는 양쪽의 복합적인 결과일 수 있다. 이러한 하우징은 최초로부터, 또는 납땜 구슬을 리플로하기 위해 필요한 온도와 같이 SMT 공정에서 필요한 온도까지 가열한 직후에 비틀리거나 뒤틀릴 수 있다. 하우징의 이러한 비틀림 또는 뒤틀림은 커넥터 조립체와 PWB 사이에 불일치을 유발하여 신뢰성 없는 납땜이 발생한다. 납땜 구슬과 같은 표면 장착 요소가 납땜 전에 납땜 페이스트와 충분히 접하지 않거나 PWB와 인접하지 않기 때문이다.
BGA 패키지의 한 가지 단점은 커넥터 하우징에 사용된 재료의 열 팽창 계수(CTE)가 PWB의 열 팽창 계수와 매우 다르다는 점이다. 이러한 상이한 열 팽창 계수들은 납땜 이음과 와이어 본드에 응력을 유발하여 패키지에 연결되어야 하는 PWB들 또는 IC 칩들 및 칩 케리어들의 변형 및 비틀림을 유도하여 전기적 연결의 성능과 신뢰성에 영향을 준다. 온도 변화 도중 열 팽창 계수의 불일치에 의해 발생된 차등 변위가 커질수록, 시스템의 전기적 일체성에 관한 우려는 더 커진다.
BGA 패키지는 처리, 실험 및 납땜 중에 높은 열을 받는다. 따라서, 패키지가 신뢰성 있는 전기적 접속을 방지하거나 저하시키지 않고서도 높은 온도를 견딜 수 있어야 한다는 것이 중요하다. 따라서, 표면 장착 기술에 의해 높은 밀도의 전기 커넥터를 기판에 신뢰성 있게 그리고 효과적으로 장착할 필요성이 있다.
본 발명은 커넥터 및 그 하부의 회로 기판의 열 팽창 계수의 차이의 영향을 감소시키기 위한 커넥터에 관한 것이다. 본 발명에 따른 커넥터는 공지된 회로 기판과 같은 것에 장착될 수 있고 전기 부품 또는 정합 커넥터를 수납한다. 본 발명은 양호하게는 구슬 격자 배열식(BGA) 표면 장착 기술을 사용한다.
본 발명에 따른 전기 커넥터는 SMT 기술에 의해 회로 기판으로의 높은 I/O 밀도와 신뢰성 있는 부착을 제공한다. 이러한 커넥터들은 장착면을 따라서 높은 평면성을 보인다. 커넥터의 장착면의 표면의 평면성은 응력 생성을 피할 수 있는 절연 커넥터 하우징을 제공함으로써 유지될 수 있다. 본 발명은 응력 생성을 유발할 수도 있는 열 싸이클에 의한 변형 또는 비틀림을 수용한다. 본원의 커넥터는 최대 변형이 예상되는 영역에 대응하는 가요성 부분(강성이 감소된 영역)을 구체화하는 커넥터 하우징을 제공함으로써 응력 생성을 피한다. 본 발명의 이러한 태양에 따르면, 커넥터의 중립점(NP)으로부터 최대 이격한 지점에(모서리 주변에) 노치 또는 슬롯을 갖는다. 이러한 배치에 의하여, 하우징의 비틀림과 뒤틀림을 최소화하도록 응력 생성을 피할 수 있다.
본 발명의 전기 커넥터는 융합 가능한 전기적 전도성 재료에 의해 하나 이상의 단자가 기판에 연결 가능한 커넥터이다. 이러한 융합 가능한 전기적 전도성 재료는 단자와 회로 기판 사이에 주요 전류 통로를 제공하기 위해 리플로될 수 있는, 양호하게는 납땜 구슬을 구성하는 납땜 질량체(solder mass)이다.
본 발명의 상술한 태양 그리고 다른 태양은 첨부 도면을 참조하여 후속의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
통상적으로, 본 발명은 일 예로서, 구슬 격자 배열(BGA) 기술을 사용하여 회로 기판에 양호하게 표면 장착되는 전기 커넥터를 제공한다. 본 발명에 따르면, 커넥터의 하우징은 PWB, PCB 또는 반도체 칩과 같은 기판에 장착 또는 적층시 비틀림을 방지하기 위해 하우징 위의 선택된 위치에 슬롯 또는 다른 모양의 형상을 갖는다.
BGA 커넥터와 같은 종래의 접속 커넥터의 사시도가 도1에 도시되어 있다. 도2는 예시적인 접속 커넥터의 하부 사시도이다. BGA 패키지(10)는 적절한 유전 재료로 제조된 하우징(15)를 포함한다. 복수의 접촉점(11)은 기판의 하부 표면에 인접한 일 단부와 함께 하우징을 통해 연장한다. 접촉부는 구리 합금과 같은 전기 전도성 재료로 구성된다. 납땜 구슬과 같은 융합 가능한 요소(35)는 접촉부의 표면으로 융합하여 적어도 부분적으로 하우징(15)의 하부의 구멍(40) 안에 위치한다. 전도성 납땜 구슬(35)은 리플로 공정 중에 접촉부로 야금학적으로 습착한다. 보다 구체적으로는, 플럭스가 접촉부 및/또는 구멍(40)에 가해진다. 그 후, 둥근 납땜 구슬(35)들은 페이스트에 잠시 위치한다. 그 후, 조립품은 리플로 로(furnace; 도시되지 않음)에 삽입되어 가열된다. 이것은 구슬(35) 및 납땜 페이스트가 그들의 각각의 접촉부 표면 위로 젖어 녹아서 통상 둥근 모양이 되게 한다. 전도성 납땜 구슬(35)들은 대개 1.0 내지 1.8㎜ 정도일 수 있는 피치로 이격한다. 본원에서 참조 문헌으로 인용된 국제 공개 번호 제WO98/15989호(국제 출원 번호 제PCT/US97/18056호)는 납땜 구슬을 접촉부 및/또는 회로 기판에 고정시키는 수단을 보다 상세히 기술하고 있다. 접촉부는 커넥터의 하우징 위에서 일련의 행 및 열을 형성한다. 접촉부에 융합될 때, 납땜 구슬은 양호하게는 모두 동일한 높이를 갖는다. 이것은 하부의 인쇄 배선 기판(PWB)과의 적절한 연결을 보장한다.
예컨대, 완전히 용융하여 재응고하는 완전 유동 납땜 또는 심지어 부분적으로 리플로하는 납땜으로 형성된 임의의 구슬도 사용될 수 있다. 예들은 63-37 공융(eutetic)의 주석 비스무쓰와 183℃ 범위의 온도에서 리플로하는 다른 신규한 납땜들이다. 본원에서 사용되는 납땜 리플로 공정은 통상 납땜 구슬(35)을 225℃ 내 지 240℃까지 가열한다.
전도성 납땜 구슬(35)은 하부의 조립품 또는 납땜 구슬(35)을 접촉부로 융합시키는 동일한 납땜 리플로 공정이나 후속하는 리플로 공정을 사용하는 PWB에 연결된다. PWB는 동일한 패턴으로 배열된 복수의 접촉부 패드를 갖는다. 전도성 납땜 구슬(35)은 납땜 이음을 형성하기 위해 접촉부 패드에 연결된다. 장착 공정 후에, 납땜 이음은 납땜의 크기와 습한 지역에 의해 한정되는 평평한 원형 모양을 취한다. 기판의 하부 표면 상의 전도성 납땜 구슬(35)의 개수와 배열은 입력/출력부(I/O), 동력부 및 접지 연결부를 포함한 회로 요구 사항에 달려 있다.
보다 구체적으로는, BGA 조립체(10)는 전도성 패드의 배열을 그 위에 갖는 미리 제작된 회로 기판에 연결된다. 납땜 페이스트는 회로 기판 패드 위로 [스텐슬(stencil) 및 스퀴이즈(squeeze)를 사용하여] 스크린된다. 배치 기계(도시되지 않음)는 조립체(10)를 납땜 페이스트의 상부 위로 배치하고, 최종 구조는 리플로 로(역시 도시되지 않음) 내에서 가열된다. 그 후, 구슬(35)은 회로 기판 패드 위로 리플로한다.
하우징은 접촉부가 그 안으로 삽입될 수 있는 복수의 통로(25)를 포함한다. 통로(25)는 양호하게는 리플로 때까지 접촉부를 마찰적으로 보유한다. 이러한 방법으로, 접촉부는 BGA 장착 기술을 사용하여 BGA 패키지가 궁극적으로 연결되는 하부의 PWB에 전기적으로 연결된다. 따라서, 커넥터는 예컨대 기판 대 기판의 상호 연결을 제공한다.
커넥터(10)는 정합 커넥터(도시되지 않음)의 안내에 도움을 주기 위해 커넥 터의 주위로 배치된 벽부를 갖는다. 벽부는 정합 부품과의 올바른 연결을 보장하기 위해 적절한 키 구조(keying feature; 도시되지 않음)를 갖을 수 있다.
PWB들과 같은 기판과 커넥터(10)의 열팽창 계수의 다양성 및 융합 가능한 요소(35)들의 평면성은 큰 규모 배열의 커넥터에 있어서 2가지 중요한 고려 사항이다. 열 팽창 계수의 차이는 커넥터(10)와 PWB 또는 기판을 연결하는 납땜 조인트 쪽으로 응력을 줄 수 있다. 솔더 조인트의 응력은 잠재적으로 커넥터(10)의 열 신뢰성을 감소시킨다. 또한, 열 팽창 계수의 차이는 커넥터(10)를 뒤틀 수 있다. 커넥터 뒤틀림은 잠재적으로 정합 커넥터를 오정렬하여 요구되는 최대 삽입력을 증가시킨다. 또한, 커넥터 뒤틀림은 커넥터를 기판에 연결하는 융합 가능한 요소(35)의 평면성에도 영향을 준다.
본 발명에 따르면, 커넥터의 중립점(NP)으로부터 가장 먼 위치는 납땜 조인트에 손상을 줄 수도 있는 응력을 흡수하기 위한 영역을 허용하도록 개량되었다. 다시 말하면, 하우징은 강하지 않아서 손쉽게 굴곡된다. 이것은 납땜 조인트의 응력을 줄여서 뒤틀림을 수용한다. 전형적으로, 하우징(15)의 모서리는 중립점으로의 최대 거리(DNP)를 구성한다. 이러한 조절은 하우징의 노치 영역과 관련될 수 있다.
도3은 본 발명에 따른 예시적인 BGA 접속 커넥터의 측면도이고, 도4는 도3의 BGA 접속 커넥터의 사시도이고, 도5는 도3의 BGA 접속 커넥터의 하부 사시도이다. 하우징(15)은 (전형적으로 회로 기판에 수직한) 소정의 축들을 따라 하우징(15)에 가요성을 허용하기 위해, 측벽의 소정의 지점에 위치한 개구(12)를 가진다. 결과 적으로, 커넥터(10)와 그 장착 기판(하부의 PWB와 같은) 사이의 납땜 조인트의 응력의 감소가 발생한다. 따라서, 열 싸이클 도중에, PWB 기판과 커넥터(10)의 열 팽창 계수의 차이의 영향은 최소화된다. 또한, 접촉부의 평면성도 개선된다. 하우징(15)의 개구(12) 근처의 지역은 굴곡되므로, 양호하게는 하우징(15)의 이러한 위치에 인접하여 접촉부가 배치되지 않는다.
하우징(15)의 프레임의 재료의 두절(disruption)은 소정의 효과를 주기 위해 프레임 상에서 임의의 모양으로, 임의의 위치에서 일어날 수 있음을 주목해야 한다.
본 발명은 커넥터 하우징에 슬롯 또는 노치를 제공함으로써 열 팽창 계수의 불일치 영향을 해결한다. 따라서, 본 발명은 신뢰성 상실 구조, 즉 열 팽창 계수 불일치를 해결한다.
본 발명은 BGA들에 관해 기술되었지만, μBGA 및 다른 작은 규모의 격자 배열(CSGA)식 패키지와 같은 다른 패키지, 플립 칩(flip chip) 및 C4형 커넥션이 또한 본 발명에서 사용될 수 있다.
본원에서 특정한 구체적인 실시예에 관하여 예시되고 기술되었지만, 본 발명은 제시된 상세한 사항들에 한정되지 않는다. 오히려, 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 한 청구 범위와 동등한 범위 및 영역 내에서 다양한 변형예가 제작될 수 있다.
본 발명은 커넥터 및 그 하부의 회로 기판의 열 팽창 계수의 차이의 영향을 감소시키기 위한 커넥터를 제공한다.

Claims (15)

  1. 접촉 수납 통로 위로 돌출되어 이를 둘러싸고 둘레의 모서리를 갖는 벽부를 포함하는 하우징과,
    열을 사용하는 리플로 공정을 통해 기판과 상기 하우징을 연결시키는 복수의 표면 장착 접촉부와,
    리플로 공정에 의한 열로 인해 응력이 발생되는 하우징의 상기 벽부에 있는 강성이 감소된 영역들을 포함하며,
    상기 각각의 강성이 감소된 영역들은 하우징의 표면에 대해 수직으로 연장되고 벽부의 내측면으로부터 외측면으로 하우징의 상기 벽부의 말단부를 통해 연장된 상기 하우징의 제거된 부분을 포함하여, 상기 강성이 감소된 영역들은 상기 복수의 표면 장착 접촉부가 리플로 공정 동안 그리고 리플로 공정 후에 양호한 평면성을 유지하도록 기여하는 전기 커넥터.
  2. 제1항에 있어서, 하우징 내의 강성이 감소된 영역은 커넥터의 중립점으로부터 가장 먼 지점에 위치하는 것을 특징으로 하는 전기 커넥터.
  3. 제1항에 있어서, 강성이 감소된 영역의 각각은 노치 및 슬롯 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 커넥터.
  4. 제1항에 있어서, 강성이 감소된 영역은 응력을 흡수하고 뒤틀림을 수용하도록 배치된 것을 특징으로 하는 전기 커넥터.
  5. 제1항에 있어서, 하우징은 유전 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 커넥터.
  6. 제1항에 있어서, 표면 장착 접촉부는 납땜 구슬을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 커넥터.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 복수의 표면 장착부를 가지는 전기 커넥터 하우징의 강성을 감소시키는 방법이며,
    복수의 표면 장착 접촉부가 기판과 상기 하우징을 연결시키는 열을 사용하는 리플로 공정 동안에, 응력이 발생될 수 있는 상기 하우징의 지점을 결정하는 단계와,
    상기 지점의 하우징 표면에 대해 수직으로 연장되는 하우징의 부분을 제거하는 단계를 포함하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 지점은 중립점으로부터 가장 먼 것을 특징으로하는 전기 커넥터 하우징의 강성을 감소시키는 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 지점은 응력을 흡수하고 뒤틀림을 수용하도록 위치하는 것을 특징으로 하는 전기 커넥터 하우징의 강성을 감소시키는 방법.
  15. 제12항에 있어서, 상기 하우징의 제거된 부분은 슬롯 또는 노치 중 하나인 것을 특징으로 하는 전기 커넥터 하우징의 강성을 감소시키는 방법.
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