DE69530103T2

DE69530103T2 - Verbindungselemente für mikroelektronische komponenten

Info

Publication number: DE69530103T2
Application number: DE69530103T
Authority: DE
Inventors: Y. Khandros; L. Mathieu
Original assignee: FormFactor Inc
Current assignee: FormFactor Inc
Priority date: 1994-11-15
Filing date: 1995-11-13
Publication date: 2003-12-11
Anticipated expiration: 2015-11-14
Also published as: CN1171167A; JP2006084475A; JP4160693B2; AU4160096A; DE69535629T2; AU4283996A; KR20060087616A; JPH09508241A; JP2008034861A; JP3157134B2; KR100324059B1; EP1198001A2; JP2000067953A; KR100278093B1; WO1996016440A1; CN1118099C; DE69533336D1; JP2007329491A; JP4160809B2; EP1447846A3

Description

Die Erfindung betrifft die Herstellung einer Zwischenlage für Verbindungen zwischen elektronischen Bauteilen, insbesondere mikroelektronischen Bauteilen und insbesondere Verbindungselemente, die durch Ausbilden einer Materialschicht, dann Überziehen zur Herstellung von elastischen Verbindungselementen hergestellt werden.
Elektronische Bauteile, insbesondere mikroelektronische Bauteile wie z. B. Halbleiterbauelemente (Chips) weisen häufig eine Vielzahl von Anschlüssen (auch als Bondkontaktstellen, Elektroden oder leitende Flächen bezeichnet) auf. Um solche Bauelemente zu einem brauchbaren System (oder Untersystem) zusammenzusetzen, müssen eine Anzahl von einzelnen Bauelementen elektrisch miteinander verbunden werden, typischerweise durch die Vermittlung einer Leiterplatte (oder Schaltungsplatte) (PCB, PWB).
Im Allgemeinen ist eine "Zwischenlage", wie hierin verwendet, ein Substrat mit Kontakten auf zwei entgegengesetzten Oberflächen desselben, welches zwischen zwei elektronischen Bauteilen angeordnet wird, um die zwei elektronischen Bauteile miteinander zu verbinden. Häufig ist es erwünscht, dass die Zwischenlage ermöglicht, dass zumindest eines der zwei miteinander verbundenen elektronischen Bauteile entfernt wird (z. B. zum Austausch, Aufrüsten und dergleichen).
Im Allgemeinen können Verbindungen zwischen elektronischen Bauteilen in die zwei breiten Kategorien von "relativ permanent" und "leicht demontierbar" klassifiziert werden.
Ein Beispiel einer "relativ permanenten" Verbindung ist eine Lötverbindung. Sobald zwei Bauteile aneinander gelötet sind, muss ein Loslötprozess verwendet werden, um die Bauteile zu trennen. Drahtbonden ist ein weiteres Beispiel einer "relativ permanenten" Verbindung.
Ein Beispiel einer "leicht demontierbaren" Verbindung sind starre Stifte eines elektronischen Bauteils, die von elastischen Buchsenelementen eines anderen elektronischen Bauteils aufgenommen werden. Die Buchsenelemente üben eine Kontaktkraft (Druck) auf die Stifte in einem Ausmaß aus, das ausreicht, um eine zuverlässige elektrische Verbindung zwischen diesen sicherzustellen. Verbindungselemente, die einen Druckkontakt mit einem elektronischen Bauteil herstellen sollen, werden hierin als "Federn" oder "Federelemente" bezeichnet.
Federelemente sind gut bekannt und erscheinen in einer Vielzahl von Formen und Größen. In der heutigen Mikroelektronikumgebung besteht ein tiefgehender Bedarf für alle Verbindungselemente, einschließlich Federn, immer kleiner zu werden, damit eine große Vielzahl solcher Verbindungselemente in einer kleinen Fläche angeordnet werden kann, um eine hohe Dichte von Verbindungen mit elektronischen Bauteilen zu bewirken.
Verfahren des Standes der Technik zur Herstellung von Federelementen beinhalten im Allgemeinen das Prägen (Stanzen) oder Ätzen eines Federmaterials wie z. B. Phosphorbronze oder Berylliumkupfer oder Stahl oder einer Legierung aus Nickel-Eisen-Kobalt (z. B. Kovar), um einzelne Federelemente auszubilden, das Formen der Federelemente, so dass sie eine Federform aufweisen (z. B. bogenförmig usw.), das Plattieren der Federelemente mit einem guten Kontaktmaterial (z. B. einem Edelmetall wie z. B. Gold, das einen niedrigen Kontaktwiderstand aufweist, wenn es mit einem ähnlichen Material in Kontakt steht), und das Formen einer Vielzahl von solchen geformten, plattierten Federelementen zu einem linearen, Umfangs- oder Matrixmuster. Wenn Gold auf die vorstehend erwähnten Materialien plattiert wird, ist manchmal eine dünne, beispielsweise 30-50 Mikroinch (wobei ein Mikroinch = 0,0254 um), Sperrschicht aus Nickel geeignet.
Verschiedene Probleme und Begrenzungen wohnen solchen Verfahren zur Herstellung von Federelementen inne.
Diese Prozesse sind beispielsweise begrenzt, wenn die Anwendungen verlangen, dass eine Vielzahl von Federn (Verbindungselementen) in einem feinen (z. B. 10 mil, wobei 1 mil = 25,4 um) Rastermaß angeordnet werden. Ein solches feines Rastermaß verlangt von Natur aus, dass jede Feder wesentlich kleiner (z. B. 3 mil) bemessen wird (d. h. im Querschnitt) als das Rastermaß. Eine Austanzfläche muss untergebracht werden und begrenzt, wie viel Material übriggelassen wird, um Federn auszubilden. Obwohl es relativ unkompliziert sein kann, Federn so klein wie 1 mil auszustanzen, erlegen solche kleinen Größen der Kontaktkraft, die zuverlässig durch die Federn ausgeübt werden kann, bestenfalls Begrenzungen auf. Dies ist im Zusammenhang mit der Fertigung von Flächenmatrizes von Federn besonders schmerzlich.
Im Allgemeinen ist eine bestimmte minimale Kontaktkraft erwünscht, um einen zuverlässigen Druckkontakt mit elektronischen Bauteilen (z. B. mit Anschlüssen an elektronischen Bauteilen) zu bewirken. Eine Kontakt- (Last-) Kraft von ungefähr 15 Gramm (einschließlich nicht mehr als 2 Gramm oder weniger und nicht weniger als 150 Gramm oder mehr pro Kontakt) kann beispielsweise erwünscht sein, um sicherzustellen, dass eine zuverlässige elektrische Verbindung mit einem Anschluss eines elektronischen Bauteils hergestellt wird, das mit Filmen auf seiner Oberfläche verunreinigt sein kann oder das Korrosions- oder Oxidationsprodukte auf seiner Oberfläche aufweist. Die minimale Kontaktkraft, die für jede Feder erforderlich ist, verlangt, entweder dass die Dehngrenze des Federmaterials oder dass die Größe des Federelements erhöht wird. Als allgemeine Aussage gilt, je höher die Dehngrenze eines Materials ist, desto schwieriger ist es zu bearbeiten (z. B. stanzen, biegen usw.). Und der Wunsch, Federn kleiner zu machen, schließt es im Wesentlichen aus, deren Querschnitt größer zu machen.
Eine weitere Begrenzung, die Verbindungselementen des Standes der Technik anhaftet, besteht darin, dass, wenn harte Materialien (wie sie z. B. zur Herstellung von Federn verwendet werden würden) verwendet werden, relativ "feindliche" (z. B. hohe Temperatur) Prozesse wie z. B. Hartlöten erforderlich sind, um die Verbindungselemente an Anschlüssen eines elektronischen Bauteils zu montieren. Es ist beispielsweise bekannt, starre Stifte an relativ "haltbare" Halbleitergehäuse hartzulöten. Solche "feindlichen" Prozesse sind im Zusammenhang mit bestimmten relativ "zerbrechlichen" elektronischen Bauteilen wie z. B. Halbleiterbauelementen im Allgemeinen nicht erwünscht (und häufig nicht brauchbar). Im Gegensatz dazu ist Drahtbonden ein Beispiel von relativ "freundlichen" Prozessen, das zerbrechliche elektronische Bauteile viel weniger potentiell beschädigt als Hartlöten. Weichlöten ist ein weiteres Beispiel eines relativ "freundlichen" Prozesses.
Ein weiteres Problem, das mit dem Montieren von Federn an elektronischen Bauteilen verbunden ist, ist zum größten Teil mechanischer Art. In Fällen, in denen eine Feder an einem Ende an einem Substrat (das für Zwecke dieser Aussage als unbewegliches Objekt betrachtet wird) montiert wird und Kräften entgegenwirken muss, die an ihrem freien Ende aufgebracht werden, ist die "schwache Bindung" (schwächster Punkt bei der Verwendung) häufig der Punkt, an dem die Feder (z. B. wird die Basis der Feder gebondet) an dem Substrat (z. B. Anschluss eines elektronischen Bauteils) befestigt ist. Dies berücksichtigt zumindest teilweise die Anforderung, "feindliche" Prozesse (z. B. Hartlöten) zu verwenden, um die Federn am Substrat zu montieren.
Ein weiteres subtiles Problem, das mit Verbindungselementen, einschließlich Federkontakten, verbunden ist, besteht darin, dass häufig die Anschlüsse eines elektronischen Bauteils nicht perfekt koplanar sind. Verbindungselemente, denen es an einem gewissen damit integrierten Mechanismus fehlt, um sich auf diese "Toleranzen" (grobe Nicht-Planaritäten) einzustellen, werden schwer gepresst, um einen Kontakt mit konsistentem Kontaktdruck mit den Anschlüssen des elektronischen Bauteils herzustellen.
DE-A-23 54 256 offenbart ein Halbleiter-Drahtbondverfahren, bei dem beim Bonden der Draht durch Abscheiden eines geeigneten Materials mechanisch verstärkt wird.
FR-A-2 680 284 offenbart eine Verbindungsvorrichtung, die Verbindungen mit sehr kleinem Rastermaß realisieren kann. Ein Verbindungselement umfasst eine Vielzahl von Leitern, die parallel angeordnet sind. Beide Enden jedes Leiters werden mit der Oberfläche eines Substrats verdrahtet, so dass jeder Leiter eine Halbschleife bildet. Der elektrische Kontakt zwischen dem Verbindungselement und der zu verbindenden Schaltung wird durch einen elastischen Kontakt zwischen den Leitern des Verbindungselements und den Kontaktstellen der Schaltung hergestellt.
DE-A-31 29 568, die den nächsten Stand der Technik, darstellt, offenbart ein Verbindungssystem, bei dem ein Anschluss eines Halbleiterbauelements mit einem Anschluss eines Substrats durch ein elastisches Verbindungselement durch Löten verbunden wird. Das elastische Element kann eine Spannung absorbieren, die zwischen dem Anschluss des Halbleiterbauelements und dem Anschluss des Substrats erzeugt wird.
EP-A-0 396 248 offenbart einen elektrischen Stift mit einem elektrisch leitenden Stiftelement und elektrisch leitenden Kopfelementen an beiden Stirnflächen des Stiftelements. Diese Miniaturstifte eignen sich besonders zum direkten Verbinden von Chipbauelementen und Gehäusesubstraten.
US-A-5 299 939 offenbart einen Federmatrix- Verbindungsstecker mit einem ersten Matrix- Federverbindungsstecker und einem zweiten Matrix- Federverbindungsstecker. Jeder Verbindungsstecker umfasst eine Vielzahl von Federn, die mit einer gesamten elektrischen Schicht bedeckt sind.
US-A-5 317 479 offenbart einen gekrümmten Leiter, der eine mechanische und elektrische Verbindung zwischen einem Chipkontakt und einer Leiterplatte vorsieht, wobei der gekrümmte Leiter aus einem einzelnen Streifen aus leitendem Metallmaterial ausgebildet ist und im Wesentlichen vollständig mit Lötmittel plattiert ist. Der gekrümmte Leiter ist im Allgemeinen 5-förmig oder Z-förmig und weist eine erste und eine zweite parallele Kontaktfläche auf, die angeordnet sind, um den Chipkontakt an der Leiterplatte mit dem Lötmittel in einer nachgiebigen und im Allgemeinen parallelen Anordnung, die im Wesentlichen frei von Spannung ist, zu montieren.
Die folgenden US-Patente werden als interessant angeführt: 5 386 344; 5 336 380; 5 317 479; 5 086 337; 5 067 007; 4 989 069; 4 893 172; 4 793 814; 4 777 564; 4 764 848; 4 667 219; 4 642 889; 4 330 165; 4 295 700; 4 067 104; 3 795 037; 3 616 532; und 3 509 270.
Die Erfindung ist in Anspruch 1 definiert. Spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 14 dargelegt.
Wie in dieser Anmeldung verwendet, bezieht sich der Begriff "Federform" auf theoretisch eine beliebige Form eines länglichen Elements, die eine elastische (Rückstell-) Bewegung eines Endes (Spitze) des länglichen Elements bezüglich einer auf die Spitze aufgebrachten Kraft zeigt. Dies umfasst längliche Elemente, die so geformt sind, dass sie ein oder mehrere Biegungen aufweisen, sowie im Wesentlichen gerade längliche Elemente.
Die Zungen werden vor dem Montieren an einem elektronischen Bauteil geformt.
In der Erfindung bestehen die Zungen aus "weichem" Material mit einer relativ niedrigen Dehngrenze, und werden mit einem "harten" Material mit einer relativ hohen Dehngrenze überzogen. Ein weiches Material wie z. B. Gold wird beispielsweise (z. B. durch elektrochemisches Plattieren) mit einem harten Material wie z. B. Nickel und seinen Legierungen überzogen.
Im Allgemeinen wird in der gesamten hierin dargelegten Beschreibung der Begriff "Plattieren" als beispielhaft für eine Anzahl von Verfahren zum Überziehen der Zungen verwendet. Es liegt innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung, dass die Zungen durch ein beliebiges geeignetes Verfahren überzogen werden können, einschließlich, jedoch nicht begrenzt auf: verschiedene Prozesse, die die Abscheidung von Materialien aus wässerigen Lösungen beinhalten; elektrolytisches Plattieren; stromloses Plattieren; chemische Gasphasenabscheidung (CVD); physikalische Gasphasenabscheidung (PVD); Prozesse, die den Zerfall von Flüssigkeiten, Feststoffen oder Gasen bewirken; und dergleichen, wobei alle diese Verfahren zum Abscheiden von Materialien im Allgemeinen gut bekannt sind.
Im Allgemeinen sind zum Überziehen der Zungen mit einem Metallmaterial wie z. B. Nickel elektrochemische Prozesse bevorzugt, insbesondere stromloses Plattieren.
Weiche Materialien wie z. B. Gold, die sich leicht an Halbleiterbauelementen befestigen lassen, mangelt es im Allgemeinen an ausreichend Elastizität, um als Federn zu wirken. (Solche weichen Metallmaterialien zeigen hauptsächlich vielmehr eine plastische als elastische Verformung.) Andere weiche Materialien, die sich leicht an Halbleiterbauelementen befestigen lassen können und geeignete Elastizität besitzen, die jedoch nicht der vorliegenden Erfindung entsprechen, sind häufig elektrisch nicht-leitendend, wie im Fall der meisten Elastomermaterialien. In beiden Fällen können dem resultierenden Verbundverbindungselement gewünschte strukturelle und elektrische Eigenschaften durch den über den Kern aufgebrachten Überzug verliehen werden. Das resultierende Verbundverbindungselement kann sehr klein gemacht werden und kann dennoch geeignete Kontaktkräfte aufweisen. Überdies können eine Vielzahl von solchen Verbundverbindungselementen in einem feinen Rastermaß (z. B. 10 mils) angeordnet werden, selbst wenn sie eine Länge (z. B. 100 mils) aufweisen, die viel größer ist als das Rastermaß.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden angesichts der folgenden Beschreibung derselben ersichtlich.
Nun wird im einzelnen auf bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung Bezug genommen, von welchen Beispiele in den zugehörigen Zeichnungen dargestellt sind. Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit diesen bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben wird, sollte es selbstverständlich sein, dass keine Absicht besteht, den Schutzbereich der Erfindung auf diese speziellen Ausführungsbeispiele zu begrenzen.
Fig. 1A ist eine Draufsicht auf eine weiche Metallfolie in einem Vorschritt zur Herstellung einer Zwischenlage gemäß der Erfindung.
Fig. 1B ist eine Querschnittsansicht der weichen Metallfolie von Fig. 1A in einem anschließenden Prozessschritt gemäß der Erfindung.
Fig. 1C ist eine perspektivische Ansicht der weichen Metallfolie von Fig. 1A in einem anschließenden Prozessschritt gemäß der Erfindung.
Fig. 1D ist eine perspektivische Ansicht der weichen Metallfolie von Fig. 1A in einem anschließenden Prozessschritt bei der Verwendung als Zwischenlage zwischen zwei elektronischen Bauteilen gemäß der Erfindung.
Fig. 2A ist eine Draufsicht auf eine weiche Metallfolie in einem Vorschritt zur Herstellung einer Zwischenlage gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 2B ist eine perspektivische Ansicht der weichen Metallfolie von Fig. 2A in einem anschließenden Prozessschritt gemäß der Erfindung.
Fig. 2C ist eine perspektivische Ansicht der weichen Metallfolie von Fig. 2A in einem anschließenden Prozessschritt gemäß der Erfindung.
Fig. 2D ist eine perspektivische Ansicht der weichen Metallfolie von Fig. 2A in einem anschließenden Prozessschritt zur Verwendung als Zwischenlage zwischen zwei elektronischen Bauteilen gemäß der Erfindung.
Fig. 3A ist eine Draufsicht auf eine weiche Metallfolie in einem Vorschritt bei der Herstellung einer Zwischenlage gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 3B ist eine perspektivische Ansicht der weichen Metallfolie von Fig. 3A in einem anschließenden Prozessschritt gemäß der Erfindung.
Fig. 3C ist eine perspektivische Ansicht der weichen Metallfolie von Fig. 3A in einem anschließenden Prozessschritt gemäß der Erfindung.
Fig. 3D ist eine perspektivische Ansicht der weichen Metallfolie von Fig. 3A in einem anschließenden Prozessschritt bei der Verwendung als Zwischenlage zwischen zwei elektronischen Bauteilen gemäß der Erfindung.
Fig. 4A ist eine Querschnittsansicht eines Verfahrens, das sich zur Herstellung von einzelnen Verbindungselementen besonders gut eignet.
Fig. 4B ist eine Querschnittsansicht eines weiteren Verfahrens, das sich zur Herstellung von einzelnen Verbindungselementen besonders gut eignet.
Die Offenbarung von US-Patent 5 476 211 ist ein nützlicher Hintergrund für die vorliegende Erfindung.
Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein Verbundverbindungselement durch Beginnen mit einem ersten Material, dann Überziehen des ersten Materials mit einem geeigneten zweiten Material, um die mechanischen Eigenschaften des resultierenden Verbundverbindungselements herzustellen, ausgebildet werden kann. In dieser Weise kann ein elastisches Verbindungselement (Federelement) hergestellt werden, wobei mit einem Kern aus weichem Material begonnen wird, der sich leicht zu einer federnden Form formen lässt und der sich leicht an auch den zerbrechlichsten elektronischen Bauteilen befestigen lässt. Angesichts von Verfahren des Standes der Technik zum Ausbilden von Federelementen aus harten Materialien, ist es nicht leicht ersichtlich und ist wohl gegenintuitiv, dass weiche Materialien die Basis von Federelementen bilden können.
Der Gegenstand der Verwendung der Verbindungselemente der Erfindung in Zwischenlagen wurde vorstehend erwähnt. Wie hierin verwendet, ist eine "Zwischenlage" im Allgemeinen ein Substrat mit Kontakten auf zwei entgegengesetzten Oberflächen desselben, welches zwischen zwei elektronischen Bauteilen angeordnet wird, um die zwei elektronischen Bauteile miteinander zu verbinden. Häufig ist es erwünscht, dass die Zwischenlage ermöglicht, dass zumindest eines der zwei miteinander verbundenen elektronischen Bauteile entfernt wird (z. B. zum Austausch, Aufrüsten und dergleichen).
Die Fig. 1A, 1B, 1C und 1D stellen ein Verfahren zur Herstellung einer Zwischenlage gemäß der vorliegenden Erfindung dar. In Fig. 1A ist gezeigt, dass eine flache, dünne (wie z. B. 0,001-0,005 Inch, wobei 1 Inch = 2,54 cm) Schicht 402 aus weichem Metall (z. B. Gold, weiche Kupferlegierung, weiche Aluminiumlegierung) strukturiert wird (wie z. B. durch Stanzen oder Ätzen), um die Umrisslinien einer Vielzahl (zwei von vielen sind dargestellt) von länglichen Elementen 404, 406, die darin einbeschrieben sind, festzulegen. Jedes längliche Element weist einen mittleren Teil und zwei Endteile auf, die sich in der Ebene der Schicht vom mittleren Teil erstrecken.
Wie in Fig. 1B gezeigt, wird eine Schicht aus Maskietungsmaterial 408 wie z. B. Photoresist auf eine Oberfläche der weichen Metallschicht außerhalb der Flächen der länglichen Elemente aufgebracht. Die Endteile von jedem länglichen Element werden bezüglich der Schicht aus der Ebene gebogen. Ein Endteil 404a des länglichen Elements 404 wird in einer Richtung (nach oben, wie dargestellt) gebogen, wodurch eine Zunge ausgebildet wird, die sich von der Schicht 402 nach oben erstreckt. Der andere Endteil 404b des länglichen Elements wird in einer entgegengesetzten (nach unten, wie dargestellt) Richtung gebogen, wodurch eine Zunge ausgebildet wird, die sich von der Schicht 402 nach unten erstreckt. Die Zungen (404a, 404b) können sich um theoretisch einen beliebigen gewünschten Abstand von der Schicht erstrecken, beispielsweise 5-100 mils für mikroelektronische Anwendungen. Die Formen dieser Zungen (404a, 404b) können bei dem Biegeprozess unabhängig voneinander gesteuert werden, so dass die sich nach oben erstreckenden Zungen dieselbe Form wie oder eine andere Form als die sich nach unten erstreckenden Zungen aufweisen.
Es sollte selbstverständlich sein, dass die Zungen in dem gleichen Schritt wie die Strukturierung der länglichen Elemente ausgebildet werden können und diese Schritte mit einer herkömmlichen Ausrüstung durchgeführt werden können.
Wie in Fig. 1C dargestellt, ist eine isolierende (dielektrische) Trägerschicht 410 wie z. B. eine Schicht (Film, Platte) aus Kapton (TM) oder Polyimid mit einer Vielzahl von Löchern 430 versehen. Die Isolationsschicht 410 wird über der weichen Metallschicht 402, so dass die Löcher 430 auf die Zungen ausrichten, auf einer Seite der Schicht entgegengesetzt zum Maskierungsmaterial angeordnet und wird an der weichen Metallschicht mit einem geeigneten Klebstoff (nicht dargestellt) befestigt.
Es liegt innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung, dass die Isolationsschicht sowohl in diesem Ausführungsbeispiel als auch den nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen eine Metallplatte sein kann, die mit einem dielektrischen Material bedeckt ist.
Die gesamte Anordnung wird dann mit einem harten Material 412 wie z. B. Nickel und seinen Legierungen überzogen. Die Trägerschicht 410 und das Maskierungsmaterial 408 stellen sicher, dass nur die länglichen Elemente mit dem harten Material überzogen werden. Schließlich wird das Maskierungsmaterial 408 abgelöst und das weiche Metall, das nicht überzogen wurde, wird entfernt, wie z. B. durch selektives chemisches Ätzen. Wahlweise können die Verbindungselemente in einem Nachbearbeitungsschritt mit einem Material, das gute Kontaktwiderstandseigenschaften aufweist, wie z. B. Gold, überzogen (z. B. plattiert) werden.
Dies führt zu einer Verbindungsstruktur mit Verbundverbindungselementen (den überzogenen Zungen), die sich von deren oberen und unteren Oberflächen erstrecken, wie in Fig. 1D gezeigt, wobei jedes der sich nach oben erstreckenden Verbundverbindungselemente als Kragarm wirkt und durch die Folie (402) mit einer entsprechenden der sich nach unten erstreckenden Zungen verbunden ist, die auch als Kragarm wirken, wobei jedes der Verbundverbindungselemente in der Lage ist, einem jeweiligen Anschluss eines elektronischen Bauteils eine gewünschte Kontaktkraft (z. B. 15 Gramm) zu verleihen.
In dieser Weise wird eine Zwischenlage 400 mit zwei Enden zum Verbinden eines Anschlusses 420 eines ersten elektronischen Bauteils (nicht dargestellt) mit einem entsprechenden Anschluss 422 eines zweiten elektronischen Bauteils (nicht dargestellt) erhalten, und eine zweite Verbindungsstruktur, die zur Verwendung in einer Zwischenlage geeignet ist, wird erhalten, welche zwei Enden zum Verbinden eines Anschlusses 424 des ersten elektronischen Bauteils (nicht dargestellt) mit einem entsprechenden Anschluss 426 des zweiten elektronischen Bauteils (nicht dargestellt) aufweist.
Fig. 1D stellt eine Verbindungsstruktur 400 dar, die aus einem langgestreckten Element 416 besteht, das mit demselben Material 412 in der Weise zum Ausbilden der vorstehend erwähnten Verbindungsstrukturen überzogen wurde. Das längliche Element 416 ist der Länge nach auf das längliche Element 406 ausgerichtet und liegt in einem Abstand von diesem und das längliche Element 416 ist seitlich auf das längliche Element 406 ausgerichtet und liegt in einem Abstand von diesem, was zeigt, dass die Verbindungselemente in Matrizes angeordnet werden können.
Ein Vorteil von diesem und, wie ersichtlich ist, anschließend beschriebenen Verfahren, besteht darin, dass eine weiche, nicht-elastische Metallschicht, die leicht ausgebildet (gestanzt und geformt) wird, überzogen werden kann, so dass sie robuste elastische Eigenschaften aufweist, in einer Weise ähnlich einem weichen Drahtkern, der geformt und überzogen wird, so dass er Elastizität aufweist.
Es liegt innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung, dass eine Befestigungsvorrichtung die Funktion des Maskierungsmaterials 408 während des Überzieh- (z. B. Plattierungs-) Prozesses erfüllen kann, was das Maskierungsmaterial unnötig macht.
Es liegt innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung, dass eine Vielzahl von Verbindungselementen als einzelne Kontaktstrukturen ausgebildet werden können, die anschließend nahe beieinander abgestützt werden sollen, wie z. B. mit einer Trägerschicht.
Im Allgemeinen trägt die Trägerschicht (410) eine Vielzahl von Verbindungselementen in einer vorgeschriebenen Beziehung zueinander, wie z. B. in einem rechteckigen (x, y) Matrixmuster. Die Trägerschicht kann biegsam sein, wie vorstehend beschrieben, oder kann starr sein (z. B. wie aus Keramik bestehen). Eine biegsame Trägerschicht weist den Vorteil auf, dass sie ermöglicht, dass die abgestützten Verbindungselemente innerhalb eines bestimmten Bereichs von vertikalen Positionen "schweben", um sich auf Oberflächenschwankungen (Toleranzen) in elektronischen Bauteilen, die mit diesen verbunden werden, einzustellen.
Die Fig. 2A-2F stellen ein alternatives Verfahren zur Herstellung einer Zwischenlage aus einer flachen Metallschicht dar.
Wie in Fig. 2A gezeigt, wird eine flache Schicht aus einer weichen Metall- (z. B. Kupfer) Schicht (z. B. Folie) strukturiert (gestanzt, geätzt oder dergleichen), so dass sie zwei diametral entgegengesetzte längliche Elemente 504 und 506 aufweist, die im Allgemeinen nebeneinander und parallel zueinander liegen. Die länglichen Elemente 502 und 504 werden an ihren Basisenden durch einen Ring 508 gehalten.
In einer Weise ähnlich zu dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1A-1D wird eines der länglichen Elemente 504 so gebogen, dass es eine Zunge ist, die sich in einer Richtung erstreckt, und ein anderes der länglichen Elemente 506 wird als Zunge gebogen, die sich in einer entgegengesetzten Richtung erstreckt, was zu der in Fig. 2B gezeigten Anordnung führt (vergleiche Fig. 1B).
Wie in Fig. 2C gezeigt, wird ein geeignetes Maskierungsmaterial 510 wie z. B. Photoresist auf die Schicht 502 außerhalb des Bereichs des Rings 506 und der länglichen Elemente 504 und 506 aufgebracht.
Die Schicht 502 wird dann mit einem harten Metallmaterial (z. B. Nickel oder seinen Legierungen) 512 überzogen (z. B. plattiert), wodurch die Zungen (geformte längliche Elemente 504 und 506) in Verbindungselemente überführt werden, die als Federn wirken. Als nächstes wird das Maskierungsmaterial 510 entfernt und das gesamte nicht überzogene (mit 512) weiche Metall (502) wird entfernt, wie z. B. durch selektives Ätzen, was zu der Zwischenlagestruktur 500 von Fig. 2D führt, die Verbundverbindungselemente, die nach oben zeigen, und entsprechende Verbundverbindungselemente, die nach unten zeigen, aufweist, wobei sowohl die nach oben als auch nach unten zeigenden Verbindungselemente als Kragarme wirken, die jeweils in der Lage sind, einem jeweiligen Anschluss eines elektronischen Bauteils eine gewünschte Kontaktkraft (z. B. 15 Gramm) zu verleihen.
In dieser Weise wird eine Zwischenlage 500 mit zwei Enden zum Verbinden eines Anschlusses 520 eines ersten elektronischen Bauteils (nicht dargestellt) mit einem entsprechenden Anschluss 522 eines zweiten elektronischen Bauteils (nicht dargestellt) erhalten.
Als allgemeine Aussage ist das Ausführungsbeispiel 400 der Fig. 1A-1D gegenüber dem Ausführungsbeispiel 500 der Fig. 2A-2D bevorzugt.
Wie in den Fig. 3A-3D gezeigt, kann ein ähnliches (z. B. zum vorher mit Bezug auf die Fig. 2A-2E beschriebenen Ausführungsbeispiel) durch Strukturieren einer weichen Metallfolie 602 so, dass sie zwei parallele (nebeneinander) längliche Elemente 604 und 606 aufweist, die sich einen gemeinsamen Basisteil 608 teilen, erhalten werden.
Eines der länglichen Elemente 604 wird so gebogen, dass es eine Zunge ist, die sich in einer Richtung erstreckt, und ein anderes der länglichen Elemente 606 wird so gebogen, dass es eine Zunge ist, die sich in einer entgegengesetzten Richtung erstreckt, was zu der in Fig. 3B gezeigten Anordnung führt (vergleiche Fig. 2B).
Wie in Fig. 3C gezeigt, wird ein geeignetes Maskierungsmaterial wie z. B. Photoresist 610 auf die Schicht 602 außerhalb des Bereichs der länglichen Elemente 604 und 606 und ihrer gemeinsamen Basis 608 aufgebracht.
Die Schicht 602 wird dann mit einem harten Metallmaterial (z. B. Nickel oder seinen Legierungen) 612 überzogen (z. B. plattiert), wodurch die Zungen (geformte längliche Elemente 604 und 606) in Verbindungselemente überführt werden, die als Federn wirken. Als nächstes wird das Maskierungsmaterial 610 entfernt und das gesamte nicht überzogene (mit 612) weiche Metall (602) wird entfernt, wie z. B. durch selektives Ätzen, was zu der Zwischenlagestruktur 600 von Fig. 3D führt, die Verbundverbindungselemente, die nach oben zeigen, und entsprechende Verbundverbindungselemente, die nach unten zeigen, aufweist, wobei sowohl die nach oben als auch nach unten zeigenden Verbundverbindungselemente als Kragarme wirken, die jeweils in der Lage sind, einem jeweiligen Anschluss eines elektronischen Bauteils eine gewünschte Kontaktkraft (z. B. 15 Gramm) zu verleihen.
In dieser Weise wird eine Zwischenlage 600 mit zwei Enden zum Verbinden eines Anschlusses 620 eines ersten elektronischen Bauteils (nicht dargestellt) mit einem entsprechenden Anschluss 622 eines zweiten elektronischen Bauteils (nicht dargestellt) erhalten.
Obwohl nicht dargestellt, liegt es innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung, dass eine Vielzahl von Verbindungselementen in einem gewünschten Muster (z. B. einer rechteckigen Matrix) durch Befestigen derselben an einem geeigneten Trägerelement wie z. B. einer Schicht, die mit einer Vielzahl von Löchern versehen ist, wie in Fig. 1C gezeigt, angeordnet werden können.
Mit Bezug beispielsweise auf das Ausführungsbeispiel 400 der Fig. 1A-1D ist ersichtlich, dass die ursprüngliche (vor dem Biegen) Länge der länglichen Elemente (404, 406) eine Grenze dessen festlegt, wie weit sich die Zungen von der Schicht erstrecken können - mit anderen Worten, eine Begrenzung der Länge (und/oder Höhe) des resultierenden Verbindungselements.
Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff "Länge" im Allgemeinen auf die Längsabmessung eines länglichen Elements vor dem Formen (falls überhaupt), und der Begriff "Höhe) bezieht sich im Allgemeinen auf die Längsabmessung des länglichen Elements (und des resultierenden Verbindungselements) nach dem Formen und Beschichten. Für Zwecke der in diesem Dokument dargelegten Erörterung sind diese Begriffe im Allgemeinen austauschbar.
Die Fig. 4A und 4B stellen Verfahren zur Herstellung von einzelnen Verbindungselementen wie z. B. zum Lagern einer Vielzahl von solchen "Federkontakt"-Elementen und zum späteren automatischen Montieren derselben an einem elektronischen Bauteil wie z. B. einem Halbleiterbauelement oder einem Trägersubstrat für eine Zwischenlage dar.
Fig. 4A stellt ein Verfahren 800 dar, bei dem eine flache Schicht (Folie) 802 aus einem Material wie z. B. weichem Kupfer gestanzt, geätzt oder dergleichen wird, so dass sie eine Vielzahl (eines von vielen ist dargestellt) von länglichen Elementen (Zungen) 804 aufweist. Die länglichen Elemente 804 werden anschließend so geformt, dass sie eine Federform aufweisen. Jedes längliche Element 804 weist einen Basisteil 804a auf, der im Wesentlichen ein rudimentärer (restlicher) Teil der Schicht 802 ist und dem vorzugsweise ermöglicht wird, dass er mit der Schicht 802 koplanar bleibt. Jedes längliche Element 804 weist ein Ende (Spitze) 804b an einem entgegengesetzten Ende des länglichen Elements 804 vom Basisteil 804a auf. Das längliche Element 804 wird so gebogen, dass es eine beliebige geeignete federnde Form aufweist, in einem Bereich 804c, der zwischen der Spitze 804b und einem Teil 804d benachbart zum Basisteil 804a liegt.
Ein geeignetes Maskierungsmaterial 806 wie z. B. Photoresist wird auf beide Seiten der Schicht 802 aufgebracht, einschließlich (wie gezeigt) wahlweise über den Basisteil 804a des länglichen Elements 804, wobei der "wirksame" Teil des länglichen Elements 804 unmaskiert gelassen wird. Das längliche Element wird dann mit einem geeigneten Material 808 überzogen, das nach seiner Fähigkeit ausgewählt wird, dem resultierenden Verbindungselement Elastizität zu verleihen, wie vorstehend beschrieben. Das Überzugsmaterial kann wahlweise den Basisteil 804a des länglichen Elements 804 bedecken.
Das Maskierungsmaterial 806 wird dann entfernt, wie z. B. durch selektives Ätzen. Dies führt zu einer Vielzahl von einzelnen Verbundverbindungselementen, die an einem elektronischen Bauteil montiert oder in einer vorgeschriebenen räumlichen Beziehung (z. B. einer Matrix) zueinander durch Befestigen ihrer Basisteile (804a) an einem Trägersubstrat abgestützt werden können. Alternativ können eine Vielzahl von Verbindungselementen, die gemäß diesem Verfahren ausgebildet werden, durch ein Elastomer in einer Matrix aufgehängt werden.
Fig. 4B stellt ein weiteres Verfahren 850 dar, bei dem eine flache Schicht (Folie) 852 aus einem Material wie z. B. weichem Kupfer gestanzt, geätzt oder dergleichen wird, so dass sie eine Vielzahl (sechs von vielen sind dargestellt) von länglichen Elementen (Zungen) 854 aufweist. Jede Zunge 854a ist mit dem Basisteil 804a im vorherigen Ausführungsbeispiel 800 vergleichbar. In diesem Ausführungsbeispiel 850 wird die Schicht so gestanzt, dass die Basisteile 854a alle miteinander verbunden sind. Die dargestellten "Brücken" 856 sind lediglich beispielhaft. Die länglichen Elemente können während oder nach dem Stanzen der Schicht geformt werden.
Die länglichen Elemente 854 werden so geformt, dass sie eine Federform aufweisen, werden dann mit einem geeigneten Material (nicht dargestellt) überzogen, wie vorstehend beschrieben. Der Überzug (nicht dargestellt, vorstehend beschrieben) wird vorzugsweise aufgebracht, während die länglichen Elemente noch miteinander verbunden sind, und es ist nicht erforderlich, dass irgendein Maskierungsmaterial aufgebracht wird.
In einem Endschritt wird die Schicht mit der Vielzahl von miteinander verbundenen, überzogenen länglichen Elementen weiter gestanzt, um die einzelnen überzogenen länglichen Elemente (Verbindungselemente) voneinander zu vereinzeln (trennen).
Wie im vorherigen Beispiel 800 führt dieses Verfahren 850 zu einer Vielzahl von einzelnen Verbundverbindungselementen, die an einem elektronischen Bauteil montiert werden können oder in einer Matrix durch Befestigen ihrer Basisteile an einem Trägersubstrat miteinander abgestützt werden können. Alternativ können eine Vielzahl von Verbindungselementen, die gemäß diesem Verfahren ausgebildet werden, durch ein Elastomer in einer Matrix aufgehängt werden.
Obwohl die Erfindung in den Zeichnungen und in der vorangehenden Beschreibung im einzelnen beschrieben wurde, soll dasselbe als erläuternder und nicht einschränkender Art betrachtet werden - wobei es selbstverständlich ist, dass nur bevorzugte Ausführungsbeispiele gezeigt und beschrieben wurden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Zwischenlage, die ein erstes und ein zweites elektronisches Bauteil miteinander verbindet, gekennzeichnet durch:

Ausbilden einer ersten Zunge (404a; 504; 604) und einer zweiten Zunge (404b; 506; 606) in einer Schicht (402; 502; 602) aus einem ersten Metallmaterial;

Biegen der Zungen (404a, 404b; 504, 506; 604, 606), so dass sich die erste Zunge (404a; 504; 604) in einer ersten Richtung von der Schicht (402; 502; 602) erstreckt und so dass sich die zweite Zunge (404b; 506; 606) in einer zweiten Richtung von der Schicht erstreckt, wobei die zweite Richtung zur ersten Richtung entgegengesetzt ist; und

anschließendes Überziehen der Zungen mit einem zweiten Metallmaterial (412; 512; 612), das eine höhere Dehngrenze aufweist als das erste Material, wobei das zweite Material den Zungen Elastizität verleiht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei: vor dem Biegen der Zungen (404a, 404b) die erste Zunge (404a) der Länge nach in einer Linie mit der zweiten Zunge (404b) liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei: vor dem Biegen der Zungen (504, 506) die erste Zunge (504) zur zweiten Zunge (506) parallel ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1; wobei: vor dem Biegen der Zungen (604, 606) die erste Zunge (604) zur zweiten Zunge (606) parallel ist und die Zungen sich einen gemeinsamen Basisteil (608) teilen.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zungen (404a, 404b; 504, 506; 604, 606) so gebogen werden, dass deren Kontaktbereiche von einem Rest der Schicht (402; 502; 602) entfernt sind.

6. Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner umfasst: Maskieren eines Teils der Schicht (402; 502; 602) mit einer Maskierungsschicht (408; 510; 610), wobei die Zungen (404a, 404b; 504, 506; 604, 606) selektiv mit dem zweiten Material überzogen werden, wobei die Maskierungsschicht ein Überziehen des maskierten Teils der Schicht verhindert.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schicht aus dem ersten Material zwischen 0,001 und 0,005 Inch, d. h. zwischen 25,4 und 127 Mikrometer dick ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei jede Zunge (404a, 404b; 504, 506; 604, 606) sich um einen Abstand zwischen 5 und 100 mils von der Schicht (402; 502; 602), d. h. zwischen 127 und 2540 Mikrometer von der Schicht erstreckt.

9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Gold, weicher Kupferlegierung und weicher Aluminiumlegierung besteht.

10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das zweite Material Nickel umfasst.

11. Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner umfasst

Befestigen eines Substrats (410) an der Schicht (402) aus einem ersten Material, so dass eine Oberfläche des Substrats und eine Oberfläche der Schicht parallel sind und aneinandergrenzen,

Vorsehen einer Vielzahl von Öffnungen (430) im Substrat (410), wobei jede Öffnung (430) eine jeweilige der ersten und der zweiten Zunge (404a, 404b) aufnimmt, was ermöglicht, dass die jeweilige eine Zunge durch die Öffnung hindurchtritt, so dass sich die jeweilige eine Zunge an der Oberfläche des Substrats entgegengesetzt zur Oberfläche des Substrats, die an die Schicht (402) angrenzt, vorbei erstrecken kann.

12. Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend das Aufbringen eines Maskierungsmaterials (408) auf eine Oberfläche der Schicht (402) entgegengesetzt zur Oberfläche der Schicht, die an das Substrat (410) angrenzt, und das Strukturieren des Maskierungsmaterials (408), um eine Vielzahl von Öffnungen vorzusehen, wobei jede Öffnung eine jeweilige zweite der ersten und der zweiten Zunge (404a, 404b) aufnimmt, was ermöglicht, dass die jeweilige zweite Zunge durch die Öffnung hindurchtritt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, welches ferner das galvanische Überziehen der ersten und der zweiten Zunge (404a, 404b) mit dem zweiten Material umfasst, so dass Teile der ersten oder der zweiten Zunge in den jeweiligen Öffnungen im Substrat oder Öffnungen im Maskierungsmaterial überzogen werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, welches ferner das Entfernen des Teils der Schicht (402) umfasst, der nicht mit dem zweiten Material überzogen wurde, so dass die erste Zunge und die zweite Zunge (404a, 404b) elektrisch miteinander verbunden sind.