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CN1389005A - 低成本及高可靠度应用的高可靠度插入物 - Google Patents

低成本及高可靠度应用的高可靠度插入物 Download PDF

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CN1389005A
CN1389005A CN01802510A CN01802510A CN1389005A CN 1389005 A CN1389005 A CN 1389005A CN 01802510 A CN01802510 A CN 01802510A CN 01802510 A CN01802510 A CN 01802510A CN 1389005 A CN1389005 A CN 1389005A
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CN
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opening
dielectric material
substrate
insulating material
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范智能
艾D·雷
李泽豫
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High Connection Density Inc
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Abstract

本发明提供一种插入物作为一承座格距阵列连接器及一主机板间一高可靠度的接口。该新颖的插入物由为每一个焊锡互连包括一成梯状的隔离物以预防机构接触点松懈的接触力而确保每一个焊锡互连的整体性来克服已有技术的插入物的限制。该插入物在第一表面上提供贵重的金属电镀导电垫以接收一承座格距阵列连接器的接触构件,及球格距阵列(BGA)互连的导电垫被附著至一主机板。并描述生产插入物的工艺程序。

Description

低成本及高可靠度应用的高可靠度插入物
技术领域
本发明与电子封装结构有关，例如印刷电路板、电路模组，或类似者，特别涉及电气接触需要特殊镀金处理例如镀黄金的结构。
背景技术
现今，在设计连接器上，利用高速电气系统的趋势，是为了在系统中重要部分的多元化电路装置之间提供高密度及高可靠度的连接。这个系统装置可以是一种电脑、一种电信电路网络装置、一种手持的个人数字助理器(PDA，personaldigital assistant)、医学设备、或其他的电气设备。高可靠度对这类的连接是必要的，因为潜在的终端产品失败，即是在这些装置发生致命的不连结。此外，为确保系统中各种成分的有效的修复、升级、及/或置换(例如，连接器、卡片、晶片、板子、模组…等)。令人满意的是这类的连接在最终产品内，是可分离及重新连接的。此外，在制造期间，这类产品方便容易测试的能力也是令人满意的。
从历史角度上，电脑主机板上的连接器被用来允许半导体装置场地—隔离互连，例如微处理器及存储器模块，原来是脚位—格距—阵列(pin-grid-array(PGA))或弹力载入边缘连接器(spring loaded edge connector)技术，此种连接器技术允许场地升级或替换故障的装置。
但是当系统的密度、输入/输出阵列大小及执行效能戏剧性地增加时，因此对于互连的规格具有迫切性。特别是当与场地-隔离(field-separability)耦合时，这些高要求的需求，导致可能连接器解决方法很大的变化。大多数连接器在主机板上的组合垫需要被镀上一层珍贵的金属以确保可靠度及可重复地电气接触。此种额外的需求会增加主机板的成本以至于此种常规并没有被大量采用。
承座格距阵列(LGA)为这种连接的一个范例，这种连接让两个主要相连电路元件被连接，每一个构件具有复数个接触点或导电垫，以线性的或二次元阵列排列连接。一种互连构件的阵列，被称为插入物(interposer)，被放置在两个阵列之间且提供该等接触点或导电垫之间的电气连接。而已有技术中所描述的承座格距阵列插入物是以许多种不同的方式实施，大部分有兴趣的实施方式请参考共同申请中的美国专利。
本发明与美国共同申请中的专利申请案有关，如1999年12月9日申请的美国专利申请案号09/457,776及2000年8月24日申请的美国专利申请案号09/645,860，以上各专利申请案指定为本发明的参考文献。
主机板上的导电垫一般由铜组成，且具有一镀镍的障碍层(barrier layer)紧跟在一层簿(例如，0.001英寸)的黄金之后。如此的电镀组合对於球格距阵列(BGA)焊锡互连可以工作良好，但是对于承座格距阵列连接器则无法良好工作，在那里需要一个较厚的黄金层以确保一可靠的互连。因为一个较厚的黄金层是比较薄的黄金层成本要高，主机板制造商对于如此改变的实施是不情愿的。
1994年2月出版的IBM公司的技术揭露告示板第37册第2A号第277及278页中推荐一种解决方法：该方法描述一种插入物，不幸的是该插入物较今日系统所需要的插入物为短。该插入物被推荐以提供在第一表面上一阵列的电气导电垫连接至一承座格距阵列连接器，且在第二表面上用以球格距阵列(BGA)的焊锡附著至一主机板。然而，此焊锡互连的服务是缓慢地行进(creep)，因比单独接触构件上至接触点松懈的接触力将使承座格距阵列连接器丧失电气接触。
一种针对此种缺点的解决方法是提供一个足够高度的隔离物(spacer)以确保接触力是维持在一个相对高度以确保可靠的连接，但不能太高以预防对所有接触点的良好球格距阵列焊锡互连。此种担心是由于相配表面的不平坦使得一些焊锡互连将无法得到良好的电气互连。
一个高可靠度的插入物是可降低主机板的成本是可以相信的，而解决上述焊锡互连服务是缓慢地行进的问题，构成本技术中一重大的进展。
发明内容
本发明主要目的是，加强电气连接器技术。
本发明还有一目的，是提供一插入物，以提供高可靠度互连以降低主机板的成本。
本发明再一目的，是提供一插入物以确保承座格距阵列连接器的可靠度，尤其是在高温的情况下。
本发明提供一种插入物作为一承座格距阵列连接器及一主机板间一高可靠度的接口。该新颖的插入物藉由为每一个焊锡互连包括一成梯状的隔离物以预防机构接触点松懈的接触力而确保每一个焊锡互连的整体性来克服已有技术插入物的限制。该插入物在第一表面上提供贵重的金属电镀导电垫以接收一承座格距阵列连接器的该等接触构件，及球格距阵列(BGA)互连的导电垫被附著至一主机板。并描述生产插入物的工艺程序。
附图说明
图1为依据已有技术的插入物的部分透视图；
图2是如图1所示的已有技术的插入物的部分侧视及断面放大图，该插入物被放置以附著至一电路构件且与一连接器及其他电路构件排成直线以提供之间最後的互连；
图3(a)及图3(b)是如图1所示的已有技术的插入物的部分侧视放大图，且分别地，该焊锡连接的缓慢地行进；
图4是依据本发明一较佳实施例的电气连接器的部分透视图；
图5是一部分侧视图，放大图4中的连接器；以及
图6(a)及6(b)是图4中连接器的侧视放大图，且分别地，该焊锡连接的缓慢地行进。
具体实施方式
一般而言，本发明是提供一种插入物以提供一承座格距阵列连接器及一主机板间一高可靠度的接口，该新颖的插入物藉由为每一个焊锡互连包括一成梯状的隔离物以预防机构接触点松懈的接触力而确保每一个焊锡互连的整体性来克服已有技术的插入物的限制。插入物在第一表面上提供贵重的金属电镀导电垫以接收一承座格距阵列连接器的接触构件，及球格距阵列(BGA)互连的导电垫被附著至一主机板。藉由本发明亦可达到改善生产力以及可靠度。
参照图1及图2，其分别绘示出已有技术中，一插入物40用以提供电气电路构件34一可重复实施的复数个电气导电垫46。该等电气导电垫46较佳是被镀上一贵重的金属例如是黄金。当与一连接器10一起使用时，一用以电气互连一对电气电路构件24及34的路径被提供。适合经由插入物40互连的电气电路构件的范例包括：印刷电路板、电路模组等。所谓的“印刷电路板”代表包括但不局限于一多层电路结构包括一或多个导电层(例如，信号，电源及/或接地)在其中。此印刷电路板，亦被称为印刷布线板，在本领域众所周知，因此并不需更详细说明。而所谓的“电路模组”代表包括一基板或是有不同电子零件的构件(例如，半导体晶片、导电性电路、导电性较为等等)，可形成其中的部分。此模组，亦为本领域所熟知，亦无须在此进一步赘述。
插入物40包括一电介质层42具有复数个内部孔洞(apertures)或开口44，每一个开口对应至一个电气导电垫46且被排成直线。在一个范例中，电介质层42是由例如是Kapton(美国杜邦公司注册商标)或Upilex(日本Ube公司注册商标)的材料所组成且其厚度是0.010英寸。该等开口的外观典型是圆柱形且系由Kapton-蚀刻程序所形成。电气导电垫46是由铜所组成且由一电镀层48所覆盖，在本范例中由200微-英寸厚的镍所组成且由一50微-英寸厚的黄金层所覆盖。
由本技艺中所广为人知的方法排成直线后(例如，脚位及孔洞，光学排成直线，等等)，插入物40由适当的程序以特定的构成该导电性构件50可以被电气附著至放置于电气电路构件34上表面上的平坦的导电垫38(例如，铜制终端)，例如，如果该导电性构件50是焊锡，红外线或热空气流回(reflow)可以被使用以附著该插入物40至该等导电垫38。
请参照图3(a)及图3(b)，其个别绘示已有技术的插入物40的部分侧视放大图，且分别地，该焊锡连接的缓慢地行进。该导电性构件50(图3(a))(例如，焊锡连接)被放置于相对应的开口44且与相对应的电气导电垫46电气接触。
如上所述，因为今日较热的执行半导体沿著承座格距阵列连接器的夹住力的组合增加温度，导电性构件52(图3(b))由于缓慢地行进可以变的平坦，藉以松懈维持电气接触所需的该接触力且使承座格距阵列连接器产生故障。
由本技艺中所广为人知的方法排成直线後(例如，脚位及孔洞、光学排成直线，等等)，插入物40由适当的程序以特定的构成该导电性构件50可以被电气附著至放置于电气电路构件34上表面上的平坦的导电垫38(例如，铜制终瑞)，例如，如果该导电性构件50是焊锡，红外线或热空气流回(reflow)可以被使用以附著该插入物40至该等导电垫38。
请参照图4及图5，其个别绘示较佳实施例插入物60的部分透视图，以提供电气电路构件34一可重复实施的复数个电气导电垫66。该等电气导电垫66较佳是被镀上一层贵重的金属例如是黄金。当与一连接器10一起使用时，一用以电气互连一对电气电路构件24及34的路径被提供。适合经由插入物60互连电气电路构件的范例包括：印刷电路板、电路模组等。
插入物60包括一电介质层62具有复数个内部成梯状的(stepped)孔洞或开64，每一个开口对应至一个电气导电垫66且被排成直线。该等成梯状的开口64提供所需隔离物的高度(梯状的高度)以确保维持该连接器的接触所需要的力。在一个范例中，该电介质层62是由例如是Kapton(美国杜邦公司注册商标)或Upilex(日本Ube公司注册商标)材料所组成且其厚度是0.010英寸。其他电介质层62适合的材料范例是液态石英聚合物(liquid crystal polymer(LCP))及环氧基-玻璃-基的材科(epoxy-glass-based materials(例如是FR4))。该最外边的材料具有一热扩展系数(CTE)以实质地匹配周围结构的热扩展系数。该电介质层62也可以由更多层材料组成以允许其他制造方法实施。
导电构件70(例如是焊锡连接)是故意的对应于该等成梯状的开口64放置且电气连接至相对应的导电垫66，在一个范例中，该导电构件70的根部直径是0.026英寸且其高度是0.030英寸以附著至主机板之前。导电垫66系由铜所组成且由一电镀层68所覆盖，在本范例中系由200微—英寸厚的镍所组成且由一50微—英寸厚的黄金层所覆盖以提供良好的电气接触。
在一个范例中，该导电垫66中央至中央的距离是0.050英寸，但如果需要的话可以降低至0.040英寸或更小。
图6(a)及图6(b)，其个别绘示图4中插入物60的侧视放大图，分别地，该焊锡连接的缓慢地行进。再次地该等贵重的成梯形开口64的外观典型上是圆柱形。在一个范例中，开口64的较高部分72是邻接该导电垫66且其直径是与已有技术中的开口44相同(图2)，而较低部分74是直径较大且当作一个贮存器(reservoir)以较佳的容纳每一个导电构件(图6(b))的体积。该增加的隔离物高度可以确保连接器的接触力被维持但因为电气电路构件24，34及插入物60表面不平坦并不能过高以破坏焊锡连接的整体性。在一个范例中，该等开口64的较高部分72的直径是0.026英寸且其高度是0.010英寸，而较低部分74的直径是0.035英寸且隔离物的高度是0.010英寸。
当为了上述目的而选择了一个成梯形开口64，显而易见的是本发明所教示的原则可以被应用至使用各种不同形状及大小开口以符合特定设计之需求。
此外，导电构件70及76的主要材料为了上述目的，选择了焊锡，显而易见的是本发明所教示的原则可以被应用至其他材料包括导电性胶粘剂(adhesives)。
由本技艺中所广为人知的方法排成直线後(例如，脚位及孔洞、光学排成直线，等等)，插入物60由适当的程序以特定的构成该导电性构件70可以被电气附著至放置于电气电路构件34之上表面上的平坦的导电垫38(例如，铜制终端)。例如，如果该导电性构件70是焊锡，红外线或热空气流回也是可能的选择。在流回过程中可以施加一压力以至于该导电性构件76的外观将被显示在图6(b)中。
一些导电性构件/垫组合因为其他电气互连的原因(例如机械或热的好处)被使用也是可能的，这些皆在本发明的范畴中。进一步的该导电性构件70的特定外观并不需要是真正的圆柱形在本技术中是显而易见的，且其他许多种形状，包括但不限于圆柱状物，根据效能的需求可以提供好处，且装配设备及程序也是有效的。
可以清楚地看到插入物60，一旦该导电性构件70被适当的附著至电气电路构件34的该等导电垫38，经由连接器10的每一个接触构件16的相对端20及18以提供一电气路径互连该电气电路构件34的电路至导电垫28。该等导电垫28被放置在底部，电气电路构件24的外表面，因此完成至电气电路构件24的路径，其可以包括一基板26具有复数个半导体构件32在上面。该等导电垫28及38可以了解的是可以提供信号、电源或接地，根据个别的电路构件的操作需求而定。
连接器10的每一个有弹力的接触构件16是以此方式被压缩一适当数量以形成导电垫28及66上的互连。此种可以由许多不同的方法包括箝板(clamping means)装置以及许多在本技艺中广为人知的其他方法所完成。
虽然连接器10可能是已有技艺中所显示的型式，连接器10较佳是如列为本发明参考的共同申请中的美国专利申请案中所教示的结构。
排成直线的电气电路构件24及34相对于连接器10可能提供使用一对突出脚位30，该对突出脚位30是由该等电气电路构件(例如，模组24)之一所延伸出来。这些脚位被排成直线且放置于载台12相对应开口22及其他电气电路构件34的开口36(以虚线表示)中。必须了解的是其他排成直线的装置也是可能的，包括提供由载台12相反表面所延伸出的脚位以倒置相对应电气电路构件中的相对应开口。举例来说，将调整放宽，连接器10的一个开口22，可能算是一拉长的构造，而形成的一插槽。
插入物60可以用许多种方法构成。例如该电介质层由两层材料所组成，例如聚亚铵(polyimide)或FR4，一个较佳的方法是由第一电介质层开始且创造其中所需的开口。第一个电介质层系与一铜层被制成薄板状。该铜层被遮盖以允许贵重的金属电镀在所需要的区域，此区域将变成导电垫及其他功能例如排成直线的基准(fiducials)。一旦遮盖被移除，由适当的蚀刻装置该过量的铜箔被蚀刻移除。该等开口在一第二电介质层被创造。一个胶著层被放置且排成直线在两个电介质层之间以将此结构制成薄板状。在一种情况中，设定温度为华氏185度和压力为20磅每平方英寸(PSI)。如果所有层被适当地排成直线，该等成梯形状的开口被形成且被与接触垫排成直线。一旦完成这些操作，所有的结构被反转且导电性材料例如焊锡被电镀到适当的开口中。如此结构被经由一送至流回炉以形成导电性构件。然後该插入物已备妥被粘著至适当的电子封装结构，例如一印刷电路板。
为了示范其中该电介质层是由单一层材料所组成，例如聚亚铵、FR4或液态石英聚合物(liquid crystal polymer)，一个较佳的方法是由该电介质层开始且创造其中所需之开口。该等成梯形状的开口可以用许多种方法被形成，包括一成梯形状钻孔(stepped drill)，标准的钻孔操作(standard drillingoperations)，路由(routing)、蚀刻(etching)或其他广为人知的方法。该电介质层与一铜层被制成薄板状。该铜层被遮盖以允许贵重的全属电镀在所需要的区域，此区域将变成该等导电垫及其他功能例如排成直线的基准(fiducials)。一旦该遮盖被移除，藉由适当的蚀刻装置该过量的铜箔被蚀刻移除。如果所由层被适当地排成直线，该等成梯形状的开口被形成且被与接触垫排成直线。一旦完成这些操作，所有的结构被反转且导电性材料例如焊锡被电镀到适当的开口中。如此结构被经由一送至流回炉以形成该等导电性构件。然後该插入物已备妥被粘著至适当的电子封装接构，例如一印刷电路板。
虽然本发明已以较佳实施例公布如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作少许之更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (34)

1.一种供电子封装的低成本及高可靠度应用的高可靠度插入物，其特征在于，包括：
a)至少一电介质材料层，电介质材料层具有一主要表面及至少一边缘下；
b)复数个导电垫，每一个导电垫具有一第一及第二表面，与至少一电介质材料层的主要表面隔离，该导电垫的第一表面被镀上最少一层金属，且导电垫的第二表面至少一部分可容易地连接至一导电性构件；
c)具有不一致断面的复数个开口，每一个开口排成直线且对应至该等导电垫之一；以及
d)复数个导电性构件，每一个导电性构件被放置在该等开口之一中且与该等导电垫的第二表面电气接触。
2.如权利要求1所述的插入物，其特征在于，其中至少一电介质材科层包括一绝缘材料。
3.如权利要求2所述的插入物，其特征在于，其中该绝缘材料为聚亚铵(polyimide)。
4.如权利要求2所述的插入物，其特征在于，其中该绝缘材料为一液态石英聚合物(liquid crystal polymer)。
5.如权利要求2所述的插入物，其特征在于，其中该绝缘材料为环氧基-玻璃-基。
6.如权利要求1所述的插入物，其特征在于，其中绝缘材料具有一热扩展系数(CTE)以实质地匹配所附著材料的热扩展系数。
7.如权利要求1所述的插入物，其特征在于，其导电垫包括铜。
8.如权利要求1所述的插入物，其特征在于，其导电垫第一表面被镀上最少一层镍金属。
9.如权利要求8所述的插入物，其特征在于，其导电垫第一表面亦被镀上最少一层黄金之金属。
10.如权利要求1所述的插入物，其特征在于，其开口包括一成梯形状的断面。
11.如权利要求1所述的插入物，其特征在于，其中开口包括一头逐渐变得尖细的断面。
12.如权利要求1所述的插入物，其特征在于，其中导电性构件包括焊锡。
13.如权利要求1所述的插入物，其特征在于，其中导电性构件是由导电性糊状物(paste)所组成。
14.如权利要求13所述的插入物，其特征在于，其中导电性糊状物包括糊状焊锡。
15.如权利要求1所述的插入物，其特征在于，更进一步包括排成直线装置以使该载台至与之适应的配对物结构排成直线。
16.如权利要求1所述的插入物，其特征在于，其中插入物可以由流回程序被附著至一与之适应的配对物结构。
17.如权利要求16所述的插入物，其特征在于，其中插入物的流回程序是在相同的压力下执行。
18.一种制造用于电子封装的低成本、高可靠度插入物的方法，其特征在于，包括：
a)形成一第一基板包括至少一电介质材料层，至少一金属层，及至少一第一开口邻接该至少一金属层；
b)形成一第二基板包括至少一第二电介质材料层及至少一第二开口；
c)提供一粘著层介于第一基板及第二基板之间；以及
d)将第一基板、第二基板及粘著层排成直线且制成薄板，该等第一开口中至少之一与该等第二开口中至少之一被排成直线，使至少一金属层的一部分曝光于外。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，该步骤a)形成一第一基板中包含下列步骤：
i)提供至少一第一电介质材料层包括第一及第二边；
ii)形成至少一第一电介质材料层中的至少一第一开口；
iii)提供一粘著层以联结至少一第一电介质材料层至至少一金属层；
iv)将粘著层及至少一金属层至至少一第一电介质材料层的一边制成薄板；以及
v)依需要遮盖、曝光及蚀刻该至少一金属层以创造预先决定的含金属的功能。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，其中该步骤b)形成一第二基板中包含下列步骤：
i)提供至少一第二电介质材料；以及
ii)形成至少一第二电介质材料层中的至少一第二开口。
21.如权利要求18所述的方法，其特征在于，还进一步包括下列步骤：
引进导电性材料至该等排成直线的开口中且与该至少一金属层的曝光部分电性接触。
22、如权利要求21所述的方法，其特征在于，其中导电性材料系为糊状焊锡。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，其中进一步包括流回该糊状焊锡的步骤。
24.如权利要求18所述的方法，其特征在于，其中至少一第二开口的直径是等于或大于至少一第一开口的直径。
25.如权利要求19所述的方法，其特征在于，其中至少一第一电介质材料层包括一绝缘材料。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，其中绝缘材料是环氧基-玻璃-基。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，其中绝缘材料包括FR4。
28.如权利要求20所述的方法，其特征在于，其中至少一第二电介质材料层包括一绝缘材料。
29.如权利要求28所述的方法，其特征在于，其中绝缘材料是环氧基-玻璃-基。
30.如权利要求29所述的方法，其特征在于，其中绝缘材料包括FR4。
31.如权利要求18所述的方法，其特征在于，其中第一基板及第二基板上所提供的开口是由融化、蚀刻、路由、钻孔和打洞的过程中挑选出的。
32.如权利要求19所述的方法，其特征在于，其中至少一金属层包括铜。
33、如权利要求19所述的方法，其特征在于，其中至少一该预先决定金属的功能包括一导电垫。
34.如权利要求18所述的方法，其特征在于，其中薄板状发生在温度华氏185度和压力为20磅每平方英寸(PSI)。
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