专利名称：柔性环刷式触点的制作方法
背景技术：
微电子设备，如现代化的微处理器需要在日益减小的面积内拥有大量的可靠连接。随着衬底和安装在衬底上的电子设备之间连接数目的增加，单个连接没连上或失效的可能性也会增加。
在“波形焊接”中，通过把熔融的焊剂流到电子部件所要安装的衬底上可使电子部件焊接在衬底上。把部件放在衬底上，然后在衬底上通入流动的熔融的焊剂，这样使得衬底表面较低地方上暴露着的金属及其熔化的表面利用毛细作用吸取焊剂池中的熔融焊剂。当带着吸取来的熔融焊剂的衬底离开熔融焊剂池时，焊剂冷却并凝固，这样就在电子设备和衬底的焊接表面之间建立了一个电连接。
随着电子领域中连接密度的增加和电子设备中导线长度的减少，在统计学的意义上，必要连接的数量日益增加，使得即使是单个连接没连上或失效的可能性增大。甚至平面衬底里较小的缺陷也能引起连接问题。
当衬底和电子设备的接触表面彼此分开不同距离时，现有的焊接技术就存在了一个问题。例如假如微处理器一个或两个连接导线或连接表面比其它的连接导线或连结表面离平面衬底更远，则在衬底和更远的电子设备的连接表面之间就不能利用毛细作用吸取熔融的焊剂。当两个设备的连接表面或将要连接的表面之间的间隔或距离变化较大时，现有的焊接技术就不能在它们之间建立连接。
当在电子设备和它的支撑衬底之间即使单个连接在生产时没连上或在电子设备应用中失效时，找出并维修失效的电连接的成本经常超过用于制造在其中电子设备和支撑衬底运行的产品的成本。改善电连接的可制造性和提高生产后电连接的可靠性将是对现有技术的改进。
柔性环也许不能制造一个良好的对表面的电连接(尤其是表面不清洁的条件下)。电子领域的技术人员都非常清楚，即使非常薄的堆积在电路板线路或接触点上的层状物质也能够阻碍一个良好连接的形成。假如在导电表面上有污染物或污垢或薄膜，即使环状的接触弹簧也不能为线路或接触点提供一个良好的电连接。表面氧化物、残留的保形涂料、焊药、大气污染物和其它的化学物质能够在金属连接点上形成薄的覆盖层，该覆盖层能阻碍固态电触点的形成。
为了避免这些缺陷，期望能提供一种连接器，当此连接器接触到电路板时，它能够擦拭接触点或电路板线路的表面以去除接触表面上的污染物和/或氧化物和薄膜。该发明涉及一种能克服上述缺陷的改良的环状连接器。
发明内容
该发明总的目的是提供一种具有机械柔性的连接器，该连接器可以擦拭与其相对的触点，去除可能沉积在将要连接该连接器的接触表面上的薄层或覆盖层，以致能够穿透这样的覆盖层建立电连结。
该发明的另一个目的是提供一种具有空心的易变形的环式柔性触点，该环式触点在其周边具有一个能充当刮板的扩大本体部分。
然而该发明进一步的目的是提供一种具有三角形扩大部分的柔性空心环式触点，该扩大部分包括一个径向外延的顶端，该顶端确定了触点的擦拭边缘，为了可靠地进行擦拭，环式触点的边缘被置于环的中心。
然而该发明另一个目的是提供一种用来连接两个电路板的柔性触点，该触点具有空心环的形状。该环具有连续的可导电的板带，板带确定了基础部分和接触部分。基础部分包括一个接触一部分第一电路板的基底，从而基底确定了两个区，在这两个区施加焊剂使该环式触点与第一电路板接触，并且该环式触点还包括它的接触部分的扩大区，其形成沿环体横向延伸的触点的擦拭边缘，扩大区从环式触点的本体部分径向外延至顶端，并且擦拭边缘与顶端相重合。
该发明通过它的结构达到了这些目的。在该发明的优选实施例中，微电子设备使用小导电空心环电连接并且安装在电路板或其它平面上，其中小导电空心环位于电子设备的电接触点和电路板或衬底之间。每个环都包含围绕着环的几何中心延伸的、连续的柔性或挠性导电材料的板带，但是每个环至少包括一个具有顶端的凸起。
由于触点是在第一和第二电路板之间形成，所以当环变形时，它倾向于向外弯曲。结果在弯曲的过程中，凸起顶着第二电路板做直线运动。然后凸起的顶端刮擦或刷拭环挤压的接触表面。凸起的刷拭作用有助于去除它所刷拭表面上的物质，因此能改善电连接。
通过下面详细的说明，将能更好地理解该发明的这些和其它的目的、特点和优点。
在详细描述的过程中，将会经常参考附图，其中图1是根据该发明原理构造的单个导电空心环的透视图，并且在环体的外表面上有一凸起，该凸起具有一个顶端；图2是图1中导电环的第二透视图，只是采用的角度不同；图3是一个导电空心环的正视图，它表示了环和凸起的截面，并且也表示了松弛状态下环的高度D；图4是图3中环的端视图；图5是与图3相同的视图，但是图5说明的是由于径向施加于环上的外力而处于变形状态的环，并且表示了环高度的下降；图6是图5中变形环的侧视图；图7是一个图解视图，表示了该发明的环怎样被置于两曲线弹头式交叉的内部，其中这两个曲线具有相同的曲率并且形成了被称为向下的卵形线的形状；图8是另一个图解视图，表示了环上的凸起的几何定位和凸起顶端的几何定位；图9是一个正视图，表示了为在衬底和设备之间提供电连接而置于它们之间的多个环；图10是图1中环的透视图，环被置于载板上H形缺口的上方；图11是图10中环的透视图，环被置于载板上H形缺口中适当的位置；图12是一设备的截面图，该设备是通过图1至12中表示的环机械地电连接在衬底上；图13A表示了该发明的环式触点的正视图，在该图中用虚线叠加了触点偏转形态；图13B是与图13A相同的视图，但它表示的是加载后环式触点的形变和环式触点扩大部分的擦拭运动；图14是以阵列形式布置在衬底上的该发明的环式触点的透视图；图15是根据该发明构造的环式触点的另一实施例的侧视图。
首选装置的详细描述图1是根据该发明的原理构造的单个导电空心环10的透视图。导电空心环10最好由一种柔性(挠性)的导电材料做成，并且用于把电子设备连接到电路板或其它衬底上(图1中没有表示电子设备和电路板或其它衬底)。在环状以及圆筒状的情形中，导电空心环一般以空间中的一点12为中心，图4中所示导电空心环的旋转轴线14正好通过该点。点12最好是导电空心环10的几何中心，但也可以不是它的几何中心。
环10有一个基本上是圆形的内表面16、一个连续的外表面和一个壁厚(图中没有用数字标明但是由于它在内外表面之间而被清晰地表示出来)。从图1中可以看出，环10的外表面18上具有一个局部突出或凸起20，凸起20是沿着环的一“边”突起的，图中它的位置在钟面11点和12点的位置之间。这个凸起具有一个高点或顶端22，该顶端22是在导电空心环的外表面上距离环中心点12最远的一点。顶端22最好并且也最容易在生产环的过程中形成，因此顶端22是由和环10相同的材料做成的，但是凸起20也可以用其它的方法在环10上形成，如沉积或类似的方法。
在优选的实施例中，环10可以是非常小的，它的直径约为500至1000微米。如此小尺寸的环10最好用已知的技术，如石版印刷术和电镀成型技术制造。环的底部可以具有如图1和图2所示的扩大部分，或者它可以是完全弓状的并且最好是圆形的，如图3和图5所示。
图2表示的是图1的环10，其顺时针转动以致凸起的顶端22在12点整的位置，也就是指向图2的顶部。在图1和图2中，环10处于松弛的状态。正如在下面更加充分描述的，环10将因垂直施加于其上的力而变形。由于力F的施加，环变形的直接结果使凸起20及其顶端22移动或平移。如在图13A中最好示出的，这个运动最好是环体在一个水平面内的左右运动。依靠将要焊接环10的表面，环10顶端22的运动使顶端移动或“刷拭”其相对的表面，并且刷拭或擦拭动作把妨碍电信号的物质从表面上去除。
图3显示了图1和图2中环10的侧视图，其中环10处于松弛或没有变形的状态，并且与图1和图2中的方向相比环被倒置。图2也表示了具有基本圆形横截面的环10和具有基本三角形横截面的凸起20。在图3中，凸起20及其顶端22被表示在6点整的位置，也就是顶端22位于从焊有环10的表面23上引出并垂直于该表面的几何直线上。在松弛的状态中，凸起20的顶端22和环10周边上与该顶端直接相对的一点之间的距离在图中用符号“D”表示。由于凸起增加的厚度，这个距离当然要大于环的直径。
图3也表示了可被置于环外表面18上的两个镍金属焊剂挡块68和70，这两个挡块被置于凸起两边的环周上，并高于凸起。在优选实施例中，焊剂挡块68和70可以采用相对窄的镍条覆在外表面18上，这样当环用软焊的方法固定在衬底上时，焊剂挡块能阻止焊剂从示于图1、图2、图13A和图13B中的衬底部分通过毛细作用把焊剂带到整个环上。作为选择，用已知的方法，挡块可以由镍构造成，并与环体成为一体。
图4表示了松弛的焊接环10的端视图可被认为是穿过环10几何中心的旋转轴线14。该图也表示了一个挡块70关于凸起20的相对位置。
图5至少描绘了当环10受上方或垂直方向的力而被压向金属表面23时环10的一种变形方式。施加于环10上的力用“F”表示。如图5所示，环10可以变成长椭圆形或椭圆形，并且它最好能变成如图13A和13B所示的压缩的或压扁的梨形。如图5所示，随着环10的形变，凸起20的顶端22倾向于以基本水平的方式横向地在金属接触面23上从第一或起始点25向一侧移动到第二或终点27。由于顶端顶着表面，所以在这样的运动中顶端22将在起始点25和第二点27之间刮擦、刷拭或擦拭表面23，并且在该过程中顶端22将穿透表面23上的薄膜或物质并由此在环10和随后将焊有被压缩的环10的金属表面23之间建立一个清洁的接触。图5中起始点25和第二点27之间的距离为擦拭距离“S”。在环10下并在擦拭距离“S”内的表面23将被顶端22刮擦或擦拭，从而去除任何阻碍表面23和环10之间电连接的层状物质。
再次参考图13A，能够看到环102的向右变形(向左变形也是可以理解的)并且环102是绕两个弯曲点AA和BB环接或弯曲。弯曲点AA出现在环102与焊锡带104连接的地方或在一些应用中出现在环102与基底105连接的地方，基底105或者作为环式触点的一部分直接形成，或者作为单独元件连在环体上，而弯曲点BB出现在环的相对侧上，在此处凸起或环体加厚部分与正常厚度部分相连。图13B表示两个弯曲点确定了一条直线AB，该直线与安装环式触点的电路板100之间的夹角为锐角。
在图4中，当环10处于松弛状态时，顶端22和与该顶端沿着直径相对的一点之间的距离为图5中所示的距离“D”。如图5所示，施加在环上的径向力F促使环10形变并且也促使顶端22横向滑动。因此从表面23到环10顶端之间的最大距离下降到D′。
图6表示了由于径向压力F而从松弛状态径向压缩的环10的侧视图。图6中环10的总高度降低，这使得环由于变形而滑动，如图5所示。当环10被压缩并且信号传导表面被刷拭后，由于施加在环10上的力，环10、连接在衬底上的设备和衬底导线被全部波焊在一起。在可选实施例中，环10被压缩而刷拭表面，然后被放松并被焊接。在这两种情况下，为了让顶端22擦净焊接表面而使顶端22顶着焊接表面，这样将改善衬底表面和导电环10之间的电连接。
在图1和图2中表示的凸起的实施例中，凸起的横截面最好是等腰三角形，该三角形由从顶端22引出的凸起20的外表面形成，并且两表面之间的夹角为一钝角。因此凸起的横截面可以被认为是三角形的。在图3和图5中，可以看出凸起20的横截面也是三角形，但是在其它实施例中，凸起的横截面可以是抛物线、椭圆和向下的卵形线(dropped ogive)。
卵形线是由两个具有相同曲率半径的曲线弹头交叉形成的曲线。向下的卵形线是每条交叉曲线的曲率中心位于另一条曲线内侧的卵形线。
图7表示了一个围着环10的向下的卵形线24的例子。第一曲线26有一个曲率半径，该曲率半径为位于第二曲线28内侧的中心点32到曲线的距离。第二曲线有一个由同样距离限定的曲率半径，但是该曲率半径有不同的曲率中心30，该曲率中心30位于第一曲线26的内侧。
在图7中附图标记10表示的虚线圆限定出图1至图6中显示的环的轮廓。在两曲线26和28交叉点34的下方并在环10的外侧的区域对应于凸起20的横截面。
图8至少描绘了一种在至少一个实施例中怎样在几何上确定顶端和凸起形状的方法。在图8中，环10的两个半径40和48之间的夹角44确定了一个弧46。顶端22的几何位置是在正割线42上，正割线42是由环10的第一个半径40延长通过环10并且直到与直线50相交而形成的，其中直线50是在第二半径48与弧46相交的地方与第二半径48相垂直的。
本领域普通技术人员可以理解，顶端22的实际位置可与图1至8中的描述有所不同。不应该认为对顶端22如何几何定位的描述是必要条件。相反，该描述可用于近似实际装置中的环10的顶端的位置。本领域普通技术人员也可理解，实际环10的横截面将不是严格意义上的“三角形”、“抛物线”、“椭圆形”或者“向下的卵形线”的形状。在该发明的实际实施中，环表面的线性和曲率近似上面对形状和表面的描绘和描述。
再次参考图9，它表示了具有信号轨道82的衬底80，微电子设备88机械地电连接在该衬底上。衬底80可以具体化为一个印刷电路板、一个陶瓷芯片载体或其它不导电的平面设备，其中不导电的平面设备为电信号承载导电轨道或途径。
电子设备88的电接触表面86利用几个上面提到的导电空心环10被连接到衬底80的导电轨道82上。每个导电空心环10被焊接83或用其它的方法电连接到平面衬底80上的相应导电轨道82上和电子设备88上。然而为了清楚起见，在衬底导电表面82之间的焊锡带被省略，但是能够看到置于环10和设备88接触表面86之间的典型的焊锡带83在凸起20的正上方。如图所示，每个环10的凸起及其各个凸起20所带的顶端22被置于导电表面82的上面，其中环10将被焊接到导电表面82上。
如图9所示，至少有一个环10的凸起20及其顶端22的尺寸、形状、位置和布置如此确定的，以致当电子设备88被向下压向衬底80而使环10受到挤压和变形时，顶端22将刮擦与其相应的导电轨道82。
图9的实施例表示了每个环10的进入纸面的旋转轴线14，但是可选的等效实施例中包括将环10排列起来以使它们的旋转轴线14位于纸面内。在这样的实施例中，至少沿着设备的一条边缘，旋转轴线14将基本上在一条直线上。
然而在另一实施例中，每个环的旋转轴线14可以任意确定方向或如图14所示的呈辐射状。但是为了使环10不倾斜或转向，旋转轴线14最好与衬底80和设备88中的至少一个的表面平行，这样也使得接触表面最大化，其中焊剂是通过该接触表面把零件焊接在一起的。
当环10用于把部件连接到衬底上时，环上最好具有两个镀镍的焊剂挡条或挡带68和70，其中挡带68和70沿着环10的侧面从一个开口端延伸到另一个开口端。镍带68和70能阻止焊剂通过毛细作用带到整个环上，因此保证了柔性环侧壁的至少一部分不会被焊接并且保持柔性。
图10描绘了多环连接器2的单个导电空心环10，它在基本平坦的绝缘柔性薄膜60的正上方，绝缘柔性薄膜60如聚酰亚胺薄膜及其等价物。薄膜60被切割或成型从而薄膜材料被有选择地去除，以致移除的薄膜材料形成了字母“H”的形状。在图10中，可以看到H形的缺口62有一个中间基础部分，其中该中间基础部分使彼此分开的腿部相互连接，这样就共同确定了薄膜材料64，66的小的片状延长部，这两个延长部延伸到H形缺口62的中心。薄膜64和66的这些薄片在三面脱离了薄膜60，它们也可以被认为是从薄膜60以悬臂的方式向外延伸并且彼此相对。假如柔性薄膜60经过适当地选择使之具有适当的弹性，那么当环10被挤入H形缺口62时，相对的薄片64和66将“向下”偏转，因此使得环10被插入薄膜60并由薄膜60无束缚地支撑着。
如图11所示，当环10的一半被挤过薄膜60时，环体将穿过薄片64和66，使薄片弹回到原位。因此H形缺口62使环的一半穿过薄膜60。每个环体与H形缺口的基础部分排列一致，并且通过薄膜下面或上面的几个环10的凸起的定位，它们相对于表面的位置就确定下来了。在环10被插入缺口62以后，环10由伸入环10内部18的薄片64和66在适当的位置无束缚地支撑着。通过在一片绝缘材料，如聚酰亚胺薄膜中制造几个H形缺口62，几个环10就可以在适当的位置被支撑并且也确定了彼此的方向。
本领域普通技术人员应该意识到薄膜60固定空心导电环10的能力将取决于环与缺口62彼此之间的相对尺寸。导电空心环10和H形缺口62都如此确定各自的大小和形状，从而当导电空心环10被插入并定位在缺口62中时，它们能彼此良好地接合。
在右一个可选的实施例中，环10的内部空间可以被具有弹性的绝缘材料，如硅树脂部分或全部填充。焊锡带可以把环10机械地电连到衬底80上，但是由于环的内部空间填充了弹性材料，当焊锡带阻止焊剂通过毛细作用流进环的内部空间18时增加了环的强度。
图12表示了一个安装在衬底80上的电子设备88如微处理器芯片的侧视图，其中电子设备是通过由上面提到的导电薄板60在适当位置支撑着的几个导电环10安装在衬底80上的。本领域普通技术人员将意识到设备88和衬底80的轨道(图中未表示)之间的电连接可通过上述的凸起20的刷拭作用而得到改善。除了提供改良的电连接，环10还提供了一个具有相对柔性的连接，通过该连接衬底80的震动和弯曲更加难以引起电连接的断开。
在优选的实施例中，导电空心环最好由能承受一个焊剂挡块的导电金属制成。铜、银和金都是极好的导体并且它们能与具备良好弹性的其它金属熔成合金；它们也能被局部地镀上焊剂挡块金属，如镍。环10也能由镀金属的塑料做成。
环10最好用电子领域中已被熟知的电铸法制造。环10也可以使用已知的平板印刷技术制造。虽然能够实现500微米小的环，但是较大尺寸的环，例如达到并超过1000微米的环，在一些应用中更加易于处理。
可以理解，在不背离该发明宗旨的情况下，在此公开并且要求得到保护的本发明可以具体化为其它特殊的形式。例如先前讨论的柔性空心环10具有单个凸起20并且凸起形成单个顶端22，在至少一个可选并等价的实施例中环10具有包括多个顶端或刮擦点22的凸起。在又一个实施例中环10具有多个凸起20，每个凸起具有一个或多个顶点或顶端22，以致当环被径向压缩时它将随着环的压缩而在多个点处刮擦表面。这样一个可选实施例将提供一个也能刮擦衬底上和设备上接触表面的环10，其中设备是通过环10连接到衬底上。
该发明的触点可以用在插入应用中。比如图14所示，多个触点200辐射状地布置在衬底202上。因为触点具有中空开口，所以它们提供了改良的热性能，因为开口充当着空气的通道，如图14的箭头204所示。触点可以用在插座和其它类型的应用中。
图15是根据该发明原理构造的连续环状的另一种弹簧触点300的端视图。在这个实施例中，环300具有一对凸起的区域302和303。这些区域包括多个从环的外表面基本径向向外延伸的擦拭臂305，而不是单个凸起的部件，如前文描述的凸起。擦拭臂305是沿着环长度方向彼此分开的。如图所示，环体在支撑擦拭臂的地方比环体的侧面厚一些。
权利要求
1.一种用于将电子设备的电路与安装平面上的电路相互连接的弹簧触点，包括由柔性材料围绕几何点延伸而成的连续环，该环具有环绕中空内部的主体，该主体包括内表面和外表面；以及至少一个从环体外表面延伸的凸起，凸起具有两个侧面，这两个侧面从环体外表面延伸到相交位置，由此确定该凸起的顶端。
2.如权利要求1所述的弹簧触点，其中当环受到压力时，环的顶端做直线运动。
3.如权利要求1所述的弹簧触点，其中凸起具有一个基本为向下的卵形线形状的横截面。
4.如权利要求3所述的弹簧触点，其中向下的卵形线具有基本位于第一个弧的正割线上的顶点，所述的第一个弧的正割线是对环的圆形横截面上的弧确定的扇形的一个半径进行延长，直到与一直线相交所确定，其中该直线是在扇形的第二半径与第一个弧相交的地方与第二半径垂直的。
5.如权利要求1所述的弹簧触点，其中凸起的横截面具有抛物线段的形状。
6.如权利要求1所述的弹簧触点，还进一步包括绝缘薄板，该薄板上具有H形的缺口，H形缺口确定了第一和第二薄片，环体被放在H形缺口中，并且第一和第二载体薄片至少部分延伸至所述环的空心内部中。
7.如权利要求6所述的弹簧触点，其中薄板包括一片聚酰亚胺薄膜。
8.如权利要求6所述的弹簧触点，其中薄板是由柔性材料制造的。
9.如权利要求1所述的弹簧触点，其中所述环包括金属环。
10.如权利要求1所述的弹簧触点，其中所述环包括塑料环，塑料环的外表面涂覆有导电材料。
11.如权利要求1所述的弹簧触点，其中所述环是用平板印刷技术制造的。
12.如权利要求1所述的弹簧触点，其中环体包括第一和第二焊剂挡块，焊剂挡块至少被置于环的外侧表面并且沿着环的圆周彼此间隔开。
13.如权利要求12所述的弹簧触点，其中第一和第二焊剂挡块在环的圆周上基本彼此相对地设置。
14.如权利要求12所述的弹簧触点，其中焊剂挡块是由镍制造的。
15.如权利要求1所述的弹簧触点，其中所述环具有在大约500微米和1500微米之间的直径。
16.如权利要求1所述的弹簧触点，其中所述环包括扩大的基础部分，该基础部分与所述凸起相对地设置。
17.一种用于连接到电子设备的衬底，包括平面衬底，它包括多个能够承载电信号的导电轨道；多个导电空心环，每个环被连接到平面衬底上的至少一个导电轨道上，每个环是由围绕几何点延展的柔性材料形成的并且每个环都具有空心内部；环具有从环的外表面延伸的凸起，凸起具有顶端，顶端被置于环的外表面并且被如此布置从而当电子设备压在环上时顶端做直线运动。
18.如权利要求17所述的衬底，其中凸起具有向下的卵形线形状的横截面。
19.如权利要求17所述的衬底，还进一步包括绝缘的薄板，在薄板上设有多个H形缺口，每个H形缺口确定的两个相对的薄板的第一和第二承载薄片，每一个H形缺口在其中接受一个环，第一和第二承载薄片伸入环的中空内部。
20.如权利要求17所述的衬底，其中薄板包括一片柔性薄膜。
21.如权利要求17所述的衬底，其中凸起包括多个擦拭臂，擦拭臂是彼此分开的并且从环体的外表面向外延伸。
全文摘要
多个导电的柔性小空心环(10)能在衬底(23、80、82)和微电子设备部件(88)之间作为柔性连接介质使用，每个小空心环是由柔性材料制成。每个环在其外表面至少有一个凸起(20)。这个凸起有一个尖端或顶端(22)，当顶端顶着表面，并且环受到径向力压迫时，凸起的顶端将刷拭或刮擦表面。用凸起的顶端刷拭接触表面，可以去除那些妨碍电信号的表面污染物和层状物质。
文档编号H01R13/22GK1930736SQ200580005323
公开日2007年3月14日 申请日期2005年5月27日 优先权日2004年5月28日
发明者野田敦人, 星川重之, 池田博 申请人:莫莱克斯公司