专利名称：各向异性导电和导热结构的制作方法
背景技术：
发明领域本发明主要涉及具有大的相隔很近的导电触点位置阵列的诸如集成电路器件之类的电子元件的电和/热互连。特别地本发明是一种由电介质材制成的各向异型的传导基体，至少有一个导电和/或导热元(element)通过介质材料延伸，以通过基体沿至少一个方向提供电气和/或热传导。更具体地说，本发明是一种弹性基体，具有至少一个通路，所述通路包含由导气和/或导热元制成的传导件(member)，更好是在一种聚合物粘合剂中。传导电元具有最大的尺寸是(ⅰ)通过基体的通路长度的大约5％到大约120％，和(ⅱ)通路宽度的大约10％到100％。导电元的尺寸和形状以及粘合剂和基体材料的性质可以选择，以在每一个通路中提供导电件，它们具有特定的电学和/或热学性质，以及硬度，以在电子器件的接触位置之间形成可靠的互连。
相关技术的描述为了在高密度电气连接时减轻与C-4或焊料珠连接系统相关联的许多问题，希望在电子器件和器件所电气互连和机械安装的封装之间具有柔性的连接。现有技术中已知许多用于气连接的各向异性的例子导电插入物，它们由有回弹力的介质基体材料构成，具有横向延伸贯穿的导电元的离散结构。虽然介质基体材料的性质在电气互连中起主要的作用，但还应该知道导电元的性质对由有回弹力的插入物提供的连接的质量具有显著影响。
例如，连接器中的导电件必需足够的回弹力，以适应要互连的电子器件上的触点之间高度差，防止在易碎的触点上不适当的应力以及提供可再度使用的用于测式和焊接(burn-in)应用的结构。但是，在有回弹力的连接系统中的导电件必须足够坚硬，以提供触点擦拭以穿透器件上的配对触点上的表面薄膜、碎片以及氧化物层，以使接触电阻最小。
例如，5,049,085号美国专利(授权给Reylek)描述了一种各向异性的导电聚合物基体，包括聚合物层和薄膜(最好事实上粘合剂，并有多个导电件贯穿其间。最好设计为管状的导电件最好由淀积在聚合物层中的孔口壁上的金属制成，厚度大约100到大约0.005英寸(0.013cm)。’85号专利指出，当导电表面的厚度增加时，导电件壁变得更硬和更不能变形，这由于无法适应要互连的电子器件的配对触点的高度和形状的变化而降低了接触效率。
为了适应配对触点中的这种高度/形状的变化，在现有技术中熟知，在具有回弹力的基体中的导电件可以包括(在有回弹力的粘合料中的导电粉末)。例如，4,008,300号美国专利(授于Ponn)描述了用于电路板之类的互连的多个导电件。将由在有回弹力的液体媒介物中的导电粉末的浆料构成的导电材料填入弹性基体中产生的缝隙中，使导电材料突出在弹性基体的表面之上。由’300号专利中描述的连接器中的有回弹力的触点提供的压力接合的连接保护了精密的电子器件在连接过程中不被破坏，并且适应配对的触点的形状和结构的变化，但是在弹性媒介物中的导电粉末的组合不能提供坚硬得足以在配对的触点上提供较好的擦拭作用的导电件。类似的缺少擦拭作用可以从授予Casciotte等人的5,037,312号美国专利描述的连接器中预见到，其中，弹性基体材料中的导电件由载有导电微粒的有回弹力的凝胶体构成。
授予Calhoun的5,275,856号美国专利中描述了一种导电粘性带，具有至少一个柔软的载体带，它具有压在粘附层上的较低粘性表面。带由多个穿孔构成，每一个穿孔都填了导电微粒。导电微粒可以包括金属、涂敷了金属的聚合体微粒和石墨。’856号专利的例子中使用的微粒的费氏微筛尺寸是大约2.2到大约7μm，并且微粒被放置在粘性基体的通路中，它的最大宽度是大约0.1mm，深度是至少0.5mm。导电粘性带能够在其厚度上载有大约10amps/cm2的电流。
在较好的应用中，Calhoun的‘856号专利中的穿孔不仅包含导电微粒，还有有机粘合剂，它可以将每一个穿孔中的微粒粘结为耐用的柱状导电件。可以选择粘合剂以影响导电件的性质，例如，当构成连接时允许柱体毁损(collapse)，提供回弹力，或添加到由粘性层提供的粘性结合物。当使用时，典型地，粘合剂贡献从导电件体积的大约1到大约50％，虽然导电微粒的体积部分可以调节以控制导电率。
‘856号专利指出，当中的导电微粒是软性的，施加给要互连的电子器件上的配对的触点的适度的手的压力可以弄平微粒，以提供较小的平坦的导电区域，其中每一个微粒和另一个微粒或电极接触。因此，与上述具有导电微粒的其它传统的连接器系统那样，’856中的导电件保护精密的电子器件在连接的过程中不受破坏，并且适应配对的触点的形状和结构的变化。但是，弹性媒介物中的导电粉末的组合均匀地分布接触压力，并且还不够坚硬得可在接触表面上提供较高局部压力，以在表面上产生擦拭作用。另外，在通路中的小微粒之间的接触点多样化可以期望对于电流流动产生过高的电阻。
因此，在本领域中需要这样的导电件，它具有回弹力以提供再使用性以及适应电子器件上的配对触点的形状和结构的变化，但是保留了某种程度的刚性，以提供较高的局部压力，并在配对触点的表面提供擦拭作用。导电件还应该在配对触点之间传导足够数量的电流和/热能，并必须对于电流和/或热能流具有较低的阻力。
发明概述本发明是一种导电结构，包含具有第一表面和第二表面，或至少一条将第一表面连接到第二表面的通路的介质基体。通路容纳导电件，导电件包括导电和/或导热元，它们最好在粘合剂中。导电元的最大尺寸是(ⅰ)贯穿基体的通路的长度的至少大约5％，较好地大约5％到大约120％，(ⅱ)通路的宽度的至少大约10％，较好地大约10％到100％。导电元可以都全部容纳在通路中，或延伸到通路外面，超出基体的表面。选择导电元的尺寸和粘合剂的性质以提供导电件，其模数为大约1MPa到大约200MPa，较好地为大约2MPa到大约50MPa。本发明的连接器可以用于连接通常位于基体的第一表面上的第一电气或电子器件上的第一导电表面和通常位于基体的第二表面上的第二电气或电子器件上的第二导电表面。
本发明还包括一种方法，用于制造导电结构，该方法可以包括形成具有至少一个通路的基体材料，在基体的表面上覆盖导电和/或导热元的浆料(它们最好在粘合剂中)，从而导电元和/或导电元与粘合剂进入基体材料中的通路以从基体材料的表面去除多余的浆料，从而导电元素和/或导电元素与粘合剂保留在通路中。粘合剂(通过有的话)可以通过适当的方式固化(用热、在室温、用光化学辐射等等)因此。通过任何已知的方法，包括例如机械打孔或激光钻孔，或通过在具有离散突出物结构的模具上浇注基体材料，通路可以在基体材料中形成。
形成在基体材料中的导电件中的导电元比用于传统的导电件中的微粒大许多。增大元素的尺寸意味着，就平均而言，传统的系统相比，在任何一个通路中导电元的数量较少。假设一个给定的导电元型号和粘合剂，在较大的导电元之间的微粒之间的摩擦和抵触(interference)提供了一种导电件，它比包含较大数量的极细微粒的传统的连接器中的导电件更硬(例如，具有更大的模数)，同时又比固体导电件保留了更大的柔顺性。
导电元的回弹性使本发明的导电结构可以再用，基体中的每一个导电元都可以适应电子器件上的配对的触点的形状和结构的变化。但是，较大的导电元或固化的粘合剂/导电元素具有有限的横向的自由度，并阻止在通路中的相互移过，因而形成柱状结构，以增加在配对触点的表面上的擦拭作用。和具有许多小导电元的传统的导电件相比，每一个通路中较大的导电元的较少数量提供了少量的导电元与导电元的接触点，这降低了串联电阻，增加了各个导电元和接触位置之间的接触压力，而且增加了载流能力。由于界面电阻依赖于施加的力，故较大的微粒也降低了获得低阻接触所需的压力。
附图概述
图1是一种可以和本发明的导电结构互连的电子器件的示意图；图2是本发明的连接器的截面图，该连接器用于将第一电子器件和第二电子器件互连；图2A是带有通常为方形截面的通路的本发明的连接结构的俯视透视图；图3是本发明的连接结构的透视图，该连接结构用于将第一电子器件和第二电子器件互连；图4是本发明的具有较大的导电凹槽的连接结构的透视图；图4A是本发明的电子组件的实施例的透视图；图5A是用金刚钻加工机和电成形的金属工具的示意图，该工具用于模制例1的导电结构的弹性基体；图5B是图5A所示的工具的突出部分的轮廓；图6是本发明的导电件的截面图；图7A是如例1中所述的本发明的连接器的一个实施例的接触电阻对施加压力的曲线图7B是如例1中所述的本发明的连接器的一个实施例的施加压力为100psi(0.69MPa)的接触电阻的曲线图；图8是本发明的导电件的截面示意图；图9是本发明的导电结构的接触电阻对平均微粒直径的曲线图；及图10是本发明的导电结构的接触电阻对平均微粒直径的曲线图。
典型地，本发明的传导结构放置在具有第一组多个触点的第一电子器件和具有第二组多个触点的第二电子器件之间，并施加压力，以产生电和/或热互连。例如，图1示出在其表面上具有金属的电路线条阵列12的第一电路板10，并且该电路板10包括第一组触点14。第二电路板20在其表面上包括金属的电路线条阵列22，并包括第二组触点24。如图2-3中所示，本发明的连接器30可以用于将第一电路板10上的第一组触点14和第二电路板20上的第二组触点24互连。本发明的电连接器30可包括具有第一表面34和第二表面36的基体32。在这个实施例中，基体32包括至少一条(最好是多条)横向通路40，所述通路从基体32的第一表面34延伸到其第二表面32。通路40包含导电元42和可选的粘合剂(图中未示出)。当施加连接力F，以将第一电路板10压向第二电路板20时，插入的导电元42相互作用，和制成基体32的材料相互作用，以及和可选的粘合剂相互地作用，以形成柱状结构，它在连接器30中作为导电件45。然后，导电件在电子器件上的触点14和触点24之间提供电和/或热互连。电子器件上要互连的触点可以是各种形状。具有可和导电件相互作用的形状或结构的触点的任何装置都可以用作连接点。例如，金属条、金属线、焊料珠和它们的组合可以延伸入或附着到传导电件以提供互连。如下面将更详细地说明的，导电件45的硬度以及电学和j或热学特性可以为专门的触点形状和互连应用而精细地调节。例如，在第5,049,085号美国专利(授予Reylek)中指出的，通路的壁可以镀一层金属层，以增加传导性。
典型地，通路40将在基体32中形成阵列或重复的图案，虽然不必处处具有相等的间距。阵列中的通路40的间距可以根据打算的应用而大大改变，虽然通路40不得最小的分隔距离更近，以当在使用中被压缩时避免不同的通路中导电件之间的短路。通路40可以只形成在基体32中相应于要互连的触点14、24的地方。但是，典型地，通路40中的导电件以比配对的触点14、24更小的间距在整个基体32上设置为规则的阵列，这免除了专门使导电阵列和要互连的电子线路板或器件取向的需要。
基体32中的通路40可以根据打算的应用而具有各种几何形状。除了图2的截面图中所示的大致上为圆柱形状之外，通路40可以具有规则的或不规则的形状。例如，图2A示出了基体32的另一个实施例，它具有规则的通路40的阵列，通孔截面为方形。另外，可以使用诸如圆锥、角锥、半球、方形、立方体、多面体、平行六面体、它们的组合和自然存在的各种变化的截面形状。当本发明的连接器用于如图2中所示的间隔很近(例如隔开大约0.6mm到大约0.2mm)电极的互连时，典型地，每一条通路可以具有小于大约0.2mm的直径，最好小于大约0.05mm，通路的中心到中心的间隔小于大约0.2mm，而不会有短路的危险。
但是，通路中导电件的间距和几何形状可以根据打算应用而大大变化。例如，如图4中所示，为了在某些电子器件(未示出)之间提供电气互连，在本发明的电连接器130中，基体132中从第一表面134延伸到第二表面136的通路140可以制成凹槽状。然后导电件145是导电槽沟道，可以用于将与第一表面134相邻的第一器件上的触点连接到与第二表面136相邻的第二器件上的触点。另外，凹槽状的导电件145具有露出的导电区域，也可以用于沿基体132的第三表面135形成电和/或热连接，其大致上垂直于连接器130的第一和第二表面。
例如，如图4A中所示，第一电路板162上的电路线路160的第一阵列方以连接到第二电路板262上电路线路的第二阵列，并且第一电路板162通常垂直于第二电路板。电路线条260沿基件132的第三表面135和导电件145的露出的导电区域接触。而电路线条160在基体132的第二表面(未示出)处接触导电件。在这样的安排下，夹紧部件270施加压力，以沿从第一表面134到第二表面136的第一方向以及通常垂直于第三表面135的平面的第二方向使基体132和电路板162、262压力接合。压力接合使基体132偏移以在线条160和线条260之间提供可靠的电和/或热互连。
通路中导电件的安排和形状可以根据打算的应用大大改变。例如，在图2的连接器30中，导电件42可以是大致上为球状微粒、薄片或例如圆形或矩形截面的金属线的部分，它们在通路40中的顶上和旁边中相互堆叠。在图4的连接器130中，导电件142例如可以是例如大致上在通路140中顶上相互安排的较大的金属线(在图4中例示了各种导电件的形状)。如果必需提供电或热的连接位置，金属线、金属线的部分或薄的金属带可以在基体平面的上面和下面延伸。不管为特殊的应用而选择了哪种导电件的安排，通路中的导电件应该安排和放置得在部件中相互接触，并在第一电子器件和第二电子器件压力接合时提供低电阻、串联和并联的电和/或热互连。
在基体的表面上可以提供保护层，以保护导电件不被污染和腐蚀，和/或为导电件提供额外的机械支持。
为基体选择的材料必需是电介质，并且必需具有适当的性质，以保持通路中导电件的形状和硬度，从而保持可靠的的电和/或热的互连。对于基体材料，已经发现在装配中对加工具有足够的结构完整性的热塑性材料、热塑性弹性材料或热固性材料是有用的。在一些应用中，尤其在当必需把硬的金属触点插入通路中以和导电件接触时，基体可以由更坚硬的材料，(例如，陶瓷材料或注射模制的塑料)制成，以将触点引入位置。如果需要附着到基体的相配的表面，则基体材料可以是热增粘的、压敏的、热熔化的或环氧基树脂基体的粘合剂，如在第5,049,085和5,275,856号美国专利中所描述的那样。
基体材料最好是一种弹性体，诸如，例如硅聚酮、氟弹性体(fluoroelastomer)、氨基甲酸乙酯、丙烯酸盐、丁基橡胶或乳胶。硅橡胶较好，聚乙烯硅氧烷最好。一种特别好的硅氧烷材料是在待审批和由Biernath等人共同提交的美国第08 649,504号申请中的聚硅氧烷。粘合剂最好是可在室温固化的，以保持已模制部分的尺寸完善，但是也可以是可热固化的。
硅弹性体可以被容易地浇注在工具和模具上以及去除，以形成多孔(perforated)基体结构。另外，硅树脂的高温性能和低蠕变特性提供了稳定性。乙烯基硅氧烷特别适用于本发明中，以提供耐热性、形状(mold)特性准确复制和良好的脱模特性，以便于制造。
在基体中的每一条通路中的导电件可以包含导电或导热微粒和它们的组合。导电元可以包括金属，诸如，例如，铜、金、银、镍、钨、锡、铅、钯、铋、铟、镓和它们的合金。导电元还可以包括金属化的聚合物或金属化陶瓷，诸如铝土、硅土、玻璃、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚醚和石墨。导电元还可以包括非金属的导热材料，诸如铝土、氧化铍和氮化硼。导电元可以用各种形式提供，诸如，例如，微粒、金属线、细丝、包箔的纺织绞合线(foil-wrapped textile strands)和金属化的薄片，传导可以具有各种规则和不规则的形状，例如球、圆柱、薄片和细丝。在上述材料中，用于导电的金属微粒是较好的，诸如固体镍或铜、覆银的镍或铜、纯银、覆镍的石墨、覆金的镍和它们的混合物。本发明中使用的微粒的努氏硬度是大约20到大约7000，最好是大约50到大约3000。
用于本发明中的导电元最好还有具有许多凹凸不平的或尖锐、小半径表面特性的粗糙的外表面。相信这些凹凸不平和尖锐的特性提供了“擦拭作用”，它切入电子器件连接位置处的氧化物和碎片，以提高触点和通路中的导电微粒之间的电连接的质量。
本发明中使用的导电元具有平均最大尺寸是从基体的第一表面到基体的第二表面，沿互连的电子器件之间的电流的方向而穿过通路的长度的至少大约5％，较好是大约10％到120％，最好是大约25％到50％。传导元还具有一个平均最大尺寸是通路宽度的大约20％，较好是大约20％到大约100％，最好是通路宽度的大约50％。为了本发明的目的，可以通过现有技术中适当的方法，例如用可从Olympus买到的商品名称为Cue-2的图像分析器通过空气分级和筛分而测量和计算传导元的尺寸分布。
较好地，在每一个通路中有少量的，甚至单个的传导元。传导元可以在通路内，也可以凸出到通路外面，以及延伸到基体表面之上。如上所述，每个通路中少量的较大的传导元提供了用作“柱状物”的传导件(它具有比由大量细小的颗粒构成的传导件更大的刚性)。如果使用，这个较大导电元的团因为传导元间的摩擦和抵触以及至粘合剂的附着力而产生较高的表面压力。由于导电元的尺寸接近于通路的大小，有限的横向自由度意味着在受压下导电元抵制互相移过，并产生较大的局部接触压力以突破点污染，并提供和电子器件上的接触位置可靠的接触。
虽然这些少量的导电元具有固体导电件的许多特性，但本发明的多传导的传导件的柔性足以调节，至需要互连的电子器件上配对触点位置的不同高度。本发明的导电件的大多数的柔顺性是由于导电件之间的相互作用和相对运动引起的，而不是如传统的材料(具有固体导电件)的弯曲和传导元压缩。和由许多的细小微粒构成的导电件相比，少量的传导电元也提供了更象固体导电件特征的电气特征，诸如低电阻和较大的载流能力。由于每一条通路中的传导件可以做得如填充物所允许的那么导电，而不可能短路，所以通过本发明可以得到良好的导电性。相反，传统的导电弹性体依赖磁的或其它取向处理以提供各向异性。这种处理常利用低的微粒密度，以防止可能短路，因此它们的导电能力有限。
通路中的导电件最好包含上述导电微粒和粘合剂。当使用时，粘合剂典型地提供通路体积的大约1％到50％。有用的粘合剂包括聚合体材料，例如诸如苯乙烯-丁二烯和ABC共聚物之类的橡胶树脂。
诸如环氧树脂和氰化物酯之类的热固化性树脂、诸如苯氧基化合物，聚砜、聚醚砜、聚乙烯醇缩乙醛树脂、氟硅氧烷、含氟弹性体之类的塑性树脂。粘合剂还可以包括热固树脂和热塑树脂的混合物，诸如4,769,399号美国专利中描述的。选出的用于本发明中的粘合剂材料最好是具有弹性的，因而聚乙烯硅氧烷较好。
固化的粘合剂的特性和导电元的数量、尺寸和形状可选择，以提供具有适用于特殊应用的模数的导电件。例如，典型地把导电件作得比基体更能抗变形以将压力集中在导电件上，由此提高接触力。如上所述，然后基体也可以做得比导电件更坚硬并引导电子器件上的进入通径触点。一个例子是一种具有球格栅阵列或其它需要准确地位于个导电件上的突出的触点的装置。在这种情况下，突出的触点用作集中接触压力的装置。于是本发明的连接器可以设计得在导电件、基体或两者方面具有机械顺从性。导电件在压力下轻微的压缩导电件，增加了通过结构厚度的导电性。
一个通路中导电件的模数可以通过添加固体导电元，诸如，例如，用低熔解温度的金属部分地填充通路，并用导电元填充通路的剩余部分(见下面的例3和图8)的方法来调解。低熔解温度的金属最好是焊料，诸如银焊料、铅焊料或汞合金。
本发明中的导电件应具有大约1MPa到大约200MPa的模数，更好是大约2MPa到50MPa，最好是大约3MPa到大约30MPa，以保证每一个导电件中的导电元和电子器件上的接触位置牢固接触，并切入接触面上的氧化物和碎片，以提高电气连接的质量。本发明中的基体和导电件的模数可以用本技术中已知的任何适当的装置测量，诸如可以用从Larson.Inc买到的商品名称为Model Super DHT的弹簧测试仪。
在两个元件被压力接合的电子应用中，本发明的连接器作为它们之间的临时或永久的插入物尤为有用。例如，本发明可以用于电子器件的试验和焊接，以及在器件和印刷电路板之间永久的电气连接。如果导电件的阵列之间的间隔足够小，可以在裸的集成电路芯片和它们的基片之间作直接连接。
为了用本发明的电连接器将第一电子器件上的第一触点位置连接到第二电子器件上的第二触点位置，将第一电子器件放置在连接器的基体的第一表面上，将第二电子器件放置在连接器的基体的第二表面上，即，将连接器放在第一触点位置和第二接触点位置之间(见图2)。将第一触点位置放得和包含导电件的至少一个或一组通路接触。把第二触点位置放置得和至少一条或一组相应的通路接触。然后通过任何传统的方法施加压力，诸如，例如，通过按压使硬外壳移位，或通过弹簧负荷，以偏移或压缩连接器的基体和导电件，而在第一触点位置和第二触点位置之间提供可靠的电气互连。
施加的压力依赖于打算的应用及电子器件的型号、通路的尺寸和形状、导电件的尺寸和形状而有大大改变，但通常需要大于大约25psi(0.17MPa)的压力，以对于大多数应用提供具有足够低的电阻(例如小于大约1Ω)的电气连接。但是，所施加的压力可在大约5psi(0.034MPa)到大约1000psi(69MPa)的范围内，最好是在大约50psi(0.34MPa)到大约200psi(1.38MPa)的范围内。
如图9-10中所示，本发明较大的导电元(平均最大导电元的尺寸大于15μm，较好的是50μm到大约300μm，放置在长大约0.025英寸(0.064cm)和宽大约0.005英寸(0.013cm)的通路中)对于施加的大约25psi(0.17MPa)到大约200psi(1.38MPa)的压力提供小于大约0.1Ω的电阻。
本发明的连接器可以用各种方式制作。形成基体的较好的方法是，首先用诸如金刚石车削机之类的机器在硬的塑料片材(诸如丙烯酸)中形成图案。这种机器具有极小的公差，从而可以以细的间隔形成各种图案阵列。然后可以用丙烯酸板制造金属图案，或者可以对金属板进行金刚石车削以提供具有大的宽高比的突出物的所需图案的工具，以产生具有所在很紧的公差下需形状的通路的基体。金字塔形的图案和得到的孔以及通路(其宽高比为2或更大)可以用金刚石车削得到。形成在工具上的薄膜的厚度由突出物的高度控制。工具还可以用激光钻孔和在孔中浇注聚合物或金属，在工具上形成突出物。
随后通过浇注或施加适当的聚合物电介质材料给金属板上的图案阵列中的突出物而形成基体。典型地将金属板上的突出物弄尖，从而聚合体在突出物周围流动，以在突出物的位置处形成孔。这一形成过程的结果是筛状结构，它具有从一个主表面到另一个主表面的开孔或通路。
在浇注步骤之后，固化的聚合物基体被从金属板上取下。用导电元填充或覆盖通路，以给整个结构提供导电件。可以以各种方式形成在通路中这些导电件。典型地，把导电元和粘合剂的浆状混合物被用刮刀式涂覆机压入通路中。在从基体的第一和第二表面将多余的浆料去掉后，如果需要，使粘合剂固化，以在每一条通路中形成导电件。固化可以用任何适当的方式(诸如加热)，通过暴露于湿气或辐射中。
制作基体材料的另一个方法是首先将在防粘料套(release liner)上聚合物介质材料并使之固。然后在衬套和基体中进行激光穿孔或机械冲孔以形成通路。然后用热和压力施加包含导电元的浆料，迫使微粒进入通路。第三种方法是在适当的阵列中在防粘衬套上形成导电件，然后用基体材料覆盖阵列，以形成最终的连接器。
将参照下面的例子进一步描述本发明，这些例子只是用于说明而不意味着限制本发明的范围。
例子例1根据图5A中所示的设计来制作由金刚石加工的基片200。在4.9818英寸(12.654cm)的距离之内形成，具有460条凹槽的第一图案202，并且垂直于第一图案而形成相同的凹槽图案204，从而产生一十字形阴影线设计。该基片用于制作一电镀镍的浇注工具，它具有图5B中所示的凸出部分(A=0.0071cm,B=0.064cm,C=0.0182cm,D=0.0275cm,α=9°55)。
将一种乙烯硅氧烷弹性印模(impression)材料通过用聚合物刮刀引到图5B所示的工具上，所述印模材料可以从3M公司买到，商品名称为3M#7302H。乙烯硅氧烷在室温下固化大约10分钟，并被从工具上剥下，形成多孔、片状的基体，如由上述工具的尺寸所规定的，该基体的厚度为大约0.025英寸(0.064cm)，包括一个通路阵列，间距接近于0.0108英寸(0.027cm)，第一端的宽度接近于0.0072英寸(0.0183cm)，而第二端宽度是0.0028英寸(0.0071cm)。
在基体的表面上涂覆一种的浆状混合物包括乙烯硅氧烷粘合剂溶液(它可以从通用电气公司买到，商品名称为GE RTV#645)，大约1PPM铂催化剂及7wt％(根据粘合剂的量)，的氢化物胶联剂和85wt％的(根据微粒和粘合剂总重量)Novament Lot#93-224“初粒度”镀银的镍微粒。
根据制造商的不同，银颗粒的直径范围从大约25到大约75微米。通过从Olympus买到的、商品名称为Gue-2的图像分析器测得的平均微粒直径为53.9微米。因此，在本例中，导电微粒的平均微粒直径大约是基体厚度的8％和通路宽度的50％。
使用下面的步骤测量微粒尺寸将微粒相互隔离地以单层的方式放置在载玻片上。然后将载玻片放在显微镜下，当得到所需图像时，使用分析器确定的微粒的尺寸分布。使用自动安排程序命令，使用预置的文件运行分析器的程序。对每个样品拍摄30张单独的图像，取这30张图像的平均ferets的柱状图作为微粒尺寸分布。利用由图像分析器得出的平均微粒尺寸数据。
将可从dupont公司买到的聚四氟乙烯(PTFE)薄膜放在多孔基体的上面和下面，并用碾子使混合物流入基体中的通路。去除PTFE薄膜，并用玻璃板从薄片的表面压出任何多余的混合物。然后使粘合剂在85℃下固化2分钟，以形成连接器的成品。图6中示出典型的导电件245的示意图(不按照比例)，其中在通路240内导电件245，具有导电元242(粘合剂未示出)。
连接器成品条被切割成接近于5.1mm×38mm×0.0635mm，并在室温下用在Larson测量仪Model Super DHT中通过一边施加压力一边记录得出的位移来测量。得到的连接器结构的模数是5.2MPa，延伸率为0.3％，应力为0.75MPa。
将0.20英寸(0.051cm)长×1.5英寸(3.81cm)宽的连接器(它的通路行和触点片成30度角)放置在两块硬的印刷电路板(具有50个镀金的触点片，间隔为0.032英寸(0.081cm))之间，用于电气试验。由Larson Model Super DHT弹簧测量仪施加压力，用于室内环境测试，而用弹簧加压夹具施加压力用于环境测试。
在各种得出的位移压力下，对50个电气触点对测量其四线电阻。图7A中示出在触点压力的范围内的电阻的平均值和范围，而在图7B中示出在100psi(0.69MPa)下所取的数据。
将薄片置于两块聚酰亚胺印刷电路板之间，由于不锈钢弹簧压在每块电路板背面的不锈钢弹簧条上而使两块电路板压力接合。压力在100psi(0.69MPa)下保持1800个小时，在85℃/85％的相对温度(RH)和-55℃到+125℃热循环下测量电阻随时间的变化。全环境测试的结果是在85℃/85％RH下的平均电阻是大约30mΩ范围大约为15mΩ的；而在-55℃到+125℃热循环中，平均电阻是45mΩ范围为60mΩ。
例2用例1中所述的步骤制造连接器。镍质浇注工具的截角棱锥图案具有比实施例1中更细的间隔，生产的通路具有间距为0.0031英寸(0.0079cm)，长度为0.004英寸(0.0102cm)，而通路宽度有锥度，从0.0015英寸(0.0038cm)到0.002英寸(0.0053cm)。由金制成的导电元直径为大约10-20微米。在这种情况下，导电元的平均尺寸是通路宽度的大约60％和长度的大约15％。基体和粘合剂材料以及制造及固化的方法和例1的相同。
将0.2英寸(0.51cm)×0.4英寸(1.02cm)的连接器(其中通路列和触点片成30度角)设置在两块硬的印刷电路板(具有50个镀金触点片，间距为0.008英寸(0.0203cm))之间，用于电气试验。对每一个触点，用四线方法在施加的压力范围中测量电阻。50个触点的平均接触电阻从施加压力300psi(2.1MPa)下的0.080ohms到施加压力100psi(0.69MPa)下的0.123ohm。
例3使用与例1中相同的镍质浇注工具制造连接器。通过用刀片将焊膏(ESPSolder Plus=SN63R A-A)压入，以从一侧部分地填充孔，来制造导电件。然后用刀片将浆料(GE RTV 645聚硅酮和直径为170微米重量百分比为85％)(根据微粒和粘合剂的总重量)压入通路的较大的一端。然后将薄片放置在两块聚酰亚胺薄片之间，放在300℃的热板上，使焊料熔化，并固化浆料中的聚硅酮。固体焊料元从通路的小的一端填充至大约0.015英寸(0.0381em)的深度或通路长度的约60％和宽度的100％。用填充有微粒的浆料填充通路剩下的长度。图8示出基体332中包含导电元342和固体焊料元350的典型导电件345的示意图(不按比例)(未示出粘合剂)。
将0.20英寸(0.51cm)×1英寸(2.54cm)的连接器(其中通路和触点片成30度角)放置在两块硬的印刷电路板(它们具有31个镀金的触点，间距为0.032英寸(0.0081cm))之间，用于电气测试。对每一个触点用四线法在施加的压力的范围中测量电阻。接触电阻的平均值在施加压力300psi(2.07MPa)时为0.020 Ω、在施加压力200psi(1.38MPa)时为0.023Ω，而在施加压力100 psi(0.69 MPa)时为0.032Ω。
例4浇注3M 7302H聚硅氧烷树脂，所用镍质模子中的凹槽阵列的间距为0.0108英寸(0.0274cm)，凹槽几何形状上底宽为0.0072英寸(0.0183cm)，下底宽缩小为0.0028英寸(0.0071cm)，而深为0.025英寸(0.064cm)。在沟槽的顶部浇注一层额外的厚度为0.015英寸(0.0381cm)的树脂，以从一侧将其封住。在室温下固化大约10分钟(600sec)后，将肋型(ribbed)材料从镍质模子处取下。然后通过将材料压入沟槽中的方式用导电浆料填充沟槽。浆料料包括GE RTV 645聚甲基硅氧烷(具有1ppm铂催化剂)和7wt％(根据粘合剂总重量)的氢化物交联剂，混合有85wt°。(根据粘合剂和微料的总重量)，并且Novamet“粗颗粒”覆盖了15％银的镍球(平均直径54μm)。刮擦加肋结构的表面以从表面去除可以在沟槽之间产生导电桥的多余的导电材料。然后将已填充的结构在85℃下固化5分钟(300 sec)。在结构冷却后，额外一层3M 7302H树脂浇注到结构的沟槽填充的一侧上，以提供大约0.06英寸(0.152cm)的总厚度。该结构横跨沟槽切割，以制得高为0.125英寸(0.318)的连接器。这些连接器具有贯穿其厚度的长为0.125英寸(0.3175cm)的单行的隔离导电通路。
测量连接器的接触电阻。通过将连接器压在两个测试板之间而进行测量，并对测试板上的50条线条中的每一条，对各种接触压力使用4探针电阻测量方法进行测量。这些线条宽0.016英寸(0.041cm)，镀金，并且间距为0.032英寸(0.0813cm)。平均接触电阻在施加压力为0.25MPa时是325±128mΩ，而在施加压力为0.5MPa时为157±44mΩ。
例5用例4中相同的步骤制造连接器，但是用的浆料包括GE RTV 645聚甲基硅氧烷(具有1ppm铂催化剂)和7wt％的氢化物交联剂再与85wt％(根据粘合剂和微粒的总重量)的并且平均直径为170μm纯，银球混合。在施加压力为0.25MPa时的平均接触电阻为103±35mΩ，并且在0.50MPa时是74±21mΩ。和例4比较，这些数据表示对于更大的颗粒有较低的电阻。
例6通过使用和实施例4中相同的步骤制造和测试连接器，不过使用扁平线和金属微粒的组合制造导电浆料。
浆料包括GE RTV 645聚甲基硅氧烷(具有1ppm铂催化剂)和wt7％的氢化物交联剂再与由85wt％(根据粘合剂和微粒的总重量)，平均直径为53.9微米的覆有15wt％银的Novamet Lot#93-224“粗颗粒”镍微粒混合物相混合，还有将HudsonInternational公司生产的编号No.58022，截面的尺寸是0.0015英寸(0.0038cm)×0.026英寸(0.0660cm)的单根扁平的无氧铜丝(其上有专利金属敷层)置于每个凹槽中。扁平线沿每一个凹槽的整个长度走线。以和例4中相同的方式进行电气测试。在施加压力为1.4MPa时测得的平均电阻是25mΩ。
例7可以从通用电气公司买到，商品名称为GE RTV 645的乙烯基硅氧烷粘合剂溶液、1PPM铂催化剂和接近于7wt％的氢化物交联剂用刀敷于防粘的表面上，厚度大约0.025英寸(0.064cm)。通过将液体刮至由放置在样品周围的间隔物控制的高度来得到需要的厚度。以容许有良好分散性(spreadability)的最大的重量百分比(见下面的表1)分别将13微米和100微米的固体银颗粒混合到液体的聚合物中。然后材料在85℃下固化2分钟(120sec)。
用3M 7302H乙烯基硅氧烷液体制备类似的连接器样品组，它在室温下形成并固化10分钟(600sec)。
得到的薄片被切割为0.185英寸(0.470cm)×0.185英寸(0.470cm)×0.025英寸(0.064cm)的样品。在室温下在Larson弹簧测试器Model Super DHT中通过一边施加加压力，一边记录得到的位移对样品进行测试。下面的表1中报告的模数值是在指定的应变处应力应变曲线的斜率。观察到模数随应变增加而增加，如典型的交联弹性体那样。
表1
例8如例1中所述那样制备第一连接器，面积为9.7cm2，厚0.064cm。
通过使用没有导电通路的硅聚酮薄片制备尺寸相同的对比连接器。薄片由硅聚酮制成，它可以从3M买到，商品名称为7302H。
将一种具有已知的导热率的，填充有银的硅聚酮薄片(可以从ChomericsInc.,Woburn,MA买到，商品牌号为Cho-Seal#1220)用作控制样品。这种0.053cm厚的薄片仿佛载上直径通常在12微米以下的小颗粒和直径至50微米的少颗粒。
将连接器放置在热源(1.905×1.905×5.08cm铝块，具有可从Vulcan Co.买到的电热元件和散热器(15.24×7.62×30.5cm铝块)之间。切割连接器以覆盖加热器块大小为1.905×5.08cm的表面。温差电偶插在加热器块和连接器表面附近的散热器中。使用数字温度计测量热源和散热器的温度。加热元件连接到DC电源(63.1V,0.43A,27.1W)。用Carver Laboratory压力和(施加压力为0.69,1.38和2.07Mpa)将加热部件与连接器压力接合，并除了只在1.38Mpa处测试的控制之外。将绝缘块放置加热部件和压力机之间，并将纤维绝缘材料用于使整个系统和周围绝缘。测得的导热率只单独根据绝热传导(即，所有提供的电力都转移至并通过连接器)。导热率根据在施加的压力下测量的稳态温度差。导热率等式k=Q·tA·ΔT]]>其中k=导热率，mW/cm·℃Q=电力输入，mWt=厚度，cmA=表面积，cm2ΔT=温度差，℃Cho-Seal#1220填充银的硅聚酮的导热率的文献值是6.93mW/cm℃，而测量值是6.28mw/cm℃。
例1的连接器以及没有通路的对比的3M 7302H的测量值在下面的表2中给出。
显示出使用导热和导电通路比没有通路的薄片的导热率增加了两倍。
即使按重量微粒的充填相当高并且遍及Cho-Seal材料的薄片，但Cho-Seal薄片和本发明的连接器的导热率相似。根据样品的总重量，估计Cho-Seal的微粒填充接近于70wt％，而本发明的连接器为50wt％。这指出了具有以较大颗粒填充的通路的导热性效率比使用小颗粒的系统高。
应该知道，这里描述的例示的实施例并不限制本发明的范围。由于上面的描述，对熟悉本领域的人来说本发明的其它的修改是显而易见的。这些描述是为了提供具体的实施例，以清楚地揭示本发明。相应地，本发明不限于已描述的实施例或者所包含的具体元件、尺寸、材料或配置的使用。所有落在所附的权利要求的主旨和范围内的改变和修改都被包括在本发明中。
权利要求
1．一种导电结构(30)，其特征在于包括具有第一表面(34)和第二表面(36)的介质基体(32)；至少一条通路(40)，它从所述介质基体的所述第一表面延伸到所述介质基体的所述第二表面；在所述通路中的导电件(45)，其中所述导电件包含至少一个导电元(42)，它最大的尺寸为(ⅰ)至少是所述通路长度的大约5％，以及(ⅱ)至少是所述通路宽度的约10％。
2．如权利要求1所述的导电结构，其特征在于所述导电件还包含聚合物粘合剂。
3．如权利要求2所述的连接结构，其特征在于所述导电件模数为大约1MPa到大约200MPa。
4．一种电子组件，其特征在于包括(a)连接器，包括具有第一表面和第二表面的薄片状基体(32)，其中所述基体由弹性材料制成；至少一条通路(40)，从所述基体的所述第一表面延伸到所述基体的所述第二表面；在所述基体的所述至少一条通路中的导电件(45)，其中所述导电件包含粘合剂和至少一种导电元(42)，所述导电元最大尺寸为(ⅰ)是所述通路长度的大约5％到大约120％，(ⅱ)是所述通路宽度的大约10％到大约100％，其中所述导电部件模数在粘合剂固化后为大约1MPa到大约100MPa；以及(b)所述基体的所述第一表面(34)上的第一电子器件(10)和所述基体的所述第二表面(36)上的第二电子器件(20)；所述第一电子器件通过所述基体中的所述至少一个导电件和所述第二电子器件相互电气连接。
5．如权利要求4所述的电子装置，其特征在于还包含夹紧件，它使所述第一电子装置和所述第二电子装置压力接合，以使所述基体和所述导电件中的至少一个发生偏移，并在所述第一电子装置和所述第二电子装置之间提供互连。
6．一种连接器，其特征在于包括基体(32)，具有第一表面(34)和第二表面(36)，其中所述基体由硅树脂材料制成；多条通路(40)，从所述基体的所述第一表面延伸到所述基体的所述第二表面；所述基体中的至少一条所述通路中的导电件(45)，其中所述导电件包括导电元(42)、催化剂和按体积大约1％到大约50％的粘合剂，其中所述导电元的最大尺寸为(ⅰ)所述通路的长度的大约10％到大约50％，和，(ⅱ)所述通路宽度的大约50％，其中所述导电件在粘合剂的固化后的模数为大约2Mpa到大约30MPa。
7．一种使所述第一电子装置(10)上的第一触点位置(14)和所述第二电子装置(20)上的第二触点位置(24)互连的方法，其特征在于包括下述步骤(a)提供一连接器(30)，它包括具有第一表面(34)和第二表面(36)的基体(32)，其中基体由弹性材料制成；从所述基体的所述第一表面延伸到所述基体的所述第二表面的通路(40)；在所述通路中的导电件(45)，其中所述导电件包括粘合剂和导电元(42)，所述导电元的最大尺寸为(ⅰ)所述通路的长度的大约5％到大约120％，及，(ⅱ)所述通路的宽度的大约10％到100％，其中所述导电件在粘合剂固化后的模数为大约2Mpa到大约100MPa；(b)将所述第一触点位置和所述连接器的所述基体的所述第一表面上的至少一条所述通路对齐；(c)将所述第二触点位置和所述连接器的所述基体的所述第二表面上的至少一条所述通路对齐，其中所述基体的所述第二表面上的至少一条所述通路对应于所述基体的所述第一表面上的至少一条所述通路；(d)对所述第一电子装置和所述第二电子装置施压，以使所述连接器的所述基体偏移，并使所述第一触点位置和所述第二触点位置互连。
8．一种连接器(130)，其特征在于包括(a)基体(132)，具有在第一平面中的第一表面(134)、在通常平行于所述第一平面的第二平面中的第二表面(136)，和在通常与所述第一和第二平面垂直的第三平面中的第三表面(135)；(b)至少一条沟槽(140)，从所述第一表面延伸到所述第二表面，其中所述沟槽具有可从由所述第三表面进入的开口；(c)在所述基体中的至少一条所述沟槽中的导电件(145)，其中所述导电件包括粘合剂和至少一个导电元，所述导电元(142)的最大尺寸为(ⅰ)所述沟槽长度的大约5％到大约120％，和，(ⅱ)所述沟槽的宽度的大约10％到大约100％，其中所述导电件的所述模数为大约2Mpa到大约100MPa；(d)所述基体的所述第一表面上的第一电子器件和所述基体的所述第三表面上的第二电子器件，其中所述第一电子器件通过所述基体中的至少一个所述导电件和所述第二电子器件互连。
9．如权利要求8所述的电子组件，其特征在于还包含夹紧件，用于沿从所述第一表面到所述第二表面的第一方向和沿大致上与所述第三表面垂直的第二方向使所述基体压力接合。
10．一种导电组件，其特征在于包括(a)连接器，包括薄片状基体，具有第一表面和第二表面，其中所述基体由弹性材料制成；至少一条通路，从所述基体的所述第一表面延伸到所述基体的所述第二表面；在所述基体的至少一条所述通路中的导电件，其中所述导电件包括粘合剂和至少一个导电元，所述导电元的最大尺寸为(ⅰ)所述通路的长度的大约5％到大约120％，及，(ⅱ)所述通路宽度的大约10％到大约100％，其中所述导电件的模数在粘合剂固化后为大约2Mpa到大约100MPa；(b)在所述基体的所述第一表面上的热源和所述基体的所述第二表面上的散热器，其中所述热源通过所述基体中的至少一个所述导电件与所述散热器热互连。
全文摘要
本发明提供了一种导电结构(30),包括具有第一表面(34)和第二表面(36)的介质基体(32)。至少一条通路(40)从基体的第一表面延伸到基体的第二表面。在至少一条通路中形成导电件(45),它包括导电元(42)和可选的粘合剂。导电元具有最大的尺寸为:(i)至少约为通路长度的5%,和,(ii)至少约为通路宽度的10%。每一条通路中导电元的尺寸、形状和数量,以及粘合剂的成分都可以选择,以对于特殊应用提供一种具有可控制的电和/或热导电性以及可控制的模数的导电元。
文档编号H01R11/01GK1219292SQ97194697
公开日1999年6月9日 申请日期1997年4月4日 优先权日1996年5月17日
发明者罗伯特·S·雷利克 申请人:美国3M公司