专利名称：快速互连器的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子设备的结构和运行，具体地说涉及包括一个电子器件的各种部件的互连器。
大多数电子设备是由必须相互电连接的各种功能部件组装得到。组成电子设备的一种普通类型的部件被称为“板”或“卡”。板由安装在或安装到“印刷电路板”(“PCB”)上的存储器、控制器或处理器等电子器件组成。PCB通常包括一个绝缘层或不导电层，在该层上或其中印刷或蚀刻出导电走线(traces)。走线横跨或有时穿透板使各电子器件相互电连接。特别是，PCB包括几个层压在一起的这种板层。在这种更有代表性的实施例中，导电层可以层压在绝缘层之间从而在多层PCB中确定出走线。不同板层上的导电走线通过“过孔”(via)进行电连接。过孔是对板层钻孔并且在孔的整个长度上镀金属或填充一个金属销形成。因此，术语“过孔”在这里广义地使用，包含镀金属的通孔、盲过孔甚至是有金属插件的孔，但并不限于这些。电子器件通常安装在这种“多层”PCB的外部而不是在层压之前埋嵌在各层之间。
一个电子设备执行的内部功能通常由某些板上的功能分开。板通常根据其功能来称呼。比如，“母板”一般是指计算机上主要的板，其中指示计算机运行的电子器件，例如中央处理器、存储器和基本控制器，安装在母板上。为此，有时母板也称为“系统板”或“主板”。通常母板还包括将器件固定到部件总线上的连接器，或者交换电子信息的一组导线。通常提及的其他类型的板包括·底板或电路板，包括可以插进其他电路板的插槽；·扩充板，可以是插进设备各部件扩充插槽中的一个的任何板，而且还包括控制板、局网卡(“LAN”)和视频适配器；·子板，可以是直接固定到另一块线路板上的任何板；·控制器板，是一种包含一个外设控制器的具体类型的扩充板；·网络接口板，是能使电子设备连接到网络上的扩充板；和·视频适配器，是包含用于图像监视器的控制器的扩充板。
该表只是示例而非穷举。注意到个领域可以交叉，这样，任何具体的板可以分到多于一种板的分类上。
通常要求板相互“相互连接”以执行其所要功能。这些相互连接影响性能。随着技术的成熟和电子器件更加复杂，这些相互电连接给电子性能带来更大的影响，因此，相互电连接变得更加重要。有时需要以母板和子板的方式直接将一块线路板插到另一块上。有时需要将连接器安装到线路板上，将电缆插进连接器，将线路板相互连接起来。不论用哪种方式，每一个相互电连接都影响信号质量和通过的信息量。哪怕只有一个互连器，但如果做得很差也会使设备的电性能下降。如果需要将性能提高，则对相互连器的性能要求就越高。
一种比较老式的互连器是“过孔互连器”。这种方法至少开发于二十世纪六十年代初期，而且很快进行了改进。该方法的一个例子在1969年4月8日公开在美国专利US3436819(“′819专利”)中作了介绍，其题目为“Multilayer Laminate”，发明人是David Lunine，受让人是Litton Systems，Inc.。从本质上来讲，这种互连器要求电路板内的各个薄板上的电路具有垂直对齐的金属“接点”或“焊盘”。然后在板上钻一个孔，孔再被镀上金属。孔上镀的金属与板上的各个电路电连接。第二块板有一个装在上面的销，销与镀金属的孔配合以便在第一块板和第二块板之间建立相互连接。
但是，这种技术有几个对性能产生影响的特点。例如，这些特点限制了板上走线的位置和密度，这是本领域技术人员随后需要研究的内容。参见’819专利的第1栏52行到第2栏11行；1988年11月29日公开的美国专利US4787853，其题目是“Printed Circuit Board with Through-HoleConnection”，受让人是Kabushiki Kaisha Toshiba，发明人是Yutaka Igarashi。另外，现有技术还公开了一种处理通孔内部形状的方法，以便帮助布置内部走线提高性能的方法。这参见1991年8月6日公开的美国专利US5038252，其题目是“Printed Circuit Board with Improved Electrical CurrentControl”，受让人是Teradyne，Inc.，发明人是Lennart B.Johnson。
但是，随着电子器件越来越复杂以及性能的持续快速提高，所有系统设计领域正在受到重新的审查。互连器也不例外。在高性能应用领域中，甚至对互连器设计的很小改进也足以影响系统的性能。还有，本领域还未完全了解的是互连器设计对信号通道的电子特性的影响。
互连器设计中主要应该考虑的一个因素是，在形成相互连接的销和插座之间形成优良的、牢固的电接触。请参见1997年4月15日公开的美国专利US5619791，其题目是“Method for Fabricating Highly Conductive Vias”，受让人是Lucent Technologies，Inc.，发明人是Vincent G.Lambrecht，Jr.等人。一种典型的方法是在过孔的整个长度上镀金属，使销和插座之间的导电面积最大。另外，本领域的一些技术人员相信“更长”或“更深”的过孔有助于减小或至少控制各层之间的不期望的电感，至少在狭窄过孔直径情况下是如此。请参见1998年11月24日公开的美国专利US5841975，其题目是“Method for Reducing Via Inductance in an Electronic Assembly andArticle”，受让人是W.L.Gore & Associates，Inc.，发明人是David.A.Hanson。本领域一些技术人员还相信互连器里的接触件的设计对电子性能没有什么影响。但是，已经发现这些方法实际上对性能是有害的，尤其在高性能计算应用中更是如此。
根据权利要求1的互连器可以克服这些问题。
本发明是一种用于电子设备的互连器，该互连器包括电路板，电路板包含过孔和导电走线，过孔包括一个孔，孔有一个圆周边和总深度；一个在孔的至少部分周边延伸的导电筒体，筒体与走线接触；一个接触件，有位于筒体内的第一端，筒体的预定深度小于孔的总深度。
现在通过参考附图示例性地描述本发明，其中
图1是根据本发明构造的一个具体实施例中的一个互连器的局部、右角部分的等轴测示意图；图2是根据本发明构造的一个接触件的具体实施例的等轴测示意图；图3A是根据本发明构造的一个过孔的部分等轴测示意图，比如是图1中的互连器内的过孔；图3B-3F是根据本发明的过孔的一个替换实施例的截面平面图；图4示出更大范围内的图1-3A的互连器，图1是该图的一部分；图5示出图4中的互连器的母板头部组件和子板插座的部分分解图；图6示出的头部组件可以替换图5中的头部组件，该头部组件可以与接触件一起使用；和图7A-7B示出的是本发明的示于图2的接触件的实施例。
因为本发明可以进行各种修改和替换，因此这里附图和详细描述的只是示例性的实施例。但是，应当理解这里的具体实施例的说明不会将发明限制于公开的具体实施例中，相反，本发明将覆盖所有修改、等同物和替换，这些修改、等同物和替换均在权利要求限定的发明的精神和范围内。
下面将描述本发明的示例性实施例。为了清楚起见，说明书没有描述实际装置的全部特征。当然很清楚，在开发任何这种实际的实施例时，为了实现开发者的具体目标，必须考虑许多取决于具体应用的细节，比如满足与系统有关及与商业有关的约束，满足一个仪器变成另一个仪器时的要求。还有，应该明白，对于得益于本发明的本领域普通技术人员来说，显然这种开发的努力即使复杂和费时也只是例行生的工作。
现在参考附图，图1是一个互连器100的右角部分的局部图，互连器100位于多层印刷电路板110和另一个部件比如第二个印刷电路板(未示)之间。互连器100只是根据本发明构造的一个实施例。注意本发明不一定局限于板之间的互连器，在一个可替换的实施例中，可以是电缆、有源器件和印刷电路板之间的连接器。正如下面详细描述的，互连器100主要通过将接触件120插进过孔130内并形成单独的转换件140而实现的，这将在下面进一步介绍。图1只示出由一个接触件120/过孔130/单独转换件140组成的互连器100。但是，正如那些受益于本发明的本领域普通技术人员可以理解的，一个互连器通常包含多个这种组合。
图2是根据本发明构造的接触件120a的一个具体实施例的等轴测示意图。在该具体实施例中，接触件120包括用导电材料制成的本体200。适于该结构的材料包括但不限于铜、改性铜、铁铜合金、不锈钢、青铜、磷青铜和铍铜。接触件本体200包括第一端220和第二端240，这两端在设计上都可以变化。例如，注意到图2中的接触件120a的第二端240与图1中的接触件120的第二端不同。下面将对这些和其他变形进行更详细的讨论。
现在回到图2，该具体实施例中的第一端220包括一个顺应性(compliant)的过盈压配合部210。第二端240包括一个盒状或“盒式”插销插座230。更具体地说，压配合部210是一个顺应性的“C”结构，但是在其他实施例中可以替换为针眼结构或狭缝销。一种可以满足本发明某些方面的狭缝销是在接触件市场上可得到的AMP公司的标记为ACTION PINTM的产品，该公司是本申请人的代理。在一些可替换实施例中，第一端220甚至可以是一个焊接尾管，它既不是顺应结构，也不是压配合结构。构件250经过第一颈部252从压配合部210伸出，销插座230经过第二颈部254从构件250延伸。在该具体实施例中，构件250大体是正方形，但是构件250的形状在实施本发明时并不是必要的。接触件120的一些替换实施例甚至可以省略构件250。
销插座230包括接触件120的第二端240，它用来得到一个电接触件。该电接触件是独立的转换件，允许人们根据需要接通或断开互连器。在两个导体之间，例如在两个不同印刷电路板间的各导电走线之间，该电接触件与构件250以及压配合部210一起形成一个信号通道。应注意的是，可以采用任何本领域已知的合适的结构在第二端240建立电接触。因此替换的实施例可以利用某些其他机构建立单独转换件。可以利用一种能建立表面安装接触件的方法，比如焊接接头。因此，接触件120的销插座230只是一个用来实现本发明第二电接触件的装置，而且是示例和说明性的。
图3A是根据本发明构造的过孔330的局部等轴测剖视图，该过孔例如是图1的互连器100中的过孔130。过孔330包括由印刷电路板305限定的孔310。板305是多层板，包括几个层305a-305f，每一层确定孔310的一部分。各层305a，305c，305d，305f，305g是绝缘体，层305b，305e是导体。事实上，层305b包括走线345，层305e包括走线335，下面将进行详细描述。在孔310的至少一部分圆周上形成一个导电筒体320。在图示的实施例中，筒体320形成在孔310的整个圆周上。但是，筒体320没有覆盖孔310的整个长度。而是在孔的预定深度dp形成筒体320，该预定深度小于孔的总深度dt。
如图3A所示，通常，预定深度dp从孔310的顶部306或底部308延伸正好经过接触件需要接触到的走线。但是，即使在筒体320不从顶部306开始(或底部308)延伸的实施例中，筒体320也是停止在正好经过走线335的位置。从这种意义上来讲，走线决定预定深度dp。本领域技术人员很清楚，“顶”和“底”是相对的，可以根据设计者、组装者或安装者的方便互换。可以根按照传统方法制造板305。可以使用本领域已知的任何技术。
图3A中的筒体320是通过从孔310的顶部306一直到底部308完全镀上金属而制成。虽然不太可能，但是可以用与接触件相同的材料制成筒体320。通常，筒体320用铜制成，而接触件120用另外的材料比如青铜制成。然后，与传统方法相反，孔310是从底308向上锪孔直到正好在走线335的下面以除去超过走线335的金属镀层而得到。去除之后产生了筒体320的底边312。在该实施例中，筒体320的底边3 12与层305f的底对齐。但是，在该具体实施例中，各层之间的边界是无形的——走线335的位置决定了预定深度dp。
孔310和筒体320的设计和制造可以不同于图3A所示的实施例。图3B-3F表示可替换的实施例330a-330e，其中各个孔和筒体通过锥形锪孔、平底扩孔、平底锪孔或者三个方法的组合形成。图3B-3F都是断面平面图。更具体的是·图3B示出一个盲过孔，它的孔310a的顶端306通过平底锪孔形成，通过给一部分孔310a镀金属形成筒体320；·图3C示出一个孔310b，它的顶端306通过平底锪孔形成，底端308由平底扩孔形成，通过给一部分孔310b镀金属形成筒体320；·图3D示出一个孔310C，其顶端和底端306，308都是给孔310c镀金属后锥形锪孔而形成；·图3E示出一个孔310d，其底端308是给孔310d镀金属后锥形锪孔而形成；·图3F示出一个孔310e，其顶端306平底锪孔而成，其底端308锥形锪孔而成，筒体320是在顶端306平底锪孔之后、锥形锪孔形成底端308之前给孔310e镀金属形成。
一般来说，孔310，或310d-310e是从与装接触件120的一边相对的那边锥形锪孔得到的。在孔310c的情况中，从两边锥形锪孔是不可能的。应注意的是，在一些实施例中，筒体320包括至少一个法兰322，法兰在顶部和/或底部表面332，334沿周边延伸。法兰322是制造该具体实施例的过程中的人工制品，对于本发明的实施来说并不是必要的。
本发明的一个方面是根据制造技术和可利用的材料使预定深度dp在走线335下面尽可能最小。已经发现增加过孔130或330的孔310中筒体320的长度会增加经由过孔施加在信号通道上的电容。筒体320和接触件120提供的电接触应当仍然足以防止信号衰减。因此，筒体320的长度不但受常规制造技术和材料的影响，而且受信号特性的影响。那些受益于本发明的本领域技术人员很清楚这些因素相互作用的方式和影响，该方式构成了一个“最小的可接受的”的预定深度dp。在图3A所示的实施例中，现有锪孔技术一般有±4密耳的公差，所以走线335下的预定深度约为4密耳。
本发明的另一个方面是在制造互连器时尽量减小第一端220伸出筒体120，320的距离。已经发现该距离增加时将会增加加载到被传送信号上的电容，当然没有筒体那样多。从理论上来讲，在制造互连器时，第一端220的引导顶部不会伸出筒体320的底边312。但是，在一些实施例中，以差的性能为代价可以不达到理想目的。不能达到该理想目的的原因是多种多样的，部分是仪器的特性引起的。这样，本发明最好尽力使伸出底边312距离在可以接受的最小范围内。
因此，当放在孔310内时，接触件120的第一端220基本不会伸出筒体320。如上所述，“最小的可接受的”的理想情况为零，但是本发明不受此限制。根据若干因素，构成“最小的可接受的”突起的是仪器特性。这些因素的一些示例是可用的材料、可行的制造技术、被发送信号的电特性和组装时的操作程序。在本说明书中，根据这些因素，如果接触件120的第一端220接近筒体320的底边312，则该接触件120的第一端220“基本不突起”，实际上这也是可行的。
根据本发明制造过孔130，330的两个技术是对传统实践的改进。如上所述，筒体320可以通过电镀导电材料来制造，以便覆盖住孔310的整个内表面。然后从下面(或上面)锥形锪掉镀的金属并正好到达走线前面的位置，例如底边312，以便限定后来成为筒体320的那部分。应注意的是，锪孔不会影响走线335和筒体320之间的电接触。在该技术的一些变形中，孔310可以平底锪孔而成而不是锥形锪孔，这如上面所述的那样。另外，当加工好所有或部分板层305a-305g后、并将它们叠在一起之前，在孔310经过每一个独立的层305a-g的那部分内形成筒体320。该技术是对上述专利’819公开的方法进行改进后得到的，它尤其适用于盲过孔，当然很少用于通过孔。也可以采用其他技术。
图4示出的是在更大显示范围400中的互连器100，图1是它的局部图。更具体地说，接触件120用来与一个互连组件500连接，最好如图5所示。在该具体实施例中，互连组件500包括母板头部子组件510和一个两件式板销子组件520。母板头部子组件510和板销子组件520可以是任何本领域已知的组件。
将接触件120的第二端240插入母板头部子组件510的各升高的插座514(如图5)的底端内，以便组装成互连器100(如图1，4)。然后将接触件120的第一端220插进过孔130，组装起来的母板头部子组件510和接触件120压配合在PCB 110上。在该具体实施例中，再组装板销子组件520并将其插进第二PCB内(未示出)。包括子组件510和PCB 110的母板组件再与子板组件配合，子板组件包括子组件520和第二PCB(未示出)。应注意的是，这将产生一个单独的转换件，比如图1所示的单独转换件140。组装好的完整互连器示于图1和4中。
图6示出一个可替代图5中的组件500的组件600，接触件120通过该组件可以实现本发明的快速相互电连接。母板组件610大致与母板组件500相同，但是升高插座614略微不同，以便适应这里所涉及的销(未示)的不同设计。同样，将两件式子板销组件620做成不同结构，以适应不同的销的设计方案。按照与上述组件500一样的方法将互连器100与组件600装配起来。
图7A-7B是根据本发明的接触件120的一个实施例，该接触件替代图1和2所示的接触件。图7A中的接触件120b与图2中的接触件120a的差别在于第一端220和第二端240。第一端220包括一个针眼状顺应部210a，第二端包括一个含有两个齿702，704的第二结构230a。图7B中的接触件120c与图2中的接触件120的差别在于第二结构230b替换了盒状的销插座230。第二结构230b是一个焊接接头，通过该焊接接头可以将接触件120c焊接到印刷电路板或互连器上，以实现表面连接而不是压配合。这样，作为一个示例和说明，第二结构230a-230b是替换图2所示盒状销插座230用来建立电连接的第二和第三种设备。可以采用的其他实施例仍然是对接触件120的进一步变化。
应注意的是，虽然说明性的实施例包括两个印刷电路板的互连器，但是本发明不限于此。例如，图3A中，还示出了包含筒体320a的第二过孔340。筒体320a使走线345和走线335接触。像上述那样插进接触件120就会在印刷电路板110的各层305a-305e之间产生层间相互电连接。如上所述，在某些实施例中，互连器可以包括电缆和印刷电路板。
在说明性实施例的一个具体应用中，接触件120用青铜作成，筒体320用铜作成。筒体320可以通过给孔310电镀铜制成。(板305表面332上多余的铜被蚀刻掉并清洁表面332。)由于走线335位于板305的顶面332下的1mm处，因此预定厚度dp约为1mm。铜的电镀厚度为0.035mm。层305a-305g的总厚度约为4mm。这样，孔310的总厚度dt约为4mm。
权利要求
1.一种用于电子设备的互连器(100)，该互连器包括电路板(110，305)，电路板包含过孔(330)和导电走线(335)，过孔包括一个孔(310，310a，310b，310c，310d，310e)，孔有一个圆周边和一个总深度(dt)；一个在孔的至少部分周边延伸的导电筒体(320)，筒体与走线接触；一个其第一端(220)位于筒体内的接触件，其特征在于筒体的预定深度(dp)小于孔总深度(dt)。
2.根据权利要求1所述的互连器，其中，孔(310a)没有穿透整个电路板。
3.根据权利要求1所述的互连器，其中，接触件的第一端(220)不伸出筒体。
4.根据权利要求1所述的互连器，其中，筒体(320)有一端，该端终止在孔的锪孔部(308)。
5.根据权利要求1所述的互连器，其中，筒体(320)沿孔的总长度的中间部分布置。
6.根据权利要求1所述的互连器，其中电路板有多层，预定深度与其中一层的厚度相应。
全文摘要
一种用于电子设备的互连器(100)，该互连器包括电路板(110，305)，电路板包括过孔(330)和导电走线(335)，过孔包括一个孔(310，310a，310b，310c，310d，310e)，孔有一个周边和总深度(d
文档编号H05K1/14GK1397152SQ01804243
公开日2003年2月12日 申请日期2001年1月26日 优先权日2000年1月27日
发明者戴维·W·赫尔斯特, 斯科特·K·米基维茨, 霍华德·W·安德鲁斯, 乔治·R·德菲鲍, 林恩·R·赛普, 约翰·J·康索利, 詹姆斯·L·费德, 查德·W·摩根, 亚历山大·M·沙夫, 马修·R·麦卡洛尼斯 申请人:蒂科电子公司