专利名称：具有电接触按钮的插入器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种具有电接触按钮的插入器及其制造方法。
背景技术：
岸面栅格阵列(LGA)插入器提供了在印刷布线板(PWB)和如多芯片组件(MCM)的芯片组件之间互连的阵列。LGA插入器使连接可逆，并不需要像例如在球栅阵列和列栅阵列中的焊接。球栅阵列在大面积上不可靠，因为逐步增大的驱动应力的侧向热膨胀系数会超过球栅阵列强度。尽管有应力，列栅阵列保持在一起，但是焊接的结果，因此不允许芯片组件的现场可换性(field replaceability)。现场可换性很重要，因为它节约了客户相当大的维修和高端计算机升级的费用，LGA通常用于所述高端计算机。
目前，至少有两种LGA类型在市场上可获得。每种LGA类型都有严重的问题。一种类型将硅氧烷弹性体和银粒的复合物作为导电介质，当高于渗透阈值浓度混合时所述复合物导电。在一次注模操作中穿过整个LGA将所述复合物注模成按钮形状，并因此从制造LGA的成本有效的观点来看是个好的解决方案。另一优点是它可以在每接触约30至80克的低接触力下工作。通常，目前的LGA具有每插入器数千个触点。缺点是弹性体和银粒的复合物本身就是不良弹性体。换句话说，在典型工作条件下它经受相当大的塑性变形，并最终导致损坏。
另一种类型LGA插入器包括由随机绝缘套管卷簧制成的按钮触点的区域阵列。这些弹簧是通过在高速下将一段涂金钼丝注入模具一次形成的。这种插入器工作可靠。然而，它们的缺点是昂贵，因为一个接一个按钮的制造方法。另外，它们需要在MCM和PWB之间用很高的接触力挤压。通常需要每按钮约100至120克的力。这样高的力一旦乘以插入器上的大量按钮数，可能引起MCM和PWB变形，并已知使安装在MCM上的芯片破裂。另外，这些插入器不能可靠地扩展到输入/输出(I/O)要求较高的较大MCM。此外，这些插入器也不适合引入有机封装。有机封装力争代替昂贵的陶瓷MCM，并提供更好的电性能。有机封装更软和更脆，并因此只能承受比每按钮100至200克小得多的LGA力。
发明内容
本发明的插入器实施例包括一个导电材料空心体，该导电材料空心体被设置在一个电绝缘托架中。
在本发明的第二插入器实施例中，其中插入器将一个组件连接到一个印刷布线板上，插入器包括一个托架，上述托架具有至少一个导电过孔，并如此设置上述托架以使上述过孔与上述组件的连接器和上述印刷布线板的连接器对准。在过孔中设置至少一个电接触按钮，用于电接触上述组件的连接器和上述印刷布线板的连接器。
在上述插入器实施例的一种变化中，空心体不包括空隙。在第二变化中，空心体包括一个和多个空隙。在第三变化中，空心体包括至少两个空隙，上述两个空隙相互对准并被设置在托架的相对侧上。
本发明的一个方法实施例通过下列步骤制造电接触按钮形成一种牺牲柱，在牺牲柱上形成一种导电材料图形并除去牺牲柱，由此提供电接触按钮。
优选的是，导电材料选自铜、镍、金、铬、钛、铅、锡、铋、锑、钨、钼及它们的合金。
在方法的可供选择的实施例中，在牺牲柱上形成导电材料图形的方法选自物理掩膜和光致蚀刻剂。物理掩膜方法选自真空淀积和化学镀。
光致蚀刻剂方法选自金属添加法和金属减去法。光刻蚀刻剂方法可以通过真空淀积、溅射、化学镀、叠层金属箔或预制金属板在牺牲柱上形成金属。
优选的是，牺牲柱由一种受热分解和蒸发的材料形成。牺牲柱材料选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚α-甲基苯乙烯、聚氧化乙烯、聚苯醚或聚苯乙烯及已知的其它材料，以便烧去、蒸发解聚，或用其它方法空出原始位置。
优选的是，通过热分解除去牺牲柱。
导电图形在某些实施例中是连续的，而在另一些实施例中是不连续的。例如，不连续的图形包括一个或多个空隙。
在本发明的方法的第二实施例中，在一个托架中形成牺牲柱。优选的是，托架由一种电绝缘材料形成，上述电绝缘材料选自聚酰亚胺、聚酯、陶瓷、石英、玻璃、涂聚合物的金属、聚四氟乙烯和氧化物。
在本发明的方法的第三实施例中，托架包括多个穿孔，在所述多个穿孔中形成多个牺牲柱，其中在每个牺牲柱上形成一种导电材料图形，以及其中除去牺牲柱以由此形成多个电接触按钮。
优选的是，在形成牺牲柱之前在上述穿孔的至少其中之一上形成一层导电材料涂层，以完成触点顶部和底部之间的电气连接。
优选的是，通过注模法在穿孔中形成牺牲柱。
优选的是，托架由一种电绝缘材料形成，上述电绝缘材料选自聚酰亚胺、聚酯、陶瓷、石英、玻璃、涂聚合物的金属、聚四氟乙烯和氧化物。
优选的是，导电材料选自铜、镍、金、铬、钛、铅、锡、铋、锑、钨、钼及它们的合金。
在第三实施例的一些变化中，在牺牲柱上形成导电材料图形的方法选自物理掩膜和光致抗蚀剂。光致抗蚀剂方法可以是金属添加法或金属减去法。无论是物理掩膜方法还是光致抗蚀剂方法都可以用真空淀积或化学镀。
优选的是，牺牲柱通过热分解除去并由一种受热分解和蒸发的材料形成。牺牲柱材料选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚α-甲基苯乙烯、聚氧化乙烯、聚苯醚或聚苯乙烯及其它已知可以被烧去、蒸发解聚、或用其它方法空出原始位置的材料。
导电图形在某些实施例中是连续的，而在另一些实施例中是不连续的。也就是说，不连续的图形包括一个或多个空隙。
本发明的其他和另一些目的、优点和特点将参照下面的说明并结合附图进行理解，其中同样的标号代表结构中的同样元件，及图1是其中可以用本发明的LGA插入器的一种组件；图2是用于在本发明方法的插入器托架中的金属化通孔的一种物理掩膜方法的流程图；图3是用于在本发明方法的插入器托架中的金属化通孔的一种可供选择的光致抗蚀剂方法的流程图；图4是用于将牺牲柱铸模成预先金属化的LGA托架的方法流程图及用于完成本发明方法的LGA插入器阵列制造的6种可供选择的方法；图5是在图4的所有6种方法共同的金属化通孔之前空托架的透视图；图6是沿图5的线段6-6的剖面图；图7是在图4的头6种方法共同的金属化通孔之前空托架的透视图；图8是在图4的头6种方法共同的带有金属化的通孔的托架透视图；图9是沿图8的线段9-9的剖面图；图10是在图4的6种方法共同的金属化的通孔中带有牺牲柱模型的托架透视图；图11是沿图10的线段11-11的剖视图；图12是所有6种方法共同的带有牺牲柱模型的托架透视图；图13是图4中方法1的流程图；图14是用于产生全金属化的外壳按钮的物理掩膜的剖面图；图15是用于产生部分金属化的外壳按钮的物理掩膜的剖面图；图16是图4中方法1-6的流程图；图17是在除去牺牲柱之前插入件托架的透视图；图18是沿图17中的线段18-18的剖面图；
图19是图18除去牺牲柱的情况下的剖面图；图20是具有设置在物理掩膜中的未金属化牺牲柱的托架的透视图；图21是图4中方法2的流程图；图22是图4中方法3的流程图；图23是图4中方法4的流程图；图24是图4中方法5的流程图；图25示出了在金属化的牺牲柱除去步骤之前牺牲柱的示例性图形；图26是图25在牺牲柱除去步骤之后的示例性图形；以及图27是具有本发明的示例性金属化按钮图形的LGA插入器的透视图。
具体实施例方式
参见图1，组件100包括设置在PWB 104和MCM组件106之间的LGA插入器102，散热器108，弹簧110和柱112。PWB 104，MCM组件106和散热器108在由弹簧110供给的力下保持在一起，所述力通过连接到散热器108的柱112传递。柱112优选是金属。
MCM组件106包括一个或多个电触点114，以及PWB 104包括与触点114成对准关系和隔开关系设置的一个或多个电触点116。LGA插入器102包括与触点114和116成对准关系设置的一个或多个电触点按钮120，如放大图118详细示出。
当通过调节器122调节弹簧110时，PWB 104，LGA插入器102和MCM组件106彼此相互挤压，以使MCM组件106的触点114和PWB 104的触点116与LGA插入器102的触点120的相应触点形成强迫的物理和电接触。
LGA插入器102包括托架124，该托架124具有在其中设置接触按钮120的一个或多个通孔或过孔。托架124设置在物理下停止器(downstop)126之间，该下停止器126被固定到LGA构架128上。LGA构架128提供对压力量的停止限制，其中弹簧110可以利用所述压力使触点114，触点116和接触按钮120形成物理和电接触。
对本领域的技术人员来说，很显然，尽管示出了两个触点114，两个触点116和两个触点按钮120，但每种触点可以多于或少于两个。对本领域的技术人员来说，也很显然，组件100可以包括设置在任何两个具有需要连接的触点的装置之间的LGA插入器102，作为例子示出MCM组件106和PWB。
优选，根据本发明的方法制造接触按钮120，所述接触按钮120可以具有各种金属化图形的其中之一，例如图26所示的那些的其中之一。
根据本发明的方法，从如图5和7所示的多孔托架140或142开始制造LGA插入器102。通过在希望的触点位置将具有孔(过孔)的Kapton塑料板穿孔来制造托架140。
托架140优选是电绝缘材料，所述电绝缘材料可以是挠性薄片或更硬的板。电绝缘材料例如可以是聚酰亚胺，聚酯，陶瓷，石英，玻璃，涂聚合物的金属，聚四氟乙烯，氧化物等。另一种可以使用的托架是低膨胀金属或金属合金，所述低膨胀金属或合金在其整个表面上和穿过过孔具有绝缘体层。后者的例子可以是具有低膨胀系数的钼，所述钼具有如均苯四甲酸二酐-苯二胺(PMDA-PDA)聚酰亚胺的低膨胀聚合物的薄涂层。然后如本文所述进行插入器的制造。
必须在孔的每一侧上制造金属衬垫，并以这种方式连接衬垫，即穿过孔是电连续的。解决这点的两种主要方法是利用物理掩膜遮蔽不希望有金属的区域的直接金属化，以及限定这种冶金术的减去法。在减去法中，首先在平面衬底的两侧上并穿过平面衬底的过孔淀积金属(通过任何方法，包括电镀，等离子体喷雾等)，接着通过施加光致抗蚀剂，曝光，显影和蚀刻除去不需要的金属。
参见图2，在直接金属化方法中，在步骤2A和2B处，如此取向物理掩膜144，以使其中一个或多个开口146在托架140中的一个或多个过孔148上对准并相互接触。开口146可以具有任何合适的形状，例如，圆形，星形，十字形及其它形状。在步骤2C处，通过这样的方法在托架140上淀积金属，以在托架140上的开口区上并向下到孔或过孔148的侧壁上形成金属涂层154。在步骤2D处，除去物理掩膜144。然后将托架140翻转，并以相同的方式(例如重复步骤2A，2B和2C)将另一侧金属化，因而形成从托架140顶部，向下到孔148的两侧并到托架140另一侧上的连续金属路径，如步骤2E及图8和9中所示。
参见图3，示出了在托架140上构图金属的减去法。通过在托架140的两侧上及孔148中淀积金属涂层162，方法开始于步骤3A和3B。在步骤3C处，在金属涂层162上淀积光致抗蚀剂涂层165。在步骤3D处，将具有直径大于孔148的圆形图形的掩膜168安放在托架140的一侧上，以使圆形图形同心对准并覆盖孔148。然后将托架140的一侧曝光于紫外光。然后将掩膜168从这一侧除去。将托架140翻转。然后将第二侧曝光于紫外光，然后从第二侧除去曝光区中蚀刻的金属和掩膜168。将金属从两侧上的曝光区中蚀刻除去。在步骤3E处，同时在两侧上显影光致抗蚀剂涂层165，因而将光致抗蚀剂涂层165除去，以形成步骤3F所示的覆有金属的通孔148P。
对本领域的技术人员来说，很显然，可以使用目前或将来所知的与图2和3所示那些方法不同的方法将孔148金属化。
参见图4，步骤4A对应于步骤3F。在步骤4B处，将牺牲柱180插入孔148中。牺牲柱180被形成为最终触点的形状，但在被用作最终金属化的模型之后最终被除去。在图10-12中示出了具有安装的牺牲柱180的托架140。
可以通过任何合适的方法，例如通过一次注模全二维(2D)阵列，在托架140中形成牺牲柱180。在其它方法中，可以预制牺牲柱180，然后插入孔中代之。然而，通常用受热分解或蒸发的材料制成牺牲柱180。
例如，牺牲柱180可以用如下聚合物形成聚甲基丙烯酸甲酯、聚α-甲基苯乙烯、聚氧化乙烯、聚苯醚或聚苯乙烯。实际上，在正确的温度条件下，大多数聚合物将分解。
如果用薄陶瓷材料而不是上述例子中所用的塑料制造托架140，则可以采用较高的温度条件进行柱分解，并可以将各种各样的材料作为牺牲柱。牺牲柱的其它选择是使用溶液可溶解的材料。
接下来的步骤是在牺牲聚合物接触按钮上金属化。这可以用许多方法进行。在图4中概括了6种不同的方法并表示为方法1-6，将在下面详细说明。
一旦牺牲柱180已被金属化，接下来的步骤是将组件加热到一定温度并处于这样的条件下，以使牺牲聚合物柱180将要解聚和蒸发或以其它方式分解和蒸发。这样留下有时类似鸟笼的空心金属笼结构，如图25示出的例子。
参见图4和13，通过在设置于托架140上的物理掩膜190上淀积(如通过溅射、真空淀积或其他合适的淀积技术)金属涂层或膜188，金属化牺牲柱180的方法1开始于步骤13A。金属涂层188也覆盖在托架140底板中安装的任何牺牲柱180。在步骤13B处，如通过升起除去物理掩膜190，从而留下在牺牲柱180上设置并与电镀的通孔148P接触的金属涂层188。在步骤13C处，分解牺牲柱180，从而留下鸟笼状触点196。方法6与方法1相同，只是通过用化学镀种子化合物喷涂并然后电镀金属来淀积金属涂层。
参见图25和26，鸟笼状触点196可以具有各种各样的金属化图形。在图25中示出了牺牲柱26A至26H分解之前(即，处于其中金属仍然被固定在牺牲柱上的未完成形式)的金属化图形，并在图26中示出了分解之后的金属化图形。用不同形状的掩膜形成这些图形。例如，图14示出了物理掩膜190的两个触点位置的截面，成形所述物理掩膜以产生图25中25G和图26中26G所示的金属化图形。图15示出物理掩膜190的两个触点位置的截面，成形所述物理掩膜以产生图25中25A和图26中26A所示的金属化图形。图14和15所示的物理掩膜可用于方法1或者方法6。可选地，可以使用其它掩膜类型，如像钼掩膜的全2D掩膜。
参见图16，还示出了方法1使物理掩膜190和带有安装的牺牲柱的托架140相互接触。物理掩膜190具有掩膜图形，相应于图25中25H和图26中26H的图形。这些图形包括一个孔以使来自光源的光通过。图17和18还示出了在牺牲柱180分解之前图25中25H的金属化图形。图19示出了在牺牲柱180分解之后图26中26H的金属化图形。图20示出了产生相应于图26中金属图形26E的掩膜图形的物理掩膜190。
参见图4和21，利用如通过真空淀积(例如溅射或蒸发)覆盖地金属化托架140的两侧，金属化具有安装的牺牲柱180的托架140的方法2开始于步骤21A和21B。然后在两侧涂覆光致抗蚀剂。在步骤21C处，将光致抗蚀剂曝光于穿过具有希望的金属化图形的光掩膜的紫外线。在步骤21D处，显影曝光的光致抗蚀剂区域，并湿法蚀刻掩膜的区域以除去金属，从而留下希望的金属图形。然后在步骤21E处，分解牺牲柱180，从而留下希望的鸟笼状触点196。
参见图22，方法3与方法2相同，只是通过化学镀淀积在托架140的两侧上淀积金属。
对本领域的技术人员来说，很显然，也可以用其它的淀积方法，如可以与过孔对齐层叠并定位像装蛋硬纸盒形状的叠层金属箔或预制金属板。在该实施例中，可以使用或不使用牺牲柱。
参见图23，方法4采用金属添加法。通过用光致抗蚀剂涂覆托架140的两侧，方法4开始于步骤23A。在步骤23B处，将光致抗蚀剂曝光于穿过光掩膜的紫外线，所述光掩膜具有与方法2和3中使用的光掩膜图形相负的图形。在步骤23C处，显影光致抗蚀剂的曝光区域。在步骤23D处，在托架140的两侧上真空淀积金属涂层。在步骤23E处，将光致抗蚀剂搬离托架140，并使牺牲柱180分解，从而留下鸟笼状触点196。
参见图24，方法5与方法4相同，只是通过化学镀淀积在托架140的两侧上淀积金属涂层。
可以想象许多不同的鸟笼状图形。已知的那些仅是用于举例说明。各种图形可以从全金属化结构变到只有一个细条的结构。另外，同一插入器可以具有一些带有某些图形的柱而另一些带有不同图形的柱，以用于特殊功能。
一种特殊功能的图形包括光学信号可以穿过的窗口，如图26中26H所示。因此，如果与插入器接触的芯片或芯片组件具有电信号和光信号的组合，则所述这些信号都可以被同一鸟笼状触点类型容纳。
可以用方法1-6之外的其它方法来金属化牺牲柱。例如，可以制造金属片的全2D阵列，并将其固定到金属化的平面衬底上。
在其它实施例中，可以采用不同类型的柱形状。两种典型的类型是短而宽(相对于柱柱间距)，或高而窄。另一些更特殊的形状也可能是希望的。例如，如果希望在最终金属触点中具有很大的垂直可压缩性，则可以将牺牲柱制成具有像锯齿的折叠的3D形状。一旦被金属化和柱被烧去，则这些锯齿将提供像可压缩性的折叠，同时使金属疲劳减至最小。
在另一个实施例中，按钮可以被制成圆柱体，所述圆柱体具有平行于圆柱体轴线的槽，以便沿圆柱体轴线没有显著减小可压缩性的情况下使弯曲更困难。
可以用不同的金属来达到按钮的最佳性能。在微电子制造中所用的常见金属，如可以应用铜、镍、金、铬、钛、铅、锡、铋或锑，以及其它不太常见的材料可以用于较大的金属疲劳韧性，如镍/铁合金、铍铜、镍/钛合金，或用于低热膨胀的金属，如钨或钼。
因此特别参照本发明的优选形式对其进行了说明，很显然，在不脱离如所附权利要求书中限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变和修改。
权利要求
1.一种用于制造电接触按钮的方法，包括形成一个牺牲柱；在上述牺牲柱上形成一种导电材料图形；以及除去上述牺牲柱，从而提供上述电接触按钮。
2.如权利要求1所述的方法，其中上述导电材料选自铜、镍、金、铬、钛、铅、锡、铋、锑、钨、钼及它们的合金。
3.如权利要求1所述的方法，其中在上述牺牲柱上形成上述导电材料图形的方法选自物理掩膜和光致抗蚀剂。
4.如权利要求3所述的方法，其中上述物理掩膜方法选自真空淀积和化学镀。
5.如权利要求3所述的方法，其中上述光致抗蚀剂方法选自金属添加法和金属减去法。
6.如权利要求3所述的方法，其中上述光致抗蚀剂方法选自真空淀积、溅射、化学镀、叠层金属箔或预制金属板。
7.如权利要求1所述的方法，其中上述牺牲柱由一种受热分解和蒸发的材料形成。
8.如权利要求7所述的方法，其中上述牺牲柱材料是一种聚合物。
9.如权利要求7所述的方法，其中上述牺牲柱材料选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚α-甲基苯乙烯、聚氧化乙烯、聚苯醚和聚苯乙烯。
10.如权利要求1所述的方法，其中通过热分解除去上述牺牲柱。
11.如权利要求1所述的方法，其中上述图形选自连续的和不连续的。
12.如权利要求1所述的方法，其中在一个托架中形成上述牺牲柱。
13.如权利要求12所述的方法，其中上述托架由一种电绝缘材料形成。
14.如权利要求13所述的方法，其中上述电绝缘材料选自聚酰亚胺、聚酯、陶瓷、石英、玻璃、涂聚合物的金属、聚四氟乙烯和氧化物。
15.如权利要求13所述的方法，其中上述托架包括多个穿孔，在上述多个穿孔中形成多个上述牺牲柱，其中在每个上述牺牲柱上形成上述导电材料图形，以及其中除去上述牺牲柱以由此形成多个电接触按钮。
16.如权利要求15所述的方法，其中通过注模在上述穿孔中形成上述牺牲柱。
17.如权利要求15所述的方法，其中在上述牺牲柱形成之前，在上述穿孔的至少其中之一上形成导电材料涂层。
18.如权利要求15所述的方法，其中上述托架由一种电绝缘材料形成。
19.如权利要求15所述的方法，其中上述电绝缘材料选自聚酰亚胺、聚酯、陶瓷、石英、玻璃、涂聚合物的金属、聚四氟乙烯和氧化物。
20.如权利要求15所述的方法，其中上述导电材料选自铜、金、镍、钛及它们的合金。
21.如权利要求15所述的方法，其中在上述牺牲柱上形成上述导电材料图形的方法选自物理掩膜和光致抗蚀剂。
22.如权利要求21所述的方法，其中上述物理掩膜方法选自真空淀积和化学镀。
23.如权利要求21所述的方法，其中上述光致抗蚀剂方法选自金属添加法和金属减去法。
24.如权利要求21所述的方法，其中上述光致抗蚀剂方法选自真空淀积、溅射、化学镀、叠层金属箔和预制金属板。
25.如权利要求15所述的方法，其中上述牺牲柱由一种受热分解和蒸发的材料形成。
26.如权利要求25所述的方法，其中上述牺牲柱材料选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚α-甲基苯乙烯、聚氧化乙烯、聚苯醚和聚苯乙烯。
27.如权利要求25所述的方法，其中通过热分解除去上述牺牲柱。
28.如权利要求15所述的方法，其中上述图形选自连续的和不连续的。
29.一种用于在岸面栅格阵列中制造多个电触点的方法，包括将与一个托架中多个过孔对准的接触按钮的一种预先形成的金属图形叠层到上述托架；以及从上述接触按钮之间的上述托架中除去叠层的金属。
30.如权利要求29所述的方法，其中上述金属图形选自金属箔和金属板。
全文摘要
一种插入器，具有一个或多个空心的电接触按钮，所述一个或多个电接触按钮被设置在一个托架中。通过在托架的过孔中设置牺牲柱形成所述插入器。利用掩膜通过金属化方法在牺牲柱上以所希望的图形形成所述电接触按钮。所述牺牲柱由加热时热分解的材料制成，而不改变托架或电接触按钮。
文档编号H01H13/88GK1941240SQ20061014441
公开日2007年4月4日 申请日期2004年10月20日 优先权日2003年11月17日
发明者G·G·哈法姆, K·E·福格尔, J·罗斯纳, P·A·劳罗, S·戈马, J·小辛特 申请人:国际商业机器公司