专利名称：包括弹性触头臂杆(15)的连接器(17)的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用使触头的设计和性能具有灵活性的制造技术 制作的弹性电触头。
背景技术：
随着对电触头的机械、电子及可靠性要求越来越多，制造具有微 型电子电路触头的能分离的电触头的能力越来越成为问题。为了解决 在电子系统的微电路与其它部分之间制造可靠电触头的问题，已经发 展出了纳米弹簧、弹簧针、微弹簧及其它微型触头装置。但是，工业 应用方面的问题在于，并没有特别的触头设计能够提供所需的全部特 性——即使在专门应用场合中使用专门设计的触头元件时也是如此。 现有触头无一能满足全部的设计标准。
因为这些能分离的连接器用于系统组件、器件测试及晶圆探测中， 因此希望具有用于电子应用场合中的能分离的电连接器。
图1是示出根据本发明一个方面的用于形成内插板(interposer) 的方法的流程图2是示出根据本发明构造的具有预形成触头阵列的示例性导电 板的示意3图3A是示出根据本发明一个方面的在用于形成内插板的方法中 所包括的示例性步骤的流程图3B是示出根据本发明另一方面的在用于形成内插板的方法中 所包括的示例性步骤的流程图4A是示出根据本发明一个构造的设置于基板上的定位焊盘阵 列的平面图的图像；
图4B是示出根据本发明一个构造的示例性基板的横剖视图的图 像，其示出了由定位焊盘围绕的一系列导电通孔；
图5是示出根据图3A的示例性加工步骤的Be-Cu合金板在600 F下退火之后的收缩情况的曲线图6A和6B的示意性图示出示例性二维触头结构的透视图6C和6D的示意性图分别示出基于图6A和6B的二维先驱结 构所形成的示例性三维触头结构的透视图7A和7B的图像示出根据图3A方法的触头结构上的疏导凹陷 部的效果的示例；
图7C的图像示出另一示例性触头装置，其在包括弹性臂的触头 板内具有凹部；
图7D的图像示出具有弹性板通孔的示例性触头装置，弹性板通 孔内填充有从层中挤出的粘着性材料；
图7E的曲线图示出分别具有和不具有疏导凹陷部的基板内的示 例性触头臂杆的载荷-位移曲线；
图8A和8B的示意性图示出根据本发明的构造设置的触头臂杆的 俯视图和侧视图8C的示意性图示出用于BLGA触头阵列的示例性触头臂杆的 放大剖视图9的图像示出根据本发明的另一构造设置的内插板的局部的横 剖视图10的图像示出根据本发明一个方面在触头和导电通孔之间形 成导电路径之后的触头结构；图11的图像示出根据本发明一个构造的触头臂杆的橫剖面图； 图12的图像示出包括设置在触头上的保护层的示例性触头结构； 图13的示意性图示出根据本发明另一方面的用于形成内插板的 方法；
图14A至14H的示意性附图示出根据本发明一个方面的用于形成 连接器的加工步骤；
图15A至15H的示意性附图示出根据本发明一个方面的用于形成 连接器的加工步骤；
图16A至16H的示意性附图示出根据本发明另一方面的用于形成 连接器的加工步骤；
图17A至17H的示意性附图示出根据本发明又一方面的用于形成 连接器阵列的加工步骤；
图18A的示意性图示出根据本发明一个构造的触头臂杆阵列的平 面图18B的示意性图示出若干个不同示例性触头臂杆设计的平面
图19的示意性图示出本发明的示例性BLGA系统及其附接到 PCB的剖浮见图20的示意性图示出用于本发明的BLGA系统的两个示例性触 头臂杆设计的倾斜平面图21的示意性图示出用于接触焊球的不同示例性触头臂杆设计 的放大透视图22的示意性图示出根据本发明另一构造设置的触头的示意性 俯视图23和24的示意性图分别示出用于本发明的触头系统的示例性 夹持系统的俯视图和剖视图25是用于本发明的示例性BLGA系统的载荷-位移曲线图； 图26是用于本发明的示例性BLGA系统的载荷-位移曲线图； 图27A -图27D的示意性图以平面图示出根据本发明又一构造的替代性内插板；
图28的示意性图示出根据本发明另一构造的具有两个各自远程 连接到导电通孔的触头的内插板；
图29A的示意性图示出一内插板，其包括设置于绝缘基板的第一 区域内的导电通孔阵列和设置于基板的第二区域内的触头阵列；
图29B的示意性图示出根据本发明另一构造的另一内插板，其包 括弹性触头阵列和具有第二节距的导电通孔阵列；
图30A和30B的示意性图是根据本发明替代性实施方式的连接器 的横剖视图31和32的数据示出了改变弹性触头工作范围内的粘合剂类型 和限流器构造的效果；
图33A的图像示出根据本发明又一构造的定位焊盘布局，其包括 具有构造成在粘接过程中捕获粘合剂的弧形凹槽的焊盘；
图33B-图33E的示意性图以透视图形式示出根据本发明又一构 造的设置于示例性触头结构内的限流器的变型；
图34A的图像示出根据本发明又一构造的示例性触头装置的平面
图34B的示意性图示出图34A的示例性触头装置的局部的横剖视
图；图34C的示意性图示出图34A和34B的触头结构的变型；
图35的图像示出根据本发明一个方面的在粘合剂层顶部上形成
导电部之后的触头结构。
为了简要和清楚起见，本发明装置的相似器件和元件在所有附图
中将统一标识或标号。
具体实施例方式
本发明的方案涉及通过光刻金属层以形成触头元件阵列而制成电 连接器的方法。金属层可在图案化以形成触头元件之前施加到连接器 基板，或者可以是在接合到连接器基板之前进行图案化的自支持层。一般而言，触头可由卑个金属材料层形成，但也可由多层相同材料或 不同材料形成，其中在一金属层被图案化以形成触头阵列之后一个或 多个层可添加到触头。通过这些方法形成的连接器包括使触头阵列设 置在单一侧面上的基板、或者使触头阵列设置在两个侧面上的基板， 例如内插板。
根据本发明方案制造的连接器元件和内插板层可利用以下提出的 设计规则中的一个或多个制成。
可根据触头特性的期望组合选择用于金属触头的金属。这样的示 例包括选择用于金属触头的芯区域的材料，以使其具有所需的弹性性
能。Cu、 Cu合金以及不锈钢均是可形成触头芯区域的金属材料的示 例。例如，由于不锈钢或Cu合金层的强机械弹性，因此可选择它们 作为形成触头的芯层(由此形成触头)；因为纯Cu的良好导电性，所 以可选择中间Cu层来涂覆芯层；以及因Au或Au合金层的低界面阻 抗和良好抗蚀性，因此可选择它们作为外层。
根据特定的应用选择用于触头阵列基板的介电质(电绝缘)或半 导体材料。本发明的示例性构造包括具有FR4 (玻璃纤维环氧树脂)、 聚合物、陶瓷及半导体基板的连接器。
本发明的其它构造还包括这样的连接器其具有多个、冗余的导 电触头，以改进利用该连接器耦联的器件之间的电连接。
可选择使触头包括其它结构特征，以改进性能。例如，在本发明 的一些构造中，制造了具有微观粗糙度的弹性触头以改进与外部电学 器件的电接触。触头上的微观粗糙度便利了通过提供集中力从而穿透 覆盖了待由触头接合的导电表面的任何钝化层而提供良好的电接触。
整体上，根据特定的应用对根据本发明制造的连接器中所用的触
头类型的组合选择。例如，可能希望在内插板基板的两侧面上设有同 一类型的弹性触头，以在该内插板的各侧面上连接相似的器件。另一 方面，可能希望在双面连接器的一个侧面上利用焊接、导电性粘合剂 或一些其它电接触方法，而在该连接器的另一侧面上使用弹性触头阵 列。在连接器基板内包括诸如金属特征的附加特征也根据连接器的特 定应用而定。例如，在希望散热良好的情况下可选择在连接器基板的 内部内设置附加的金属平板或电路。在连接器内设置附加金属平板或 电路可根据电屏蔽、功率传输、附加电子器件、或改进连接器的电学 性能的需要而定。
以下讨论公开了根据本发明方案的用于形成包括弹性触头阵列的 电连接器的方法。
图1整体上示出了根据本发明一个方面的内插板形成方法。在步
骤2中，在绝缘基板内提供多个导电通孔。绝缘基板例如可以是PCB 类型的材料或陶瓷。可借助于包括对基板内所形成的通孔进行化学镀 的很多方法来形成导电通孔。在一个示例中，基板还在一个或两个侧 面上设置有铜覆层。优选地，铜覆层的厚度介于大约0.2至0.7mil范 围内。导电通孔例如可通过钻透绝缘基板并随后镀覆该通孔而形成。
在步骤4中，为该基板提供耦联到相应通孔的多个导电路径。术 语"为该基板提供，，是指导电路径附加到基板一 一附加到基板外表面上 或嵌入基板内。在一个构造中，导电路径设置在绝缘基板的至少一个 表面上。导电路径设置成使得导电路径的一端电连接到导电通孔。在 本发明的一个变型中，步骤2和步骤4是在单个步骤中执行的。例如， 可形成镀覆通孔，其中导电层延伸到基板表面上，使得延伸到基板表 面上的部分构成保持与导电通孔电接触的导电路径。在基板设置有表 面铜(或其它金属)覆层的情况下，步骤2中对通孔的镀覆可用于将 导电性的竖直通孔壁与位于基板表面上并围绕该通孔的铜覆层连接。 随后，例如，将表面铜覆层蚀刻成围绕通孔的导电性定位焊盘内。
另一方面，导电路径可由精细电路图案组成，电路图案的导电线 路各个均连接到相应的通孔，并沿基板表面延伸或嵌入基板内。电路 图案可在步骤2中形成并嵌入基板表面下方的基板内。例如，嵌入导 电线路可各自形成为接触基板内的通孔。还可以有如下设置即使得 嵌入导电线路的与通孔相对的一端可进一步接触延伸到基板表面的第 二通孔中所包含的导电材料。随后，第二通孔可连接到导电性弹性触头，从而提供从第一导电通孔到弹性触头的电连接。
在另一变型中，可在铜(金属)覆层内形成具有延伸到导电通孔 的线路的电路图案。线路的与连接到通孔的那些端部相对的端部可在 后续加工步骤中连接到相应的弹性触头。
在步骤6中，形成弹性触头阵列。优选地，弹性触头阵列形成于 导电板内。此导电板的示例包括铜合金，例如BeCu。导电板的厚度 构造成能使由该导电板所形成的触头臂杆具有所希望的弹性特性。例 如，对于长度在5至50mil范围内的触头臂杆而言，导电板的厚度优 选地介于大约1至3 mil范围内。弹性触头阵列的形成(后文进一步 描述)大致包括以下子步骤图案化平坦的导电板；选择性地蚀刻该 经过图案化的导电板以形成二维触头结构；以及将该二维触头结构形 成具有延伸到导电板平面上方的弹性触头部的三维触头。当形成后， 弹性触头阵列包括半绝缘特征的阵列，例如图2中所示阵列202,在 下文将对其进一步描述。形成之后，可对触头进行热处理以调节弹性 触头的机械性能。
在步骤8中，将包括弹性触头阵列的导电板粘结到基板。可重复 该步骤以在绝缘基板的另一侧面上附接另一个具有弹性触头阵列的导 电板。如后文进一步描述的，该粘结步骤可包括例如制备待粘结的导 电板表面、提供导电板和基板之间的粘合剂层、在基板和/或导电板内 设置在粘结过程中供粘合剂层流动的构造、以及在热和压力作用下将 导电板附接到内插板基板表面。
在粘结过程中，触头在导电板内的位置可对准，使得这些触头与 这些触头待耦联的导电通孔对齐。例如，各触头可置于连接到通孔的 预先存在的导电路径的上方。替代性地，在粘结过程中，触头在导电 板内的位置需要与该触头待耦联的通孔对齐。粘结之后，可限定触头 和各个通孔之间的导电路径。
为了在粘结过程中提供辅助作用，在导电性弹性板的外表面上典 型地设置层合隔离件。层合隔离件典型地配置为具有孔阵列的薄板， 这些孔与弹性触头在导电板内的位置对应。层合隔离件放置成使层合
9隔离件的表面仅在弹性板的平面部分内接触弹性板的表面，并且层合 隔离件的孔容纳弹性触头，使得触头臂杆保持未接触。层合隔离件的
度。以此方式，平面压板可以在不与弹性触头臂杆接触的情况下(弹 性触头臂杆未突伸到层合隔离件的顶表面上方)被夹紧抵靠层合隔离 件的外表面。
在步骤10中，将弹性触头电连接到相应的导电通孔。如以下参照 图3A和3B更详细描述的，形成于导电板内的触头可借助于镀覆工艺 连接到通孔，镀覆工艺填充导电通孔和包括触头的导电板之间的间隙。
在步骤12中，将电触头彼此电绝缘(单个化)。在该步骤中，去 除导电性弹性板的不需要部分。这样做时，电触头阵列可形成在内插 板的一个或两个侧面上，其中这些触头中的一些(部分单个化)或全 部(全部单个化)可与其它触头电绝缘，同时各个触头保持电耦联到 相应的导电通孔。如后文进一步描述的，该单个化步骤是根据光刻并 蚀刻导电性弹性板而完成的。在一个变型中，也如后文讨论的，单个路径。
以下参照图3A和3B所述的方法描述了由图1中方法演变出的更 详细的变型。这些步骤可用于制造例如以下参照图6A至图12、图14A 至图24、及图27A至图35描述的内插板触头结构。
图3A示出根据本发明一个方面的用于形成内插板的方法中所包 括的示例性步骤。
在步骤300中，在绝缘基板内形成多个通孔。在本发明的一个构 造中，绝缘基板在顶表面和底表面上覆盖有导电性覆层。在一个示例 中，通孔被根据所需图案而图案化成通孔的二维阵列。优选地，通孔 穿透绝缘基板的整个厚度，使得可通过从基板一个侧面到相对侧面镀 覆该通孔而形成导电路径。优选地，在步骤300中，通孔经受至少一 次种籽层沉积。种籽层形成更厚导电性涂层的基层，所述导电性涂层 将在以后通过镀覆而形成。在步骤301中，如果内插板基板设置有导电性覆层，则该覆层可 被蚀刻以形成隔离的导电区域，其中隔离的导电性区域中的一个或多 个可形成为用于相应弹性触头的导电路径的至少一部分，其中所述导 电路径用于将弹性触头电连接到相应的导电通孔。例如，隔离的导电 区域可设置为导电性定位焊盘的阵列。图4A示出根据本发明一个构 造的导电性定位焊盘402的装置400的平面图。导电性定位焊盘设置 成二维阵列，且各自均包括内部圓形区域404，其中去除了包括焊盘 的导电性材料。内部圆形区域404的间距和尺寸可设计成在设置于基 板内的导电通孔阵列的上方对齐，使得定位焊盘不覆盖通孔。其后， 可利用碱性洗涂剂和包括稀释的硫酸溶液的微蚀刻剂的组合制剂来制 备设置有定位焊盘的内插板基板。其后，可例如通过将包括弹性触头 的弹性板粘结到内插板基板上而将弹性触头置于此种定位焊盘上。弹 性触头可电连接到焊盘，从而形成触头和导电通孔之间的电连接。
图4B示出根据本发明构造设置的基板406的剖面图，示出一系 列导电通孔407，导电通孔407的各外部部分408在基板表面处均由 定位焊盘402围绕。定位焊盘402设置成使位于焊盘顶部上的导电性 触头结构可方便地电连接到导电通孔。
在步骤302中，选择弹性触头材料，例如具有合适机械性能的Be -Cn、弹簧钢、钛铜、磷青铜或任何其它合金。然后，以弹性板形式 提供该选择的材料，使其用作制成内插板的触头元件的层。材料的选 择可基于所需应用而定，可能需要考虑由弹性板制成的触头的机械和 电学性能、以及工艺兼容性，例如蚀刻特性和触头的可成形性。
可选地，弹性板可在后续加工之前进行热处理，或在后续的触头 元件形成之后进行处理。在一个示例中，选择包括Be的过饱和溶液 的铍铜(Cu - Be )合金。该过饱和溶液具有相对较低强度和较高延展 性，且可容易变形以形成弹性触头元件，例如后文进一步描述的触头 臂杆。在触头臂杆形成之后，可在产生第二相沉积的温度下处理过饱 和合金，其中位错不再发展，且多相材料使得所生成的触头臂杆具有 高的强度。
ii在步骤304中，设计触头形状。该设计可包括简单地选择能够存 储以用于i殳计程序的已知i殳计，或可需要利用诸如Gerber art work 的CAD工具设计触头。该设计可装载入用于图案化待进行蚀刻的弹 性板以形成弹性触头的工具内。该设计可用作例如掩模设计，以借助 于该触头设计而制造用于图案化弹性板上的抗蚀剂层的光刻掩模。因 为利用诸如Gerber的设计工具可容易改变触头形状，所以可按照需 要快速地完成对触头设计的修改。
在一个变型中，触头形状设计步骤包括利用对触头特性进行建模。 例如，内插板设计者的心目中可能会具有触头的某些性能标准，例如 才几械特性。诸如Structual Research and Analysis /〉司的COSMOS 、 以及ANSYS有限公司的ANSYSTM的建模软件，可用于建立三维的基 本触头形状的特性的模型，以辅助选择触头形状和尺寸的全部设计。 一旦确定所希望的触头形状和尺寸，该信息就可作为掩模设计存储， 并随后用于图案化弹性板。
作为步骤304的触头设计过程的部分，可指定触头形状相对于用 于形成触头的弹性板的所希望方向。金属板的晶粒结构通常是各向异 性的。相对于晶粒方向以特定取向形成的触头具有象弹簧一样的更多 弹性。因此，触头相对于晶粒方向的取向可用于选择所希望的弹性程 度。因而，在用于形成触头的弹性板内建立相对的晶粒各向异性之后， 晶粒各向异性可用于选择弹性触头臂杆设计的纵向部分的取向，以使
触头具有所希望的弹性。
在步骤305中，按比例缩放触头设计。设计(例如掩模设计)的 按比例缩放首先必需确定待制造的二维触头的所希望的最终尺寸和形 状。接下来，考虑到在二维图案化后出现的加工效果(其影响所获得 的最终触头结构)，按比例缩放所希望的最终尺寸，以生产尺寸被适当 改变(通常是放大)的按比例缩放的二维设计。在一个示例中，当确 定最终所希望的触头机构时，考虑到在触头制造过程期间后续发生的 弹性板退火后出现的弹性板收缩，将用于在蚀刻弹性板内生产确定的 触头结构的触头设计按比例缩放。图5示出Be-Cu合金板在600 F退火之后的收缩率，其可用于在形成触头后淀积硬化触头。当沿x轴
的收缩率相对恒定地保持在大约0.1%时，Y轴收缩率在120分钟退火 时间时单调升高至大约0.19%。因而，既然在退火工艺之前可图案化 和蚀刻触头臂杆，因此可以考虑到在图案化和加热二维触头后出现的 绝对收缩率和沿Y轴的相对较大的收缩率而对触头的设计图案进行改 变。
一般而言，被提供用作弹性触头原材料的金属板材料经受滚轧工 艺，滚轧工艺将各向异性引入晶粒的微观结构，各向异性在滚轧方向 与和滚轧方向正交的方向之间最为显著。当合金材料在退火过程中发 生过晶界相沉淀的情况下，就导致了退火后各向异性的收缩率。即使 不经受引入各向异性晶粒结构的板滚轧工艺，经受引起晶界沉淀的退 火处理的、具有均勻各向同性(在板平面内)微观结构的板材也将在 退火过程中出现收缩。只不过，在后一情况下，在板平面内沿X方向 和Y方向的收缩率可能会是相等的。
因此，为了制造光刻掩模，各向同性地按比例缩放或各向异性地 按比例缩放参考掩模设计是优选的一一其尺寸的按比例缩放要考虑触 头在退火过程中的收缩。在图5的示例中，对于图案化了触头形状后 待要退火约120分钟的触头而言，掩模设计可按比例扩大从而在所希 望的触头尺寸基础上使X方向尺寸增加大约0.1%，使Y方向尺寸增 加大约0.2%。因此，在触头图案化(后文进一步描述)之后，触头的 初始总尺寸将在退火工艺后收缩到所希望的最终尺寸。
除了弹性板坯料发生的平面内收缩，利用掩模设计的按比例缩放 还可以顾及到其它影响。例如，弹性板内的蚀刻触头的图案密度能影 响平面内总收缩率。因此，可根据图案密度影响修改设计的比例。一 般而言，在步骤305的第一子步骤中，在弹性板内制造二维触头阵列 设计。在实验中，可以在一系列弹性板内制造该设计，其中该系列弹 性板的板厚和设计密度是不同的。然后，使已图案化的弹性板经受用 于硬化触头的退火条件。其后，根据经验测得弹性板沿X方向和Y方 向的收缩率。在实验中，X-Y方向的收缩率可确定为材料、板厚、图案密度、图案形状、退火条件及其它参数的函数。然后，将这些X 方向和Y方向的比例缩放因子存储在矩阵中，该矩阵可包括材料类型、 厚度、退火条件、触头设计及触头密度。例如，此种矩阵中的各元素 可包括与所希望最终触头形状相对应的参考设计的X方向收缩因子和 Y方向收缩因子。然后，针对各元素，利用基于X方向收缩因子和Y 方向收缩因子的比例缩放函数，利用CAD或类似程序，改变参考设 计的尺寸和形状，从而创造出最终掩模设计。
在步骤306中，对弹性板施加光刻。该步骤典型地包括如下子步 骤施加光刻感光性膜("光致抗蚀剂"或"抗蚀剂")；利用步骤304 中选定的工艺参数曝光光致抗蚀剂；使已曝光的抗蚀剂显影以留下包 括开孔的图案化的抗蚀剂层，开孔位于弹性板的待蚀刻区域的上方。 在一个示例中，将抗蚀剂施加到弹性板的两个侧面，使得可从两侧图 案化和蚀刻弹性板。在这种情况下，在弹性板的两个侧面上形成匹配 的二维图案，使得位于弹性板一个侧面上的、处于给定水平位置处的 蚀刻特征的形状和尺寸与位于弹性板另一侧面上的处于相同水平位置 处的特征的形状和尺寸相匹配。干膜可用作约1至20 mil的较大特征 尺寸的抗蚀剂，而液态抗蚀剂可用于小于1 mil的特征尺寸。
在步骤308中，在溶液(例如为所用弹性板特别选择的溶液)里 蚀刻弹性板。在工业中通常使用氯化铜或氯化铁蚀刻剂来蚀刻铜合金 和弹簧钢。蚀刻之后，在剥膜工艺中从弹性板上去除保护性抗蚀剂层， 从而在弹性板内留下已蚀刻特征。该蚀刻特征可包括例如包括位于弹 性板平面内的二维臂杆的触头特征的阵列。图6A和6B分别示出示例 性的二维触头结构(触头特征)600和602的透视图。需要注意的是， 为清楚起见以单独特征形式示出该二维特征。但是，在步骤308时， 此种触头特征的局部实际上与弹性板——至少局部处——一体地连 接。触头结构602包括构造成用作粘合剂限流器的孔洞604，后文将 参照步骤316至320对其进行描述。
在步骤310中，将弹性板放置到批量成形工具上，该批量成形工 具构造成将触头特征形成为三维特征。可基于用于限定二维触头阵列
14特征的原始参数设计批量成形工具。例如，批量成形工具可以是具有三维特征的模子，模子的形状、尺寸及间隔设计成与二维触头阵列相
匹配并使触头特征具有第三维度。
在一个变型中，通过例如利用不锈钢将层叠薄片堆叠在一起制成
批量成形工具的凸部构件和凸部构件。通过穿透薄片蚀刻与触头结构
或触头结构阵列的剖面形状相匹配的图案(例如，用激光)，各薄片能
够被图案化，这样当沿内插板平面观察时将能看到触头。例如，该剖
面形状可设计成当沿X-Y触头阵列的X方向观察时其与触头阵列轮廓相匹配。为了限定所有的模子结构，改变各薄片的图案，以模拟Y位置改变时触头阵列轮廓沿X方向的变化。组装之后，薄片将构成三维模子，其设计成容纳二维弹性板，并按压二维触头使其具有第三维度。在将弹性板放置于批量成形工具内之后，该工具作用以形成具有所有三个维度的特征("凸缘，，)，从而制成所希望的触头元件。例如，通过在适当设计的模子内部挤压弹性板，二维触头臂杆可发生塑性变形，使得从模子移出二维触头臂杆后，臂杆突伸到弹性板平面的上方。
为了使批量成形工具适当地匹配按比例缩放的二维触头图案，蚀刻的图案按比例缩放以沿第 一 方向——例如X方向——匹配已缩放的二维触头阵列结构。模子沿Y方向(与薄片正交的方向)的按比例缩放可以执行，但不是必须要执行。优选地，模子尺寸沿其按比例缩放的X方向表示具有较大比例缩放因子的方向。在一些情况下，模子可设计成具有足够的公差，使得不需要沿Y方向进行严格的比例缩放。
图6C和6D分别示出已形成的三维触头结构610和612，其分别基于图6A和6B的二维先驱结构形成。注意，为清楚起见，以单独特征形式示出该三维触头。但是，在步骤310时，此种触头特征的局部实际上与弹性板——至少局部处——一体地连接，如图2所示。
图2示出具有根据以上概述步骤形成为三维弹性触头阵列的导电板的一个示例。导电板200包括具有多个三维触头204的触头阵列202，三维触头204各自具有基部208和触头臂杆部206。在此加工阶段，触头阵列202的触头一体地连接到导电板200，并因此彼此并未
15电绝缘。基部208被部分地蚀刻，但有足够的材料保留在基部和弹性 板的其余部分之间以保持半分离的触头和弹性板作为一单一结构。在 本发明的其它构造中， 一直到步骤310才执行限定基部的局部蚀刻。
在步骤312中，可对导电板进行热处理以淀积硬化并增强触头的 弹性性能。如上所述，这能通过例如过饱和合金的淀积硬化而赋予触 头臂杆以较高的强度(例如较高的屈服强度)和/或较大弹性模量。热 处理可在诸如氮气、惰性气体、或成形气体的非氧化气氛中执行，以 防止导电板氧化。
在步骤314中，具有三维成型触头元件的弹性板经受清洗和表面 处理。例如，可执行碱清洗，之后进行硫氧化物/过氧化氢蚀刻(微蚀 刻)以增强弹性板表面的粘着性能，从而有利于后续的层压加工。微 蚀刻例如可用于粗化表面。
在步骤315中，执行图1的步骤2和4中概括阐述的工艺。内插 板设置有从基板的一个表面穿通至相对表面的镀覆通孔。虽然不是必 需的，但优选地提供多个导电路径，这些导电路径一端连接到相应的 导电通孔，而另一端延伸到基板表面的一部分上并跨过该部分或者在 基板内部延伸。例如，多个导电路径可简单地包括通过如上所述地蚀 刻基板的金属覆层而围绕导电通孔限定的定位焊盘。在其它示例中， 导电路径可以是设置用来提供与位于离导电通孔一段距离处的弹性触 头之间的连接的表面或嵌入走线。
在步骤316中，将流体限制特征引入基板。如后文参照图7A和 7B进一步讨论的，这些流体限制特征是在将导电性弹性板粘结到基板 过程中所使用的粘合剂层提供存储部。所述存储部位于基板的支撑弹 性触头的区域附近，并用于容纳过量的粘合剂并减少粘合剂材料在弹 性触头之下的流动。可选地，除了设置于基板内以外或者作为设置于 基板内的替代方案，限流器还可置于触头臂杆附近的弹性板内。这就 防止了弹性臂杆的机械性能出现不希望的改变(这些改变会使它们不 再适于使用)。在一个变型中，在步骤315过程中执行步骤316。
在步骤318中，将弹性板粘结到基板表面。在一个示例中，基板包括覆盖介电质芯部的低流体粘附性材料。当弹性板和基板接合到一 起时，粘合剂层用于粘结弹性板和基板。在一定的温度和热条件下， 将基板和弹性板挤压在一起，所述温度和热条件可基于粘合剂材料进 行最优化以获得所希望的粘附性和流动性。在该工艺的一个变型中， 在将弹性板和基板放置到一起之前，将粘合剂置于弹性板的与弹性触 头自其伸出的侧面相对的底部侧面上。
粘结之后，相应通孔与位于弹性板内的弹性触头之间的空间关系
就固定了。例如，再次参见图2，可相对于基板设置阵列202，使得触 头204与基板内的导电通孔对齐。换言之，阵列202可包括X-Y触 头阵列，该触头阵列的触头之间的间隔和触头的数量与和该触头相比 具有相似间隔并具有相似数量通孔的导电通孔阵列对应。触头阵列 202的相对方向可设置成使各触头相对于对应通孔具有相同的相对位 置。例如，具有等间隔触头的5x6 X-Y触头阵列可排列在与触头具 有相同间隔的等间隔导电通孔的5x6 X-Y阵列的顶部上，使得触头 阵列和导电通孔阵列的x方向和Y方向均相同。
粘结之后，粘合剂层设置于弹性板和基板之间一一除了基板的某 些部分例如通孔。图7A和7B示出在步骤318之后，在弹性触头区域 处，对于触头邻近导电通孔放置的情况，限流器的存在对于内插板结 构的影响的示例。在这种情况下，粘合剂流体限制装置(或"限流器") 是在位于基板上的铜覆层内蚀刻而成的小通孔。所示的覆层可以是前 述步骤315中限定的定位焊盘的一部分。在其它示例中，限流器可以 是铜覆层内或弹性板内的部分凹陷、或弹性板内的通孔。所有此种构 造都用于容许粘合剂材料流入由限流器限定的初始空置的空间内。在 分别具有触头结构700和720的图7A和7B中，触头臂杆702接合到 具有通孔706的基板704。触头臂杆702设置于通孔706上方，并利 用粘附层708接合到基板704。在与外部器件接触过程中，触头臂杆 可向下移位。在图7A中，位于基板上的铜覆层709内的、用作限流 器的通孔710的存在导致流体层708不会有能辨别出的流体流进入通 孔706内。相反，在图7B中，疏导结构(限流器)的缺乏导致位于触头臂杆702基部下方的粘附层712材料存在可察觉到的流动。图7C 示出另一触头装置730，其具有位于包括弹性臂杆702的触头板内的 凹陷部732。该凹陷部用作除孔710外的另一粘合剂流体限制装置。 同样地，也没有观察到位于触头臂杆下方的粘合剂流体。
在本发明的一个变型中，在步骤316中，在弹性板粘结到基板之 前，在弹性板内形成通孔，使得通孔接收在粘结过程中从粘合剂层挤 出的粘合剂材料。优选地，当蚀刻二维触头特征时，如图所示的，例 如图6B的触头结构602,在步骤308中形成弹性板通孔。图7D示出 具有弹性板通孔742的触头装置740,通孔742填充有从层708挤出 的粘附性材料。
如图7E所示的，图7E描绘出具有限流器(750)和不具有限流 器(752)的基板内的触头臂杆的载荷-位移曲线，不具有限流器的触 头在弹性方面要更为刚硬，因此移动通过给定距离需要较大的力。
在步骤318的另一变型中，设置粘合剂层和弹性板通孔以制造突 出到弹性板材料的基部表面上方的挤压隆突部。通过合适地布置通孔 的位置，挤压隆突部可至少部分地形成在由弹性板所形成的触头阵列 中的触头臂杆之下。例如，在具有图7C所示构造的摇摆臂触头阵列 中，层708的挤压部分可形成为隆突部或区域(参见区域734)，该隆 突部或区域的顶表面相对于基板表面的其它部分凸起，且凸起表面位 于触头臂杆702的远端703之下方，使得触头臂杆702在由于接触外 部器件而移位时，隆突部用作触头臂杆702的硬止挡。
在可选步骤320中，针对与步骤318中所用基板表面相对的基板 表面重复步骤318的工艺，从而得到如下的基板该基板具有结合至 其相对侧面的、包括触头阵列的弹性板。
该触头阵列可进行设置，使得阵列中的各触头在内插板基板上靠 近与触头电连接的相应导电通孔设置，或与所述导电通孔相距一定距 离设置。
在本发明的其它构造中，在粘结步骤318过程中，弹性板可以如 下方式接合到内插板基板即触头的基部不位于通孔附近。在这种情延伸。在粘结步骤318和320过程中，触头阵列可相对于基板通孔进 行设置，使得触头的触头臂杆相对于各触头臂杆待电连接的通孔沿任 何所希望的方向定位并延伸。因此，因为触头可定位于距离通孔较远 处，所以触头臂杆的设计和长度无需受到通孔尺寸和通孔间隔的限制。 这与触头基部形成在通孔附近并且触头远端越过通孔形成、由此将触 头臂杆长度限制为通孔直径的触头相比，便利了增加触头臂杆的臂长 并因此扩大了触头的工作范围(参见图8A至8C，后文对其进一步讨 论，例如8C)。
在步骤322中，内插板基板经受镀覆工艺。镀覆工艺用于镀覆基 板表面的所希望部分，这些所希望部分可能包括顶表面和底表面、以 及连接顶表面和底表面的通孔(可能已镀覆过)。这可用于提供电连接， 例如设置于基板两个相对侧面上的弹性板之间的电连接、以及因此位 于基板两个相对侧面上的触头元件之间的电连接。因此，从一个基板 表面延伸到另一表面的通孔镀覆了延伸到导电板的导电层。在存在于 基板的一个或两个表面上的触头随后被单个化(通过在围绕各触头的 区域内彻底穿透弹性板厚度蚀刻而电绝缘)，已镀覆的通孔可用作设置 在基板两个相对表面上的指定单个化触头之间的电连接通路。
优选地，在镀覆发生之前的预备子步骤中，对内插板基板进行如 下预备处理利用高压八1203刷磨工艺镀覆以去除碎屑并粗化待镀覆 的表面。
镀覆工艺可分两个步骤进行。在第一步骤中，执行相对较薄的化 学镀。在一个变型中，第一步骤包括形成碳种籽层。在第二步骤中， 执行电镀工艺。步骤322可用于例如形成将导电通孔连接到弹性板的 连续导电层，所述弹性板设置在将弹性板与涂覆通孔的导电层分隔的 粘合剂层的顶部上，这就导致触头与通孔初始是电绝缘的，如图9所 示。
图9示出根据本发明一个构造设置的内插板900的部分的剖视图。 图9的装置对应步骤320之后、步骤322之前的加工阶段。在所示的内插板卯0的部分中，两个导电通孔902从外表面906延伸穿过基板 卯4至外表面908。本文所用术语"外表面，，或"基板表面"是指内插板的 大体平面型和相对平坦的表面，也是指顶表面或底表面。可以清楚的 是，内插板900可包括数十、数百或数千的导电通孔902，导电通孔 902例如可设置成二维X-Y图案。通孔902可例如为圆柱形孔。通 孔902可规则地间隔，但不一定这样间隔。对于X-Y通孔阵列，沿 X方向的间距可与沿Y方向的间距不同。
导电通孔902包括设置于通孔的竖直表面上的导电层910。在所 示的示例性内插板中，导电层910以及表面导电路径912 —起形成从 基板表面906延伸到基板表面卯8的连续金属层。
表面导电路径912可包括金属覆层材料，且电连接到通孔导电层 910。内插板900还包括由图中看不到的导电板所形成的弹性触头914。 在图9中所示的构造中，弹性触头914形成在基板卯4的两个侧面上 (顶表面和底表面)。但是，在其它构造中，触头914可形成在基板904 的单一侧面上。弹性触头914包括触头臂杆部916和基部918，触头 臂杆部916和基部918可根据前述方法形成并在后述讨论中进一步描 述。触头臂杆部916电耦联到基部918,虽然在所示剖视图的平面中 并非如此。虽然触头臂杆部916位于表面导电路径912的正上方，但 触头的基部918通过粘合剂层920与表面导电路径912完全电绝缘。 因此，步骤322中所应用的镀覆工艺用于形成填充层910、层912及 触头914之间间隙的导电层。这样做后，可在设置于基板两个相对侧 面上的触头914对之间形成连续通路。
图10示出根据本发明一个方面的在形成触头1024和导电通孔 1026之间的导电路径1022之后的触头结构1020。
在步骤324中，将光致抗蚀剂材料施加到包括弹性板的基板，且 图案化该抗蚀剂层以在弹性板内限定单独的触头元件。换言之，图案 化抗蚀剂层，以使得显影之后，弹性板的位于触头臂杆之间的所希望 部分未由抗蚀剂保护，而触头臂杆及邻近部分由抗蚀剂保护。在具有 施加到两个表面上的弹性板的基板的示例中，对两个基板侧面执行该步骤。
在步骤326中，执行蚀刻，以完全去除弹性板的曝光部分，使得 弹性板内的单独触头彼此电绝缘(单个化)。触头通过在进行单个化的 图案化工艺中所限定的基部保持附接到基板，使得在蚀刻过程中基部 (以及触头臂杆)覆盖有抗蚀剂。如上所述，该工艺也可在弹性板材料 内限定从触头通往通孔的导电路径。
因此，单个化的触头与其它触头以及与弹性板材料绝缘，但可通 过前述步骤322保持电连接到相应的导电通孔。
当单个化的触头待电连接到未位于触头下方的通孔时，已曝光过 和已显影过的抗蚀剂层的图案可包括限定从触头基部区域到通孔的导 电路径的保留抗蚀剂部分。例如，已图案化的弹性板可包括具有与通 孔形状和尺寸近似的孔，且当弹性板粘结到基板时该孔放置于通孔之 上。因此，弹性板材料将延伸到通孔边缘，并且可在步骤322过程中 连接到导电通孔。在弹性板内所包括的、位于与孔相距一段距离处的 触头的单个化过程中，通过蚀刻直接围绕弹性板的待构成触头基部的 部分的弹性板材料，基部可与其它触头绝缘。但是，弹性板的限定从 基部到导电通孔的通路的部分可在单个化步骤过程中受到保护，因此 将基部联接到导电通孔。
在一变型中，其中，单个化的触头的基部待连接到形成于内插板 基板的位于粘合剂层下方的表面上的导电路径的端部，粘合剂层的邻 近触头基部的选定区域可以被去除以暴露导电走线，且随后使用镀覆 工艺将走线连接到基部触头。
在去除抗蚀剂之后，在步骤328中，执行化学镀以完成触头元件。 化学镀包括例如Ni/Au堆(软金)。化学镀设计成将涂覆层添加到触头。 因此，在本发明的一个构造中，如图11所示，弹性触头臂杆1102包 括弹性芯部1104，例如Be-Cu，典型地为1至3 mil厚度，其由Cu 镀层1106和Ni - Au层1108相继涂覆，Cu镀层1106和M - Au层1108 分别具有介于0.3至0.5 mil范围内和0.05至0.15 mil范围内的典型厚 度。Cu镀层和Ni - Au层优选地具有不实质降低触头臂杆的弹性性能
21的厚度。
在步骤330中，将保护层施加到具有已绝缘处理过的弹性触头阵 列的基板。保护层是薄型半刚性材料，例如包括丙烯酸酯粘合剂层和 诸如Kapton的上层的双层材料，其中丙烯酸酯粘合剂层面对基板并 与基板粘结在一起。保护层材料设计成在邻近触头臂杆的区域内包封 触头。图12示出包括位于触头1204上的保护层1202的触头结构1200。
保护层优选地设置有可匹配到下方基板的孔，从而使得保护层材 料大体上并不跨越触头的触头臂杆或设置于基板内的通孔延伸。保护 层材料可跨过触头的基部一直延伸到弹性触头从内插板基板表面的平 面突升的区域。通过精确定位敞开的保护层端部，保护层作用在触头 臂杆上的反作用力的量值可修改，使得触头臂杆的远端保持在基板表 面上方的无保护层存在的较远距离处。保护层用来当触头臂杆上被施 力时提供力以限制触头基部，从而防止触头旋转以及与基板分离。这 种限制力还具有将触头远端保持在基板表面上方较远距离处的附加效 果，这对于约40mil尺寸范围内的触头而言可扩大触头工作距离大约 10%。
如图3B所示，根据本发明的不同方面，所包括的示例性步骤与 图3A中直到步骤324 (包括步骤324)的所阐述的那些步骤相同。
在步骤350中，执行弹性板的部分蚀刻。执行该蚀刻，使得去除 弹性板材料的大部分，其中触头几乎被单个化。例如，弹性板的已蚀 刻部分的相对深度可以是弹性板厚度的40 %至60 % 。
在步骤352中，剥离抗蚀剂。
在步骤354中，在弹性板上重新施加抗蚀剂并且图案化抗蚀剂， 使得在曝光和显影之后仅基板的前述被蚀刻部分(已曝光部分)被掩 蔽。
在步骤356中，对基板进行电镀工艺，例如Cu/Ni/Au (硬金)工 艺。这用于涂覆触头臂杆、以及触头的位于触头臂杆附近并在抗蚀剂 显影之后暴露的部分。
在步骤358中，去除抗蚀剂以暴露之前部分蚀刻的划线。在步骤360中，借助于涂覆触头臂杆以及用作保护性硬掩模的邻 近区域的电解Ni/Au，内插板基板经受蚀刻，使得包括薄弹性板层的 触头之间的区域完全去除，导致生成单个化的触头。
在步骤362中，施加保护层材料。
图13示出根据本发明另一方面的一种用于形成阵列连接器的方 法中所包括的示例性步骤。图13中概述的步骤可用于例如制造单面阵 列连接器。根据图13的工艺制造的阵列连接器可形成于非金属基板 上，例如PCB板、硅晶圆、或陶瓷基板上。本文所用术语"非金属基 板"是指导电性能差的导体或电绝缘体基板，并且可包括半导体基板以 及电绝缘基板。
图13中概述的并且后文参照图14A-17H描述的若干变型中公开 的方法，便利了具有微米或数十微米量级(与之对应地，现今具有弹 性触头的连接器的毫米量级)的触头尺寸和间距的弹性触头阵列的制 造。半导体技术的发展已使得半导体集成电路内的尺寸不断缩小，尤
其是位于硅芯片或半导体封装体上的触点之间的间距不断减小。该间 距，即位于半导体器件上的各电触点(也称作"导线，，)之间的间隔， 在某些应用中显著地减小。例如，位于半导体晶圆上的触头焊盘具有 250微米(10mil)以下的间距。在250微米间距级别时，使用传统技 术制造用于这些半导体器件的能分离的电连接器是非常困难和造价高 昂的。当位于半导体装置上的触头焊盘的间距降至低于50微米以及需 要同时连接至阵列中的多个触头焊盘时，上述问题就变得更加严重。
在步骤1300中，非导电性基板设置有多个位于基板表面上的三维 支撑结构。在以下参照图14A至17H的讨论中公开了用于形成三维支 撑结构的示例性工艺的细节。在一个基板为硅晶圓的示例中，可通过 沉积坯料支撑层、光刻支撑层、以及选择性地去除支撑层的部分这样 的步骤来形成三维支撑结构。支撑层的其余部分形成可用于限定弹性 触头的三维支撑特征。因为在图案化支撑层的步骤中可利用具有精细 特征的掩模的半导体光刻工艺，所以三维支撑特征可具有微米或更小 量级的横向尺寸。因此，部分地由支撑特征限定的触头臂杆可制造成
23具有与支撑特征的尺寸相似的尺寸。
但是，步骤1302的工艺也可结合设置有例如导电通孔的PCB类 型的基板一起使用。设置在PCB类型基板上的三维支撑特征的按比例 缩放可调整以符合待用于PCB基板上的合适触头尺寸。
在步骤1302中，导电性弹性触头先驱层沉积在设置有支撑特征的 基板上。术语"导电性弹性触头先驱层，，是指以下金属材料其通常形 成为基板顶部上的层，并且典型地为至少部分地共形，使得在基板的 平坦部上以及三维支撑特征上形成连续层。术语"先驱，，用来指金属层 是最终弹性触头的先驱，原因是最终弹性触头由该金属层形成。金属 先驱层的机械性能使得一旦触头臂杆形成就能获得所希望的弹性性 能。金属层可以是例如Be - Cu合金。
在步骤1304中，金属层被图案化以形成被支撑式弹性触头结构。 术语"被支撑式弹性触头结构，，是指以下事实，即此种结构具有触头 阵列的最终弹性触头的大致形状和尺寸，但不是自支撑的。换言之， 触头臂杆的至少部分设置在支撑结构的顶部上，且是不能自由移动的。 形成弹性触头支撑结构的金属层图案化也可用于使触头结构单个化。 在这种示例中，在单个化上述弹性板的情况下，通过去除弹性触头之 间的金属层的至少部分，将单独的触头结构与其它触头结构电绝缘。
在步骤1306中，选择性地去除支撑结构，留下具有延伸到基板表 面上方的触头臂杆的三维触头的阵列，三维触头的形状部分地由已去 除的三维支撑结构限定。
如后文所述，上述方法可以有很多变型。例如，基板可设置有形 成电路的内部导电路径，该电路连接位于基板表面上的弹性触头。在 支撑层下方的基板上可设置附加的导电层，附加导电层用于延长触头 的基部。
根据本发明的另 一方面， 一种用于形成具有触头元件阵列的连接 器的方法包括提供基板；在基板上形成支撑层；图案化支撑层以限 定支撑元件阵列；各向同性地蚀刻支撑元件阵列以在各支撑元件的顶 部上形成圆角；在基板上和支撑元件阵列上形成金属层；以及图案化
24金属层以限定触头元件阵列，其中各触头元件均包括位于基板上的第 一金属部、以及从第一金属部延伸并部分地越过相应支撑元件顶部延 伸的第二金属部。该方法进一步包括去除支撑元件阵列。因此，所形 成的该触头元件阵列各自均包括附接到基板的基部、以及自基部延伸 并具有突伸到基板上方的远端的弯曲弹性部。弯曲弹性部形成为具有 相对于基板表面的内凹曲率。
根据本发明的另一方面， 一种用于形成包括触头元件阵列的连接
器的方法包括提供基板；在基板上提供导电性粘结层；在导电性粘 结层上形成支撑层；图案化支撑层以限定支撑元件阵列；各向同性地 蚀刻支撑元件阵列以在各支撑元件的顶部上形成圆角；在导电性粘结 层上和支撑元件阵列上形成金属层；以及图案化金属层和导电性粘结 层以限定触头元件阵列。各触头元件均包括形成在导电性粘结层上的 第一金属部、以及从第一金属部延伸并部分地越过相应支撑元件顶部 延伸的第二金属部。该方法进一步包括去除支撑元件阵列。
图14A至14H示出根据本发明的一个方面的用于形成包括弹性触 头的连接器的加工步骤。参见图14A，提供其上待形成触头元件的基 板102。基板102可例如为硅晶圆或陶资晶圆，并可包括形成在晶圆 上的介电质层(104)。如上所述，在基板102上可形成SOS、 SOG、 BPTEOS或TEOS层的介电质层，以用于将触头元件与基板102绝缘。 然后，在基板102上形成支撑层104。支撑层104可以是沉积的介电 质层，例如氧化物层或氮化物层、旋涂的介电质、聚合物、或任何其 它合适的能蚀刻的材料。在一个构造中，借助于化学气相沉积(CVD) 工艺沉积支撑层104。在再一构造中，借助于物理气相沉积(PVD) 工艺沉积支撑层104。在另一构造中，借助于旋涂工艺沉积支撑层104。 在又一构造中，当基板102未由介电质层或导电性粘合剂层覆盖时， 可利用半导体制造中常用的氧化工艺来生长支撑层。
在沉积支撑层104之后，在支撑层104的顶表面上形成掩模层 106。掩模层106结合传统光刻工艺使用，以利用掩模层106在支撑层 104上限定出图案。在掩模层印制和显影之后(图14B)，在支撑层104表面上形成包括区域106A至106C的掩模图案，从而限定出支撑层104的需要受保护从而使其不受后续蚀刻的区域。
参见图14C，利用区域106A至106C作为掩模来执行各向异性蚀刻工艺。作为各向异性蚀刻工艺的结果，没有被已图案化掩模覆盖的支撑层104被去除。因此，形成支撑区域104A至104C。其后，去除包括区域106A至106C的掩模图案以暴露支撑区域(图14D)。
参见图14E,支撑区域104A至104C然后经受各向同性蚀刻工艺。
经受蚀刻的材料。因此，作为各向异性蚀刻的结果，支撑区域104A至104C的顶部角变圆，如图14E所示。在一个构造中，各向异性蚀刻工艺是利用SF6、 CHF3、 CF4或其它熟知的常用于蚀刻介电质材料的化学物质的等离子蚀刻工艺。在替代性构造中，各向异性蚀刻工艺是湿蚀刻工艺，例如利用緩沖氧化蚀刻剂(BOE)的湿蚀刻工艺。
然后，参见图14F，在基板102的表面上和支撑区域104A至104C的表面上形成金属层108。金属层108可以是铜层、或铜合金(Cu合金)层、或多层金属沉积物，例如涂覆有铜-镍-金(Cu/Ni/Au)的鴒。在优选构造中，利用小晶粒化铍铜(CuBe)合金形成触头元件，然后对触头元件化学镀覆镍-金(Ni/Au)以提供非氧化表面。可借助于CVD工艺、电镀、溅镀、物理气相沉积(PVD)或利用其它传统金属膜沉积技术沉积金属层108。沉积掩模层并利用传统光刻工艺将其图案化成掩模区域110A至IIOC。掩模区域110A至110C限定金属层108的需要受保护使其不受随后蚀刻的区域。
然后，图14F中的结构经受蚀刻工艺，以去除掩模区域110A至110C未覆盖的金属层。结果，形成如图14G所示的金属部108A至108C。金属部108A至108C中的各个均包括形成在基板102上的基部和形成在相应支撑区域(104A至104C)上的弯曲弹性部。因此，各金属部的弯曲弹性部呈现下方的支撑区域的形状，其突伸于基板表面上方并具有当接合触头尖端点时提供滑触作用的曲率。
为了完成连接器，例如通过利用湿蚀刻工艺或各向异性等离子蚀刻或其它蚀刻工艺，去除支撑区域104A至104C (图14H)。如果利用氧化物层形成支撑层，则可利用緩沖氧化蚀刻剂去除支撑区域。结果，在基板102上形成自支撑的触头元件112A至112C。
本领域技术人员在获知本发明后，将理解上述加工步骤中的很多变型是可以用来制造本发明的连接器。例如，可调整各向同性蚀刻工艺的化学物质和蚀刻条件以在支撑区域内提供所希望的形状，使得因此所形成的触头元件具有所希望的曲率。因此，因为可通过改变触头形状改变触头性能，所以上述加工步骤提供一种通过提高蚀刻触头元件从而获得所希望形状的能力而调整触头性能的方法。进而，本领域技术人员将理解通过利用半导体加工技术，可制成带有具备多种性能的触头元件的连接器。例如，第一组触头元件可形成具有第一间距，而第二组触头元件可形成具有大于或小于第一间距的第二间距。触头元件的电学和机械性能的其它变型也是可行的，这一点将在后文更详细地描述。
图15A至15H示出根据本发明一个构造的用于形成连接器的加工步骤。图15A至15H所示的加工步骤与图14A至14H所示的加工步骤大体上相同。但是，图15A至15H示出可通过利用适当设计的掩模图案来制成触头元件的不同构造。
参见图15A,在基板122上形成支撑层124。在支撑层上形成掩模层126，用于限定用于形成连接器的掩模区域。在当前构造中，掩模区域126A和掩模区域126B (图15B)彼此紧密靠近地定位，以容许形成包括两个弯曲弹性部的触头元件。
在利用作为掩模的掩模区域126A和掩模区域126B执行各向同性蚀刻工艺之后，形成支撑区域124A和支撑区域124B (图15C)。去除掩模区域以暴露支撑区域(图15D)。然后，支撑区域124A和支撑区域124B经受各向同性蚀刻工艺以使该结构形成特定形状，使得支撑区域的顶表面包括圆角(图15E)。
金属层128沉积在基板122的表面上以及支撑区域124A和124B的顶表面上(图15F)。在金属层128上限定包括区域130A和区域130B
27的掩模图案。在利用作为掩模的区域130A和区域130B蚀刻金属层128之后，形成金属部128A和金属部128B (图15G)。金属部128A和金属部128B均包括形成在基板122上的基部和形成在相应支撑区域(124A或124B)上的弯曲弹性部。各金属部的弯曲弹性部呈现下方的支撑区域的形状，其突伸于基板表面上方并具有当接合触头时提供滑触作用的曲率。在当前构造中，金属部128A和金属部128B的远端彼此面对地形成。为了完成该连接器，去除支撑区域124A至124B(图15H)。结果，在基板122上形成自支撑的触头元件132。在图15H的剖视图中，触头元件132的两个金属部显示并未连接。但是，在实际实施中，金属部的基部例如通过形成绕触头元件的环而连接在一起，或者基部可通过形成于基板122内的导电层连接在一起。
图16A至16H示出根据本发明替代性构造的用于形成连接器的加工步骤。参见图16A，提供包括预定电路系统145的基板142。预定电路系统145可包括互连金属层或其它电学器件，例如电容或电感，互连金属层或其它电学器件典型地形成于基板142内。在当前构造中，电路系统145的顶部金属部147在基板142的表面处暴露。顶部金属部147在基板142的顶表面处形成为待连接到待形成的触头元件。为了形成所希望的触头元件，在基板142的顶表面上形成支撑层144和掩模层146。
该加工步骤以与前文参照图15A至15H所述方式的相似的方式进行。图案化掩模层146 (图16B),并且相应地蚀刻支撑层144，以形成支撑区域144A和支撑区域144B (图16C)。去除掩模区域以暴露支撑区域(图16D)。然后，实施各向同性蚀刻工艺以使支撑区域144A和支撑区域144B的顶部角变圆(图16E)。金属层148沉积在基板142的表面上以及支撑区域上(图16F)。金属层148形成在顶部金属部147上。结果，金属层148电连接到电路系统145。
金属层148借助于掩模层150被图案化(图16F)，并经受蚀刻工艺。因此，形成金属部148A和金属部148B (图16G)，金属部148A和金属部148B具有彼此指向对方的远端。去除支撑部144A和144B以完成触头元件152的制造(图16H)。
因此当形成后，触头元件152电连接到电路系统145。以此方式，本发明的连接器可提供附加功能。例如，电路系统145可形成为电连接到某些触头元件。电路系统145也可用于将某些触头元件连接到电学器件，例如形成于基板142内或上的电容或电感。
作为集成电路制造工艺的一部分来制造触头元件152提供了其它优点。具体地，在触头元件152和下方的电路系统145之间形成连续电学通路。在触头元件和关联电路之间不存在金属中断或阻抗失配。在一些现有技术的连接器中，使用键合金丝来形成触头元件。但是，此种结构导致在触头元件和下方的金属连接装置之间的总体材料和横剖面不连续以及阻抗失配，导致出现不希望的电学特性以及不良高频操作。本发明的触头元件不受传统连接器系统的局限，且利用本发明的触头元件所构成的连接器可用于要求高频和高性能的应用中。特别地，本发明提供无针型连接元件的连接器，在高频电信号传输过程中针型连接元件可用作天线。另外，弹性触头的基部和弹性部由共同的板材形成，弹性触头的这种单元结构减少了沿连接器的导电路径的电阻抗失配，由此改进了高频性能。
图17A至17H示出根据本发明替代性构造的用于形成连接器阵列的加工步骤。为使讨论简单，图14A至14H以及图17A至17H中的相似元件标以相似的参考标号。根据图17A至17H中概述的步骤所制造的连接器的触头元件包括位于触头元件基部内的导电性粘结层，导电性粘结层用于改进触头元件与基板的粘结性。
参见图17A，提供其上待形成触头元件的基板102。基板102可例如为硅晶圆或陶瓷晶圆，并可包括形成在晶圆上的介电质层(在图17A中未示出)。导电性粘结层103沉积在基板102上，如果存在介电质层则沉积在介电质层的顶部上。导电性粘结层103可以是金属层，例如铍铜(CuBe)或钛(Ti)、或导电性聚合物基粘合剂、或其它导电性粘合剂。然后，在导电性粘结层103上形成支撑层104。支撑层104可以是沉积的介电质层，例如氧化物层或氮化物层、旋涂的介电
29质、聚合物、或任何其它合适的能蚀刻的材料。
在沉积支撑层104之后，在支撑层104的顶表面上形成掩模层106。掩模层106结合传统光刻工艺使用，以利用掩模层106限定支撑层104上的图案。在掩模层印制和显影之后(图17B)，在支撑层104表面上形成包括区域106A至106C的掩模图案，从而限定支撑层104的需要受保护使其不受后续蚀刻的区域。
参见图17C,利用作为掩模的区域106A至106C执行各向异性蚀刻工艺。作为各向异性蚀刻工艺的结果，去除了支撑层104的未被已图案化掩模覆盖的部分。各向异性蚀刻工艺停止在导电性粘结层103上或部分地停止在导电性粘结层103内。因此，在各向异性蚀刻工艺之后导电性粘结层103仍存留。因此，在导电性粘结层103上形成支撑区域104A至104C。其后，去除包括区域106A至106C的掩模图案以暴露支撑区域(图17D)。
参见图17E，支撑区域104A至104C然后经受各向同性蚀刻工艺。
受二刻的材料。因此，作为:向异性二刻的结果，口支撑区域)04A、至104C的顶部角变圆，如图17E所示。
然后，参见图17F，在导电性粘结层103的表面上和支撑区域104A至104C的表面上形成金属层108。金属层108可以是铜层、或铜合金(Cu合金)层、或多层金属沉积物，例如涂覆有铜-镍-金(Cu/Ni/Au )的钨。在优选构造中，利用小晶粒化铍铜(CuBe)合金形成触头元件，然后对触头元件化学镀覆镍-金(Ni/An)以提供非氧化表面。可借助于CVD工艺、电镀、溅镀、物理气相沉积(PVD)或利用其它传统金属膜沉积技术沉积金属层108。沉积掩模层并利用传统光刻工艺将其图案化成掩模区域110A至IIOC。掩模区域110A至110C限定金属层108的需要受保护使其不受随后蚀刻的区域。
然后，图17F中的结构经受蚀刻工艺，以去除金属层和导电性粘结层的未被掩模区域110A至110C覆盖的部分。结果，如图17G所示，形成金属部108A至108C以及导电性粘结部103A至103C。金属部108A至108C均包括形成在相应导电性粘结部上的基部和形成在相应支撑区域(104A至104C)上的弯曲弹性部。因此，各金属部的弯曲弹性部呈现下方的支撑区域的形状，其突伸于基板表面上方并具有当接合触头时提供滑触作用的曲率。各金属部的基部附接到相应导电性粘结部，该导电性粘结部的作用是增强各基部至基板102的粘结性。
为了完成连接器，例如通过利用湿蚀刻工艺或各向异性等离子蚀刻或其它蚀刻工艺，去除支撑区域104A至104C (图17H)。如果利用氧化物层形成支撑层，则可利用緩沖氧化蚀刻剂去除支撑区域。结果，在基板102上形成自支撑的触头元件112A至112C。因此当形成后，触头元件112A至112C实际上均包括延长的基部。如图17H所示，各导电性粘结部用作延长基部的表面区域，以提供将触头元件附接到基板102的更多表面面积。以此方式，可改进触头元件的可靠性。
如本领域技术人员可以理解的，在图14A至17H中概述的工艺流程的一些细节可根据连接器所用基板的类型进行调整。例如，用于沉积在触头阵列基板上的层的加工温度可根据基板承受高温加工的能力进行调整。相似地，可选择沉积工艺的类型，使其具有与基板类型的最大兼容性。例如，不要求高真空环境的沉积工艺对于具有极高脱气速率的基板是优选的。
一般而言，本发明的构造为高速、高性能电子电路以及半导体提供能缩放的、低成本、可靠、兼容、薄型、低插入力、高密度、能分离的和能连接的电连接装置。该电连接装置可用于例如形成从一个PCB到另一PCB、 MPU、 NPU或其它半导体装置的电连接装置。
在本发明的一个构造中，连接系统包括条状接点栅格阵列(beamland grid array, BLGA )。 BLGA的电功能和机械功能使得本身在电子空间中具有大量应用。它容许在几乎任何电接触表面之间可建立短型互连，因此保持高的电学性能。 一些合适应用包括要求高电学性能的测试、超负荷试验、样机研究、以及全晶圆超负荷试验应用。通过利用BLGA电触头元件实现了最优化的电、热及机械性能。
31在本发明的一个构造中，提供用于将电路、芯片、板及封装体电 连接在一起的能分离和能重新连接的触头系统。该系统的特征为其跨 越连接在一起的电路、芯片、板或封装体的整个分隔间隙——即跨越 连接系统的厚度——的弹性功能。本发明包括条状接点栅格阵列
(BLGA)构造，但不局限于特定机构设计。
在图18A中示出了根据本发明一个构造的示例性阵列。在载体层 17内制成触头臂杆15。用于触头臂杆15的不同设计图案分别由图18B 中的元件15a、 15b、 15c及15d示出。
在图19中，示出借助于与位于载体顶部处的触头臂杆15相似的 BLGA触头活动刷24而与PCB 20的焊盘22接触的载体17。
图20描绘出根据本发明两个不同构造的用于BLGA系统的示例 性触头臂杆设计的倾斜平面图15A和15B。
参见图21，示出多个用于BLGA系统的触头臂杆设计。与所述及 的那些相似，根据后文进一步描述的，这些触头图案也可用于在诸如 内插板或BLGA的触头阵列装置内制造类似弹簧的(弹性的)触头结 构。弹性触头所使用的典型材料是Be/Cn。
再次参见图8A和8B，示出触头元件15的一个示例性型式的放 大俯视图和侧视图。
参见图8C,示出用于BLGA或内插板系统的一组示例性的触头 元件15的放大剖视图。这些元件例如可被蚀刻进铍铜板内。铍铜 (BeCu)合金具有高强度和良好的弹性性能。换言之，BeCu可在大范 围内发生弹性变形而不会发生塑性流动。可通过淀积硬化工艺形成 BeCu合金，其中富Be沉淀物形成于富Cu基体内。这可例如在从高 温緩慢冷却的过程中发生，在从高温緩慢冷却的过程中由于Be在低 温时溶解度下降可导致富Be相从Cu基体中沉淀出。因此，在本发明 一个构造中，包括BeCu合金的触头元件15可以重复方式在大范围内 弹性地移位，而不会发生塑性变形。
图22示出根据本发明另 一构造设置的触头的示意性俯视图。在这 种装置中，触头2202包括两个螺旋形状的触头臂杆2204。参见图23和图24，分别以剖视图和俯视图示出夹持机构30。根 据本发明构造设置的触头系统示出为内插板32，内插板32被夹持于 PCB 20和待附接的封装体22之间，通过将该组件置于顶板34和背板 36之间而将内插板32夹持于PCB 20和封装体22之间，顶板34和背 板36被螺旋拧紧在一起或其它方式压在一起。
根据本发明不同构造设置的触头系统可用于高频半导体装置或几 乎任何类型的电接口，其包括但不限于BGA、 CSP、 QFP、 QFN以 及TSOP封装体。
与模压的、成形的或巻绕的弹簧相比，本发明的触头系统提供较 大弹性，且不会限制电学性能。该系统能易于缩放到小间距和小电感， 而弹簧针及纳米弹簧在这点上则非常受限。
与聚合物基的致密金属系统相比，本发明的触头系统的机械性能、 耐用性、触头压力及工作范围并不受限制，而且能提供良好的电学性 能。
本发明的触头系统的特征在于其跨越待连接的电学器件之间的整 个间隙——即从装置触头至装置触头——的弹性功能。因此，根据本 发明一个构造，所设置的双面触头具有设置于连接器基板各侧面上的 弹性触头阵列。两个触头阵列在接合位于连接器基板相应的相对侧面 上的外部器件时，可在触头的弹性臂杆可达到的整个运动范围内弹性 地移位。
参见图25，示出了用于本发明的BLGA附接系统的载荷-位移曲 线图。图25示出了工作范围的概念。载荷-位移曲线(下方的滞后曲 线)示出触头在插入过程中(触头臂杆由于外部力而向下移位)在大 约6.5至14 mil范围内具有弹性特性。电阻-位移曲线显示，插入电 阻在大约7至14 mil位移之间低于约60毫欧姆。对这种示例而言， 如果能接受的触头电阻确定为60毫欧姆或更低的话，则工作范围(在 该示例中定义为在触头的如下插入过程中的位移范围在该插入过程 中，触头表现出弹性并具有60毫欧姆或更低的电阻)为大约7mil(7 至14mil之间的范围，在该范围内触头既具有弹性又具有低于所限定的可接受的极限值的电阻)。
本发明的触头的典型机械和电学特性包括大于5 mil的大工作范围、小于30g的低接触力、具有水平方向分量和竖直方向分量的可靠的滑触作用、大于二十万次循环的高耐用性、高于125。C的高温操作能力、良好弹性、小于0.5nH的低电感、大于1.5A的高电流量、小于20 mil的小的能缩放的间距、以及跨越将待电连接的两个装置、板或基板分隔开的整个间隙的功能弹性。
在本发明一个构造中，对于尺寸范围大约在0.12 mm至0.8 mm之间的凸缘弹簧，触头的弹性范围是介于大约0.12 mm至0.4 mm之间。因此，弹性与尺寸的比值是0.5至l.O之间的大致范围。该比值是与弹性触头臂杆(凸缘弹簧)长度相比触头臂杆可弹性移位的相对距离的值。
根据本发明的其它构造，在图8A至8C中大致示出的触头结构15可通过图17A和17B中概述的工艺形成。该触头包括一个或多个能弹性变形的触头的阵列，其中能弹性变形触头由例如Cu合金板的金属板一体地形成。金属板的合金材料构造成提供高弹性，使得可由该合金材料制成高弹性触头臂杆。本文所用的与触头有关的术语"高弹性"是指触头在连接到外部器件过程中的整个机械位移范围内重复移位，而不会有显著的塑性流动(即不会超过机械屈服应力(应变))。因此，由能变形弹性触头阵列所形成的内插板能与基板多次连接和断开，且机械或电学性能不劣化。
例如，根据本发明一个构造制造并且与图8C中所示的大致相似的内插板可在其一侧或两侧上具有15 mil工作范围的弹性触头阵列。当连接到例如PCB板的基板时，触头阵列可容納触头尖端点的相对高度达到约15mil的变型，在触头尖端点处触头阵列的各触头接触PCB的对应导电性特征。换言之，位于阵列中的点Pl处的第一触头(或接触元件)可接触PCB板的具有相对高度H1的导电性特征，而位于该阵列的点P2处的第二触头可接触PCB板的具有相对高度Hl-12mil的导电性特征。
34因此，当在点P2处建立电连接时，位于点Pl处的触头可弹性地 移位大约12 mil,即一个或多个触头臂杆朝着内插板平面向下移位大 约12mil。但是，因为触头由高弹性板制成，所以当移动不再与PCB 接触时，位于点Pl处的触头臂杆可相对于内插板表面回到与初始接 触PCB板之前相同的相对高度处。因此，内插板可与PCB板断开并 重新连接，并且工作范围大体上没有缩小，因此将内插板的用途扩大 到可多次执行断开和重新连接的应用场合中。图26示出根据本发明制 造的示例性触头的载荷-位移特性，示出了重复多次测量下的高弹性 响应。
图27A至27D以平面图形式示出可才艮据图1、 3A及3B概述的步 骤形成的内插板的替代性构造。内插板2700A至2700D包括延伸穿过 各个绝缘基板2704A至2704D的导电通孔2702。触头臂杆2706以与 图9中所示触头914相似的方式突伸于相应的基板2704A至2704D的 平面的上方。环形导电路径2714围绕位于基板表面上的各导电通孔 2702,与图9的导电路径912相似。触头基部2708则与导电路径(水 平走线)2714电接触。导电路径2714可例如是在围绕通孔的区域内 预先存在的金属覆层其被粘合剂层覆盖的部分(参见图9)。导电路径 2714通过选择性地镀覆直接围绕通孔的区域而形成。在图27A中，触 头臂杆2706越过对应的导电通孔2702延伸，其中，导电通孔2702 与导电路径2714连接。与图18A至21和图8A至8C中所示出的触 头——这些触头大体上以通孔上方为中心——相比，图27A至27D中 所示出的触头布局使得对于给定的阵列间距而言能够制造出长得多的 触头臂杆。这是因为如图18A至21和图8A至8C中所示出的，以通 孔上方为中心的触头臂杆的长度与通孔直径大致相当或比通孔直径 小，而图27A至27D中所示出的触头臂杆具有越过其相应基板的平面 部分(即非通孔上方部分)延伸的部分，从而使得它们的长度可比通 孔直径大得多，经常可与通孔间隔(间距)相当。
图27B示出触头臂杆2706不越过导电通孔2702延伸的构造。导 电路径2714包括自环形部分延伸的L形部分，所述环形部分用来将
35触头基部2708和相应的导电通孔2702电连接。
图27C示出触头臂杆2706自它们相应的基部延伸远离它们电连 接的导电通孔2702的构造。另外，触头臂杆2706的纵向以相对于导 电通孔阵列的"X，，和"Y"方向成约45度角(从平面图观察)延伸。与 触头臂杆沿X方向或Y方向在通孔之间定向的情况相比，这就容许触 头臂杆2706延伸更长的距离，且不跨过导电通孔2702延伸。因此， 如果阵列间距定义为最接近的两个触头或通孔之间沿X方向或Y方向 的距离(在这种情况下阵列间距对于触头或通孔是相等的)，则触头长 度可实际上超过阵列间距，原因是方形阵列的对角线距离是阵列间距 的1.41倍。对于具有两个对应于互相正交方向的不同间距的其它正交 阵列(矩形阵列)而言，对角线长度也超过两个阵列间距中较长间距 的长度。因此，在本发明的构造中，可通过使触头臂杆相对于阵列的 X轴方向或Y轴方向成倾角定向，增加触头臂杆长度。
因此，再次参见图27B，在图1的方法的一个变型中，在步骤2 中形成包括围绕导电通孔的环形导电性部分的导电路径2714。在粘接 步骤8中，将包括未单个化的触头的弹性板置于基板2704B上，使得 弹性板的连续部分从各触头延伸到通孔2702的导电路径2714。在步 骤12中的触头单个化之后，通过蚀刻弹性板使其具有导电路径2712 和基部2708的形状，形成延伸于触头基部2708和通孔2702之间的导 电路径2712。如上所述，可通过对围绕通孔的区域进行电镀以贯穿绝 缘粘合剂层将通孔和弹性板接合起来，这样将包括未单个化的触头的 坯料弹性板预先电连接到通孔。
触头臂杆2706和导电路径2712通常包括相同的弹性板材料。因 此，在图案化用于限定单个化触头的抗蚀剂层过程中，触头臂杆2706、 基部2708及导电路径2712在曝光和显影之后将覆盖以抗蚀剂，并在 去除各触头之间的弹性板材料的蚀刻过程中保持不被蚀刻。因此导电 路径2712构成已蚀刻弹性板的狭窄部分。
图27D示出根据本发明又一构造的另一触头装置2700D。围绕通 孔2702的导电性定位焊盘2720可通过粘合剂层与基部2708分离(例如参见图9的层920)。在这种构造中，触头基部2708和通孔2702之 间的电连接可通过如下方式形成去除粘合剂层的一小部分(未示出) 以暴露基部2708区域内的焊盘2720，并在镀覆步骤过程中在基部和 焊盘之间形成连接。
在本发明的其它构造中，来自触头阵列的预定弹性触头臂杆可从 更远处耦联到触头通孔，其中导电路径在内插板表面上的更远距离上 延伸。例如，可形成导电路径的"电路"图案，其中多个导电路径均在 一端终止于导电通孔，且另一端终止于弹性触头的基部。但是，触头
通孔附近。图28示出根据本发明另一构造的具有两个触头2808A、 2808B的内插板2800，触头2808A、 2808B各自通过导电路径2812A、 2812B远程连接到相应导电通孔2802A、 2802B。
在本发明的其它构造中，多个触头可作为触头组设置于基板表面 的第一部分内，而多个导电通孔设置于基板的第二部分内。图29A示 出内插板2900B，其包括设置于绝缘基板2904A的第一区域内的导电 通孔阵列2902A、以及设置于基板2904A的第二区域内的触头阵列 2906A。触头阵列2906A通过形成电路2908A的导电路径电连接到导 电通孔阵列2902A,电路2908A包括多条导电性布线。各导电性布线 一端终止于导电通孔处，且另一端终止于弹性触头。在本发明的其它 构造中，导电路径的电路系统可设置成使得多个弹性触头可电连接到 共用导电通孔，并且在一替代性方案中，多个导电通孔可电连接到共 用弹性触头。
图1、 3A及3B中所示出的工艺在建立弹性触头和相应导电通孔 之间的位置关系时提供灵活度。此种灵活度使得能够调整内插板使其 适应内插板待连接的器件结构。例如，对于具有与内插板相似的平面 尺寸的器件而言，待连接到内插板一个侧面的第 一部件可在该器件表 面的一个区域内设置全部的有源电学器件(具有相应的电引线)。第一 部件可设计成通过弹簧连接而可逆地连接，使得它可由位于内插板第 一区域内的弹性触头阵列接触(参见图29A的区域A)。待连接到内
37插板相对侧面上的第二部件可具有位于不同于第一区域的区域内的成 组的器件。第二组可设计成通过通孔处的钎焊连接耦联到内插板，使
得内插板的通孔阵列可在第二区域之上设置(参见图29A的区域B)。 因为触头的弹性触头部分相对于与触头电耦联的导电通孔阵列的 位置和方向能独立地在空间内配置，所以根据本发明的方案可制成具 有优良性能的内插板。例如，附接到内插板表面的触头阵列中的触头 间距可不同于导电通孔阵列的间距。在内插板用于互连具有触头阵列 间距的第一部件和具有导电通孔阵列间距的第二部件的此种示例中， 将触头阵列设置于基板的与导电通孔阵列分离的部分内是便利的(参 见图29B)。
另外，对于待连接到内插板的外部部件的任何给定间距而言，可 设置触头臂杆自触头基部延伸的方向，以使触头臂杆长度(以及因此 的工作范围)在给定间距的情况下最大化。因此，触头臂杆可在弹性 板内设置成使得臂杆相对于方形或矩形阵列沿对角方向延伸。
通过提供高弹性的触头臂杆，可制成具有较大工作距离的触头阵 列。在需要内插板能可逆地接触外部器件的应用中，对于给定阵列间 距能够提供相对较长触头臂杆的附加能力提供了较大的"可逆工作范 围"。术语"可逆工作范围"是指内插板触头(或触头阵列)在满足诸如 导电性、电感、高频性能及机械性能(例如外部施加力应当低于某个 值的要求)的特定标准情况下能可逆地移位通过的范围(例如距离范 围)。可逆性是指当触头阵列的触头臂杆与外部装置接触、被按压、从 触头释放、及随后返回与外部装置接触时，触头(阵列)的工作范围 维持不变。因此，具有约20mil可逆工作范围的触头在整个20mil距 离内、在重复地被按压和被释放时，将保持能接受的性能。
设置于阵列内的弹性触头的工作范围或可逆工作范围可进一步结 合阵列的间距进行阐释。本发明的构造提供了这样的内插板其阵列 间距和触头尺寸能从约50 mil的阵列间距整体上向下缩小到微米或更 小的阵列间距。换言之，用于制造触头阵列和通孔阵列的工艺可从当 前技术( l至2mm间距)向下缩小至少IO至IOO倍。因此，当触头阵列间距减小时，触头尺寸和工作范围可减小。对于给定的阵列间 距，归一化工作范围定义为工作范围除于间距。归一化工作范围与上 述的弹性与尺寸之比相似。但是，前述的弹性与尺寸之比这个参数是 指触头臂杆的弹性移位范围与弹性触头臂杆的长度(尺寸)之比，而 归一化工作范围是弹性触头的相对移位范围(在该范围内所需要的性
能是能接受的)与触头之间间隔(间距)相比的值。因为本发明的构
造提供了长度可超过阵列间距的弹性触头(参照参见图27C的讨论)， 所以触头臂杆的位移的竖直范围(等于极限的工作范围)可达到阵列 间距尺寸的一大部分。例如，当静止时位于内插板基板上方的触头形 成在剖视图中观察为大约45度角时，触头的位于基板上方的远端的高 度是其长度的0.7倍。因此，当触头臂杆与外部器件接触时，触头臂 杆在触头臂杆碰触到基体表面之前的移动范围大约可以是触头长度的
0.7倍的值。在这种示例中，如果触头臂杆长度设计成沿阵列的对角线 延伸(并具有阵列间距的约1.2至1.4倍的长度)，则能获得的归一化 位移(等于归一化工作范围的上限)将介于0.8至1.0的范围内。在本 发明的实际实施中，可以达到约0.25至约l.O之间的归一化工作范围。
在本发明的采用BeCu、弹性板或另一高弹性导电性材料的构造 中，屈服应力设计成超过当触头臂杆移位通过其最大位移时被施加的 移位力。因此，在触头被移位到最大范围的内插板与外部器件脱离接 触后，在与外部电学器件重复的接触过程中，触头臂杆的位于内插板 基板上方的远端的高度可被维持。这是因为触头臂杆具有相对较大的 弹性范围，并因此在外部器件的重复加载过程中经受很小或不经受塑 性变形(屈服)。换言之，触头在整个工作范围内显示出弹性特性，使 得直到触头不能被进一步移位的点处触头才表现出塑性屈服。因此， 对于本发明的构造，弹性触头的归一化可逆工作范围(定义为归一化 工作范围除于阵列间距)可介于0.25至0.75的范围内。对于根据本发 明的构造设置的触头，在阵列间距为1.12mm的情况下，约0.3mm至 1.0 mm的可逆工作范围是可能的。
在本发明的其它构造中，具有N个触头的触头阵列可在具有M个通孔的基板表面的上方对齐。在此种布置中，如果M〉N，则并非是每 一个通孔都将唯一地耦联到触头；或者，如果]VKN，则并非是每一个 触头都将唯一地耦联到通孔。在本发明的一些构造中，弹性触头与通 孔对齐，使得触头横跨过通孔延伸，如图9所示出。但是，在本发明 的其它构造中，触头可设置成使弹性臂杆部不横跨过通孔延伸。例如， 再次参见图9，弹性部916可设置成向右延伸，使得弹性部916横跨 过基板904而不是横跨过导电通孔902延伸。在本发明的其它构造中， 诸如弹性部916的弹性触头臂杆可设置成使得当从平面图中观察时， 触头臂杆的任何部分都不与导电通孔交迭。
在本发明的一些构造中，诸如图2及图27A至29B所示出的弹性 触头可设置在内插板的两个侧面上，而在其它构造中触头阵列仅设置 在连接器的一个侧面上。另外，在内插板的相对侧面上可设置触头阵 列的不同构造。例如，在本发明的一个构造中，内插板的第一侧面包 括触头和导电通孔的"本地耦联"，例如图27A中示出的，而内插板的 相对侧面包括触头和导电通孔的"远程耦联"，如图29A中示出的。可 以理解，本发明包括如下构造，其中单一触头的其它组合、不规律 间隔的触头及多阵列触头可设置在内插板的一个側面上，并且以远程 耦联和本地耦联的组合方式连接到相应导电通孔。
在本发明的另一构造中，如图29B所示出的，用于连接两个器件 的内插板2900B包括具有第一间距的弹性触头阵列2902B,其中触头 阵列电耦联到(经由导电路径2908B)具有不同于第一间距的第二间 距的导电通孔阵列2卯6B。因此，内插板可用于电互连具有根据第一 间距间隔的电触头尖端点的第一电学器件和具有根据第二间距间隔的 电触头尖端点的第二电学器件。例如，导电通孔阵列可耦联到第二器
件中的具有第二间距的管脚阵列，而弹性触头耦联到第一器件的具有 第一间距的触点球阵列。
在图27B、 28、 29A及29B中，将相应弹性触头连接到导电通孔 的导电路径可位于内插板的顶表面上。但是，在本发明的一些构造中， 导电路径(例如图29A中绘出的导电路径2908A)可形成和嵌入内插
40板的低于内插板表面的内部，使得各导电路径的端部仍旧形成与相应
通孔或弹性触头的电连接。例如，导电路径2908A可嵌入基板表面 2904A的下面，并一端突升到基板表面以连接到阵列2906A内的弹性 触头基部。在同一导电路径2908A的相对端部处，导电路径可例如在 位于基板表面下方或表面上的区域处的经镀覆的导电性竖直壁处连接 到阵列2902A的导电通孔。
另外，因为独立于内插板基板结构执行光刻触头阵列，所以触头 阵列可相对于内插板基板导电通孔设置成任何所希望的构造。因此，
列定位。因为原理上触头臂杆可设计成比通孔直径大得多，因此这例 如在设计触头尺寸及形状时给予了灵活度。这与触头臂杆跨越通孔定 位的布置相比获得了较大竖直工作距离。
在本发明的另一构造中，在例如内插板的基板的同一侧面上提供 不同种类的触头。不同种类的触头布局的一个示例是触头之间的触头 臂杆的长度不同的触头阵列。例如，触头阵列可包括两个互相散置的 触头子阵列，其中每隔一个触头具有彼此相同的触头臂杆长度，且相 邻触头具有不同的触头臂杆长度。
图30A和30B是根据本发明替代性构造的连接器的剖视图。参见 图30A,连接器220包括第一组触头元件224、 226及228、以及第二 组触头元件225和227，这些触头元件全部形成在基板222上。第一 组触头元件224、 226及228的弯曲弹簧部比第二组触头元件225和 227的弯曲弹簧部长。换言之，触头元件224、 226及228的弯曲弹簧 部的高度比触头元件225和227的弯曲弹簧部的高度大。
通过提供具有不同高度的触头元件，本发明的连接器220可有利 地应用于"热插拔"应用中。热插拔是指在半导体装置待连接到的系统 在通电的情况下安装或拆卸半导体装置，而不会损坏半导体装置或系 统。在热插拔操作中，各种电源管脚和接地管脚必须按顺序而非同时 地连接和断开，以避免损坏装置或系统。通过使用包括不同高度的触 头元件的连接器，较高触头元件可用于在较矮触头元件之前电连接。
41以此方式，可进行所希望的按顺序电连接，以能够实现热插拔操作。
如图30A所示，连接器220待连接到包括形成于其上的金属焊盘 232的半导体装置230。当施加外部偏压力F以接合连接器220和半 导体装置230时，较高的触头元件224、 226及228首先接触相应的 金属焊盘232，同时较矮的触头元件225和227保持未接触。触头元 件224、 226及228可用于电连接到半导体装置230的电源管脚和接 地管脚。通过进一步施加外部偏压力F (图30B)，与信号管脚连接 的较矮触头元件225和227则可连接装置230上的相应金属焊盘232。 因为本发明的触头元件具有较大弹性工作范围，所以在不损害触头元 件的情况下，第一组触头元件比第二组触头元件可进一步被压缩。以 此方式，连接器220能够实现与半导体装置230的热插拔操作。
如上所述，当利用半导体制造工艺形成本发明的连接器的触头元 件时，可形成具有多种机械和电学性能的触头元件。特别地，利用半 导体制造加工步骤，容许构造包括具有不同机械和/或电学性能的触 头元件的连接器。然而，可结合例如PCB基板的基板利用此种"半导 体，，制造工艺，以形成具有比当前典型半导体装置的典型微米或亚微 米尺寸大的触头尺寸的弹性触头阵列。举例而言，例如图14A至17H 中所示的工艺可用于在具有介于约IO至IOO微米范围内的阵列间距 的PCB型基板上形成触头阵列。
因此，根据本发明的另一方面，本发明的连接器设置有具有不同 操作性能的触头元件。即，连接器包括不同种类的触头元件，其中可 选择触头元件的操作性能以满足所希望应用的要求。在本发明中，触 头元件的操作性能是指触头元件的电、机械及可靠性能。通过使触头 元件结合不同的电和/或机械性能，可制造本发明的连接器以使其满 足高性能互连应用的全部的严格的电、机械及可靠性要求。
根据本发明的一个方面，可针对触头元件或一组触头元件具体设 计以下机械性能，以实现某些所希望的操作特性。首先，可选择各触 头元件的触头压力以确保一些触头元件以低电阻连接或对连接器的 总触头压力较低。第二，各触头元件的弹性工作范围(在该弹性工作范围内，各触头元件根据需要的电学模式操作)彼此之间可以不同。 第三，各触头元件的竖直高度可变化。第四，触头元件的间距或水平 尺寸可变化。
根据本发明的其它方面，可针对触头元件或一组触头元件具体设 计以下电学性能，以实现某些所希望的操作特性。例如，不同触头元
件之间，DC电阻、阻抗、电感及携载各触头元件电量的电流等可以 不同。因此，可设计一组触头元件以使其具有较低电阻，或者设计一 组触头元件以使其具有低电感。
在大多数应用中，可设计触头元件以使触头元件或一组触头元件 获得所希望的可靠性能，以实现某些所希望的操作特性。例如，触头 元件可设计成在经受诸如热循环、热沖击和振动、腐蚀测试以及湿度 测试等的环境应力之后，没有显示出或显示出最小的性能劣化。触头 元件也可设计成满足工业标准所限定的其它可靠性要求，例如 Electronics Industry Alliance ( EIA )所限定的那些要求。
当本发明的连接器中的触头元件制造为MEMS栅格阵列时，触 头元件的机械性能和电学性能可通过例如改变以下设计参数来进行 修改。首先，可选择触头元件的弯曲弹性部的厚度以提供所希望的触 头压力。例如，对于相同位移，约30微米的厚度典型地提供IO克或 更小量级上的低触头压力，而40微米的凸缘厚度能提供20克的较高 触头压力。也可选择弯曲弹性部的宽度、长度及形状以提供所希望的 触头压力。
第二，可选择触头元件中所包括的弯曲弹性部数量以实现所希望 的触头压力、所希望的电流载运能力及所希望的触头电阻。例如，使 弯曲弹性部的数量加倍，从而大致使触头压力和电流栽运能力加倍， 同时使触头电阻大致减小两倍。
第三，可选择具体的金属组成和处理方法，以获得所希望的弹性 特性和导电性特性。举例而言，可以使用例如铍铜的Cu合金在机械 性能和导电性之间实现良好的折衷。替代性地，多金属层可用于同时 提供优异的机械性能和电学性能。在一个构造中，利用涂覆铜(Cu)、然后涂覆镍(Ni)、及最终涂覆金(Au)的钛(Ti)形成Ti/Cu/Ni/Au 的多层来形成触头元件。Ti可提供刚性和高机械耐用性，而Cu可提 供优异的导电性以及弹性，Ni层和Au层可提供优良的抗腐蚀性。最 后，可利用诸如电镀或溅镀的不同金属沉积技术，和诸如合金化、退 火的不同金属处理技术，以及其它金属工艺学，来设计触头元件所希 望的特定性能。
第四，可设计弯曲弹性部的曲率，以具有某些电学性能和机械性 能。弯曲弹性部的高度、或自基部突伸的突伸量也可变化，以获得所 希望的电学和机械性能。
上述工艺(特别是在图1和图3A至3B中所示出的那些工艺)的 一个特征是不再需要昂贵的工具来形成触头结构。在借助于成熟的计 算机辅助设计就能完成二维触头设计的情况下，给予触头设计很大的 灵活度。换言之，用来形成所希望的触头结构的掩模或图案化工艺可 利用Gerber或其它系统设计。可执行用户定制设计，或可从设计库 中选择触头形状。相似地，利用与弹性板阵列的待形成的触头阵列设 计相匹配的设计，能够容易地制造出成形工具。用于图案化弹性板和 /或成形工具的光刻技术是可靠且廉价的。
在图2、 7A、 7B、 7C、 7D、 9及12中所示出的具体示例中，触 头臂杆具有摇摆臂的形状。通过正确地选择材料、触头形状设计及加 工条件(后文将进一步讨论)，此种触头的性能可超出针对内插板制 造的传统触头所能实现的性能。例如，图9所示出的触头可设计成具 有高弹性，使得在触头和外部装置耦联和解除耦联过程中重复地向上 和向下移位的情况下，无疲劳发生或出现很小疲劳。另外，可独立于 通孔尺寸或通孔间隔设计触头长度，使得与直接在通孔上方形成的触 头相比，可实现较大的工作范围(与触头的竖直位移范围相关)。此 外，可通过适当地选择用于形成触头臂杆的导电板的组成、适当地热 处理触头、以及合适的内插板设计，触头臂杆的机械性能够改变以配 合所希望的应用。例如，如后文进一步讨论的，通过对用于形成触头 的Cu合金的热处理以及对触头基部附近区域的设计，可改变触头的有效弹性模量以及弹性范围。
通过对粘接过程中的粘合剂层进行设计，能够进一步调整弹性触 头的机械性能。适于本发明构造的粘合剂层典型地包括位于顶部和底 部并由环氧树脂层围绕的聚合物内层。根据试验已经确定，对于工作
范围在6至8mil量级的触头，适当选择粘合剂层选择能使工作范围 增加约0.5至1 mil。另外，通过在基板或弹性板内提供作为限流器 的粘合剂存储部(分别参见图7A、 7C及7D的元件710、 732及742 )， 在粘接之后能获得优良触头性能。通过适当地设计此种限流器，可将 粘合剂流动降至最低。通过在弹性板粘接过程中防止粘合剂流动到触 头臂杆的底侧，限流器便利了制造具有较长有效长度的触头臂杆。换 言之，当粘合剂位于触头基部附近的触头臂杆底侧上时，触头臂杆在 向下移位过程中转动所绕的部分有效地缩短了 (比较图7A和图7B 的触头702 )。通过确保无粘合剂位于触头臂杆下面，延长了有效触 头臂杆长度，对于给定载荷(应力)而言触头臂杆出现了较大位移， 由此降低了触头臂杆在到达最大位移之前经受屈服应力的可能性。
在图31和图32中示出了对粘合剂层及邻近粘合剂层的限流器进 行调整的效果，图31和图32分别示出了对于以FR0111和LF0111 粘合剂材料粘接的触头而言，具有部分蚀刻的限流器和完全蚀刻的限 流器的基板的测得工作范围。改变粘合剂材料导致工作范围改变约 0.6至0.7 mil,而从部分蚀刻的限流器变更为完全蚀刻的限流器也使 工作范围发生相似的变化(参见图7C和图7D，可以看到具有部分 蚀刻的限流器的基板和完全蚀刻的限流器的基板的对比情况)。
图33A示出根据本发明另一构造的包括焊盘3302的定位焊盘布 局3300，焊盘3302各自设置有构造成在粘接工艺过程中捕捉粘合剂 的弧形槽3304。该槽设计成形成围绕通孔(未示出)的同心弧。例 如，设置有具有焊盘3302图案的金属覆层的基板可具有透过基板钻 出的通孔，所述通孔位于各焊盘上，与既定的槽3304同心。位于弹 性板内的待粘接到基板的触头可设置成使得触头臂杆自位于槽3304 上方的基部延伸。在粘接过程中，被迫流向敞开通孔的粘合剂可被收
45集于设置在通孔边缘附近的槽3304内。
图33B至33E以透视图形式示出根据本发明另一构造的设置于示 例性触头结构中的限流器变型。在各图中，所示出的上触头表面表示 构造成用于粘接到连接器基板的触头表面。图33B示出具有部分蚀 刻区域3316的双触头臂杆型触头3310，部分蚀刻区域3316形成位 于基部3312内部的方形凹陷部，并围绕触头臂杆3314与基部3312 结合的区域。当触头3310粘接到基板时，过量粘合剂容纳在方形凹 陷部3316内部，凹陷部3316用作限流器，防止了粘合剂在区域3318 下方流动。
图33C示出另一触头结构3320，其中限流器3326设置为两个部 分，这两个部分近似覆盖方形凹陷部区域3316的一半，且位置临近 触头臂杆3314与基部3312的结合处。
图33D示出另一触头结构3330，该图示出了一触头阵列，其中每 个触头除了包括部分蚀刻的限流器3316外，还包括完全蚀刻的椭圆 形区域3332。每个区域3332位于邻近区域3316的部分处，并靠近 触头臂杆3314与基部3312的结合区域。
图33E示出另一触头结构3340，其具有与触头结构3340相似的 结构，不过还具有位于触头阵列的触头之间角部区域内、圆形的完全 蚀刻的限流器3349。
另外，在弹性板内可设置敞开通孔，以容许粘合剂向上流动并流 到弹性板上方。在一个示例中，触头结构包括设置有孔的基部，粘合 剂材料设置于该孔内部并绕该孔设置。在本发明的另一构造中，粘合 剂材料具有铆钉状结构，该铆钉状结构通过在弹性板粘接到基板过程 中将粘合剂通过例如弹性板内的圆形孔的孔洞挤出而形成。铆钉的头 部绕所述孔形成，并用来在触头臂杆发生机械偏转过程中约束触头。 图34A示出根据本发明另一构造的示例性触头装置的平面图。装置 3400包括触头3402的阵列，触头3402的基部3404包括构造成容纳 来自下方的粘合剂层3408的粘合剂流体的通孔3406。通过圆形孔 3406流动的粘合剂可形成在基部3404上方(图34A的页面之外)延伸并延伸超过通孔外径的粘合剂丘。当在剖视图中观察时，如图34B 所示出，粘合剂形成蘑菇状物、或铆钉状结构，其用于将基部3404 附接到基板3410。
图34C示出图34A和图34B中的触头结构的变型，其中挤压在 通孔3412内部的粘合剂的顶表面大体上未延伸到基部表面上方。因 为该通孔具有直径朝表面处增大的逐渐变粗的橫剖面，所以被挤压的 粘合剂部3410形成基部的机械约束，而没有延伸到基部3404的顶表 面的上方。可通过利用各向同性蚀刻剂，使弹性板内所蚀刻的通孔具 有此种横剖面形状。
粘合剂铆钉部3406也可用作防止外部器件撞击基板(例如基板 3410)的其它部分的硬止挡。当触头臂杆3402由于外部装置内的特 征而朝基板3410向下移位时，外部装置的其它部分可能会在其它位 置处接近基板3410。铆钉3406的阵列可用来防止外部器件的其它部 分太靠近地接近基板3410，并由此防止在耦联到外部器件的过程中 出现损坏。
在本发明的其它构造中，粘合剂层的向上移动从而形成通孔附近 的凸起部或隆突部的部分也可用作硬止挡，在这种示例中用作相邻触 头臂杆的硬止挡(参见图7C中的粘合剂层部734)。因此，粘合剂层 的顶部防止了触头臂杆沿向下方向延伸得太远，并且由此可减緩了触 头臂杆达到屈服应变(位移)点的趋势。
另外，使基板给定位置处的粘合剂的局部表面高度增加提供了 一 种在触头朝基板移位过程中与电路分流触头相连的方法。例如，在形 成图7C所示的阶段之后，执行电镀步骤，用导电层3504涂覆粘合 剂层的暴露部分，如图35所示，导电层3504可接合触头3502，导 致产生较小的电路长度和较低电阻。在到达发生电路分流的点Pl之 后，触头臂杆3506的远端仍旧可向下移位。
最后，可通过对置于触头的最接近触头臂杆的部分的顶部上的保 护层结构进行设计来调整触头的机械响应特性。
为了公开和描述目的提出本发明的构造的前述公开内容。无意穷
47尽或限制本发明于所披露的精确形式。根据前述公开内容，本文所描
述构造的很多变型和修改对于本领域技术人员是清楚的。本发明的范 围仅由后述的权利要求及其等同范围限定。
进一步地，在描述本发明的代表性构造时，该说明书可能已列举 了作为特定步骤次序的本发明的方法和/或工艺。但是， 一定程度上该 方法或工艺并不依据本文所阐述的特定步骤顺序，该方法或工艺应该 不局限于所述特定的步骤次序。本领域技术人员可以理解其它步骤次 序也是可行的。因此，该说明书中阐述的特定步骤顺序不应该理解为 是对本发明的限制。另外，涉及本发明的方法和/或工艺的权利要求不 应当局限于以所写顺序执行所述步骤，且本领域技术人员可易于理解， 所述次序可以变更，但仍落入本发明的主旨和范围内。
权利要求
1. 一种电学内插板，其具有设置于内插板基板上的弹性触头的阵列，所述弹性触头的阵列利用导电通孔耦联，所述导电通孔设置于所述内插板的绝缘基板内并从所述绝缘基板的第一表面延伸到第二表面；各所述弹性触头均包括基部以及触头臂杆，其中所述基部与相应导电通孔电接触，而所述触头臂杆具有比所述导电通孔直径大得多的纵向尺寸，并且所述触头臂杆具有延伸到所述第一表面上方且大体上跨越所述第一表面的平面部分延伸的远端部，所述基部和所述触头臂杆包括弹性板材料的一体部分，其经过图案化并形成为三维形状、并且退火以形成淀积硬化的弹性微观结构，所述弹性触头利用粘合剂层结合到所述内插板基板。
全文摘要
一种用于高速、高性能电路及半导体的能按比例缩放的、低成本、可靠、高适应性的、薄型、低插入力、高密度、能分离和能重新连接的连接器。该电连接器可用于例如将例如印制电路板(PCB)的器件电连接到另一PCB、MPU、NPU或其它半导体装置的器件。内插板的弹性触头阵列的归一化工作范围可以是约0.2至1.0。利用用于触头臂杆的高弹性材料，保证了完成多次连接和重新连接的可逆的归一化工作范围。一方面，具有第一阵列间距的第一电学器件可连接到具有第二阵列间距的第二电学器件。
文档编号H01R12/00GK101501937SQ200680055406
公开日2009年8月5日 申请日期2006年6月5日 优先权日2006年6月2日
发明者J·D·威廉斯 申请人:内奥科尼克斯公司