低成本及高可靠度應用的高可靠度插入物的製作方法
2023-07-27 11:43:51
專利名稱：低成本及高可靠度應用的高可靠度插入物的製作方法
技術領域：
本發明與電子封裝結構有關，例如印刷電路板、電路模組，或類似者，特別涉及電氣接觸需要特殊鍍金處理例如鍍黃金的結構。
從歷史角度上，電腦主機板上的連接器被用來允許半導體裝置場地—隔離互連，例如微處理器及存儲器模塊，原來是腳位—格距—陣列(pin-grid-array(PGA))或彈力載入邊緣連接器(spring loaded edge connector)技術，此種連接器技術允許場地升級或替換故障的裝置。
但是當系統的密度、輸入/輸出陣列大小及執行效能戲劇性地增加時，因此對於互連的規格具有迫切性。特別是當與場地-隔離(field-separability)耦合時，這些高要求的需求，導致可能連接器解決方法很大的變化。大多數連接器在主機板上的組合墊需要被鍍上一層珍貴的金屬以確保可靠度及可重複地電氣接觸。此種額外的需求會增加主機板的成本以至於此種常規並沒有被大量採用。
承座格距陣列(LGA)為這種連接的一個範例，這種連接讓兩個主要相連電路元件被連接，每一個構件具有複數個接觸點或導電墊，以線性的或二次元陣列排列連接。一種互連構件的陣列，被稱為插入物(interposer)，被放置在兩個陣列之間且提供該等接觸點或導電墊之間的電氣連接。而已有技術中所描述的承座格距陣列插入物是以許多種不同的方式實施，大部分有興趣的實施方式請參考共同申請中的美國專利。
本發明與美國共同申請中的專利申請案有關，如1999年12月9日申請的美國專利申請案號09/457,776及2000年8月24日申請的美國專利申請案號09/645,860，以上各專利申請案指定為本發明的參考文獻。
主機板上的導電墊一般由銅組成，且具有一鍍鎳的障礙層(barrier layer)緊跟在一層簿(例如，0.001英寸)的黃金之後。如此的電鍍組合對於球格距陣列(BGA)焊錫互連可以工作良好，但是對於承座格距陣列連接器則無法良好工作，在那裡需要一個較厚的黃金層以確保一可靠的互連。因為一個較厚的黃金層是比較薄的黃金層成本要高，主機板製造商對於如此改變的實施是不情願的。
1994年2月出版的IBM公司的技術揭露告示板第37冊第2A號第277及278頁中推薦一種解決方法該方法描述一種插入物，不幸的是該插入物較今日系統所需要的插入物為短。該插入物被推薦以提供在第一表面上一陣列的電氣導電墊連接至一承座格距陣列連接器，且在第二表面上用以球格距陣列(BGA)的焊錫附著至一主機板。然而，此焊錫互連的服務是緩慢地行進(creep)，因比單獨接觸構件上至接觸點鬆懈的接觸力將使承座格距陣列連接器喪失電氣接觸。
一種針對此種缺點的解決方法是提供一個足夠高度的隔離物(spacer)以確保接觸力是維持在一個相對高度以確保可靠的連接，但不能太高以預防對所有接觸點的良好球格距陣列焊錫互連。此種擔心是由於相配表面的不平坦使得一些焊錫互連將無法得到良好的電氣互連。
一個高可靠度的插入物是可降低主機板的成本是可以相信的，而解決上述焊錫互連服務是緩慢地行進的問題，構成本技術中一重大的進展。
本發明還有一目的，是提供一插入物，以提供高可靠度互連以降低主機板的成本。
本發明再一目的，是提供一插入物以確保承座格距陣列連接器的可靠度，尤其是在高溫的情況下。
本發明提供一種插入物作為一承座格距陣列連接器及一主機板間一高可靠度的接口。該新穎的插入物藉由為每一個焊錫互連包括一成梯狀的隔離物以預防機構接觸點鬆懈的接觸力而確保每一個焊錫互連的整體性來克服已有技術插入物的限制。該插入物在第一表面上提供貴重的金屬電鍍導電墊以接收一承座格距陣列連接器的該等接觸構件，及球格距陣列(BGA)互連的導電墊被附著至一主機板。並描述生產插入物的工藝程序。
圖1為依據已有技術的插入物的部分透視圖；圖2是如圖1所示的已有技術的插入物的部分側視及斷面放大圖，該插入物被放置以附著至一電路構件且與一連接器及其他電路構件排成直線以提供之間最後的互連；圖3(a)及圖3(b)是如圖1所示的已有技術的插入物的部分側視放大圖，且分別地，該焊錫連接的緩慢地行進；圖4是依據本發明一較佳實施例的電氣連接器的部分透視圖；圖5是一部分側視圖，放大圖4中的連接器；以及圖6(a)及6(b)是圖4中連接器的側視放大圖，且分別地，該焊錫連接的緩慢地行進。
參照圖1及圖2，其分別繪示出已有技術中，一插入物40用以提供電氣電路構件34一可重複實施的複數個電氣導電墊46。該等電氣導電墊46較佳是被鍍上一貴重的金屬例如是黃金。當與一連接器10一起使用時，一用以電氣互連一對電氣電路構件24及34的路徑被提供。適合經由插入物40互連的電氣電路構件的範例包括印刷電路板、電路模組等。所謂的「印刷電路板」代表包括但不局限於一多層電路結構包括一或多個導電層(例如，信號，電源及/或接地)在其中。此印刷電路板，亦被稱為印刷布線板，在本領域眾所周知，因此並不需更詳細說明。而所謂的「電路模組」代表包括一基板或是有不同電子零件的構件(例如，半導體晶片、導電性電路、導電性較為等等)，可形成其中的部分。此模組，亦為本領域所熟知，亦無須在此進一步贅述。
插入物40包括一電介質層42具有複數個內部孔洞(apertures)或開口44，每一個開口對應至一個電氣導電墊46且被排成直線。在一個範例中，電介質層42是由例如是Kapton(美國杜邦公司註冊商標)或Upilex(日本Ube公司註冊商標)的材料所組成且其厚度是0.010英寸。該等開口的外觀典型是圓柱形且系由Kapton-蝕刻程序所形成。電氣導電墊46是由銅所組成且由一電鍍層48所覆蓋，在本範例中由200微-英寸厚的鎳所組成且由一50微-英寸厚的黃金層所覆蓋。
由本技藝中所廣為人知的方法排成直線後(例如，腳位及孔洞，光學排成直線，等等)，插入物40由適當的程序以特定的構成該導電性構件50可以被電氣附著至放置於電氣電路構件34上表面上的平坦的導電墊38(例如，銅製終端)，例如，如果該導電性構件50是焊錫，紅外線或熱空氣流回(reflow)可以被使用以附著該插入物40至該等導電墊38。
請參照圖3(a)及圖3(b)，其個別繪示已有技術的插入物40的部分側視放大圖，且分別地，該焊錫連接的緩慢地行進。該導電性構件50(圖3(a))(例如，焊錫連接)被放置於相對應的開口44且與相對應的電氣導電墊46電氣接觸。
如上所述，因為今日較熱的執行半導體沿著承座格距陣列連接器的夾住力的組合增加溫度，導電性構件52(圖3(b))由於緩慢地行進可以變的平坦，藉以鬆懈維持電氣接觸所需的該接觸力且使承座格距陣列連接器產生故障。
由本技藝中所廣為人知的方法排成直線後(例如，腳位及孔洞、光學排成直線，等等)，插入物40由適當的程序以特定的構成該導電性構件50可以被電氣附著至放置於電氣電路構件34上表面上的平坦的導電墊38(例如，銅製終瑞)，例如，如果該導電性構件50是焊錫，紅外線或熱空氣流回(reflow)可以被使用以附著該插入物40至該等導電墊38。
請參照圖4及圖5，其個別繪示較佳實施例插入物60的部分透視圖，以提供電氣電路構件34一可重複實施的複數個電氣導電墊66。該等電氣導電墊66較佳是被鍍上一層貴重的金屬例如是黃金。當與一連接器10一起使用時，一用以電氣互連一對電氣電路構件24及34的路徑被提供。適合經由插入物60互連電氣電路構件的範例包括印刷電路板、電路模組等。
插入物60包括一電介質層62具有複數個內部成梯狀的(stepped)孔洞或開64，每一個開口對應至一個電氣導電墊66且被排成直線。該等成梯狀的開口64提供所需隔離物的高度(梯狀的高度)以確保維持該連接器的接觸所需要的力。在一個範例中，該電介質層62是由例如是Kapton(美國杜邦公司註冊商標)或Upilex(日本Ube公司註冊商標)材料所組成且其厚度是0.010英寸。其他電介質層62適合的材料範例是液態石英聚合物(liquid crystal polymer(LCP))及環氧基-玻璃-基的材科(epoxy-glass-based materials(例如是FR4))。該最外邊的材料具有一熱擴展係數(CTE)以實質地匹配周圍結構的熱擴展係數。該電介質層62也可以由更多層材料組成以允許其他製造方法實施。
導電構件70(例如是焊錫連接)是故意的對應於該等成梯狀的開口64放置且電氣連接至相對應的導電墊66，在一個範例中，該導電構件70的根部直徑是0.026英寸且其高度是0.030英寸以附著至主機板之前。導電墊66系由銅所組成且由一電鍍層68所覆蓋，在本範例中系由200微—英寸厚的鎳所組成且由一50微—英寸厚的黃金層所覆蓋以提供良好的電氣接觸。
在一個範例中，該導電墊66中央至中央的距離是0.050英寸，但如果需要的話可以降低至0.040英寸或更小。
圖6(a)及圖6(b)，其個別繪示圖4中插入物60的側視放大圖，分別地，該焊錫連接的緩慢地行進。再次地該等貴重的成梯形開口64的外觀典型上是圓柱形。在一個範例中，開口64的較高部分72是鄰接該導電墊66且其直徑是與已有技術中的開口44相同(圖2)，而較低部分74是直徑較大且當作一個貯存器(reservoir)以較佳的容納每一個導電構件(圖6(b))的體積。該增加的隔離物高度可以確保連接器的接觸力被維持但因為電氣電路構件24，34及插入物60表面不平坦並不能過高以破壞焊錫連接的整體性。在一個範例中，該等開口64的較高部分72的直徑是0.026英寸且其高度是0.010英寸，而較低部分74的直徑是0.035英寸且隔離物的高度是0.010英寸。
當為了上述目的而選擇了一個成梯形開口64，顯而易見的是本發明所教示的原則可以被應用至使用各種不同形狀及大小開口以符合特定設計之需求。
此外，導電構件70及76的主要材料為了上述目的，選擇了焊錫，顯而易見的是本發明所教示的原則可以被應用至其他材料包括導電性膠粘劑(adhesives)。
由本技藝中所廣為人知的方法排成直線後(例如，腳位及孔洞、光學排成直線，等等)，插入物60由適當的程序以特定的構成該導電性構件70可以被電氣附著至放置於電氣電路構件34之上表面上的平坦的導電墊38(例如，銅製終端)。例如，如果該導電性構件70是焊錫，紅外線或熱空氣流回也是可能的選擇。在流回過程中可以施加一壓力以至於該導電性構件76的外觀將被顯示在圖6(b)中。
一些導電性構件/墊組合因為其他電氣互連的原因(例如機械或熱的好處)被使用也是可能的，這些皆在本發明的範疇中。進一步的該導電性構件70的特定外觀並不需要是真正的圓柱形在本技術中是顯而易見的，且其他許多種形狀，包括但不限於圓柱狀物，根據效能的需求可以提供好處，且裝配設備及程序也是有效的。
可以清楚地看到插入物60，一旦該導電性構件70被適當的附著至電氣電路構件34的該等導電墊38，經由連接器10的每一個接觸構件16的相對端20及18以提供一電氣路徑互連該電氣電路構件34的電路至導電墊28。該等導電墊28被放置在底部，電氣電路構件24的外表面，因此完成至電氣電路構件24的路徑，其可以包括一基板26具有複數個半導體構件32在上面。該等導電墊28及38可以了解的是可以提供信號、電源或接地，根據個別的電路構件的操作需求而定。
連接器10的每一個有彈力的接觸構件16是以此方式被壓縮一適當數量以形成導電墊28及66上的互連。此種可以由許多不同的方法包括箝板(clamping means)裝置以及許多在本技藝中廣為人知的其他方法所完成。
雖然連接器10可能是已有技藝中所顯示的型式，連接器10較佳是如列為本發明參考的共同申請中的美國專利申請案中所教示的結構。
排成直線的電氣電路構件24及34相對於連接器10可能提供使用一對突出腳位30，該對突出腳位30是由該等電氣電路構件(例如，模組24)之一所延伸出來。這些腳位被排成直線且放置於載臺12相對應開口22及其他電氣電路構件34的開口36(以虛線表示)中。必須了解的是其他排成直線的裝置也是可能的，包括提供由載臺12相反表面所延伸出的腳位以倒置相對應電氣電路構件中的相對應開口。舉例來說，將調整放寬，連接器10的一個開口22，可能算是一拉長的構造，而形成的一插槽。
插入物60可以用許多種方法構成。例如該電介質層由兩層材料所組成，例如聚亞銨(polyimide)或FR4，一個較佳的方法是由第一電介質層開始且創造其中所需的開口。第一個電介質層系與一銅層被製成薄板狀。該銅層被遮蓋以允許貴重的金屬電鍍在所需要的區域，此區域將變成導電墊及其他功能例如排成直線的基準(fiducials)。一旦遮蓋被移除，由適當的蝕刻裝置該過量的銅箔被蝕刻移除。該等開口在一第二電介質層被創造。一個膠著層被放置且排成直線在兩個電介質層之間以將此結構製成薄板狀。在一種情況中，設定溫度為華氏185度和壓力為20磅每平方英寸(PSI)。如果所有層被適當地排成直線，該等成梯形狀的開口被形成且被與接觸墊排成直線。一旦完成這些操作，所有的結構被反轉且導電性材料例如焊錫被電鍍到適當的開口中。如此結構被經由一送至流回爐以形成導電性構件。然後該插入物已備妥被粘著至適當的電子封裝結構，例如一印刷電路板。
為了示範其中該電介質層是由單一層材料所組成，例如聚亞銨、FR4或液態石英聚合物(liquid crystal polymer)，一個較佳的方法是由該電介質層開始且創造其中所需之開口。該等成梯形狀的開口可以用許多種方法被形成，包括一成梯形狀鑽孔(stepped drill)，標準的鑽孔操作(standard drillingoperations)，路由(routing)、蝕刻(etching)或其他廣為人知的方法。該電介質層與一銅層被製成薄板狀。該銅層被遮蓋以允許貴重的全屬電鍍在所需要的區域，此區域將變成該等導電墊及其他功能例如排成直線的基準(fiducials)。一旦該遮蓋被移除，藉由適當的蝕刻裝置該過量的銅箔被蝕刻移除。如果所由層被適當地排成直線，該等成梯形狀的開口被形成且被與接觸墊排成直線。一旦完成這些操作，所有的結構被反轉且導電性材料例如焊錫被電鍍到適當的開口中。如此結構被經由一送至流回爐以形成該等導電性構件。然後該插入物已備妥被粘著至適當的電子封裝接構，例如一印刷電路板。
雖然本發明已以較佳實施例公布如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作少許之更動與潤飾，因此本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
權利要求
1.一種供電子封裝的低成本及高可靠度應用的高可靠度插入物，其特徵在於，包括a)至少一電介質材料層，電介質材料層具有一主要表面及至少一邊緣下；b)複數個導電墊，每一個導電墊具有一第一及第二表面，與至少一電介質材料層的主要表面隔離，該導電墊的第一表面被鍍上最少一層金屬，且導電墊的第二表面至少一部分可容易地連接至一導電性構件；c)具有不一致斷面的複數個開口，每一個開口排成直線且對應至該等導電墊之一；以及d)複數個導電性構件，每一個導電性構件被放置在該等開口之一中且與該等導電墊的第二表面電氣接觸。
2.如權利要求1所述的插入物，其特徵在於，其中至少一電介質材科層包括一絕緣材料。
3.如權利要求2所述的插入物，其特徵在於，其中該絕緣材料為聚亞銨(polyimide)。
4.如權利要求2所述的插入物，其特徵在於，其中該絕緣材料為一液態石英聚合物(liquid crystal polymer)。
5.如權利要求2所述的插入物，其特徵在於，其中該絕緣材料為環氧基-玻璃-基。
6.如權利要求1所述的插入物，其特徵在於，其中絕緣材料具有一熱擴展係數(CTE)以實質地匹配所附著材料的熱擴展係數。
7.如權利要求1所述的插入物，其特徵在於，其導電墊包括銅。
8.如權利要求1所述的插入物，其特徵在於，其導電墊第一表面被鍍上最少一層鎳金屬。
9.如權利要求8所述的插入物，其特徵在於，其導電墊第一表面亦被鍍上最少一層黃金之金屬。
10.如權利要求1所述的插入物，其特徵在於，其開口包括一成梯形狀的斷面。
11.如權利要求1所述的插入物，其特徵在於，其中開口包括一頭逐漸變得尖細的斷面。
12.如權利要求1所述的插入物，其特徵在於，其中導電性構件包括焊錫。
13.如權利要求1所述的插入物，其特徵在於，其中導電性構件是由導電性糊狀物(paste)所組成。
14.如權利要求13所述的插入物，其特徵在於，其中導電性糊狀物包括糊狀焊錫。
15.如權利要求1所述的插入物，其特徵在於，更進一步包括排成直線裝置以使該載臺至與之適應的配對物結構排成直線。
16.如權利要求1所述的插入物，其特徵在於，其中插入物可以由流回程序被附著至一與之適應的配對物結構。
17.如權利要求16所述的插入物，其特徵在於，其中插入物的流回程序是在相同的壓力下執行。
18.一種製造用於電子封裝的低成本、高可靠度插入物的方法，其特徵在於，包括a)形成一第一基板包括至少一電介質材料層，至少一金屬層，及至少一第一開口鄰接該至少一金屬層；b)形成一第二基板包括至少一第二電介質材料層及至少一第二開口；c)提供一粘著層介於第一基板及第二基板之間；以及d)將第一基板、第二基板及粘著層排成直線且製成薄板，該等第一開口中至少之一與該等第二開口中至少之一被排成直線，使至少一金屬層的一部分曝光於外。
19.如權利要求18所述的方法，其特徵在於，該步驟a)形成一第一基板中包含下列步驟i)提供至少一第一電介質材料層包括第一及第二邊；ii)形成至少一第一電介質材料層中的至少一第一開口；iii)提供一粘著層以聯結至少一第一電介質材料層至至少一金屬層；iv)將粘著層及至少一金屬層至至少一第一電介質材料層的一邊製成薄板；以及v)依需要遮蓋、曝光及蝕刻該至少一金屬層以創造預先決定的含金屬的功能。
20.如權利要求19所述的方法，其特徵在於，其中該步驟b)形成一第二基板中包含下列步驟i)提供至少一第二電介質材料；以及ii)形成至少一第二電介質材料層中的至少一第二開口。
21.如權利要求18所述的方法，其特徵在於，還進一步包括下列步驟引進導電性材料至該等排成直線的開口中且與該至少一金屬層的曝光部分電性接觸。
22.如權利要求21所述的方法，其特徵在於，其中導電性材料係為糊狀焊錫。
23.如權利要求22所述的方法，其特徵在於，其中進一步包括流回該糊狀焊錫的步驟。
24.如權利要求18所述的方法，其特徵在於，其中至少一第二開口的直徑是等於或大於至少一第一開口的直徑。
25.如權利要求19所述的方法，其特徵在於，其中至少一第一電介質材料層包括一絕緣材料。
26.如權利要求25所述的方法，其特徵在於，其中絕緣材料是環氧基-玻璃-基。
27.如權利要求26所述的方法，其特徵在於，其中絕緣材料包括FR4。
28.如權利要求20所述的方法，其特徵在於，其中至少一第二電介質材料層包括一絕緣材料。
29.如權利要求28所述的方法，其特徵在於，其中絕緣材料是環氧基-玻璃-基。
30.如權利要求29所述的方法，其特徵在於，其中絕緣材料包括FR4。
31.如權利要求18所述的方法，其特徵在於，其中第一基板及第二基板上所提供的開口是由融化、蝕刻、路由、鑽孔和打洞的過程中挑選出的。
32.如權利要求19所述的方法，其特徵在於，其中至少一金屬層包括銅。
33.如權利要求19所述的方法，其特徵在於，其中至少一該預先決定金屬的功能包括一導電墊。
34.如權利要求18所述的方法，其特徵在於，其中薄板狀發生在溫度華氏185度和壓力為20磅每平方英寸(PSI)。
全文摘要
本發明提供一種插入物作為一承座格距陣列連接器及一主機板間一高可靠度的接口。該新穎的插入物由為每一個焊錫互連包括一成梯狀的隔離物以預防機構接觸點鬆懈的接觸力而確保每一個焊錫互連的整體性來克服已有技術的插入物的限制。該插入物在第一表面上提供貴重的金屬電鍍導電墊以接收一承座格距陣列連接器的接觸構件,及球格距陣列(BGA)互連的導電墊被附著至一主機板。並描述生產插入物的工藝程序。
文檔編號H01R12/04GK1389005SQ01802510
公開日2003年1月1日 申請日期2001年8月14日 優先權日2000年8月24日
發明者範智能, 艾D·雷, 李澤豫 申請人:高度連接密度公司