(57)【要約】頑健な動作範囲によって画定される、望ましい機械的および電気的特性を同時に有するコネクタ要素のアレイに配列されたコネクタ要素のコンタクト。アレイピッチは、約０．０５ｍｍないし約１．２７ｍｍの範囲内であることが好ましく、約０．０５ｍｍないし１ｍｍの範囲内であることがさらに好ましい。コンタクトはベース部分と、ベースを含む平面から突出する弾性変形可能な部分とを含み、約０．０ｍｍないし約１．０ｍｍの動作範囲を達成するように構成される。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
約１．５ｍｍ未満のピッチを有するコンタクトアレイ内の電気コンタクトであって、動作範囲を含む特定の設計要件を満たすように構成され、導電層のリソグラフィによるパターン形成およびエッチングを実行し、前記パターン形成された導電層上に導電材をメッキし、かつ前記パターン形成された導電層に成形プロセスを実行して弾性コンタクト部分を形成することによって作製されるコンタクト。
【請求項２】
電気コネクタ内のコンタクトであって、
約０．０５ｍｍから約５．０ｍｍの範囲内のピッチを有するコンタクトアレイを含む平面内に実質的に配置されるベース部分と、
前記ベース部分の平面より上に突出し、約０．０から約１．０ｍｍの動作範囲を生じるように構成された、前記ベース部分と一体的な弾性部分と、を含むコンタクト。
【請求項３】
前記動作範囲の上限は５０ｇの加えられる力に対応する、請求項２に記載のコンタクト。
【請求項４】
前記動作範囲特性の下限は抵抗対変位曲線のひざによって決定されるものとして表される、請求項２に記載のコンタクト。
【請求項５】
前記動作範囲の下限は、前記コンタクトの測定抵抗がそれを超える変位では１５ｍΩ未満になる変位に対応する、請求項２に記載のコンタクト。
【請求項６】
前記動作範囲は、最高約１０ＧＨｚまでの周波数でコンタクトｄＢ損失が約１未満になる範囲を含む、請求項２に記載のコンタクト。
【請求項７】
前記コンタクトがアレイピッチの約０．７倍未満のコンタクト電路長を有する、請求項２に記載のコンタクト。
【請求項８】
コンタクトをその上に形成するために基板を用意し、
第１表面を提供する導電層を前記基板に形成し、
前記導電層をエッチングして前記ベース部分および前記弾性部分を画定し、
前記弾性部分の少なくとも一部分を変形し、前記弾性部分を前記第１表面から突出するように構成して、前記ベース部分と前記弾性部分との間に変形可能な導電路を設ける、ことによって作製される請求項２に記載のコンタクト。
【請求項９】
コネクタアレイのローリングビームコンタクトであって、
約０．０５ｍｍから約１．２７ｍｍの範囲内のピッチを有するコンタクトアレイを含む平面内に実質的に配置されるベース部分と、
前記ベース部分と一体でありかつ前記ベース部分の平面より上に上向き湾曲形状に突出する１つまたはそれ以上のローリングビームを含み、前記ローリングビームコンタクトが約０．０ｍｍから約１．０ｍｍの動作範囲をもたらすように構成されて成る弾性部分と、を含むローリングビームコンタクト。
【請求項１０】
２０の変位範囲全体で弾性挙動の変化無く１００回の荷重印加‐荷重除去サイクルに耐えるように構成された、請求項９に記載のローリングビームコンタクト。
【請求項１１】
ローリングビームコンタクトをその上に形成するために基板を用意し、
第１表面を提供する導電層を前記基板に形成し、
前記導電層をエッチングして前記ベース部分および前記弾性部分を画定し、
前記弾性部分の少なくとも一部分を変形し、前記弾性部分を前記第１表面から突出するように構成して、前記ベース部分と前記弾性部分との間に変形可能な導電路を設ける、ことによって作製される請求項９に記載のローリングビームコンタクト。
【請求項１２】
コネクタアレイのマルチフランジソルダボールコンタクトであって、
約０．０５ｍｍから約１．２７ｍｍの範囲内のピッチを有するコンタクトアレイを含む平面内に実質的に配置されるベース部分と、
前記ベース部分と一体であり、前記ベース部分の平面より上に前記ベース部分の略円形内周から突出し、かつソルダボールを係合するように構成された多数のフランジを含み、前記コンタクトが約０．００ｍｍから約１．０ｍｍの変位をもたらすように構成された弾性部分と、を含むマルチフランジソルダボールコンタクト。
【請求項１３】
前記多数のフランジが３つのフランジを含む、請求項１２に記載のマルチフランジソルダボールコンタクト。
【請求項１４】
前記ピッチが約１．２７ｍｍであり、前記コンタクトが約５ミルの変位まで弾性変
形する、請求項１３に記載のマルチフランジソルダボールコンタクト。
【請求項１５】
マルチフランジソルダボールコンタクトをその上に形成するために基板を用意し、
第１表面を提供する導電層を前記基板に形成し、
前記導電層をエッチングして前記ベース部分および前記弾性部分を画定し、
前記弾性部分の少なくとも一部分を変形し、前記弾性部分を前記第１表面から突出するように構成して、前記ベース部分と前記弾性部分との間に変形可能な導電路を設ける、ことによって作製される請求項１２に記載のマルチフランジソルダボールコンタクト。
【請求項１６】
約０．０５ｍｍから約１．２７ｍｍの範囲内のピッチを有するコンタクトアレイを含む平面内に実質的に配置されるベース部分と、
前記ベース部分の平面より上に突出し、約０．１から約０．４４の正規化動作範囲を生じるように構成された、前記ベース部分と一体的な弾性部分と、を含む電気コネクタのコンタクト。
【請求項１７】
前記正規化動作範囲を画定するために使用される変位の上限は５０ｇの加えられる力に対応する、請求項１６に記載のコンタクト。
【請求項１８】
前記正規化動作範囲を画定するために使用される変位の下限は抵抗対変位曲線のひざによって決定される、請求項１６に記載のコンタクト。
【請求項１９】
前記正規化動作範囲を画定するために使用される変位の下限は、前記コンタクトの測定抵抗がそれを超える変位では１５ｍΩ未満になる変位に対応する、請求項１６に記載のコンタクト。
【請求項２０】
基板の両面にコンタクトを有する電気コネクタの両面コンタクトであって、各コンタクトが、
約０．０５ｍｍから約１．２７ｍｍの範囲内のピッチを有するコンタクトアレイを含む平面内に実質的に配置されるベース部分と、
前記ベース部分の平面より上に突出し、前記ベース部分と一体であり、前記両面コンタクトが約０．２から約０．８８の正規化動作範囲を生じるように構成されて成る弾性部分と、を含む両面コンタクト。
【請求項２１】
コンタクトアレイ内の電気コンタクトを作製するための方法であって、
約１．５ｍｍ未満のアレイピッチおよび所望の動作範囲を含む特定の設計要件に従って弾性部分を含むコンタクトのサイズおよび形状を設計するステップと、
前記コンタクトの前記設計された形状およびサイズに従ってリソグラフィックパターンを使用して前記コンタクトを画定するステップと、
前記リソグラフィックパターンを使用して導電層をエッチングしてコンタクト構造を作成するステップと、
前記コンタクト構造を成形して、前記所望の動作範囲を達成するように設計された所定の変位を有する弾性部分を作成するステップと、
前記特定の設計要件を満たす特性をもたらすように前記コンタクト構造をメッキするステップと、
前記コンタクト構造を個片化して、基板上に配置されかつ前記コンタクトアレイ内の他のコンタクトから電気的に分離されたコンタクトを形成するステップと、を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、米国特許法第１２０条に基づき、本願と同一出願人に譲渡された以下の同時係属特許出願、すなわち２００３年１２月８日出願、Dirk D.Brownらの「A Connector for Making contact at Semiconductor Scales」と称する米国特許出願Ｎｏ．10/731,669、２００４年４月９日出願、Dirk D.Brownらの「Electrical Connector and Method for Making」と称する国際出願Ｎｏ．PCT/US2004/011074、および２００４年１０月８日出願、Dirk D.Brownらの「Small Array Contact With Precision Working Range」と称する米国特許出願Ｎｏ．10/960,043号の優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、一般的に電気コネクタに関し、さらに詳しくは、電子部品を結合するために使用される弾性電気コネクタに関する。
【背景技術】
【０００３】
プリント回路基板のような部品を接続するために使用される従来の電気コネクタは、多種多様な技術を使用して作製される。一般的な方法は型打ち金属ばねを使用するものであり、それを成形し、絶縁性担体に個別に挿入して、電気接続要素のアレイを形成する。電気コネクタを作製する他の方法は、等方性導電接着剤、射出成形導電接着剤、束線導電要素、および金属の小型固体片の使用を含む。
【０００４】
デバイスの性能向上の要求は電気結線（「リード」とも呼ばれる）間の空間（またはピッチ）を縮小する実装技術を推進するので、個々のコネクタ要素のサイズを縮小する必要性が存在する。同時に、パッケージ１個当たりの結線の総数は増加している。例えば既存の集積回路（ＩＣ）パッケージは、１ｍｍ未満のピッチで６００個以上の結線を組み込むことができる。さらに、ＩＣデバイスは、ますます高い周波数で動作するように設計されている。例えばコンピューティング、電気通信、およびネットワーク用途に使用されるＩＣデバイスは、数ＧＨｚの周波数で動作することができる。したがって、電子デバイスの動作周波数、パッケージサイズ、およびデバイスパッケージのリード数は、これらの電子デバイスを試験または接続するために使用される相互接続システムに厳しい要件を課す。
【０００５】
特に、相互接続システムの機械的、電気的、および信頼性性能基準は、ますます厳しくなってきている。高速で小型で、かつピン数の多いＩＣデバイス用の電気的および機械的信頼性仕様は、上述した従来の相互接続技術が容易に満たすことのできない要件を課すことがあり得る。一般的に、電気的性能について最適化された従来のコネクタシステムは、機械特性および信頼性特性が劣る一方、機械的性能について最適化されかつ信頼性が向上したコネクタシステムは、電気的性質が劣る。
【０００６】
今日の相互接続システムが直面する特定の問題は、接続される電子部品内のリードの非コプラナリティである。平型パッケージ内の要素のコプラナリティは、例えばこれらの要素が共通基準幾何学平面内にあるときに存在する。従来のパッケージでは、パッケージのコネクタ要素（またはリード）の非コプラナリティを導き得る要因として、製造上のばらつきおよび基板の反りが含まれる。アレイ状に配列される従来のコネクタ要素の場合、パッケージにおけるコプラナリティの変動は、コネクタ要素の垂直方向の許容差を越えることがあり、結果的に一部の要素の電気結線の障害を生じる。
【０００７】
コプラナリティの問題はＩＣパッケージに限らず、これらのＩＣパッケージが取り付けられるプリント回路基板（ＰＣ基板）にも存在することがある。コプラナリティの問題は、ＰＣ基板基板の反りのため、ＰＣ基板上にエリアアレイとして形成されるランドグリッドアレイパッドの場合にも存在することがある。一般的に、従来のＰＣ基板の平坦度は、１インチ当たりおよそ７５〜１２５ミクロン以上である。
【０００８】
加えて、電気コネクタのアレイが使用される回路基板、パッケージ、および他の部品の平面度は往々にして、アレイ間隔およびコネクタサイズのような他の寸法が低下するほど縮小されないことがある。例えば、コンタクトの位置の大きい垂直方向の偏りは、小さいピッチを有する回路基板または他の部品の場合にさえも発生することがある。コネクタコンタクト間に約２ｍｍ未満のピッチを有する従来のコネクタの場合、そのようなコプラナリティの偏りを補償し、しかも低抵抗および低インダクタンスのような受け入れられる電気コンタクト特性を実現できる弾性コンタクトを生成することは、ピッチが低下するほど難しくなる。
【発明の開示】
【０００９】
本発明の特徴は、アレイ間隔（「ピッチ」とも呼ばれ、最近接コネクタの中心間の距離を指す）が約０．０５ｍｍから約５ｍｍの範囲内であり、好ましくは約０．０５ｍｍから２ｍｍの範囲内であるコネクタ要素のアレイに配列されたコネクタ要素の１つまたはそれ以上のコンタクトの動作範囲である。本書で使用する場合の用語「コネクタ要素」とは、導電要素間に導電路を形成することのできる任意のエンティティを指す。各コネクタ要素はコンタクトを含み、それはさらに複数のコンタクト部分を含むことができ、そのうちの少なくとも１つは、ある範囲の変位にわたって実質的に弾性変形可能である。本書で使用する場合、用語「動作範囲」とは、特性または特性群が予め定められた基準に適合する範囲を表す。動作範囲とは、変形可能なコンタクト部分が弾性および空間記憶のような物理的性質、ならびに抵抗、インピーダンス、インダクタンス、キャパシタンス、および／または弾性挙動のような電気的性質をはじめ、それらに限定されない予め定められた性能基準を満たしながら、機械的に変位することのできる距離（変位）の範囲である。
【００１０】
１つの構成では、コンタクトは平面コネクタを構成するコネクタ要素の共平面アレイのコネクタ要素内に配置される。好ましくは、各コンタクトは、導電材を含むベース部分に加えて、ベース部分から延び、コネクタ要素のアレイを含む平面の面上に突出する導電材を含む弾性変形可能な部分を有する。
【００１１】
膜コーティング、リソグラフィックパターニング、エッチング、およびフォーミング技術を使用して、変形可能な弾性部分がベース部分と一体的に形成されるコンタクトを作製することにより、本発明の多くの構成は、従来の技術では達成できない動作範囲をもたらしながら、約０．０５ｍｍから約５ｍｍの範囲内、および本書で実証するように約０．５ｍｍから１．２７ｍｍの範囲内のピッチを有するアレイの小型コンタクトを形成することができる。本発明の１つの構成では、コンタクトの側方寸法は、約０．５ｍｍから約１００ｎｍの範囲内である。本書で示す別の構成では、変形可能なコンタクト部分は約０．０ｍｍから約１．０ｍｍの範囲内の適切な動作範囲を示す。別の構成では、変形可能なコンタクト部分は、片面コンタクトの場合には約０．２０から約０．４４、両面コンタクトの場合には約０．４０から約０．８８の範囲内の正規化動作範囲を示す。両面コンタクトは基板の両面上にコンタクトを有する。両面コネクタは、本書に記載する技術を使用して作製することができ、回路に形成することができる。本書で使用する場合、用語「正規化動作範囲」とは、コンタクトの動作範囲をコンタクトが配置されたコネクタアレイのアレイピッチで除算したものを表す無次元量である。
【００１２】
図１は、本発明のコネクタ要素内のコンタクトの特性グラフである。該グラフは、電気コネクタ要素の電気抵抗および加えられる外力対コンタクトの変位を描く。所与の用途では、コネクタ要素は一般的に許容抵抗の上限によって特徴付けられる特定の抵抗値を満たすように要求されることがある。加えて、弾性コネクタ要素のほとんどの用途では、加えられる変位は、それより上では弾性コンタクト部分が弾性的に挙動しなくなる値を超えてはならない。したがって、図１の例において、動作範囲は、コネクタ要素が許容抵抗限度より低い抵抗を有し、かつ弾性部分が加えられる変位または力に対して弾性応答を維持する範囲の加えられる変位の絶対値と定義することができる。
【００１３】
図１で、許容抵抗限度はＲｍａｘによって表される。図示する通り、測定電圧抵抗はコンタクトの変位の増加とともに減少し、Ｄｍｉｎで抵抗はＲｍａｘの値を達成する。より高い変位値では、測定電圧抵抗はＲｍａｘ未満の値を維持する。このようにして、変位値Ｄｍｉｎに動作範囲の下限を設定することができ、それより上でコネクタ抵抗はＲｍａｘ未満となる。
【００１４】
力曲線「力１」は、Ｄｐｌａｓｔｉｃと表された値までの範囲にわたるコンタクト変位で回復可能な挙動を示す。この線形範囲で、変位または力をコンタクトに加えると、外部変位が取り除かれたときに、変形可能なコンタクト部分が完全に弾性回復することができる。図示する通り、Ｄｐｌａｓｔｉｃより高い変位値では、加えられる力がほとんどまたは全く増加しない状態で、コンタクト変位の増加が発生し、それは塑性変形の開始を示している。したがって、Ｄｐｌａｓｔｉｃを超える変形を受けたコンタクトは、荷重が取り除かれたときに回復しない永久変形を示し、したがってコンタクト部分の弾性範囲が低減される。
【００１５】
したがって、図示した例において、動作範囲ＷＲ１の上限は、外部変位が弾性コンタクト部分の回復不能な変位を引き起こさないことを確実にするために、Ｄｐｌａｓｔｉｃ点未満の変位値に設定される。例えば、この限度は、信頼できるコンタクトの性能を確保するために、多少の余裕を置いてＤｐｌａｓｔｉｃ値より低い変位値に設定することができる。代替的に、図１に示す通り、動作範囲の上限Ｄｍａｘ１は、コンタクトに加えるために利用できる最大クランプ力によって設定することができる。例えば、ランドグリッドアレイおよびプリント回路基板を電気接続するために使用される弾性コンタクトを含むコネクタのアレイの場合、最大全クランプ力は指定することができる。そうすると、最大全クランプ力は、コネクタアレイの１つの弾性コンタクト当たりに得られる最大クランプ力Ｆｍａｘに対応する。
【００１６】
コネクタアレイに使用される従来の型打ちばね技術（力２曲線）では、ばね剛性は約２ｍｍ未満のピッチに対して非常に大きい。したがって、小さい変位を誘導するために大きい力を加える必要があり、その結果、加えなければならない力は、より低い変位値でＦｍａｘに達する。したがって、従来の型打ちばねの場合、低い変位値で動作範囲の上限Ｄｍａｘ２に達する。従来の型打ちばねで同様のＤｍｉｎを取ると、動作範囲ＷＲ２は、図示するようにＷＲ１に対して大幅に減少する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図２Ａは、本発明の構成に係る完全に形成された片面ローリングビームコンタクト２００の実施例の平面図を示す。この構成において、図２Ａのローリングビームコンタクト２００は、コネクタ要素の共平面アレイの中のコネクタ要素（図示せず）の一部として形成される。図２Ａに示した平面図は、共平面コンタクト要素を含む平面に対し垂直な視点からのものである。コンタクト２００は、金属材料を含むベース部２０２を含み、平面内に位置するように構成され、それぞれ約０．４ｍｍおよび０．５ｍｍの相互に直交する「Ｘ」および「Ｙ」軸に沿った寸法を有する。弾性変形可能な部分（以下では一般的に「弾性部分」または「ばね部分」とも呼ばれる）２０４はベース部分２０２と一体的に連続して形成され、同一金属材料を含む。この構成では、弾性部分２０４は、ビームの最長方向に沿った各々の寸法が約１．５ｍｍである片面金属ローリングビームを含む。
【００１８】
図２Ａの線Ａ‐Ａ’に沿った断面を描いた図２Ｂに示す通り、ローリングビーム２０４は上向きに湾曲する形状を形成し、ベース部分２０２を含む平面に直角な線に対してローリングビーム２０４の遠端２０６が平面より約０．６ｍｍ上の高さＨに位置するように、ベース部分２０２を含む平面より上に延びる。図２Ａの視点から、線Ａ‐Ａ’の方向の自立ローリングビーム２０４の突出ビーム長Ｌｐは約１．１６ｍｍである。
【００１９】
図３Ａは、完全に形成されたコンタクト２００（図２Ａ）に対応する処理の中間段階における部分的に形成された片面ローリングビームコンタクト３００の平面図を示す。図３Ｂに示す通り、ベース部分３０２およびビーム部分３０４は共平面である。図３Ａは、突出ビーム長Ｌｐが、その長軸に沿った実際のビーム長と同等の１．５ｍｍであることを示す。再び図２Ａを参照すると、本発明の構成では、ビーム２０４の形状、高さＨ、およびＬｐは、「フォーミング」プロセスによって決定される。図３Ａの当初平面状のビーム３０４は、平面状表面に埋め込まれる三次元体上で変形される。変形プロセスは、図２Ａおよび２Ｂに示された形状を与えるように働く。かくして、高さ０．６３ｍｍを有する１．５ｍｍのローリングビームを約２．１×２．１ｍｍの外側（ベース）寸法のコンタクトに形成することができる。コンタクト２００はサブミクロンサイズの特徴を画定するのに効果的な既知のリソグラフィックおよびエッチング技術を使用して形成されるので、コンタクト２００を含むアレイのピッチは、コンタクトのサイズより極わずかに大きい寸法に容易に設定することができる。これは、コンタクト２００を形成するために使用されるリソグラフィおよびエッチング技術のサブミクロンの許容差が、実際のコンタクトサイズよりずっと小さいためである。
【００２０】
例示的実験結果
以下の副題は、本発明のコンタクトを使用して実行した測定の結果を明記する。実験データは、荷重をグラム単位で、変位をミル単位で、かつ抵抗をオーム単位で検出するように設計された単純な荷重‐変位‐抵抗装置によって測定および収集されたものである。
【００２１】
以下の実施例において、動作範囲の上限は、塑性変形の開始に対応する変位、コンタクトの変位限度、または５０ｇより大きい荷重値に対応する。
【００２２】
加えて、コンタクトの抵抗を測定する例の場合、動作範囲の下限は、それより上では電気抵抗対変位が各測定サイクルで実質的に変動しない曲線を描き、かつそれより上では電気抵抗の値が低い変位値のときよりずっと緩やかに変動するようになる変位値に画定される。以下の実施例では、動作範囲の下限は、絶対抵抗値によって画定されるというよりむしろ、電気測定に一般的なＬ字形の抵抗対変位データにおける「ひざ」によって画定される（図１のＫ点参照）。
【００２３】
最後に、図９Ｂを除き、以下の図に示す全てのデータは、約２ミルの厚さを有するコンタクトから得られた。
【００２４】
大きい動作範囲の片面ローリングビームコンタクト
図４は、本発明の例示的構成に従って形成された片面ローリングビームコンタクトの抵抗および荷重対変位のグラフである。図４の測定されたローリングビームコンタクトは、図２Ａおよび２Ｂに開示されたコンタクト２００の構造を有しており、ピッチが１．２７ｍｍであるコネクタ要素のアレイの一部として形成された。
【００２５】
図４のデータは、１つのコンタクトから取られた１００サイクルを表す。各測定において、測定装置をビーム部分２０４の表面から約０ミル以内に持ってきて、ベース部分２０２の平面に直角な方向に約２０ミルの変位を達成した。各測定で、電気コンタクトがコネクタ要素を通して確立されると、抵抗は急速に低下した。約５ミルより大きい変位の場合、抵抗は約０．０４ｍΩ未満に低下し、その値未満に維持された。
【００２６】
図４に示す通り、荷重は零値から２０ミルの最大変位における約４１グラムまで増加した。荷重‐変位データから明白であるように、Ａによって指定される初期測定後の全ての測定に対して、同様の曲線が描かれた。１００回の測定サイクル全体を通した荷重‐変位データの再現性は、ローリングビームコンタクトが２０ミルの変位範囲で弾性挙動のみを示していたことを示す。
【００２７】
図４の実施例において、ローリングビームコンタクトに対し受け入れられる機械的挙動のみならず、受け入れられる抵抗値をも含む動作範囲を画定することができる。０．０４ｍΩのＲｍａｘ値を使用して、動作範囲の下限は、測定された全てのＲ値がＲｍａｘよりかなり下に位置する、約６ミルの変位におけるＦによって表すことができる。２０ミルの測定変位まで塑性流動の開始を示さないので、塑性流動の開始を画定基準として使用する場合、動作範囲の上限は２０ミルの変位限度に対応する。代替的に、５０ｇの加えられる最大許容荷重を基準として使用する場合、２０ミルの変位ではまだ最大値に達しない。いずれの場合も、実験データがコンタクトの変位限度までのコンタクト挙動を描くと想定すると、動作範囲の上限は約２０ミルの変位に対応する。かくして、１．２７ｍｍ（５０ミル）ピッチのアレイに形成された図４のコンタクトの場合、約１４ミル（変位６＋ミルから２０ミルまでの範囲）の動作範囲が存在する。図４に示すように、少なくとも１００回の測定サイクル中に、所望の動作範囲特性が存続した。
【００２８】
代替的に、図４のデータのために測定されたコンタクトに対して得られた動作範囲は、正規化動作範囲として表すことができる。再び、正規化動作範囲とは、所与のコンタクトに対して得られた変位値を、コンタクトが存在するように設計されたアレイのピッチで除算したものを指す。この実施例では、片面ローリングビームの場合、正規化動作範囲は約（１４ミル）／（５０ミル）つまり０．２８である。
【００２９】
高耐久性延長ローリングビームコンタクト
図５は、図２Ｂに示す本発明の例示的延長ローリングビームコンタクトに適用された荷重‐変位グラフである。この延長ローリングビームコンタクトにおいて、図２Ａおよび２Ｂと実質的に同様の形状を有するローリングビームとして成形された弾性部分は図３Ａに示すように、最長方向Ｌに沿って１．５ｍｍの実際の寸法を有する。ローリングビームコンタクトの長さは、２組のビーム要素をインターリーブすることによってピッチより大きくされる。図５のために測定された例示的コンタクトは、極めて高い機械的耐久性に設計されたものである。延長ローリングビームコンタクトは、１．２７ｍｍピッチのコネクタアレイに配列された。
【００３０】
図５に示したデータは、荷重の印加および荷重の除去（変位の増大および変位の減少）を含む約４０，０００回の測定サイクルから得られたものである。全てのデータが基本的に非常に狭い範囲のばらつきで同一曲線を描いているのがわかる。図４のように、測定に使用された変位の範囲にわたってほぼ理想的な弾性挙動が示される。
【００３１】
何十万回もの試験サイクルに耐え、かつ再現可能な弾性挙動を維持する能力は、コンタクトを、コネクタが接続および切離しを同様の回数繰り返される試験ソケットのような用途に適したものにする。再び、そのような小さいピッチに設計された従来のコネクタはそのような機械的耐久性を示さない。それどころか、同様の寸法の型打ちばねコネクタの場合、荷重‐変位曲線のばらつきは約３０〜４０回のサイクル後に見され、ばねの機械的挙動における劣化を示す。
【００３２】
高周波数で低損失のコンタクト
図６Ａは、本発明の構成に係る両面フランジ付きコンタクト構造の実施例の平面図である。図６Ｂは、図６Ａのコンタクトのそれと同様の構造を有する１．２７ｍｍピッチのコンタクトの場合の周波数の関数としてのｄＢ損失を描く。図６Ｃは、図６Ａに係るコンタクト構造を有するコンタクトの荷重および抵抗対変位を描く。
【００３３】
図６Ａに示す通り、コンタクト６００はベース６０４の平面から延びる２つの湾曲した弾性部分６０２を含む。コンタクト６００は１．１２ｍｍピッチのアレイ状に形成される。弾性部分６０２は、弾性部分６０２を流れる電流がコンタクトを含むコネクタを通過するときに流れる長さと定義される、短い電路長を有するように構成される。図示した実施例では、電路長は約１．１４ｍｍである。
【００３４】
短い電路長のため、コンタクト６００は高周波数で、高周波用途の要件を満たす非常に低いｄＢ損失を提供する。図６Ｂに示す通り、ｄＢ損失は１０ＧＨｚで０．８の値より低く維持され、高周波数で動作するコンタクトでも非常に低い損失であることを示した。
【００３５】
図６Ｃのデータにおいて、抵抗および荷重対変位の測定は、約９ミルの変位の最大値まで行われる。初期挿入曲線（Ａ）の後、後続の荷重（Ｂ）および荷重除去（Ｃ）曲線は緊密にまとめられ、荷重サイクルと荷重除去サイクルとの間にヒステリシスが示される。０．０８ｍΩのＲｍａｘ値を使用して、約２．５ｍｍの変位で動作範囲の下限をＤで表すことができ、該値より上では、全ての測定Ｒ値がＲｍａｘより下に位置する。約８ミルの値は、動作範囲の変位のより高い値に対応し、それより上の変位では、加えられる力は５０ｇを超える。
【００３６】
かくして、約５．５ミルの動作範囲が、１．１２ｍｍアレイピッチに形成された図６Ａのコンタクト６００に対して存在する。したがって、本発明は最高１０ＧＨｚまで低いｄＢ損失、および１．１２ピッチで５．５ミルの動作範囲のコンタクト要素を提供することができる。従来のコンタクトは、１０ＧＨｚでそのような低いｄＢ損失を維持しながら、低い抵抗値および安定した弾性挙動に対応するそのような動作範囲を達成することができない。この例では、正規化動作範囲は約０．１３である。
【００３７】
微細ピッチのローリングビームコンタクト
図７は、コンタクト構造２００（図２Ａ）のベース部分２０２および弾性部分２０４と同一の一般形状を有するが、より小さい寸法であり、かつ０．５ｍｍピッチのアレイ状に配列されたコンタクトの荷重および抵抗対変位を描く。２サイクルの荷重印加および荷重除去が描かれている。０．５ｍｍピッチ（約１９．７ミルと同等）でさえも、この構成は、受入れ可能な抵抗および再現可能な弾性挙動が観察された、コンタクトに加えられた約５ミルから約１３．７ミルの間の変位に対応する約８．７ミルの動作範囲を得た。代替的に、図７のコンタクトの正規化動作範囲は算出することができ、片面コンタクトの場合約（８．７ミル）／（１９．７ミル）つまり約０．４４、両面コンタクトの場合０．８８となる。
【００３８】
片面ローリングビームコンタクトの硬化
図８は１．２７ｍｍピッチのアレイに配列され、かつ図２Ａおよび２Ｂに開示された構造を有する、片面ローリングビームコンタクトの荷重‐変位データを示す。この例では、コンタクトは、測定前に熱処理を受けていない「半硬」金属銅合金を含んでいた。図８において、１８，０００回より多い荷重印加および荷重除去が実行された。所与の変位のために必要な荷重に平滑で漸進的な系統的ずれが観察された。この挙動は、荷重印加および荷重除去によって生じるローリングビームコンタクト内の金属材料の作業硬化によるものであり、それは次にビーム要素に対しより剛直な弾性特性を生じる。図８に示された挙動の知識は、コネクタの用途に応じてコンタクトを含むようにコンタクトを調整することを可能にする。例えば、用途が、コンタクトを含むコネクタの多数回の機械的荷重印加および荷重除去を必要としない場合、コンタクトの熱処理を差し控えることによって、より柔軟なコンタクトを達成することができる。
【００３９】
ソルダボールコンタクト用の超薄型３コンタクトフランジ
図９Ａは、本発明の別の構成に係るソルダボール９０１に接触するように設計された、３フランジ（弾性コンタクト部分）コンタクト９００を示す。フランジ９０２は、円形開口の円弧に沿って約１２０度分離した位置に配設される。図示した実施例では、コンタクト９００は１．２７ｍｍピッチを有するコンタクトのアレイに配設される。コンタクト９００は、約１ミルの厚さを有する薄い金属を含む。ベース部分９０４およびフランジ９０２の厚さは約１ミルである。
【００４０】
図９Ｂは、コンタクト９００の構造および寸法を有するコンタクトの３回の荷重印加‐荷重除去サイクルを示す荷重−変位グラフである。図９Ｂの荷重‐変位曲線の勾配は、図９Ａの３フランジコンタクトのコンプライアントばね「定数」を示す。コンタクト９００の構造を有するコンタクトがそこから作製される金属層（または「箔」）の厚さを低減することにより、コンタクトの弾性部分のコンプライアンスを高めることができ、所与のコンタクトサイズに対し、より大きい変位（およびしたがって動作範囲）が得られる。
【００４１】
動作範囲の考察
上記実施例では、動作範囲の関心のある可変パラメータが変位または外力であった場合の動作範囲の特徴を示した。例示的コンタクトの動作範囲の値は、電気コンタクトの抵抗が受入れ可能な範囲内にある変位範囲に基づいて示された。０．５ないし１．２７ｍｍのピッチを有するアレイのコンタクトの場合、約６〜１４ミル以上の大きい動作範囲を達成することができる。図６Ｂの実施例では、デュアルフランジコンタクトの場合の高周波数時の低いｄＢ損失が示されている。本発明の構成では、動作範囲は幾つかの異なる特性（例えば図６Ａ〜６Ｃにおいて、弾性応答、低抵抗、許容範囲内で加えられる力、および高周波数での低損失）を同時に満足することのできる、コンタクト変位範囲を包含することができる。
【００４２】
図１０は、コンタクトのアレイを形成するためのプロセスにおける本発明の例示的ステップを示す。ステップ１００２で、導電層（またはシート）が作製される。シートの厚さに応じて、導電層は自立式に、または基板上に形成することができる。一実施例では、弾性コンタクト部分に対する所望の弾性を提供できる導電性金属が選択される。導電性金属は、追加サブステップで所望の電気的挙動および／または弾性挙動が得られるようにメッキすることのできる支持構造として、チタン（Ｔｉ）を含むことができる。代替的に、導電性金属は、銅合金（Ｃｕ合金）または銅‐ニッケル‐金（Ｃｕ／Ｎｉ／Ａｕ）多層金属シートで被覆されたステンレス鋼のような多層金属シートを含む。さらに詳しくは、導電性金属は、非酸化表面を提供するために無電解ニッケル金（Ｎｉ／Ａｕ）をメッキされる小粒子状銅ベリリウム（ＣｕＢｅ）を含む第１層を含むことができる。材料の適切な選択は、導電層から形成されたコンタクトの動作範囲を増大することができる。
【００４３】
任意のステップ１００４では、導電性金属シートの熱処理が行われる。例えば特定の金属材料の熱処理は材料を半硬状態から硬状態に変換させる。
【００４４】
ステップ１００６で、リソグラフィ感受性レジスト膜が導電性金属シートに塗布される。乾燥膜は、１ないし２０ミルの範囲のより大きい特徴サイズに使用することができ、液体レジストは、１ミル未満の特徴サイズに対して使用することができる。
【００４５】
ステップ１００８で、リソグラフィ感受性レジスト膜は、コンタクトの予め定められた設計に従ってパターン形成される。特に、予め定められた設計を含むマスクを通してレジスト膜を露光させるために紫外（ＵＶ）光が使用され、その後、レジストは現像されて、フォトレジストにコンタクトの特徴が画定される。エッチングするように意図された部分は、マスクで保護されない状態に残される。リソグラフプロセスを使用してコンタクトの特徴を画定することにより、半導体の製造で見られるのと同様の微細な分解能を有するコンタクトの印刷が可能になる。１つの実施例では、マスクは、所望のピッチに応じて相互に間隔を置いて配置される特徴のアレイを含む。ピッチは１．５ｍｍ以下であることが好ましい。
【００４６】
ステップ１０１０で、シートは、使用される導電材用に特に選択された溶液中でエッチングされる。シート用に選択できる各々の特定の材料は一般的に、エッチング速度のような最適なエッチング特性（つまり、いかによく、かついかに速く溶液がエッチングを実行するか）を提供する特定のエッチング化学を有する。エッチング液の選択もまた、エッチングされたコンタクトの特徴の側壁プロファイル、つまり、断面で分かるように特徴のエッチング輪郭の形状のような他の特徴に影響を及ぼす。模範的エッチング液として、塩化第二銅、塩化第二鉄、および水酸化硫黄がある。ひとたびエッチングされると、レジストの層の残った部分はストリッピングプロセスで除去され、エッチングされた特徴がシートに残る。エッチングされる特徴は、図３Ｂのビーム部分３０４のような特徴弾性部分を含むことができる。
【００４７】
ステップ１０１２で、コンタクトの特徴を含むパターン形成された導電性金属シートは、例えばバッチ成形ツールを使用して成形プロセスを受ける。バッチ成形ツールは、成形しようとするコンタクトアレイの所望のピッチに応じて設計することができる。一実施例では、バッチ成形ツールは、好ましくは支持面の開口のアレイ内に設置することによってアレイフォーマットに配設される、多数の玉軸受を含む。玉軸受はコンタクトの特徴に様々な力を加えるために様々なサイズのものとすることができ、それにより様々な機械的性質が同一シート上のコンタクトにもたらされる。玉軸受の湾曲は、コンタクトの特徴（またはフランジ）を導電シートの平面から離すように押す出すために使用される。コンタクトのフランジは、所望の弾性コンタクト部分を形成するようにシートに成形ツールを適用することによって、三次元になる。
【００４８】
ステップ１０１４で、成形されたコンタクトシートは、弾性コンタクト部分が平面状基板の表面から突出するように、基板に、好ましくは平面状絶縁材に適用される。
【００４９】
ステップ１０１６で、コンタクトが相互に電気的に分離されるように、個々の（個片化）コンタクトのアレイを形成するために、個片化プロセスが適用される。
【００５０】
図１１Ａないし１１Ｈは、本発明の別の構成に係るコンタクト、例えば図２Ａおよび２Ｂのコンタクト２００を形成するための例示的処理ステップを示す。図１１Ａを参照すると、コンタクト要素が配置される基板１１００が用意される。基板１１００は例えばシリコンウェハまたはセラミックウェハとすることができ、その上に形成された誘電体層を含むことができる（図１１Ａには図示せず）。コンタクト要素を基板１１００から分離するために、例えばＳＯＳ、ＳＯＧ、ＢＰＴＥＯＳ、またはＴＥＯＳの誘電体層を基板１１００上に形成することができる。支持層１１０２が基板１１００上に形成される。支持層１１０２は、酸化物または窒化物層、スピンオン誘電体、ポリマ、またはいずれかの他の適切なエッチング可能な材料のような堆積誘電体層とすることができる。支持層１１０２は、化学気相成長（ＣＶＤ）、プラズマ気相成長（ＰＶＤ）、スピンオンプロセスをはじめとする多数の様々なプロセスによって堆積することができ、あるいは基板１１００が誘電体層または導電性接着層によって被覆されないときには、半導体製造で一般的に使用される酸化プロセスを使用して、支持層１１０２を成長させることができる。
【００５１】
支持層１１０２が堆積された後、支持層１１０２の頂面上にマスク層１１０４が形成される。マスク層１１０４は、マスク層１１０４を使用して支持層１１０２上にパターンを画定するために、従来のリソグラフィプロセスと共に使用される。マスク層が印刷され現像された後（図１１Ｂ）、領域１１０４ａないし１１０４ｃを含むマスクパターンが支持層１１０２の表面上に形成され、その後のエッチングから保護すべき支持層１１０２の領域が画定される。
【００５２】
図１１Ｃを参照すると、領域１１０４ａないし１１０４ｃをマスクとして使用して、異方性エッチングプロセスが実行される。異方性エッチングプロセスの結果、パターン形成されたマスク層によって被覆されない支持層１１０２の部分が除去される。したがって、支持領域１１０２ａないし１１０２ｃが形成される。領域１１０４ａないし１１０４ｃを含むマスクパターンはその後除去され、支持領域が露出する（図１１Ｄ）。
【００５３】
支持領域１１０２ａないし１１０２ｃは次いで、等方性エッチングプロセスを受ける。等方性エッチングプロセスは、エッチングされる材料を垂直および水平方向に実質的に同一エッチング速度で除去する。したがって、等方性エッチングの結果、図１１Ｅに示す通り、支持領域１１０２ａないし１１０２ｃの頂部隅角は丸みを付けられる。等方性エッチングプロセスは、ＳＦ6、ＣＨＦ3、ＣＦ4、または誘電体のエッチングに一般的に使用される他の周知の化学物質を使用するプラズマエッチングを含む。代替的に、等方性エッチングプロセスは、バッファード酸化物エッチング（ＢＯＥ）を使用するウェットエッチングプロセスのようなウェットエッチングプロセスである。
【００５４】
図１１Ｆを参照すると、基板１１００の表面および支持領域１１０２ａないし１１０２ｃの表面上に金属層１１０６が形成される。金属層１１０６は銅層、銅合金（Ｃｕ合金）層、または銅‐ニッケル‐金（Ｃｕ／Ｎｉ／Ａｕ）で被覆されたタングステンのような多層金属堆積とすることができる。好ましくは、コンタクト要素は小粒子状銅ベリリウム（ＣｕＢｅ）合金を使用して形成され、次いで非酸化表面を提供するために無電解ニッケル‐金（Ｎｉ／Ａｕ）を被覆される。金属層１１０６は、ＣＶＤプロセス、電気メッキ、スパッタリング、ＰＶＤ、または他の従来の金属膜堆積技術によって堆積することができる。マスク層は、従来のリソグラフィプロセスを使用してマスク領域１１０８ａないし１１０８ｃに堆積され、パターン形成される。マスク領域１１０８ａないし１１０８ｃは、その後のエッチングから保護すべき金属層１１０６の領域を画定する。
【００５５】
次いで、図１１Ｆの構造は、マスク領域１１０８ａないし１１０８ｃによって被覆されない金属層の部分を除去するために、エッチングプロセスを受ける。その結果、図１１Ｇに示す通り、金属部分１１０６ａないし１１０６ｃが形成される。金属部分１１０６ａないし１１０６ｃの各々が、基板１１００上に形成されたベース部分と、それぞれの支持領域（１１０２ａないし１１０２ｃ）に形成された湾曲弾性部分とを含む。したがって、断面で見たとき、各金属部分の湾曲弾性部分は、基板１１００の表面から突出する、下にある支持領域と実質的に同一形状を取る。
【００５６】
ステップ１１Ｈで、支持領域１１０２ａないし１１０２ｃは、例えばウェットエッチング、異方性プラズマエッチング、または他のエッチングプロセスを使用することによって除去される。酸化物層を使用して支持層が形成される場合、バッファード酸化物エッチング液を使用して支持領域を除去することができる。その結果、自立弾性コンタクト部分１１１０ａないし１１１０ｃが基板１１００上に形成される。
【００５７】
本発明の構成の上記開示は、例証および説明のために提示したものである。全てを網羅したり、本発明を開示された厳密な形態に限定したりするつもりはない。本書に記載した構成の多くの変形および変更が、上記開示に照らして当業熟練者には明らかであろう。本発明の範囲は、本書に添付する特許請求の範囲およびそれらの均等物のみによって定義される。
【００５８】
例えば、図４〜９のデータは、アレイ間隔が約０．５〜１．２７ｍｍの範囲内にあるコンタクトから得られた。しかし、考えられる他の構成として、アレイピッチが約０．０５ｍｍという微小なコンタクトのアレイがある。本発明の構成に使用されるリソグラフィックプロセスは、少なくとも６５〜９０ｎｍという小さい平面寸法に対して動作可能であるので、同様の側方（平面内）寸法のコンタクト要素を有する本発明の構成が考えられる。加えて、ベース部分および弾性コンタクト部分を形成するために使用される金属膜の膜厚は、そこから形成されたコンタクトに低抵抗をもたらしながら、少なくとも約１０ｎｍに縮減することができる。最後に、三次元体の規則的なアレイは、１０ミクロンもの小ささに作製してテンプレートを形成することができ、そこから同様の全体的寸法の三次元弾性コンタクト部分を作製することができる。上記に照らして、サブミリメートル、ミクロン、およびサブミクロンのアレイピッチに作製された電気コンタクトに対し、大きい動作範囲および大きい正規化動作範囲を実現することができる。
【００５９】
本発明の別の構成では、増強された動作範囲を有する弾性コンタクトは、コンタクトの平面内でコンタクト部分の長さ方向に沿ってテーパ付けられた形状を有する弾性コンタクト部分を含む。ベース部分に近い弾性部分の領域は第１幅を有する一方、遠端領域は第２幅を有し、第２幅は実質的に第１幅より実質的に狭い。より狭幅の遠端を弾性コンタクト部分に組み込むことによって、コンタクトのコンプライアンスを増大することができる。
【００６０】
本発明の別の構成では、弾性コンタクトは、コンタクト部分の長さ方向に沿ってテーパ付けられた厚さを有する弾性コンタクト部分を含む。ベース部分に近い弾性部分の領域は第１厚さを有する一方、遠端領域は第２厚さを有し、第２厚さは第１厚さより実質的に薄く、結果的にコンタクトのコンプライアンスが増大する。
【００６１】
本発明の別の構成では、弾性コンタクトは、フィレットビーム形状を有する弾性コンタクト部分を含む。フィレットビーム形状は弾性ビームのフィレット領域を含み、該領域はベース領域付近に配置される。
【００６２】
加えて、上述した例示的コンタクトでは、ベース部分が弾性部分を取り囲むが、本発明は、弾性部分およびベース部分が、平面状ベース部分と突出する弾性部分との間に電気的連続性をもたらす任意の方法で配列された他の構成で動作することができる。
【００６３】
さらに、本発明の代表的構成について記載するにあたり、本明細書は本発明の方法および／またはプロセスをステップの特定のシーケンスとして提示した。しかし、該方法またはプロセスが本書に記載した特定の順序のステップに依存しない範囲で、該方法またはプロセスは、記載した特定のシーケンスのステップに限定されない。当業熟練者には理解される通り、他のシーケンスのステップが可能である。したがって、本明細書に記載したステップの特定の順序は、請求の範囲に対する制限と解釈すべきではない。加えて、本発明の方法および／またはプロセスに向けられる請求の範囲は、それらのステップの記載された順序による実行に限定すべきではなく、シーケンスが変化しても依然として本発明の精神および範囲内に維持されることを当業者は容易に理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明のコネクタ要素のコンタクトの特性グラフである。
【図２Ａ】完全に成形された片面ローリングビームコンタクト２００の実施例の平面図を示す略図である。
【図２Ｂ】は図２Ａのコンタクトの線Ａ−Ａ’に沿った断面を示す略図である。
【図３Ａ】処理の中間段階における図２Ａの片面ローリングビームコンタクトを示す略図である。
【図３Ｂ】図３Ａのコンタクトの斜視図を示す略図である。
【図４】例示的な片面ローリングビームコンタクトの抵抗および荷重対変位のグラフである。
【図５】例示的な延長ローリングビームコンタクトに適用される荷重−変位グラフである。
【図６Ａ】例示的デュアルフランジコンタクトの平面図の略図である。
【図６Ｂ】１．２７ｍｍアレイピッチ用に構成され、図６Ａに係るコンタクト構造を有するコンタクトの周波数の関数としてのｄＢ損失のグラフである。
【図６Ｃ】図６Ａに係るコンタクト構造を有する両面フランジコンタクトの荷重および抵抗対変位のグラフである。
【図７】０．５ｍｍピッチのアレイ状に配列された図２Ａのコンタクト構造の形状を有するコンタクトの荷重および抵抗対変位のグラフである。
【図８】１２７ｍｍピッチのアレイ状に配列され、図２Ａおよび２Ｂに開示された構造を有する「半硬」コンタクトの荷重‐変位データのグラフである。
【図９Ａ】ソルダボールに接触するように設計された例示的な３フランジコンタクトを示す略図である。
【図９Ｂ】図９Ａのコンタクトの３回の荷重印加‐荷重除去サイクルを示す荷重−変位グラフである。
【図１０】本発明の構成に係るアレイコンタクトを形成するためのプロセスに含まれる例示的ステップを示す。
【図１１Ａ】本発明の別の構成に係るアレイコンタクトを形成するための別のプロセスに含まれる例示的ステップを示す。
【図１１Ｂ】本発明の別の構成に係るアレイコンタクトを形成するための別のプロセスに含まれる例示的ステップを示す。
【図１１Ｃ】本発明の別の構成に係るアレイコンタクトを形成するための別のプロセスに含まれる例示的ステップを示す。
【図１１Ｄ】本発明の別の構成に係るアレイコンタクトを形成するための別のプロセスに含まれる例示的ステップを示す。
【図１１Ｅ】本発明の別の構成に係るアレイコンタクトを形成するための別のプロセスに含まれる例示的ステップを示す。
【図１１Ｆ】本発明の別の構成に係るアレイコンタクトを形成するための別のプロセスに含まれる例示的ステップを示す。
【図１１Ｇ】本発明の別の構成に係るアレイコンタクトを形成するための別のプロセスに含まれる例示的ステップを示す。
【図１１Ｈ】本発明の別の構成に係るアレイコンタクトを形成するための別のプロセスに含まれる例示的ステップを示す。
【図１】
2007535657.tif 000002
【図２Ａ】
2007535657.tif 000003
【図２Ｂ】
2007535657.tif 000004
【図３Ａ】
2007535657.tif 000005
【図３Ｂ】
2007535657.tif 000006
【図４】
2007535657.tif 000007
【図５】
2007535657.tif 000008
【図６Ａ】
2007535657.tif 000009
【図６Ｂ】
2007535657.tif 000010
【図６Ｃ】
2007535657.tif 000011
【図７】
2007535657.tif 000012
【図８】
2007535657.tif 000013
【図９Ａ】
2007535657.tif 000014
【図９Ｂ】
2007535657.tif 000015
【図１０】
2007535657.tif 000016
【図１１Ａ】
2007535657.tif 000017
【図１１Ｂ】
2007535657.tif 000018
【図１１Ｃ】
2007535657.tif 000019
【図１１Ｄ】
2007535657.tif 000020
【図１１Ｅ】
2007535657.tif 000021
【図１１Ｆ】
2007535657.tif 000022
【図１１Ｇ】
2007535657.tif 000023
【図１１Ｈ】
2007535657.tif 000024
【国際調査報告】
2007535657.tif 000025
2007535657.tif 000026
2007535657.tif 000027