DE68913823T2 - Lösbare elektrische Verbindung. - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Verbindungen, die gelöst werden können, und dann - auf Wunsch - wieder verbunden werden können. Die Erfindung befaßt sich speziell mit Kontakten für miniaturisierte Anwendungen mit hohen Strömen wie Halbleiterchips mit integrierten Schaltungen, Steckkarten- und Kabelverbindungen.
• Da elektrische Vorrichtungen dichter gepackt werden, werden die Verbindungen infolge des Packens auch kleiner, allerdings führt die Packungsdichte auch dazu, daß der elektrische Strom erhöht wird, den jede Verbindung führen muß. Zudem wird es immer wünschenswerter, diese Verbindungen für Reparaturen und zum Ersetzen von Baueinheiten lösen und wieder zusammenfügen zu können.
• Aus Research Disclosure, Band 287, Nr. 48, März 1988, Seite 155, kennt man ein Verfahren zur Erhöhung des elektrischen Kontakts bei kleinen Flächen wie Stiften und Anschlußflächen usw. Das Verfahren verwendet eine Substanz mit unregelmäßig geformten und zufällig angeordneten Dendrit-Gebilden wie dendritischem Kupferpulver, die an die Anschlußflächen angelötet ist.
• Mit dem Fortschritt der Technik wurde erkannt, daß eine Verbindung mit Gliedern, die von beiden Seiten des Kontakts ineinandergreifen können, sowohl für die Aufrechterhaltung der Paßgenauigkeit der Verbindungsteile als auch für das Stromführungsvermögen wünschenswert wäre.
• Aus dem IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 22, Nr. 7, Dezember 1979, Seite 2706, kennt man ein Flüssigmetall-Steckverbindersystem, das Dendrite verwendet, um die angelaufenen Filme zu durchdringen, die sich auf dem Flüssigmetall-Steckverbinder bilden. Die verzahnten Dendrite dienen auch dazu, die elektrische und/oder mechanische Verbindung zwischen den Anschlußflächen zu verbessern.
• In den US-Patentschriften 2 461 980 und 3 725 844 werden derartige ineinandergreifende Verbindungsstrukturen gezeigt, deren Kontaktglieder aus einer Bürste ähnelnden Fasergruppen bestehen.
• Die US-Patentschrift 3 526 867 liefert eine Beschreibung eines verzahnten Steckverbinders mit Verriegelungseigenschaften zum Zusammenhalten der Teile.
• In der deutschen Patentschrift DE 2816328 besteht der verzahnte Steckverbinder aus einem Material mit dendritartigen Vorsprüngen, die von beiden Seiten des Kontakts ineinandergreifen.
• In der Technik gibt es jedoch das Problem, daß die Verbindung durch das Lösen und Verbinden der Steckverbinder beschädigt und verschlechtert wird.
• Die Erfindung ist darauf ausgerichtet, diese Mängel zu beheben.
• Zusammenfassend besteht die vorgeschlagene Verbindung aus einer im wesentlichen ebenen Fläche aus leitendem Material, die mit einer Vielzahl von im wesentlichen senkrecht ineinandergreifenden Glieder versehen ist, die aus der Oberfläche des ebenen, leitenden Materials herausragen und mit diesem fest verbunden sind und deren Verhältnis von Länge zu Breite größer als 1 ist. Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß, wenn das Seitenverhältnis der ineinandergreifenden Glieder größer ist, auch der waagerechte Druck auf die Glieder beim Lösen und Verbinden erhöht wird, was folgerichtig Beschädigungen und Verschlechterungen verursacht. Daher ist die Kombination aus dem ebenen Teil und den ineinandergreifenden Gliedern mit einem Mittel zum Ausgleichen des Drucks versehen, der seitlich zur Ebene auftritt. Das Mittel zum Ausgleichen des Drucks umfaßt einen sich anpassenden Gegenkontakt und einen Überzug der ineinandergreifenden Glieder aus zug- und stoßabsorbierenden Materialien.
• Die Erfindung wird unten ausführlich unter Verweis auf die Zeichnungen beschrieben, wobei:
• FIG. 1 eine schematische Darstellung der verschiedenen Seitenverhältnisse der ineinandergreifenden Glieder und der verschiedenen Drücke auf diese ist.
• FIG. 2 eine schematische Darstellung eines Steckverbinders ist, bei dem sich die Gegenteile anpassen.
• FIG. 3 ein Mikroschliffbild eines ineinandergreifen Materials vom Hügel-Typ ist.
• FIG. 4 ein Mikroschliffbild eines ineinandergreifen Materials vom Dendrit-Typ ist.
• FIG. 5, 6 und 7 Mikroschliffbilder sind, die für 0-, 3- und 50- maliges Lösen bzw. Verbinden aufgrund fehlerhafter Ausrichtung der Kontakte aus dendritischem, ineinandergreifendem Material zunehmende Beschädigungen zeigen.
• FIG. 8 eine schematische Darstellung eines Zwischenschritts bei der Herstellung eines sich anpassenden Kontakts gemäß FIG. 2 ist.
• FIG. 9 und 10 Mikroschliffbilder sind, die das dendritische, ineinandergreifende Glied bzw. die sich anpassende Anschlußfläche in zusammengefügtem Zustand zeigen.
• FIG. 11 eine schematische Darstellung eines ineinandergreifenden Kontaktglieds ist, bei dem der Ausgleich des seitlichen Drucks durch einen metallisierten Überzug gegeben ist.
• FIG. 12 und 13 Mikroschliffbilder des dendritisches Material verwendenden Kontakts aus FIG. 11 bei etwa 200-facher Vergrößerung nach 0- und 50-maligem Lösen bzw. Verbinden sind.
• FIG. 14 und 15 Mikroschliffbilder der Strukturen aus FIG. 12 und 13 bei etwa 500-facher Vergrößerung sind.
• FIG. 16 eine schematische Darstellung des Ausgleichs des seitlichen Drucks ist, wobei ein metallisierter, leicht deformierbarer und stoßabsorbierender Überzug verwendet wird.
• FIG. 17 eine schematische Darstellung des Ausgleichs des seitlichen Drucks ist, wobei ein die ineinandergreifenden Glieder verstärkendes Material verwendet wird.
• Die erfindungsgemäße Verbindung besteht aus einer im wesentlichen ebenen Fläche aus leitendem Material, die mit einer Vielzahl von im wesentlichen senkrecht ineinandergreifenden Gliedern versehen ist, die aus der Oberfläche herausragen und fest mit der Oberfläche des ebenen leitenden Materials verbunden sind.
• Jedes der ineinandergreifenden Glieder besitzt ein Seitenverhältnis größer als 1, und gemäß der Erfindung wird dafür gesorgt, daß waagerechter Druck auf die ineinandergreifenden Glieder ausgeglichen wird. Das Seitenverhältnis und der Druck sind in FIG. 1 grafisch dargestellt, wobei sich auf dem ebenen, leitenden Material 1 eine Vielzahl ineinandergreifender Glieder 2 befinden, von denen jedes ein Seitenverhältnis von 1 - Bezugsnummer 3 genannt - , 2 - Bezugsnummer 4 genannt - und 4 - Bezugsnummer 5 genannt - hat, und wobei der aufgrund z. B. fehlerhafter Ausrichtung und anderer ineinandergreifender Glieder, die in den zwischen ihnen befindlichen Platz eindringen, auftretende waagerechte Druck symbolisch als Pfeil 6 gezeigt ist. Es ist klar, daß bei zunehmendem Seitenverhältnis die Möglichkeit einer Beschädigung der ineinandergreifenden Glieder durch seitlichen Druck größer wird.
• FIG. 2 bietet eine Darstellung von sich anpassenden Gegenkontakten, wobei ein Konatkt auf dem ebenen, leitenden Glied 1 die ineinandergreifenden Glieder 7, 8, 9, 10 und 11 besitzt und ein gegenüberliegendes leitendes Glied 12 die ineinandergreifenden Glieder 13, 14, 15, 16, 17 und 18 besitzt. Dieser Kontakt gleicht den horizontalen Druck aus, da sich der Kontakt, wenn er gelöst und zusammengefügt wird, anpasst und Platz für jedes gegenüberliegende Glied hat, so daß es minimalen Druck auf die einzelnen ineinandergreifenden Glieder gibt.
• Es gibt zwei Hauptarten des Materials, die bei großen Seitenverhältnissen hinreichend kostengünstig hergestellt und zu Kontaktzwecken in die engen Räume positioniert werden können. Sie sind als Hügel-Material bzw. dendritisches Material bekannt, die in den Mikroschliffbildern in FIG. 3 bzw. 4 dargestellt sind. Die Materialien können in sehr kleinen Äbmessungen auf Substrate positioniert werden. Diese Materialien unterliegen jedoch bei Verwendung als ineinandergreifende Glieder aufgrund des in Verbindung mit FIG. 1 beschriebenen waagerechten Drucks, der überwiegend durch die zufällige Natur der ineinandergreifenden Glieder und der fehlerhaften Ausrichtung beim Zusammenfügen der Glieder entsteht, der Beschädigung.
• Die Materialien für die in FIG. 3 bzw. 4 dargestellten Hügelbauteile bzw. dendritischen Bauteile können der Gruppe Palladium, Platin, Rhodium, Ruthenium, Osmium und Wolfram entnommen werden. Hügelmaterialien und dendritische Materialien können durch Metallisieren hergestellt werden, wobei in der Metallisierungslösung eine kleinere Metallionenkonzentration als normal vorliegt, während der Strom bei der Galvanisierung mit einer höheren Stromdichte als normal fließt. Die Materialien von FIG. 3 und 4 können auch durch Reduktion des Hexafluorids des verwendeten Metalls mit Wasserstoff hergestellt werden, wobei als Beispiel Wolframhexafluorid dient. Da Wolframhexafluorid eine Flüssigkeit mit einem hohen Dampfdruck ist, kann es leicht als Gas in eine Reaktionskammer transportiert werden. Gereinigter Wasserstoff kann als Trägergas und als Reaktant verwendet werden. Die Reaktion findet in der Regel zwischen 400 und 650ºC statt. Das Hügelmaterial wird mit den gleichen Verfahren wie das dendritische Material, jedoch bei kürzerer Reaktionsdauer hergestellt. Das Hügelmaterial 20 wird im allgemeinen für Anwendungen eingesetzt, bei denen die Anforderungen nicht so hart sind.
• FIG. 5, 6 und 7 sind Mikroschliffbilder von dendritischem Material aus Wolfram wie in FIG. 4 bei etwa 200-facher Vergrößerung und zeigen die Auswirkung der Beschädigung durch seitlichen Druck.
• In FIG. 5 wurde das Ausgangsmaterial noch nicht als Kontakt zusammengedrückt, so daß keine Beschädigung sichtbar ist. In FIG. 6 dagegen wurde der Kontakt dreimal zusammengedrückt, so daß in der unteren rechten Ecke ein gewisses Schadensausmaß sichtbar zu werden beginnt.
• Nach 50-maligen Zusammenfügen gibt es in FIG. 7 beschädigte Flächen, die über den gesamten Kontakt verteilt sind.
• Gemäß der Erfindung ist ein Ausgleichen des in FIG. 1 gezeigten Drucks vorgesehen, der die Schäden in FIG. 7 bewirkt. Dieses Angleichen kann auf mehrere Arten erfolgen. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel müßte der Kontakt von der in FIG. 2 gezeigten, sich anpassenden Natur sein, bei der zwei Seiten des Kontakts genau zusammenpassen. Ein weiterer Ansatz bestünde darin, eine gewisse Verstärkung der ineinandergreifenden Glieder bereit zustellen. Noch ein weiterer Ansatz bestünde darin, einen sich physikalisch anpassenden, weichen Überzug für die ineinandergreifenden Glieder bereitzustellen.
• FIG. 8 zeigt eine Darstellung der Herstellung des bevorzugten Ausführungsbeispiels, wobei die ebene Fläche aus leitendem Material 1 eine beispielhafte Anzahl von ineinandergreifenden Gliedern 20, 21, 22, 23 und 24 besitzt, die fest mit ihr verbunden sind und in ein sich anpassendes, metallisches Material 25 gedrückt werden, das nach Beendigung des Drückens seine Form so geändert hat, daß es eine Reihe entsprechender Positionen für die ineinandergreifenden Glieder 20 bis 24 bildet. Dies kann erfolgen, indem man für die ineinandergreifenden Glieder 380 um (15 Mils) hohe und 25-125 um (1-5 Mils) dicke Palladium- oder Wolfram-Dendrite oder dergleichen verwendet, die auf dem leitenden Material 1 abgeschieden sind und eine weiche bzw. deformierbare Anschlußfläche 25 haben, z. B. aus eutektischem Blei-Zinn-Lot oder reinem Gold und dergleichen.
• FIG. 9 und 10 zeigen etwa 100-fach vergrößerte Mikroschliffbilder der ineinandergreifenden Glieder und der Anschlußfläche nach dem Zusammenfügen. In FIG. 9 sind die ineinandergreifen, in FIG. 8 symbolisch als 20-24 dargestellten Glieder Palladium-Dendrite. FIG. 10 zeigt die Anschlußfläche 25 aus eutektischem Blei-Zinn- Lot. Es ist deutlich, daß die Dendrite in die Anschlußfläche 25 eingedrungen sind und daß sich die weiche bzw. deformierbare Anschlußfläche aus eutektischem Lot der Form der Dendrite anpaßt und eine starke mechanische Verbindung ohne waagerechten Druck, der die Dendrite brechen liesse, bietet.
• FIG. 11 zeigt eine schematische Darstellung von ineinandergreifenden Gliedern, die durch einen Überzug verstärkt sind, um für einen Ausgleich des waagerechten Drucks zu sorgen.
• Die ineinandergreifenden Glieder 31 auf der ebenen, leitenden Fläche 30 bestehen aus Wolfram und sind mit einem ungefähr 50 nm dicken Haftüberzug 32 aus Chrom versehen, der mit einem ungefähr 5 Mikrometer dicken, verstärkenden Überzug 33 aus Kupfer überzogen ist. Der Haftüberzug wird durch Metallisieren, der Kupferüberzug durch Sputtern hergestellt.
• FIG. 12 und 13 zeigen Mikroschliffbilder der kupferverstärkten, dendritischen Wolframstruktur, die in Verbindung mit FIG. 11 beschrieben worden ist, wobei FIG. 12 die Struktur direkt nach der Herstellung etwa 200-fach vergrößert zeigt und FIG. 13 die Struktur bei etwa gleicher Vergrößerung zeigt, nachdem sie ungefähr 50-mal in einem leicht versetzten Winkel mit einem anderen Kontakt zusammengefügt worden ist. Wie FIG. 13 zu entnehmen ist, reicht der verstärkende Überzug 33 in FIG. 11 dazu aus, Brüche wie in FIG. 7 zu verhindern.
• In Verbindung mit den FIG. 14 und 15 wird der Schutz vor Beschädigung durch die Verstärkung sogar noch deutlicher, wobei FIG. 14 die Dendrite bei etwa 500-facher Vergrößerung direkt nach der Herstellung zeigt, während es in FIG. 15 nach 50-maligem Zusammenfügen kein Anzeichen von Beschädigung gibt.
• FIG. 16 und 17 zeigen schematisch zwei weitere Ansätze für das Ausgleichen des seitlichen Drucks. In FIG. 16 wird der Ausgleich durch einen Überzug bewerkstelligt, der eingedrückt wird und so als Stoßdämpfer gegen seitlichen Druck dient.
• In FIG. 16 befinden sich auf dem ebenen Material 40 die ineinandergreifenden Glieder 41, und darüber liegt ein Überzug 42, z. B. eine weiche Goldschicht, der durch ein Trockenverfahren wie Aufdampfen oder ein Naßverfahren wie Galvanisieren hergestellt wird, wobei das Gold weich genug ist, daß es sich beim Ineinandergreifen mit einem anderen Kontakt deformiert und dabei den Stoß auf die gehärteten dendritischen Materialien absorbiert, damit eventueller seitlicher Druck gemildert wird.
• In FIG. 17 gleicht das ineinandergreifende Glied 51 auf der ebenen Fläche 50, die durch ein Material 52, z. B. ein Polymer, verstärkt ist, den seitlichen Druck aus. Bei dieser Anordnung wirkt das Polymer als eine druckmindernde Unterstützung für die ineinandergreifenden Glieder. Als Isolator muß das Polymer natürlich von den Teilen der ineinandergreifenden Glieder entfernt werden, die mit dem entsprechenden Gegenkontakt Kontakt haben. Dies geschieht auf bequeme Weise durch ein isotropes Trockenätzverfahren wie reaktives Ionenätzen oder Plasmaätzen, das das Polymermaterial bis auf eine gewünschte Stärke abtragen können.
• Wenn der erfindungsgemäße Konatakt benutzt wird, wird normalerweise eine Kraft durch eine Klammer ausgeübt, um die zwei Gegenstücke zusammen zuhalten, wenngleich bei elektronischen Geräten häufig Gegenstände wie die Chip-Abdeckung einer integrierten Schaltung die Kontakte in einem gewissen Umfang in Position halten können.
• Das Beschriebene ist eine Verbindung aus einer ebenen Fläche aus einem leitenden Material, auf dessen Oberfläche eine Vielzahl von ineinandergreifenden Gliedern hervorstehen, die mit einem Mittel versehen sind, das den seitlichen Druck auf die ineinandergreifenden Glieder ausgleicht, der durch fehlerhafte Ausrichtung und durch die sich gegenseitig auseinanderdrückenden ineinandergreifenden Glieder auftritt.

Claims (12)

1. Elektrischer Steckverbinder, der in Verbindung miteinander mindestens eine ebene Schicht aus leitendem Material (1) und eine Vielzahl leitender, hervorstehender Glieder (2) enthält, die bezüglich der ebenen Schicht im wesentlichen senkrecht angeordnet sind und fest mit dem Material der ebenen Schicht verbunden sind, wobei jedes Glied ein Verhältnis von Höhe zu Breite größer als 1 besitzt, gekennzeichnet durch Mittel zum Ausgleichen von Druck, der seitlich zur Richtung der hervorstehenden Glieder auftritt.

2. Steckverbinder gemäß Anspruch 1, wobei zumindest die Glieder aus Material bestehen, die aus der Gruppe aus Hügelmaterialien und dendritischen Materialien ausgewählt werden.

3. Steckverbinder gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei zumindest das Material der Glieder aus der Gruppe aus Palladium, Platin, Rhodium, Ruthenium, Osmium und Wolfram gewählt wird.

4. Steckverbinder gemäß Anspruch 4, wobei das Mittel zum Ausgleichen des seitlichen Drucks das Verstärken der Glieder einschließt.

5. Steckverbinder gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verstärken einen metallisierten Überzug einschließt (z. B. Fig. 11).

6. Steckverbinder gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere Anspruch 4 oder 5, wobei das Verstärken der Glieder (31 in Fig. 11) einen Haftüberzug (32), vorzugsweise aus Chrom, einschließt, der von einem verstärkenden Überzug (33), vorzugsweise aus Kupfer, überzogen ist.

7. Steckverbinder gemäß Anspruch 6, wobei der Haftüberzug (32) durch Metallisieren vorzugsweise mit einer Dicke von etwa 50 nm hergestellt wird, und wobei der darüberliegende verstärkende Überzug (33) durch Sputtern vorzugsweise mit einer Dicke von etwa 5 um hergestellt wird.

8. Steckverbinder gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei das Verstärken ein Polymer (52) an der Basis jedes der ineinandergreifenden Glieder (51, z. B. in Fig. 17) einschließt.

9. Steckverbinder gemäß Anspruch 8, wobei für das Verstärken eine Polymer-Verstärkung um die dendritischen Vorsprünge verwendet wird.

10. Elektrische Verbindung mit einem ersten und zweiten Steckverbinder gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mittel zum Ausgleichen des seitlichen Drucks ein sich anpassendes Kontakt-Gegenglied ist, das für jedes der ineinandergreifenden Glieder eine entsprechende Aussparung besitzt (z. B. Fig. 2).

11. Verbindung gemäß Anspruch 10, wobei der sich anpassende Gegenkontakt aus einem weichen, verformbaren Material besteht.

12. Verbindung gemäß Anspruch 10 oder 11, wobei das Material des sich anpassenden Gegenkontakts aus der Gruppe aus eutektischem Blei-Zinn-Lot und reinem Gold ausgewählt wird.