DE69635083T2 - Herstellung von verbindungen und ansatzstücken unter verwendung eines opfersubstrats - Google Patents

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    • H01L2224/05638—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
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    • H01L2224/44—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/45—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/45001—Core members of the connector
    • H01L2224/45099—Material
    • H01L2224/451—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/45117—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950°C
    • H01L2224/45124—Aluminium (Al) as principal constituent
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    • H01L2224/44—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/45—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/45001—Core members of the connector
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    • H01L2224/451—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/45138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/45144—Gold (Au) as principal constituent
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    • H01L2224/44—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
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    • H01L2224/451—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/45138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/45147—Copper (Cu) as principal constituent
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    • H01L2224/48505—Material at the bonding interface
    • H01L2224/48599—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au)
    • H01L2224/486—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/48638—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/48644—Gold (Au) as principal constituent
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    • H01L2224/485—Material
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    • H01L2224/48599—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au)
    • H01L2224/486—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/48638—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
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    • H01L2224/48699—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al)
    • H01L2224/487—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/48738—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
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    • H01L2224/48799—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Copper (Cu)
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    • H01L2224/732—Location after the connecting process
    • H01L2224/73201—Location after the connecting process on the same surface
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    • H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
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    • H01L2224/818—Bonding techniques
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Description

  • TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft die Herstellung von elektrischen Verbindungs- (Kontakt-) Elementen und insbesondere Kontaktelemente, die elastische (federnde) Kontaktelemente sind, die zum Bewerkstelligen von Druckverbindungen zwischen elektronischen Bauteilen geeignet sind.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Im Allgemeinen können Verbindungen zwischen elektronischen Bauteilen in die zwei breiten Kategorien von "relativ dauerhaft" und "leicht demontierbar" klassifiziert werden.
  • Ein Beispiel einer "relativ dauerhaften" Verbindung ist eine Lötverbindung. Sobald zwei elektronische Bauteile aneinander gelötet sind, muss ein Loslötprozess verwendet werden, um die Bauteile zu trennen. Eine Drahtbondverbindung, wie z.B. zwischen einem Halbleiterchip und inneren Zuleitungen eines Halbleitergehäuses (oder inneren Enden von Leiterrahmenzinken), stellt ein weiteres Beispiel für eine "relativ dauerhafte" Verbindung dar.
  • Ein Beispiel einer "leicht demontierbaren" Verbindung sind starre Anschlussstifte eines elektronischen Bauteils, die von elastischen Steckbuchsenelementen eines anderen elektronischen Bauteils aufgenommen werden. Die Steckbuchsenelemente üben eine Kontaktkraft (Druck) auf die Anschlussstifte in einem Ausmaß aus, das ausreicht, um eine zuverlässige elektrische Verbindung zwischen diesen sicherzustellen. Verbindungselemente, die einen Druckkontakt mit einem elektronischen Bauteil herstellen sollen, werden hierin als "Federn" oder "Federelemente" oder "Federkontakte" bezeichnet.
  • Verfahren des Standes der Technik zur Herstellung von Federelementen beinhalten im Allgemeinen das Prägen (Stanzen) oder Ätzen eines "monolithischen" Federmaterials wie z.B. Phosphorbronze oder Berylliumkupfer oder Stahl oder einer Nickel-Eisen-Kobalt- (z.B. Kovar) Legierung, um einzelne Federelemente auszubilden, das Formen der Federelemente, so dass sie eine Federform aufweisen (z.B. bogenförmig usw.), wahlweises Plattieren der Federelemente mit einem guten Kontaktmaterial (z.B. einem Edelmetall wie z.B. Gold, das einen niedrigen Kontaktwiderstand aufweist, wenn ein ähnliches Material kontaktiert wird), und Formen einer Vielzahl von solchen geformten, plattierten Federelementen zu einem linearen, Umfangs- oder Matrixmuster. Wenn Gold auf die vorstehend erwähnten Materialien plattiert wird, ist manchmal eine dünne (beispielsweise 0,76–1,27 μm (30–50 Mikroinch)) Sperrschicht aus Nickel geeignet.
  • Im Allgemeinen ist eine bestimmte minimale Kontaktkraft erwünscht, um einen zuverlässigen Druckkontakt mit elektronischen Bauteilen (z.B. mit Anschlüssen an elektronischen Bauteilen) zu bewirken. Eine Kontakt-(Last-) Kraft von ungefähr 15 Gramm (einschließlich nicht mehr als 2 Gramm oder weniger und nicht weniger als 150 Gramm oder mehr pro Kontakt) kann beispielsweise erwünscht sein, um sicherzustellen, dass eine zuverlässige elektrische Verbindung mit einem Anschluss eines elektronischen Bauteils hergestellt wird, das mit Filmen auf seiner Oberfläche verunreinigt sein kann oder das Korrosions- oder Oxidationsprodukte auf seiner Oberfläche aufweist. Die minimale Kontaktkraft, die für jedes Federelement erforderlich ist, verlangt typischerweise entweder, dass die Dehngrenze des Federmaterials oder dass die Größe des Federelements vergrößert wird. Im Allgemeinen gilt jedoch, je höher die Dehngrenze eines Materials ist, desto schwieriger ist mit diesem zu arbeiten (z.B. Stanzen, Biegen usw.). Und der Wunsch, Federn kleiner zu machen, schließt es im Wesentlichen aus, sie im Querschnitt größer zu machen, um größere Kontaktkräfte zu erzielen.
  • WO 96/17378 (im Folgenden als "Hauptakte" bezeichnet) beschreibt die Herstellung von elastischen Kontaktstrukturen (Federelementen) als zusammengesetzte Verbindungselemente durch Montieren eines frei stehenden Drahtschafts (langgestrecktes Element) an einem Anschluss eines elektronischen Bauteils, Formen des Drahtschafts und Überziehen des freistehenden Drahtschafts, um dem resultierenden freistehenden Federelement die gewünschte Elastizität zu verleihen. Im Fall von elektronischen Bauteilen, die empfindlich und/oder teuer sind, kann die fehlerhafte Herstellung eines zusammengesetzten Verbindungselements direkt auf der Oberfläche des elektronischen Bauteils bestenfalls das erneute Bearbeiten des (der) fehlerhaften Verbindungselements (Verbindungselemente) oder schlimmstenfalls das Wegwerfen des elektronischen Bauteils erfordern. Wie in der HAUPTAKTE erwähnt, können zusammengesetzte Verbindungselemente auf Opfersubstraten hergestellt (z.B. Bonden, Formen, Überziehen) werden, dann entweder von diesen vereinzelt oder simultan (zusammen montiert) zu einem elektronischen Bauteil überführt werden.
  • JP 59 088 860 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Spitzenstrukturen auf einem Opfersubstrat. Nuten vom V-Typ oder halbkugelförmige Nuten werden im Opfersubstrat ausgebildet und eine erste Metallschicht wird über der Substratoberfläche abgeschieden. Eine zweite Metallschicht wird in strukturierten Photoresistlöchern abgeschieden, die über den Nuten auf der ersten Metallschicht ausgebildet sind. Nach vollständigem Ätzen der Photoresistschicht und der Opferschicht bleiben die einzelnen Spitzenstrukturen für eine Weiterverarbeitung und die Spitze sieht einen guten Kontakt vor, durchdringt z.B. eine dünne Oxidschicht durch Drücken derselben auf ein elektronisches Bauteil.
  • Ferner offenbart US 5 438 165 ein Verfahren und eine Schicht/Verbindungszuleitungs-Kombination zum Befestigen einer Vielzahl von Sätzen von Verbindungszuleitungen auf einem Schichtstreifen unter Verwendung eines Klebstoffs, der die Klebefestigkeit verliert, nachdem er Energie wie z.B. Wärme oder Ultraviolettlicht ausgesetzt wird. Die Schicht hält die Verbindungszuleitungen fest in ihrer korrekten Position zum Bonden an einen integrierten Schaltungschip oder an einen Leiterrahmen oder ein Substrat wie z.B. eine Leiterplatte oder ein Keramiksubstrat für Hybridschaltungen. Entweder während oder nach dem Bonden der Verbindungszuleitungen an den Leiterrahmen oder das Substrat wird Energie auf den Klebstoff aufgebracht, der die Verbindungszuleitungen an der Schicht hält, und die Schicht wird von den Verbindungszuleitungen auf eine Weise gelöst, die die Zuleitungen aufgrund der verringerten Klebefestigkeit nicht beschädigt. Folglich schließt das Leiterrahmengehäuse die Schicht nicht ein.
  • Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Verbindungselements von US 5 053 921 wird eine Löseschicht auf einer Trägerplatte abgeschieden. Eine Resistschicht wird auf der Löseschicht abgeschieden und Löcher werden strukturiert. Metallschichten werden in den Löchern abgeschieden und zu restlichen Verbindungselementen in den Löchern geätzt. Nach der Entfernung des Resists wird die komplette Struktur an einem Laminat montiert. Die Trägerplatte wird von der Löseschicht entfernt, die dann geätzt wird, um das Verbindungselement von der Löseschicht zu lösen.
  • Verbindungselemente werden in JP 06 334 083 A durch Abscheiden einer ersten galvanische Abscheidungsschicht auf einem Trägersubstrat und Ausbilden der Elemente auf diesem durch eine zweite Metallschicht ausgebildet. Die Elemente werden vom Trägersubstrat abgezogen, indem die erste Schicht vom Trägersubstrat abgezogen wird.
  • KURZBESCHREIBUNG (ZUSAMMENFASSUNG) DER ERFINDUNG
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Verbindungselementen bereitzustellen, die zur Herstellung eines Druckkontakts mit elektronischen Bauteilen geeignet sind.
  • Die Erfindung ist in Anspruch 1 bzw. 12 definiert. Spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
  • Gemäß der Erfindung werden Verfahren zur Herstellung von Verbindungselementen, insbesondere Federelementen, insbesondere zusammengesetzten Verbindungselementen, und zum Anbringen der Verbindungselemente an elektronischen Bauteilen offenbart. Die offenbarten Verfahren beinhalten im Allgemeinen das Vorsehen einer Auslegerstruktur auf einem Opfersubstrat und das Verbinden mit Verbindungskomponenten. Die Verbindungselemente können gemeinsam am elektronischen Bauteil angebracht werden, wobei in diesem Fall der Prozess der Herstellung der Verbindungselemente auf dem Opfersubstrat ihren Abstand vorbestimmt hat. Im Fall des Entfernens der Verbindungselemente vom Opfersubstrat vor deren Montage an einem elektronischen Bauteil muss ihr Endabstand während des Montageprozesses gesteuert werden. Die offenbarten Verfahren beseitigen Probleme, die mit der erfolgreichen Herstellung von Federkontakten direkt auf verschiedenen elektronischen Bauteilen wie z.B. Halbleiterbauelementen verbunden sind.
  • In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein "zusammengesetztes" (aus zwei oder mehr Elementen ausgebildetes) Verbindungselement durch Anbringen eines langgestreckten Elements ("Kernelements") an einem Opfersubstrat, Formen des Kernelements, so dass es eine Federform aufweist, und Überziehen des langgestreckten Elements, um die physikalischen (z.B. Feder-) Eigenschaften des resultierenden zusammengesetzten Verbindungselements zu verbessern, hergestellt.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung können die Verbindungselemente einen Überzug oder einen zusätzlichen Überzug erhalten, nachdem sie an dem elektronischen Bauteil angebracht sind, um die Verbindungselemente sicher am elektronischen Bauteil zu verankern.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das langgestreckte Element ein Draht mit einem runden (kreisförmigen) Querschnitt sein oder kann ein "Band" oder "bandartig" sein, wobei sich beide Begriffe auf langgestreckte Elemente mit einem nicht-kreisförmigen Querschnitt beziehen, wobei eine Querschnitts- (Quer-) Abmessung vorzugsweise mindestens zweimal (einschließlich mindestens drei-, vier- oder fünfmal) so groß ist wie eine andere Querabmessung. Beispielsweise ein langgestrecktes Element mit einem rechteckigen Querschnitt, wobei das Rechteck eine Basisabmessung aufweist, die mindestens zweimal der Höhenabmessung entspricht (oder umgekehrt).
  • Die Verwendung des Begriffs "zusammengesetzt" in der ganzen hierin dargelegten Beschreibung ist mit einer "allgemeinen" Bedeutung des Begriffs konsistent (z.B. aus zwei oder mehr Elementen ausgebildet) und soll nicht mit irgendeiner Verwendung des Begriffs "zusammengesetzt" in anderen Arbeitsgebieten verwechselt werden, wie er beispielsweise auf Materialien wie z.B. Glas, Kohlenstoff oder andere Fasern, die in einer Harzmatrix oder dergleichen abgestützt sind, angewendet werden kann.
  • Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff "Federform" auf theoretisch jegliche Form eines langgestreckten Elements, das eine elastische (Rückstell-) Bewegung eines Endes (Spitze) des langgestreckten Elements in Bezug auf eine auf die Spitze aufgebrachte Kraft aufweist. Dies umfasst langgestreckte Elemente, die so geformt sind, dass sie eine oder mehrere Biegungen aufweisen, sowie im Wesentlichen gerade langgestreckte Elemente.
  • Wie hierin verwendet, beziehen sich die Begriffe "Kontaktbereich", "Anschluss", "Kontaktstelle" und dergleichen auf irgendeinen leitenden Bereich auf irgendeinem elektronischen Bauteil, an dem ein Verbindungselement montiert wird oder mit dem es einen Kontakt herstellt.
  • Im Allgemeinen ist das Opfersubstrat kein elektronisches Bauteil. Das Opfersubstrat wird nach dem Formen und entweder vor oder nach dem Überziehen des Kernelements entfernt.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung können Spitzen mit verschiedenen rauen Oberflächengüten auf dem Opfersubstrat vor der Montage des langgestreckten Elements an diesem ausgebildet werden. Auf diese Weise weist das resultierende Verbindungselement, nachdem das Opfersubstrat entfernt ist, eine Spitzenstruktur an seinem Ende auf. Die Spitzenstrukturen sind vorzugsweise texturiert, um sicherzustellen, dass zuverlässige Druckverbindungen durch das resultierende Verbindungselement hergestellt werden können.
  • In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Kern (langgestrecktes Element) ein "weiches" Material mit einer relativ niedrigen Dehngrenze und ist mit einem "harten" Material mit einer relativ hohen Dehngrenze überzogen. Ein weiches Material wie z.B. ein Golddraht wird beispielsweise in einem Bereich auf einem Opfersubstrat (z.B. durch Drahtbonden) befestigt und wird (z.B. durch elektrochemisches Plattieren) mit einem harten Material wie z.B. Nickel und seinen Legierungen überzogen.
  • In Anbetracht des Überziehens des Kernelements werden ein- und mehrlagige Überzüge, "raue" Überzüge mit Mikrovorsprüngen (siehe auch 5C und 5D der HAUPTAKTE) und Überzüge, die sich auf der gesamten Länge oder nur einem Teil der Länge des Kernelements erstrecken, beschrieben. Im letzteren Fall kann die Spitze des Kernelements geeigneterweise zur Herstellung eines Kontakts mit einem elektronischen Bauteil freigelegt sein (siehe auch 5B der HAUPTAKTE).
  • Während der gesamten hierin dargelegten Beschreibung wird der Begriff "Plattieren" im Allgemeinen als für eine Anzahl von Verfahren zum Überziehen des Kerns beispielhaft verwendet. Es liegt innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung, dass der Kern mit einem beliebigen geeigneten Verfahren überzogen werden kann, einschließlich, jedoch nicht begrenzt auf: verschiedene Prozesse, die die Abscheidung von Materialien aus wässerigen Lösungen beinhalten; elektrolytisches Plattieren; stromloses Plattieren; chemische Gasphasenabscheidung (CVD); physikalische Gasphasenabscheidung (PVD); Prozesse, die die Abscheidung von Materialien durch induzierten Zerfall von flüssigen oder festen Präkursoren bewirken; und dergleichen, wobei alle diese Verfahren zum Abscheiden von Materialien im Allgemeinen gut bekannt sind.
  • Zum Überziehen des Kernelements mit einem Metallmaterial wie z.B. Nickel sind elektrochemische Prozesse im Allgemeinen bevorzugt, insbesondere elektrolytisches Plattieren.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Kern ein langgestrecktes Element aus einem "harten" Material, das von Natur aus zum Funktionieren als "monolithisches" (im Gegensatz zu einem zusammengesetzten) Federelement geeignet ist, und wird an einem Ende in einem Bereich auf einem Opfersubstrat montiert. Der Kern und zumindest ein benachbarter Bereich des Anschlusses wird wahlweise mit einem Material überzogen, das seine elektrischen Eigenschaften verbessert. Ein solches monolithisches langgestrecktes Element kann an einem Opfersubstrat auf eine beliebige geeignete Weise montiert werden, einschließlich, jedoch nicht begrenzt auf Weichlöten, Kleben und Bohren eines Endes des harten Kerns in einen weichen Teil des Opfersubstrats.
  • Nachstehend werden im Großen und Ganzen Verfahren beschrieben, die mit einem relativ weichen (niedrige Dehngrenze) Kernelement beginnen, das im Allgemeinen eine sehr geringe Abmessung (z.B. 51 μm (2,0 mil) oder weniger) aufweist. Weichen Materialien wie z.B. Gold, die sich leicht an der Metallisierung (z.B. Aluminium) von Halbleiterbauelementen befestigen lassen, fehlt es im Allgemeinen an ausreichender Elastizität, um als Federn zu funktionieren. (Solche weichen Metallmaterialien weisen hauptsächlich vielmehr eine plastische als elastische Verformung auf.) Andere weiche Materialien, die sich leicht an Halbleiterbauelementen befestigen lassen können und geeignete Elastizität besitzen, sind häufig elektrisch nicht-leitend, wie im Fall der meisten elastomeren Materialien. In beiden Fällen können die gewünschten strukturellen und elektrischen Eigenschaften dem resultierenden zusammengesetzten Verbindungselement durch den über den Kern aufgebrachten Überzug verliehen werden. Das resultierende zusammengesetzte Verbindungselement kann sehr klein gemacht werden und kann dennoch geeignete Kontaktkräfte aufweisen. Überdies kann eine Vielzahl solcher zusammengesetzter Verbindungselemente in einem feinen Rastermaß (z.B. 254 μm (10 mils)) angeordnet werden, selbst wenn sie eine Länge (z.B. 2,54 mm (100 mils)) aufweisen, die viel größer ist als der Abstand zu einem benachbarten zusammengesetzten Verbindungselement (wobei der Abstand zwischen benachbarten Verbindungselementen "Rastermaß" genannt wird).
  • Es liegt innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung, dass zusammengesetzte Verbindungselemente in einem Mikrominiaturmaßstab, beispielsweise als "Mikrofedern" für Verbindungsstecker und Steckbuchsen, mit Querschnittsabmessungen in der Größenordnung von fünfundzwanzig Mikrometer (μm) oder weniger hergestellt werden können. Diese Fähigkeit, eine zuverlässige Verbindung mit in Mikrometern anstatt mils gemessenen Abmessungen herzustellen, wendet sich den sich entwickelnden Bedürfnisse der existierenden Verbindungstechnologie und der zukünftigen Flächematrixtechnologie direkt zu.
  • Die zusammengesetzten Verbindungselemente der vorliegenden Erfindung weisen überlegene elektrische Eigenschaften, einschließlich elektrischer Leitfähigkeit, Lötfähigkeit und niedrigen Kontaktwiderstandes, auf. In vielen Fällen führt die Auslenkung des Verbindungselements als Reaktion auf aufgebrachte Kontaktkräfte zu einem "Streif"-Kontakt, der hilft sicherzustellen, dass ein zuverlässiger Kontakt hergestellt wird.
  • Ein zusätzlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass Verbindungen, die mit den Verbindungselementen der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, leicht demontierbar sind. weichlöten, um die Verbindung mit einem Anschluss eines elektronischen Bauteils zu bewirken, ist wahlfrei, ist jedoch im Allgemeinen auf einer Systemebene nicht bevorzugt.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung werden Verfahren zur Herstellung von Verbindungselementen mit gesteuerter Impedanz beschrieben. Diese Verfahren beinhalten im Allgemeinen das Beschichten (z.B. elektrophoretisch) eines Kernelements oder eines gesamten zusammengesetzten Verbindungselements mit einem dielektrischen Material (Isolationsschicht) und das Überziehen des dielektrischen Materials mit einer äußeren Schicht eines leitenden Materials. Durch Erden der äußeren leitenden Materialschicht kann das resultierende Verbindungselement wirksam abgeschirmt werden und seine Impedanz kann leicht gesteuert werden. (Siehe auch 10K der HAUPTAKTE).
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung können Verbindungselemente als individuelle Einheiten zur späteren Befestigung an elektronischen Bauteilen vorgefertigt werden. Verschiedene Verfahren zum Durchführen dieser Aufgabe werden hierin dargelegt. Obwohl in diesem Dokument nicht speziell erfasst, wird es als relativ unkompliziert erachtet, eine Maschine herzustellen, die die Montage einer Vielzahl von einzelnen Verbindungselementen an einem Substrat oder alternativ das Aufhängen einer Vielzahl von einzelnen Verbindungselementen in einem Elastomer oder an einem Trägersubstrat handhabt.
  • Es sollte natürlich verständlich sein, dass sich das zusammengesetzte Verbindungselement der vorliegenden Erfindung drastisch von Verbindungselementen des Standes der Technik unterscheidet, die beschichtet wurden, um ihre elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften zu verbessern oder um ihre Korrosionsbeständigkeit zu verbessern.
  • Das Beschichten wird bei der vorliegenden Erfindung speziell vorgesehen, um die Verankerung des Verbindungselements an einem Anschluss eines elektronischen Bauteils wesentlich zu verbessern und/oder dem resultierenden zusammengesetzten Verbindungselement gewünschte elastische Eigenschaften zu verleihen. Spannungen (Kontaktkräfte) werden auf Teile der Verbindungselemente gerichtet, die speziell vorgesehen sind, um die Spannungen zu absorbieren.
  • Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die hierin beschriebenen Prozesse für die "Vorfertigung" von Verbindungselementen, insbesondere elastischen Verbindungselementen, wie z.B. auf einem Opferelement, und dann für die spätere Montage der Verbindungselemente an einem elektronischen Bauteil gut geeignet sind. Im Gegensatz zur Herstellung der Verbindungselemente direkt auf dem elektronischen Bauteil ermöglicht dies eine verringerte Zykluszeit bei der Bearbeitung der elektronischen Bauteile. Außerdem werden Ausbeuteprobleme, die mit der Herstellung der Verbindungselemente verbunden sein können, somit vom elektronischen Bauteil getrennt. Es wäre beispielsweise für ein ansonsten vollkommen zuverlässiges, relativ teures integriertes Schaltungsbauelement hinterhältig, wenn es im Prozess der Herstellung von an diesem montierten Verbindungselementen durch Spannungsspitzen zerstört werden würde. Die Montage von vorgefertigten Verbindungselementen an elektronischen Bauteilen ist relativ unkompliziert, wie es aus der nachstehend dargelegten Beschreibung ersichtlich ist.
  • Es sollte auch erkannt werden, dass die vorliegende Erfindung im Wesentlichen ein neues Verfahren zur Herstellung von Federstrukturen bereitstellt. Im Allgemeinen ist die Wirkungsstruktur der resultierenden Feder vielmehr ein Produkt des Plattierens als des Biegens und Formens. Dies öffnet die Tür zur Verwendung einer breiten Vielfalt von Materialien, um die Federform herzustellen, und einer Vielfalt von "freundlichen" Prozessen zum Befestigen des "Schalgerüsts" des Kerns an elektronischen Bauteilen. Der Überzug funktioniert als "Überbau" über dem "Schalgerüst" des Kerns, wobei beide Begriffe ihre Ursprünge auf dem Gebiet des Bauwesens haben.
  • Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden angesichts von deren folgender Beschreibung ersichtlich.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Nun wird im einzelnen auf bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung Bezug genommen, von welchen Beispiele in den zugehörigen Zeichnungen dargestellt sind. Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit diesen bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben wird, sollte es selbstverständlich sein, dass dies nicht vorgesehen ist, um den Schutzbereich der Erfindung auf diese speziellen Ausführungsbeispiele zu begrenzen.
  • In den hierin dargestellten Seitenansichten werden häufig der Darstellungsklarheit halber Teile der Seitenansicht im Querschnitt dargestellt. In vielen der Ansichten ist der Drahtschaft (Kernelement) eines zusammengesetzten Verbindungselements (elastische Kontaktstruktur) beispielsweise voll, als fette Linie gezeigt, während der Überzug im wahren Querschnitt (häufig ohne Schraffierung) gezeigt ist.
  • In den hierin dargestellten Figuren ist die Größe bestimmter Elemente häufig der Darstellungsdeutlichkeit halber übertrieben (nicht maßstäblich gegenüber anderen Elementen in der Figur) wiedergegeben.
  • 1A ist eine Querschnittsansicht eines Längsteils, einschließlich eines Endes, eines langgestreckten Verbindungselements.
  • 1B ist eine Querschnittsansicht eines Längsteils, einschließlich eines Endes, eines langgestreckten Verbindungselements.
  • 1C ist eine Querschnittsansicht eines Längsteils, einschließlich eines Endes, eines langgestreckten Verbindungselements.
  • 1D ist eine Querschnittsansicht eines Längsteils, einschließlich eines Endes, eines langgestreckten Verbindungselements.
  • 1E ist eine Querschnittsansicht eines Längsteils, einschließlich eines Endes, eines langgestreckten Verbindungselements.
  • 2A ist eine Querschnittsansicht eines langgestreckten Verbindungselements, das an einem Anschluss eines elektronischen Bauteils montiert ist und einen mehrlagigen Mantel aufweist.
  • 2B ist eine Querschnittsansicht eines langgestreckten Verbindungselements mit einem mehrlagigen Mantel, wobei eine Zwischenschicht aus einem dielektrischen Material besteht.
  • 2C ist eine perspektivische Ansicht einer Vielzahl von langgestreckten Verbindungselementen, die an einem elektronischen Bauteil montiert sind.
  • 3A ist eine Seitenansicht eines Drahts, der zu einer Schleife gestaltet ist, wobei ein Ende des Drahts an einen Anschluss eines elektronischen Bauteils gebondet ist und ein entgegengesetztes Ende des Drahts an eine Opferschicht gebondet ist.
  • 3B ist eine Seitenansicht des schleifenförmigen Drahts von 3A, nachdem er überzogen ist.
  • 3C ist eine Seitenansicht des schleifenförmigen, überzogenen Drahts von 3B, nachdem das Opferelement entfernt wurde.
  • 3D ist eine Seitenansicht des schleifenförmigen Drahts von 1A, nachdem das Opferelement entfernt wurde, jedoch bevor der Draht überzogen wurde.
  • 4A ist eine Seitenansicht eines langgestreckten Elements, das sich zwischen einem Anschluss eines elektronischen Bauteils und einem Opfersubstrat erstreckt, wobei eine Spitzenstruktur mit einer Oberflächentextur vorher hergestellt wurde.
  • 4B ist eine Seitenansicht eines langgestreckten Elements, das sich zwischen einem Anschluss eines elektronischen Bauteils und einem Opfersubstrat erstreckt, wobei eine Spitzenstruktur mit einer Oberflächentextur vorher hergestellt wurde.
  • 4C ist eine Seitenansicht einer mehrlagigen Spitzenstruktur (Kontaktstelle) für eine elastische Kontaktstruktur.
  • 5A ist eine Querschnittsansicht eines beispielhaften ersten Schritts eines Verfahrens zur Herstellung von Spitzenstrukturen für Verbindungselemente in einem Opfersubstrat, wobei die Spitzenstrukturen eine Oberflächentextur aufweisen.
  • 5B ist eine Querschnittsansicht eines beispielhaften weiteren Schritts des Verfahrens von 5A zur Herstellung von Verbindungselementen an Spitzenstrukturen.
  • 5C ist eine Querschnittsansicht eines beispielhaften weiteren Schritts des Verfahrens von 5B zur Herstellung von langgestreckten Verbindungselementen, die zusammengesetzte Verbindungselemente sind.
  • 5D ist eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Vielzahl von einzelnen Verbindungselementen, die gemäß dem Verfahren der 5A–5C hergestellt sind.
  • 5E ist eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Vielzahl von Verbindungselementen, die gemäß dem Verfahren der 5A–5C hergestellt sind und in einer vorgeschriebenen räumlichen Beziehung zueinander stehen.
  • 5F ist eine Querschnittsansicht eines Verfahrens zum gemeinsamen Montieren einer Vielzahl von langgestreckten Verbindungselementen, die auf einem Opfersubstrat hergestellt wurden, an einem elektronischen Bauteil.
  • 5G–5I sind Querschnitten eines Verfahrens zum Ausbilden einer Zwischenschalteinrichtung.
  • 6A ist eine Querschnittsansicht eines Verfahrens zur Herstellung von Spitzenstrukturen für Verbindungselemente.
  • 6B ist eine Querschnittsansicht weiterer Schritte in dem Verfahren von 6A.
  • 6C ist eine Seitenansicht, teilweise im Querschnitt und teilweise vollständig, von einem elektronischen Bauteil, an dem Verbindungselemente montiert wurden, welches auf die Befestigung von Spitzenstrukturen an diesen wartet.
  • 6D ist eine Seitenansicht, teilweise im Querschnitt und teilweise vollständig, von dem elektronischen Bauteil von 6C, welches mit den Spitzenstrukturen von 6B verbunden ist.
  • 6E ist eine Seitenansicht, teilweise im Querschnitt und teilweise vollständig, von einem weiteren Schritt beim Verbinden des elektronischen Bauteils von 6C, das mit den Spitzenstrukturen von 8B verbunden ist.
  • 7A–7C sind Querschnittsansichten von Schritten in einem Prozess zur Herstellung von freitragenden Spitzenstrukturen auf einem Opfersubstrat für Verbindungselemente gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 7D ist eine perspektivische Ansicht einer auf einem Opfersubstrat ausgebildeten, freitragenden Spitzenstruktur gemäß der Erfindung.
  • 7E ist eine perspektivische Ansicht einer Vielzahl von auf einem Opfersubstrat ausgebildeten, freitragenden Spitzenstrukturen gemäß der Erfindung.
  • 7F ist eine Seitenquerschnittsansicht eines weiteren Schritts in dem Prozess der 7A–7D, welche die freitragenden Spitzenstrukturen, die an erhabenen Verbindungselementen auf einer Oberfläche eines elektronischen Bauteils montiert sind, gemäß der Erfindung zeigt.
  • 7G–7H sind Seitenquerschnittsansichten eines weiteren Ausführungsbeispiels der Herstellung von freitragenden Spitzenstrukturen und von deren Montage an einem elektronischen Bauteil gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 8A ist eine Seitenansicht, teilweise im Querschnitt und teilweise in der Perspektive, von einem alternativen Ausführungsbeispiel zum Ausbilden von Verbindungselementen auf einem Opfersubstrat für die anschließende Montage an einem elektronischen Bauteil gemäß der Erfindung.
  • 8B und 8C sind Seitenquerschnittsansichten von weiteren Schritten bei dem Verfahren von 8A gemäß der Erfindung.
  • 9A und 9B sind Seitenquerschnittsansichten eines weiteren Verfahrens zum Montieren einer Vielzahl von langgestreckten Elementen an einem Opfersubstrat gemäß der Erfindung.
  • 9C ist eine Seitenquerschnittsansicht noch eines weiteren Verfahrens zum Montieren einer Vielzahl von langgestreckten Elementen an einem Opfersubstrat gemäß der Erfindung.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft die Herstellung von elektrischen Verbindungs- (Kontakt-) Elementen und insbesondere Kontaktelemente, die elastische (federnde) Kontaktelemente sind, die zum Bewerkstelligen von Druckverbindungen zwischen elektronischen Bauteilen geeignet sind.
  • Die folgenden Arten von Opfer-"Elementen" werden beschrieben: (a) Opfer-"Schichten"; und (b) Opfer-"Substrate" (oder -"Elemente").
  • Die folgenden Verwendungen von Opferelementen werden beschrieben:
    • • Verwendung von Opferelementen "an Ort und Stelle" während des Prozesses zur Herstellung von Verbindungselementen, die an elektronischen Bauteilen befestigt werden;
    • • Verwendung von Opferelementen zur Vorfertigung von Verbindungselementen für die anschließende Befestigung an elektronischen Bauteilen; und
    • • Verwendung von Opferelementen zur Vorfertigung von Spitzenstrukturen zur anschließenden Befestigung an Verbindungselementen.
  • Es sollte selbstverständlich sein, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die zusammengesetzten Verbindungselemente (elastischen Kontaktstrukturen), die in der (den) vorstehend erwähnten, im gemeinsamen Besitz stehenden US-Patentanmeldung(en) beschrieben sind, begrenzt ist, obwohl solche zusammengesetzten Verbindungselemente häufig in den Zeichnungen und Beschreibungen, die folgen, verwendet werden, um auf eine beispielhafte Weise die Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung darzustellen.
  • ZUSAMMENGESETZTE VERBINDUNGSELEMENTE
  • Die vorliegende Erfindung ist insbesondere nützlich für die Herstellung von zusammengesetzten Verbindungselementen, ist jedoch nicht darauf begrenzt. Auf die Offenbarung der vorstehend erwähnten WO 96/17378 ("HAUPTAKTE") wird Bezug genommen. Diese Patentanmeldung fasst verschiedene der darin offenbarten Verfahren zusammen.
  • Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein zusammengesetztes Verbindungselement durch Beginnen mit einem Kern (der an einem Anschluss eines elektronischen Bauteils montiert werden kann), dann Überziehen des Kerns mit einem geeigneten Material, um: (1) die mechanischen Eigenschaften des resultierenden "zusammengesetzten" Verbindungselements herzustellen; und/oder (2), wenn das Verbindungselement an einem Anschluss eines elektronischen Bauteils montiert wird, das Verbindungselement am Anschluss sicher zu verankern, ausgebildet werden. Auf diese Weise kann ein elastisches Verbindungselement (Federelement) ausgehend von einem Kern aus einem weichen Material, das sich leicht zu einer federtauglichen Form formen lässt und das sich leicht an selbst dem zerbrechlichsten von elektronischen Bauteilen befestigen lässt, hergestellt werden. Angesichts der Verfahren des Standes der Technik zum Ausbilden von Federelementen aus harten Materialien ist es nicht leicht ersichtlich und ist wohl gegenintuitiv, dass weiche Materialien die Basis von Federelementen bilden können. Ein solches "zusammengesetztes" Verbindungselement ist im Allgemeinen die bevorzugte Form einer elastischen Kontaktstruktur (Federelement) zur Verwendung bei den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
  • Die 1A, 1B, 1C und 1D stellen auf eine allgemeine Weise verschiedene Formen für zusammengesetzte Verbindungselemente als Ausführungsbeispiele teilweise für die vorliegende Erfindung dar.
  • Nachstehend werden im Großen und Ganzen zusammengesetzte Verbindungselemente, die Elastizität aufweisen, beschrieben. Es sollte jedoch selbstverständlich sein, dass nicht-elastische zusammengesetzte Verbindungselemente in den Schutzbereich der Erfindung fallen.
  • Ferner werden nachstehend im Großen und Ganzen zusammengesetzte Verbindungselemente, die einen weichen (leicht zu formenden und für das Befestigen durch freundliche Prozesse an elektronischen Bauteilen zugänglichen) Kern aufweisen, der mit harten (federnden) Materialien überzogen ist, beschrieben. Es liegt jedoch innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung, dass der Kern ein hartes Material sein kann, wobei der Überzug hauptsächlich zum sicheren Verankern des Verbindungselements an einem Anschluss eines elektronischen Bauteils dient.
  • In 1A umfasst ein elektrisches Verbindungselement 110 einen Kern 112 aus einem "weichen" Material (z.B. einem Material mit einer Dehngrenze von weniger als 276 MPa (40000 psi)) und einen Mantel (Überzug) 114 aus einem "harten" Material (z.B. einem Material mit einer Dehngrenze von mehr als 551 MPa (80000 psi)). Der Kern 112 ist ein langgestrecktes Element, das als im Wesentlichen gerader Auslegerarm geformt (gestaltet) ist, und kann ein Draht mit einem Durchmesser von 12,7–76 μm (0,0005–0,0030 Inch) (0,001 Inch = 1 mil ≈ 25 Mikrometer (μm)) sein. Der Mantel 114 wird über den bereits geformten Kern 112 durch einen beliebigen geeigneten Prozess, wie z.B. durch einen geeigneten Plattierungsprozess (z.B. durch elektrochemisches Plattieren), aufgebracht.
  • 1A stellt dar, was vielleicht die einfachste von Federformen für ein Verbindungselement der vorliegenden Erfindung ist – nämlich einen geraden Auslegerarm, der in einem Winkel zu einer Kraft "F" orientiert ist, die an seiner Spitze 110b aufgebracht wird. Wenn eine solche Kraft durch einen Anschluss eines elektronischen Bauteils aufgebracht wird, mit dem das Verbindungselement einen Druckkontakt herstellt, führt die Abwärts- (wie gesehen) Auslenkung der Spitze offensichtlich dazu, dass sich die Spitze in einer "Streif"-Bewegung über den Anschluss bewegt. Ein solcher Streifkontakt stellt sicher, dass ein zuverlässiger Kontakt zwischen dem Verbindungselement und dem kontaktierten Anschluss des elektronischen Bauteils hergestellt wird.
  • Durch seine "Härte" und durch Steuern seiner "Dicke" 6,35–127 μm (0,00025–0,00500 Inch) verleiht der Mantel 114 dem gesamten Verbindungselement 110 eine gewünschte Elastizität. Auf diese Weise kann eine elastische Verbindung zwischen elektronischen Bauteilen (nicht dargestellt) zwischen den zwei Enden 110a und 110b des Verbindungselements 110 bewerkstelligt werden. (In 1A gibt die Bezugsziffer 110a einen Endteil des Verbindungselements 110 an und das tatsächliche Ende entgegengesetzt zum Ende 110b ist nicht gezeigt.) Beim Kontaktieren eines Anschlusses eines elektronischen Bauteils würde das Verbindungselement 110 einer Kontaktkraft (Druck) ausgesetzt werden, wie durch den mit "F" bezeichneten Pfeil angegeben.
  • Es ist im Allgemeinen bevorzugt, dass die Dicke des Überzugs (ob eine einzelne Schicht oder ein mehrlagiger Überzug) dicker ist als der Durchmesser des überzogenen Drahts. In Anbetracht der Tatsache, dass die Gesamtdicke der resultierenden Kontaktstruktur die Summe der Dicke des Kerns plus zweimal der Dicke des Überzugs ist, zeigt sich ein Überzug mit derselben Dicke wie der Kern (z.B. 25,4 μm (1 mil)) insgesamt als mit zweimal der Dicke des Kerns.
  • Das Verbindungselement (z.B. 110) biegt sich als Reaktion auf eine aufgebrachte Kontaktkraft, wobei die Biegung (Elastizität) teilweise durch die Gesamtform des Verbindungselements, teilweise durch die dominante (größere) Dehngrenze des Überzugsmaterials (im Gegensatz zu jenem des Kerns) und teilweise durch die Dicke des Überzugsmaterials festgelegt ist.
  • Wie hierin verwendet, werden die Begriffe "Ausleger" und "Auslegerarm" verwendet, um anzugeben, dass eine langgestreckte Struktur (z.B. der überzogene Kern 112) an einem Ende montiert (befestigt) ist und das andere Ende sich frei bewegen kann, typischerweise als Reaktion auf eine Kraft, die im Allgemeinen quer zur Längsachse des langgestreckten Elements wirkt. Keine andere spezifische oder begrenzende Bedeutung soll durch die Verwendung dieser Begriffe übermittelt oder suggeriert werden.
  • In 1B umfasst ein elektrisches Verbindungselement 120 ebenso einen weichen Kern 122 (vergleiche 112) und einen harten Mantel 124 (vergleiche 114). In diesem Beispiel ist der Kern 122 so geformt, dass er zwei Biegungen aufweist, und kann folglich als S-förmig betrachtet werden. Wie in dem Beispiel von 1A kann auf diese Weise eine elastische Verbindung zwischen elektronischen Bauteilen (nicht dargestellt) zwischen den zwei Enden 120a und 120b des Verbindungselements 120 bewerkstelligt werden. (In 1B gibt die Bezugsziffer 120a einen Endteil des Verbindungselements 120 an und das tatsächliche Ende entgegengesetzt zum Ende 120b ist nicht gezeigt.) Beim Kontaktieren eines Anschlusses eines elektronischen Bauteils würde das Verbindungselement 120 einer Kontaktkraft (Druck) ausgesetzt werden, wie durch den mit "F" bezeichneten Pfeil angegeben.
  • In 1C umfasst ein elektrisches Verbindungselement 130 ebenso einen weichen Kern 132 (vergleiche 112) und einen harten Mantel 134 (vergleiche 114). In diesem Beispiel ist der Kern 132 so geformt, dass er eine Biegung aufweist, und kann als U-förmig betrachtet werden. Wie im Beispiel von 1A kann auf diese Weise eine elastische Verbindung zwischen elektronischen Bauteilen (nicht dargestellt) zwischen den zwei Enden 130a und 130b des Verbindungselements 130 bewirkt werden. (In 1C gibt die Bezugsziffer 130a einen Endteil des Verbindungselements 130 an und das tatsächliche Ende entgegengesetzt zum Ende 130b ist nicht gezeigt.) Beim Kontaktieren eines Anschlusses eines elektronischen Bauteils könnte das Verbindungselement 130 einer Kontaktkraft (Druck) ausgesetzt werden, wie durch den mit "F" bezeichneten Pfeil angegeben. Alternativ könnte das Verbindungselement 130 verwendet werden, um an einem anderen als seinem Ende 130b einen Kontakt herzustellen, wie durch den mit "F" bezeichneten Pfeil angegeben.
  • 1D stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines elastischen Verbindungselements 140 mit einem weichen Kern 142 und einem harten Mantel 144 dar. In diesem Beispiel ist das Verbindungselement 140 im Wesentlichen ein einfacher Ausleger (vergleiche 1A) mit einer gekrümmten Spitze 140b, die einer Kontaktkraft "F" ausgesetzt wird, die quer zu seiner Längsachse wirkt.
  • 1E stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines elastischen Verbindungselements 150 mit einem weichen Kern 152 und einem harten Mantel 154 dar. In diesem Beispiel ist das Verbindungselement 150 im Allgemeinen "C-förmig", vorzugsweise mit einer leicht gekrümmten Spitze 150b, und ist geeignet, um einen Druckkontakt herzustellen, wie durch den mit "F" bezeichneten Pfeil angegeben.
  • Es sollte selbstverständlich sein, dass der weiche Kern leicht zu einer beliebigen federtauglichen Form geformt werden kann – mit anderen Worten, einer Form, die bewirkt, dass sich ein resultierendes Verbindungselement als Reaktion auf eine an seiner Spitze aufgebrachte Kraft elastisch durchbiegt. Der Kern könnte beispielsweise zu einer herkömmlichen Spulenform ausgebildet werden. Eine Spulenform wäre jedoch aufgrund der Gesamtlänge des Verbindungselements und von Induktivitäten (und dergleichen), die damit verbunden sind, und der nachteiligen Wirkung derselben auf die mit hohen Frequenzen (Geschwindigkeiten) arbeitenden Schaltung nicht bevorzugt.
  • Das Material des Mantels oder zumindest einer Schicht eines mehrlagigen Mantels (nachstehend beschrieben) weist eine signifikant höhere Dehngrenze auf als das Material des Kerns. Daher überschattet der Mantel den Kern beim Festlegen der mechanischen Eigenschaften (z.B. Elastizität) der resultierenden Verbindungsstruktur. Die Verhältnisse der Mantel:Kern-Dehngrenzen sind vorzugsweise mindestens 2:1, einschließlich mindestens 3:1 und mindestens 5:1, und können nicht niedriger als 10:1 sein. Es ist auch ersichtlich, dass der Mantel oder zumindest eine äußere Schicht eines mehrlagigen Mantels elektrisch leitend sein sollte, vor allem in Fällen, in denen der Mantel das Ende des Kerns bedeckt. (Die Hauptakte beschreibt jedoch Ausführungsbeispiele, bei denen das Ende des Kerns freiliegt, in welchem Fall der Kern leitend sein muss.)
  • Unter einem rein theoretischen Gesichtspunkt ist es nur erforderlich, dass der federnde (federförmige) Teil des resultierenden zusammengesetzten Verbindungselements mit dem harten Material überzogen wird. Unter diesem Gesichtspunkt ist es im Allgemeinen nicht wesentlich, dass beide der zwei Enden des Kerns überzogen werden. Aus praktischen Gründen ist es jedoch bevorzugt, den gesamten Kern zu überziehen. Spezielle Gründe für das Überziehen eines Endes des Kerns, das an einem elektronischen Bauteil verankert (befestigt) ist, und Vorteile, die daraus erwachsen, werden nachstehend genauer erörtert.
  • Geeignete Materialien für den Kern (112, 122, 132, 142) umfassen, sind jedoch nicht begrenzt auf: Gold, Aluminium, Kupfer und ihre Legierungen. Diese Materialien werden typischerweise mit kleinen Mengen anderer Metalle legiert, um gewünschte physikalische Eigenschaften zu erhalten, wie z.B. mit Beryllium, Cadmium, Silizium, Magnesium und dergleichen. Es ist auch möglich, Silber, Palladium, Platin; Metalle oder Legierungen wie z.B. Metalle der Platingruppe der Elemente zu verwenden. Weichlot, das aus Blei, Zinn, Indium, Wismut, Cadmium, Antimon und ihren Legierungen besteht, kann verwendet werden.
  • In Anbetracht des Befestigens eines Endes des Kerns (Drahts) an einem Anschluss eines elektronischen Bauteils (nachstehend genauer erörtert), wäre im Allgemeinen ein Draht aus einem beliebigen Material (z.B. Gold), das dem Bonden (unter Verwendung von Temperatur, Druck und/oder Ultraschallenergie, um das Bonden zu bewirken) zugänglich ist, zur Ausführung der Erfindung geeignet. Es liegt innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung, dass ein beliebiges Material, das dem Überziehen (z.B. Plattieren) zugänglich ist, einschließlich eines nicht-metallischen Materials, für den Kern verwendet werden kann.
  • Geeignete Materialien für den Mantel (114, 124, 134, 144) umfassen (und, wie nachstehend erörtert wird, für die einzelnen Schichten eines mehrlagigen Mantels), sind jedoch nicht begrenzt auf: Nickel und seine Legierungen; Kupfer, Kobalt, Eisen und ihre Legierungen; Gold (insbesondere hartes Gold) und Silber, die beide ausgezeichnete Stromführungs- und gute Kontaktwiderstandseigenschaften aufweisen; Elemente der Platingruppe; Edelmetalle; Halbedelmetalle und ihre Legierungen, insbesondere Elemente der Platingruppe und ihre Legierungen; Wolfram und Molybdän. In Fällen, in denen eine weichlotartige Oberflächengüte erwünscht ist, können auch Zinn, Blei, Wismut, Indium und ihre Legierungen verwendet werden.
  • Das zum Aufbringen dieser Beschichtungsmaterialien über die vorstehend dargelegten verschiedenen Kernmaterialien ausgewählte Verfahren variiert natürlich von Anwendung zu Anwendung. Elektroplattieren und stromloses Plattieren sind im Allgemeinen bevorzugte Verfahren. Im Allgemeinen wäre es jedoch gegenintuitiv, über einen Goldkern zu plattieren. Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist es, wenn ein Nickelmantel über einen Goldkern plattiert wird (insbesondere stromloses Plattieren), erwünscht, zuerst eine dünne Kupferinitiierungsschicht über den Golddrahtschaft aufzubringen, um den Plattierungsbeginn zu erleichtern.
  • Ein beispielhaftes Verbindungselement, wie es z.B. in den 1A–1E dargestellt ist, kann einen Kerndurchmesser von ungefähr 0,001 Inch und eine Manteldicke von 0,001 Inch aufweisen – wobei das Verbindungselement folglich einen Gesamtdurchmesser von ungefähr 0,003 Inch (d.h. Kerndurchmesser plus zweimal die Manteldicke) aufweist. Im Allgemeinen liegt diese Dicke des Mantels in der Größenordnung von 0,2–5,0 (ein Fünftel bis fünf) mal der Dicke (z.B. Durchmesser) des Kerns.
  • Einige beispielhafte Parameter für zusammengesetzte Verbindungselemente sind:
    • (a) Ein Golddrahtkern mit einem Durchmesser von 38 μm (1,5 mils) wird so geformt, dass er eine Gesamthöhe von 1016 μm (40 mils) und eine im Allgemeinen C-förmige Krümmung (vergleiche 1E) mit einem Radius von 228 μm (9 mils) aufweist, wird mit 19 μm (0,75 mils) Nickel plattiert (Gesamtdurchmesser = 76 μm (1,5 + 2 × 0,75 = 3 mils)) und erhält wahlweise einen Endüberzug von 1270 μm (50 Mikroinch) Gold (z.B. um den Kontaktwiderstand zu senken und zu verbessern). Das resultierende zusammengesetzte Verbindungselement weist eine Federkonstante (k) von ungefähr 0,12–0,2 Gramm/μm (3–5 Gramm/mil) auf. Bei der Verwendung führen 76–127 μm (3–5 mils) Auslenkung zu einer Kontaktkraft von 9–25 Gramm. Dieses Beispiel ist im Zusammenhang mit einem Federelement für eine Zwischenschalteinrichtung nützlich.
    • (b) Ein Golddrahtkern mit einem Durchmesser von 1,0 mils wird so geformt, dass er eine Gesamthöhe von 35 mils aufweist, wird mit 1,25 mils Nickel plattiert (Gesamtdurchmesser = 89 μm (1,0 + 2 × 1,25 = 3,5 mils)), und erhält wahlweise einen Endüberzug von 50 Mikroinch Gold. Das resultierende zusammengesetzte Verbindungselement weist eine Federkonstante (k) von ungefähr 0,12 Gramm/μm (3 Gramm/mil) auf und ist im Zusammenhang mit einem Federelement für eine Sonde nützlich.
    • (c) Ein Golddrahtkern mit einem Durchmesser von 38 μm (1,5 mils) wird so geformt, dass er eine Gesamthöhe von 508 μm (20 mils) und eine im Allgemeinen S-förmige Krümmung mit Radien von ungefähr 127 μm (5 mils) aufweist, wird mit 19 μm (0,75 mils) Nickel oder Kupfer plattiert (Gesamtdurchmesser = 38 μm (1,5 + 2 × 0,75 = 3 mils)). Das resultierende zusammengesetzte Verbindungselement weist eine Federkonstante (k) von ungefähr 0,08–0,12 Gramm/μm (2–3 Gramm/mil) auf und ist im Zusammenhang mit einem Federelement zum Montieren an einem Halbleiterbauelement nützlich.
  • Das Kernelement muss keinen runden Querschnitt aufweisen, sondern kann vielmehr ein flacher Vorsprung ("Band") mit einem im Allgemeinen rechteckigen Querschnitt sein, der sich von einer Platte erstreckt. Es sollte selbstverständlich sein, dass, wie hierin verwendet, der Begriff "Vorsprung (tab)" nicht mit dem Begriff "TAB" (Automatikfilmbonden) verwechselt werden sollte. Andere nicht-kreisförmige Querschnitte, wie z.B. C-förmig, I-förmig, L-förmig und T-förmig, liegen innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung.
  • 2A stellt ein Ausführungsbeispiel 200 eines Verbindungselements 210 dar, das an einem elektronischen Bauteil 212 montiert ist, das mit einem Anschluss 214 versehen ist. In diesem Beispiel ist ein weicher (z.B. Gold) Drahtkern 216 an einem Ende 216a an den Anschluss 214 gebondet (an diesem befestigt), ist so gestaltet, dass er sich vom Anschluss erstreckt und eine Federform aufweist (vergleiche mit der Form, die in 1B gezeigt ist), und ist so abgetrennt, dass es ein freies Ende 216b aufweist. Das Bonden, Formen und Abtrennen eines Drahts auf diese Weise wird unter Verwendung einer Drahtbondanlage durchgeführt. Die Bondstelle am Ende 216a des Kerns bedeckt nur einen relativ kleinen Teil der freiliegenden Oberfläche des Anschlusses 214.
  • Ein Mantel (Überzug) ist über dem Drahtkern 216 angeordnet, der in diesem Beispiel als mehrlagig mit einer inneren Schicht 218 und einer äußeren Schicht 220 gezeigt ist, wobei beide der Schichten geeigneterweise durch Plattierungsprozesse aufgebracht werden können. Eine oder mehrere Schichten des mehrlagigen Mantels ist (sind) aus einem harten Material (wie z.B. Nickel und seinen Legierungen) ausgebildet, um dem Verbindungselement 210 eine gewünschte Elastizität zu verleihen. Die äußere Schicht 220 kann beispielsweise aus einem harten Material bestehen und die innere Schicht kann aus einem Material bestehen, das als Puffer oder Sperrschicht (oder als Aktivierungsschicht oder als Haftschicht) beim Plattieren des harten Materials 220 auf das Kernmaterial 216 wirkt. Alternativ kann die innere Schicht 218 das harte Material sein und die äußere Schicht 220 kann ein Material (wie z.B. weiches Gold) sein, das überlegene elektrische Eigenschaften aufweist, einschließlich elektrischer Leitfähigkeit und Lötfähigkeit. Wenn ein Kontakt vom Weichlot- oder Hartlottyp erwünscht ist, kann die äußere Schicht des Verbindungselements ein Blei-Zinn-Weichlot- bzw. Gold-Zinn-Hartlotmaterial sein.
  • 2A stellt auf eine allgemeine Weise ein weiteres Schlüsselmerkmal der Erfindung dar – nämlich, dass das elastische Verbindungselement sicher an einem Anschluss an einem elektronischen Bauteil verankert werden kann. Das befestigte Ende 210a des Verbindungselements wird einer signifikanten mechanischen Spannung infolge einer Druckkraft (Pfeil "F") ausgesetzt, die auf das freie Ende 210b des Verbindungselements aufgebracht wird.
  • Wie in 2A dargestellt, bedeckt der Überzug (218, 220) nicht nur den Kern 216, sondern auch die gesamte restliche (d.h. andere als die Bondstelle 216a) freiliegende Oberfläche des Anschlusses 214 benachbart zum Kern 216 auf eine kontinuierliche (ununterbrochene) Weise. Dies verankert das Verbindungselement 210 sicher und zuverlässig am Anschluss, wobei das Überzugsmaterial einen beträchtlichen (z.B. größer als 50%) Beitrag zur Verankerung des resultierenden Verbindungselements am Anschluss bereitstellt. Im Allgemeinen ist es nur erforderlich, dass das Überzugsmaterial zumindest einen Teil des Anschlusses benachbart zum Kern bedeckt. Es ist jedoch im Allgemeinen bevorzugt, dass das Überzugsmaterial die gesamte restliche Oberfläche des Anschlusses bedeckt. Vorzugsweise ist jede Schicht des Mantels metallisch.
  • Als generelle Behauptung ist die relativ kleine Fläche, an der der Kern am Anschluss befestigt (z.B. gebondet) ist, für die Aufnahme von Spannungen, die sich aus Kontaktkräften ("F") ergeben, die auf das resultierende zusammengesetzte Verbindungselement aufgebracht werden, nicht gut geeignet. Durch den Mantel, der die gesamte freiliegende Oberfläche des Anschlusses bedeckt (anders als in der relativ kleinen Fläche, die die Befestigung des Kernendes 216a am Anschluss umfasst), wird die gesamte Verbindungsstruktur fest am Anschluss verankert. Die Haftfestigkeit und die Fähigkeit des Überzugs, auf Kontaktkräfte zu reagieren, übersteigt jene des Kernendes (216a) selbst bei weitem.
  • Wie hierin verwendet, umfasst der Begriff "elektronisches Bauteil" (z.B. 212), ist jedoch nicht begrenzt auf: Verbindungs- und Zwischenschaltsubstrate; Halbleiterwafer und -chips, die aus einem beliebigen geeigneten halbleitenden Material wie z.B. Silizium (Si) oder Gallium-Arsenid (GaAs) bestehen; Fertigungsverbindungssockel; Testsockel; Opferglieder, -elemente und -substrate, wie in der Hauptakte beschrieben; Halbleitergehäuse, einschließlich Keramik- und Kunststoffgehäusen, und Chipträger; und Verbindungsstecker.
  • Das Verbindungselement der vorliegenden Erfindung ist besonders gut geeignet zur Verwendung als:
    • • Verbindungselemente, die direkt an Siliziumchips montiert werden, wobei der Bedarf dafür, dass ein Halbleitergehäuse vorhanden ist, beseitigt wird;
    • • Verbindungselemente, die sich als Sonden von Substraten (nachstehend genauer beschrieben) zum Prüfen von elektronischen Bauteilen wegerstrecken; und
    • • Verbindungselemente von Zwischenschalteinrichtungen (nachstehend genauer erörtert).
  • Das Verbindungselement der vorliegenden Erfindung ist insofern einzigartig, als es von den mechanischen Eigenschaften (z.B. hohe Dehngrenze) eines harten Materials profitiert, ohne dass es durch die zugehörige typischerweise schlechte Bondeigenschaft von harten Materialien Beschränkungen unterliegt. Wie in der Hauptakte ausgeführt, wird dies weitgehend durch die Tatsache möglich gemacht, dass der Mantel (Überzug) als "Überbau" über dem "Schalgerüst" des Kerns wirkt, zwei Begriffe, die aus der Umgebung des Bauwesens ausgeliehen sind. Dies stellt einen großen Unterschied zu plattierten Verbindungselementen des Standes der Technik dar, bei denen die Plattierung als Schutz- (z.B. Antikorrosions-) Beschichtung verwendet wird und im Allgemeinen außerstande ist, der Verbindungsstruktur die gewünschte mechanische Eigenschaft zu verleihen. Und dies steht sicherlich in deutlichem Gegensatz zu irgendwelchen nicht-metallischen Antikorrosionsbeschichtungen wie z.B. Benzotriazol (BTA), die auf elektronische Verbindungen aufgebracht werden.
  • Zu den zahlreichen Vorteilen der vorliegenden Erfindung gehört, dass eine Vielzahl von freistehenden Verbindungsstrukturen leicht auf Substraten von verschiedenen Ebenen derselben, wie z.B. einer PCB mit einem Entkopplungskondensator, mit einer gemeinsamen Höhe über dem Substrat ausgebildet werden, so dass ihre freien Enden miteinander koplanar sind. Außerdem werden sowohl die elektrischen als auch mechanischen (z.B. plastischen und elastischen) Eigenschaften eines Verbindungselements, das gemäß der Erfindung ausgebildet werden kann, leicht für spezielle Anwendungen zugeschnitten. Es kann beispielsweise bei einer gegebenen Anwendung erwünscht sein, dass die Verbindungselemente sowohl eine plastische als auch elastische Verformung aufweisen. (Die plastische Verformung kann erwünscht sein, um sich auf grobe Nicht-Planaritäten in Bauteilen, die durch die Verbindungselemente miteinander verbunden werden, einzustellen.) Wenn ein elastisches Verhalten erwünscht ist, ist es erforderlich, dass das Verbindungselement einen minimalen Grenzwert an Kontaktkraft erzeugt, um einen zuverlässigen Kontakt herzustellen. Es ist auch vorteilhaft, dass die Spitze des Verbindungselements einen Streifkontakt mit einem Anschluss eines elektronischen Bauteils aufgrund der gelegentlichen Anwesenheit von Verunreinigungsfilmen auf den Kontaktflächen herstellt.
  • Wie hierin verwendet, impliziert der auf Kontaktstrukturen angewendete Begriff "elastisch", Kontaktstrukturen (Verbindungselemente), die hauptsächlich elastisches Verhalten als Reaktion auf eine aufgebrachte Last (Kontaktkraft) aufzeigen, und der Begriff "nachgiebig" bedeutet Kontaktstrukturen (Verbindungselemente), die sowohl elastisches als auch plastisches Verhalten als Reaktion auf eine aufgebrachte Last (Kontaktkraft) aufzeigen. Wie hierin verwendet, ist eine "nachgiebige" Kontaktstruktur eine "elastische" Kontaktstruktur. Die zusammengesetzten Verbindungselemente der vorliegenden Erfindung sind ein Spezialfall von entweder nachgiebigen oder elastischen Kontaktstrukturen.
  • Eine Anzahl von Merkmalen sind in der HAUPTAKTE im einzelnen ausgeführt, einschließlich, jedoch nicht begrenzt auf: die Herstellung der Verbindungselemente auf Opfersubstraten; die simultane Überführung einer Vielzahl von Verbindungselementen zu einem elektronischen Bauteil; das Versehen der Verbindungselemente mit Kontaktspitzen, vorzugsweise mit einer rauen Oberflächengüte; die Verwendung der Verbindungselemente auf einem elektronischen Bauteil, um vorübergehende, dann dauerhafte Verbindungen mit dem elektronischen Bauteil herzustellen; die Anordnung der Verbindungselemente derart, dass sie einen anderen Abstand an ihren einen Enden als an ihren entgegengesetzten Enden aufweisen; die Herstellung von Federklemmen und Ausrichtungsstiften in denselben Prozessschritten wie die Herstellung der Verbindungselemente; die Verwendung der Verbindungselemente, um sich auf Unterschiede in der Wärmeausdehnung zwischen verbundenen Bauteilen einzustellen; die Beseitigung des Bedarfs für diskrete Halbleitergehäuse (wie z.B. für SIMMs); und das wahlweise Weichlöten von elastischen Verbindungselementen (elastischen Kontaktstrukturen).
  • 2B zeigt ein zusammengesetztes Verbindungselement 220 mit mehreren Schichten. Ein innerster Teil (inneres langgestrecktes leitendes Element) 222 des Verbindungselements 220 ist entweder ein unbeschichteter Kern oder ein Kern, der überzogen wurde, wie vorstehend beschrieben. Die Spitze 222b des innersten Teils 222 ist mit einem geeigneten Maskierungsmaterial (nicht dargestellt) maskiert. Eine dielektrische Schicht 224 ist über den innersten Teil 222 aufgebracht, wie z.B. durch einen elektrophoretischen Prozess. Eine äußere Schicht 226 aus einem leitenden Material ist über die dielektrische Schicht 224 aufgebracht.
  • Bei der Verwendung führt das elektrische Erden der äußeren Schicht 226 dazu, dass das Verbindungselement 220 eine gesteuerte Impedanz aufweist. Ein beispielhaftes Material für die dielektrische Schicht 224 ist ein Polymermaterial, das auf eine beliebige geeignete weise und mit einer beliebigen geeigneten Dicke (z.B. 2,5–75 μm (0,1–3,0 mils)) aufgebracht wird.
  • Die äußere Schicht 226 kann mehrlagig sein. In Fällen, in denen beispielsweise der innerste Teil 222 ein unbeschichteter Kern ist, ist mindestens eine Schicht der äußeren Schicht 226 ein Federmaterial, wenn es erwünscht ist, dass das gesamte Verbindungselement Elastizität aufweist.
  • 2C stellt ein Ausführungsbeispiel 230 dar, bei dem eine Vielzahl (sechs davon sind gezeigt) von Verbindungselementen 231...236 an einer Oberfläche eines elektronischen Bauteils 240 wie z.B. eines Nadelkarteneinsatzes (eine Unterbaugruppe, die auf eine herkömmliche Weise an einer Nadelkarte montiert wird) montiert sind. Die Anschlüsse und Leiterbahnen des Nadelkarteneinsatzes sind aus dieser Ansicht der Darstellungsklarheit halber weggelassen. Die befestigten Enden 231a...236a der Verbindungselemente 231...236 entspringen in einem ersten Rastermaß (Abstand) wie z.B. 0,127–0,254 cm (0,050–0,100 Inch). Die Verbindungselemente 231...236 sind so geformt und/oder orientiert, dass ihre freien Enden (Spitzen) in einem zweiten, feineren Rastermaß wie z.B. 0,013–0,025 cm (0,005–0,010 Inch) liegen. Eine Verbindungsanordnung, die Verbindungen von einem Rastermaß zu einem anderen Rastermaß herstellt, wird typischerweise als "Raumtransformator" bezeichnet.
  • Wie dargestellt, sind die Spitzen 231b...236b der Verbindungselemente in zwei parallelen Reihen angeordnet, wie z.B. zur Herstellung eines Kontakts mit (zum Prüfen und/oder Voraltern) einem Halbleiterbauelement mit zwei parallelen Reihen von Bondkontaktstellen (Kontaktpunkten). Die Verbindungselemente können so angeordnet werden, dass sie andere Spitzenmuster zur Herstellung eines Kontakts mit elektronischen Bauteilen mit anderen Kontaktpunktmustern, wie z.B. Matrizes, aufweisen.
  • Im Allgemeinen ist in den ganzen hierin offenbarten Ausführungsbeispielen, obwohl nur ein Verbindungselement gezeigt sein kann, die Erfindung auf die Herstellung einer Vielzahl von Verbindungskomponenten und die Anordnung der Vielzahl von Verbindungselementen in einer vorgeschriebenen räumlichen Beziehung zueinander, wie z.B. in einem Umfangsmuster oder in einem Muster einer rechteckigen Matrix, anwendbar.
  • VERFAHREN, DIE OPFERSUBSTRATE VERWENDEN
  • Die Montage von Verbindungselementen direkt an Anschlüssen von elektronischen Bauteilen wurde vorstehend erörtert. Im Allgemeinen können die Verbindungselemente der vorliegenden Erfindung auf einer beliebigen geeigneten Oberfläche eines beliebigen geeigneten Substrats, einschließlich Opfersubstraten, hergestellt oder an dieser montiert werden, dann entweder von diesem entfernt oder an Anschlüssen von elektronischen Bauteilen montiert werden.
  • Vor dem Beschreiben dieser Verfahren zur Herstellung von Verbindungselementen direkt auf Opfersubstraten folgt eine kurze Erörterung bezüglich der Verwendung von Opferschichten auf einem elektronischen Bauteil, um die Herstellung von zusammengesetzten Verbindungselementen zu unterstützen.
  • OPFERELEMENTE, DIE SCHICHTEN SIND
  • Wie in der vorstehend erwähnten, im gemeinsamen Besitz stehenden US-Patentanmeldung Nrn. 08/152 812 (nun USP 4 376 211) und WO 96/17378 beschrieben, können elastische Kontaktstrukturen durch Bonden eines Endes eines Drahts an einen Anschluss an einem elektronischen Bauteil und Bonden eines entgegengesetzten Endes des Drahts an ein Opferelement, das eine Schicht auf dem elektronischen Bauteil ist, ausgebildet werden. Siehe 6a–6c bzw. 8A–8C darin.
  • Die hierin dargestellten 3A–3D entsprechen den 8A–8D der vorstehend erwähnten WO 96/17378.
  • 3A verdeutlicht, dass ein Draht 302, dessen proximales Ende 302a an einen ersten Anschluss 312 auf einem Substrat 308 gebondet ist, zu einer U-förmigen Schleife ausgebildet werden kann und dass anstelle des Abtrennens des distalen Endes 302b des Drahts 302 das distale Ende 302b des Drahts an einen zweiten Anschluss 320 mit einer geeigneten Keilbondstelle oder dergleichen gebondet werden kann.
  • Der resultierende schleifenförmige Drahtschaft 330 wird, wie in 3B gezeigt, mit einer ein- oder mehrlagigen Beschichtung 340 überzogen, die den gesamten Drahtschaft 330 und die Anschlüsse 312, 320 umhüllt. Der zweite Anschluss 320 ist geeigneterweise auf einer Opferschicht angeordnet, die als elektrischer Kontaktpunkt für Elektroplattierungsprozesse dient (wenn solche Prozesse verwendet werden, um den Drahtschaft zu überziehen) und auch zur Bereitstellung einer anderen (höheren) z-Achsen-Koordinate für die zwei Enden des Drahtschafts 302a und 302b dient.
  • Wie in 3C dargestellt, kann nach dem Überziehen des Drahtschafts die Opferschicht 322 entfernt werden (wie z.B. durch selektives Ätzen), wobei ein Spalt 324 zwischen dem Ende 302b und der Oberfläche des Substrats 308 belassen wird. Das "Aufhängen" des Endes 302b ist besonders wichtig für die Ausbildung von Federkontakten mit gesteuerter Geometrie, die in der Lage sind, mit Kontaktanschlüssen an einem Bauteil oder einem Substrat zur Voralterung oder Prüfung (nachstehend genauer erörtert) eines elektronischen Bauteils (wie z.B. eines Halbleiterchips) oder zum Vorsehen einer demontierbaren elektrischen Verbindung mit einem elektronischen Bauteil elastisch in Eingriff zu kommen. Der Spalt 324 ermöglicht eine z-Achsen-Auslenkung (Bewegung) der Spitze 302b der resultierenden Kontaktstruktur, wenn eine Kraft auf diese aufgebracht wird.
  • Wie in 3C dargestellt, ist vorgesehen, dass die Kontaktstruktur 330 einen Kontakt vielmehr an einem Punkt entlang ihrer Länge als an ihrem distalen Ende (302b) herstellt. Dies ist durch den nach unten zeigenden Pfeil, der mit "C" bezeichnet ist, dargestellt.
  • 3D stellt dar, dass das unmittelbar vorstehend beschriebene Verfahren umgeordnet werden könnte, so dass die Opferschicht (322 von 3A) vor dem Überziehen des Drahtschafts (siehe z.B. 3B) entfernt werden könnte.
  • Vorzugsweise ist das resultierende Verbindungselement ein "zusammengesetztes Verbindungselement", wobei der Überzug, der eine mehrlagige Beschichtung sein kann, dem resultierenden Verbindungselement (der elastischen Kontaktstruktur) eine gewünschte Elastizität verleiht und die Elastizität desselben im Wesentlichen dominiert, wie in den vorstehend erwähnten, im gemeinsamen Besitz stehenden US-Patentanmeldungen beschrieben. Eine solche Verwendung eines Opferelements kann als Verwendung desselben "an Ort und Stelle" betrachtet werden.
  • VERLÄNGERUNG DES KERNELEMENTS (Z.B. DRAHTS) ÜBER DAS ELEKTRONISCHE BAUTEIL HINAUS
  • In dem vorstehend erwähnten Beispiel der Verwendung einer Opferschicht ist die resultierende elastische Kontaktstruktur (sozusagen) so eingeschränkt, dass sie sich vollständig auf dem elektronischen Bauteil befindet.
  • In dem Beispiel, das folgt, ist das Opferelement ein Opferelement (oder -substrat), das sich vom elektronischen Bauteil entfernt befindet, was zu einer elastischen Kontaktstruktur führt, die als Sondenelement nützlich ist, aber nicht darauf begrenzt ist.
  • Die 4A–4C, die hierin dargestellt werden, entsprechen den 9A–9C der vorstehend erwähnten US 6 336 269 (im gemeinsamen Besitz stehenden US-Patentanmeldung Nr. 08/452 255). Siehe auch 14–15 der vorstehend erwähnten US 5 917 707 (im gemeinsamen Besitz stehenden US-Patentanmeldung Nr. 08/340 144).
  • 4A stellt ein Ausführungsbeispiel 400 der Verwendung eines Opferelements 402 (in gestrichelten Linien gezeigt) in Verbindung mit der Ausbildung einer elastischen Kontaktstruktur 430 dar, die zur Verwendung als Sonde geeignet ist. In diesem Beispiel ist das Opferelement geeigneterweise aus Aluminium ausgebildet.
  • Eine Vielzahl (eine von vielen gezeigt) von Vertiefungen 404 werden wie z.B. durch Ätzen, Eingravieren, Stempeln, Stanzen, Versenken oder dergleichen in der oberen Oberfläche 402a des Opferelements 402 ausgebildet. In diesem Beispiel weist die untere (wie gesehen) Oberfläche der Vertiefung 404 eine unregelmäßige Topographie auf, wie z.B. in Form von umgekehrten Pyramiden, die in Spitzen enden.
  • Eine Spitzenstruktur kann dann in der Vertiefung folgendermaßen hergestellt werden. Eine dünne Schicht 406 aus einem leitenden Material wie z.B. Gold oder Rhodium (alternativ Zinn oder Weichlot, wie z.B., wenn Weichlotanschlüsse kontaktiert werden) wird in der Vertiefung auf eine beliebige bekannte Weise abgeschieden. Die Vertiefung 404 wird dann im Wesentlichen mit einem leitenden Material 408 wie z.B. Nickel auf eine beliebige bekannte Weise gefüllt. Eine Schicht 410 aus einem leitenden Material wie z.B. Gold wird dann über dem Füllmaterial 408 auf eine beliebige bekannte Weise abgeschieden. Diese Sandwichstruktur aus Gold (406), Nickel (408) und Gold (410) bildet eine geeignete Spitzenstruktur ("Kontaktstelle") für ein Sondenelement.
  • Ein Draht 412 wird an seinem proximalen Ende 412a an die Oberfläche der Schicht 410 gebondet und wird so gestaltet, dass er sich über eine Kante eines elektronischen Bauteils 420 erstreckt, an der der Draht abgetrennt wird und sein distales Ende 412b an einen Anschluss 422 am elektronischen Bauteil 420 gebondet wird. Folglich ist zu sehen, dass der Draht 412 von der Kante (über diese hinaus) des Bauteils 420 absteht.
  • Der Draht 412 wird dann mit mindestens einer Schicht aus einem leitenden Material 414 wie z.B. Nickel überzogen, die auch den Anschluss 422 am elektronischen Bauteil überzieht. Um sicherzustellen, dass der Überzug nur einen gewünschten Bereich auf dem Opferelement bedeckt, kann die gesamte Oberfläche des Opferelements mit Ausnahme der Vertiefungen (204) mit einem geeigneten Maskierungsmaterial wie z.B. mit Photoresist (nicht dargestellt) maskiert werden. (Dieses Maskierungsmaterial kann vom Ausbilden und Füllen der Vertiefungen zur Herstellung der Kontaktstellen "übrig gelassen" werden.)
  • Wie gezeigt ist, wird das Opferelement 402 in Bezug auf das elektronische Bauteil 420 durch ein geeignetes Abstandselement 416 (in gestrichelten Linien dargestellt), das einfach ein Photoresistmaterial sein kann, in einer vorbestimmten Lage gehalten.
  • Nach Fertigstellung werden das Abstandselement 416 und das Opferelement 402 entfernt, wobei elastische Kontaktstrukturen 430 verbleiben, die sich vom elektronischen Bauteil 420 erstrecken, von denen jede eine Kontaktstelle mit gesteuerter Geometrie an ihrem Ende aufweist. Die Spitzen der umgekehrten Pyramiden der Kontaktstelle sind beispielsweise im Zusammenhang mit der Sondenprüfung zum Bewirken einer zuverlässigen elektrischen Verbindung mit einem Anschluss (Kontaktstelle) eines anderen elektronischen Bauteils (nicht dargestellt) nützlich, dessen Sondenprüfung (z.B. zur Voralterung, zum Testen oder dergleichen) erwünscht ist. Wenn relativ geringe Gesamtkräfte beteiligt sind, durchdringen die Punkte (Spitzen) teilweise den Anschluss des geprüften elektronischen Bauteils. Im Allgemeinen wäre das elektronische Bauteil 420 in diesem Fall eine Testkarte (Leiterplatte) mit einer Vielzahl von Sondenelementen (430), die sich in einen Bereich erstrecken, in dem ein geprüftes elektronisches Bauteil eingeführt werden würde. Die Testkarte läge geeigneterweise in Form eines Rings vor, wobei sich die Sonden 430 von einer inneren Kante des Rings bis unterhalb den Ring erstrecken.
  • Es liegt innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung, dass die vorstehend beschriebene Folge von Ereignissen umgeordnet wird, so dass:
    • (a) der Draht 412 zuerst an den Anschluss 422 des elektronischen Bauteils 420 gebondet wird; und/oder
    • (b) der Draht 412 überzogen (414) wird, nachdem das Opferelement 402 entfernt ist.
  • 4B zeigt ein Ausführungsbeispiel 440 einer fertiggestellten Sonde 442, die zur Sonde 430 des vorherigen Ausführungsbeispiels 400 ähnlich ist, mit den folgenden Unterschieden. In diesem Fall ist das Ende der Sonde 442 (vergleiche 430) an eine Kontaktstelle 444 gebondet, die einen einzelnen vorstehenden Knoten 446 anstatt eine Vielzahl von Punkten aufweist, und das Ende 448 (vergleiche 412b) der Sonde 442 ist an das elektronische Bauteil 450 (vergleiche 420) gebondet.
  • Wie in 4C dargestellt, kann eine nützliche (z.B. bevorzugte) Kontaktspitze für ein Verbindungselement in (oder auf) einem Opferelement auf die folgende Weise auf einem dünnen Aluminium- (Folien) Opferelement 460 ausgebildet werden:
    • • Vorsehen einer vorübergehenden Unterlage 462, wie z.B. einer Kunststoffplatte, für die Folie, um die strukturelle Integrität der Folie zu erhöhen (diese wirkt auch als Plattierungsbarriere/-maske);
    • • Strukturieren der Fläche der Folie mit einer dünnen (ungefähr 76 μm (3 mil)) Schicht aus Photoresist 464 oder dergleichen, wobei Öffnungen an Stellen belassen werden, an denen es erwünscht ist, Kontaktspitzen auszubilden;
    • • Abscheiden (wie z.B. durch Plattieren) einer dünnen (ungefähr 100 μ") Schicht 466 aus hartem Gold auf der Folie innerhalb der Öffnungen im Photoresist;
    • • Abscheiden (wie z.B. durch Plattieren) einer sehr dünnen (ungefähr 0,13–0,25 μm (5–10 μ")) Schicht ("Decküberzug") aus Kupfer 468 auf der Schicht aus hartem Gold (es sollte selbstverständlich sein, dass ein solcher Kupferdecküberzug etwas wahlfrei ist und hauptsächlich vorgesehen wird, um das anschließende Plattieren der vorherigen Goldschicht 266 zu unterstützen);
    • • Abscheiden (wie z.B. durch Plattieren) einer dicken (ungefähr 50,8 μm (2 mil)) Schicht 470 aus Nickel auf dem Kupferdecküberzug; und
    • • Abscheiden (wie z.B. durch Plattieren) einer dünnen (ungefähr 2,54 μm (100 μ")) Schicht 472 aus weichem Gold auf dem Nickel.
  • Dies bildet eine Kontaktspitze aus 4 Schichten, an die leicht ein Golddraht (nicht dargestellt) gebondet wird (an die weiche Goldschicht), welche eine harte Goldoberfläche (466) zum Kontaktieren von elektronischen Bauteilen, eine Nickelschicht (470), die Festigkeit bereitstellt, und eine weiche Goldschicht (472), an die leicht gebondet werden kann, aufweist. Wie vorstehend beschrieben, wird nach dem Bonden des Drahts an das Opferelement (460) der Draht plattiert (z.B. mit Nickel) und das Opferelement wird entfernt (oder umgekehrt).
  • Es liegt innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung, dass ein Opfersubstrat für den Zweck des elektrischen Kurzschließens (Verbindens) von freien Enden von langgestreckten Verbindungselementen, die an elektronischen Bauteilen montiert sind, verwendet werden kann, um das Elektroplattieren und dergleichen zu erleichtern. Die Aufmerksamkeit wird beispielsweise auf die 16A–16C der HAUPTAKTE US 6 336 269 (USSN 08/452 255) gerichtet.
  • Es liegt auch innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung, dass ein Opfersubstrat für den Zweck der Herstellung eines "Wegepunkts" an einem Mittelabschnitt eines langgestreckten Verbindungselements verwendet werden kann und dass eine vorgefertigte Spitzenstruktur am Mittelabschnitt des langgestreckten Verbindungselements montiert werden kann, wie beispielsweise in den 20A–20B der HAUPTAKTE US 6 336 269 (USSN 08/452 255) dargestellt ist.
  • VORFERTIGUNG VON VERBINDUNGSELEMENTEN AUF OPFERELEMENTEN
  • Die Herstellung von Verbindungselementen mit einem Ende, das an einem elektronischen Bauteil montiert wird, wurde vorstehend erörtert.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung können die Verbindungselemente vollständig auf einem Opferelement (Substrat) vor der Montage der Verbindungselemente an einem elektronischen Bauteil oder in einer Stecksockelkonfiguration oder dergleichen vorgefertigt werden.
  • Die 5A–5E hierin sind zu den 11A–11F der vorstehend erwähnten US 6 336 269 (US-Patentanmeldung Nr. 08/452 255) ähnlich und sind zu den 2D–2H der vorstehend erwähnten US 5 974 662 (US-Patentanmeldung Nr. 08/554 902) ähnlich und stellen die Herstellung einer Vielzahl von Verbindungselementen (wie z.B., jedoch nicht begrenzt auf elastische Kontaktstrukturen) als separate und unterschiedliche Strukturen für die anschließenden Montage an elektronischen Bauteilen dar. 5F hierin ist zu den 12A–12C der vorstehend erwähnten US 6 336 269 (US-Patentanmeldung Nr. 08/452 255) ähnlich, die darstellt, dass die Vielzahl von Verbindungselementen, die an einem Opfersubstrat (Träger) montiert sind, anschließend gemeinsam zu einem elektronischen Bauteil überführt werden können.
  • Die 5A–5D stellen ein Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von Verbindungselementen auf einem Opfersubstrat dar. In diesem Beispiel wird ein Opfersubstrat wahlweise zuerst mit einer Vielzahl von Spitzenstrukturen vorbereitet.
  • 5A stellt einen ersten Schritt des Verfahrens 550 dar, bei dem eine strukturierte Schicht aus Maskierungsmaterial 552 auf eine Oberfläche eines Opfersubstrats 554 aufgebracht wird. Das Opfersubstrat 554 kann beispielsweise aus einer dünnen (25,4–254 μm (1–10 mil)) Kupfer- oder Aluminiumfolie bestehen und das Maskierungsmaterial 552 kann ein üblicher Photoresist sein. Die Maskierungsschicht 552 wird so strukturiert, dass sie eine Vielzahl (drei von vielen gezeigt) von Öffnungen an Stellen 556a, 556b, 556c aufweist, an denen es erwünscht ist, Verbindungselemente herzustellen. Die Stellen 556a, 556b und 556c sind in dieser Hinsicht zu den Anschlüssen eines elektronischen Bauteils vergleichbar. Die Stellen 556a, 556b und 556c werden vorzugsweise in dieser Stufe so behandelt, dass sie eine raue oder strukturierte Oberflächentextur aufweisen. Wie gezeigt, kann dies mechanisch mit einem Prägewerkzeug 557 durchgeführt werden, das Vertiefungen in der Folie 554 an den Stellen 556a, 556b und 556c ausbildet. Alternativ kann die Oberfläche der Folie an diesen Stellen chemisch geätzt werden, so dass sie eine Oberflächentextur aufweist. Ein beliebiges Verfahren, das zum Bewerkstelligen dieses allgemeinen Zwecks geeignet ist, liegt innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung, beispielsweise Sandstrahlen, Hämmern, Stanzen, Prägen und dergleichen.
  • Als nächstes wird eine Vielzahl (eine von vielen gezeigt) von leitenden Spitzenstrukturen 558 an jeder Stelle (z.B. 556b) ausgebildet, wie durch 5B dargestellt. Dies kann unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Verfahrens wie z.B. Elektroplattieren durchgeführt werden und kann Spitzenstrukturen mit mehreren Materialschichten umfassen. Die Spitzenstruktur 558 kann beispielsweise eine dünne (z.B. 0,25–2,54 μm (10–100 Mikroinch)) Sperrschicht aus Nickel aufweisen, die auf das Opfersubstrat aufgebracht wird, gefolgt von einer dünnen (z.B. 0,25 μm (10 Mikroinch)) Schicht aus weichem Gold, gefolgt von einer dünnen (z.B. 0,5 μm (20 Mikroinch)) Schicht aus hartem Gold, gefolgt von einer relativ dicken (z.B. 5 μm (200 Mikroinch)) Schicht aus Nickel, gefolgt von einer letzten dünnen (z.B. 2,54 μm (100 Mikroinch)) Schicht aus weichem Gold. Im Allgemeinen wird die erste dünne Sperrschicht aus Nickel vorgesehen, um die anschließende Goldschicht davor zu schützen, dass sie mit dem Material (z.B. Aluminium, Kupfer) des Substrats 554 "vergiftet" wird, die relativ dicke Schicht aus Nickel soll Festigkeit für die Spitzenstruktur vorsehen, und die letzte dünne Schicht aus weichem Gold stellt eine Oberfläche bereit, an die leicht gebondet werden kann. Die Erfindung ist nicht auf irgendwelche Besonderheiten dessen, wie die Spitzenstrukturen auf dem Opfersubstrat ausgebildet werden, begrenzt, da diese Besonderheiten unvermeidlich von Anwendung zu Anwendung variieren würden.
  • Wie durch 5B dargestellt, kann eine Vielzahl (eines von vielen gezeigt) von Kernelementen 560 für zusammengesetzte Verbindungselemente an den Spitzenstrukturen 558 ausgebildet werden, wie z.B. durch ein beliebiges der Verfahren zum Bonden eines weichen Drahtkerns an einen Anschluss eines elektronischen Bauteils, die in den vorstehend erwähnten, im gemeinsamen Besitz stehenden US-Patentanmeldungen beschrieben sind. Die Kernelemente 560 werden dann mit einem vorzugsweise harten Material 562 auf die vorstehend beschriebene Weise überzogen und das Maskierungsmaterial 552 wird dann entfernt, was zu einer Vielzahl (drei von vielen gezeigt) von freistehenden Verbindungselementen 564 führt, die an einer Oberfläche des Opfersubstrats montiert sind, wie durch 5C dargestellt.
  • Ob das Verbindungselement nun ein zusammengesetztes Verbindungselement oder ein monolithisches Verbindungselement sein soll oder nicht, es ist bevorzugt, einen Überzug 562 vorzusehen, der die Kernelemente 560 fest an ihren jeweiligen Spitzenstrukturen 558 verankert und, falls erwünscht, den resultierenden Verbindungselementen 564 elastische Eigenschaften verleiht. Wie in der vorstehend erwähnten, im gemeinsamen Besitz stehenden US 6 336 269 (US-Patentanmeldung Nr. 08/452 255) angemerkt, kann die Vielzahl von Verbindungselementen, die am Opfersubstrat montiert sind, simultan zu Anschlüssen eines elektronischen Bauteils überführt werden. Alternativ können zwei weit auseinanderlaufende Wege beschritten werden.
  • Wie durch 5D dargestellt, kann das Opfersubstrat 554 einfach durch einen beliebigen geeigneten Prozess wie z.B. selektives chemisches Ätzen entfernt werden. Da die meisten selektiven chemischen Ätzprozesse ein Material mit einer viel größeren Rate als ein anderes Material ätzen und das andere Material in dem Prozess leicht geätzt werden kann, wird dieses Phänomen vorteilhafterweise verwendet, um die dünne Sperrschicht aus Nickel in der Spitzenstruktur gleichzeitig mit der Entfernung des Opfersubstrats zu entfernen. Wenn es jedoch erforderlich ist, kann die dünne Nickelsperrschicht in einem anschließenden Ätzschritt entfernt werden. Dies führt zu einer Vielzahl (drei von vielen gezeigt) von einzelnen, diskreten, vereinzelten Verbindungselementen 564, wie durch die gestrichelte Linie 566 angegeben, die später (wie z.B. durch Weichlöten oder Hartlöten) an Anschlüssen an elektronischen Bauteilen montiert werden können.
  • Es ist zu erwähnen, dass das Überzugsmaterial auch in dem Prozess des Entfernes des Opfersubstrats und/oder der dünnen Sperrschicht geringfügig verdünnt werden kann. Es ist jedoch bevorzugt, dass dies nicht geschieht.
  • Um das Verdünnen des Überzugs zu verhindern, ist es bevorzugt, dass eine dünne Schicht aus Gold oder beispielsweise ungefähr 10 Mikroinch aus weichem Gold, das über ungefähr 20 Mikroinch von hartem Gold aufgebracht wird, als Endschicht über das Überzugsmaterial 562 aufgebracht wird. Eine solche äußere Schicht aus Gold ist hauptsächlich wegen ihrer überlegenen Leitfähigkeit, ihres Kontaktwiderstandes und ihrer Lötfähigkeit vorgesehen und ist im Allgemeinen für die meisten Ätzlösungen, die zur Verwendung in Erwägung gezogen werden, um die dünne Sperrschicht und das Opfersubstrat zu entfernen, sehr undurchlässig.
  • Alternativ, wie durch 5E dargestellt, kann die Vielzahl (drei von vielen gezeigt) von Verbindungselementen 564 vor der Entfernung des Opfersubstrats 554 in einer gewünschten räumlichen Beziehung zueinander durch eine beliebige geeignete Trägerstruktur 566, wie z.B. durch eine dünne Platte mit einer Vielzahl von Löchern darin, "fixiert" werden, woraufhin das Opfersubstrat entfernt wird. Die Trägerstruktur 566 kann aus einem dielektrischen Material oder aus einem leitenden Material, das mit einem dielektrischen Material überzogen ist, bestehen. Weitere Verarbeitungsschritte (nicht dargestellt) wie z.B. die Montage der Vielzahl von Verbindungselementen an einem elektronischen Bauteil wie z.B. einem Siliziumwafer oder einer Leiterplatte können dann vor sich gehen. Außerdem kann es in einigen Anwendungen erwünscht sein, die Spitzen (entgegengesetzt zu den Spitzenstrukturen) der Verbindungselemente 564 davor zu stabilisieren, dass sie sich bewegen, insbesondere wenn Kontaktkräfte auf diese aufgebracht werden. Dazu kann es auch erwünscht sein, die Bewegung der Spitzen der Verbindungselemente mit einer geeigneten Platte 568 mit einer Vielzahl von Löchern wie z.B. ein Netz, das aus einem dielektrischen Material besteht, einzuschränken.
  • Ein klarer Vorteil des vorstehend beschriebenen Verfahrens 550 besteht darin, dass die Spitzenstrukturen (558) aus theoretisch einem beliebigen gewünschten Material und mit theoretisch einer beliebigen gewünschten Textur ausgebildet werden können. Wie vorstehend erwähnt, ist Gold ein Beispiel eines Edelmetalls, das ausgezeichnete elektrische Eigenschaften von elektrischer Leitfähigkeit, niedrigem Kontaktwiderstand, Lötfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit aufweist. Da Gold auch kaltverformbar ist, eignet es sich äußerst gut als Endüberzug, der über einem beliebigen der hierin beschriebenen Verbindungselemente aufgebracht werden kann, insbesondere die hierin beschriebenen elastischen Verbindungselemente. Andere Edelmetalle weisen ähnliche erwünschte Eigenschaften auf. Bestimmte Materialien wie z.B. Rhodium, die solche ausgezeichneten elektrischen Eigenschaften aufweisen, wären jedoch im Allgemeinen für das Überziehen eines ganzen Verbindungselements ungeeignet. Rhodium ist beispielsweise besonders spröde und würde nicht gut als Endüberzug auf einem elastischen Verbindungselement wirken. In dieser Hinsicht beseitigen Verfahren, die durch das Verfahren 550 veranschaulicht sind, leicht diese Begrenzung. Die erste Schicht einer mehrlagigen Spitzenstruktur (siehe 558) kann beispielsweise Rhodium (anstatt Gold, wie vorstehend beschrieben) sein, wodurch seine überlegenen elektrischen Eigenschaften zur Herstellung eines Kontakts mit elektronischen Bauteilen genutzt werden, ohne irgendeine Auswirkung auf das mechanische Verhalten des resultierenden Verbindungselements zu haben.
  • 5F stellt die simultane Überführung einer Vielzahl von Verbindungselementen 564, die auf einem Opfersubstrat 554 vorgefertigt wurden, zu Anschlüssen 576 an einem elektronischen Bauteil 574 dar. Die Spitzen (oberen Enden, wie gesehen) der Verbindungselemente werden geeigneterweise (wahlweise) mit einem Verbindungsmaterial 578 an die Anschlüsse 576 des elektronischen Bauteils 574 weichgelötet oder hartgelötet.
  • 5G stellt dar, dass eine Vielzahl (eines von vielen gezeigt) von freistehenden Verbindungselementen 582 (vergleiche 562), die sich von einem Opfersubstrat 584 (vergleiche 554) erstrecken, durch eine entsprechende Vielzahl (eines von vielen gezeigt) von Löchern 586 in einem Substrat 588 wie z.B. durch Weichlöten (siehe 5H) oder mit einem Elastomer (nicht dargestellt) montiert werden können, so dass das Substrat 588 eine Vielzahl von Verbindungselementen aufweist, die in diesem abgestützt sind und sich von entgegengesetzten Oberflächen desselben erstrecken. Ein Abstandselement 585 wie z.B. Photoresist stellt einen vorgeschriebenen Abstand zwischen dem Opfersubstrat 584 und dem Substrat 588 her. 5I stellt das Endprodukt dar, sobald das Opfersubstrat 584 entfernt ist. Ein solches Substrat 588 kann als Zwischenschalteinrichtung zwischen zwei (oder mehr) elektronischen Bauteilen verwendet werden, um Anschlüsse von einem der elektronischen Bauteile mit einem anderen der elektronischen Bauteile zu verbinden. Die 5G–5I entsprechen den 22D–22F der HAUPTAKTE (08/452 255), in der ohne weiteres eine zusätzliche Erörterung von Zwischenschalteinrichtungen zu finden ist.
  • Es liegt innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung, dass ein Siliziumwafer als Opfersubstrat verwendet werden kann, auf dem Spitzenstrukturen hergestellt werden, und dass so hergestellte Spitzenstrukturen mit Verbindungselementen verbunden (z.B. weichgelötet, hartgelötet) werden können, die vorher an einem elektronischen Bauteil montiert wurden. Eine weitere Erörterung dieser Verfahren ist in den nachstehenden 6A–6E zu finden.
  • VORFERTIGUNG VON SPITZENSTRUKTUREN AUF OPFERELEMENTEN
  • Im vorangehenden Beispiel werden Verbindungselemente auf einem Opfersubstrat vorzugsweise an Stellen hergestellt, die vorher mit Spitzenstrukturen vorbereitet wurden.
  • In dem Beispiel, das folgt, ist das Opferelement ein Opferelement (oder -substrat), das verwendet wird, um Spitzenstrukturen für die anschließende Befestigung an existierenden Verbindungselementen vorzufertigen.
  • Die hierin dargestellten 4A–4E entsprechen im Allgemeinen den 8A–8E der vorstehend erwähnten, im gemeinsamen Besitz stehenden US 5 974 662 (US-Patentanmeldung Nr. 08/554 902).
  • 6A stellt ein Verfahren 600 zur Herstellung von Spitzenstrukturen auf einem Opfersubstrat zur anschließenden Befestigung an Spitzen von Verbindungselementen, die sich von einer Oberfläche eines elektronischen Bauteils erstrecken, dar und ist für die vorstehend erwähnten zusammengesetzten Verbindungselemente besonders nützlich. In diesem Beispiel wird ein Siliziumsubstrat (Wafer) 602 mit einer oberen (wie gesehen) Oberfläche als Opfersubstrat verwendet. Eine Schicht 604 aus Titan wird (z.B. durch Sputtern) auf der oberen Oberfläche des Siliziumsubstrats 602 abgeschieden und weist eine Dicke von ungefähr 250 Å auf (1 Å = 0,1 nm = 10–10 m). Eine Schicht 606 aus Aluminium wird (z.B. durch Sputtern) auf der Titanschicht 604 abgeschieden und weist eine Dicke von ungefähr 1000 nm (10000 Å) auf. Die Titanschicht 604 ist wahlfrei und dient als Haftschicht für die Aluminiumschicht 606. Eine Schicht 608 aus Kupfer wird (z.B. durch Sputtern) auf der Aluminiumschicht 606 abgeschieden und weist eine Dicke von ungefähr 500 nm (5000 Å) auf. Eine Schicht 610 aus Maskierungsmaterial (z.B. Photoresist) wird auf der Kupferschicht 608 abgeschieden und weist eine Dicke von ungefähr 2 mils auf. Die Maskierungsschicht 610 wird auf eine beliebige geeignete Weise verarbeitet, so dass sie eine Vielzahl (drei von vielen gezeigt) von Löchern 612 aufweist, die sich durch die Photoresistschicht 610 zur darunterliegenden Kupferschicht 608 erstrecken. Jedes Loch 612 kann beispielsweise einen Durchmesser von 6 mils aufweisen und die Löcher 612 können in einem Rastermaß (Mitte zu Mitte) von 10 mils angeordnet sein. Das Opfersubstrat 602 wurde auf diese Weise zur Herstellung einer Vielzahl von mehrlagigen Kontaktspitzen innerhalb der Löcher 612 wie folgt vorbereitet:
    Eine Schicht 614 aus Nickel wird wie z.B. durch Plattieren auf der Kupferschicht 608 abgeschieden und weist eine Dicke von ungefähr 25,4–38 μm (1,0–1,5 mils) auf. Wahlweise kann eine dünne Schicht (nicht dargestellt) aus einem Edelmetall wie z.B. Rhodium vor dem Abscheiden des Nickels auf der Kupferschicht abgeschieden werden. Als nächstes wird eine Schicht 616 aus Gold wie z.B. durch Plattieren auf dem Nickel 614 abgeschieden. Die mehrlagige Struktur aus Nickel und Aluminium (und wahlweise Rhodium) dient als hergestellte Spitzenstruktur (620, wie in 6B gezeigt).
  • Als nächstes wird, wie in 6B dargestellt, der Photoresist 610 abgelöst (unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Lösungsmittels), wobei eine Vielzahl von hergestellten Spitzenstrukturen 620 belassen wird, die auf der Kupferschicht 608 sitzen. Als nächstes wird das Kupfer (608) einem schnellen Ätzprozess unterzogen, wodurch die Aluminiumschicht 606 freigelegt wird. wie ersichtlich ist, ist Aluminium in anschließenden Schritten nützlich, da es im Wesentlichen in Bezug auf Weichlöt- und Hartlötmaterialien nicht benetzbar ist.
  • Es ist zu erwähnen, dass es bevorzugt ist, den Photoresist mit zusätzlichen Löchern zu strukturieren, in denen "Ersatz"-Spitzenstrukturen 622 in denselben Prozessschritten, die zur Herstellung der Spitzenstrukturen 620 verwendet werden, hergestellt werden können. Diese Ersatzspitzenstrukturen 622 dienen zur Vereinheitlichung der vorstehend erwähnten Plattierungsschritte auf eine Weise, die gut bekannt ist und gut verstanden wird, durch Verringern von abrupten Gradienten (Ungleichmäßigkeiten), die sich über der plattierten Oberfläche zeigen. Solche Strukturen (622) sind auf dem Gebiet der Plattierung als "Räuber" bekannt.
  • Als nächstes wird Weichlöt- oder Hartlötpaste ("Verbindungsmaterial") 624 auf den oberen (wie gesehen) Oberflächen der Spitzenstrukturen 620 abgeschieden. (Es besteht kein Bedarf, die Paste auf den Oberseiten der Ersatzspitzenstrukturen 622 abzuscheiden). Dies wird auf eine beliebige geeignete Weise wie z.B. mit einem Sieb oder einer Schablone aus rostfreiem Stahl ausgeführt. Eine typische Paste (Verbindungsmaterial) 624 würde eine Gold-Zinn-Legierung (in einer Flussmatrix) enthalten, die beispielsweise Kugeln (Kügelchen) mit 25,4 μm (1 mil) aufweist.
  • Die Spitzenstrukturen 620 sind nun bereit, um an Enden (Spitzen) von Verbindungselementen, beispielsweise der zusammengesetzten Verbindungselemente der vorliegenden Erfindung, montiert (z.B. hartgelötet) zu werden. Es ist jedoch bevorzugt, dass die Verbindungselemente zuerst speziell "vorbereitet" werden, um die Spitzenstrukturen 620 aufzunehmen.
  • 6C stellt ein Verfahren 650 zur Vorbereitung eines elektronischen Bauteils 630 mit einer Vielzahl (zwei von vielen gezeigt) von Verbindungselementen 632 in Erwartung darauf, dass Spitzenstrukturen (620) an den Enden der Verbindungselemente 632 montiert werden, dar.
  • In diesem Beispiel ist das elektronische Bauteil 630 mit einer Vielzahl (zwei von vielen gezeigt) von säulenartigen "Abstands"-Strukturen 634 versehen, die sich von seiner oberen (wie gesehen) Oberfläche erstrecken, die, wie ersichtlich ist, als Polier-"Anschläge" fungieren. Es ist nicht erforderlich, eine große Anzahl dieser Polieranschläge zu haben, und sie werden leicht mit und aus demselben Material wie das Substrat (z.B. Keramik) ausgebildet.
  • Das elektronische Bauteil 630 wird dann mit einem geeigneten Gießmaterial 636 wie z.B. wärmeschmelzbarem, lösungslöslichen Polymer "begossen", das zum Abstützen der zusammengesetzten Verbindungselemente 632, die sich von der oberen Oberfläche des Raumtransformatorsubstrats erstrecken, dient. Die obere (wie gesehen) Oberfläche des überformten Substrats wird dann einem Poliervorgang wie z.B. mit einem Polierrad 638 unterzogen, das nach unten (wie gesehen) auf die obere Oberfläche des Gießmaterials gedrückt wird. Die vorstehend erwähnten Polieranschläge 634 bestimmen die Endposition des Polierrades, wie durch die mit "P" bezeichnete gestrichelte Linie angegeben. Auf diese Weise werden die Spitzen (oberen Enden, wie gesehen) der Verbindungselemente 632 so poliert, dass sie im Wesentlichen perfekt miteinander koplanar sind.
  • Nachdem die Spitzen der Verbindungselemente planarisiert wurden, wird das Gießmaterial 636 mit einem geeigneten Lösungsmittel entfernt. (Die Polieranschläge 634 können zu diesem Zeitpunkt entfernt werden.) Gießmaterialien sind ebenso wie ihre Lösungsmittel gut bekannt. Es liegt innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung, dass Gießmaterialien wie z.B. Wachs, die einfach weggeschmolzen werden können, verwendet werden können, um die Verbindungselemente (632) zum Polieren abzustützen. Das elektronische Bauteil wurde auf diese Weise vorbereitet, um die vorstehend erwähnten Spitzenstrukturen (620) aufzunehmen, die auf dem Opfersubstrat (602) vorgefertigt wurden.
  • Das in 6B gezeigte vorbereitete Substrat wird nun auf dem vorbereiteten elektronischen Bauteil zur Anlage gebracht. Wie in 6D gezeigt, werden die Spitzenstrukturen 620 (der Erläuterungsklarheit halber sind nur zwei Spitzenstrukturen in der Ansicht von 6D gezeigt) auf die Spitzen der Verbindungselemente 632 unter Verwendung von Standard-Flip-Chip-Verfahren (z.B. Zerlegungsprisma) ausgerichtet und die Baugruppe wird durch einen Hartlötofen geleitet, um das Verbindungsmaterial 624 aufzuschmelzen, wodurch die vorgefertigten Spitzenstrukturen 620 mit den Enden der Verbindungselemente 632 verbunden (z.B. hartgelötet) werden.
  • Es liegt innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung, dass dieses Verfahren verwendet werden kann, um vorgefertigte Spitzenstrukturen mit Enden von nicht-elastischen Verbindungselementen, elastischen Verbindungselementen, zusammengesetzten Verbindungselementen und dergleichen zu verbinden (z.B. hartzulöten).
  • Während des Aufschmelzprozesses verhindert die freiliegende Aluminiumschicht (606), die nicht benetzbar ist, dass Weichlot (d.h. Hartlot) zwischen die Spitzenstrukturen 620 fließt, d.h. verhindert, dass sich Weichlotbrücken zwischen benachbarten Spitzenstrukturen bilden. Zusätzlich zu dieser Antibenetzungsfunktion der Aluminiumschicht dient die Aluminiumschicht auch als Löseschicht. Unter Verwendung eines geeigneten Ätzmittels wird das Aluminium bevorzugt (gegenüber den anderen Materialien der Baugruppe) weggeätzt und das Siliziumsubstrat 602 "springt" einfach ab, was zu einem elektronischen Bauteil mit Verbindungselementen führt, die jeweils eine vorgefertigte Spitzenstruktur aufweisen, wie in 6E dargestellt. (Man beachte, dass das Verbindungsmaterial 624 als "Ausrundungen" 625 an Endteilen der Verbindungselemente 632 aufgeschmolzen ist.) In einem Endschritt des Prozesses wird das restliche Kupfer (608) weggeätzt, wobei die Spitzenstruktur 620 mit Nickel (oder Rhodium, wie vorstehend erörtert) belassen wird, die freiliegt, um Druckverbindungen mit anderen elektronischen Bauteilen herzustellen.
  • Es liegt innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung, dass die Hartlöt- (Weichlöt-) Paste 624 weggelassen wird und statt dessen eine Schicht aus eutektischem Material (z.B. Gold-Zinn) auf die elastischen Verbindungselemente vor dem Montieren der Kontaktspitzen (620) an diesen plattiert wird.
  • Indem mit Spitzen von Verbindungselementen begonnen wird, die planarisiert wurden, sind die Spitzenstrukturen, die an den Verbindungselementen befestigt werden, auch im Wesentlichen zueinander koplanar. Dies lockert Einschränkungen bei der Ausbildung von Verbindungselementen, die anfänglich (vor der Planarisierung) im Wesentlichen zueinander koplanar sind.
  • Zusätzliche Ausführungsbeispiele
  • Vorstehend wurde beschrieben, wie Opfersubstrate verwendet werden können, um:
    • (a) Verbindungselemente (wie z.B., jedoch nicht begrenzt auf zusammengesetzte Verbindungselemente) zur anschließenden Montage an elektronischen Bauteilen (wie z.B. Substraten, Halbleiterchips usw.) herzustellen;
    • (b) Spitzenstrukturen vorzufertigen, an denen Verbindungselemente für die anschließende Montage an elektronischen Bauteilen hergestellt werden können;
    • (c) Spitzenstrukturen zur anschließenden Befestigung an Spitzen von langgestreckten Verbindungselementen (wie z.B., jedoch nicht begrenzt auf zusammengesetzte Verbindungselemente), die bereits an elektronischen Bauteilen montiert sind, vorzufertigen.
  • In Bezug auf die Herstellung von Verbindungselementen ermöglicht dies, dass die Verbindungselemente hergestellt und geprüft werden, bevor sie am elektronischen Bauteil montiert werden, und vermeidet, dass kostspielige elektronische Bauteile nutzlos gemacht werden, indem ein fehlerhaftes von vielen Verbindungselementen an diesen montiert wird.
  • In Bezug auf die Vorfertigung von Spitzenstrukturen für die freien Enden der Verbindungselemente ermöglicht dies, dass Spitzenstrukturen mit Texturen (z.B. Oberflächenrauhigkeit und -form), die spezifisch an die Anschlussmetallurgie des (der) elektronischen Bauteils (Bauteile) angepasst sind, das (die) letztlich durch die Spitzen der Verbindungselemente kontaktiert wird (werden), die Druckverbindungen, die mit diesem (diesen) hergestellt werden, optimieren.
  • Es sollte natürlich verständlich sein, dass Spitzenstrukturen, die auf Opfersubstraten hergestellt werden, an einem beliebigen Verbindungselement, einschließlich monolithischer Federelemente (wie z.B. Wolframnadeln von herkömmlichen Nadelkarten) und Kontakthöckern (z.B. von Membransonden), montiert (z.B. hartgelötet oder weichgelötet) werden können. Dies ermöglicht, dass Verbindungselemente mit Spitzenstrukturen versehen werden, die:
    • (a) eine Oberflächentextur zum Verbessern von Druckverbindungen aufweisen;
    • (b) eine beliebige geeignete Metallurgie aufweisen können, einschließlich vollständig von jener des Verbindungselements verschieden; und
    • (c) leicht mit lithographischen (d.h. äußerst genauen) Toleranzen hergestellt werden, insbesondere in Bezug auf den Abstand zwischen Spitzenstrukturen.
  • Mit Bezug auf entweder freistehende Verbindungselemente, die direkt an elektronischen Bauteilen hergestellt werden oder auf Opfersubstraten vorgefertigt, dann zu elektronischen Bauteilen überführt (z.B. wie z.B. durch Weichlöten oder Hartlöten montiert) werden, kann die Koplanarität der Spitzen der freistehenden Verbindungselemente (einschließlich vor der Montage diskreter vorgefertigter Spitzenstrukturen an den Spitzen (freien Enden) der Verbindungselemente) durch Steuern der Genauigkeit des Herstellungsprozesses und/oder durch Polieren der Spitzen der Verbindungselemente sichergestellt werden (siehe z.B. 6C).
  • Die 7A–7F stellen ein Verfahren 700 zur Herstellung von Spitzenstrukturen, die Ausleger (plattierte Auslegerarme) sind, und zur Montage derselben an Anschlüssen von elektronischen Bauteilen dar und die 7G–7H stellen ein alternatives Verfahren 750 dar, das solche Auslegerspitzenstrukturen verwendet. Diese Verfahren eignen sich besonders gut, um letztlich freistehende Verbindungselemente an elektronischen Bauteilen wie z.B. Halbleiterbauelementen, Raumtransformatorsubstraten von Nadelkartenanordnungen und dergleichen zu montieren.
  • 7A stellt ein Opfersubstrat 702 wie z.B. einen Siliziumwafer dar, in dessen Oberfläche eine Vielzahl (einer von vielen gezeigt) von Gräben 704 geätzt wird. Die Gräben 704 stellen eine beliebige Oberflächentextur-"Schablone" für die Spitzenstrukturen dar, die auf dem Opfersubstrat 702 ausgebildet werden. Das Layout (Abstand und Anordnung) der Gräben 704 kann von dem Bondkontaktstellenlayout eines Halbleiterchips (nicht dargestellt) abgeleitet werden (dieses kopieren), der letztlich (bei der Verwendung) durch freistehende Verbindungselemente kontaktiert (z.B. sondengeprüft) werden soll, an denen die Spitzenstrukturen 704 letztlich befestigt werden. Die Gräben 704 können beispielsweise in einer Zeile, einer einzelnen Reihe, die Mitte des Opfersubstrats hinab, angeordnet werden. Viele Speicherchips werden beispielsweise mit einer zentralen Zeile von Bondkontaktstellen hergestellt.
  • 7B verdeutlicht, dass eine harte "Feld"-Schicht 706 auf der Oberfläche des Opfersubstrats 702, einschließlich in den Gräben 704, abgeschieden wurde. Eine weitere Schicht 708, wie z.B. aus einem plattierbaren Material, kann wahlweise über der Feldschicht 706 abgeschieden werden, wenn die Feldschicht aus einem Material besteht, das für die Plattierung nicht zugänglich ist, wie z.B. Wolfram-Silizid, Wolfram oder Diamant. (Wenn, wie aus der nachstehenden Erörterung ersichtlich ist, die Schicht 706 schwierig zu entfernen ist, kann sie durch selektive Abscheidung (z.B. Strukturieren durch eine Maske hindurch) aufgebracht werden, um eine solche Entfernung zu vermeiden.)
  • In einem nächsten Schritt, der durch 7C dargestellt ist, wird ein Maskierungsmaterial 710 wie z.B. Photoresist aufgebracht, um eine Vielzahl von Öffnungen für die Herstellung von plattierten Auslegerspitzenstrukturen festzulegen. Die Öffnungen in der Maskierungsschicht 710 erstrecken sich bis über die Gräben 704. Als nächstes wird eine relativ dicke (z.B. 25,4–76 μm (1–3 mils)) Schicht 712 aus einem Federlegierungsmaterial (wie z.B. Nickel und seine Legierungen) wahlweise (wie z.B. durch Plattieren) abgeschieden, über welcher eine Schicht 714 aus einem Material abgeschieden wird, das für Hartlöten oder Weichlöten zugänglich ist, falls an die Federlegierung nicht leicht zu bonden, weichzulöten oder hartzulöten ist. Die Federlegierungsschicht 712 wird durch ein beliebiges geeignetes Mittel wie z.B. Plattieren, Sputtern oder CVD abgeschieden.
  • Wie durch die 7D und 7E dargestellt, wird als nächstes das Maskierungsmaterial 710 zusammen mit demjenigen Teil der Schichten (706 und 708), der unter dem Maskierungsmaterial 710 liegt, abgelöst (entfernt), was zu einer Vielzahl (eine von vielen gezeigt) von Auslegerspitzenstrukturen 720 führt, die auf dem Opfersubstrat 702 hergestellt wurden. Jede Auslegerspitzenstruktur 720 weist einen inneren Endteil 722 (direkt über einem entsprechenden der Gräben 704), einen äußeren Endteil 724 und einen Zwischenteil 726 zwischen dem inneren und dem äußeren Endteil 722 und 724, der diese verbindet, auf.
  • Wie in 7E am besten zu sehen ist, können die Auslegerspitzenstrukturen 720 versetzt sein, so dass, obwohl ihre inneren Endteile 722 alle in einer Reihe (entsprechend z.B. einer zentralen Reihe von Bondkontaktstellen an einem Halbleiterbauelement) ausgerichtet sind, ihre äußeren Endteile 724 zueinander entgegengesetzt liegen. Auf diese Weise wird leicht bewerkstelligt, dass der Abstand zwischen den äußeren Endteilen 724 in einem größeren Rastermaß (Abstand) liegt als die inneren Endteile 722.
  • Ein weiteres Merkmal der Auslegerspitzenstruktur 704 der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der Zwischenteil 726 verjüngt sein kann, wie am besten in 7E zu sehen, von am schmälsten am inneren Endteil 722 zu am breitesten am äußeren Endteil 724. Dieses Merkmal, wie zu sehen ist, stellt ein kontrollierbares, bestimmtes Ausmaß an Auslenkung des inneren Endteils 722 bereit, wenn der äußere Endteil 724 starr an einem Anschluss eines elektronischen Bauteils wie z.B. eines Raumtransformators einer Nadelkartenanordnung montiert ist.
  • 7F stellt die Montage der Auslegerspitzenstrukturen 720, die gemäß dem Verfahren 700 der 7A–7E hergestellt werden, an erhabenen Verbindungselementen 730 dar, die sich von entsprechenden Anschlüssen (einer von vielen gezeigt) 732 eines elektronischen Bauteils 734 erstrecken (z.B. freistehend).
  • Die erhabenen Verbindungselemente 730 können beliebige freistehende Verbindungselemente sein, einschließlich, jedoch nicht begrenzt auf zusammengesetzte Verbindungselemente und insbesondere einschließlich Kontakthöckern von Sondenmembranen (in welchem Fall das elektronische Bauteil 734 eine Sondenmembran wäre) und Wolframnadeln von herkömmlichen Nadelkarten.
  • Die vorgefertigten Auslegerspitzenstrukturen 720 werden durch ihre äußeren Endteile 724 an den Spitzen (Oberseite, wie gezeigt) der Verbindungselemente 730 auf eine beliebige geeignete Weise wie z.B. Hartlöten oder Weichlöten montiert. Hier sieht ein weiterer Vorteil, dass die äußeren Endteile der breiteste Teil der Auslegerspitzenstruktur 720 sind, eine große Oberfläche zum Durchführen von solchen Weichlöt- oder Hartlötvorgängen vor, was durch die Kegelstruktur 736 gezeigt ist.
  • Die 7G und 7H stellen ein weiteres Verfahren 750 zum Verwenden von Auslegerspitzenstrukturen dar, wobei die Auslegerspitzenstrukturen mit ihren eigenen erhabenen Kontakten (Verbindungselementen) versehen werden, bevor sie an Anschlüssen eines elektronischen Bauteils montiert werden. Dieses Verfahren beginnt mit denselben Schritten zum Ausbilden von Gräben 704 in einer Oberfläche eines Opfersubstrats 702, zum Aufbringen einer Feldschicht 706, zum Aufbringen einer wahlweisen Hartlötschicht 708 und zum Aufbringen eines Maskierungsmaterials 710 mit Öffnungen, die die Stellen und Formen der resultierenden Auslegerspitzenstrukturen festlegen. Vergleiche die vorstehenden 7A–7C.
  • In einem nächsten Schritt, wie durch 7G dargestellt, wird ein freistehendes Verbindungselement 752 am äußeren Endteil (vergleiche 724) der unausgeformten Auslegerspitzenstruktur 770 (vergleiche 720) montiert. Dann wird eine Schicht aus hartem (federndem) Material 754 (vergleiche 712) über der unausgeformten Auslegerspitzenstruktur abgeschieden (und wahlweise eine weitere Schicht wie z.B. 714, die hartlötbar ist, siehe vorstehend). Die Maskierungsschicht 710 wird abgelöst und die Vielzahl (eine von vielen gezeigt) von Auslegerspitzenstrukturen 770 kann an Anschlüssen 782 (vergleiche 732) eines elektronischen Bauteils 784 (vergleiche 734) durch Weichlöten oder Hartlöten der Spitzen der freistehenden Verbindungselemente 752 an Anschlüssen 782 montiert werden, wie durch den Weichlotkegel 786 (vergleiche 736) dargestellt ist.
  • In diesen Beispielen sind die Verbindungselemente 720 und 770 als zusammengesetzte Verbindungselemente mit Federformen dargestellt, aber es sollte natürlich verständlich sein, dass die Erfindung ausdrücklich nicht darauf begrenzt ist.
  • In beiden Fällen (700, 750) ist das Ergebnis, dass ein elektronisches Bauteil (734, 784) mit einer Vielzahl von freistehenden Verbindungselementen (730, 752) versehen wird, die sich von dessen Anschlüssen erstrecken, wobei die Spitzen (freien Enden) der freistehenden Verbindungselemente 720 mit Spitzenstrukturen versehen sind, deren innere Endteile (722):
    • (a) am Ende von "Auslegern" angeordnet sind; und
    • (b) leicht mit einer Oberflächentextur versehen werden können, die während des Prozesses der Herstellung der Spitzenstrukturen auf dem Opfersubstrat 702 verliehen (festgelegt) wird.
  • Aus den vorangehenden Beschreibungen ist ersichtlich, dass die Verbindungselemente (730, 752 (d.h. 752, überzogen mit 754)) nicht elastisch sein müssen, wobei die Fähigkeit der Auslegerspitzenstrukturen (720, 770), sich als Reaktion auf die Herstellung einer Druckverbindung mit einem anderen elektronischen Bauteil (nicht dargestellt) zu biegen, dadurch bereitgestellt wird, dass die Spitzenstrukturen 704 am Ende von Auslegerarmen angeordnet sind. Vorzugsweise sind die freistehenden Verbindungselemente 720 viel steifer als die Auslegerarme, so dass die Kontaktkraft, die sich aus einer Druckverbindung ergibt, gut festgelegt und gesteuert werden kann.
  • Ein deutliches Merkmal dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die Ausleger (720 und 770) verjüngt sind, was ermöglicht, dass eine Biegung der Auslegerarme gut gesteuert und an oder nahe den inneren Enden der Spitzenstrukturen lokalisiert werden kann.
  • Überdies bietet die Fähigkeit, die äußeren Enden (724) der Spitzenstrukturen in einem größeren Maßstab herzustellen als die inneren Enden (722) der Spitzenstrukturen, die Gelegenheit, die langgestreckten (erhabenen) Verbindungselemente (730, 752) fest an den äußeren Enden der Auslegerspitzenstrukturen zu verankern.
  • Bei einer beliebigen Auslegerarmanordnung ist es bevorzugt, dass ein Ende des Auslegers "fest" und das andere Ende "beweglich" ist. Auf diese Weise werden Biegemomente leicht berechnet. Daher ist es ersichtlich, dass die langgestreckten Verbindungselemente (730, 752) vorzugsweise so starr wie möglich sind. (Im Fall, dass die Verbindungselemente (730) Kontakthöcker auf einer Membransonde sind, wird die Elastizität durch die Membran (734) an sich bereitgestellt.) Es ist jedoch nicht völlig unpassend, dass die langgestreckten Verbindungselemente als zusammengesetzte Verbindungselemente implementiert werden, die zur Gesamtbiegung der Spitzenstrukturen als Reaktion darauf, dass Druckverbindungen mit den (durch die) Spitzenstrukturen hergestellt werden, beitragen.
  • In den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen zum Ausbilden von freistehenden Verbindungselementen (entweder allein oder an vorgefertigten Spitzenstrukturen) auf Opfersubstraten war die Erörterung im Allgemeinen auf das Bonden eines Endes des Verbindungselements (oder im Fall eines zusammengesetzten Verbindungselements Bonden eines langgestreckten Kerns) an ein Opfersubstrat gerichtet. Es liegt innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung, dass andere Instrumentalitäten (Verfahren) als Bonden verwendet werden können.
  • Die 8A–8C stellen ein alternatives Ausführungsbeispiel 800 zur Herstellung von freistehenden Verbindungselementen auf einem Opfersubstrat zur anschließenden Montage an elektronischen Bauteilen dar.
  • 8A stellt ein langgestrecktes Element 802 dar, das durch eine Kapillarröhre 804 einer Drahtbondmaschine (nicht dargestellt) zugeführt wird. Das langgestreckte Element 802 ist geeigneterweise ein Draht mit einem Durchmesser, kann jedoch einen nicht-kreisförmigen Querschnitt (z.B. rechteckig) aufweisen und eine Dicke aufweisen. In jedem Fall weist das Ende des langgestreckten Elements 802 einen Bereich 806 mit vergrößertem Querschnitt (z.B. Durchmesser) auf. Im Fall eines langgestreckten Drahtelements wird der Bereich 806 mit vergrößertem Querschnitt leicht als Kügelchen (Kugel) durch herkömmliche Zündverfahren (z.B. Erzeugen eines Funkens am Ende des Drahts mit einer Elektrode) ausgebildet. Ein Funke ist eine elektrische Entladung.
  • Das Ende 806 des langgestreckten Elements 802 wird durch eine schlüssellochförmige Öffnung 808 in einem Opfersubstrat 810 eingesetzt. Die Öffnung 808 weist einen Teil 812 auf, der ausreichend groß (und geeignet geformt) ist, um zu ermöglichen, dass das kolbenförmige Ende 806 des langgestreckten Elements 802 frei hindurchtreten kann, wie am besten in 8B zu sehen ist. Die Öffnung 808 weist einen weiteren Teil 814 auf, der so bemessen und geformt ist, dass verhindert wird, dass das kolbenförmige Ende 806 des langgestreckten Elements 802 hindurchtritt, und ist geeignet bemessen und geformt, so dass er einen geringfügigen Abstand zum langgestreckten Element 802 aufweist. (Wenn das langgestreckte Element 802 eine ausreichende Festigkeit aufweist, ist es annehmbar, dass ein geringfügiger Presssitz zwischen dem Element 802 und dem Teil 814 vorliegt. In welchem Fall das kolbenförmige Ende (806) nicht erforderlich sein kann.) Wenn das langgestreckte Element 802 in den Teil 814 bewegt wird (was typischerweise die Bewegung des Opfersubstrats relativ zum langgestreckten Element beinhalten würde), wie am besten in 8C zu sehen ist, wird es auf diese Weise zumindest schwach darin festgehalten (d.h. in einer vorbestimmten Position durch das Schlüsselloch im Opfersubstrat abgestützt). In einem nächsten Schritt wird das langgestreckte Element 802 (beispielsweise unter Verwendung einer Elektrode oder eines mechanischen Schermittels) abgetrennt, so dass es ein freistehendes Element ist und ein freies Ende 816 aufweist.
  • Vor dem Abtrennen kann das Element 802 nach oben (wie gesehen) gezogen werden, um das kolbenförmige Ende 806 im Schlüssellochteil 814 zu "verriegeln".
  • Auf diese Weise können eine Vielzahl von freistehenden Verbindungselementen (oder Kernen für zusammengesetzte Verbindungselemente) in einer vorgeschriebenen räumlichen Beziehung zueinander auf einem Opfersubstrat mit einer entsprechenden Vielzahl von Schlüssellöchern montiert werden. Die Verbindungselemente werden leicht überzogen (z.B. plattiert), so dass sie zusammengesetzte Verbindungselemente sind, während sie sich auf dem Opfersubstrat befinden. Spitzenstrukturen, wie sie z.B. vorstehend beschrieben wurden, werden leicht an den Enden (816) der freistehenden Verbindungselemente befestigt.
  • Die 9A und 9B stellen noch ein weiteres Verfahren 900 dar, das eine Alternative zum Bonden des Endes des langgestreckten Elements 902 an ein Substrat 904 (z.B. ein Opfersubstrat) ist. In diesem Fall wird ein relativ starres langgestrecktes Element 902, wie es z.B. für ein monolithisches Verbindungselement nützlich sein kann, durch einen Mechanismus 906 wie z.B. die Kapillarröhre eines Drahtbonders (nicht dargestellt) in und wahlweise durch (wie in 9B gezeigt) ein Substrat 904 hindurch eingesetzt, veranlasst, dass es freistehend ist, und abgetrennt.
  • 9C stellt noch ein weiteres Verfahren 950 dar, das eine Alternative zum Bonden des Endes des langgestreckten Elements an ein Substrat (z.B. ein Opfersubstrat) ist. In diesem Fall wird ein relativ starres langgestrecktes Element 952 (vergleiche 902), wie es z.B. für ein monolithisches Verbindungselement nützlich sein kann, durch einen Mechanismus 956 (vergleiche 906) wie z.B. die Kapillarröhre eines Drahtbonders (nicht dargestellt) in eine weiche Masse 958 auf oder in einer Oberfläche eines Substrats 954 (vergleiche 904) eingesetzt, veranlasst, dass es freistehend ist, und abgetrennt.
  • Aus den vorstehend dargelegten Beschreibungen sind die Vorteile der Herstellung von Verbindungselementen und/oder Spitzenstrukturen für dieselben ersichtlich, von denen nicht die geringsten darin bestehen, dass Spitzenstrukturen mit einem eng gesteuerten Abstand lithographisch festgelegt werden können, mit einer "eingebauten" Oberflächentextur (Topographie), mit theoretisch einer beliebigen gewünschten Metallisierung, und auf die Enden von beliebigen langgestreckten Verbindungselementen (einschließlich Wolframsondennadeln) oder Membranhöckerkontakten oder dergleichen aufgebracht werden können.

Claims (29)

  1. Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Verbindungselements (720, 730; 720, 752), aufweisend: Herstellen einer leitenden Verbindungskomponente (730, 752) mit einem Verbindungsbereich, Herstellen einer leitenden Auslegerstruktur (720) auf einem Opfersubstrat (702), wobei die Auslegerstruktur (720) durch Bereitstellen einer Maskierungsschicht (710) auf dem Opfersubstrat (702), Ausbilden einer Öffnung in der Maskierungsschicht und Abscheiden eines Federmaterials (712) in der Öffnung ausgebildet wird; Anbringen der Auslegerstruktur (720) am Verbindungsbereich der Verbindungskomponente (730, 752); und Lösen der Auslegerstruktur (720) vom Opfersubstrat (702) durch Entfernen des Opfersubstrats, wobei die Auslegerstruktur eine Auslegeranordnung in Bezug auf die Verbindungskomponente bildet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungskomponente (730, 752) langgestreckt ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungskomponente (752, 754) aus zwei oder mehr Elementen ausgebildet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungskomponente (730) ein monolithisches Verbindungselement ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungskomponente ein Kontakthöcker einer Membransonde ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Opfersubstrats (702) schablonenförmig ist, um eine texturierte Kontaktfläche auf der Auslegerstruktur (720) vorzusehen, wenn die Auslegerstruktur hergestellt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslegerstruktur (720) an die Verbindungskomponente (730, 752) hartgelötet oder weichgelötet (736) wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Auslegerstrukturen (720) lithographisch auf dem Opfersubstrat (702) festgelegt werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: die Auslegerstruktur (720) von einem Ende (724) zu einem entgegengesetzten Ende (722) derselben verjüngt ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: die Verbindungskomponente (730) ein Element auf einem zweiten Substrat (734) ist.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Verbindungskomponente auf einem elektronischen Bauteil befindet.
  12. Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Verbindungselements, aufweisend: Herstellen einer leitenden Auslegerstruktur (770) auf einem Opfersubstrat (702), wobei die Auslegerstruktur (720) durch Bereitstellen einer Maskierungsschicht (710) auf dem Opfersubstrat (702), Ausbilden einer Öffnung in der Maskierungsschicht und Abscheiden eines Federmaterials (712) in der Öffnung ausgebildet wird; Herstellen einer leitenden Verbindungskomponente (752) an der Auslegerstruktur (770), während sich die Auslegerstruktur auf dem Opfersubstrat (702) befindet, wobei die Verbindungskomponente (752) ein freistehendes Element ist; Anbringen der Spitze der Verbindungskomponente (752) an einem Anschluss eines elektronischen Bauteils (784); und Lösen der Auslegerstruktur (770) vom Opfersubstrat (702) durch Entfernen des Opfersubstrats.
  13. Verfahren nach Anspruch 1 oder 12, wobei das Opfersubstrat (702) ein Metallblech aufweist.
  14. Verfahren nach Anspruch 1 oder 12, wobei das Opfersubstrat (702) einen Siliziumwafer aufweist.
  15. Verfahren nach Anspruch 1 oder 12, wobei die Auslegerstruktur ausgebildet wird durch: Vorsehen des Opfersubstrats, Aufbringen eines Lösematerials auf eine erste Seite des Opfersubstrats, wobei das Lösematerial für eine destruktive Entfernung geeignet ist, Aufbringen der Maskierungsschicht auf die erste Seite des Opfersubstrats und Maskieren des Lösematerials, Strukturieren der Maskierungsschicht zum Freilegen eines ausgewählten Teils durch die Maskierungsschicht hindurch, und Abscheiden eines mehrlagigen Kontaktmaterials im ausgewählten Teil zum Ausbilden der Auslegerstruktur.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, welches ferner das Lösen der Auslegerstruktur durch Entfernen des Lösematerials aufweist.
  17. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Opfersubstrat Silizium ist.
  18. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Lösematerial Aluminium ist.
  19. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Lösematerial durch Ätzen entfernt wird.
  20. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Lösematerial die erste Oberfläche des Opfersubstrats bedeckt.
  21. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Maskierungsmaterial Photoresist ist.
  22. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das mehrlagige Kontaktmaterial Nickel aufweist.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei das mehrlagige Federkontaktmaterial zusätzlich Rhodium aufweist.
  24. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das mehrlagige Kontaktmaterial durch Elektroplattieren abgeschieden wird.
  25. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Federmaterial mit einer Dicke im Bereich von etwa 25 μm bis etwa 75 μm abgeschieden wird.
  26. Verfahren nach Anspruch 15, welches ferner das Aufbringen einer ersten Cu-Schicht auf die erste Seite des Opfersubstrats, welche das Lösematerial bedeckt, aufweist.
  27. Verfahren nach Anspruch 26, welches ferner das Aufbringen des Maskierungsmaterials zum Maskieren der ersten Cu-Schicht aufweist.
  28. Verfahren nach Anspruch 27, welches ferner das Strukturieren des Maskierungsmaterials derart aufweist, dass der ausgewählte Teil einen Teil der ersten Cu-Schicht freilegt.
  29. Verfahren nach Anspruch 15, welches ferner das Aufbringen einer Au-Schicht auf die erste Seite des Opfersubstrats zum Bedecken des mehrlagigen Kontaktmaterials aufweist.
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