用于批量制造弹簧元件的方法和系统.pdf

描述了一种用来三维地批量形成弹簧元件的片材的系统。包含二维限定的弹簧元件的弹簧元件片材被布置在两个配合的模压板之间。力施加到配合的模压板以将二维弹簧接触元件成形为三维。替代地，可配置模具压板用于选择性地将二维弹簧元件片材成形为三维弹簧接触件。

1.  一种用来批量成形三维弹簧元件的系统，包括：
包括二维弹簧元件的双侧平面弹簧元件片材；
具有布置在该弹簧元件片材的第一侧上的凹部的凹形模压板；和
具有三维突起的凸形模压板，该三维突起被布置用来接合该弹簧元件片材的与该第二侧相对的第一侧，当该凸形模压板和凹形模压板压在该弹簧元件片材上时，该三维突起接触该二维弹簧元件并将该二维弹簧元件成形为三维弹簧元件。

2.  根据权利要求1所述的系统，三维突起形成在弹簧元件片材中，精整的弹簧元件从弹簧元件片材的第一侧延伸开。

3.  根据权利要求1所述的系统，三维突起形成在弹簧元件片材中，精整的弹簧元件从弹簧元件片材的第二侧延伸开。

4.  根据权利要求1所述的系统，还包括对准系统，该对准系统包括位于凹形模压板上的至少一个定位销以及凸形模压板和弹簧元件片材中的至少一个对准孔。

5.  根据权利要求1所述的系统，还包括对准系统，该对准系统包括位于凸形模压板上的至少一个定位销以及凹形模压板和弹簧元件片材中的至少一个对准孔。

6.  根据权利要求1所述的系统，凸形模压板包括弹性材料，该弹性材料具有预定厚度并且大体上顺应凹形模压板的三维凹部。

7.  根据权利要求6所述的系统，所述预定厚度大于凹形模压板的三维凹部的预定深度。

8.  根据权利要求1所述的系统，凹形模压板包括弹性材料，该弹性材料具有预定厚度并且大体上顺应凸形模压板上的三维突起。

9.  根据权利要求8所述的系统，所述预定厚度小于凸形模压板上的三维突起的预定高度。

10.  根据权利要求1所述的系统，还包括弹簧元件片材，该弹簧元件片材具有的二维弹簧元件少于在该弹簧元件片材上形成图案的全部可能的二维弹簧元件。

11.  一种用来三维地批量成形弹簧元件的片材的方法，包括：
在弹簧片材中限定多个单独的二维弹簧元件；
将该弹簧元件片材对准在凹形模压板上；
对准凸形模压板以接触单独的二维弹簧元件中的一些；和
压缩在凸形模压板和凹形模压板之间的弹簧片材中的接触件阵列，以将接触件定形为该凹形模压板的形状。

12.  根据权利要求8所述的方法，还包括提供可弹性变形的、具有突起的凸形模压板，该突起的厚度足以填充凹形模压板上的凹部。

13.  根据权利要求8所述的方法，还包括提供可弹性变形的、具有突起的凸形模压板，该突起的厚度大于凹形模压板的凹部的深度。

14.  根据权利要求9所述的方法，还包括弹簧元件片材，具有在该弹簧元件片材上形成图案的多个二维弹簧元件。

15.  一种用来批量成形三维弹簧元件的系统，包括：
包括二维弹簧元件的弹簧元件片材；
具有布置在该弹簧元件片材的第一侧上的凹部的凹形模压板；和
用来为凸形模压板提供三维突起的装置，该三维突起布置在该弹簧元件片材的与该第一侧相对的第二侧上，当该凸形模压板和凹形模压板压在该弹簧元件片材上时，该三维突起接触该二维弹簧元件并将该二维弹簧元件成形为三维弹簧元件。

16.  一种用来三维地批量成形弹簧元件的片材的方法，包括：
用来在弹簧片材中限定多个单独的二维弹簧元件的手段；
用来在凹形模压板上对准该弹簧元件片材的手段；
用来对准凸形模压板以接触单独的二维弹簧元件中的一个或多个的手段；和
用来压缩在凸形模压板和凹形模压板之间的弹簧片材中的接触件阵列、以将接触件定形为凹形模压板的形状的手段。

17.  一种用来批量成形三维弹簧元件的系统，包括：
包括二维弹簧元件的弹簧元件片材；
顶部压板；
底部模具基座；和
模冲头销，该模冲头销当通过施加压力到该顶部压板而被选择性地接合时用来接触二维弹簧元件并且将二维弹簧元件成形为该三维弹簧元件。

18.  根据权利要求17所述的系统，还包括编程板，在该编程板中选择性地形成有孔。

19.  根据权利要求17所述的系统，还包括弹簧销保持器和弹簧销固定器，在该弹簧销保持器中布置有弹簧销。

20.  根据权利要求17所述的系统，还包括模冲头保持器。

21.  根据权利要求17所述的系统，还包括脱模板。

22.  根据权利要求17所述的系统，还包括顶出板。

23.  根据权利要求17所述的系统，三维突起形成在弹簧元件片材中，精整的弹簧元件在弹簧元件片材的平面表面部分的下方延伸。

24.  根据权利要求17所述的系统，三维突起形成在弹簧元件片材中，精整的弹簧元件在弹簧元件片材的表面的上方延伸。

25.  根据权利要求17所述的系统，还包括对准系统，该对准系统包括位于模具基座上的至少一个定位销和弹簧元件片材中的至少一个对准孔。

26.  根据权利要求17所述的系统，还包括编程板，该编程板带有的孔少于所有可能钻到该编程板中的孔。

27.  一种用来三维地批量成形弹簧元件的片材的方法，包括：
在弹簧片材中限定多个单独的二维弹簧元件；
将该弹簧元件片材对准在可配置压力机中；
将编程板对准在可配置压力机中；和
压缩在可配置压力机中的弹簧元件片材，以将接触件定形为三维形状。

28.  根据权利要求27所述的方法，还包括编程板，该编程板具有的孔少于所有可能钻到该编程板中的孔。

29.  一种用来批量成形三维弹簧元件的系统，包括：
包括二维弹簧元件的弹簧元件片材；
顶部压板；
底部模具；和
用来提供模冲头销的装置，该模冲头销当通过施加压力到该顶部压板而被选择性地接合时用来接触二维弹簧元件并且将二维弹簧元件成形为三维弹簧元件。

30.  一种用来三维地批量成形弹簧元件的片材的方法，包括：
用来在弹簧片材中限定多个单独的二维弹簧元件的手段；
用来将该弹簧元件片材对准在可配置压力机中的手段；
用来将编程板对准在可配置压力机中的手段；和
压缩在可配置压力机中的弹簧元件片材，以将接触件定形为三维形状。

用于批量制造弹簧元件的方法和系统
本申请是2005年3月18日提交的美国专利申请No.11/083031的部分继续申请，该美国专利申请为了全部目的通过引用整体并入这里，而该美国专利申请是2003年4月11日提交的美国专利申请No.10/412729的部分继续申请。
本申请还是2006年6月2日提交的美国专利申请No.11/445272的部分继续申请，该美国专利申请为了全部目的通过引用整体并入这里，而该美国专利申请是2003年4月11日提交的美国专利申请No.10/412729的部分继续申请，并且是2003年12月8日提交的美国专利申请No.10/731213的部分继续申请。
本申请还是2007年1月3日提交的美国专利申请No.11/649052的部分继续申请，该美国专利申请为了全部目的通过引用整体并入这里，并且该美国专利申请是2006年6月2日提交的美国专利申请No.11/445285的继续申请，而该美国专利申请No.11/445285是2003年4月11日提交的在先美国专利申请No.10/412729和2003年12月18日提交的美国专利申请No.10/731213的部分继续申请。
背景技术
技术领域
本发明涉及使用批量工艺制造弹簧元件。
背景技术
电互连或连接器用于将两个或更多个电子部件连接在一起或者将电子部件连接到诸如计算机、路由器或测试器的一件电气设备。术语“电子部件”包括但不限于印刷电路板，并且连接器可以是板对板连接器。例如，电互连用于将诸如集成电路(IC或芯片)的电子部件连接到印刷电路板。电互连也在集成电路制造期间用于将测试中的IC装置连接到测试系统。在一些应用中，电互连或连接器提供可分离的或可重新安装的连接，使得连接到其上的电子部件可被拆卸和再连接。例如，可能希望使用可分离的互连装置将封装的微处理器芯片安装到个人计算机主板使得故障芯片可以被容易地拆除，或者可容易地安装升级芯片。
也存在电连接器用于直接电连接到形成在硅片上的金属焊盘的应用。这种电连接器通常称为“探针”或“探针板”并且典型地在制造工艺期间在硅片的测试期间使用。典型地安装在测试器上的探针板提供从测试器到硅片的电连接，使得形成在硅片上的单个集成电路可以被测试其功能性和与特定参数极限的符合性。
常规电连接器通常由冲压的金属弹簧制成，该金属弹簧被成形并且随后单个地插入到绝缘载体中以形成电连接元件的阵列。制造电连接器的其它方法包括使用各向同性传导性粘合剂、注射成型传导性粘合剂、捆扎导线传导性元件、通过线粘接技术形成的弹簧和小的实心的金属零件。
接点格栅阵列(LGA)指的是金属焊盘(也称为接点)的阵列，该金属焊盘用作用于集成电路封装、印刷电路板或其它电子部件的电接触点。金属焊盘通常使用薄膜沉积技术形成并且涂覆有金以提供非氧化表面。球格栅阵列(BGA)指的是软焊球或软焊凸起的阵列，该软焊球或软焊凸起用作用于集成电路封装的电接触点。LGA和BGA封装都广泛用于半导体工业并且各具有其相关联的优点和缺点。LGA连接器通常用于为连接到PC板或连接到芯片模块的LGA封装提供可拆卸的且可重新安装的套接能力。
诸如冲压的金属弹簧、捆扎导线和注射成型传导性粘合剂的常规互连装置随着尺寸的缩小而变得难以制造。特别地，冲压的金属弹簧元件随着尺寸缩小而变得易碎且难以制造，使得它们不适合于适应具有正常位置变化的电子部件。当接触件之间的间隔缩放到小于1毫米时，以及在电路径长度要求也缩放到小于1毫米以最小化电感并满足高频性能要求的情况下，这特别明显。在这种尺寸下，通过已有制造技术制造的弹簧元件在每个接触件大约30到40克的合理插入力的情况下变得更加易碎且弹性更差并且不能适应系统共面性和位置不对准的正常变化。
附图说明
图1是接合基板上的金属焊盘的已有接触元件的示意图。
图2a是接触软焊球的已有接触元件的示意图。
图2b和2c是示出将损坏的软焊球连接到基板的金属焊盘的结果的示意图。
图3是示出根据本发明的一个方面的用来形成内插器的方法的流程图。
图4是示出根据本发明的构造的具有预先成形的接触件阵列的示例性传导性片材的示意图。
图5a是示出根据本发明的一个方面的用来形成内插器的方法中包括的示例性步骤的流程图。
图5b是示出根据本发明的另一方面的用来形成内插器的方法中包括的示例性步骤的流程图。
图6a是示出根据本发明的一种构造的布置在基板上的俘获焊盘的阵列的平面图的图像。
图6b是示出示例性基板的横截面的图像，示出根据本发明的一种构造的由俘获焊盘包围的一系列传导性过孔。
图7是示出根据图5a的示例性加工步骤在600F下退火之后铍铜合金片材中的收缩的曲线图。
图8a和8b是示出示例性二维接触件结构的透视图的示意图。  
图8c和8d是分别示出基于8a和8b的二维前体结构的示例性三维成形的接触件结构的透视图的示意图。
图9a和9b是示出根据图5a的方法的接触件结构上的释放凹陷的效果的例子的图像。
图9c是示出在包含弹性臂的接触件片材中具有凹陷的另一示例性接触件布置的图像。
图9d是示出具有弹簧片材通孔的示例性接触件布置的图像，该弹簧片材通孔填充有来自层的挤出的粘合剂材料。
图9e是示出分别为有和没有释放凹陷的基板中的示例性接触臂的载荷-位移曲线的曲线图。
图10a和10b是示出根据本发明的构造布置的接触臂的顶视图和侧视图的示意图。
图10c是示出用于BLGA接触件阵列的示例性接触臂的放大剖视图的示意图。
图11是示出根据本发明的另一种构造布置的内插器的一部分的剖视图的图像。    
图12是示出根据本发明的一个方面在接触件和传导性过孔之间形成传导性路径之后的接触件结构的图像。
图13是示出根据本发明的一种构造的接触臂的横截面图像的图像。
图14是示出包括布置在接触件上的覆盖层的示例性接触件结构的图像。    
图15是示出根据本发明的另一方面的用来形成内插器的方法的示意图。
图16a到16h是示出根据本发明的一个方面的用来形成连接器的加工步骤的示意图。
图17a到17h是示出根据本发明的一个方面的用来形成连接器的加工步骤的示意图。
图18a到18h是示出根据本发明的另一方面的用来形成连接器的加工步骤的示意图。
图19a到19h是示出根据本发明的另外方面的用来形成连接器的阵列的加工步骤的示意图。
图20a是示出根据本发明的一种构造的接触臂阵列的平面图的示意图。
图20b是示出多种不同的示例性接触臂设计的平面图的示意图。
图21是示出本发明的示例性BLGA系统及其到PCB的连接的剖视图的示意图。
图22是示出用于本发明的BLGA系统的两个示例接触臂设计的成角度的平面图的示意图。
图23是示出用来接触软焊球的不同示例性接触臂设计的放大透视图的示意图。
图24是示出根据本发明的另一构造布置的接触件的顶视示意图的示意图。
图25a到25d是示出根据本发明的替代实施例的用来制造连接器的示例性方法的步骤的流程图。
图26是根据图25a-d中示出的方法施加到弹簧材料的片材的示例性抗蚀剂薄膜的剖视图的示意图。
图27是根据图25a-d中示出的方法施加到抗蚀剂薄膜的紫外光的剖视图的示意图。
图28是根据图25a-d中示出的方法形成的接触元件的示例性片材的平面图的示意图。
图29a是用于图25a-d中示出的方法的其中一个步骤的示例性堆叠的每一层的视图的示意图。    
图29b是图29a中示出的已组装的堆叠的侧视图的示意图。
图30是根据本发明的一种构造的示例性堆叠的分解透视图的示意图。
图31是用于图30中示出的堆叠的示例性间隔件层的放大的局部顶视平面图的示意图。
图32和33是插入到用于图1中示出的堆叠的间隔件层中的示例性球轴承配置模的剖视图的示意图。
图34是示例的顶视平面图的示意图。
图35是在挤压之后弹簧元件片材的替代构造的剖视侧视图的示意图。
图36a到36c示出根据本发明的一种构造的未形成图案的弹簧片材中的三维特征的形成。
图37a到37e示出在本发明的批量加工方法中用来成形接触件的凸形和凹形模板，在该凸形和凹形模板之间具有形成图案的接触元件片材。
图38示出通过图37a-e中示出的工艺形成的接触元件片材的分解视图。
图39a示出图37a-e中示出的批量加工方法中的堆叠，该堆叠具有在接触元件片材上限定的接触件阵列的子集。
图39b示出由图39a中示出的堆叠形成的接触元件片材的分解视图。
图40a到40g示出在本发明的批量加工方法中用来形成接触件的可配置压力机。
图41a-41c示出使用图40a到40g的堆叠可形成的数个选择性接触件阵列。
图42a是使用基于球轴承的模用来批量形成弹簧元件的示例性方法的流程图。
图42b是使用基于球轴承的模用来批量形成弹簧元件的示例性方法的另一流程图。
图43是使用互补模板用来批量形成弹簧元件的示例性方法的流程图。
图44是使用通用模用来批量形成弹簧元件的示例性方法的流程图。
图45是使用可配置模具用来批量形成弹簧元件的示例性方法的流程图。
图46是用于BLGA接触件阵列的示例性接触臂的放大剖视图的示意图。
图47是示例性接触臂设计的放大透视图的示意图。
图48是根据本发明的一种构造的连接器的透视图的示意图。
图49是根据本发明的另一种构造的包括使用多层金属形成的接触元件的示例性连接器的示意图。
图50a和50b是根据本发明的一种构造的示例性连接器的剖视图的示意图。
图51a和51b是根据本发明的替代构造的示例性连接器的剖视图的示意图。
图52是根据本发明的替代构造的示例性连接器的剖视图的示意图。
图53是根据本发明的替代构造的示例性连接器的透视图的示意图。
图54a到54c是应用于热插拔操作的连接器的一种构造的剖视图的示意图。
图55a和55b是示出根据本发明的电路化连接器的构造的两个示意图。
图56a是根据本发明的替代构造的包括共轴接触元件的示例性连接器的剖视图的示意图。
图56b是图56a的共轴接触元件的顶视图的示意图。
图57是示出LGA封装通过图56a的连接器配合到PC板的示意图。
图58和59是分别示出用于本发明的接触件系统的示例性夹紧系统的顶视图和剖视图的示意图。
图60是本发明的示例性BLGA系统的载荷对位移的曲线图。
图61是本发明的示例性BLGA系统的载荷对位移的曲线图。
图62a到62d是以平面图示出根据本发明的另外构造的替代内插器的示意图。
图63是示出根据本发明的另一种构造的具有两个接触件的内插器的示意图，这两个接触件各远程地连接到传导性过孔。
图64a是示出内插器的示意图，该内插器包括布置在绝缘基板的第一区域中的传导性过孔阵列和布置在基板的第二区域中的接触件阵列。
图64b是示出根据本发明的另一种构造的另一种内插器的示意图，该内插器包括弹性接触件阵列和具有第二间距的传导性过孔的阵列。
图65a和65b是示意图，示出根据本发明的替代实施例的连接器的剖视图。
图66和67是数据单，示出改变粘合剂类型和流动限制器构造对弹性接触件工作范围的影响。
图68a是根据本发明的另外构造示出俘获焊盘布局的图像，该俘获焊盘布局包括具有弧形狭槽的焊盘，该弧形狭槽构造成在粘接工艺期间俘获粘合剂。
图68b到68e是示意图，以透视图示出根据本发明的另外构造的布置在示例性接触件构造中的流动限制器变型。
图69a是示出根据本发明的另外构造的示例性接触件布置的平面图的图像。
图69b是示意图，示出图69a的示例性接触件布置的一部分的剖视图。
图69c是示意图，示出图69a和69b的接触件结构的变体。
图70是示出根据本发明的另一方面在粘合剂层的顶部上形成传导性部分之后的接触件结构的图像。
具体实施方式
本发明的多个方面涉及通过金属层的平版印刷形成图案以形成一个阵列或多个阵列的接触元件用来制造电连接器的方法。该金属层可在形成图案之前应用于连接器基板以形成接触元件，或者可以是在连接到连接器基板之前经受形成图案的自由直立的层。通常，接触件可以由单层金属材料形成，但也可以由多层相同的材料或不同的材料形成，其中，在金属层形成图案之后，一个或更多层可添加到该接触件以形成接触件阵列。通过这些方法形成的连接器包括诸如内插器的基板，该基板在其单侧上布置有接触件阵列，或者在其两侧上布置有接触件阵列。
根据本发明的多个方面制造的连接器元件和内插器层可以使用下面阐述的一个或更多个指导原则来进行生产。
可以根据接触件的性质的希望组合选择用于金属接触件的金属。例子包括为金属接触件的芯区域选择材料以使其具有希望的弹性。铜、铜合金和不锈钢是可形成接触件的芯区域的金属材料的例子。例如，由于强的机械弹性，不锈钢或铜合金层可被选择作为芯层，从该芯层形成接触件；因为纯铜的良好传导性，可选择中间的铜层来涂覆芯层；并且为了低的界面阻抗和良好的耐腐蚀性，可选择金或金合金层作为外层。
根据特定应用选择用于接触件阵列基板的电介质(电绝缘)材料或半导体材料。本发明的示例性构造包括具有FR4、聚合物、陶瓷和半导体基板的连接器。
本发明的其它构造包括具有多个冗余传导性接触件的连接器，用于改善使用该连接器耦合的部件之间的电连接。
可以选择在接触件中包括额外结构特征以改善性能。在本发明的一些构造中，例如，制造粗糙的弹性接触件以改善与外部电部件的电接触。通过提供集中力以突破覆盖被接触件接合的传导性表面的任何钝化层，接触件上的粗糙便于形成良好的电接触。
通常根据具体应用来选择根据本发明制造的连接器中使用的接触件类型的混合。例如，可能希望在内插器基板的两侧上具有相同类型的弹性接触件以在内插器的任一侧上连接类似的部件。在另一方面，可能希望在双侧连接器的一侧上使用焊料、传导性粘合剂或一些其它电接触方法，并且在该连接器的另一侧上使用弹性接触件阵列。
同样根据连接器的具体应用决定在连接器基板内包括诸如金属特征的附加特征。例如，在希望良好的热耗散的情况下，可选择附加金属平面或电路被包括在连接器基板的内部中。可根据对电屏蔽、功率输送、电子部件的添加、或以其它方式改善连接器的电性能的需要决定在连接器中包括附加金属平面或电路。
下面紧接着的讨论公开了根据本发明的多个方面用来形成包含弹性接触件的阵列的电连接器的方法。
图3概括地示出根据本发明的一个方面用来形成内插器的方法。在步骤302中，多个传导性过孔设置在绝缘基板中。绝缘基板可以是例如PCB类型材料或陶瓷。传导性过孔可通过许多方法形成，包括无电镀覆形成在基板中的通孔。在一个实施例中，基板还在一侧或两侧上设置有铜覆层。优选地，该铜覆层厚度在大约0.2-0.7密耳的范围内。传导性过孔可以例如通过钻削绝缘基板并随后镀覆过孔而形成。
在步骤304中，为基板设置耦合到相应过孔的多个(电)传导性路径。术语“为基板设置”表示传导性路径固定到基板，或者在基板的外表面上或嵌在基板中。在一个实施例中，传导性路径设置在绝缘基板的至少一个表面上。传导性路径布置成使得传导性路径的一个端部电连接到传导性过孔。在本发明的一个变体中，在单个步骤中执行步骤302和304。例如，可以形成镀覆的通孔，在该镀覆的通孔中，传导性层延伸到基板的表面上，使得在基板的表面上延伸的那部分构成与传导性过孔维持电接触的传导性路径。在基板设置有表面铜(或其它金属)覆层的情况下，步骤302中的过孔的镀覆可用于将传导性竖直过孔壁与位于基板的表面上并且包围该过孔的铜覆层连接。随后，例如，表面铜覆层被蚀刻成包围该过孔的传导性俘获焊盘。
在另一方面，传导性路径可以由精细的电路图案组成，其传导性线路的每一个连接到相应的过孔并且沿基板的表面延伸或嵌在基板中。电路图案可以在步骤302中在基板表面的下方形成并且嵌在基板中。例如，嵌入的传导性线路可各自形成为接触基板中的过孔。可以这样设置使得嵌入的传导性线路与过孔相对的端部可以另外通过包含在延伸到基板表面的第二过孔中的传导性材料被接触。第二过孔可以随后连接到传导性弹性接触件，从而提供从第一传导性过孔到弹性接触件的电连接。
在另一变型中，具有延伸到传导性过孔的线路的电路图案可以形成在铜(金属)覆层中。线路的与那些连接到过孔的端部相对的端部可在后续加工步骤中连接到相应的弹性接触件。
在步骤306中，形成弹性接触件的阵列。优选地，弹性接触件的阵列形成在电传导性的片材中。这种电传导性片材的例子包括诸如铍铜的铜合金。片材厚度被构造成使由传导性片材形成的接触臂具有希望的弹性性能。例如，对于具有5-50密耳的范围中的长度的接触臂，片材厚度优选地在大约1-3密耳的范围中。弹性接触件的阵列的形成(下面进一步描述)通常包括以下子步骤：使平面传导性片材形成图案；选择性地蚀刻已形成图案的片材以形成二维接触件结构；和使二维接触件结构形成为具有弹性接触件部分的三维接触件，该弹性接触件部分在接触件片材的平面的上方延伸。一旦形成，弹性接触件的阵列就包括诸如图4中示出的阵列402的半隔离特征的阵列，并且在下面进一步讨论。在形成之后，可对接触件进行热处理以调节弹性接触件的机械性质。
在步骤308中，包含弹性接触件的阵列的传导性片材粘接到基板。可重复这个步骤以将具有弹性接触件的阵列的分离的传导性片材固定在绝缘基板的第二侧上。如下面进一步描述的，粘接步骤可包括例如：制备要被粘接的传导性片材表面；在传导性片材和基板之间提供粘合剂层；在基板和/或传导性片材中提供特征以考虑粘合剂层在粘接期间流动；和在热和压力下将传导性片材固定到内插器基板表面。
在粘接过程期间，可对齐传导性片材中的接触件的位置使得它们相对于接触件要耦合到其上的传导性过孔对准。例如，每一个接触件可放置在连接到过孔的预先存在的传导性路径的上方。替代地，在粘接过程期间，在传导性片材中的接触件的位置需要与接触件要耦合到其上的过孔对准。在粘接之后，可以限定接触件和相应过孔之间的传导性路径。
为帮助粘接过程，层叠间隔件典型地布置在传导性弹簧片材的外表面上。间隔件典型地构造为薄的片材，该薄的片材具有对应于传导性片材中的弹性接触件的位置的孔的阵列。层叠间隔件布置成使得间隔件的表面仅在弹簧片材的平面部分中接触弹簧片材的表面，并且层叠间隔件的孔容纳弹性接触件，使得接触臂保持不被接触。层叠间隔件的厚度典型地等于或大于弹性接触件的远端在传导性片材表面上方延伸的高度。这样，平面压板可被夹紧在层叠间隔件的外表面上而不接触弹性接触臂，该弹性接触臂不在层叠间隔件的顶表面上方突出。
在步骤310中，弹性接触件电连接到相应的传导性过孔。如下面参考图5A和5B更详细地描述的，形成在传导性片材中的接触件可通过镀覆工艺连接到过孔，该镀覆工艺填充包含接触件的传导性片材和传导性过孔之间的间隙。
在步骤312中，电接触件彼此电隔离(单个化)。在这个步骤中，去除传导性弹簧片材的不需要的部分。这样做时，电接触件的阵列可形成在内插器的一侧或两侧上，其中所述接触件的一些(部分单个化)或全部(完全单个化)可以与其它接触件电隔离而单个接触件保持电耦合到相应的传导性过孔。如下面进一步论述的，这个单个化步骤通过传导性弹簧片材的平版印刷形成图案和蚀刻而实现。在同样在下面论述的一个变型中，单个化步骤也可用于在传导性片材中限定传导性路径，该传导性路径将弹性接触件连接到传导性过孔。
参考图5a和5b在下面描述的方法给出来源于图3的方法的更详细的变型。这些步骤可用于制造内插器接触件结构，诸如在下面的图8a-14、16a-24、58-59和62a-70中描述的那些。
图5a示出了根据本发明的一个方面的用来形成内插器的方法中包括的示例性步骤。
在步骤500中，多个过孔形成在绝缘基板中。在本发明的一种构造中，绝缘基板在其顶和底表面上覆盖有传导性覆层。在一个例子中，根据希望的图案，过孔形成为过孔的二维阵列图案。优选地，过孔被钻削成穿过绝缘基板的整个厚度，使得传导性路径可通过镀覆过孔而形成为从基板的一侧到相对侧。优选地，在步骤500中，过孔经受至少种子层沉积。种子层形成用于随后通过镀覆形成的较厚传导性涂层的模板。
在步骤501中，如果内插器基板设置有传导性覆层，则可蚀刻该覆层以形成隔离的传导性区域，其中所述隔离的传导性区域中的一个或更多个可形成到相应弹性接触件的传导性路径的至少一部分，其中传导性路径用于将弹性接触件电连接到相应的传导性过孔。例如，隔离的传导性区域可被布置作为传导性俘获焊盘的阵列。图6a示出根据本发明的一种构造的传导性俘获焊盘602的布置600的平面图。传导性俘获焊盘布置成二维阵列并且每一个包括内部圆形区域604，在该内部圆形区域中，去除包括该焊盘的传导性材料。圆形部分604的间隔和尺寸可以设计成对准在布置在基板中的传导性过孔的阵列上，使得俘获焊盘不覆盖过孔。随后，可使用包括稀释的硫酸溶液的微蚀刻和碱清洗的组合来制备设置有俘获焊盘的内插器基板。弹性接触件随后可放置在这种俘获焊盘上，例如，通过将包含弹性接触件的弹簧片材粘结到内插器基板。弹性接触件可以电连接到所述焊盘，从而形成接触件和传导性过孔之间的电连接。
图6b示出根据本发明的构造布置的基板606的横截面，示出一系列传导性过孔607，这些过孔的外部608在基板的表面处各由俘获焊盘602包围。俘获焊盘602布置成使得放置在焊盘的顶部上的传导性接触件结构可以方便地电连接到传导性过孔。
在步骤502中，选择诸如铍-铜、弹簧钢、钛铜、磷青铜或具有合适机械性质的任何其它合金的弹性接触件材料。然后，选定材料以弹簧片材的形式被提供以用作层，内插器的接触元件由该层制造。材料的选择可基于希望的应用并且可能必须考虑要用弹簧片材制造的接触件的机械和电性能，以及工艺兼容性，诸如接触件的蚀刻特性和可成形性。
可选地，可在后续加工之前热处理弹簧片材，或者可在接触元件的后续成形之后热处理弹簧片材。在一个例子中，选择包括铍的过饱和溶体的铜铍合金(Cu-Be)。过饱和溶体具有相对低的强度和高的延展性并且可容易地变形以形成弹性接触元件，诸如下面进一步描述的接触臂。在形成接触臂之后，可在一定温度下处理过饱和合金使得第二相沉淀，其中位错被止住并且多相材料使得由此形成的接触臂具有高强度。
在步骤504中，设计接触件形状。该设计可包括仅仅选择存储在设计程序中以便使用的已知设计，或者需要使用诸如Gerber工艺图的CAD工具设计接触件。该设计可加载到工具中，该工具用于使要被蚀刻以形成弹性接触件的弹簧片材形成图案。该设计可以用作例如掩模设计，以制造用于借助该接触件设计使弹簧片材上的抗蚀剂层形成图案的平版印刷掩模。因为使用诸如Gerber的设计工具可容易地改变接触件的形状，因此根据需要可以快速实现接触件设计的修改。
在一个变型中，接触件形状设计步骤包括使用接触件性能建模。例如，内插器设计者可能有接触件的某些特性标准在脑子里，诸如机械性能。诸如Structural Research and Analysis Corporation提供的和ANSYS，Inc.提供的ANSYSTM的建模工具可用于以三维的形式模拟基本接触件形状的性能，帮助选择接触件形状和尺寸的总体设计。一旦确定希望的接触件形状和尺寸，该信息可作为掩模设计被存储并且随后用于使弹簧片材形成图案。
作为步骤504的接触件设计过程的一部分，可指定接触件形状相对于用于形成接触件的弹簧片材的希望取向。金属片材的晶粒结构通常是各向异性的。相对于晶粒取向以特定对准形成的接触件作为弹簧来说更加有弹性。因此，接触件相对于晶粒取向的对准可用于选择希望的弹性程度。因此，在要用来形成接触件的弹簧片材中形成相对晶粒各向异性之后，晶粒各向异性可用于选择弹性接触臂设计的纵向部分的对准方向，以便使接触件具有希望的弹性。
在步骤505中，缩放接触件设计。设计(诸如掩模设计)的缩放首先必须确定要制造的二维接触件希望的最终尺寸和形状。接下来，缩放希望的最终尺寸以产生缩放的二维设计，该设计的尺寸被适当改变(典型地放大)以考虑形成二维图案之后出现的处理效果，该处理效果影响获得的最终接触件结构。在一个实施例中，一旦确定最终希望的接触件结构，要用于在蚀刻的弹簧片材中产生确定的接触件结构的接触件设计被缩放，以考虑弹簧片材在随后的退火之后的收缩，该退火发生在接触件制造期间。图7示出铍铜合金的片材在600F下退火之后的收缩，该600F下的退火可用于在形成接触件之后沉淀硬化接触件。在120分钟的退火时间，沿X轴的收缩在大约0.1％保持相对恒定，Y轴收缩单调增加到大约0.19％。因此，由于接触臂可以在退火处理之前形成图案并且被蚀刻，因此可以改变用于接触件的设计图案以考虑在二维接触件形成图案且被加热之后将发生的沿Y轴的相对较大的收缩和发生的绝对收缩。
通常，被提供用作弹性接触件源材料的金属片材经受轧制过程，轧制过程在晶粒微观结构中引入各向异性，该各向异性在轧制方向和垂直于轧制方向的方向之间最大。对于在退火期间经受相的晶界沉淀的合金材料，这在退火之后导致各向异性收缩。即使在没有引入各向异性晶粒结构的片材轧制过程的情况下，经受包括晶粒边界沉淀的退火的、具有均匀的各向同性(在片材的平面内)微观结构的片材也将在退火期间发生收缩。然而，在后者情况下，收缩可能在片材的平面内沿X和Y方向相等。
这样，参考掩模设计的各向同性或各向异性的缩放优选地产生平版印刷掩模，该平版印刷掩模的尺寸被缩放以考虑退火期间的接触件的收缩。在图7的例子中，对于在接触件形状被形成图案之后接触件被退火大约120分钟的情况，可缩放掩模设计以在希望的接触件尺寸上将X尺寸增加大约0.1％并且将Y尺寸增加大约0.2％。因此，在接触件形成图案(下面进一步描述)之后，接触件的初始过大尺寸将在退火处理之后收缩到希望的最终尺寸。
掩模设计缩放可用于考虑除了坯板弹簧片材发生的平面内收缩之外的另外的效果。例如，蚀刻的接触件在弹簧片材中的图案密度可影响总的平面内收缩。因此，可根据图案密度效果修改设计缩放。通常，在步骤505的第一子步骤中，在弹簧片材中制造二维接触件阵列设计。在实验中，该设计可被制造在一系列弹簧片材中，这些片材中，特别地，片材厚度和设计密度不同。接下来，已形成图案的弹簧片材经受退火状态以便用于硬化接触件。随后，根据经验测量弹簧片材沿X和Y方向的收缩。在实验中，X-Y收缩可被确定为特别是材料、片材厚度、图案密度、图案形状和退火条件的函数。然后，这些X和Y缩放系数存储在矩阵中，该矩阵可包括材料类型、厚度、退火条件、接触件设计和接触件密度。例如，这种矩阵中的每个条目可包含X和Y收缩系数，该X和Y收缩系数可应用于对应希望的最终接触件形状的参考设计。然后，对于每个入口，使用CAD或类似程序，基于X和Y缩放系数使用缩放函数改变参考设计的尺寸和形状，从而产生最终掩模设计。
在步骤506中，平版印刷形成图案施加于弹簧片材。这个步骤典型地包括以下子步骤：施加平版印刷敏感薄膜(“光刻胶”或“抗蚀剂”)；使用在步骤504中选择的工艺图曝光光刻胶；和显影曝光的抗蚀剂以留下包含开口的形成图案的抗蚀剂层，所述开口位于要被蚀刻的弹簧片材的若干区域的上方。在一个例子中，抗蚀剂施加到弹簧片材的两侧，使得弹簧片材可以从两侧形成图案并且被蚀刻。在这种情况下，匹配的两个二维图案形成在弹簧片材的两侧上，使得在弹簧片材的一侧上的给定水平位置处被蚀刻的特征的形状和尺寸匹配相同水平位置处的弹簧片材的另一侧上的特征的形状和尺寸。干薄膜可作为抗蚀剂用于大约1-20密耳的较大特征尺寸，并且液体抗蚀剂可用于小于大约1密耳的特征尺寸。
在步骤508中，片材在溶液中被蚀刻，该溶液例如特别为正被使用弹簧片材选择的溶液。氯化铜或氯化铁蚀刻剂在工业中通常用来蚀刻铜合金和弹簧钢。在蚀刻后，在将蚀刻的特征留在弹簧片材中的剥膜过程中从弹簧片材去除抗蚀剂的保护层。蚀刻的特征可包括例如接触件特征的阵列，该接触件特征的阵列包含位于弹簧片材的平面内的二维的臂。图8a和8b分别示出示例性二维接触件结构(接触件特征)800和802的透视图。应当注意，为了清楚起见，二维特征示出为隔离的特征。然而，在步骤508，这种接触件特征的若干部分实际上至少在一些部分一体地连接到弹簧片材。接触件结构802包括孔口804，该孔口构造成充当粘合剂流动限制器，如下面参考步骤516-520描述的。
在步骤510中，弹簧片材放置在批量成形工具上，该批量成形工具构造成将接触件特征成形为三维特征。可以基于用于限定二维接触件阵列特征的最初工艺图来设计批量成形工具。例如，批量成形工具可以是具有三维特征的模具，其形状、尺寸和间隔设计成匹配二维接触件阵列并且使接触件具有第三维度特征。
在一个变型中，通过将层状薄片层叠在一起而制造批量成形工具的凸形和凹形部件，例如使用不锈钢。通过穿过薄片蚀刻图案(例如，借助激光)，每个薄片可以形成图案，该图案匹配当沿内插器的平面观察时接触件将显露的接触件结构或接触件结构的阵列的横截面形状。例如，该横截面形状可以设计成匹配沿X-Y接触件阵列的X方向观察的接触件阵列轮廓。为限定完全的模具结构，改变每个薄片的图案以模拟在改变Y位置时沿X方向的接触件阵列轮廓的变化。在组装之后，薄片将构成三维模具，该模具设计成容纳二维弹簧片材并且将二维接触件压到第三维度中。在弹簧片材被放置在批量成形工具中之后，该工具用于在所有三个维度中成形特征(“凸缘”)以产生希望的接触元件。例如，通过在适当设计的模具中冲压弹簧片材，二维接触臂可塑性变形使得它们在从模移开之后突出到弹簧片材平面的上方。
为了将批量成形工具适当匹配到缩放的二维接触件图案，蚀刻的图案被缩放以沿第一方向(诸如X方向)匹配缩放的二维接触件阵列结构。可以，但不需要执行沿Y方向(垂直于薄片的方向)的模具的缩放。优选地，缩放模具尺寸的X方向代表具有较大缩放系数的方向。在一些情况下，模具可以设计成具有足够的公差使得沿Y方向的严格的缩放是不需要的。
图8c和8d分别示出基于8a和8b的二维前体结构的三维成形的接触件结构810和812的透视图。应当注意，为了清楚起见，三维接触件示出为隔离的特征。然而，在步骤510，这种接触件特征的若干部分实际上至少在一些部分一体地连接到弹簧片材，如图4中示出的。
图4示出传导性片材的一个例子，该传导性片材具有根据上面概述的步骤形成为三维的弹性接触件阵列。传导性片材400包括接触件阵列402，该接触件阵列包含多个三维接触件404，每个三维接触件具有基部408和接触臂部分406。在加工的这个阶段，阵列402的接触件成一体地连接到片材400并且因此不彼此电隔离。基部408被部分蚀刻，但足够的材料留在基部和弹簧片材的其余部分之间以将半隔离的接触件和片材维持为整体结构。在本发明的其它构造中，不执行限定基部的部分蚀刻，直到步骤510。
在步骤512中，可热处理传导性片材以沉淀硬化并提高接触件的弹簧性质。如上所述，通过例如过饱和合金的沉淀硬化，这可以使得接触臂具有较高的强度，诸如较高的屈服强度和/或较高的弹性模量。可以在诸如氮、惰性气体或合成气体的非氧化气氛中执行热处理以防止传导性片材的氧化。
在步骤514中，具有三维成形的接触元件的弹簧片材经受清洗和表面预处理。例如，可执行碱清洗，随后执行正硫氧化物/过氧化氢蚀刻(微蚀刻)，以提高弹簧片材表面的粘合性质以便后续的层叠加工。例如，微蚀刻可用于使该表面变粗糙。
在步骤515中，执行在图3的步骤302和304中概述的过程。内插器基板设置有从基板的一个表面通向相对的表面的镀覆的过孔。优选地(但不是必要地)，多个电传导性路径布置成在一个端部连接到相应的传导性过孔并且在另一端部延伸到基板的表面的一部分上和上方或基板中。例如，多个电路径可仅仅包括俘获焊盘，如上所述，通过蚀刻基板的金属覆层在传导性过孔周围限定该俘获焊盘。在其它情况下，传导性路径可以是表面或嵌入的迹线，这些迹线被布置用来提供到位于传导性过孔一定距离处的弹性接触件的连接。
在步骤516中，流动限制特征被引入基板。下面参考图9a和9b进一步说明的这些流动限制特征为在将传导性弹簧片材粘接到基板的期间使用的粘合剂层提供存储器。这些储存器定位成靠近基板支撑弹性接触件的区域并且用于保留过多的粘合剂并减小粘合剂材料在弹性接触件下方的流动。可选地，除了放置在基板中或代替放置在基板中，流动限制器还可放置在靠近接触臂的弹簧片材中。这防止弹性臂的机械性质的不希望的变化，该不希望的变化可使得它们不适合于使用。在一个变体中，在步骤515期间执行步骤516。
在步骤518中，弹簧片材被粘接基板的表面。在一个例子中，基板包括覆盖电介质芯的低流动粘合剂材料。当弹簧片材和基板连接在一起时，粘合剂层用于粘接弹簧片材和基板。基板和弹簧片材在温度和热条件下被挤压在一起，该温度和热条件可以被优化以便基于粘合材料的希望粘合和流动。在该过程的一个变体中，在将弹簧片材和基板放置在一起之前，粘合剂被放置在弹簧片材的与弹性接触件从其突出的那侧相对的底侧上。
在粘接之后，弹簧片材中的弹性接触件和相应过孔之间的空间关系被固定。例如，再参考图4，阵列402可以相对于基板布置成使得接触件404与基板中的传导性过孔对准。换句话说，阵列402可包括接触件的X-Y阵列，其接触件之间的间隔和接触件的数量对应于类似地间隔开的传导性过孔的阵列，该传导性过孔的阵列与接触件相比具有类似数量的过孔。可以布置接触件阵列402的相对方向使得每个接触件相对于对应过孔具有相同的相对位置。例如，相等间隔开的接触件的5×6X-Y接触件阵列可以在与接触件具有相同间隔的相等间隔开的传导性过孔的5×6X-Y阵列的顶部上对准，使得接触件阵列和传导性过孔阵列的X和Y方向相同。
在粘接之后，粘合剂层布置在弹簧片材和基板之间，除了诸如过孔的基板的若干部分之外。图9a和9b示出对于接触件放置成邻近传导性过孔的情况，在弹性接触件的区域中在步骤518之后在内插器结构上存在流动限制器的效果的例子。在这种情况下，粘合剂流动限制器(或“流动限制器”)是蚀刻在基板上的铜覆层中的小的通孔。示出的覆层可以是前面在步骤515中限定的平台焊盘的一部分。在其它情况下，流动限制器可以是铜覆层中或弹簧片材中的局部凹陷，或者弹簧片材中的通孔。所有这种构造用于允许粘合剂材料流入由流动限制器限定的最初空的空间中。在分别具有接触件结构900和920的图9a和9b中，接触臂902连接到具有过孔906的基板904。接触臂902布置在过孔906上方并且使用粘合层908连接到基板904。接触臂可以在与外部部件的接触期间向下位移。在图9a中，充当流动限制器的基板上的铜覆层909中的通孔910的存在导致没有到过孔906中的层908的可辨别的流。相比之下，在图9b中，不存在释放结构(流动限制器)，从而导致在接触臂902的基部下方粘合层912材料的一点流。图9c示出另一接触件布置930，该接触件布置在包含弹性臂902的接触件片材中具有凹陷932。该凹陷充当除了孔910之外的另一粘合剂流动限制器。同样，观察到在接触臂的下方没有粘合剂流。
在本发明的一个变体中，在步骤516中，在粘结到基板之前在弹簧片材中形成通孔，使得该通孔在粘接期间容纳从粘合剂层被挤出的粘合剂材料。优选地，当蚀刻二维接触件特征时在步骤508中形成弹簧片材通孔，例如，如图8b的接触件结构802示出的。图9d示出具有弹簧片材通孔942的接触件布置940，该通孔填充有从层908被挤出的粘合剂材料。
如图9e(该图描绘在有(950)和没有(952)流动限制器的情况下基板中的接触臂的载荷-位移曲线)中示出的，不具有流动限制器的接触件弹性刚度更大，需要较大的力来位移通过给定距离。
在步骤518的另一变体中，粘合剂层和弹簧片材通孔制作成产生挤出凸起，该挤出凸起突出到弹簧片材的基部表面上方。通过适当布置通孔的位置，挤出凸起可以至少部分地形成在用弹簧片材形成的接触件阵列中的接触臂的下方。例如，在具有图9c中示出的构造的轧制梁(rolling beam)接触件的阵列中，层908的挤出部分可形成为凸起或区域(见区域934)，该凸起或区域的顶表面相对于基板表面的其它部分隆起并且其隆起的表面位于接触臂902的远端903下方，使得当接触臂由于接触外部部件而位移时凸起充当用于接触臂902的硬止动件。
在可选的步骤520中，在与步骤518中使用的基板表面相对的基板表面上重复步骤518的过程，从而获得这样的基板，该基板的相对侧连接有包含接触件阵列的弹簧片材。
接触件阵列可以布置成使得阵列中的每个接触件在它电连接到其上的相应传导性过孔附近或在离开该传导性过孔一定距离处布置在内插器基板上。
在本发明的其它构造中，在518的粘接步骤期间，弹簧片材可以连接到内插器基板使得接触件的基部不位于过孔附近。在这种情况下，形成在弹簧片材中的接触件的阵列可以在不包含过孔的基板的部分上方延伸。在粘接步骤518和520期间，可相对于基板过孔布置接触件的阵列，使得接触件的接触臂相对于相应接触臂要电连接到其上的过孔被定位并且沿任何希望方向延伸。这样，因为接触件可定位成远离过孔，因此接触臂设计和长度不需要受过孔尺寸和过孔间隔约束。这有利于增加接触臂的梁长度并且因此增加接触件的工作范围，相对照其基部围绕过孔形成并且其远端形成在过孔上方的接触件，该接触件将接触臂长度限制为过孔直径(见图10a-b，下面进一步论述后者的例子)。
在步骤522中，对内插器基板进行镀覆过程。镀覆过程用于镀覆基板表面的希望部分，该希望部分可包括顶和底表面以及连接顶和底表面的过孔(它可能已经被镀覆)。这可用于提供例如布置在基板的相对侧上的弹簧片材之间，并且因此，基板的相对侧上的接触元件之间的电连接。因此，从一个基板表面延伸到另一个表面的过孔变得镀覆有延伸到传导性片材的传导性层。在留在基板的一个或两个表面上的接触件随后被单个化(通过在包围每个接触件的区域中蚀刻完全穿过弹簧片材的厚度而被电隔离)之后，镀覆的过孔可用作布置在基板的相对表面上的指定的单个化的接触件之间的电连接路径。
优选地，在进行镀覆之前的预备子步骤中，使用高压Al₂O₃擦洗工艺来去除碎片和粗糙化要被镀覆的表面，从而制备内插器基板以便镀覆。
镀覆过程可在两个步骤中进行。在第一步骤中，执行相对薄的无电镀覆。在一个变体中，第一步骤包括形成碳种子层。在第二步骤中，执行电镀过程。步骤522可用于例如形成连续的传导性层，该传导性层将传导性过孔连接到布置在粘合剂层的顶部上的弹簧片材，该粘合剂层将弹簧片材与传导性层涂覆的过孔分离，这引起接触件从过孔最初电隔离，如图11中示出的。
图11示出根据本发明的一种构造布置的内插器1100的一部分的剖视图。图11的布置对应于步骤520之后且步骤522之前的加工阶段。在示出的内插器1100部分中，两个传导性过孔1102从外表面1106到外表面1108延伸穿过基板1104。如在此使用的术语“外表面”或“基板表面”指内插器的基本上平面的表面和相对平坦的表面，也称为顶或底表面。显然的是，内插器1100可包括数十、数百、或数千传导性通孔1102，这些传导性通孔可布置成例如二维X-Y图案。过孔1102可以为例如圆柱形形状。过孔1102可以有规律地间隔开，但不需要如此间隔开。对于过孔的任何X-Y阵列，沿X方向的间隔可以不同于沿Y方向的间隔。
传导性过孔1102包括布置在过孔的竖直表面上的传导性层1110。在示出的示例性内插器中，传导性层1110与表面传导性路径1112一起形成从基板表面1106延伸到基板表面1108的连续的金属层。
表面传导性路径1112可包括金属覆层材料并且电连接到过孔传导性层1110。内插器1100还包括由图中不可见的传导性片材形成的弹性接触件1114。在图11中示出的构造中，弹性接触件1114形成在基板1104的两侧(顶和底表面)上。然而，在其它构造中，接触件1114可形成在基板1104的单个侧上。弹性接触件1114包括接触臂部分1116和基部1118，接触臂部分和基部可根据上述方法形成并且在下面的论述中被进一步描述。接触臂1116电耦合到基部1118，虽然不在示出的横截面的平面中。虽然接触臂1116位于表面传导性路径1112的正上方，但接触件的基部1118明显地通过粘合剂层1120与传导性路径1112电隔离。因此，在步骤522中进行的镀覆过程用于形成桥接层1110、1112和接触件1114之间的间隙的传导性层。这样做时，连续路径可形成在布置在基板的相对侧上的成对的接触件1114之间。
图12示出根据本发明的一个方面在接触件1224和传导性过孔1226之间形成传导性路径1222之后的接触件结构1220。
在步骤524中，光刻胶材料被施加到包含弹簧片材的基板并且使抗蚀剂层形成图案以在弹簧片材中限定单个接触元件。换句话说，使抗蚀剂层形成图案使得接触臂之间的弹簧片材的希望部分不由抗蚀剂保护，而在显影之后接触臂和附近部分由抗蚀剂保护。在两表面上施加有弹簧片材的基板的情况下，在基板两侧上都执行这个步骤。
在步骤526中，执行完全移除弹簧片材的暴露部分的蚀刻，使得弹簧片材中的单个接触件变得彼此电隔离(单个化)。接触件通过在单个化形成图案过程中限定的基部保持固定到基板，使得基部(以及接触臂)在蚀刻期间覆盖有抗蚀剂。如上所述，这个过程也可在弹簧片材中限定从接触件到过孔的传导性路径。
因此，单个化的接触件与其它接触件且与弹簧片材隔离，但可通过前述步骤522维持电连接到相应传导性过孔。
如果单个化的接触件要电连接到不位于接触件下方的过孔，则暴光和显影的抗蚀剂层的图案可包括限定从接触件基部区域到过孔的传导性路径的剩余的抗蚀剂部分。例如，形成图案的弹簧片材可包括具有过孔的近似形状和尺寸的孔并且当弹簧片材粘接到基板时放置在过孔上方。因此，弹簧片材将延伸到过孔的边缘并且可以在步骤522中连接到传导性过孔。在包含在弹簧片材中并且定位成离开孔一定距离的接触件的单个化期间，通过蚀刻要构成接触件基部的弹簧片材的部分的紧邻周围的弹簧片材，基部可以与其它接触件隔离。然而，在限定从基部到传导性过孔的路径的单个化步骤期间，可保护弹簧片材的一部分，因此将基部链接到传导性过孔。
在一个变体中，其中单个化的接触件的基部要连接到在粘合剂层的下方形成在内插器基板的表面上的传导性路径的端部，可去除邻近接触件基部的粘合剂层的选定区域以暴露传导性迹线，并且随后的镀覆过程用于连接迹线到基部接触件。
在去除抗蚀剂之后，在步骤528中，执行无电镀覆过程以精整接触元件。无电镀覆包括例如镍/金叠层(软金)。无电镀覆设计成添加涂层到接触件。这样，在本发明的一种构造中，如图13中示出的，弹性接触臂1302包含典型地1-3密耳厚的诸如铍-铜的弹性芯1304，该弹性芯接连地由分别具有0.3-0.5密耳和0.05-0.15密耳的范围内的典型厚度的镀覆的铜层1306和镍-金层1308涂覆。镀覆的铜和镍-金层优选地具有不会显著降低接触臂的弹性的厚度。
在步骤530中，覆盖层施加到具有隔离的弹性接触件的阵列的基板。覆盖层是薄的半刚性材料，例如包括面对基板并形成到基板的粘接的丙烯酸粘合剂层和诸如Kapton的上层的双层材料。覆盖层材料设计成在邻近接触臂的区域中封装接触件。图14示出包括接触件1404上的覆盖层1402的接触件结构1400。
覆盖层优选地设置有可以匹配到位于下面的基板的孔，使得覆盖层材料不会明显地在接触件的接触臂的上方或布置在基板中的过孔的上方延伸。覆盖层材料可以在接触件的基部的上方延伸到弹性接触件从内插器基板表面的平面抬起的区域。通过精确定位覆盖层开口的端部，可以修改作用在接触臂上的来自覆盖层的反力的大小，使得接触臂的远端比覆盖层不存在的情况保持在基板表面上方更远距离处。覆盖层用于提供力以当力施加到接触臂时约束接触件的基部，防止接触件旋转和从基板分离。这种约束力具有将接触件的远端保持在基板的表面的上方更远距离处的附加效果，对于大约40密耳的尺寸范围内的接触件，这可将接触件工作距离增加大约10％。
如图5b中描绘的，根据本发明的不同方面，涉及的示例性步骤与图5a中到步骤524且包括步骤524概述的那些步骤相同。
在步骤550中，执行弹簧片材的部分蚀刻。执行该蚀刻使得弹簧片材的大部分被去除，其中接触件几乎被单个化。例如，弹簧片材的蚀刻部分的相对深度可以是弹簧片材厚度的40-60％。
在步骤552中，剥离抗蚀剂。
在步骤554中，抗蚀剂被再次施加到弹簧片材并且使抗蚀剂形成图案使得仅仅基板的先前蚀刻的(暴露的)部分在曝光和显影之后被掩盖。
在步骤556中，基板暴露到电镀过程，诸如铜/镍/金(硬质金)过程。这用于涂覆在抗蚀剂显影之后被暴露的接触臂和接触臂附近的接触件的若干部分。
在步骤558中，去除抗蚀剂以暴露先前部分蚀刻的划线。
在步骤560中，在涂覆接触臂和邻近区域的电解镍/金作为保护性硬掩模的情况下，内插器基板经受蚀刻，使得包含弹簧片材薄层的接触件之间的区域被完全去除，导致单个化的接触件。
在步骤562中，施加覆盖层材料。
图15示出了根据本发明的另一方面的用来形成阵列连接器的方法中包括的示例性步骤。在图15中概述的步骤可用于例如制造单侧阵列连接器。根据图15的过程制造的阵列连接器可形成在诸如PCB板、硅片或陶瓷基板的非金属基板上。如在此使用的术语“非金属基板”指为差的电导体或电绝缘体的基板，并且可包括半导体基板以及电绝缘基板。
在图15中概述的并且参考下面说明的图16a-19h在几个变型中公开的方法便于制造这样的弹性接触件阵列，与具有弹性接触件的目前连接器的毫米量级相比，该弹性接触件阵列具有微米或几十微米量级的接触件尺寸和间距。半导体技术的发展已经导致缩小半导体集成电路中的尺寸，并且特别地减小硅片或半导体封装上的接触点的间距。半导体装置上每个电接触点(也称为“引脚”)之间的间距即间隔，在某些应用中显著减小。例如，半导体晶片上的接触焊盘可具有250微米(10密耳)或更小的间距。在250微米间距水平，使用常规技术来制造到这些半导体装置的可分离电连接是非常困难的且惊人地昂贵。在半导体装置上的接触焊盘的间距减小到50微米以下并且需要同时连接到阵列中的多个接触焊盘时，这个问题变得更加关键。
在步骤1500中，非传导基板在基板的表面上设置有多个三维支撑结构。在参考图16a-19h的下面论述中公开用于形成三维支撑结构的示例性过程的细节。在基板为硅片的一个例子中，通过沉积坯料支撑层、以平版印刷的方式使该支撑层形成图案并且选择性地去除该支撑层的若干部分，可形成三维支撑结构。支撑层的剩余部分形成可用于限定弹性接触件的三维支撑特征。因为使用精细特征的掩模的半导体平版印刷过程可以在使支撑层形成图案的步骤中使用，因此三维支撑特征可具有大约数微米或更小的横向尺寸。因此，部分地由支撑特征限定的接触臂可被制造成具有类似于支撑特征的尺寸。
然而，步骤1502的过程也可用于设置有例如传导性过孔的PCB式基板。布置在PCB式基板上的三维支撑特征的大小可以向着适当接触件尺寸被定制以便用在PCB基板上。
在步骤1502中，传导性弹性接触件前体层被沉积在设置有支撑特征的基板上。术语“传导性弹性接触件前体层”指金属材料，该金属材料通常在基板的顶部上形成为层，并且典型地至少部分共形，使得连续层形成在基板的平坦部分上以及在三维支撑特征上。术语“前体”用于指示金属层是最终弹性接触件的前体，因为最终弹性接触件由该金属层形成。金属前体层的机械性质使得一旦形成接触臂就可获得希望的弹性。金属层可以是例如铍铜合金。
在步骤1504中，使金属层形成图案以形成受支撑的弹性接触件结构。术语“受支撑的弹性接触件结构”指这种结构具有接触件阵列的最终弹性接触件的大致形状和尺寸，但不是自由直立。换句话说，接触臂的至少一些部分布置在支撑结构的顶部上并且不自由运动。形成弹性接触件支撑结构的金属层图案形成也可用于单个化接触件结构。在这种情况下，如在单个化上述弹簧片材的情况下那样，通过去除弹性接触件之间的金属层的至少一些部分，单个接触件结构与其它接触件结构电隔离。
在步骤1506中，选择性地去除支撑结构，留下三维接触件的阵列，该三维接触件具有在基板表面上方延伸的接触臂，并且其形状部分地由已移除的三维支撑结构限定。
如下面描述的，上述方法的许多变型是可能的。例如，基板可设置有内部传导性路径，该内部传导性路径形成连接到基板表面上的弹性接触件的电路。另外的传导性层可在支撑层的下方布置在基板上，其用于延伸接触件的基部。
根据本发明的另一方面，一种用来形成具有接触元件的阵列的连接器的方法包括：提供基板；在基板上形成支撑层；使支撑层形成图案以限定支撑元件的阵列；各向同性地蚀刻支撑元件的阵列以在每个支撑元件的顶部上形成圆角；在基板上且在支撑元件的阵列上形成金属层；和使金属层形成图案以限定接触元件的阵列，其中每个接触元件包括基板上的第一金属部分和从第一金属部分延伸并且部分跨越相应支撑元件的顶部的第二金属部分。该方法还包括去除支撑元件的阵列。这样形成的接触元件的阵列各包括连接到基板的基部和从基部延伸并且具有在基板的上方突出的远端的弯曲弹簧部分。弯曲弹簧部分形成为具有相对于基板表面的凹入曲度。
根据本发明的另一方面，一种用来形成包括接触元件的阵列的连接器的方法包括：提供基板；在基板上提供传导性粘合层；在传导性粘合层上形成支撑层；使支撑层形成图案以限定支撑元件的阵列；各向同性地蚀刻支撑元件的阵列以在每个支撑元件的顶部上形成圆角；在传导性粘合层上且在支撑元件的阵列上形成金属层；使金属层和传导性粘合层形成图案以限定接触元件的阵列。每个接触元件包括形成在传导性粘合部分上的第一金属部分和从第一金属部分延伸并且部分跨越相应支撑元件的顶部的第二金属部分。该方法还包括去除支撑元件的阵列。
图16a到16h示出根据本发明的一个方面的用来形成包含弹性接触件阵列的连接器的加工步骤。参考图16a，提供基板102，接触元件要形成在该基板上。基板1602是例如硅片或陶瓷片，并且可包括形成在其上的电介质层(1604)。如上所述，SOS、SOG、BPTEOS或TEOS层的电介质层可形成在基板1602上以便将接触元件与基板1602隔离。然后，支撑层1604形成在基板1602上。支撑层1604可以是沉积的电介质层(诸如氧化物或氮化物层)、旋转涂覆的电介质、聚合物、或任何其它合适的可蚀刻的材料。在一种构造中，支撑层1604通过化学汽相沉积(CVD)工艺沉积。在另一种构造中，支撑层1604通过等离子体汽相沉积(PVD)工艺沉积。在又一种构造中，支撑层1604通过旋转涂覆过程沉积。在又一种构造中，当基板1602不由电介质层或传导性粘合剂层覆盖时，可以使用半导体制造中常用的氧化工艺来生长支撑层。
在沉积支撑层1604之后，掩模层1606形成在支撑层1604的顶表面上。掩模层1606结合常规平版工艺使用，以使用掩模层1606在支撑层1604上限定图案。在掩模层被印刷和显影之后(图16b)，包括区域1606a到1606c的掩模图案形成在支撑层1604的表面上，限定支撑层1604的要被保护以免受后续蚀刻的区域。
参考图16c，将区域1606a到1606c用作掩模执行各向异性蚀刻过程。作为各向异性蚀刻过程的结果，未被形成图案的掩模层覆盖的支撑层1604被去除。因此，形成支撑区域1604a到1604c。包括区域1606a到1606c的掩模图案随后被去除以暴露支撑区域(图16d)。
参考图16e，支撑区域1604a到1604c随后经受各向同性蚀刻过程。各向同性蚀刻过程沿竖直和水平方向以大体上相同的蚀刻速率去除受蚀刻的材料。因此，作为各向同性蚀刻的结果，支撑区域1604a到1604c的顶角部被修圆，如图16e中所示。在一种构造中，各向同性蚀刻过程是使用SF6、CHF3、CF4或常用于蚀刻电介质材料的其它熟知化学物质的等离子体蚀刻过程。在替代构造中，各向同性蚀刻过程是湿蚀刻过程，诸如使用缓冲氧化物蚀刻剂(BOE)的湿蚀刻过程。
然后，参考图16f，金属层1608形成在基板1602的表面和支撑区域1604a到1604c的表面上。金属层1608可以是铜层或铜合金(Cu合金)层或诸如涂覆有铜-镍-金(Cu/Ni/Au)的钨的多层金属沉积。在优选构造中，接触元件使用小晶粒铜铍(CuBe)合金形成并且随后镀覆有无电镍-金(Ni/Au)以提供非氧化表面。可以通过CVD过程、通过电镀、通过溅射、通过物理汽相沉积(PVD)或使用其它常规金属膜沉积技术来沉积金属层1608。掩模层被沉积并且使用常规平版印刷工艺形成图案，从而形成掩模区域1610a到1610c。掩模区域1610a到1610c限定金属层1608的要被保护以免受后续蚀刻的区域。
然后，图16f中的结构经受蚀刻过程以便去除未被掩模区域1610a到1610c覆盖的金属层。结果，如图16g中所示，形成金属部分1608a到1608c。金属部分1608a到1608c的每一个包括形成在基板1602上的基部和形成在相应支撑区域(1604a到1604c)上的弯曲弹簧部分。因此，每个金属部分的弯曲弹簧部分呈现位于下面的支撑区域的形状，在基板表面上方突出并且具有曲度，当接合接触点时该曲度提供滑触作用。
为完成连接器，去除支撑区域1604a到1604c(图16h)，诸如通过使用湿蚀刻或各向异性等离子体蚀刻或其它蚀刻工艺。如果使用氧化物层形成支撑层，则缓冲氧化物蚀刻剂可用于去除支撑区域。结果，自由直立的接触元件1612a到1612c形成在基板1602上。
本领域技术人员在了解本发明之后将理解上述加工步骤的许多变型可以用来制造本发明的连接器。例如，可定制各向同性蚀刻过程的化学物质和蚀刻状态以在支撑区域中提供希望形状使得这样形成的接触元件具有希望曲度。这样，因为通过改变接触件形状可改变接触件性质，因此上述加工步骤提供了一种通过促进蚀刻接触元件以获得希望形状的能力用来定制接触件性质的方法。此外，本领域技术人员将理解，通过使用半导体加工技术，连接器可制造为具有多种性质的接触元件。例如，可以以第一间距形成第一组接触元件，同时可以以大于或小于第一间距的第二间距形成第二组接触元件。如将在下面更详细地描述的，接触元件的电和机械性质的其它变型是可能的。
图17a到17h示出用来形成根据本发明的一种构造的连接器的加工步骤。图17a到17h中示出的加工步骤大体上与图16a到16h中示出的加工步骤相同。然而，图17a到17h示出可使用适当设计的掩模图案制造不同构造的接触元件。
参考图17a，支撑层1724形成在基板1722上。掩模层1726形成在支撑层上以便限定掩模区域用来形成连接器。在本构造中，掩模区域1726a和1726b(图17b)布置成靠近在一起，以允许形成包括两个弯曲的弹簧部分的接触元件。
在使用掩模区域1726a和1726b作为掩模执行各向同性蚀刻过程之后，形成支撑区域1724a和1724b(图17c)。去除掩模区域以暴露支撑区域(图17d)。然后，支撑区域1724a和1724b经受各向同性蚀刻过程以成形这样的结构，使得支撑区域的顶表面包括圆角(图17e)。
金属层1728沉积在基板1722的表面和支撑区域1724a和1724b(图17f)的顶表面上。在金属层1728上限定包括区域1730a和1730b的掩模图案。在使用掩模区域1730a和1730b作为掩模蚀刻金属层1728之后，形成金属部分1728a和1728b(图17g)。金属部分1728a和1728b的每一个包括形成在基板1722上的基部和形成在相应支撑区域(1724a或1724b)上的弯曲弹簧部分。每个金属部分的弯曲弹簧部分呈现位于下面的支撑区域的形状，在基板表面上方突出并且具有曲度，当接合接触点时该曲度提供滑触作用。在本构造中，金属部分1728a和1728b的远端形成为彼此面对。为完成连接器，去除支撑区域1724a到1724b(图17h)。结果，自由直立的接触元件1732形成在基板1602上。在图17h的剖视图中，接触元件1732的两个金属部分显示为未连接。然而，在实际实施中，诸如通过围绕接触元件形成环而连接金属部分的基部，或者可通过形成在基板1722中的传导性层连接基部。
图18a到18h示出用来形成根据本发明的替代构造的连接器的加工步骤。参考图18a，提供包括预定义的电路1845的基板1842。预定义的电路1845可包括典型地形成在基板1842中的互连的金属层或其它电装置，诸如电容器或电感器。在本构造中，电路1845的顶部金属部分1847在基板1842的表面处暴露。顶部金属部分1847形成在基板1842的顶表面以连接到要形成的接触元件。为形成希望的接触元件，支撑层1844和掩模层1846形成在基板1842的顶表面上。
以与上面参考图17a到17h描述的类似的方式进行加工步骤。掩模层1846形成图案(图18b)并且因此蚀刻支撑层1844以形成支撑区域1844a和1844b(图18c)。去除掩模区域以暴露支撑区域(图18d)。然后，执行各向同性蚀刻过程以修圆支撑区域1844a和1844b的顶角部(图18e)。金属层1848沉积在基板1842的表面上并且在支撑区域上方(图18f)。金属层1848形成在顶部金属部分1847上方。结果，金属层1848电连接到电路1845。
金属层1848通过掩模层1850形成图案(图18f)并且经受蚀刻过程。因此形成远端彼此指向的金属部分1848a和1848b(图18g)。去除支撑部分1844a和1844b以完成接触元件1852的制造(图18h)。
如因此形成的，接触元件1852电连接到电路1845。以这种方式，本发明的连接器可提供附加功能。例如，电路1845可形成为电连接某些接触元件。电路1845也可用于将某些接触元件连接到形成在基板1842中或基板1842上的诸如电容器或电感器的电装置。
作为集成电路制造过程的一部分制造接触元件1852提供了另外优点。具体地，连续的电路径形成在接触元件1852和位于下面的电路1845之间。在接触元件和相关联的电路之间不存在金属不连续或阻抗失配。在一些现有技术连接器中，金接合线用于形成接触元件。然而，这种结构导致总材料和横截面不连续以及接触元件和位于下面的金属连接之间的界面处的阻抗失配，导致不希望的电性质和差的高频操作。本发明的接触元件没有常规连接器系统的局限性，并且使用本发明的接触元件构建的连接器可用于苛求的高频和高性能应用。特别地，本发明提供不具有针式连接元件的连接器，在以高的频率传输电信号期间，该针式连接元件可充当天线。另外，基部和弹性部分由共同的片材形成的弹性接触件的整体结构减小沿连接器的传导路径的电阻抗失配，因此改善高频性能。
图19a到19h示出用来形成根据本发明的替代构造的连接器的阵列的加工步骤。图16a到16h和19a到19h中的相似元件被给予相似附图标记以简化说明。根据图19a-h中概述的步骤制造的连接器的接触元件在接触元件的基部中包括传导性粘合层，以便改善接触元件到基板的粘合。
参考图19a，提供基板1602，接触元件要形成在该基板上。基板1602可以是硅片或陶瓷片，并且可包括形成在其上的电介质层(图19a中未示出)。传导性粘合层1903沉积在基板1602上或者如果存在电介质层的话沉积在电介质层的顶部上。传导性粘合层1903可以是诸如铜铍(CuBe)或钛(Ti)的金属层，或者传导性的基于聚合物的粘合剂，或其它传导性粘合剂。然后，支撑层1604形成在粘合层1903上。支撑层1604可以是沉积的电介质层(诸如氧化物或氮化物层)、旋转涂覆的电介质、聚合物、或任何其它合适的可蚀刻的材料。
在沉积支撑层1604之后，掩模层1606形成在支撑层1604的顶表面上。掩模层1606结合常规平版印刷过程使用，以使用掩模层1606在支撑层1604上限定图案。在掩模层被印刷和显影之后(图19b)，包括区域1606a到1606c的掩模图案形成在支撑层1604的表面上，限定支撑层1604的要被保护以免受后续蚀刻的区域。
参考图19c，将区域1,606A到1606c用作掩模执行各向异性蚀刻过程。作为各向异性蚀刻过程的结果，未被形成图案的掩模层覆盖的支撑层1604的若干部分被去除。各向异性蚀刻过程停止于传导性粘合层1903上或者部分传导性粘合层1903中。因此，传导性粘合层1903在各向异性蚀刻过程之后保留。因此，支撑区域1604a到1604c形成在传导性粘合层上。包括区域1606a到1606c的掩模图案随后被去除以暴露支撑区域(图19d)。
参考图19e，支撑区域1604a到1604c随后经受各向同性蚀刻过程。各向同性蚀刻过程沿竖直和水平方向以大体上相同的蚀刻速率去除受蚀刻的材料。因此，作为各向同性蚀刻的结果，支撑区域1604a到1604c的顶角部被修圆，如图19e中所示。
00199然后，参考图19f，金属层1608形成在传导性粘合层1903的表面和支撑区域1604a到1604c的表面上。金属层1608可以是铜层或铜合金(Cu合金)层或诸如涂覆有铜-镍-金(Cu/Ni/Au)的钨的多层金属沉积。在优选构造中，接触元件使用小晶粒铜铍(CuBe)合金形成并且随后镀覆有无电镍-金(Ni/Au)以提供非氧化表面。可以通过CVD过程、通过电镀、通过溅射、通过物理汽相沉积(PVD)或使用其它常规金属膜沉积技术来沉积金属层108。掩模层被沉积并且使用常规平版印刷工艺形成图案为掩模区域1610a到1610c。掩模区域1610a到1610c限定金属层1608的要被保护以免受后续蚀刻的区域。
然后，图19f中的结构经受蚀刻过程以便去除未被掩模区域1610a到1610c覆盖的金属层和传导性粘合层的若干部分。结果，如图19g中所示，形成金属部分1608a到1608c和传导性粘合部分1903a到1903c。金属部分1608a到1608c的每一个包括形成在相应传导性粘合部分上的基部和形成在相应支撑区域(1604a到1604c)上的弯曲弹簧部分。因此，每个金属部分的弯曲弹簧部分呈现位于下面的支撑区域的形状，在基板表面上方突出并且具有曲度，当接合接触点时该曲度提供滑触作用。每个金属部分的基部连接到相应的传导性粘合部分，该传导性粘合部分用于增强每个基部到基板1602的粘合。
为完成连接器，去除支撑区域1604a到1604c(图19h)，诸如通过使用湿蚀刻或各向异性等离子体蚀刻或其它蚀刻工艺。如果使用氧化物层形成支撑层，则缓冲氧化物蚀刻剂可用于去除支撑区域。结果，自由直立的接触元件1612a到1612c形成在基板1602上。如这样形成的，接触元件1612a到1612c的每一个有效地包括延伸的基部。如图19h中示出的，每个传导性粘合部分用于延伸基部的表面区域以提供更多表面区域以便将接触元件连接到基板1602。如此，可以改善接触元件的可靠性。
如本领域技术人员将理解的，图16a-19h中概述的工艺流程的一些细节可根据用于连接器的基板的类型被定制。例如，用于沉积在接触件阵列基板上的层的加工温度可根据基板耐受高温加工的能力被调节。类似地，沉积过程的类型可被选择从而与基板类型具有最大相容性。例如，对于具有很高除气率的基板，不需要高真空环境的沉积过程将是优选的。
一般而言，本发明的构造提供了一种用于高速高性能电子电路和半导体的可缩放的、低成本的、可靠的、顺应的、薄的、低插入力的、高密度的、可分离并且可再连接的电连接。该电连接可用来例如形成从一个PCB到另一PCB、MPU、NPU或其它半导体装置的电连接。
在本发明的一种构造中，提供了一种可分离的且可再连接的接触件系统，用于将电路、芯片、板和封装电连接在一起。该系统的特征在于它的跨越被连接的电路、芯片、板或封装之间的整个分离间隙，即跨越连接系统的厚度的弹性功能。本发明包括梁接点格栅阵列(BLGA)构造但不限于该特别结构设计。
图20a中示出根据本发明的一种构造的示例性阵列。接触臂1015制造在载体层1017中。图20b中的元件1015a、1015b、1015c和1015d分别示出用于接触臂1015的不同设计图案。
在图21中，载体1017示出为通过类似于载体的顶部处的接触臂1015的BLGA接触件滑接器2124与PCB 2120的焊盘2122接触。
图22描绘根据本发明用于BLGA系统的两种不同构造的示例性接触臂设计1015a和1015b的成角度的平面图。
参考图23，示出用于BLGA系统的多个接触臂设计。如提到过的那些，根据下面进一步描述的过程，这些接触件图案也可用于制造诸如内插器或BLGA的接触件阵列装置中的弹簧状(弹性)接触件结构。用于弹性接触件的典型材料是铍/铜。
再参考图10a和10b，示出接触元件1015的一个示例性型式的放大顶视图和侧视图。
参考图10c，示出用于BLGA或内插器系统的示例性的成组接触元件1015的剖视放大视图。例如，该元件可被蚀刻到铍-铜片材中。铍铜(BeCu)合金具有高的强度和良好的弹性。换句话说，BeCu可以在相当大的范围上弹性地变形而没有显著塑性流。BeCu合金可以通过沉淀硬化过程形成，其中富含铍的沉淀物形成在富含铜的基质中。这可以例如在从高的温度缓慢冷却(由于较低温度下铍的溶解度降低，这可引起富含铍的相从铜基质沉淀)期间发生。因此，在本发明的一种构造中，包括铍铜合金的接触元件1015可以在大范围上以重复的方式弹性位移而没有塑性变形。
图24示出根据本发明的另一构造布置的接触件的示意顶视图。在这种布置中，接触件2402包括两个螺旋形接触臂2404。
图25a到25d是用来形成根据本发明的一种构造的接触元件的类似方法2500的流程图。将在说明方法2500的上下文中说明图26-29b。方法2500也涉及使用掩蔽、蚀刻、成形和层叠技术批量制造接触元件。方法2500产生多个良好设计的电接触件，该电接触件能够用在可分离连接器中，诸如用在内插器中，或者该接触件可直接集成到基板中作为连续迹线，该迹线以后充当永久板上连接器。然而，不使用另外的掩蔽和蚀刻步骤来形成三维弹簧部分，相反，它们是在平坦的阵列上产生然后形成为三维形状。
首先，选择用于接触件的片材的基本弹簧材料，诸如铍铜(Be-Cu)、弹簧钢、磷青铜、或具有合适机械性质的任何其它材料(步骤2502)。材料的适当选择使接触元件能够被设计成具有希望的机械和电性质。基本材料的选择中的一个因素是材料的工作范围。工作范围是位移的范围，在该位移的范围上，接触元件满足接触力(载荷)和接触电阻规格。例如，假定希望的接触电阻小于20毫欧并且最大允许接触载荷是40克。如果接触元件在10克的载荷下达到小于20豪欧的电阻范围，随后对于梁构件继续增大到40克的最大载荷，同时保持小于20豪欧的电阻，则接触元件在10克和40克的载荷之间行进的距离将是该接触件的工作范围。
片材可以在后续加工之前被热处理(步骤2504)。为片材选择的材料的类型决定在该过程中的这一点上是否加热该片材。执行加热以将材料从半硬状态转变到提供希望机械性质的硬状态或高度张力状态以便形成接触件。
接触元件被设计并且被复制成阵列形式，以便用于批量加工(步骤2506)。阵列中的接触件的数量是设计选择，并且可以根据连接器要求而改变。该阵列被重复成类似于半导体晶片中的芯片或裸片的面板格式，导致适于批量加工的可缩放的设计。在已经完成接触件设计之后(通常在CAD绘图环境中)，该设计被输出到Gerber格式，Gerber格式是翻译器，该翻译器使该设计能够被输出到制造设备以产生要用于后续步骤的原版幻灯片或薄膜。
面板格式可具有一个接触件和大量接触件之间的任何数量的接触件，因为平版印刷的使用允许将高密度的接触件放置到面板上。接触件的这种高密度提供的胜于已有方法的优点在于，与冲压和成形单个接触件相反，批量工艺可用于单个化接触件。方法2500允许大量接触件立即被形成图案、显影和蚀刻。
然后，平版印刷敏感抗蚀剂薄膜施加到片材的两侧(步骤2508和图26)。干薄膜可用于从1到20密耳范围的较大特征尺寸，并且液体抗蚀剂可用于小于1密耳的特征尺寸。
使用步骤2506中限定的工艺图，片材的顶部和底部暴露到紫外(UV)光并且随后显影以在抗蚀剂中限定接触特征(步骤2510和图26)。要被蚀刻的部分保持不受掩模保护。使用平板印刷工艺来限定接触元件实现类似于半导体制造中可见的以高分辨率印刷线。
然后，在为正被使用的材料特别选择的溶液中蚀刻片材(步骤2512)。可被选择用于片材的每种特别材料典型的具有与其关联的特别的蚀刻化学性质以提供最佳的蚀刻特性，诸如蚀刻速率(即，该溶液以多好的状态和多快的速度执行蚀刻)。在生产能力方面这是重要的考虑因素。选定的蚀刻剂也实现其它特性，如侧壁轮廓，或在横截面中观察的特征的平直度。在方法2500中，使用工业中常用的化学物品，诸如氯化铜、氯化铁和硫的氢氧化物。在蚀刻后，在剥离工艺中去除抗蚀剂的保护层，在片材中留下蚀刻特征(步骤2514和图28)。
基于在步骤2506中限定的工艺图，设计批量成形工具(步骤2516)。在一种构造中，批量成形工具包括多个球轴承，该多个球轴承布置成阵列形式，优选地通过安置到支撑表面中的开口的阵列中。该球轴承可以具有不同尺寸，从而施加不同的力到接触件，因而给予相同面板上的接触件不同的机械特性。球轴承的曲度用于推动凸缘离开片材的平面。然后，通过将成形工具应用到片材，接触件的凸缘沿所有三个轴形成，从而在批量工艺中产生希望的接触元件(步骤2518)，如下面参考图30-36更详细地论述的。
可热处理片材以纠正成形工艺引起的晶粒位错(步骤2520)。如步骤2504一样，加热步骤2520是可任选的，并且取决于为片材选择的材料。基于要限定在片材上的接触件的材料和尺寸，可执行加热以获得最佳成形条件所希望的物理性质。
然后，表面处理片材以提高粘合性质以便后续层叠工艺(步骤2522)。如果存在不足的粘合，就存在片材从基板分离或分离成层的倾向。可以使用用来执行表面处理的几种方法，包括微蚀刻和黑色氧化物工艺。微蚀刻用于使片材的表面产生凹坑，有效地产生较大的表面面积(通过使该表面粗糙且多坑)以促进更好的粘合。然而，如果微蚀刻没有被适当地控制，它可在片材上导致损坏。
黑色氧化物工艺是涉及自限制反应的替代工艺，在该自限制反应中，在片材的表面上生长氧化物。在这个反应中，氧仅扩散通过设定厚度，因而限制氧化物生长的量。该氧化物具有以凸起的形式的粗糙表面，该粗糙表面有助于促进粘合。微蚀刻或黑色氧化物工艺可用于表面处理步骤，并且优选其中任一种工艺是设计选择。
在挤压之前，借助位于凸缘元件下面的释放凹陷或孔来处理低流动性的粘合材料和电介质芯(步骤2524)。这用于防止材料在层叠工艺期间溢流到凸缘上。如果发生这种流动，接触件性质将改变，因此接触元件不适合于电和机械用途。
以下清单是为层叠挤压产生的典型堆叠(步骤2526)。这种布置可改变成具有作为内部层插入的接触元件。图29a示出该堆叠的每一层。
a.层1是顶部压板材料
b.层2是弹簧接触元件上方的具有释放孔的隔离件材料
c.层3是弹簧接触件上方的具有释放孔的释放材料
d.层4是成形的接触件片材的顶部片材
e.层5是弹簧接触件下方的具有释放孔的粘合材料
f.层6是弹簧接触件的下方和上方的具有释放孔的芯电介质
g.层7是弹簧接触件上方的具有释放孔的粘合材料
h.层8是成形的接触元件的底部片材
i.层9是弹簧接触件下方的具有释放孔的释放材料
j.层10是弹簧接触元件下方的具有释放孔的隔离件材料
k.层11是底部压板材料
在优化为希望的粘合的温度条件下和用于粘合材料的流动条件下来说优化的温度条件下挤压该堆叠(步骤2528和图29b)。在这个操作期间，顶和底接触片材粘接到芯电介质材料。在冷却时期后，从压板移除该堆叠，留下包括层4-8的面板(步骤2530)。
然后，镀覆面板表面和开口以电连接顶和底凸缘(步骤2532)。这个步骤取走顶凸缘并且通过称为无电工艺的镀覆工艺将它电连接到底凸缘。该工艺将传导性材料有效地沉积在顶表面上，沉积到通孔中以连接接触元件的两个片材，并且然后沉积到基板的另一侧上的片材上。该镀覆工艺产生路线以便电流从板的一侧行进到另一侧。
接下来，光敏抗蚀剂薄膜施加到面板的两侧(步骤2534)。图案被曝光并且显影以限定单个接触元件(步骤2536)。然后确定接触件精整类型，硬金或软金(步骤2538)。硬金用于所需插入件数量较大的特别应用，诸如测试插口。硬金自身具有引起金更加耐用的杂质。软金是纯金，因此它实际上没有杂质，并且典型地用于插入件的数量相当小的PCB或互联网空间。例如，到用于PC中的板插口的封装(软金)将典型地出现大约1到20个插入件，而其它使用硬金的技术将出现10和100万之间的插入件数量。
如果接触件精整类型是硬金，则执行部分蚀刻以几乎单个化接触元件(步骤2540)。通过剥离工艺去除抗蚀剂薄膜(步骤2542)。施加新的抗蚀剂的层，覆盖面板的两侧(步骤2544)。先前蚀刻的区域被曝光且显影(步骤2546)。然后，面板通过硬金工艺经受电解铜/镍/金镀覆(步骤2548)。
去除抗蚀剂以暴露先前部分蚀刻的划线(步骤2550)。使用电解镍/金作为硬掩模蚀刻整个面板以完成接触件阵列的单个化(步骤2552)。从面板确定出最终内插器轮廓线以将该面板分成单个连接器阵列(步骤2554)，并且该方法终止(步骤2556)。
如果使用软金精整(步骤2538)，则蚀刻用于彻底单个化接触元件(步骤2560)。通过剥离工艺去除抗蚀剂薄膜(步骤2562)。也称为软金的无电镍/金被镀覆在面板上以完成接触元件(步骤2564)。从面板确定出最终内插器轮廓线以将该面板分成单个连接器阵列(步骤2554)，并且该方法终止(步骤2556)。
软金精整工艺在镀覆之前单个化接触件。镍/金将仅仅镀覆在金属表面上，并且为接触元件提供密封机构。由于金几乎是惰性的，因此这有助于防止在接触件的系统寿命上可能出现的潜在腐蚀活性。在镀覆之前单个化是一种用来隔离或封装铜接触件与另一种金属的手段，导致较整洁的图像和较整洁的接触件，该接触件具有低的短路倾向。
图30示出示例性堆叠3000，该示例性堆叠可用于步骤2518以便三维地批量形成根据本发明的一种构造的弹簧元件。堆叠3000具有作为其底层的底部压板3002。底部压板3002优选地包括至少两个定位销3004或诸如基准孔、边缘或类似物的其它对准装置，以便对准堆叠3000的元件。用于底部压板3002的材料可以是具有足够刚性以支撑用于压缩该堆叠的力而不使压板3002变形的任何材料，例如，钢或铝。虽然堆叠3000被示出为使用两个定位销3004，但可以使用任何数量的定位销。
底部间隔件层3006(在图31中的部分顶视平面图中示出)布置在底部压板3002上方。在一种构造中，底部间隔件层3006由比底部压板3002软的材料(例如，金属或塑料)制成。注意，层3006可以替代地由类似于底部压板3002的材料制成。层3006具有定位孔3008或如上所述的其它合适装置，以对准层3006与底部压板3002。层3006也具有多个孔3010。孔3010的每一个被设计成适当尺寸和形状以保持可配置模具，例如图32的放大视图中描绘的球轴承3012。如在此使用的术语可配置模具指可用于在另一种结构(诸如可变形弹簧)中形成或给予形状的元件。除了球状球轴承外，可配置模具也可以为圆锥形、金字塔形或其它形状。
虽然图30-33中示出的示例性构造利用通孔3010，但可以设置部分地或一直延伸穿过层3006的开口。在本发明的一种构造中，使用照相平版印刷掩模和蚀刻技术，在精确的位置中形成孔3010，以便形成精确匹配特别接触件布置(例如，要被精整的弹簧元件片材接触的装置的接触件布置)的阵列。这种布置可以以微米级精度廉价地完成，能够很快转变以适应各种接触件图案。
球轴承3012或其它可配置模具根据希望图案通过手动或机械装置被放置到孔3010中以形成弹簧元件或圆顶特征，该圆顶特征随后可形成图案并且被蚀刻以形成弹簧元件。球轴承3012可具有轻微的干涉配合使得它们被压且保持在适当位置。如图32和33中示出的，轴承突出的高度可以由孔直径控制。可插入球轴承3012达到它们的中纬线或更远以便稳定性，如图35中示出的。孔3010通常被钻削成略微小于球轴承3012，例如0.025mm或更小。通过将球轴承3012压配合到孔3010中，存在间隔件层3006的轻微弹性变形。这种变形施加间隔件层3006的摩擦力，该摩擦力帮助将球轴承3012保持在适当位置。
在诸如球轴承的一个或更多个可配置模具3012被插入并且压配合到孔3010中之后，间隔件层3006可保持可配置模具，使得包含可配置模具的由此形成的间隔件层可用作模板以便成形可变形片材以在片材中形成弹簧元件。由此形成的模板包含在尺寸和形状上对应于单个可配置模具的在间隔件层3006的平面上方突出、给出三维表面(例如，如图33中描绘的表面3050)的部分的三维特征。
这样，根据最终三维弹簧元件所希望的预定设计，通过改变插在间隔件层3006中的可配置模具的形状和尺寸，可以定制表面3050的特征的形状和尺寸。例如，预定设计可以要求弹簧元件当在横截面中观察时具有圆形弧的形状，如图35中的层3014所示。因此，球形或圆柱形模可用于给出这种设计。此外，如果设计要求弹簧元件从平面突出预定距离，则可配置模具在模板的平面表面部分的上方突出的高度可相应地改变。
球轴承3012或其它可配置模具可由硬化的工具钢或不锈钢制成并且根据要形成的弹簧元件的希望特性在直径上可改变。球轴承3012也可由任何其它合适材料制成，诸如AL 6061、AL 76075、铬钢或碳化钨。作为例子，球轴承3012在直径上可从近似0.3mm变动到近似127.0mm。球轴承3012插入到层3006中的深度由底部压板3002限制。球轴承3012插入的深度(如图32和33中示出的)也可以改变以向单个弹簧元件提供不同的弹簧特性。另外，不同尺寸或形状的球轴承3012或其它可配置模具可用于实现不同弹簧特性。
在一种构造中，具有用来与定位销3004对准的定位孔3016或其它对准装置的弹簧元件片材3014放置在球轴承3012或其它可配置模具的顶部上。片材3014包含二维地限定的弹簧元件并且可以通过包括蚀刻或冲压的各种方法来形成。具有二维地限定的元件的弹簧元件片材的例子在图34中被示出。同样参考图25b，在这种构造中，步骤2518的成形工具因此包括层3002、3006、3012、3018和3024，这些层被施加到片材3014以形成三维弹簧元件，该三维弹簧元件例如以阵列的形式布置在片材3014中。
再次参考图30，可配置模具3012可以以二维图案布置在间隔件层3006中，使得当模板(未示出)与弹簧片材3014接触时，获得的模板中的模位置对应于布置在弹簧片材3014中的二维弹簧元件的至少一些的位置。因此，如果用户确定弹簧片材3014中的二维弹簧元件(见图34)每隔一个要形成为三维弹簧元件，则放置在间隔件层3006中的可配置模具3012的图案被相应的布置。这样，可配置模具3012仅使希望变形为三维弹簧元件的二维弹簧元件变形。通过添加或去除导致接触件的新的形状或尺寸的模具的区域，可容易地改变构造。
在图36a中示出的替代构造中，可以使用没有预定义的弹簧元件的弹簧元件片材3014’。弹簧元件片材3014’是仅具有将片材3014’对准到其它层的定位孔3016’的空白的弹簧元件片材。除了下面注明的，本发明以相同的方式操作，而与使用片材3014还是使用片材3014’无关。仅仅为了论述的目的，另外的论述将仅仅涉及片材3014，但同样适用于片材3014’。
如图30中示出的，顶部间隔件层3018放置在片材3014的顶部上。顶部间隔件层3018具有用来对准层3018和定位销3004的定位孔3020，或如上所述的其它对准装置。顶部间隔件层3018也可包含与可配置模具3012互补的多个开口3022，弹簧元件通过该开口形成。如在此使用的，术语“互补”表示当顶部间隔件层3018与弹簧片材3014接触时开口3022大体上与可配置模具3012的若干部分对准。因此，当顶部间隔件层3018接触弹簧片材3014并且使其在可配置模具3012上变形时弹簧片材3014围绕可配置模具3012的局部变形可以大体上容纳在开口3022中。
顶部间隔件层3018可由与底部间隔件层3006类似或不同的材料构造。层3018中的开口3022可以小于、等于或大于底部间隔件层3006中的孔3010。这样，对弹簧元件的最终形状的一些控制可以通过改变开口3022的尺寸来实现。此外，顶部间隔件层3018的厚度也可有助于确定片材3014的表面上方的弹簧元件的最终高度。
替代地，间隔件层3018由大体上可绕可配置模具3012顺应变形的柔顺材料(例如，硅橡胶)制成以便在可配置模具3012的接触区域上形成弹簧元件，如图35中所示。这样，如图35中所示，层3018可以最初包括具有一致厚度的层，该层可以通过表面3019的变形顺应三维形状。
再参考图30，在替代构造中，顶部间隔件层3018可设计为具有多个开口的顶部间隔件片材，可配置模具在定义的位置被压到该开口中。这样，顶部间隔件层3018形成第二模板(未示出)，该第二模板可用于在片材3014的平面的下方形成弹簧元件。这样，当层3018和层3006与弹簧片材3014接触时，可在弹簧片材3014的平面的上方和下方形成弹簧元件。顶部间隔件层3018中的可配置模具的图案布置成使得单个模具的位置不对应于底部间隔件片材3006中的可配置模具的相同平面位置。就是说，弹簧片材3014的任何平面位置(诸如二维弹簧元件的位置)可被顶部间隔件层3018或底部间隔件片材3006(但不是两者)中的可配置模具接触。因此，布置在顶部间隔件或底部间隔件上的每组可配置模具的每个可配置模具对应于弹簧片材3014中的唯一的弹簧元件位置。因此，当堆叠300聚在一起时，要形成为三维弹簧元件的每个二维弹簧元件被迫在弹簧片材3014的平面的上方或下方突出。
如图30中示出的，顶部压板3024放置在顶部间隔件层3018的顶部上。顶部压板3024具有用来与定位销3004对准的定位孔3026或其它对准装置。顶部压板3024由与底部压板3002类似的材料构造。在堆叠3000的元件已经优选地使用定位销3004被组装且对准后，压力施加到顶压板3024和底压板3002。这个压力迫使可配置模具3012靠着片材3014的下侧，向上推动弹簧元件以使它们三维地成形，如图35中所示。
成形弹簧元件所需的力的大小取决于被成形的材料的性质，并且如果希望的话，可以由底部压板3002的屈服强度限制。然而，考虑到被成形的接触臂的尺寸和规模，这通常不是问题。
如上所述，在可配置模具被压到顶层3018中的替代构造中，可以获得与图35中示出的结果类似的结果，不同之处是，可配置模具将向下压片材而不是向上。因此，在替代构造中，弹簧片材的一些弹簧元件可被布置在弹簧片材下方的可配置模具向上推动，而其它弹簧元件被布置在该片材上方的可配置模具向下推动。
当使用弹簧元件片材3014’的替代构造时，施加的压力迫使球轴承3012靠着弹簧元件片材3014’的下侧，向上推动弹簧元件片材3014’以形成三维圆顶3610，如图36a中所示。在挤压之后，圆顶3610可形成图案并且被蚀刻以形成三维接触元件。
根据本发明的具有通过使用球轴承形成的弹簧元件的电连接器具有独特的特性。将弹簧元件压在球轴承上引起弹簧元件具有添加到材料的弹簧力的扭力，从而提供另外的弹簧特性。这导致独特的物理构造，该独特的物理构造为电连接器提供更好的滑触作用以抵靠电接触件。在存在材料扭曲的任何时候，扭力都存在；在这种情况下，材料围绕球形球轴承成形，引起它围绕球的表面扭曲，因此施加扭力。应当注意，在本发明中可以构想表面具有除了前述球形球轴承之外的形状的可配置模具的布置。因此，可以改变施加到成形在本发明的可配置模具上的电接触件中的力的程度和性质。
图36b以横截面的方式示出可形成接触件的弹簧元件的常规悬臂梁弹簧元件3620，而图36c以横截面的方式示出根据本发明的构造的接触件的扭转梁弹簧元件3630。长L宽b且高h的悬臂梁中的最大挠曲6max可以根据以下公式计算：6max＝(PL3)/(3Ebh3/12)，其中P是施加到梁的载荷并且E是梁的弹性模量。对比图36b的标准梁和图36c的扭转梁的梁横截面，容易发现，在求解h2(扭转梁的高度)中，h1(标准梁的高度)小于h2。因此，对于给定6max，作为结果的载荷P可以显著不同于标准不扭转的悬臂梁。因此，通过选择诸如球形球轴承的适当的模元件以便用于成形三维接触件，可以施加或多或少的扭矩到诸如梁的成形的三维接触件弹簧元件中，使得成形的接触件弹簧元件可被设计成满足某些希望的机械响应。
图37a到37e示出示例性堆叠，该示例性堆叠可用于步骤2518以便三维地批量形成根据本发明的另一构造的弹簧元件。图37a示出相配的底部模压板3702和顶部模压板3700以及弹簧元件片材3704。底部模压板3702优选地包括至少两个定位销3706或诸如基准孔、边缘或类似物的其它对准装置，以便对准堆叠的元件。如图30所示，弹簧元件片材以二维的方式被限定并且可以通过包括蚀刻或冲压的各种方法来形成。具有用来与定位销3706对准的定位孔3708或其它对准装置的弹簧元件片材3704放置在底部模压板3702的顶部上。在示例性构造中为凸形模板的顶部模板在其用来成形可变形的弹簧元件片材3704的表面上具有突起。在示例性构造中为凹形模板的底部模板具有形状对应于凸形模板上的突起的凹部，使得当使用足够的力将模板压在一起时，在接触元件片材3704中形成三维接触件。弹簧元件片材上限定的二维弹簧元件的数量仅由片材的尺寸和弹簧元件的间距和尺寸限制。优选地，弹簧元件片材将包含25-10000二维接触件的阵列，但可以包含不受限制的数量。
图37b-e是在挤压工艺期间形成在片材3704上的弹簧元件的渐进剖视图。虽然示例性堆叠示出凸形模压板处于顶部位置并且凹形模压板处于底部位置，但这种构造可以颠倒。用于模压板3700和3702的材料可以是具有足够刚性以支撑用于压缩该堆叠的力而不使模压板永久变形的任何材料，例如，钢或铝。此外，虽然该堆叠被示出为使用两个定位销，但可以使用任何数量的定位销或其它对准装置。
在图37a中示出的堆叠的元件已经被组装且对准后，压力施加到顶部模压板3700和底部模压板3702。这个压力迫使凸形模压板3700靠着接触元件片材3704的顶部，向下推动弹簧元件以使它们三维地成形。典型地使用液压或电压力机执行模具的挤压，但可以使用包括在整个板上施加均匀压力的手动压力机的任何机器。足以成形接触元件的压力将根据要被成形的接触件的材料和数量而变化。
图38是在凸形和凹形模压板之间的挤压之后形成在弹簧元件片材3704上的三维接触件的分解视图。可以构造凸形相配模压板上的突起和凹形模板上的对应凹部从而对应于弹簧元件片材上的二维蚀刻或冲压来成形很多种接触件形状、尺寸或方向。
用来在接触元件片材上形成接触件阵列的图37a到37e中示出的方法相对于用来在片材中形成接触件的本领域中使用的其它方法具有许多优点。例如，级进冲压允许一次成形仅仅小量接触件，典型地6-8个接触件，而本发明允许在压力机的单个冲程中成形大的阵列的接触件。
如图39a到39b中示出的，可形成通用凸形和凹形模压板，使得这些板在对应于弹簧元件片材上的所有可能形成接触件的位置都具有突起和凹部。然而，可能希望仅在弹簧元件片材上的选定位置中形成接触件。在这种情况下，在片材上仅仅蚀刻或冲压希望形成接触件的选定位置。图39a示出通用凸形3700和凹形3702模压板以及选择性蚀刻或冲压的弹簧元件片材3904。弹簧元件片材上的暗区域3910是要形成接触件的区域。接触元件片材上的围绕暗区域3910的亮区域包含孔，当模板被压在一起时，凸形突起穿过该孔。图39b示出选择性地形成的接触元件的分解视图。
在这里公开的批量成形方法中，存在这样的可能性，即图37a-e和39a中示出的凸形模压板不精确匹配它们的凹形配对物的形状和/或尺寸。这种情况可能导致没有根据希望规格完全成形的接触件。用来吸收这些小的形状和/或尺寸变化的方法是构造诸如橡胶或塑料的弹性材料的凸形板，使得弹性材料具有足够硬度以三维地成形接触件，而具有足够的柔韧性以顺应对应的凹形凹部的形状。适于这种应用的优选材料是硬度计读数约为90的聚氨酯。然而，应当理解，可以使用具有合适硬度计读数以便三维地完全成形接触件的其它材料。替代地，凹形模压板由足够硬度的弹性材料构成以三维地成形接触件，但具有足够的柔韧性以顺应对应的凸形突起的形状。
图40a示出另一示例性堆叠，该示例性堆叠可用于步骤2518以便三维地批量成形根据本发明的构造的弹簧元件。可配置压力机4000用于以很多种布置在接触元件片材4014上选择性地三维地成形接触件。图40a代表处于完全打开位置的可配置压力机。顶部压板4002优选地通过四根可移动压杆4003连接到弹簧销保持器4004，而该弹簧销保持器连接到弹簧销固定器4006。编程板4008安置在弹簧板固定器4006和模冲头保持器4010之间，如图40b中示出的。可选的脱模板4012安置在模冲头保持器4010和接触元件片材4014之间。接触元件片材4014安置在顶出板4016的顶部上，如图40c中所示。顶出板通过四根引导杆4017或用来对准堆叠的元件的其它对准装置连接到底部压力机基座4018。
如图30中那样，接触元件片材4014被限定成二维并且可以通过包括蚀刻或冲压的各种方法来形成。接触元件片材4014具有用来与引导杆4017对准的定位孔4015或其它对准装置，接触元件片材4014放置在顶出板4016的顶部上，如图40c所述。脱模板4012安置在接触元件片材的顶部上并且具有用来与引导杆4017对准的定位孔4013，如图40d所示。图40d示出安置在底部压板4018的顶部上的顶出板4016、接触元件片材4014和脱模板4012，引导杆4017在脱模板上方突出，准备接合模冲头保持器4010。引导杆4017通过位于每个元件中的定位孔(诸如编程板4008上的定位孔4009，如图40a所示)类似地对准模冲头保持器4010、编程板4008、弹簧销固定器4006和弹簧销保持器4004。
在堆叠的元件已经组装和对准后，如图40e中所示，压力施加到顶部压板4002。图40f示出处于压缩状态的堆叠。
图40g是堆叠4000的剖视图。施加到顶部压板4002的压力迫使位于弹簧销保持器4004中的弹簧4020穿过编程板4008中的开口。穿过编程板4008的弹簧4020接触模冲头保持器4010中的模冲头销4022。然后，接合的模冲头销与接触元件片材4014接触，并选择性地成形三维接触元件。
图41a-41c示出可使用堆叠4000形成的少量选择性接触件阵列。在图41a中，编程板4008的对应于接触元件片材4014的所有孔处于打开位置。这种构造将导致模冲头销4022在接触元件片材4014上形成所有可能接触件。然而，如果对应于接触元件片材4014的编程片材4008中的仅仅选定数量的孔处于打开位置(如图41b和41c中所示)，则可以成形不同形状和尺寸的接触件阵列。
根据本发明的原理，也可获得用来三维地形成弹簧元件的方法4200，如图42a所示。首先，提供球轴承或其它可配置模具的基部层，球轴承例如布置在对应于要成形的弹簧元件的位置的预定图案中(步骤4202)。接下来，弹簧元件片材放置在球轴承的顶部上，该弹簧元件被二维地限定并且布置在基部层上的球轴承上方(步骤4204)。然后，将弹簧元件片材压在球轴承上，该球轴承接触该片材的下侧，因此挤压弹簧元件到片材平面上方并且三维地成形弹簧元件(步骤4206)。
图42b示出用三维圆顶结构(诸如图36a中所示)形成弹簧元件的替代方法4210。首先，提供例如球轴承的基部层的可配置模具，球轴承布置在对应于要成形的三维圆顶结构的位置的预定图案中(步骤4214)。接下来，空白的弹簧片材放置在可配置模具的顶部上(步骤4216)。术语“空白”是指空白弹簧片材在被压到可配置模具上之前不包含预先形成图案的二维弹簧元件。随后，将弹簧片材压在可配置模具上，可配置模具接触片材的下侧，因此挤压片材的平面上方的弹簧片材的若干部分并且成形表面三维释放特征(也称为“三维弹簧前体”)，例如，形成在球轴承上方的圆顶结构(步骤4218)。然后，在步骤4220中，表面释放特征形成图案并且被蚀刻成三维弹簧接触元件。
图43示出使用图37a-e的堆叠用来形成弹簧元件的方法4300。首先，形成凸形和凹形模压板使得模压板上的印记匹配要被成形的弹簧元件片材上的印记(步骤4302)。接下来，弹簧元件片材放置在凹形模压板的顶部上，该弹簧元件被二维地限定(步骤4304)。然后，将凸形模压板压在弹簧元件片材上，由此挤压在片材平面下方的弹簧元件并且三维地成形弹簧元件(步骤4306)。虽然我们已经以凸形模压板处于顶部位置且凹形模压板处于底部位置的情况描述了方法4300，但这种构造可以颠倒。
图44示出使用图39a的通用模压板用来形成弹簧元件的方法4400。首先，形成凸形和凹形模压板使得模压板上的印记比将用于特定应用的情况具有更多的接触位置(步骤4402)。接下来，具有选择性二维图案的弹簧元件片材放置在凹形模压板的顶部上(步骤4404)。然后，将凸形模压板压在弹簧元件片材上，由此挤压在片材平面下方的弹簧元件并且三维地成形弹簧元件(步骤4406)。这种方法的优点是，单组通用模压板可用于成形弹簧元件的几种不同的印记。虽然我们已经以凸形模压板处于顶部位置且凹形模压板处于底部位置的情况描述了方法4400，但这种构造可以颠倒。
图45示出使用图40a-g的可配置压力机用来形成弹簧元件的方法4500。首先，起用凸形模冲头保持器4010中的选定接触元件以匹配用于特别应用的接触件的印记(步骤4502)。在图40a-g中示出的示例性堆叠中，使用编程板4008实现选定接触件的这种起用，该编程板安置在弹簧板固定器4006和模冲头保持器4010之间。接下来，具有选择性二维图案的弹簧元件片材放置在凹形模压板的顶部上(步骤4504)。然后，将选择性起用的凸形模压板压在弹簧元件片材上，由此挤压在片材平面下方的弹簧元件并且三维地成形弹簧元件(步骤4506)。在图40a-g中示出的示例性堆叠中，在这个挤压步骤4504期间，弹簧元件片材保持在包括模具的凹形部分的顶出板4016(在底部)和在挤压期间保持片材平坦的脱模板4012(在顶部)之间的位置。在图40a-g中示出的示例性堆叠中，通过施加力到顶部压板4002和底部压板4018而实现将凸形模压在弹簧元件片材上。力传递到弹簧销保持器4004和弹簧销固定器4006中的弹簧加载的销，并且这些销中的一些可穿过编程板4008中的孔以将该力传递到模冲头保持器4010中的选定模冲头销。然后，力已经传递到其上的模冲头保持器4010中的模冲头销将该力传递到接触元件片材4014以成形三维接触元件。在编程板4008不具有孔的区域中，力不传递到模冲头保持器中的模冲头销并且不在这些位置成形三维接触元件。这种方法的优点是，单组通用模压板可用于成形弹簧元件的几种不同的印记。虽然我们已经以凸形模压板处于顶部位置且凹形模压板处于底部位置的情况描述了方法4500，但这种构造可以颠倒。
用来在弹簧元件片材上使用本发明中描述的技术选择性地成形接触件阵列的另一方法是通过图43中描述的工艺或图45中描述的工艺在弹簧元件片材上完全成形所有接触元件。然后，参考图25d，在步骤2544中，抗蚀剂材料仅选择性地施加到希望成形的接触元件。未选择的接触元件随后在图25d中的步骤2552中被蚀刻掉，仅留下选定的接触元件。
图46示出根据本发明的连接器4600的剖视图，包括示出接触元件4602若干部分的大小的一些示例性尺寸。面对的弹簧部分4604的远端部之间的间隔是5密耳。接触元件4602从基板的表面到弹簧部分的顶部的高度是10密耳。穿过基板的过孔的宽度可以是大约10密耳。接触元件4602从一个基部的外边缘到另一基部的外边缘的宽度是16密耳。可以根据如上所述的本发明的方法成形这种尺寸的接触件，允许间距大大小于50密耳并且大约为20密耳或更小的连接器。应当注意，这些尺寸仅仅是借助本发明可实现的示例，并且本领域技术人员将从本公开理解，可以成形具有更大或更小尺寸的接触元件。
根据本发明的一种构造，可以为接触元件或一组接触元件具体设计以下机械性质，以实现某些希望操作特性。首先，可以为用于每个接触元件选择接触力以保证一些接触元件的低电阻连接或连接器的低的总体接触力。第二，可以改变每个接触元件的弹性工作范围。第三，可以改变每个接触元件的竖直高度。第四，可以改变接触元件的间距或水平尺寸。
参考图47，示出用于BBGA或BLGA系统的多个接触臂设计。如前所述，这些接触件可以被冲压或蚀刻成弹簧状结构，并且可以在成形之前或之后被热处理。
图48是分解透视图，示出根据本发明的一种构造的连接器4800的组装。连接器4800包括：位于电介质基板4804的第一主表面上的第一组接触元件4802；和位于基板4804的第二主表面上的第二组接触元件4806。接触元件4802和4806的每一对优选地与形成在基板4804中的孔4808对准。金属迹线形成为穿过孔4808以将来自第一主表面的接触元件连接到来自第二主表面的接触元件。
图48示出在用来形成连接器的制造工艺中的中间步骤期间的连接器4800。因此，接触元件的阵列示出为在它们由其形成的金属或金属材料的片材上连接在一起。在后续制造步骤中，接触元件之间的金属片材被形成图案以去除金属片材不需要的部分，使得接触元件根据需要被隔离(即，单个化)。例如，可以掩蔽且蚀刻金属片材以单个化一些或全部接触元件。
在一种构造中，本发明的连接器按照以下形成。首先，提供在顶表面和底表面之间包括传导性路径的电介质基板4804。传导性路径可以以过孔或孔口4808的形式。在一种构造中，电介质基板4804是具有镀覆的通孔的任何合适电介质材料的零件。然后，传导性金属片材或多层金属片材形成图案以形成包括基部和一个或更多个弹性部分的接触元件的阵列。包括弹簧部分的接触元件可以通过蚀刻、冲压或其它手段被成形。金属片材连接到电介质基板4804的第一主表面。当要包括第二组接触元件时，第二传导性金属片材或多层金属片材类似地形成图案并且连接到电介质基板4804的第二主表面。然后，金属片材可形成图案以从片材去除不需要的金属，使得接触元件根据需要彼此隔离(即，单个化)。金属片材可通过蚀刻、刻图、冲压或其它手段形成图案。
在替代构造中，弹性部分的突起可以在包括形成图案的接触元件的金属片材已经连接到电介质基板之后形成。在另一替代构造中，可以在成形接触元件之前去除金属片材的不需要的部分。而且，可以在金属片材连接到电介质基板之前去除金属片材的不需要的部分。
此外，在图48中示出的构造中，传导性迹线形成在镀覆的通孔4808中并且也以包围每个镀覆的通孔的环形图案4810形成在电介质基板4804的表面上。虽然可设置传导性环4810以提高金属片材上的接触元件和形成在电介质层4804中的传导性迹线之间的电连接，但传导性环4810不是连接器4800的必需部件。在一种构造中，可通过使用包括没有被镀覆的通孔的电介质基板而形成连接器4800。包括接触元件的阵列的金属片材可连接到电介质基板。在金属片材形成图案以形成单个接触元件之后，整个结构随后可被镀覆以在通孔中形成传导性迹线，该迹线通过该孔将接触元件连接到电介质基板的另一侧上的相应终端。
图49示出根据本发明的另一种构造的包括使用多层金属形成的接触元件的连接器4900。参考图49，连接器4900包括用来形成第一组接触元件4902和第二组接触元件804的多层结构。在这种构造中，使用第一金属层4906形成第一组接触元件4902并且使用第二金属层4908形成第二组接触元件4904。第一金属层4906和第二金属层4908由电介质层4910隔离。每个金属层形成图案使得一组接触元件形成在特定金属层上的希望位置。例如，接触元件4902在预定义的位置形成在金属层4906中，而接触元件4904在不被接触元件4902占据的位置形成在金属层4908中。不同的金属层可包括具有不同厚度或不同冶金学的金属层，使得接触元件的操作性质可以被具体地定制。这样，通过在不同金属层中形成选定接触元件或选定组的接触元件，连接器4900的接触元件可制成具有不同的电和机械性质。
在一种构造中，可使用以下工艺序列来形成连接器4900。加工第一金属层4906以形成第一组接触元件4902。然后，金属层4906可连接到电介质基板4912。随后，诸如电介质层4910的绝缘层布置在第一金属层4906上方。第二金属层4908可被加工以形成接触元件并且连接到电介质层4910。根据需要，过孔和传导性迹线形成在电介质基板4912中和电介质层4910中，以在每个接触元件到基板4912的相对侧上的相应终端4914之间提供传导性路径。
图50a和50b是根据本发明的一种构造的连接器的剖视图。图50a和50b示出连接到半导体装置5010的连接器5000，该半导体装置包括形成在基板5014上作为接触点的金属焊盘5012。半导体装置5010可以是硅片，其中金属焊盘5012是形成在硅片上的金属粘接焊盘。半导体装置5010也可以是LGA封装，其中金属焊盘5012代表形成在LGA封装上的“接点区域”或金属连接焊盘。图50a和50b中的连接器5000到半导体装置5010的联接仅仅是示例性的并且不意图将连接器5000的应用限制到仅与硅片或LGA封装连接。图50a和50b示出被颠倒以接合半导体装置5010的连接器5000。在本描说明中使用诸如“上方”和“顶表面”的方向术语意图描述连接器的元件的相对位置关系，假设连接器布置成接触元件向上面向。
参考图50a，连接器5000包括位于基板5004上的接触元件5002的阵列。每个接触元件5002包括连接到基板5004的顶表面的基部5006和从基部5006延伸的弯曲或线性弹簧部分5008。弹簧部分5008具有与基部5006连续的近端和在基板5004上方突出的远端。
弹簧部分5008形成为弯曲离开或成角度地离开接触件的平面，该平面是接触元件5002要接触的接触点的表面、金属焊盘5012的表面。弹簧部分5008形成为相对于基板5004的表面具有凹入曲度，或者形成为成角度地离开基板5004的表面。因此，弹簧部分5008弯曲或成角度地离开金属焊盘5012的表面，这当接合金属焊盘5012时提供受控制的滑触作用。
在操作中，在图50a中表示为F的外部偏压力施加到连接器5000以将连接器5000压在金属焊盘5012上。接触元件5002的弹簧部分5008以受控制的滑触作用接合相应的金属焊盘5012，使得每个接触元件5002有效地电连接到相应的焊盘5012。接触元件5002的曲度或角度保证同时获得最佳滑接距离和最佳接触力。滑接距离是弹簧部分5008的远端当接触金属焊盘5012时在金属焊盘5012的表面上行进的量。通常，接触力根据应用大约为5到100克，并且滑接距离大约为5到400微米。
接触元件5002的另一特征是弹簧部分5008使得大的弹性工作范围成为可能。具体地，因为弹簧部分5008可沿竖直和水平方向运动，因此可实现大约为接触元件5002的电路径长度的弹性工作范围。接触元件5002的“电路径长度”被定义为从弹簧部分5008的远端到接触元件5002的基部5006电流必须行进的距离。接触元件5002具有跨过接触元件的整个长度的弹性工作范围，这使得连接器能够适应要被连接的半导体或电子装置中的正常共面性变化和位置不对准。
使用可提供希望弹性的传导性金属形成接触元件5002。在一种构造中，使用钛(Ti)作为支撑结构形成接触元件5002，其可在后面被镀覆以获得希望的电和/或弹性性能。在其它构造中，使用铜合金(Cu合金)或多层金属片材形成接触元件5002，该多层金属片材诸如涂覆有铜-镍-金(Cu/Ni/Au)多层金属片材的不锈钢。在优选构造中，接触元件5002使用小晶粒铜铍(CuBe)合金形成并且随后镀覆有无电镍-金(Ni/Au)以提供非氧化表面。在替代构造中，基部和弹簧部分使用不同金属来形成接触元件5002。
在图50a中示出的构造中，接触元件5002示出为具有带一个弹簧部分5008的矩形基部5006。本发明的接触元件可以成形为各种构造并且每一个接触元件仅需要具有足以将弹簧部分连接到基板的基部。基部可以呈现任何形状并且可成形为圆形或其它有用形状以便将接触元件连接到基板。接触元件可以包括从基部延伸的多个弹簧部分。
图51a和51b示出根据本发明的替代构造的连接器5100。连接器5100包括形成在基板5104上的接触元件5102的阵列。每个接触元件5102包括基部5106和从基部5106延伸的两个弯曲的弹簧部分5108和5110。弹簧部分5108和5110具有在基板5104上方突出并且彼此面向的远端。弹簧部分5108和5110的其它特性与弹簧部分5008相同。就是说，弹簧部分5108和5110弯曲离开接触件的平面并且每一个具有一定曲度，该曲度被设置用来当弹簧部分接合要被接触的半导体装置的接触点时提供受控制的滑触作用。
连接器5100可用于接触诸如GBA封装的半导体装置5120，该半导体装置5120包括安装在基板5124上作为接触点的软焊球5122的阵列。图51b示出与半导体装置5120完全接合的连接器5100。连接器5100也可用于接触金属焊盘，诸如接点格栅阵列封装上的焊盘。然而，使用连接器5100来接触软焊球提供了特别的优点。
首先，接触元件5102沿软焊球的侧部接触相应的软焊球5122。不接触软焊球5122的基部表面。这样，接触元件5102在接触期间不损坏软焊球5122的基部表面，并且当软焊球5122随后回流以便永久连接时有效地消除无效成形的可能性。
第二，因为接触元件5102的弹簧部分5108和5110形成为弯曲离开接触件的平面，该平面在这种情况下为与被接触的软焊球5122的侧表面相切的平面，因此当接触相应软焊球5122时接触元件5102提供受控制的滑触作用。这样，可以形成有效电连接而不损坏软焊球5122的表面。
第三，连接器5100是可缩放的并且可用于接触具有250微米或更小的间距的软焊球。
最后，因为每个接触元件5102具有大约为电路径长度的大的弹性工作范围，因此接触元件5102可适应大范围的压缩。因此，本发明的连接器可有效地用于接触具有正常共面性变化或位置不对准的常规装置。
图52和53示出根据本发明的替代构造的连接器。参考图52，连接器5200包括形成在基板5204上的接触元件5202。接触元件5202包括基部5206、第一弯曲弹簧部分5208和第二弯曲弹簧部分5210。第一弹簧部分5208和第二弹簧部分5210具有彼此背离地指向的远端。接触元件5202可用于接合包括金属焊盘或软焊球的接触点。当用于接合软焊球时，接触元件5202在第一和第二弹簧部分5208和5210之间架在软焊球上。这样，第一和第二弹簧部分5208和5210沿着弯曲离开软焊球的接触平面的方向以受控制的滑接运动接触软焊球的侧表面。
图53示出位于基板5302上的接触元件5300。接触元件5300包括基部5304、从基部5304延伸的第一弯曲弹簧部分5306和从基部5304延伸的第二弯曲弹簧部分5308。第一弹簧部分5306和第二弹簧部分5308以螺旋状构造在基板5302的上方突出。接触元件5300可用于接触金属焊盘或软焊球。在这两种情况下，第一和第二弹簧部分5306和5308都弯曲离开接触件的平面并且提供受控制的滑触作用。
图54a到54c是连接器5400的剖视图，该连接器可以例如应用于热插拔操作。参考图54a，连接器5400示出为处于未加载状态。连接器5400要连接器接点格栅阵列(LGA)封装5420和印刷电路板(PC板)5430。LGA封装5420上的焊盘5422代表要连接到PC板5430上的焊盘5432的LGA封装5420中的集成电路的电力连接(即正电源电压或地电压)。焊盘5432是电活性的或“已加电的”。LGA封装5420上的焊盘5424代表要连接到PC板5430上的焊盘5434的集成电路的信号针(signal pin)。为了实现热插拔操作，电力焊盘5422应当在信号焊盘5424连接到焊盘5434之前连接到焊盘5432。连接器5400包括基板5402中的接触元件5404和5406，该接触元件5404和5406与接触元件5408和5410相比具有延伸的高度和较大的弹性工作范围，使得LGA封装5420和PC板5430之间的热插拔操作使用连接器5400而实现。选择接触元件5404和5406的高度以获得希望的接触力和希望的间隔，从而实现可靠的热插拔操作。
图54b示出使用连接器5400将LGA封装5420安装到PC板5430的过程期间的中间步骤。当LGA封装5420和PC板5430一起被压在连接器5400上时，在焊盘5424和5434连接到接触元件5408和5410之前，焊盘5422和焊盘5432将电连接到相应的接触元件5404和5406。这样，LGA封装5420和PC板5430之间的电力连接在连接信号焊盘之前形成。
图54c示出在完全加载的状态下将LGA封装5420安装到PC板5430。通过施加另外压力，LGA封装5420被压在连接器5400上使得接触元件5408接合信号焊盘5424。类似地，PC板5430被压在连接器5400上使得接触元件5410接合焊盘5434。LGA封装5420因此安装到PC板5430上。在连接器5400中，由于较高的接触元件5404、5406被压缩得更多以允许较短的接触元件5408、5410接合，因此连接器所需的接触力将增加。为了最小化连接器所需的总接触力，较高的接触元件5404、5406可设计成具有比较短的接触元件5408、5410低的弹簧常数，使得所有接触元件在完全加载的状态下处于最佳接触力。
图55a示出根据本发明的电路化连接器5500的一种构造。连接器5500包括连接到电介质基板5502的底表面上的接触元件5506的电介质基板5502的顶表面上的接触元件5504。接触元件5504连接到表面安装电部件5510和嵌入的电部件5512。电部件5510和5512可以是去耦电容器，例如该去耦电容器布置在连接器5500上使得该电容器可布置成尽可能靠近电子部件。在常规集成电路组件中，这种去耦电容器通常放置在远离电子部件的印刷电路板上。因此，在要被补偿的电子部件和实际去耦电容之间存在大的距离，因此减小去耦电容的效果。通过使用电路化连接器1400，去耦电容可以放置成尽可能靠近电子部件以提高结构电容的效用。可用于电路化连接器的其它电部件包括电阻器、电感器和其它无源或有源电部件。
图55b示出根据本发明的电路化连接器的另一种构造。连接器5520包括通过过孔5528耦合到软焊球终端5526的电介质基板5522上的接触元件5524。接触元件5524连接到表面安装电部件5530和嵌入的电部件5532。连接器5520还示出终端5526的布置不必与接触元件5524对准，只要接触元件诸如通过过孔5528电耦合到终端即可。应当注意，根据本发明的连接器可以构造成在基板中没有释放孔。可以以偏移孔的方式或以任何合适方式限定电接触件或过孔以在内部提供电连接或提供到基板的相对侧的电连接。
根据本发明的另一方面，连接器可包括一个或更多个共轴接触元件。图56a和56b示出根据本发明的一种构造的包括共轴接触元件的连接器5600。参考图56a，连接器5600包括形成在电介质基板5602的顶表面上的第一接触元件5604和第二接触元件5606。接触元件5604和5606形成为彼此靠近但电隔离。接触元件5604包括形成为孔口5608的外部环的基部，而接触元件5606包括形成为孔口5608的内部环的基部。接触元件5604、5606的每一个包括三个弹性部分(图56b)。接触元件5604的弹性部分不与接触元件5606的弹性部分重叠。接触元件5604通过至少一个过孔5612连接到电介质基板5602的底表面上的接触元件5610。接触元件5604和5610形成称为连接器5600的外部电流路径的第一电流路径。接触元件5606通过形成在孔口5608中的金属迹线5616连接到电介质基板5602的底表面上的接触元件5614。接触元件5606和5614形成称为连接器5600的内部电流路径的第二电流路径。
如这样构造的，连接器5600可用于将LGA封装5620上的共轴连接互连到PC板5630上的共轴连接。图57示出LGA封装5620通过连接器5600到PC板5630的配合。当LGA封装5620安装到连接器5600时，接触元件5604接合LGA封装5620上的焊盘5622。类似地，当PC板5630安装到连接器5600时，接触元件5610接合PC板5630上的焊盘5632。结果，形成焊盘5622和焊盘5632之间的外部电流路径。典型地，外部电流路径构成地电势连接。接触元件5606接合LGA封装5620上的焊盘5624，而接触元件5614接合PC板5630上的焊盘5634。结果，形成焊盘5624和焊盘5634之间的内部电流路径。典型地，内部电流路径构成高频信号。
连接器5600的特别优点是，共轴接触件可缩放到1毫米或更小的尺寸。因此，即使对于小几何形状的电子部件，连接器5600也可用于提供共轴连接。
参考图58和59，分别以剖视图和顶视图示出夹紧机构5930。根据本发明的构造布置的接触件系统被示出为内插器5932，通过将该组件放置在拧在一起或以其它方式压在一起的顶板5934和垫板5936之间，该内插器被夹紧在PCB2120和要被连接的封装2122之间。
根据本发明的不同构造布置的接触件系统可用于高频半导体装置或者几乎任何类型的电接口，包括但不限于：BGA、CSP、QFP、QFN和TSOP封装。
与冲压的、成形的或盘绕的弹簧相比，本发明的接触件系统提供较大的弹性，而不限制电性质。该系统可以容易地缩放到小的间距和小的电感，而弹簧针(pogo pin)和纳米弹簧在这方面是非常有限的。
与基于聚合物的且密的金属系统相比，本发明的接触件系统在其机械性质、耐用性、接触力和工作范围上不受限制，同时提供良好的电性质。
本发明的接触件系统的特征在于它的弹性功能，该弹性功能跨越要被连接的电装置之间的整个间隙，即从装置接触件到装置接触件。因此，根据本发明的一种构造，双侧连接器布置成在连接器基板的每侧上布置有弹性接触件的阵列。两个接触件阵列当接合连接器基板的相应的相对侧上的相应外部部件时，都可在接触件的弹性接触臂可用的整个运动范围上弹性位移。
参考图60，示出了本发明的BLGA连接系统的载荷对位移的曲线图。图60示出工作范围的概念。载荷对位移曲线(下部滞后曲线)示出接触件在大约6.5密耳到14密耳的范围上的插入(通过外部部件使接触臂向下位移)期间具有弹性性能。电阻对位移曲线表示在大约7和14密耳位移之间插入电阻小于大约60豪欧。对这个例子来说，如果接触件的可接受电阻被确定为60豪欧或更低，则工作范围(对于这个例子，被定义为在接触件表现为弹性并且展示60豪欧或更小的电阻的接触件插入期间的位移范围)为大约7密耳(接触件既具有弹性又具有低于定义的可接受极限的电阻的7和14密耳之间的范围)。
本发明的接触件的典型的机械和电特性包括：大于5密耳的大工作范围、小于30克的低接触力、具有用于可靠性的水平和竖直部件的滑触作用、大于20万周期的高耐用性、大于125℃的高温操作性、良好的弹性、小于0.5nH的低电感、大于1.5A的高电流容量、小于20密耳的小的可缩放间距、和跨越分离要被电连接的两个装置、板或基板的整个间隙的起作用的弹性。
在本发明的一种构造中，对于近似0.12mm和0.8mm之间的凸缘弹簧的尺寸范围，接触件的弹性范围近似在0.12mm和0.4mm之间。因此，弹性对尺寸比率处于0.5和1.0之间的近似范围内。这个比率是与弹性接触臂(凸缘弹簧)的长度相比接触臂可弹性位移的相对距离的度量。
根据本发明的其它构造，在图10a-c中大体上示出的接触件结构1015可以通过图19a和19b中概述的工艺而形成。该接触件包括一个或更多个弹性可变形接触件的阵列，其中弹性可变形接触件由诸如铜合金片材的金属片材一体地形成。金属片材的合金材料构造成提供高的弹性，使得高弹性接触臂可由其制造。如在此针对接触件使用的术语“高弹性”是指接触件在连接到外部部件期间发生的机械位移范围上，可以反复地位移而没有显著的塑性流(即没有超过机械屈服应力(或应变))。因此，由可变形的弹性接触件的阵列形成的内插器可以连接和脱离基板多次而不会在机械和电性能上变差。
例如，根据本发明的一种构造制造的并且大体上类似于图10c中所示的内插器可在内插器的一侧或两侧上具有15密耳的工作范围的弹性接触件的阵列。当连接到诸如PCB板的基板时，接触件的阵列可适应接触点的达到大约15密耳的相对高度变化，其中接触件阵列的每一个接触件接触PCB的对应传导性特征。换句话说，阵列中的点P1处的第一接触件(或接触元件)可接触具有相对高度H1的PCB板的传导性特征，而阵列的点P2处的第二接触件可接触具有相对高度H1-12密耳的PCB板的传导性特征。
因此，到在点P2处形成电接触时，点P1处的接触件可弹性位移大约12密耳，即一个或更多个接触臂向着内插器的平面向下位移大约12密耳。然而，因为接触件由高弹性片材制造，因此在从接触PCB的状态移开时，与最初接触PCB板之前相比，点P1处的接触臂可返回到相同的相对于内插器表面的相对高度。内插器因此可脱离PCB板和再连接而没有工作范围的显著减小，因此将内插器的有效性延伸到脱离和再连接可执行多次的应用。图61示出根据本发明制造的示例性接触件的载荷-位移性能，示出基于重复测量的高弹性响应。
图62a到62d以平面图示出根据图3、5a和5b中概述的步骤可形成的内插器的替代构造。内插器6200a-d包括延伸穿过相应绝缘基板6204a-d的传导性过孔6202。接触臂6206以类似于用于接触件1114的图11中所示的方式在相应基板6204a-d的平面的上方突出。类似于图11的传导性路径1112，环形传导性路径6214包围基板的表面上的每个传导性过孔6202。而接触件基部6208电接触传导性路径(水平迹线)6214。路径6214可以是例如在包围过孔的区域中没有覆盖有粘合剂层的预先存在的金属覆层的若干部分(见图11)。传导性路径6214可以通过选择性镀覆紧邻地包围过孔的区域而形成。在图62a中，接触臂6206在对应传导性过孔6202上延伸，其中该接触臂通过传导性路径6214连接到该传导性过孔。与图20a-23和10a-c中示出的大体上在过孔上方定心的接触件相比，图62a-d中示出的接触件的布置能够提供对于给定阵列间距长得多的接触臂。这是因为，如图20a-23和10a-c中所示，在过孔上方定心的接触臂的长度通常相当于或小于过孔直径，而图62a-d中示出的接触臂具有在它们相应的基板的平面部分上方(即不在过孔的上方)延伸的部分，使得它们的长度可以大大大于过孔直径，通常相当于过孔隔离距离(间距)。
图62b示出接触臂6206不在传导性过孔6202上方延伸的构造。传导性路径6214包括从环形部分延伸的L形部分，该L形部分用于电连接接触件基部6208和相应的传导性过孔6202。
图62c示出接触臂6206从它们相应的基部延伸离开它们电连接到其上的传导性过孔6202的构造。此外，接触臂6206的纵向相对于传导性过孔阵列的“X”和“Y”方向以大约45度的角度(从平面透视图看)延伸。与接触件沿X和Y方向在过孔之间取向的情况相比，这允许接触臂6206延伸更远的距离而不在传导性过孔6202上方延伸。因此，如果阵列间距被定义为在最接近的相邻两物之间沿X或Y方向的距离(在这种情况下，阵列间距对于接触件或过孔来说是相同的)，由于沿正方形阵列的对角线距离是阵列间距的1.41倍，因此接触件长度可以实际上超过阵列间距。对于具有对应于相互正交的方向的两个不同间距的其它正交阵列(矩形阵列)，对角线的长度也超过两个阵列间距的较长间距的长度。因此，在本发明的构造中，通过使接触臂取向成相对于阵列的X或Y轴成一定角度，可以增加接触臂长度。
因此，再次参考图62b，在图3的方法的一个变型中，在步骤302中形成包括包围传导性过孔的环形传导性部分的传导性路径6214。在粘接步骤308中，包含非单个化的接触件的弹簧片材布置在基板6204b上，使得弹簧片材的连续部分从每个接触件延伸到过孔6202的传导性路径6214。在步骤312中在接触件单个化之后，在接触件基部6208和过孔6202之间延伸的传导性路径6212通过以传导性路径6212和基部6208的形状蚀刻弹簧片材而形成。如上所述，包含未单个化的接触件的坯板弹簧片材可以通过包围过孔的电镀区域预先电连接到过孔以跨越绝缘粘合剂层连接过孔和弹簧片材。
接触臂6206和传导性路径6212通常包括相同的弹簧片材。因此，在抗蚀剂层的形成图案以用于限定单个化的接触件的期间，接触臂6206、基部6208和传导性路径6212在曝光和显影之后将覆盖有抗蚀剂，并且在去除每个接触件之间的弹簧片材的蚀刻工艺期间保持未蚀刻。因此，传导性路径6212构成蚀刻的弹簧片材的窄的部分。
图62d示出根据本发明的另外构造的另一接触件布置6200d。包围过孔6202的传导性俘获焊盘6220可以通过粘合剂层(见例如图11的层1120)与基部6208分离。在这种构造中，通过去除小部分粘合剂层(未示出)以在基部6208的区域中暴露焊盘6220并且在镀覆步骤期间在基部和焊盘之间形成连接，可形成接触件基部6208和过孔6202之间的电连接。
在本发明的其它构造中，从接触件的阵列选择的弹性接触臂可以更加远程地耦合到接触件过孔，其中传导性路径在内插器基板表面上延伸更远的距离。例如，可以形成传导性路径的“电路”图案，其中多个传导性路径中的每一个在一个端部终止于传导性过孔且在另一个端部终止于弹性接触件的基部。然而，接触件基部不需要邻近或者甚至靠近接触件基部使用传导性路径电耦合到其上的传导性过孔。图63示出根据本发明的另一种构造的内插器6304，该内插器的两个接触件6308a、6308b的每一个分别通过传导性路径6312a、6312b远程连接到相应的传导性过孔6302a、6302b。
在本发明的其它构造中，多个接触件可作为一组布置在基板表面的第一部分中，而多个传导性过孔布置在基板的第二部分中。图64a示出内插器6400，该内插器包括包括布置在绝缘基板6404a的第一区域中的传导性过孔阵列6402a和布置在基板6404a的第二区域中的接触件阵列6406a。接触件阵列6406a通过形成电路6408a的传导性路径电连接到传导性过孔阵列6402a，该电路包括多个传导性线路。每个传导性线路在一个端部终止于传导性过孔并且在另一端部终止于弹性接触件。在本发明的其它构造中，传导性路径的电路可布置成使得多个弹性接触件可电连接到共同的传导性过孔，或者多个传导性过孔可以电连接到共同的弹性接触件。
图3、5a和5b中示出的工艺用于灵活地形成弹性接触件和相应传导性过孔之间的位置关系。这种灵活性能够将内插器定制到要被内插器连接的部件的结构。例如，对于具有类似于内插器的平面尺寸的部件，要连接到内插器的一侧的第一部件可具有布置在该部件表面的一个区域中的所有有源电装置(以及相应的电引线)。第一部件可设计成通过弹簧连接被可逆连接，使得它可以被内插器的第一区域(见图64a的区域A)中的弹性接触件的阵列接触。要连接到内插器的相对侧的第二部件可具有成组设置在不同与第一区域的区域中的装置。第二组可设计成通过过孔处的软焊连接耦合到内插器，使得内插器的过孔阵列可布置在第二区域(见图64b的区域B)上方。
因为接触件的弹性接触件部分在它们相对于接触件电耦合到其上的传导性过孔的阵列的位置和方向中独立地在空间上可配置，因此根据本发明的这些方面可制造具有良好性质的内插器。例如，固定到内插器表面的接触件阵列中的接触件的间距可以不同于传导性过孔阵列的间距。在内插器用于互连具有接触件阵列的间距的第一部件和具有传导性过孔阵列的间距的第二部件的这种情况下，可以方便地将接触件阵列布置在基板上与传导性过孔阵列分离的部分中(见图64b)。
此外，对于要连接到内插器的外部部件的任何给定间距，接触臂从接触件基部延伸的方向可设置成在给定间距的情况下最大化接触臂长度(并且因此最大化工作距离)。因此，接触臂可布置在弹性片材中，使得对于正方形或矩形阵列，臂沿对角线方向延伸。
通过提供高弹性接触臂，可以制造具有较大工作距离的接触件阵列。在希望内插器到外部部件的可逆接触的应用中，对于给定阵列间距提供相对较长接触臂的额外能力可提供较大的“可逆工作范围”。术语“可逆工作范围”指内插器接触件(或接触件阵列)在满足指定性能(诸如电传导性、电感、高频性能和机械性能)标准(诸如外部施加的力小于一定值的要求)的同时可以可逆地位移的范围(诸如距离范围)。可逆性表示当接触件阵列的接触臂接触外部装置、被压缩、从接触件被释放和随后再接触外部装置时保持接触件(阵列)的工作范围不变。因此，具有大约20密耳的可逆工作范围的接触件在被重复压缩和释放时在整个20密耳的距离上将维持可接受的性质(诸如传导性和电感)。
还可以用阵列的间距表示布置成阵列的弹性接触件的工作范围或可逆工作范围。本发明的构造提供内插器，该内插器的阵列间距和接触件尺寸通常可从大约50密耳的阵列间距缩小到几微米或更小的阵列间距。换句话说，用来制造接触件阵列和过孔阵列的工艺可以从当前技术(大约1-2mm间距)缩小至少10-100倍。因此，随着接触件阵列间距的减小，接触件尺寸和工作范围可以减小。对于给定阵列间距，标准化工作范围被定义为工作范围除以间距。标准化工作范围类似于上述弹性对尺寸比率。然而，前者参数指的是接触臂的弹性位移范围与弹性接触臂的长度(尺寸)的比率，而标准化工作范围是与接触件之间的空间(间距)相比弹性接触件的相对位移范围(其中所关心的性质是可接受的)的度量。因为本发明的构造提供长度可超过阵列间距(见参考图62c的说明)的弹性接触件，因此接触臂的位移的竖直范围(等于极限情况下的工作范围)可以达到阵列间距的尺寸的大部分。例如，如果静止在内插器基板上方的接触臂形成在横截面上观察近似45度的角度，则基板上方的接触件的远端的高度是其长度的大约0.7倍。因此，当接触臂与外部部件接触时，在接触臂遇到基板表面之前，其行进范围可接近接触件长度的0.7倍的值。在这种情况下，如果接触臂长度设计成沿阵列对角线(并且具有阵列间距的大约1.2-1.4倍的长度)，则可实现的标准化位移(相当于标准化工作范围的上限)将在0.8-1.0的范围内。在本发明的实际实施中，标准化工作范围可能在大约0.25和大约1.0之间。
在使用铍铜、弹簧钢或其它高弹性传导性材料的本发明的构造中，屈服应力设计成超过当接触臂位移通过其最大位移时施加到接触臂的位移力。因此，在其接触件位移到最大程度的内插器从与外部部件的接触被释放之后，通过与外部电部件的重复接触，内插器基板表面上方的接触臂的远端的高度可以维持不变。这是因为接触臂具有相对大的弹性范围，并且因此在外部部件的重复加载期间经受很小塑性变形或不经受塑性变形(屈服)。换句话说，接触件在整个工作范围上展示弹性响应，使得接触件不展示塑性屈服，一直到接触件不能进一步位移到的点。因此，对于本发明的构造，弹性接触件的标准化可逆工作范围(定义为标准化工作范围除以阵列间距)可以在0.25到0.75的范围内。对于1.12mm的阵列间距，根据本发明的构造布置的接触件的可逆工作范围大约为0.3mm到1.0mm。
在本发明的其它构造中，具有N个接触件的接触件阵列可以对准在具有M个过孔的基板表面的顶部上。在这种布置中，如果M＞N，则不是每个过孔将唯一地耦合到接触件，或者如果M＜N，则不是每个接触件将唯一地耦合到过孔。在本发明的一些构造中，弹性接触件对准到过孔使得接触件在过孔上方延伸，如图9中所示。然而，在本发明的其它构造中，接触件可以布置成使得弹性臂部分不在传导性过孔上方延伸。例如，再参考图11，弹性部分1116可布置成延伸到右侧使得部分1116位于基板1104上方而不是位于传导性过孔1102上方。在本发明的其它构造中，诸如部分1116的弹性接触臂可以布置成使得当在平面图中观察时接触臂的任何部分都不重叠传导性过孔。
在本发明的一些构造中，诸如图4和62a-64b中示出的那些弹性接触件可以布置在内插器的两侧上，而在其它构造中，接触件阵列仅布置在连接器的一侧上。此外，不同构造的接触件阵列可布置在内插器的相对侧上。例如，在本发明的一种构造中，内插器的第一侧包含接触件和传导性过孔的“本地耦合”，诸如图62a中所示，而内插器的相对侧包含接触件和传导性过孔的“远程耦合”，如图64a中所示。应当理解，本发明包括如下构造，在这种构造中，单个接触件、有规律地间隔开的接触件、和多个阵列的接触件的其它组合可布置在内插器的一侧上，并且以远程和本地耦合的组合的方式连接到相应传导性过孔。
在本发明的另一种构造中，如图64b中所示，用来连接两个部件的内插器6400b包括弹性接触件阵列6406b，该弹性接触件阵列布置在绝缘基板6404b的第一区域中并且具有第一间距，其中该接触件阵列电耦合(通过传导性路径6408b)到传导性过孔的阵列6402b，该传导性过孔阵列布置在绝缘基板6404b的第二区域中并且具有不同于第一间距的第二间距。因此，内插器可用于电互连具有根据第一间距间隔开的电接触点的第一电部件和具有根据第二间距间隔开的电接触点的第二电部件。例如，传导性过孔阵列可耦合到具有第二间距的第二部件中的针阵列，而弹性接触件耦合到具有第一间距的第一部件的球阵列。
在图62b、63、64a和64b中，将相应弹性接触件连接到传导性过孔的传导性路径可存在于内插器的顶表面上。然而，在本发明的一些构造中，例如图64a中描绘的路径6408a的传导性路径可在该表面的下方形成且嵌在内插器中，使得每个传导性路径的端部仍然形成到相应过孔或弹性接触件的电连接。例如，传导性线路6408a可嵌在基板6404a的表面的下方并且在一个端部上升到基板表面以连接到阵列6406a中的弹性接触件基部。在该传导性线路6408a的相对的端部，在例如基板表面下方或该表面上的区域处的传导性镀覆的竖直壁处，该传导性线路可连接到阵列6402a的传导性过孔。
另外，因为独立于内插器基板结构在执行接触件阵列上以平版印刷的方式形成图案，因此接触件阵列可以相对于内插器基板传导性过孔布置成任何希望构造。因此，每个接触件电连接到过孔阵列中的给定过孔的接触件的阵列不需要定位成邻近该过孔阵列。由于接触臂在原则上可以设计成比例如过孔直径大得多，因此这提供了接触件尺寸和形状的设计的灵活性。与接触臂位于过孔上方的布置相比，这提供了较大的竖直工作距离。
在本发明的另外构造中，不同种类的接触件布置在诸如内插器的基板的相同侧上。不同种类的接触件布置的一个例子是其接触臂长度在接触件之间变化的接触件的阵列。例如，接触件阵列可包括两个相互穿插的接触件子阵列，其中每隔一个的接触件具有相互相同的接触臂长度并且相邻的接触件具有不同的接触臂长度。
图65a和65b是根据本发明的替代构造的连接器的剖视图。参考图65a，连接器6520包括第一组接触元件6524、6526和6528以及第二组接触元件6525和6527，所有接触元件都形成在基板6522上。第一组接触元件6524、6526和6528的弯曲弹簧部分长于第二接触元件6525和6527的弯曲弹簧部分。换句话说，接触元件6524、6526和6528的弯曲弹簧部分的高度大于接触元件6525和6527的弯曲弹簧部分的高度。
通过提供具有不同高度的接触元件，本发明的连接器6520可以有利地应用于“热插拔”应用。热插拔指的是在半导体装置要连接到其上的系统为电活性的同时安装或拆卸半导体装置而不损坏该半导体装置或该系统。在热插拔操作中，各种电力和地针和信号针必须依次且不同时连接和脱离以便避免损坏该装置或该系统。通过使用包括具有不同高度的接触元件的连接器，较高的接触元件可用于在较短的接触元件之前形成电连接。这样，可以得到电连接的希望顺序以实现热插拔操作。
如图65a中所示，连接器6520要连接到半导体装置6530，该半导体装置包括形成在其上的金属焊盘6532。当施加外部偏压力F以接合连接器6520与半导体装置6530时，高的接触元件6524、6526和6528首先接触相应的金属焊盘6532，而较短的接触元件6525和6527保持未连接。接触元件6524、6526和6528可用于电连接到半导体装置6530的电力和地针。通过进一步施加外部偏压力F(图65b)，要连接到信号针的较短的接触元件6525和6527可以与装置6530上的相应金属焊盘6532连接。由于本发明的接触元件具有大的弹性工作范围，因此第一组接触元件可以比第二组接触元件被进一步压缩而不损害接触元件的完整性。这样，连接器6520实现与半导体装置6530的热插拔操作。
如上所述，当使用半导体制造工艺形成本发明的连接器的接触元件时，可以形成具有各种机械和电性质的接触元件。特别地，半导体制造加工步骤的使用允许要被构建的连接器包括具有不同机械和/或电性质的接触元件。然而，这种“半导体”制造工艺可以结合诸如PCB基板的基板使用以形成弹性接触件阵列，该弹性接触件阵列的接触件尺寸大于对目前半导体装置来说典型的微米或亚微米尺寸。例如，在图16a-19h中示出的工艺可用于在PCB型基板上形成阵列间距在大约10-100微米范围内的接触件阵列。
这样，根据本发明的另一方面，本发明的连接器设置有具有不同操作性质的接触元件。就是说，该连接器包括不同种类的接触元件，其中可选择接触元件的操作性质以满足希望应用中的要求。在本描述中，接触元件的操作性质指的是接触元件的电、机械和可靠性性质。通过使接触元件具有不同的电和/或机械性质，本发明的连接器可制成满足高性能互连应用的所有的严格的电、机械和可靠性要求。
根据本发明的一个方面，可以为接触元件或一组接触元件具体设计以下机械性质，以实现某些希望操作特性。首先，可以为用于每个接触元件选择接触力以保证一些接触元件的低电阻连接或连接器的低的总体接触力。第二，接触元件在电学上根据要求操作的每个接触元件的弹性工作范围可以在接触元件之间变化。第三，可以改变每个接触元件的竖直高度。第四，可以改变接触元件的间距或水平尺寸。
根据本发明的替代方面，可以为接触元件或一组接触元件具体设计电性质，以实现某些希望操作特性。例如，每个接触元件的DC电阻、阻抗、电感和载流能力可以在接触元件之间变化。因此，一组接触元件可设计成具有较低的电阻或一组接触元件可设计成具有较低的电感。
在大多数应用中，接触元件可以设计成为接触元件或一组接触元件获得希望的可靠性性质以实现某些希望的操作特性。例如，接触元件可设计成在诸如热循环、热冲击和振动的环境应力，腐蚀试验和湿度试验之后没有性能降级或具有微小的性能降级。接触元件也可设计成满足工业标准限定的其它可靠性要求，诸如电子工业协会(EIA)限定的那些可靠性要求。
当本发明的连接器中的接触元件制造为MEMS格栅阵列时，通过改变例如以下设计参数，可修改接触元件的机械和电性质。首先，可选择接触元件的弯曲弹簧部分的厚度以给出希望的接触力。例如，大约30微米的厚度典型地给出大约10克或更小的低接触力，而40微米的凸缘厚度对于相同的位移给出为20克的较高的接触力。也可选择弯曲弹簧部分的宽度、长度和形状以给出希望的接触力。
第二，可选择接触元件中要包括的弯曲弹簧部分的数量以实现希望的接触力、希望的载流能力和希望的接触电阻。例如，使弯曲弹簧部分的数量翻倍大致使接触力和载流能力翻倍，而使接触电阻大致减半。
第三，可选择特定的金属成分和处理以获得希望的弹性和传导性特性。例如，诸如铜铍的铜合金可用于在机械弹性和电传导性之间提供良好的折衷。替代地，金属的多个层可用于提供优秀的机械和电性质。在一种构造中，使用钛(Ti)形成接触元件，钛涂覆有铜(Cu)，然后涂覆有镍(Ni)，并且最后涂覆有金(Au)，从而形成Ti/Cu/Ni/Au多个层。Ti可提供刚性和高的机械耐用性而铜可提供优秀的传导性以及弹性，并且镍和金层可提供优秀的耐腐蚀性。最后，诸如镀覆或溅射的不同金属沉积技术和诸如合金化、退火的不同金属处理技术和其它冶金技术可用于为接触元件设计特定的希望性质。
第四，弯曲弹簧部分的曲度可设计成给出某些电和机械性质。也可以改变弯曲弹簧部分的高度或从基部突出的量以给出希望的电和机械性质。
在图1和3A-3B中特别示出的上述工艺的一个特征是不需要昂贵的工具来形成接触件结构。通过成熟的计算机辅助设计完成二维接触件设计，提供了大量接触件设计灵活性。换句话说，可使用Gerber或其它系统来设计用于形成希望的接触件结构的掩模或形成图案工艺。可执行定制设计或者可从设计库选择接触件形状。类似地，使用与要被成形的弹簧片材阵列的接触件阵列设计匹配的设计，可容易地制造成形工具。用于使弹簧片材和/或成形工具形成图案的平版印刷技术是稳健且廉价的。
在图4、9a、9b、9c、9d、11和14中示出的特定例子中，接触臂具有轧制梁的形状。通过适当选择材料、接触件形状设计和加工条件(下面进一步论述)，这种接触件的性能超越为内插器制造的常规接触件可获得的性能。图11中示出的接触件例如可设计成具有高的弹性，使得在耦合到外部装置和从外部装置去耦期间接触件的重复上下位移几乎不产生疲劳或根本不产生疲劳。另外，可以独立于过孔尺寸或过孔间隔设计接触件的长度，使得与形成在过孔正上方的接触件相比可以实现较大的工作范围(与接触件的竖直位移范围有关)。此外，通过适当选择用来形成接触臂的传导性片材的成分和接触件的适当热处理以及适当的内插器设计，可调节接触臂的机械性质以适合希望的应用。例如，如下面进一步论述的，通过用于形成接触件的Cu合金的热处理以及接触件基部附近的区域的设计，可以改变接触件的有效弹性模量以及弹性范围。
弹性接触件的机械性质还可通过在粘接工艺期间设计粘合剂层而进一步定制。适于本发明的构造的粘合剂层典型地包含聚合物内层，该聚合物内层在顶部和底部由环氧树脂层包围。已经使用实验方法确定，对于具有大约6-8密耳的工作范围的接触件，适当选择粘合剂层可使工作范围增加大约0.5-1密耳。此外，通过在基板或弹簧片材中提供充当流动限制器的粘合剂储存器(分别见图9a、9c和9d的元件910、932和942)，在粘接后获得良好的接触件性质。通过适当设计这种流动限制器，可以最小化粘合剂流通。通过防止粘合剂在弹簧片材的粘接期间流到接触臂的下侧，流动限制器有利于制造具有较长有效长度的接触臂的制造。换句话说，当粘合剂位于接触件基部附近的接触臂的下侧上时，接触臂在向下位移期间绕其旋转的点有效地较短(比较图9a和9b的接触臂902)。通过保证没有粘合剂位于接触臂下方，因此延伸有效接触臂长度，对于给定载荷(应力)，接触臂发生较大位移，因此减小接触臂在它达到其最大位移之前承受屈服应力的可能性。
定制粘合剂层和邻近粘合剂层的流动限制器的效果在图66和67中被示出，图66和67分别示出对于借助FRO111和LFO111粘合剂材料粘接的接触件，对于具有部分蚀刻的流动限制器和完全蚀刻的流动限制器的基板测得的工作范围。改变粘合剂材料导致大约0.6-0.7密耳的工作范围变化，而从部分蚀刻的流动限制器改变到完全蚀刻的流动限制器引起工作范围的类似变化(见图9c和9d，以便比较具有部分蚀刻的流动限制器的基板和具有完全蚀刻的流动限制器的基板)。
根据本发明的另外构造，图68a示出俘获焊盘布局6800，该俘获焊盘包括焊盘6802，每个焊盘设置有弧形狭槽6804，该弧形狭槽6804构造成在粘接工艺期间俘获粘合剂。狭槽设计成形成围绕过孔(未示出)的同心弧。例如，具有焊盘6802的图案的设置有金属覆层的基板可具有过孔，该过孔钻通基板并且位于每个焊盘上以便与给定狭槽6804同心。要粘接到基板的弹簧片材中的接触件可布置成使得接触臂从位于狭槽6804上方基部延伸。在粘接期间，被迫向着敞开的过孔的粘合剂可以被收集在布置在过孔的边缘附近的狭槽6804中。
图68b-68e以透视图示出根据本发明的另外构造的布置在示例性接触件构造中的流动限制器变型。在每个图中，示出的上接触表面代表构造成用来粘结到连接器基板的接触件表面。图68b示出具有部分蚀刻的区域6816的双接触臂接触件6810，该部分蚀刻的区域在基部6812中形成正方形凹陷并且包围接触臂6814连接基部6812的区域。当接触件6810粘接到基板时，过多的粘合剂容纳在充当流动限制器的正方形凹陷6816中，防止粘合剂流到区域6818下方。
图68c示出另外的接触件结构6820，其中流动限制器6826设置为近似覆盖正方形凹陷区域6816的一半的两个部分并且定位成邻近接触臂6814连接基部6812之处。
图68d示出另外的接触件结构6830，示出接触件的阵列，除了部分蚀刻的流动限制器6816外，每个接触件还包括完全蚀刻的卵形区域6832。区域6832各定位成邻近区域6816的一部分并且靠近接触臂6814连接基部6812的区域。
图68e示出另一种接触件结构6840，该接触件结构6840具有类似于接触件结构6830的那些特征的特征，外加圆形的完全蚀刻的流动限制器6849，该流动限制器6849位于接触件阵列的接触件之间的角部区域。
此外，弹簧片材中的敞开的通孔可被设置用来允许粘合剂向上流动并且位于弹簧片材的顶部上。在一个例子中，接触件结构包括设置有孔的基部，粘合剂材料布置在该孔中和该孔周围。在本发明的一种构造中，粘合剂材料具有铆钉状结构，该铆钉状结构在弹簧片材粘接到基板期间通过将粘合剂挤过诸如弹簧片材中的圆形孔的孔口而形成。铆钉的头部围绕该孔形成并且在接触臂的机械偏转期间用于约束接触件。图69a示出根据本发明的另外构造的示例性接触件布置的平面图。布置6900包括接触件6902的阵列，该接触件的基部6904包含通孔6906，该通孔构造成容纳来自位于下面的粘合剂层6908的粘合剂。流过圆形孔6906的粘合剂可形成隆起，该隆起在基部6904的平面的上方延伸(从图69a的页面出来)并且延伸超过该孔的外直径。当在横截面中观察时，如图69b中所示，粘合剂形成蘑菇状或铆钉状结构，该蘑菇状或铆钉状结构用于将基部6904固定到基板6910。
图69c示出图69a和69b的接触件结构的变体，其中通孔6912中挤出的粘合剂的顶表面基本上不在基部表面上方延伸。因为该通孔具有向着该表面在直径上增加的锥形横截面，因此挤出的粘合剂部分6910形成基部运动的机械约束而不在基部6904的顶表面的上方延伸。通过使用各向同性蚀刻剂，可将这种横截面形状赋予蚀刻在弹簧片材中的通孔。
粘合剂铆钉部分6906也可充当硬止动件，该硬止动件防止外部部件碰撞基板(诸如基板6910)的其它部分。在外部装置中的特征使接触臂6902向着基板6910向下位移时，外部装置的其它部分可在其它位置接近基板6910。铆钉6906的阵列可用于防止外部部件的其它部分太紧密地接近基板6910，并且因此防止在耦合到外部部件期间损坏。
在本发明的其它构造中，向上位移以形成过孔的边缘附近的隆起或凸起的粘合剂层的若干部分也可充当硬止动件，在这种情况下用于相邻的接触臂(见图9c中的粘合剂层部分934)。因此，粘合剂层的顶部防止接触臂沿向下方向延伸太远，并且因此可减小接触臂达到屈服应变(位移)点的倾向。
此外，在基板中的给定位置中提升粘合剂的局部表面高度提供了在接触件向着基板的位移期间电分流接触件的手段。在图9c中示出的成形阶段之后，例如，进行电镀步骤，该电镀步骤借助可接合接触件7002的传导性层7004涂覆粘合剂层的暴露部分，如图70中所示，导致较小的电路径长度和较低的电阻。在发生电分流的点P1之后，接触臂7006的远端仍然可向下位移。
最后，通过设计覆盖层结构7007，可定制接触件的机械响应，该覆盖层结构放置在靠近接触臂的接触件的若干部分的顶部上。
使用成形的弹簧片材来制造电连接器的另一优点是，它促进了接触元件弹簧延伸超过接触件间距的几何形状，如下面更详细地描述的。
根据本发明的另一方面，一种连接器设置有具有不同操作性质的接触元件。就是说，该连接器可包括不同种类的接触元件，其中可选择接触元件的操作性质以满足希望应用中的要求。接触元件的操作性质指的是接触元件的电、机械和可靠性性质。通过使接触元件具有不同的电和/或机械性质，连接器可制成满足高性能互连应用的所有的严格的电、机械和可靠性要求。
根据本发明的替代构造，可以为接触元件或一组接触元件具体设计电性质，以实现某些希望操作特性。例如，每个接触元件的DC电阻、阻抗、电感和载流能力可以变化。因此，一组接触元件可设计成具有较低的电阻或具有低的电感。接触元件也可设计成在诸如热循环、热冲击和振动的环境应力，腐蚀试验和湿度试验之后没有性能降级或具有微小的性能降级。接触元件也可设计成满足工业标准限定的其它可靠性要求，诸如电子工业协会(EIA)限定的那些可靠性要求。
通过改变以下设计参数，可修改接触元件的机械和电性质。首先，可选择接触元件的弹簧部分的厚度以给出希望的接触力。例如，大约30微米的厚度典型地给出大约10克或更小的低接触力，而40微米的凸缘厚度对于相同的位移给出为20克的较高的接触力。也可选择弹簧部分的宽度、长度和形状以给出希望的接触力。
第二，可选择被包括在接触元件中的弹簧部分的数量以实现希望的接触力、希望的载流能力和希望的接触电阻。例如，使弹簧部分的数量翻倍大致使接触力和载流能力翻倍，而使接触电阻大致减半。
第三，可选择特定的金属成分和处理以获得希望的弹性和传导性特性。例如，诸如铍铜的铜合金可用于在机械弹性和电传导性之间提供良好的折衷。替代地，金属的多个层可用于提供优秀的机械和电性质。在一种构造中，使用钛(Ti)形成接触元件，钛涂覆有铜(Cu)，然后涂覆有镍(Ni)，并且最后涂覆有金(Au)，从而形成Ti/Cu/Ni/Au多个层。Ti提供了弹性和高的机械耐用性，Cu提供了传导性，并且Ni和Au层提供了耐腐蚀性。最后，诸如镀覆或溅射的不同金属沉积技术和诸如合金化、退火的不同金属处理技术和其它冶金技术可用于为接触元件设计特定的希望性质。
第四，弹簧部分的形状可设计成给出某些电和机械性质。也可以改变弹簧部分的高度或从基部突出的量以给出希望的电和机械性质。在其它变体中，接触臂可以沿其长度成锥形，如从顶部观察的或者如从侧部观察的。
本领域技术人员将认识到，根据本发明的连接器可用作内插器、PCB连接器，或者可形成为PCB。本发明的可缩放性是不受限制的，并且由于所用的平版印刷技术和用于三维地成形连接器元件的简单的加工模具，可以容易地为生产定制。
为了说明和描述的目的，已经给出本发明的构造的前述公开。前述公开不意图是详尽的或者将本发明限制到公开的精确的形式。本领域技术人员根据上述公开将清楚这里描述的构造的许多变型和修改。例如，在提及堆叠3000的元件中使用术语“顶部”和“底部”是为了清楚的目的。顶部和底部元件颠倒的构造在本发明的范围内。另外，可构想堆叠3000的层布置为水平叠层的构造。本发明的范围仅由所附权利要求并且由它们的等同物限定。
此外，在描述本发明的代表性构造中，本说明书可能已经将本发明的方法和/或工艺给出为特定的一连串步骤。然而，只要该方法或工艺不依赖于这里阐述的特定顺序的步骤，该方法或工艺将不限于所述的特定次序的步骤。如本领域技术人员将理解的，其它次序的步骤是可能的。因此，本说明书中阐述的特定顺序的步骤将不解释为对权利要求的限制。此外，涉及本发明的方法和/或工艺的权利要求不应当限于以写出的顺序执行它们的步骤，并且本领域技术人员可容易地理解该次序可以变化并且仍然保持在本发明的精神和范围内。