전도성의 회로망을 포함한 복합 전기 상호 접속매체, 제품, 어셈블리 및 방법

전도성의 회로망을 포함한 복합 전기 상호 접속매체, 제품, 어셈블리 및 방법

제1도는 본질적으로 비전도성의 매트릭스 재료내의 자기, 전도성 입자의 회로망으로부터의 결과로서 xy 또는 xyz 방향의 전도성을 가진 상호 접속매체의 xy 방향의 평면을 개략적으로 도시하는 도.

제2도는 본질적으로 비전도성의 매트릭스 재료내의 자기, 전도성 입자의 회로망으로부터의 결과로서 xy 방향의 전도성을 가진 상호 접속매체의 xz 방향의 횡단면을 개략적으로 도시하는 도.

제3도는 본질적으로 비전도성의 매트릭스의 재료내의 자기, 전도성 입자의 회로망으로부터의 결과로서 xyz 방향의 전도성을 가진 상호 접속매체의 xz 방향의 횡단면을 개략적으로 도시하는 도.

제4도는 본질적으로 비전도성의 매트릭스의 재료내의 자기, 전도성 입자의 회로망의 존재의 결과로서 약한 xy 방향의 전도성과 조합하여, 주로 자기, 전도성 입자의 z-방향의 일렬된 연쇄로부터의 결과로서 강한 z-방향의 전도성을 가진 상호 접속매체의 xz 방향의 횡단면을 개략적으로 도시하는 도.

제5도는 제4도에 도시된 매체와 z-방향의 전도성 연쇄의 종단 입자가 매체의 상측 및 하측 표면으로부터 돌출하는 점이 상이한 상호 접속매체의 xz 방향의 횡단면을 개략적으로 도시하는 도.

제6도는 제4도 또는 제5도에 따른 상호 접속매체를 포함한 소자 어셈블리의 형태로서 장치의 xz 방향의 횡단면을 개략적으로 도시하는 도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11,21 : 자기 전도성 입자 12 : 비전도성의 매트릭스 재료

41,42 : 소자 성분 43 : 상호 접속매체

411,412,413,421,422,423 : 전기 접촉 패드

본 발명은 전기적 상호 접속매체 및 그들의 제조와, 그러한 매체를 또한 제품 및 어셈블리에 관한 것이다.

전기 및 전자 소자의 소형화와, 소자를 어셈블리에 결합하여 패킹(packing)밀도의 증가에 따라, 전기적 상호 접속을 행하기 위해 전통적으로 사용된 땜질과는 다른 수단에 대하여 상업적인 관심이 점점 고조되어 왔다. 그러한 수단에서 눈에 띠는 것은 전기적 전도성 입자가 비전도성 매트릭스 재료내에 파묻혀 있는 복합매체이며, 상기 매체는 접촉 패드를 지지하는 성분 사이에 예컨대 점성, 컴프라이언트(compliant), 또는 경화된 구조를 형성한다.

상호 접속매체는 다양한 형태를 취하고, 1개, 2개, 또는 3개의 상호 직각 방향으로 전도성을 갖도록 제조된다. 상호 접속매체의 특히 중요한 1개의 카테고리는 층 또는 시트 형태를 취하고, 그 경우, x 및 y 방향이 시트 또는 층의 평면에 놓이도록 방향 지정을 하는 것이 전통적이다. 그와 같은 몇몇의 상호 접속매체는, 오직 z-방향의 전도성만을 갖고, 다른 몇몇은 z-방향 및 y-방향의 전도성을 가지며, 그래서 등방성의 전도성 매체는 x-, y-, 및 z-방향의 전도성을 갖는다. 이들의 각각의 케이스에 대하여, 각각, 1985년 10월 22일, 알.비.하트만(RBHartman)에게 특허 허여된 미합중국 특허 제4,548,862호, 명칭 “감압 점착층을 횡단하여 연장하는 전기적 전도성 입자의 브리지를 갖는 플렉시블 테이프(Flexible Tahp Having Bridges of Electrically Conductive Particles Extending Across Its Pressure-Sensitive adhesive Layer)”; 1985년 10월 8일, 티.더블유.킹(TWKing)등에게 특허 허여된 미합중국 특허 제4,546,037호, 명칭 “다중 접속을 행하기 위해 전기적 전도성 입자의 스트립을 갖는 플렉시블 테이프(Flexible Tape Having Stripes of electrically Conducitive Particles for Making Multiple Connections)”; 및 응용 물리학 정기 간행물(Journal of Applied Physics), 제42권(1971년), 페이지 614 내지 618쪽에 에이.말리아리스(A.Malliaris) 등이 게재한 논문 “압축 혼합물, 중합체 및 합금 분말의 전기적 저항에 다른 입자 크기의 영향(Influence of Particle size on the Electrical Resistivity of Compacted Mixtures and polymeric and Metallic Powders”을 참조하다.

이하에 있어서, 적어도 2개의 방향의 전도성을 갖는 상호 접속매체의 대해 특히 주의가 따르게 된다. 그러한 매체와 관련하여, 본 발명에 의하면, 복합 매체내의 전도성 입자의 농도가 감소되며, 복합 매체내에 있어서, 매트릭스 재료내의 기계 특성을 거의 남기게 된다.

전기적 상호 접속매체는 비전도성 또는 적어도 강한 전도성을 나타내는 매트릭스 재료내에 전도성의 자기 입자의 회로망을 포함하도록 제조된다. 이 회로망 형성은 자장 처리를 포함하며, 그 결과로서, 적어도 2개의 양호한 크기로 요구된 레벨의 전도성이 얻어진다. 본 발명의 양호한 실시예에 있어서, 상기 매체는 시트 또는 층의 형태를 취하고, 자장 처리는 매체의 x- 및 y-방향의 큰 성분을 사용하여 달성된다.

본 발명에 따른 층 매체는 예컨대, z-방향의 전도성 단일 입자 또는 전도성 자기 입자의 자기적으로 일렬된 종렬(column)과 같은 비등방성 전도요소를 또한 포함하고, 사실상, 그러한 요소가 매체의 주요 전도 요소로 한다. 그 결과로서, z-방향의 전도성이 xy 방향의 전도성보다 상당히 크다. 본 발명의 상기 일면은 요구된 경미한 zy 방향의 전도성을 현저히 다른 z-방향의 전도성 상호 접속매체에 제공하기 위해 특히 유용한 것으로 고려되며, 그러한 xy 방향의 전도성은 예컨대, 정전적인 저하의 방출을 용이하게 하는데 역할을 하며, 상기 정전적인 전하의 방출은 달리 축적되면 소자 동작을 방해할 우려가 있다.

제1,2 또는 제3도는 비전도성의 매트릭스 재료(12)내의 자기성, 전도성 입자(11)를 나타낸 것이다. 결과로 나타나는 복합 매체내의 전도성은 x- 및 y 방향에만 있을 수 있으며, (제1도와 제2도); 대조적으로 전도성은 x, y 및 z 방향에도 있다(제1도와 제3도).

제4도는 자기, 전도성 입자(11) 및 (21), 및 비전도성 매트릭스 재료(12)를 나타낸 것이다. 입자(21)는 상호 접속매체의 상측면과 하측면과의 사이에 연장하는 z-방향의 전도성 연쇄로 일렬되며, 또한 입자(11)는 매체내에 경미한 등방 전도성을 주는 입자의 회로망을 형성한다.

제5도는 제4도와 관계하여, 상술된 것과 같은 형성 및 부가적인 양호한 형상으로서, 감소된 z-방향의 접촉 저항을 주기 위해서 표면으로부터 돌출한 연쇄의 종단 입자를 나타낸 것이다.

제6도는 전기 접촉 패드(411,412 및 413)를 가진 제2소자 요소(components)(41)와, 전기 접촉 패드(421,442 및 423)를 가진 두개의 제2소자 요소(42)를 나타낸 것이다. 제1 및 제2요소 사이에 배치되는 것은 제4도 및 제5도와 관련하여 상술된 바와 같은 상호 접속매체(43)이며, 개개의 접촉 패드(411 및 421, 412 및 422, 413 및 423) 사이의 전기적 상호 접속을 제공한다. 예로, 요소(41)는 지지 기판 또는 회로판이 있으며, 요소(42)는 복수의 반도체 또는 표면 설치된 소자가 있다. 또한, 요소(42)는 요소(41)상의 회로를 테스트하기 위해 테스트 헤드가 있으며, 또한, 요소(41)도 요소(42)상의 회로를 테스트하기 위해 테스트 헤드가 있다.

매트릭스 재료로서 적합한 본질적으로 비전도성 재료중에는 비전도성 재료, 약전도성매체 재료, 및 반도체 재료가 있고, 그러한 재료는 탄성(elastomeric), 점착성(adhesive), 투명성(glasssy), 또는 세라믹 특성을 갖는다. 적합한 재료중에는 예로, 실리콘 고무, 에폭시, 및 수지(resin)과 같은 중합체 재료가 있다. 재료는 유기물 또는 무기물이다.

본 발명의 상호 접속매체의 제조는 처음에 분말 형태, 슬러리 형태, 또는 용액 형태로 하는 매트릭스 재료를 사용하여 제조된다. 자기 전도성의 입자가 추가되고, 자장 처리된후, 최종적인 매체가, 예로, 용해 및 고체화에 따라서, 건조에 따라서, 또는 경화(curing) 또는 다른 형식의 경화(hardening)에 따라서 얻어진다. 경화는 예로, 노(furnace)내로 가열함으로서 또는 유도 또는 마이크로파 수단으로 수행된다; 또는 방사선 감지 재료는 적합한 방사선에 노출시켜 경화된다.

함유된 입자는 전체가 전도성 또는 적어도 그 표면이 전도성이다. 또한, 적어도 일부분에 관련된 입자는 외부 자장의 인가에 의해 정렬시키기에 충분한 자성을 갖는다. 적합한 입자 재료중에는 니켈, 철, 코발트; 니켈, 철, 또는 코발트를 포함하는 합금; 및 페라이트가 있다. 또한, 전도성의 표면 코팅이 사용되며, 그러한 코팅은 또 표면 보호용으로 역할하며, 예로, 은, 금과 같은 귀금속과 귀금속 합금이 상기 점에서 특히 적합하다. 또한 몇몇의 용도에 있어서, 복합 매체의 열전도성이 문제로 되며, 그 경우에, 차례로 귀금속으로 코드된 구리층을 포함한 입자가 양호하게 된다.

본 발명의 상호 접속매체내의 양호한 입자 농도는 전형적으로 용적당 0.5 내지 30(%)의 범위지만, 되도록, 용적당 1 내지 10(%)의 범위이며, 더욱 낮은 농도는 예로, 기계강도, 점착성 및 내구성과 같은 요구된 특성을 확보하기 위해 양호하게 된다. 입자는 구형 또는 거의 구형이며, 예로, 플레이크 및 로드와 같은 다른 형태인 입자를 사용하는 것도 배제되지 않는다. 양호한 입자 직경은 0.5 내지 10[㎛]의 범위이지만, 되도록 1 내지 5[㎛]로 한다.

본 발명의 매체는 별개로 제조되며, 후에 상호 접속 어셈블리내에 설치되며, 또한 그러한 매체는 제자리에, 예컨대, 상호 접속될 요소상에 제조될 수도 있다. 특히, 후자의 경우에 있어서, 매체는 예로, 양호한 전기적 전도 경로가 형성되도록 패턴화될 수 있다.

본 발명의 실시예에 의해 분류된 공통 특징은 본질적으로 비전도성의 매트릭스 재료내에 전도성의 자기 입자의 회로망이 있으며, 상기 회로망은 매트릭스 재료의 경화전에 자장 처리를 행한 결과로서 형성된다. 자장 처리는 다른 방향과, 선택적으로, 상이한 강도를 가진 자장으로의 노출에 따르면, 예를들면, 자장은 x- 및 y-방향, x- 및 z-방향, 또는 x-, y- 및 z-방향으로 한다.(시트매체에서, xy 전도 회로망이 예로, z-방향의 자장에 뒤이어 z-방향의 자장을 인가하는 것에 의해 얻어질 수 있으며, 즉, y-방향의 자장을 인가함이 없이 얻어질 수 있다. 결과로서의 매체는 y-방향의 전도성보다 큰 x-방향의 전도성을 갖지만, 후자는 전형적으로 전자의 적어도 25[%]이다).

xy 또는 xyz 방향의 전도성을 갖는 매체로서, 예로, 은으로 채워진 에폭시와 비교하여, 본 발명은 소망의 전도율을 비전도성의 매트릭스 재료내의 가능한 한 최저 전도성 입자의 농도로 달성하는 것을 가능케한다. 결과로서, 본 발명의 상호 접속매체는 매트릭스 재료에 상당히 근사하게 기계 특성을 갖는다. 임의적으로 분포된 입자를 가진 매체와 비교하여, 본 발명의 상호 접속매체는 전형적으로, 뛰어난 강도, 컴플라이언스(compliance) 및 압축성을 갖는다. 또한, 자장 처리의 접합한 조건하에서, 매체가 필요에 따라서, 예컨대, z-방향의 절연매체에 대하여 시트 매체의 편면 또는 양면으로 본질적으로 입자를 포함하지 않은 표면 영역을 갖도록 제조될 수 있다는 장점이 얻어진다. 어느 쪽의 경우든 즉, z-방향의 전도성이 존재하든 존재하지 않든 간에 관계없이, 본 발명의 매체는 전도성 잉크 또는 점착제로서 기능한다. 이와 같은 용도에 있어서, xy 방향의 저항성 및, 임의적으로 z-방향의 저항성은 되도록 1[Ω-cm] 이하로 한다.

상술한 바와 같이, 자기적으로 형성된 전도성의 회로망은 예로, 퍼스널 데이타 카드 및 중합체 베이스, 다층 인쇄 회로기판상에 사용된 바와같이 상호 접속 회로에 있어서 요구된 것과 같이 상호 접속매체에 xy 또는 xyz 방향의 전도성을 부여한다. 다른 용도로는 전자기 영향의 차폐와 함께, 전기 전도, 열전도 및 탈열제에 대한 차폐가 포함된다.

또한 z-방향 압축하에서의 xyz 방향의 전도성 매체는 증진된 z-방향 전도성을 갖기 때문에, 그와 같은 압축된 매체는 현저한 z-방향 전도성이 요구되면서도, 예컨대, 정전기적인 전하의 방출 때문에 요구되는 것처럼 경미한 xy 방향의 전도성이 요구되는 경우에 사용될 수 있다. z-방향의 전도성도 적당한 자장 처리에 의해 현저하게 될 수 있으며, 자장의 방향 및 강도를 입자의 z-방향의 전도성 연쇄가 형성되기 쉽도록 변화하는 것을 포함한다.

강한 z-방향의 전도성과 약한 xy 방향의 전도성을 갖는 상호 접속매체는 되도록, 다수의 비교적 작은 입자와 소수의 비교적 큰 입자를 포함한다. 양호한 큰 입자의 직경은 10 내지 100[㎛] 범위이지만, 되도록, 20 내지 50[㎛] 범위로 한다. 상기 경우의 처리에 있어서는 먼저, 작은 입자의 xy 방향의 전도성 회로망을 형성하기 위해서 xy 방향의 자장 처리가 행해지며, 그 다음에, 큰 입자의 z-방향 일렬이 매체의 두께 방향으로 연장하는 상호적으로 절연된 컬럼 또는 컬럼형의 형상으로 된다. 그 결과로서되는 양호한 구조에 대해서 제4 및 제5도를 참조하자.

z-방향의 우위의 전도성은 또한 단일 또는 “브리징(bridging)”큰 크기의 입자에 의해서 달성될 수도 있다. 큰 입자가 제멋대로 분포되거나, 또는 z-방향의 자장처리의 결과로서 보다 균일 zy 분포가 얻어진다.

본 발명의 상호 접속매체는 영구히 또는 일시적으로 전기적 접속을 달성하기 위해 사용된다 .영구적인 접속은 기판 또는 소자 요소상의 회로 형태를 이루며, 본 발명의 영구적인 접속이 요소 사이에 또한 확립된다. 일시적인 접속은 예컨대, 영구적인 소자의 설치전에 품질 보증을 위한 소자 테스트에 있어서 중요하다. 일시적인 이외에 영구적인 접속은 상호 접속된 요소 사이에 압력을 가하기 위해 클램프 또는 다른 수단의 사용을 수반한다. 상호 접속의 품질은 점착성 매트릭스 재료를 사용함으로써 향상된다.

본 발명의 상호 접속매체는 특히 테스트 용도에 적합하기 때문에, 이하의 논의는 그점에 관해서 논한다. 회로의 테스트는 전형적으로 테스트 헤드 또는 테스트 스테이션상의 접촉 패드와, 테스트될 소자, 기판 또는 보드상의 대응하는 접촉 패드 사이의 상호 접속매체를 횡당하는 z-방향의 전기 접속을 요구하며, 또한 xy 방향으로 인접한 접촉 사이의 충분한 전기 절연이 요구된다. 더우기, 정전 방전에 의한 소자 및 테스트 장치로의 전위 손실을 방지하기 위하여, 상호 접속매체가 바람직하게 정전방지의 측면(zy)방향의 방출을 허용하는 것이 발견되었다. 상술된 바와 같이, 본 발명의 상호 접속매체는 z- 및 xy 방향의 저항이 적합하게 선택된 경우, 입자의 xy 방향의 전도 회로망을 통해 상기와 같이 방출을 할 수 있다. 양호한 xy 방향의 저항은 10 ⁴ 내지 10 ¹² [Ω·cm]범위이내이고, z-방향의 저항 대 xy 저항의 양호한 비율은 10 ^-7 내지 1p ^-15 범위내로 한다.

[실시예 1]

약 20[㎛]의 직경을 가진 금 코팅된 니켈 입자는 용적당 약 5[%]의 농도로 에폭시 매트릭스 재료내에 혼합된다. 그 결과 혼합물은 75[㎛]의 층상으로 분포되고, 그 층이 교호하여 4회 x- 및 y-방향의 자장에 노출된다. 이 자장은 약 200[에르스텟]의 강도로 되고, 각 자장은 약 1[초]동안 가해진다. x-장 및 y-장 양쪽도 약 40[에르스텟/cm]의 z-방향의 경사를 가진 경사장이 이용되며, 상기 경사장을 사용한 결과 층 매체의 하측 표면 영역내에 xy 방향의 전도성 회로망이 형성된다. 에폭시의 그 다음 경화를 위해, 매체가 적외선 램프에 약 30[초]동안 노출된다. 경화된 매체의 현미경 관찰은 제1 및 제2도에 개략적으로 도시된 바와 같이 입자의 xy 방향의 회로망을 도시하고, 또한, 매체의 xy 방향의 전기 저항은 약 0.15[Ω·cm]로 되는 것을 알게 되었다. z-방향의 저항은 10 ¹⁰ [Ω·cm] 이상이었다.

[실시예 2]

약 40[㎛]의 직경을 가진 금 코팅된 니켈 입자와 약 2[㎛]의 직경을 가진 코팅되지 않은 니켈 입자가 시판용의 제품 GE RTV 615 및 GE RTV 630의 1 대 1의 혼합물로 이루어지는 액체 시릴콘 탄성중합체내에 혼합 되었으며, 40[㎛]입자는 체적당 약 3.5[%]포함되고, 2[㎛]입자는 체적당 약 3.0[%] 포함되었다. 이 혼합물은 가스가 제거되어 평탄한 기판상에서 약 250[㎛]의 두께를 가지는 층으로 얇은 판으로 되었다. 상기 층은 최초에 약 300[에르스텟]의 X-방향의 자장이 가해지고, 그 다음에 약 650[에르스텟]의 Z-방향의 자장이 가해지며, 그 뒤 열경화되어 시트가 형성된다. 샘플 시트의 크기는 약 20×32.5[CM]로 되었다. 매체의 두께를 횡단하는 접촉 저항은 625×625[㎛] 접촉 패드 사이에 약 0.3 내지 2[Ω]의 범위가 측정되었으며, 약 250[㎛]의 간격을 가진 접촉 패드 사이의 격리 저항은 약 10 ⁷ [Ω]이 측정되었다.

[실시예 3]

약 1[㎛]의 두께와 10[㎛]의 직경이고, 약 1200[Å]의 두께의 은으로 코팅된 니켈 플레이크(flake)가 1부의 GE RTV 615 및 3부의 GE RTV 630을 혼합해서 얻게된 액체 실리콘 탄성중합체내에 체적당 약 6[%] 혼합되었다. 상기 혼합물은 가스가 제거되어, 약 200[㎛]의 두께를 가진 층으로 얇은 판으로 되며, 약 300[에르스텟]의 x-방향의 자장에 노출되어, 약 600[에르스텟]의 z-방향의 자장에 또한 노출된 다음 열경화된다. 625×625[㎛]접촉 패드 사이의 z-방향의 저항은 약 10[파운드]/평방인치의 압력에서 약 4[Ω]이었으며, 약 250[㎛]의 간격을 가진 접촉 패드 사이의 인-플레인(in-plane) 저항은 약 10 ⁹ [Ω]이었다.