JP4879655B2 - ソケット用コンタクト端子及び半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＣＰＵやＬＳＩ等のＩＣパッケージをプリント基板に実装する際に使用するＩＣソケット用コンタクト端子に関し、特に、ＬＧＡパッケージやＢＧＡパッケージのＩＣパッケージをプリント基板上に実装する際などに好適に用いられるソケット用コンタクト端子及びこれを用いた半導体装置に関する。

従来から、ＣＰＵやＬＳＩ等のＩＣパッケージを、ソケットを介してプリント基板に実装する技術が検討されており、各種半導体装置、例えばパーソナルコンピュータやサーバーのマザーボードの多くには、ＬＧＡパッケージやＢＧＡパッケージのＣＰＵを装着するためのソケットが実装されている。
ＣＰＵは、その機能、性能の向上のため、年々多ピン化、高速化が進んでおり、パッケージのサイズアップや、ファインピッチによって対応がなされている。
これに伴い、ソケットも多ピン化への対応が必要になるとともに、パッケージのサイズアップに伴うたわみ量増大への対応や、パッケージの接触ランドやボールの高さばらつきへの対応が必要となるため、ソケットコンタクトのストロークを確保することができる構造が求められている。
また、ファインピッチ化に対する対応としては、ソケットコンタクトの小型化が重要であり、ＩＣのピンとソケットのコンタクトの適切な接圧での接触を確保できることが望まれる。
更に高速化においては、コンタクトが低インダクタンスであることが重要であり、高速化による消費電流増大に対応して接触抵抗が低く、許容電流も高いことが求められる。

現在のＬＧＡパッケージ用ソケットの主流は、約１ｍｍピッチの４００〜８００ピンのものであり、金属板を複雑に折り曲げて所定形状のコンタクト端子を作り、ソケットハウジングにコンタクト端子を挿入して製造する方法が用いられている。これらの従来技術は、例えば特許文献１〜２に開示されている。
特開２００４−１５８４３０号公報 特開２００５−１９２８４号公報 米国特許第６６６９４９０号明細書

しかしながら、特許文献１，２に開示された従来技術は、コンタクト端子が板バネ方式であるため、コンタクトのストロークを大きくするためにバネを長くすると、隣接するピンに接触してしまうため、ファインピッチになるとストロークを大きくできないといった問題がある。

また、この問題を解決するべく、コンタクトに導電性エラストマーからなるコラムを用いた構造として、例えば、特許文献３に開示された技術が提案されている。この場合、ソケットの反発性は導電性エラストマーの特性や構造で決まるため、適切な反発力の導電性エラストマーがあれば、要求にあった荷重において十分なストロークを確保することが可能なソケットを実現可能である。

しかし、特許文献３に開示されているような導電性エラストマーを用いると、
・コンタクトが金属でなくエラストマーであるため、金属接触に比較して接触抵抗が高く、高電流化に対して発熱や電圧降下が増大する恐れがある、
・パッケージ挿入時に、コンタクトが金属ランドをワイピングしないため、ランドの酸化膜除去が期待できない、等の、新たな課題が発生する。

本発明は、前記事情に鑑みてなされ、低抵抗、大電流化、高速化に対応できる優れたソケット用コンタクト端子及びこれを用いた半導体装置の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、プリント基板上の金属導体からなる接続部と、ＩＣパッケージの接続端子との間を導通させるソケット用コンタクト端子であって、主柱部と両側のアーム部とを有するコ字状の金具と、該金具に取り付けられたエラストマーとを有してなり、前記金具のアーム部外面は金属面が露出され、且つ前記エラストマーは、該金具のアーム部間が接近する方向に該アーム部を押圧した時に、反発力を発揮するようにアーム部間に挟持され、前記金具のアーム部外面側に凸部を設け、前記金具は、主柱部の少なくとも一部が、折り重ねられて他部よりも厚く形成されたことを特徴とするソケット用コンタクト端子を提供する。

本発明のソケット用コンタクト端子において、前記ＩＣパッケージは、ＬＧＡパッケージ又はＢＧＡパッケージであることが好ましい。

本発明のソケット用コンタクト端子において、前記金具は、銅又は銅合金からなる基材の表面に金めっきが形成されたものであることが好ましい。

本発明のソケット用コンタクト端子において、前記金具は、主柱部の少なくとも一部が、他部よりも幅広に形成されていることが好ましい。

本発明のソケット用コンタクト端子において、前記金具は、主柱部の少なくとも一部が、他部よりも厚く形成されたことが好ましい。

本発明のソケット用コンタクト端子において、前記凸部をドーム状に形成したことが好ましい。

本発明のソケット用コンタクト端子において、前記凸部を半円筒形状としたことが好ましい。

本発明のソケット用コンタクト端子において、前記エラストマーがフッ素ゴムであることが好ましい。

また本発明は、前述した本発明に係るソケット用コンタクト端子と、該ソケット用コンタクト端子を介して電気的に接続されたプリント基板及びＩＣパッケージとを有することを特徴とする半導体装置を提供する。

本発明のソケット用コンタクト端子は、コ字状をなす金具と、該金具に取り付けられたエラストマーとを有してなり、前記金具のアーム部外面は金属面が露出され、且つ前記エラストマーは、該金具のアーム部間が接近する方向に該アーム部を押圧した時に、反発力を発揮するようにアーム部間に挟持された構成としたので、エラストマーの寸法を調整することで、必要な荷重−変位特性に合わせた設計が容易に可能である。
また、金具のアーム部外面は金属面が露出しているので、アーム部外面のいずれか一方と接続部及び接続端子とを金属接合によって接続することが可能になり、プリント基板−ＩＣパッケージ間の低接触抵抗接続が可能である。
また、コ字状の金具に電流が流れることで、低インダクタンスで接続可能である。
また、金具は、コ字状の主柱部を支点としてアーム部がエラストマーに沈み込むため、荷重を印加した際に、相対する接触面と擦れ合いながら位置をずらして接触するワイピング機能を実現でき、これにより金具表面の酸化膜や異物を除去して新鮮な金属面同士で接続が可能である。
また、上下の接触は荷重による接続で実現可能なため、交換可能なソケットを設計でき、サーバー用途で求められるメンテナンス性にも優れている。

また、金具のアーム部外面に凸部を設けたことによって、プリント基板や、ＬＧＡパッケージのような平坦な電極に対しても、必要な荷重−変位特性で使用できる。

また、銅又は銅合金からなる基材の表面に金めっきが形成された金具を用いることによって、金からなる接続部との加工のし易さと金ランドとの良好な電気的接触性とを両方兼ね備えた、優れた接続構造を得ることができる。

また、金具の主柱部分の少なくとも一部を、他部よりも幅広に形成したことで、電気抵抗を低減できると共に、このソケット用コンタクト端子をハウジングに固定する際の梁として使用することにより、半導体装置の組み立てが容易となり、固定部の機械強度を高めることができる。

また、金具の主柱部分の少なくとも一部を、他部よりも厚く形成したことで、電気抵抗を低減できると共に、アーム部が押圧された際に、エラストマーの一部が厚板部分以外の主柱部との隙間に逃げ込むことで、金具からエラストマーが脱落し難くできる。

また、アーム部外面の凸部をドーム状に形成したことによって、荷重に対する強度を高めることができる。

また、アーム部外面の凸部を半円筒形状としたことによって、金具のアーム部を折り曲げ加工するだけで凸部を形成でき、金具の製造が容易になり、低コストの金具を提供できる。

また、金具の主柱部の一部を、折り重ねることで他部よりも厚く形成したことで、電気抵抗を低減できると共に、アーム部が押圧された際に、エラストマーの一部が厚板部分以外の主柱部との隙間に逃げ込むことで、金具からエラストマーが脱落し難くできる。

また、エラストマーをフッ素ゴムで形成したことで、耐熱性が高くなり、このソケット用コンタクト端子を基板やパッケージと接合する際に、半田のリフロー処理が可能になり、接合工程が容易となり、生産コストを低減することが可能となる。

また本発明の半導体装置は、前述した本発明に係るソケット用コンタクト端子と、該ソケット用コンタクト端子を介して電気的に接続されたプリント基板及びＩＣパッケージとを有するものなので、低抵抗、大電流化、高速化に対応できる高性能な装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明のソケット用コンタクト端子（以下、コンタクト端子と略記する。）の第１実施形態を示す図であり、図１（ａ）はコンタクト端子１０の側面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は正面図、（ｄ）は背面図である。図１中、符号１０はコンタクト端子、１１は金具、１２はエラストマー、１３は主柱部、１４はアーム部、１５は接触部である。

本実施形態のコンタクト端子１０は、プリント基板上の金属導体からなる接続部と、ＩＣパッケージの接続端子との間を導通させるものであり、主柱部１３と両側のアーム部１４とを有するコ字状の金具１１と、この金具１１に取り付けられた直方体状のエラストマー１２とを有してなり、金具１１のアーム部１４外面は金属面が露出され、且つエラストマー１２は、金具のアーム部１４間が接近する方向に該アーム部１４を押圧した時に、反発力を発揮するようにアーム部１４間に挟持された構成になっている。

この金具１１は、銅や黄銅などの導電性の良好な材料が適しており、接触抵抗低減のため、その表面には金めっきを施すことが望ましい。銅に金めっきを施す場合は、拡散に対するブロック層として、下地にニッケルめっきを施すことが一般的である。

金具１１に挟み込むエラストマー１２の高さＡは、金具１１の内側の高さＢと同じであることが望ましく、エラストマー１２の幅Ｃは、金具１１のアーム部１４の幅Ｄと同じかやや大きいことが望ましい。また、端子全体長さＥは、アーム部１４の長さＦと同じか、ややそれより大きい方が望ましい。また、主柱部高さＧは、接触部高さＨと同等である。

本実施形態のコンタクト端子１０は、基本的な動作として、金具１１には反発力を求めず、むしろ純銅のような、ある程度柔らかい材料を用い、アーム部１４が押圧された際の反発力は、エラストマー１２で発生させるようになっている。このような構造とすることで、繰り返しの荷重動作においても、金具１１が破断せず、また、エラストマー１２から金具１１が外れ難くすることができる。金具１１だけでエラストマー１２がない部分に荷重が加わって変形すると、荷重を無くしても戻らない状態となるので、これを防ぐため、エラストマー１２は、金具１１の内面側ほぼ全域で接触する程度の大きさとすることが望ましい。

次に、本実施形態のコンタクト端子１０におけるコンタクト動作を説明する。
図２は、本実施形態のコンタクト端子１０を用いた半導体装置の一例として、ＢＧＡパッケージのＩＣのためのソケットとして用いた場合のコンタクト動作を示す図である。図２（ａ）は、プリント基板−コンタクト端子−ＢＧＡパッケージの構造体の押圧力付与前の状態（又は押圧力付与後の復元状態）を示す側面図、（ｂ）は、プリント基板−コンタクト端子−ＢＧＡパッケージの構造体に押圧力を付与した時の状態を示す側面図である。図２中、符号２０は半導体装置、２１はプリント基板、２２はＢＧＡパッケージ（ＩＣパッケージ）、２３は回路導体、２４はアルミパッド、２５は半田、２６はＢＧＡ端子半田ボールである。
なお、本来、コンタクト端子１０をソケットとして使用する場合、ハウジングなどを用いてコンタクト端子を何らかの方法で整列させ、固定する必要があるが、この図では、コンタクト端子１０自体の動作のみを説明するため、その部分は省略してある。

本実施形態のコンタクト端子１０は、プリント基板２１上の回路導体２３（端子）に接続する場合、プリント基板２１に予め必要な箇所だけにペースト半田を塗布し、その上にコンタクト端子１０を実装してリフロー炉を通して半田付けすることで、電気的接続を実現できる。この場合、エラストマー１２は、リフロー処理温度に耐える耐熱性を有するものが望ましい。耐熱性に優れたエラストマーであるフッ素ゴムは、リフローに耐えるものが市販品として入手可能であることから、これを用いることが好ましい。

このようにプリント基板２１上にコンタクト端子１０を実装し、その上にＢＧＡパッケージ２２を乗せた状態を図２（ａ）に示す。この時、ＢＧＡパッケージ２２のＢＧＡ端子半田ボール２６の中心は、荷重を加える際に金具部分からずれてしまわないように、金具１１のアーム部１４先端のやや内側になるように位置合わせすることが望ましい。この状態で荷重を加えた状態を図２（ｂ）に示す。

この半導体装置２０に荷重を加えると、コンタクト端子１０のエラストマー１２が圧縮され、それに応じて反発力を発生しながら沈み込み、この時の荷重と発生する沈みが、荷重−ストローク特性となる。

また、金具１１のアーム部１４は、主柱部１３を支点にして沈み込むため、荷重を加えると接触点が主柱部１３側に移動し、これによってワイピング効果をもたらし、双方の金属面上に生成された酸化膜を除去し、フレッシュな金属面同士を接触させることができるため、低抵抗で接触を実現できる。

尚、当然のことながら、エラストマー１２の高さや幅寸法は、必要な荷重−ストローク特性を満たす反発性を有するように設計すべきであり、特にエラストマー１２の高さ寸法は、少なくともストローク分より大きな寸法とする必要がある。

図３は、本発明のコンタクト端子の第２実施形態を示す図である。なお、図３では、本実施形態のコンタクト端子３０のうち、金具３１のみを図示している。図３（ａ）は金具３１の平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は背面図である。図３中、符号３１は金具、３２は主柱部、３３はアーム部、３４は幅広厚板部、３５はドーム状の凸部である。

本実施形態のコンタクト端子３０は、前述した第１実施形態のコンタクト端子１０とほぼ同様の構成要素を備え、さらに、金具３１のアーム部３３外面に、ドーム状の凸部３５を設けると共に、主柱部３２の中央部分に、他部よりも幅広で、且つ板厚を厚く形成した幅広厚板部３４を設けたことを特徴としている。

前述した第１実施形態は、ＢＧＡパッケージのようにＩＣパッケージ側の端子部に、半田ボールのような突起がある場合のコンタクト構造について説明したが、ＩＣパッケージとしてはＢＧＡパッケージに限定されず、ＬＧＡパッケージのように、ＩＣパッケージ側の端子がランドである場合も考えられる。また、サーバー用ソケットのように、コンタクト部分をメンテナンス時に交換するため、プリント基板側も半田付けせず、ランドのまま接続したい場合がある。このような場合には、単純なコ字状の金具を用いた形状では、接触部分が沈み込むためのストロークが確保できず、適切な接触抵抗での接続のための荷重−ストローク特性を満たすことができない。しかし、接触部の形状を工夫すれば、このような場合にも適用が可能となる。本実施形態のコンタクト端子３０は、ＬＧＡパッケージのランドやプリント基板のランドとの接続に応用する場合に好適に用いることができるように、コ字状の金具３１の両方のアーム部３３における接触部となる外面部分にドーム状の凸部３５を設け、この凸部３５の高さによってストロークを発生する構造とする。

図３の形状では、接触部をドーム状に押出加工して凸部３５を形成し、必要なストローク分の高さを稼いでいる。これにより、荷重が加わった際に、接触する相手側の端子が平坦であっても、凸部３５の高さ分までエラストマー１２に沈み込むことが可能になり、ランドとの接触が可能となる。この場合も、アーム部３３の基端を支点としてアーム部３３がエラストマー１２に沈み込むため、ワイピングについても第１実施形態のコンタクト端子１０と同様な効果を得ることができる。尚、一般にＬＧＡパッケージの端子は、金めっきが施されている場合が多く、その意味で、少なくとも凸部３５の表面は金であることが低接触抵抗を得るために望ましい。

図５は、本実施形態のコンタクト端子３０を用いて構成した半導体装置の一例として、ＬＧＡパッケージのＩＣのためのソケットとして用いた場合のコンタクト動作を示す図である。図５（ａ）は、プリント基板−コンタクト端子−ＬＧＡパッケージの構造体の押圧力付与前の状態（又は押圧力付与後の復元状態）を示す側面図、（ｂ）は、プリント基板−コンタクト端子−ＬＧＡパッケージの構造体に押圧力を付与した時の状態を示す側面図である。図５中、符号５０は半導体装置、５１はプリント基板、５２はＬＧＡパッケージ（ＩＣパッケージ）、５３は回路導体、５４はＬＧＡランド、５５はエラストマーの逃げ空間である。

図５（ａ），（ｂ）より、本実施形態のコンタクト端子３０は、最大で上下にある凸部３５の高さの合計分のストロークが確保できることが分かる。

また、本実施形態のコンタクト端子３０には、更なる工夫が盛り込まれている。図３に示すように、金具３１の主柱部３２の中央部が、他部よりも幅広で且つ板厚の厚い幅広厚板部３４になっている。これにより、電気抵抗が低くできる効果が得られると共に、図５（ｂ）に示すアーム部押圧時に、エラストマー１２が変形して幅広厚肉部３４の両側に逃がすためのエラストマーの逃げ空間５５を形成できる。
これにより、荷重を加えた際にエラストマー１２が逃げるための空間ができ、エラストマー１２と金具３１との間に発生する摩擦を低減し、より低荷重で大きなストロークを得ることができる。また、エラストマー１２の逃げ空間を与えつつ両方のアーム部３３でエラストマー１２を挟持している構造になるため、荷重を加えた際に、エラストマー１２が金具３１から外れ難くすることができる。

以上のように、本発明によるコンタクト端子は、ＢＧＡパッケージのような端子部が凸状の場合でも、ＬＧＡパッケージやプリント基板のランドのような平坦な端子の場合でも、低接触抵抗にて低荷重で大きなストロークを実現できるコンタクト端子を構成することができる。

また、本発明のコンタクト端子の製造は、既存のプレスや金型成形による金属部品加工技術が適用できる。めっき処理も通常のニッケルめっきや金めっき技術が適用可能であり、これらの技術で可能な範囲のファインピッチ化に対応できる。一方、エラストマーは、液状の原材料を板状に押し出して裁断する方法や、射出成形によって必要な形状を実現する方法が適用でき、これについても既存の製造技術が適用できる。

図４は、本発明のコンタクト端子の第３実施形態を示す図である。なお、図４では、本実施形態のコンタクト端子のうち、金具４１のみを図示している。図４（ａ）は金具４１の側面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は背面図である。図４中、符号４１は金具、４２は主柱部、４３はアーム部、４４は幅広厚板部、４５は半円筒状の凸部である。

本実施形態のコンタクト端子は、前述した第２実施形態のコンタクト端子３０と同様の構成要素を備えており、本実施形態では金具４１のアーム部４３に、曲げ加工により半円筒状の凸部４５を形成したことを特徴としている。また、第２実施形態のコンタクト端子３０と同様に、主柱部４２の中央に幅広厚板部４４を設けているが、この幅広厚板部４４は、折り返しによる加工でも実現できる。このような形状の場合、最終的な板厚と同じ板厚の出発材を折り曲げるだけで製造可能となるため、加工が非常に容易であり、製造設備も安価なものが適用できる。

図３の金具を用い、直方体形状に裁断した硬度５０のエラストマーを金具に装着し、１ｍｍピッチのＬＧＡソケット用コンタクト端子を試作し、実験を行った。
使用した実験系を図６に示す。図６中、符号６０は導体からなる台座、６１はハウジング、６２は固定部、６３はロードセル、６４は導体棒である。
この実験系を用い、ロードセル６３を上下動させ、コンタクト端子３０に所定の荷重をかけ、その時の変位（ｍｍ）を測定した。
実験で測定された荷重−変位特性例を図７に示す。ＩＣソケットの分野で求められる荷重５０ｇｆにおいて、０．３ｍｍの変位特性を満たす結果が得られていることが分かる。

また、この実験系において、コンタクト端子３０を介して電気的に接続された台座６０と導体棒６４の間に電圧を印加し、その電流と電圧を測定してコンタクト端子３０の電気的特性を調べた。この電気的特性の測定結果を表１に示す。

この結果から、コンタクト端子３０を用いることで、低抵抗、低インダクタンスのソケットが実現可能なことが分かる。

本発明のコンタクト端子の第１実施形態を示し、（ａ）はコンタクト端子の側面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は正面図、（ｄ）は背面図である。 第１実施形態のコンタクト端子を用いた半導体装置の一例として、ＢＧＡパッケージのＩＣのためのソケットとして用いた場合のコンタクト動作を示す図であり、（ａ）はプリント基板−コンタクト端子−ＢＧＡパッケージの構造体の押圧力付与前の状態（又は押圧力付与後の復元状態）を示す側面図、（ｂ）はプリント基板−コンタクト端子−ＢＧＡパッケージの構造体に押圧力を付与した時の状態を示す側面図である。 本発明のコンタクト端子の第２実施形態を示し、（ａ）は金具の平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は背面図である。 本発明のコンタクト端子の第３実施形態を示し、（ａ）は金具の側面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は背面図である。 第２実施形態のコンタクト端子を用いた半導体装置の一例として、ＬＧＡパッケージのＩＣのためのソケットとして用いた場合のコンタクト動作を示す図であり、（ａ）はプリント基板−コンタクト端子−ＬＧＡパッケージの構造体の押圧力付与前の状態（又は押圧力付与後の復元状態）を示す側面図、（ｂ）はプリント基板−コンタクト端子−ＬＧＡパッケージの構造体に押圧力を付与した時の状態を示す側面図である。 実施例において用いた実験系を示す側面図である。 実施例で測定したコンタクト端子の荷重−変位特性を示すグラフである。

符号の説明

１０，３０…コンタクト端子、１１，３１，４１…金具、１２…エラストマー、１３，３２，４２…主柱部、１４，３３，４３…アーム部、１５，３４…接触部、２０，５０…半導体装置、２１，５１…プリント基板、２２…ＢＧＡパッケージ（ＩＣパッケージ）、２３，５３…回路導体、２４…アルミパッド、２５…半田、２６…ＢＧＡ端子半田ボール、３４，４４…幅広厚板部、３５，４５…凸部、５２…ＬＧＡパッケージ（ＩＣパッケージ）、５４…ＬＧＡランド、５５…逃げ空間、６０…台座、６１…ハウジング、６２…固定部、６３…ロードセル、６４…導体棒。

Claims (9)

1. プリント基板上の金属導体からなる接続部と、ＩＣパッケージの接続端子との間を導通させるソケット用コンタクト端子であって、
   主柱部と両側のアーム部とを有するコ字状の金具と、該金具に取り付けられたエラストマーとを有してなり、前記金具のアーム部外面は金属面が露出され、且つ前記エラストマーは、該金具のアーム部間が接近する方向に該アーム部を押圧した時に、反発力を発揮するようにアーム部間に挟持され、前記金具のアーム部外面側に凸部を設け、前記金具は、主柱部の少なくとも一部が、折り重ねられて他部よりも厚く形成されたことを特徴とするソケット用コンタクト端子。
2. 前記ＩＣパッケージがＬＧＡパッケージ又はＢＧＡパッケージであることを特徴とする請求項１に記載のソケット用コンタクト端子。
3. 前記金具は、銅又は銅合金からなる基材の表面に金めっきが形成されたものであることを特徴とする請求項１又は２に記載のソケット用コンタクト端子。
4. 前記金具は、主柱部の少なくとも一部が、他部よりも幅広に形成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のソケット用コンタクト端子。
5. 前記金具は、主柱部の少なくとも一部が、他部よりも厚く形成されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のソケット用コンタクト端子。
6. 前記凸部をドーム状に形成したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のソケット用コンタクト端子。
7. 前記凸部を半円筒形状としたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のソケット用コンタクト端子。
8. 前記エラストマーがフッ素ゴムであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のソケット用コンタクト端子。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載のソケット用コンタクト端子と、該ソケット用コンタクト端子を介して電気的に接続されたプリント基板及びＩＣパッケージとを有することを特徴とする半導体装置。

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