專利名稱：不連續(xù)焊球接觸件及應(yīng)用該接觸件的電路板組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用表面安裝技術(shù)(SMT)的電子部件和組件，特別涉及印刷電路板的表面安裝。
背景技術(shù)：
將設(shè)備表面安裝焊接到電路板上的困難是公知的。決定這些困難的性質(zhì)及其程度的幾個(gè)關(guān)鍵因素是電路板的平面度，設(shè)備引線的共面性，和所需焊劑的量。
當(dāng)焊膏應(yīng)用于電路板上時(shí)，為了在焊劑經(jīng)過(guò)加熱回流后形成合適的焊接接頭，需要焊膏和被焊接設(shè)備引線間的物理連接。然而，這就影響了電路板平面度和設(shè)備引線共面性的緊密公差。目前，引線的共面性必須在大約四千分之一英寸內(nèi)。焊膏的厚度也需要極為精確的控制，通常的范圍是六到八千分之一英寸。既然傳統(tǒng)的電路板的“平面度”可以在每一英寸的長(zhǎng)度內(nèi)有萬(wàn)分之一英寸差別，表面安裝連接就經(jīng)常只在很短的距離內(nèi)進(jìn)行。
焊球的應(yīng)用允許SMT設(shè)備的制造具有相對(duì)它們的引線的共面性更寬的公差范圍，也允許電路板的應(yīng)用具有相對(duì)平面度更寬的公差范圍。當(dāng)應(yīng)用于設(shè)備或者電路板上之前時(shí)，采用焊球?qū)γ總€(gè)焊點(diǎn)提供的焊料要比采用焊膏的通常供料更多。所謂的球柵陣列(BGA)設(shè)備已經(jīng)發(fā)展到利用不連續(xù)的焊球的排和列在焊料回流的基礎(chǔ)上達(dá)到所需的電子—機(jī)械互相連接。結(jié)果是通過(guò)將焊球覆蓋大約1.5平方英寸的面積的SMT已經(jīng)可以成功的應(yīng)用。一種傳統(tǒng)的BGA設(shè)備2(圖1A和1B)具有呈柵格狀的排和列設(shè)置的焊球4。另一種傳統(tǒng)的設(shè)備6(圖2A，2B和2C)具有柵格狀的球形插腳8。在利用焊球做連接的典型傳統(tǒng)設(shè)備中，焊球或球形插腳只位于設(shè)備的一側(cè)，并且由于很難在已經(jīng)具有其它組件的設(shè)備上再增加焊球或球形插腳，所以這些設(shè)備沒(méi)有另外的連接。當(dāng)焊球通過(guò)焊料回流添加到插腳時(shí)，必須采用限制焊料的流動(dòng)的方法，否則改變焊球的大致形狀，從而減小它適應(yīng)公差變化的能力。因此，目前，生產(chǎn)的具有球形插腳的設(shè)備類型有很大的限制。
在電子工業(yè)中，對(duì)含有其它組件的大型產(chǎn)品的表面安裝有很大的需求。例如，在能源供應(yīng)方面，需要表面安裝相互平行又相互重疊相當(dāng)大一部分的兩板，例如重疊4英寸中的2英寸。還需要表面安裝相互平行的兩板，其中兩塊板中的一塊的兩面都安裝有組件。還需要通過(guò)插腳和焊球安裝這些大的產(chǎn)品到電路板上，但是迄今為止這還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。
USP6,189,203描述了在能源供應(yīng)應(yīng)用中，利用焊球?qū)蓧K在板上采用表面安裝技術(shù)的板相互連接。這一方案的問(wèn)題是，既然應(yīng)用于兩個(gè)觸點(diǎn)的焊料都源自覆蓋在球上的普通的較低熔點(diǎn)的焊料，那么它們使用具有同一熔點(diǎn)的焊料。這就意味著，無(wú)論是與上板之間還是與下板之間的焊料連接都會(huì)在焊料的回流溫度時(shí)回流，這就會(huì)造成問(wèn)題。而且，板的平面度的公差很低，正常情況下不能超過(guò)圓球上面覆蓋的焊料薄層的厚度。
USP6,137,164描述了利用焊球?qū)⒁粋€(gè)采用表面安裝技術(shù)的下板和一個(gè)剛性插入板互連，后者可以安裝有附加組件。這一方案所遇到的缺點(diǎn)與上提到的專利中的問(wèn)題相同，另外存在的缺點(diǎn)是這個(gè)互連系統(tǒng)還需要一個(gè)附加的板。
本申請(qǐng)的母申請(qǐng)，序列號(hào)第09/122,225號(hào)(目前專利號(hào)第6,272,741號(hào))，描述了一個(gè)與專利164有些類似的系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中需要一個(gè)附加的載板，還需要在下板中采用插腳連接器，該連接器用于容納載板上的用于與下板連接的插腳陣列。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是采用相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)將上板表面安裝到下板上，并且具有使板的扭曲的可允許的伸展程度增加和/或增加電流承載能力的優(yōu)點(diǎn)。
按照本發(fā)明，一種表面安裝接觸件應(yīng)用于電路板的連接。這種接觸件包括一個(gè)伸長(zhǎng)的導(dǎo)電插腳，該插腳確定了一個(gè)具有縱軸線和上下兩端的軸。一個(gè)預(yù)成形可熱回流結(jié)合件被連接到插腳的下端。一個(gè)絕緣體圍繞插腳軸，介于上下兩端中間，并且與預(yù)成形可熱回流結(jié)合件相鄰。
本發(fā)明還提供了一種電路板組件，包括一個(gè)上電路板和一個(gè)下電路板，兩板間通過(guò)多個(gè)導(dǎo)電插腳保持在空間上分開(kāi)、又相互平行狀態(tài)下的機(jī)械和電子的互相連接。每個(gè)插腳具有一個(gè)有上下兩端的軸。插腳的上端與上電路板相連，插腳排列成預(yù)定的形狀。多個(gè)分開(kāi)的不連續(xù)絕緣體的每一個(gè)圍繞著相應(yīng)的插腳的軸。下電路板具有多個(gè)導(dǎo)電焊盤(pán)，排列成與插腳一樣的預(yù)定形狀。多個(gè)導(dǎo)電接點(diǎn)的每一個(gè)由之前連接到相應(yīng)插腳下端的預(yù)成形的可熱回流結(jié)合件的回流而形成。每個(gè)導(dǎo)電接點(diǎn)連接相應(yīng)插腳的下端和相應(yīng)的導(dǎo)電焊盤(pán)，在它們之間形成一個(gè)電子一機(jī)械連接。
可以理解術(shù)語(yǔ)“上”和“下”并不意味著限制，而僅僅是一種傳統(tǒng)的用于辨別插腳相對(duì)兩端或兩板中的一個(gè)板的方法。例如，插腳的翻轉(zhuǎn)會(huì)造成可回流結(jié)合件被安裝到插腳的上端，而另一個(gè)例子，在插腳保持它們的原始方向時(shí)，板的翻轉(zhuǎn)會(huì)造成插腳的上端被安裝到下板上。
一個(gè)按照本發(fā)明的電路板組件的優(yōu)選實(shí)施例，包括大致平面的上下兩塊電路板，兩板間通過(guò)多個(gè)不連續(xù)導(dǎo)電插腳保持在預(yù)定的分開(kāi)位置。每個(gè)插腳具有一個(gè)有上下兩端的軸。插腳的上端通過(guò)多個(gè)第一焊點(diǎn)與上電路板上的鍍層穿孔連接。插腳由上電路板的底面擴(kuò)展成預(yù)定形狀。多個(gè)不連續(xù)的絕緣體中每一個(gè)分別圍繞并永久連接在相應(yīng)插腳的軸上。下電路板與上電路板相對(duì)并保持大致平行。下電路板具有多個(gè)導(dǎo)電焊盤(pán)，并與在上電路板上擴(kuò)展的插腳排列成相同的預(yù)定形狀。多個(gè)第二表面安裝焊點(diǎn)通過(guò)連接并圍繞在每個(gè)插腳下端的預(yù)成形可熱回流結(jié)合件的回流而形成。每個(gè)第二焊點(diǎn)將相應(yīng)插腳的下端和相應(yīng)的導(dǎo)電焊盤(pán)相連。插腳的第一部分具有與其相應(yīng)的導(dǎo)電焊盤(pán)直接相連的下端；在操作過(guò)程中板沒(méi)有保持嚴(yán)格的平面和平行的典型情況下，插腳的第二部分具有稍微間隔位于它們相應(yīng)的導(dǎo)電焊盤(pán)之上的下端。
另一個(gè)按照本發(fā)明的表面安裝接觸件的實(shí)施例，包括一個(gè)伸長(zhǎng)的導(dǎo)電插腳，該插腳確定了一個(gè)具有縱軸線和上下兩端的軸。一個(gè)預(yù)成形可熱回流結(jié)合件被連接到插腳的下端。一個(gè)上表面成形有導(dǎo)電焊盤(pán)的絕緣體，圍繞著插腳的軸并與預(yù)成形可熱回流的結(jié)合件相鄰。在優(yōu)選實(shí)施例中，可回流結(jié)合件是一個(gè)圍繞在插腳端部的焊球。這個(gè)具有連接焊球的插腳，有時(shí)可以被簡(jiǎn)稱為插腳焊球。


圖1A和1B分別為傳統(tǒng)的只有球的BGA設(shè)備的側(cè)視和俯視簡(jiǎn)圖；圖2A和2B分別為傳統(tǒng)的具有插腳和球的BGA設(shè)備的側(cè)視和俯視簡(jiǎn)圖；圖2C為圖2A和圖2B中所示的BGA設(shè)備中的具有球的插腳中的一個(gè)的放大側(cè)視圖；圖3為按照本發(fā)明第一實(shí)施例的不連續(xù)焊球接觸件的放大側(cè)視圖；圖4A為片段的垂直剖面視圖，圖示說(shuō)明了插入上電路板鍍層穿孔中的如圖3所述的接觸件上端的回流焊接；圖4B為類似于圖4A的片段的垂直剖面視圖，圖示說(shuō)明了插入上電路板鍍層穿孔中的具有較長(zhǎng)的插腳的接觸件上端的波動(dòng)焊接；圖4C為片段的垂直剖面視圖，圖示說(shuō)明了按照本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的接觸件的上端與上電路板底面的表面安裝；圖5A為片段俯視圖，圖示說(shuō)明了如圖3所示的不連續(xù)焊球接觸件的帶和卷軸的包裝；圖5B為圖5A沿5B-5B線截開(kāi)的，帶和卷軸的包裝的截面圖；圖6為放大側(cè)視圖，圖示說(shuō)明了如圖3所示類型的多個(gè)不連續(xù)焊球接觸件裝配成的電路板組件；圖7A為如圖6所示電路板組件的放大片段垂直剖視圖，圖示說(shuō)明了當(dāng)插腳下端及其相應(yīng)導(dǎo)電焊盤(pán)相互接觸時(shí)，通過(guò)如圖3所示的接觸件的焊球的回流而得到的優(yōu)選焊球焊點(diǎn)；圖7B為如圖6所示電路板組件的放大片段垂直剖視圖，圖示說(shuō)明了當(dāng)插腳下端稍微的位于相應(yīng)的導(dǎo)電焊盤(pán)之上的時(shí)侯，通過(guò)如圖3所述的接觸件的焊球的回流而得到的不太希望的但仍起作用的焊料焊腳接點(diǎn)；圖8A為按照本發(fā)明接觸件的另一個(gè)實(shí)施例的放大垂直剖視圖，其采用一個(gè)具有鍍層導(dǎo)電焊盤(pán)的絕緣體，而且適用于穿孔安裝到電路板上；
圖8B為按照本發(fā)明的接觸件的又一個(gè)實(shí)施例的放大垂直剖視圖，其采用一個(gè)具有鍍層導(dǎo)電焊盤(pán)的絕緣體，并且適用于表面安裝到電路板上；圖9為按照本發(fā)明接觸件的又一個(gè)實(shí)施例的放大垂直剖視圖，其與圖8A的接觸件相類似，但其不包括鍍層導(dǎo)電焊盤(pán)；圖10為按照本發(fā)明的不連續(xù)焊球接觸件的又一個(gè)實(shí)施例的放大垂直剖視圖，其具有一個(gè)用于表面安裝的帶槽的頭部；圖11和12分別圖示了圓形和方形的墊圈狀預(yù)成型可熱回流結(jié)合件，其可以代替如圖3所示的連接器的焊球使用；以及圖13A，B和C分別為具有連接的焊球的插腳在連接兩板中任一板之前，該插腳在連接到上板之后而連接到下板之前，以及該插腳在連接到兩個(gè)板之后的兩個(gè)電路板的放大部分剖視圖。
具體實(shí)施例方式
參考圖3，用于連接到平面電路板12(圖4A和4B)的按照本發(fā)明第一實(shí)施例的表面安裝接觸件10，包括一個(gè)伸長(zhǎng)的導(dǎo)電插腳14，其確定了一個(gè)具有縱軸線和上端14a下端14b的圓柱狀軸。焊球16被焊接、粘接或者其它方式連接在插腳14的下端14b上。絕緣體18，例如，成形為一個(gè)像圓柱狀軸環(huán)的擴(kuò)展體，圍繞著插腳14的軸，位于上下兩端14a和14b之間并和焊球16貼靠。絕緣體18的功能是防止焊球16劇烈的改變形狀。焊球16最好包裹在插腳14下端14b的周圍，以至于覆蓋到插腳14的平面圓型端及其圓柱側(cè)壁的下端部分。在絕緣體18上側(cè)，插腳14最好具有肩20，用于將插腳相對(duì)于貼靠的參考表面，即電路板12的底面，在縱軸方向上的垂直位置上進(jìn)行預(yù)定位。肩20不需要與插腳14一體形成或者焊接到插腳14上，而是要作為單獨(dú)部件安裝到插腳14的軸上。
圖4A為片段的垂直剖面視圖，圖示說(shuō)明了插入上電路板12的鍍層穿孔中的接觸件10的插腳14上端14a的回流焊接。肩20與上電路板12底面的導(dǎo)電墊環(huán)21a貼靠，以控制插腳14的軸的穿透深度，使其終止于低于電路板12上側(cè)的位置。所得到的焊點(diǎn)24將接觸件10緊密的機(jī)械連接到上電路板12上，而且具有通過(guò)插腳14到導(dǎo)電電路軌跡(未示出)的電子連接，該導(dǎo)電電路軌跡終止于上電路板12上側(cè)的另一個(gè)導(dǎo)電墊環(huán)21b，該墊環(huán)與鍍層穿孔相連接。
圖4B圖示說(shuō)明了具有細(xì)微差別的不同版本的接觸件10’，其具有更長(zhǎng)的插腳14’，該插腳完全穿過(guò)了上電路板12上的鍍層穿孔。傳統(tǒng)波動(dòng)焊接技術(shù)用于形成圍繞插腳14’的焊點(diǎn)，焊點(diǎn)上端包括一個(gè)焊腳26。
圖4C為片段的垂直剖面視圖，圖示說(shuō)明了按照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的接觸件30的上端與傳統(tǒng)地成形于上電路板12底面的導(dǎo)電焊盤(pán)31的表面安裝。接觸件30將在后面與圖10結(jié)合描述。
如10的接觸件應(yīng)用于制造電路板組件32(圖6)，該組件包括上電路板12和平面下電路板22，下電路板22與上電路板12相對(duì)并與其相互間隔保持大致的平行。接觸件10與上電路板12以一個(gè)預(yù)定的形狀連接，可以為排或列，或者其他形狀。插腳的上端14a插入上電路板12上的鍍層穿孔中，并焊接于此。此時(shí)，金屬肩20也被同一焊料焊接在鍍層穿孔的下面。下電路板22具有多個(gè)以傳統(tǒng)方式成形于其上側(cè)的導(dǎo)電焊盤(pán)34，焊盤(pán)排列成與接觸件10及其插腳14一樣的預(yù)定形狀，以與上電路板12形成互補(bǔ)。多個(gè)例如36和38的焊點(diǎn)(圖7A和7B)，每個(gè)焊點(diǎn)都通過(guò)重加熱位于每個(gè)接觸件上的焊球16而成形，連接每個(gè)相應(yīng)插腳14的下端14b及其相應(yīng)導(dǎo)電焊盤(pán)34之間的任何小的距離。焊點(diǎn)36(圖7A)為大致圓形，在插腳14’的下端與導(dǎo)電焊盤(pán)34相連接時(shí)成形。焊點(diǎn)38(圖7B)具有焊腳形狀，并在插腳14’的下端稍微的位于導(dǎo)電焊盤(pán)34之上時(shí)成形。焊點(diǎn)38的焊腳形狀還可以通過(guò)把絕緣體18放置于相對(duì)焊球16上相當(dāng)遠(yuǎn)的位置而成形。焊球16必須具有足夠量的焊料，以當(dāng)發(fā)生回流時(shí)，以適應(yīng)任何插腳和/或板的非共面性。
因此，我們電路板組件32的優(yōu)選實(shí)施例包括上下電路板12和22，兩板間通過(guò)多個(gè)各自包括諸如插腳14的接觸件10或10’緊密連接，同時(shí)相互分開(kāi)。插腳14的上端14a插入上電路板12的鍍層孔中，并且通過(guò)波動(dòng)焊接或回流焊接在其中。插腳14具有肩20，用來(lái)確定其對(duì)上電路板12的穿透。插腳14的下端14b通過(guò)焊球16與下電路板22上的導(dǎo)電焊盤(pán)34連接，形成焊點(diǎn)36和38，以一起適應(yīng)插腳和/或板的共面性的變化。絕緣軸環(huán)18圍繞每個(gè)插腳14的軸，且介于軸的兩端之間，保證焊接完全圍繞在暴露的插腳14的下端14b的周圍。焊點(diǎn)38在插腳14的下端的圓柱狀外圍擴(kuò)展，并擴(kuò)展到其圓形下端以為其提供增強(qiáng)的連接力。
絕緣體18(圖3)最好與插腳14的軸壓配合。絕緣體18最好由合適的塑料樹(shù)脂制成，以可以承受高溫卻不會(huì)質(zhì)量下降，例如液晶聚合體或填充玻璃環(huán)氧樹(shù)脂或其它無(wú)芯吸現(xiàn)象材料。絕緣體18位于插腳14下端14b的上面以允許下端14b的周圍被全部焊接。絕緣體18的一個(gè)主要功能是提供一個(gè)緊密密封以防止焊球16回流的任何焊料沿著插腳14的軸流過(guò)絕緣體18。在把上端14a連接到上電路板12上和隨后的下電路板22上的焊球16和導(dǎo)電焊盤(pán)34之間的再加熱形成連接的過(guò)程中，絕緣體18還具有防止焊球16發(fā)生顯著變形的功能。插腳14最好具有圓形截面，并且由銅或銅合金或其它高導(dǎo)電材料制成，因此可以增加質(zhì)量以承載更大的電流并提供更好的電導(dǎo)率。插腳14可以為在鎳或其它通常應(yīng)用于制造電接觸件的待焊接的合適的材料的上面鍍錫/鉛的形式。
像10一樣的接觸件可以以一個(gè)傳統(tǒng)的纏在卷軸上的帶子44(圖5A)的形式被包裝于容器42中(圖5B)，并被自動(dòng)選擇和放置機(jī)械插入進(jìn)料器。電路板上的放置可以采用真空選取管嘴來(lái)實(shí)現(xiàn)。在可視設(shè)備察覺(jué)絕緣體18或肩20(根據(jù)哪個(gè)具有較大直徑)之后，選取管嘴用吸力吸取焊球16，并扣緊絕緣體18。這就允許自動(dòng)選取和放置機(jī)械將插腳14放入上電路板12的鍍層穿孔之中。接觸件30的上端(圖4B)被表面安裝的位置，就是自動(dòng)選取和放置機(jī)械把上端放置在相應(yīng)的導(dǎo)電焊盤(pán)上的位置。可以應(yīng)用傳統(tǒng)的插腳一插入一焊接，波動(dòng)焊接或回流焊接技術(shù)。目前，最好的設(shè)計(jì)是絕緣體18的直徑制作成比選取管嘴的OD大，同時(shí)也比肩20的大，但是其設(shè)置反之亦然。也可以令焊球16的直徑成為接觸件10上的最大直徑，以使其可以被可視設(shè)備辨識(shí)。
將接觸件10，10’或30的上端結(jié)合到上電路板12上最好應(yīng)用高溫焊料，以使當(dāng)焊球16隨后回流將該接觸件與下電路板22結(jié)合時(shí)，接觸件與上電路板12所形成的結(jié)合不會(huì)受到不好的影響，例如回流。另外，將接觸件的上端與上電路板12結(jié)合的焊料，最好具有比焊球16高的熔化溫度。焊球16的熔點(diǎn)取決于制造焊球的焊料合金的選擇。當(dāng)焊球16回流后，最好能夠如圖7A所示保持其大致的圓形。
當(dāng)像10的接觸件結(jié)合到下電路板22上的導(dǎo)電焊盤(pán)34上時(shí)，上電路板12可能足夠重，以至于使一些插腳14的下端14b實(shí)際置于導(dǎo)電焊盤(pán)34上，如圖7A所示，以提供上下兩電路板12和22之間所預(yù)定的最小距離。由于插腳14和/或下電路板22的非共面性，一些下端14b不會(huì)和其相應(yīng)的導(dǎo)電焊盤(pán)34相接觸，如圖7B所示。然而，由于焊球16中焊料的體積和導(dǎo)電焊盤(pán)34的尺寸，還可以成形出可靠的焊點(diǎn)36或38(圖7A和7B)。這些特征，以及焊球16中插腳14的尺寸、在焊球16中的插腳14的數(shù)量應(yīng)該認(rèn)真的選擇，以使焊料具有合適的體積和高度，達(dá)到優(yōu)質(zhì)連接。
圖8A圖示說(shuō)明了適用于穿孔安裝到電路板上的另一個(gè)實(shí)施例接觸件50。該接觸件包括下端接有焊球54的直插腳52。圓柱狀絕緣體56壓配合在插腳52上，并圍繞在插腳52周圍，且絕緣體上側(cè)的導(dǎo)電焊盤(pán)58具有鍍層。絕緣體56和導(dǎo)電焊盤(pán)58可以形成一個(gè)由覆銅玻璃—環(huán)氧樹(shù)脂PCB材料制成的微型電路板。絕緣體56用來(lái)保持焊球54的形狀，而其導(dǎo)電焊盤(pán)58允許接觸件50焊接到導(dǎo)電焊盤(pán)上，該焊盤(pán)如附圖標(biāo)記31所示(圖4C)，成形于上電路板12的另一形態(tài)的下側(cè)。絕緣體56可以設(shè)置于沿直插腳52縱向上不同的位置，以允許上下電路板12和22間確定的不同的間距。另外，調(diào)整絕緣體56相對(duì)插腳下端的位置可以控制焊球的形狀。由于接觸件50采用了較少量的金屬，接觸件50不能具有像接觸件10(圖3)那樣多的電流承載能力，但其更加容易制造且成本更低。
圖8B圖示說(shuō)明了適用于表面安裝到上電路板12下面導(dǎo)電焊盤(pán)31的另一個(gè)實(shí)施例接觸件60。該接觸件采用了比接觸件50短的直插腳62。在上側(cè)具有相對(duì)較厚導(dǎo)電焊盤(pán)66的圓柱形絕緣體64與直插腳62壓配合。插腳62并不穿過(guò)焊盤(pán)66，使導(dǎo)電焊盤(pán)66可以表面安裝和焊接到上電路板12下側(cè)的導(dǎo)電焊盤(pán)31上。焊球68連接在直插腳62的下端。絕緣體64和導(dǎo)電焊盤(pán)66能夠形成由覆銅玻璃—環(huán)氧樹(shù)脂PCB材料制成的微型電路板。
圖9圖示說(shuō)明了類似于圖8A所示的實(shí)施例50的另一個(gè)實(shí)施例接觸件70，區(qū)別是后者在絕緣體72上側(cè)沒(méi)有導(dǎo)電焊盤(pán)。焊球74連接于直插腳76的下端。直插腳76的上端焊接在上電路板12上的鍍層穿孔上，但是絕緣體72與上電路板12沒(méi)有焊接結(jié)合。它的作用就是一個(gè)防止焊料芯吸的間隔裝置。插腳76也可以為剝皮的絕緣棒或線。也就是說(shuō)，一段覆有絕緣層的線在其端部位置剝?nèi)テ浣^緣層，在插腳中間保留涂層。這個(gè)留在該處的絕緣層可以具有比焊球74更小的OD，將起著發(fā)明中絕緣體72的作用，并防止焊料由焊球從剝開(kāi)的下端芯吸向上端。如果絕緣層足夠厚，該層也可以擔(dān)當(dāng)擋板的作用?？蛇x擇地，金屬軸環(huán)20可以加在頂部擔(dān)當(dāng)擋板的作用。還可選擇地，絕緣層可以應(yīng)用于赤裸的線或棒的中間位置作為絕緣體。
圖10圖示說(shuō)明了我們的接觸件30的另一個(gè)實(shí)施例。其結(jié)構(gòu)類似于接觸件10，區(qū)別在于除去了肩20，取而代之的是插腳82的上端成形為具有圓柱狀頭部84，用于表面安裝到上電路板12下側(cè)的如31(圖4C)的導(dǎo)電焊盤(pán)上。頭部84上表面具有多個(gè)向外開(kāi)口的沿徑向擴(kuò)展的槽86。具有槽的頭部84的上表面提供與上電路板12底面上的導(dǎo)電焊盤(pán)31主要的連接。槽也最好穿過(guò)其頭部84圓柱外壁88的外圍開(kāi)口，以允許汽化的焊劑向外排氣。這減少了滑動(dòng)的現(xiàn)象的發(fā)生還幫助插腳在焊料回流過(guò)程中自定位于焊盤(pán)的中心。由于槽86增大了回流焊料和插腳82頭部84的接觸面積，所以焊點(diǎn)的強(qiáng)度也增加了。槽86可以成形為具有多個(gè)相交于頭部84中間的徑向槽，或者呈十字形形狀。如上文中引用參考的美國(guó)專利第09/520,427號(hào)所描述和說(shuō)明的，頭部84可以具有許多不同的構(gòu)造。圓柱形絕緣體90與插腳82的軸壓配合直到其貼靠到頭部84。焊球92與插腳82的下端相連。
到此為止，所介紹的實(shí)施例的接觸件，都是利用焊球16與下電路板22相連的。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是焊球16可以被許多預(yù)成形可熱回流的導(dǎo)電接觸件替代，這些預(yù)成形可熱回流的導(dǎo)電接觸件可被加熱至回流，之后經(jīng)過(guò)冷卻再固化，就會(huì)在插腳14的下端和導(dǎo)電焊盤(pán)34之間形成電子—機(jī)械連接。用于回流的熱量最好由傳統(tǒng)的對(duì)流加熱爐提供且其它用于焊料回流的傳統(tǒng)加熱技術(shù)也可以使用。
圖11和12分別圖示說(shuō)明了圓柱形和方形的預(yù)成形墊圈狀焊件90和92，上述焊件可以成形于或者壓配合于插腳14的下端。它們可以圍繞插腳的下端14b以使其與下端的垂直圓表面齊平。焊件90和92還可以位于插腳14下端14b的下方，或者同樣的擴(kuò)展到上方。焊件90和92可以與絕緣體18貼靠或者位于其稍下方。
當(dāng)用戶將接觸件10的上端焊接于上電路板12上的鍍層穿孔中時(shí)，焊件90和92會(huì)發(fā)生回流并形成焊球與絕緣體18相鄰。這些焊球在組件被運(yùn)送到下一個(gè)自動(dòng)制造點(diǎn)時(shí)就會(huì)冷卻硬化，在該自動(dòng)制造點(diǎn)具有連接插腳14陣列的上電路板12在焊球回流之前會(huì)被倒轉(zhuǎn)并放置到第二電路板22的頂部。預(yù)成形可熱回流接觸件也可以為適當(dāng)?shù)某什贿B續(xù)狀的焊膏，該焊膏以一種方式應(yīng)用于插腳的下端14b且保證焊膏在組裝和回流的過(guò)程中還粘附在下端14b上。除了錫/鉛合金之外，連接到每個(gè)接觸件10的下端14b上的預(yù)成形可熱回流接觸件，還可以由錫—鉍合金，導(dǎo)電環(huán)氧樹(shù)脂，銅焊化合物，焊接化合物或其它類似的材料制成。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以意識(shí)到電路板組件32可以用這些不同類型的預(yù)成形可熱回流接觸件制造，在這種情況下插腳14的下端14b會(huì)被連接到由回流而形成的導(dǎo)電接點(diǎn)上，但該接點(diǎn)不必須由焊料形成。相似地，插腳的上端14a可以通過(guò)由回流所形成的導(dǎo)電接點(diǎn)被連接到上電路板12上，該接點(diǎn)也不必須由焊料形成。
圖13A-C更清楚的圖示了本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，其中，相互平行的板12和22通過(guò)多個(gè)不連續(xù)的側(cè)向隔開(kāi)的插腳焊球10而連接，圖中只圖示了其中一個(gè)。安裝到板上的組件并未示出，但是在通常的能源供應(yīng)的應(yīng)用中，上板12的兩側(cè)都會(huì)安裝電子組件。圖13A中所示的自由的插腳上端14a(由圖3的角度看)在回流之前被裝入了金屬化或鍍過(guò)的穿孔94之中。本實(shí)施例中，金屬凸緣20位于絕緣體18上方稍微軸向隔開(kāi)的位置(由圖3的角度看)。這個(gè)間隔可以由于公差原因而調(diào)整，具有使下端14b可以調(diào)整相對(duì)絕緣體不同程度的突出(凹進(jìn))長(zhǎng)度以優(yōu)化焊球大小和形狀的能力。可以觀察到，錐形部分96把插腳自由端14a與凸緣20相連接。這就具有了一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)，即可以使孔94具有更大的放置公差(將插腳插入孔的公差)，但同時(shí)還保證了插腳在焊膏95回流的過(guò)程中位于恰當(dāng)?shù)恼?。因此錐形部分起到了在回流前后的中心定位的作用。圖13B圖示了在連接12的插腳自由端14a的第一回流97進(jìn)入相應(yīng)通孔之后的組件。圖13C圖示了在連接12的球端16的第二回流99與其相應(yīng)的焊盤(pán)34連接后的組件。
下面將介紹一個(gè)可以體現(xiàn)本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)典型的應(yīng)用。例如，能量模塊的供應(yīng)部分會(huì)將多個(gè)不連續(xù)插腳的每個(gè)自由端14a都插入第一板12上與之相應(yīng)通孔中，定位球向上如圖13A所示，此時(shí)，組件經(jīng)歷第一次回流，同時(shí)地，將第一批元件焊接到板的同一側(cè)，最后成為第一板的下側(cè)。結(jié)果是由能量模塊板91突出許多圍繞在相應(yīng)插腳末端的焊球16。該第一組件91就可以按照用戶計(jì)劃而被供應(yīng)到需要與第一板連接的第二板22上。用戶第一步要將焊膏施加于第二板上的焊盤(pán)上，將第一組件焊球向下放置于下板22上，如圖13B所示，然后，第二步軟熔焊料(焊膏和焊球插腳)，將組件(能量模塊)和第二板(球向下)連接，如圖13C所示。能量模塊組件91的重量會(huì)在回流過(guò)程中造成一些插腳14b的球狀末端置于第二板焊盤(pán)34的上面。通常地，為了穩(wěn)定至少要有3個(gè)插腳，與第二板焊盤(pán)(或者根據(jù)焊料的浮力和組件的重量，在板和這些插腳之間有很少的焊料)相接觸。通常，其它的插腳會(huì)由于公差、共面性或板的扭曲的原因遠(yuǎn)離。焊球的厚度低于插腳末端，也就是，焊料的量低于插腳末端14b，標(biāo)記98，允許所有的焊球16與焊膏和/或焊盤(pán)接觸并恰當(dāng)?shù)幕亓?。而且，為了形成一個(gè)好的焊點(diǎn)，并使其經(jīng)歷機(jī)械和環(huán)境條件(主要是溫度的變化)還能正常工作，就需要大量的焊料。
在第一板被焊接到第二板上的同時(shí)，或者如果希望如此，在第二回流之前0或者甚至在第二回流之后，第一板的一側(cè)或兩側(cè)被安裝上元件。而且，在第一板被焊接到第二板上的同時(shí)，或者如果希望如此，在第二回流之前或者甚至在第二回流之后，第二板可以被安裝元件。在本計(jì)劃中實(shí)際上經(jīng)歷了四次或更多的回流過(guò)程第一次，形成圍繞插腳下端14b的焊球16；第二次，將插腳和元件焊接到第一板上；第三次，將元件焊接到第一板的相對(duì)表面；第四次，將第一板焊接到第二板上，還有另外的用于修理或移除所造成的回流?？偟膩?lái)說(shuō)，雖然不太重要，但最好是連續(xù)的步驟中所采用的焊料具有遞減的熔點(diǎn)，以減少焊點(diǎn)所經(jīng)歷的回流。
如前文所述，插腳由金屬制成并且具有比焊料高的導(dǎo)電率，增加了穿孔內(nèi)焊點(diǎn)的電流承載能力。而且，如圖8B和10所示的接觸件具有如下優(yōu)點(diǎn)，即這些連接是正常的表面安裝焊點(diǎn)，不需要配合插腳自由端的孔，同時(shí)，還具在插腳相對(duì)兩端將焊料分開(kāi)的優(yōu)點(diǎn)，該優(yōu)點(diǎn)將在下文中詳細(xì)描述，而且，當(dāng)?shù)撞亢盖蚝更c(diǎn)需要在回流期間調(diào)整而適應(yīng)板的位置變化時(shí)，頂部的表面安裝焊點(diǎn)則保持固定的位置。
不連續(xù)的金屬凸緣20或者有時(shí)候稱之為肩，在上文中所描述的組裝過(guò)程中具有特殊重要性，因?yàn)樗鼘?shí)際上抵住了第一板的底面，并因此具有了焊接的附加的表面區(qū)域和焊腳區(qū)域，保證了插腳在第二回流或之后的過(guò)程中不與第一板分開(kāi)。凸緣20也起到了一個(gè)擋板的作用，防止了插腳14a在通孔94中穿透過(guò)深，并保證最小的板間間隔-由插腳底部到凸緣頂部-以確保與第一板底部或第二板頂部的元件的熱擴(kuò)散空間相適應(yīng)。典型的插腳軸向長(zhǎng)度大約為0.08-0.2英寸，二板的間隔可以小到大約0.8-0.17英寸。由于這些尺寸，決定了典型的凸緣直徑大約為0.08英寸，典型的絕緣體直徑大約為0.15英寸，典型的焊球直徑大約為0.05-0.1英寸。金屬凸緣20的尺寸必須與第一板上通孔周圍的環(huán)形鍍層環(huán)相匹配，以達(dá)到最好的焊接效果。
同樣地，不連續(xù)絕緣體18對(duì)工藝過(guò)程的成功非常重要。它應(yīng)當(dāng)與插腳14緊密配合永久安裝，以提供環(huán)狀密封，防止早期的回流造成焊料由焊球16沿著插腳的軸的移動(dòng)。因此在焊接到第二板之前，絕緣體保持了插腳末端14b上焊料的量，使其能保持大致的球形或者至少提供焊料超過(guò)插腳末端并圍繞插腳末端。還可以理解的是，絕緣體18可以具有圓柱型以外的形狀，如圖9中所示也可以為插腳上防止芯吸的小直徑的絕緣層。
還需要認(rèn)識(shí)到本發(fā)明的一個(gè)特征是插腳末端的焊料—例如，圖13A，B中的95，97—和焊球16的焊料由于絕緣體18的原因而不能混合。這就具有了可以更靈活地選擇焊料的優(yōu)點(diǎn)，比如具有不同熔點(diǎn)或者其它的性質(zhì)的不同的焊料，還允許對(duì)球形的附加控制。
這些附示說(shuō)明了本發(fā)明的構(gòu)造，其中插腳為圓柱形，焊球?yàn)榫哂羞x擇的直徑的球形，使得位于插腳末端和焊球頂表面(如圖13A所示)之間的預(yù)先流動(dòng)焊料的厚度，如圖13A中98所示，大約為0.010-0.020英寸。該厚度的意義為，其指示了插腳焊球組件作為多板互連系統(tǒng)的一部分，可以承受一個(gè)或兩個(gè)板的大約0.015英寸扭曲或者不平整，還使兩個(gè)板之間的焊接連接可靠。在優(yōu)選的配置中，插腳末端的焊接采用高溫焊料(例如90Sn/10Pb)，當(dāng)焊球的低溫焊料(例如63Sn/37Pb)回流時(shí)高溫焊料還不會(huì)發(fā)生回流。
在優(yōu)選的配置中，焊球的末端被表面安裝到平面焊盤(pán)上。原則上，可以將焊球末端焊接到通孔上，但是這具有缺點(diǎn)而不推薦使用。原因是通孔必須提前充滿(用插腳或焊料或焊膏)或者焊球部分需要許多的焊料以使其又充滿了通孔又保證可以在插腳和板之間形成較好的焊點(diǎn)(不論是插腳位于通孔上還是插入通孔)。
在幾幅附圖中，例如，圖4A，4B，7A，7B，鍍層21a和21b位于相對(duì)的板的側(cè)面，可以描繪出鍍層穿孔的外部，內(nèi)部連接部分為了簡(jiǎn)潔而被省略，或者板的頂部和底部分離的焊盤(pán)由于焊住的插腳而相互連接。而且，圖4A的實(shí)施例描繪了具有焊住插腳的單側(cè)板，該板提供了到板的一側(cè)的軌跡的連接。還可以理解的是，插腳的通孔不需要鍍層。
在上文中描述了結(jié)合有熱可回流接觸件的不連續(xù)接觸件和由其制成的電路板組件的幾個(gè)實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解本發(fā)明可以在設(shè)置和細(xì)節(jié)上進(jìn)行改進(jìn)?！吧稀焙汀跋隆钡脑~語(yǔ)的應(yīng)用僅僅是為了方便描述圖示的結(jié)構(gòu)。板和插腳可以被裝配和/或用于其他的方向。因此，本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍只限制于下面的權(quán)利要求的范圍。
權(quán)利要求
1.一種連接至電路板的表面安裝接觸件，包括一個(gè)伸長(zhǎng)的導(dǎo)電插腳，確定了一個(gè)具有縱軸線和上下兩端的軸；一個(gè)預(yù)成形可熱回流結(jié)合件，被連接到插腳的下端；以及一個(gè)圍繞該插腳軸的絕緣體，位于上下兩端之間并且與預(yù)成形可熱回流結(jié)合件相鄰。
2.如權(quán)利要求1所述的表面安裝接觸件，其特征在于所述插腳具有圓柱狀載面形狀。
3.如權(quán)利要求1或2所述的表面安裝接觸件，其特征在于所述插腳的上端成形為有一個(gè)具有外表面的頭部，該外表面的尺寸定為用來(lái)放置到和結(jié)合到位于電路板上的導(dǎo)電焊盤(pán)上，而且插腳的下端被確定尺寸和結(jié)構(gòu)，以連接到下電路板上。
4.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的表面安裝接觸件，其特征在于所述頭部被成形為具有至少一個(gè)槽，該槽穿過(guò)該頭部的外表面和該頭部的外周壁而開(kāi)口。
5.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的表面安裝接觸件，其特征在于所述插腳具有一肩，用于相對(duì)參考表面沿著縱軸線建立預(yù)定的垂直位置。
6.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的表面安裝接觸件，其特征在于該絕緣體是一軸環(huán)。
7.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的表面安裝接觸件，其特征在于所述預(yù)成形可熱回流結(jié)合件是一焊球。
8.如權(quán)利要求7所述的表面安裝接觸件，其特征在于所述絕緣體具有在其上表面形成的導(dǎo)電焊盤(pán)，圍繞著插腳的軸，并與預(yù)成形可熱回流結(jié)合件相鄰。
9.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的表面安裝接觸件，其特征在于所述絕緣體由高溫塑料樹(shù)脂或印刷電路板材料制成，且插腳由銅或銅合金制成。
10.如權(quán)利要求6所述的表面安裝接觸件，其特征在于所述絕緣軸環(huán)圍繞插腳壓配合。
11.如權(quán)利要求7-9中任一項(xiàng)所述的表面安裝接觸件，其特征在于該伸長(zhǎng)的導(dǎo)電插腳的上端為自由上端；該預(yù)成形可熱回流焊球被焊到并完全圍繞在導(dǎo)電插腳的下端周圍；該絕緣體為不連續(xù)絕緣體，它與插腳的軸永久地連接，與預(yù)成形焊球相鄰，并對(duì)軸保持密封以防止焊料的遷移。
12.如權(quán)利要求11所述的表面安裝接觸件，其特征在于還包括不連續(xù)的導(dǎo)電軸環(huán)，安裝在插腳軸上并圍繞在插腳軸的周圍，介于該絕緣體和該插腳的上端之間。
13.如權(quán)利要求11或12所述的表面安裝接觸件，其特征在于該絕緣體的直徑與該焊球的直徑不同。
14.如權(quán)利要求11-13中任一項(xiàng)所述的表面安裝接觸件，其特征在于所述絕緣體為在插腳中間位置的覆層。
15.一種電路板組件，包括一個(gè)具有接觸件位置的上電路板；多個(gè)如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的表面安裝接觸件，這些表面安裝接觸件被連接到上電路板的接觸件位置上，并排列成預(yù)定的形狀；一個(gè)與上電路板相對(duì)并通常與其平行的下電路板，該下電路板具有多個(gè)排列成預(yù)定形狀的導(dǎo)電焊盤(pán)；以及多個(gè)導(dǎo)電接點(diǎn)，每個(gè)導(dǎo)電接點(diǎn)通過(guò)連接在相應(yīng)插腳的低端的預(yù)成形可熱回流結(jié)合件的回流而成形，每個(gè)導(dǎo)電接點(diǎn)與相應(yīng)插腳的下端和相應(yīng)的導(dǎo)電焊盤(pán)中的一個(gè)結(jié)合，且在它們之間形成電子-機(jī)械結(jié)合。
16.如權(quán)利要求15所述的電路板組件，其特征在于插腳上端的連接點(diǎn)和導(dǎo)電接點(diǎn)都是焊點(diǎn)，且焊點(diǎn)間通過(guò)各自的絕緣體而相互物理分離，所以兩接點(diǎn)處的焊料并不發(fā)生混合。
17.從屬于權(quán)利要求5時(shí)如權(quán)利要求15或16所述的電路板組件，其特征在于所述插腳上端插入上電路板上相應(yīng)的通孔，而且每個(gè)插腳在絕緣體和上電路板之間具有肩，該肩用來(lái)相對(duì)于上電路板確定插腳的預(yù)定縱向位置。
18.如權(quán)利要求15-17中任一項(xiàng)所述的電路板組件，其特征在于每個(gè)絕緣體被成形為具有第二導(dǎo)電焊盤(pán)，該焊盤(pán)通過(guò)相應(yīng)的第二焊點(diǎn)和上電路板上相應(yīng)的第二導(dǎo)電焊盤(pán)結(jié)合。
19.如權(quán)利要求15-18中任一項(xiàng)所述的電路板組件，其特征在于插腳到接觸件位置處焊點(diǎn)的焊料的第一熔點(diǎn)高于結(jié)合插腳下端和下電路板導(dǎo)電焊盤(pán)的焊點(diǎn)的焊料的第二熔點(diǎn)。
20.從屬于權(quán)利要求3時(shí)如權(quán)利要求15-19中任一項(xiàng)所述的電路板組件，其特征在于所述頭部成形為至少具有一個(gè)槽，該槽穿過(guò)該頭部的外表面和該頭部的外周壁開(kāi)口。
21.如權(quán)利要求15-20中任一項(xiàng)所述的電路板組件，其特征在于所述預(yù)成形可熱回流結(jié)合件由選自錫/鉛焊料，錫/鉍焊料，導(dǎo)電環(huán)氧樹(shù)脂，銅焊化合物，焊接化合物和焊膏的一種材料而制成。
22.如權(quán)利要求15所述的電路板組件，其特征在于上電路板為大致平面，接觸件位置為間隔的鍍層穿孔；導(dǎo)電插腳通過(guò)多個(gè)第一焊點(diǎn)插入并連接在上電路板的鍍層穿孔中；下電路板為大致平面；以及多個(gè)導(dǎo)電接點(diǎn)為多個(gè)通過(guò)位于面對(duì)下電路板的絕緣體一側(cè)上的預(yù)成形可熱回流結(jié)合件的回流而形成的第二焊點(diǎn)，每個(gè)第二焊點(diǎn)結(jié)合相應(yīng)插腳的下端和相應(yīng)的導(dǎo)電焊盤(pán)，插腳的第一部分具有與相應(yīng)的導(dǎo)電焊盤(pán)直接接觸的下端，插腳的第二部分具有稍微間隔位于它們相應(yīng)的導(dǎo)電焊盤(pán)之上的下端。
23.如權(quán)利要求22所述的電路板組件，其特征在于每個(gè)插腳的下端都與其相應(yīng)的可回流結(jié)合件的底面保持間隔的厚度等于大約0.254mm-0.508mm(0.010-0.020英寸)。
24.如權(quán)利要求22或23所述的電路板組件，其特征在于絕緣體的上表面具有導(dǎo)電焊盤(pán)，并且插腳的上端在成形于絕緣體上表面的導(dǎo)電焊盤(pán)上擴(kuò)展。
25.如權(quán)利要求22-24中任一項(xiàng)所述的電路板組件，其特征在于每個(gè)絕緣體分離了第一和第二焊點(diǎn)，使它們的焊料不發(fā)生混合。
26.如權(quán)利要求22-25中任一項(xiàng)所述的電路板組件，其特征在于每個(gè)絕緣體包括絕緣覆層。
27.如權(quán)利要求22-26中任一項(xiàng)所述的電路板組件，其特征在于大致平面的電路板為單側(cè)板，且通孔被位于板的其中一側(cè)的導(dǎo)電軌跡所圍繞；第一焊點(diǎn)也將插腳電連接到軌跡；不連續(xù)絕緣體密封了該軸，且防止了第一焊點(diǎn)和可回流焊件之間焊料的遷移。
全文摘要
上下兩個(gè)平面電路板，通過(guò)多個(gè)每個(gè)由導(dǎo)電插腳、絕緣軸環(huán)和焊球組成的接觸件連接成為相互間隔又平行的關(guān)系。插腳的上端插入上電路板的鍍層穿孔中，并且通過(guò)波動(dòng)焊接或者回流焊接到其中。插腳具有肩，用于確定插腳插入上電路板的程度。插腳的下端通過(guò)焊球與下電路板上的導(dǎo)電焊盤(pán)相連，這些焊球通過(guò)絕緣軸環(huán)保持大致的球形，并且適應(yīng)板的配合平面度或者插腳長(zhǎng)度的不同。在插腳下端不與其相應(yīng)的導(dǎo)電焊盤(pán)相接觸的位置，焊球的焊料體積也會(huì)允許對(duì)待形成的焊點(diǎn)的可靠焊腳。
文檔編號(hào)H01R12/00GK1571149SQ0312777
公開(kāi)日2005年1月26日 申請(qǐng)日期2003年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月11日
發(fā)明者R·M·博古爾斯基, C·M·肯尼迪, K·克羅內(nèi), J·J·林奇 申請(qǐng)人:自動(dòng)連接有限公司