專利名稱：用于安裝電子元件的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及印刷電路板的組裝，特別是涉及在組裝期間用于在印刷電路板上定位
和保持電子元件的設(shè)備和方法。
背景技術(shù)：
電子裝置通常利用用于對諸如集成電路(IC)的電子元件進行定位和連接的印刷 電路板(PCB)。通常，將IC布置和焊接在PCB上是這樣的自動處理，其中，機器人從存放處 拾取元件并將它們放在PCB上的預(yù)編程的位置。用于表面安裝元件的印刷電路板具有平 的、通常是沒有孔的鍍錫、銀或金的銅盤，這稱為焊盤，在上面布置各元件。首先將作為焊劑 和小焊料顆粒的粘性混合物的焊膏施加到所有焊盤上。在所有元件的初始放置之后，PCB移 動經(jīng)過焊接區(qū)，在該焊接區(qū)將各元件被焊接到PCB上。在焊接區(qū)，溫度足夠高使得熔化焊膏 中的焊料顆粒，從而將各元件引腳焊接到電路板上的焊盤上。熔化的焊料的表面張力有助 于使元件保持在適當(dāng)位置，并且如果正確地設(shè)計焊盤的幾何結(jié)構(gòu)，則表面張力將自動地使 元件校準(zhǔn)在它們的焊盤上。 —些元件(例如光學(xué)傳感器)需要相對于PCB或相對于隨后將定位在該元件前的 對象物(例如光學(xué)透鏡)非常好地定位。例如，圖像傳感器和相關(guān)光學(xué)透鏡將直接安裝在 PCB上。PCB具有用于光學(xué)透鏡的安裝孔。如果傳感器未正確地與PCB中的安裝孔(及，與 光學(xué)透鏡)對準(zhǔn)，則來自傳感器的畫面質(zhì)量將低于最佳，并且可能需要進行耗時的調(diào)整。由 于非常小尺寸和引腳間距的表面安裝器件(SMD)的手動操作和元件級修復(fù)極其困難，所以 通常是不經(jīng)濟的。 在IC元件在印刷電路板上的布置期間以及在后續(xù)的焊接處理期間，IC元件可能 移出其期望的位置。即使在將IC放置在PCB上時將其粘到PCB上，也可能沿若干方向未對 準(zhǔn)。如在圖1A和lB中所示，IC可能沿x和y方向稍微偏離目標(biāo)位置而定位，以及可能旋轉(zhuǎn) 地稍微偏離目標(biāo)位置而定位(圖1A和1B中的虛線34表示元件引腳的最佳位置)。除此之 外，焊料可能聚集在IC上的引腳或焊點下，導(dǎo)致沿z方向升高(向上)，如在圖1C中所示。 IC也可能在一端比另一端提升得更高，從而會導(dǎo)致傳感器傾斜。 對大多數(shù)IC，例如，微處理器和內(nèi)存芯片，這種誤對準(zhǔn)不會降低IC的性能，只要元
件引腳分別與適當(dāng)?shù)暮副P充分地接觸。然而，這種誤對準(zhǔn)在光學(xué)傳感器系統(tǒng)中，例如在將光 學(xué)傳感器及其光學(xué)透鏡連接到同一PCB的系統(tǒng)中，將導(dǎo)致嚴(yán)重的問題，圖像傳感器的最輕 微的未對準(zhǔn)都將導(dǎo)致嚴(yán)重的圖像失真。例如，如果光學(xué)傳感器相對于PCB傾斜，光學(xué)傳感器 的部件將在透鏡的焦平面外。 克服這一問題的一種方法是進行布置，使得光學(xué)器件直接與傳感器對齊或附接， 而不是與PCB進行對齊或附接。然而，這種解決對齊問題的這種方法昂貴且復(fù)雜。
存在用于連接器、開關(guān)和不同電子器件的不同焊接夾具的幾個例子，但這些夾具 中幾乎沒有用于將電子元件安裝在PCB上的。 日本專利申請JP2002261433示出了用于防止具有穿過PCB的引腳的元件在焊接
4過程期間被提升的一種設(shè)備。這種設(shè)備沒有用于引導(dǎo)或調(diào)整元件位置的裝置，并且僅能用 于具有穿過PCB的引腳的元件。 另一日本公開JP3038089描述了在IC周圍放置的具有框形式的夾具。這一解決 方案用于表面安裝元件并且在焊接的同時，在水平面中使IC保持在適當(dāng)位置。然而，所述 的焊接夾具不能確保垂直位置，并且不能被構(gòu)造為用于將IC引導(dǎo)到其正確位置上。相反， 夾具的空腔大于IC，并且使得夾具似乎必須手動地安裝在PCB上。 日本公開JP10084183中的焊接夾具放置在表面安裝IC上。然而，其僅僅用于在 焊接期間遮蓋IC引腳之間的空間，以防止在元件引腳間產(chǎn)生連焊。 日本公開JP6334325示出的是IC上的引導(dǎo)引腳和PCB上的相應(yīng)錐形部分是如何 將IC定位在印刷電路板上的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供用于制造電子設(shè)備的夾具和方法，其解決了現(xiàn)有技術(shù)中的至 少一個上述問題。 在獨立權(quán)利要求中定義的特征進一步限定這種設(shè)備。


為使本發(fā)明更易于理解，將參考附圖進行下述的討論。其中 圖IA-IC是電子元件相對于其最佳位置而未對準(zhǔn)的示意圖， 圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的夾具和印刷電路板的部分的示意圖， 圖3A是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的夾具的俯視示意圖， 圖3B是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的夾具的仰視示意圖， 圖4-6示例說明根據(jù)本發(fā)明的夾具的其他實施例。
具體實施例方式
在下文中，通過描述優(yōu)選實施例并通過參考附圖來對本發(fā)明進行描述。然而，本領(lǐng) 域的技術(shù)人員會意識到獨立權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)的其他應(yīng)用和改進。
本發(fā)明包括用于正確地定位、以及在焊接期間保持印刷電路板(PCB)上的IC或類 似電子元件的方法和裝置(焊接夾具)。 如上所述，在將電子元件焊接到PCB上時，存在如下的風(fēng)險，即，當(dāng)元件在PCB上的 放置期間或焊接處理期間，元件沒有相對于其最佳位置對準(zhǔn)。對元件引腳和焊盤間的電子 連接性來說，未對準(zhǔn)可能不是問題，但對某些元件(諸如圖像傳感器)來說，未對準(zhǔn)可能導(dǎo) 致嚴(yán)重的問題。因此，為確保焊接到PCB 31的電子元件30沿所有方向(x，y，z)良好的對 準(zhǔn)和位置精確度，使用根據(jù)本發(fā)明的夾具30，如圖2所示。將夾具10設(shè)計成沿x和y方向 (橫向，后向和前向)和在旋轉(zhuǎn)t方面對IC 30進行定位，以及在焊接處理期間保持住IC， 以確保在焊接程序之前、期間和之后，IC維持平行于PCB。 在本發(fā)明的下述詳細(xì)描述中，術(shù)語"元件引腳"是指連接到印刷電路圖案的電子或 電氣元件的金屬導(dǎo)體的一部分，即元件引線、引腳、端子、接線片等等。在此所使用的術(shù)語 "盤"是指引腳所連的印刷電路上的金屬圖案的一部分。
圖3A和3B示出了根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例的對準(zhǔn)夾具的俯視圖和仰視 圖，同樣如圖4所見。夾具包括框架13、中心體11、一組安裝引腳14和將所述中心體11連 接到所述框架13的一個或一組支撐結(jié)構(gòu)12。 該框架具有由該框架的垂直內(nèi)表面19限定的開口，其具有與待連接到PCB的電子 元件的至少一部分相對應(yīng)的大小和形狀。換言之，所述框架13的內(nèi)周基本上等于由夾具對 準(zhǔn)的至少部分所述元件的外周，并具有基本上相同的形狀。基本上，這里是指當(dāng)設(shè)計用于特 定元件的夾具時，由于幾乎不可能大量生產(chǎn)100%相同的元件，因此，必須考慮到元件在大 小和形狀方面可能具有微小的偏差。然而，當(dāng)安裝在元件(或元件一部分)四周時，框架中 的開口 (或框架的內(nèi)周)必須盡可能的緊。 —組導(dǎo)向構(gòu)件與該框架聯(lián)合，從而將元件、或元件的至少一部分導(dǎo)入框架13的所 述開口中。 根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例，一組導(dǎo)向舌片18從所述框架的底部伸出。導(dǎo)向 舌片18被斜削，使得從垂直內(nèi)表面19產(chǎn)生斜坡。這一實施例防止當(dāng)對準(zhǔn)時，元件的伸出部 分(例如元件引腳)阻礙或干擾框架。 在本發(fā)明的另一示例性實施例中，斜切框架本身，產(chǎn)生框架的楔形下部22(稱為 導(dǎo)向構(gòu)件)，用于將元件或元件的部分引導(dǎo)到框架的開口 19中。 夾具包括附著到所述框架13或成為所述框架13—部分的一組安裝引腳14。安裝 引腳被設(shè)計成與PCB中的相應(yīng)一組孔32相嚙合，并鎖定到PCB。 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，安裝引腳包括具有倒鉤15的柔性臂16，使得當(dāng)各引腳 穿過相應(yīng)一組孔時，倒鉤與PCB嚙合，從而將夾具IO鎖定到PCB 31。移除夾具時要求手動 或借助工具向引腳施加壓力，以防止倒鉤與PCB嚙合。應(yīng)注意，通過本發(fā)明可以使用任何類 型的半永久或快速釋放型的鎖定引腳。 另外，引腳或孔可以稍微被斜削以便于使引腳進入(或引導(dǎo))到孔中。另外，夾具 包括一個或多個保持構(gòu)件，用于逐漸地將電子元件向下壓在PCB上，保持其平行于PCB并且 防止元件或元件的部分在焊接期間被提升。為確保將夾具正確地緊固到PCB上，同時在電 子元件上提供強壓力，保持構(gòu)件在被向下按壓時，在來自電子元件的回彈力的作用下，至少 部分是彈性易彎的。保持構(gòu)件通常與元件的頂面，或部分頂面相互作用。
根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例，保持構(gòu)件是一組柔性保持臂20，從所述中心構(gòu) 件ll的最下部基本上水平地延伸。保持臂20包括向下伸出的所述臂遠(yuǎn)端區(qū)域中的接觸構(gòu) 件21。中心構(gòu)件及其保持臂被設(shè)計成使得保持臂和/或接觸構(gòu)件在與元件嚙合時的回彈 力作用下至少部分是彈性易彎的。換言之，當(dāng)在元件上向下擠壓夾具時，柔性保持臂20和 /或接觸構(gòu)件21的特性在元件上產(chǎn)生類似彈簧的效應(yīng)，將其抵向PCB。
根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實施例，保持構(gòu)件是一組柔性保持臂20，其從框架基本 上水平地延伸，如圖4所示。保持臂20包括向下伸出的所述臂遠(yuǎn)端區(qū)域中的接觸構(gòu)件21。 保持臂和接觸構(gòu)件具有如在前一實施例中所述相同的特性。 根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實施例，保持構(gòu)件是與所述中心構(gòu)件11聯(lián)合的彈簧23， 或類似彈簧的物體，如圖5所示。 中心體11通過一個或一組支撐構(gòu)件12，剛性地錨定到框架13。此外，中心體具有 基本上平的頂面。用于電子元件的大多數(shù)拾放機具有鋪放頭，其包括通過吸力把元件保持
6就位的噴嘴。中心構(gòu)件ll的基本上平的頂面提供與傳統(tǒng)拾放機的兼容性。 在本發(fā)明的又一可選實施例中，中心構(gòu)件11充當(dāng)保持構(gòu)件20，并且一組接觸構(gòu)件
從所述中心構(gòu)件的底部向下伸出，如圖6所示。根據(jù)該實施例，支撐構(gòu)件12是柔性的，使得
向保持構(gòu)件提供彈性易彎性。由于中心構(gòu)件沒有剛性地錨定到框架上，該實施例要求手動
安裝或?qū)Ｓ玫氖胺艡C。 再參考圖2，在PCB組裝期間，機器人(拾放機)將從饋送機拾取IC或其他電子元 件30 (例如，光學(xué)傳感器)，并將其放在PCB 31上。對機器人編程使得將元件放在正確的位 置中，從而使元件引腳33與PCB 31上的焊盤(未示出)對齊。通常，在放置元件前，利用 作為焊劑和微小焊料顆粒的粘性混合物的焊膏來覆蓋這些焊盤。當(dāng)稍后加熱PCB時，焊膏
中的焊料顆粒熔化并將元件引腳粘接到PCB上的焊盤。 在電子元件30附近(換言之，在用于電子元件的焊盤附近)，PCB31可以具有導(dǎo)向 /安裝孔32，稍后將被用來在IC的前面安裝對象物(未示出)，例如光學(xué)透鏡。由于這些 孔32確定待安裝的對象物的最終位置，并且由于電子元件30和對象物間的相對位置是至 關(guān)緊要的，因此，將同一安裝孔32用作用于夾具10的導(dǎo)向/安裝孔。 根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，制造用于夾具10的專用導(dǎo)向/安裝孔。當(dāng)IC 30放在 PCB 31上時，有可能并且很可能并非100%相對于安裝孔32正確對齊。IC 30可能稍微橫 向(x方向)或稍微向后或向前(y方向)擺放錯位置，也可能會在水平面中以錯誤的角度 放置，而被稍微地旋轉(zhuǎn)。 因此，在將IC放在PCB上后，機器人從饋送機拾取夾具IO，并將其放在該IC上方。 當(dāng)機器人向下朝PCB 31按壓夾具時，夾具上的安裝引腳14(或安裝引腳的一部分，諸如所 述柔性臂16)進入PCB 31中的安裝孔32?？?2現(xiàn)在充當(dāng)用于夾具的導(dǎo)向孔。安裝引腳 14的尖端可以具有圓錐形，從而即使機器人的精度不佳，也能容易地進入孔32。在安裝引 腳14的尖端進入安裝孔32時，進一步向下按壓夾具10。現(xiàn)在，如果IC在PCB 31上未正確 地定位，則IC 30的至少部分的邊緣將與框架13的元件導(dǎo)向構(gòu)件18接觸。當(dāng)夾具10進一 步向下朝PCB 31按壓時，導(dǎo)向構(gòu)件18將使IC 30移入正確的位置。正好在夾具就位前，IC 的至少部分的邊緣將已經(jīng)通過導(dǎo)向構(gòu)件18并進入或多或少具有垂直邊緣19(也稱為框架 中的開口)的框架部分。拐角引腳14的尖端在側(cè)面具有小的倒鉤(或鉤)15，并且可以切 掉部分拐角引腳來使引腳更易于少許地?fù)锨?或彎曲)，留出空間來使倒鉤15向下通過孔 32。當(dāng)夾具10處于其最終位置時，將其全部向下擠壓在PCB 31上，倒鉤15從PCB 31的另 一側(cè)的孔中出來，并將夾具10鎖定到PCB 31上。 當(dāng)夾具將要被壓入其最終位置時，彈性易彎保持構(gòu)件以及它們的接觸構(gòu)件21與 IC 30的頂面嚙合，并且被迫彎曲，在IC 30上產(chǎn)生恒定的壓緊力。PCB—側(cè)上的倒鉤15和 PCB的另一側(cè)上的保持構(gòu)件將夾具10和IC 30鎖定到PCB 31上?，F(xiàn)在被牢固地壓緊在PCB 上并由倒鉤(或鉤)15固定的夾具在x，y和旋轉(zhuǎn)方向上絕對正確地對IC進行定位。另外， 夾具還防止IC相對于PCB傾斜。 PCB 31現(xiàn)在可以移動經(jīng)過焊接區(qū)，在焊接區(qū)，將焊膏中的焊料顆粒加熱到其熔點。 當(dāng)PCB再次冷卻時，將IC的引腳粘接到PCB的焊盤上。在焊接處理期間，通過夾具使IC保 持在適當(dāng)?shù)奈恢?，并使其相對于PCB的焊盤向下壓，防止被提升和/或傾斜。
在測試和進一步處理PCB期間，夾具保護IC。當(dāng)?shù)綍r侯要將對象物(例如光學(xué)透鏡)安裝在IC前面時，通過在PCB的下側(cè)，在倒鉤15(或者至少在引腳的部分)上擠壓，可
以輕易拉斷(或移除)夾具以將其釋放。對象物(例如光學(xué)透鏡)將同一安裝孔32用作
夾具10 ;因此，能相對于IC，自動正確地定位對象物(例如，光學(xué)透鏡)。 根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例，夾具永久地附著到PCB上。然后，可以將對象物
安裝在夾具上而不是PCB上。 夾具10也具有確保安全功能的其他特征。夾具的中心體11具有基本上平并且光 滑的頂面，使得機器人(或拾放機)使用真空拾取設(shè)備在組裝期間保持夾具10。該中心體 11還用來向下按壓夾具。為能夠?qū)惭b引腳14穩(wěn)固和均勻地向下擠壓，通過從中心向外延 伸到框架的剛性和強壯的臂12，把中心體11與夾具的框架13連接。 為在焊接處理期間能耐受高溫，夾具應(yīng)當(dāng)由耐熱材料制成，例如，由類似聚酰亞胺 的耐熱塑料材料制成。夾具可以用適當(dāng)?shù)母邷鼐酆喜牧蟻碜⒛；蚍磻?yīng)注模，或由任何適當(dāng) 的生產(chǎn)技術(shù)制成。夾具也可以由諸如金屬的任何耐高溫的材料制成。夾具的形狀在高溫焊 接期間不能顯著地變化是很重要的，此外，使IC向下壓的支撐構(gòu)件12需要保持適當(dāng)?shù)膭?性。 夾具可以具有2、3、4、5、6個或任意數(shù)目的安裝引腳。 根據(jù)本發(fā)明的夾具相對于焊盤正確地定位IC(如果需要的話)，以及在焊接過程 期間保持住IC，防止IC在水平或垂直面上變得未對準(zhǔn)。此外，夾具相對于一組安裝孔來定 位IC，其中，所述安裝孔是，例如，用于對稍后階段將安裝到PCB上的光學(xué)儀器或其他對象 物進行安裝的安裝孔，并且所述夾具需要相對于IC精確地定位。 可以通過機器人(拾放機)輕易地操作(拾取和放下)夾具，并且當(dāng)不再需要時，
能容易地通過機器人或通過人手動地將其移除(拉斷)。 夾具在對PCB進行測試和進一步操作期間對IC進行保護。 此外，該夾具不需要對錯誤焊接的IC進行昂貴和耗時的手動校正，降低了生產(chǎn)成 本和提高了產(chǎn)品質(zhì)量。
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權(quán)利要求
一種在組裝期間用來對準(zhǔn)和支撐印刷電路板(PCB)上的電子元件的夾具，所述夾具的特征在于包括具有開口的框架，其中，所述開口具有與所述電子元件的至少部分相對應(yīng)的大小和形狀，與所述框架聯(lián)合的一組導(dǎo)向構(gòu)件，被構(gòu)造用來將所述電子元件的至少部分引導(dǎo)到所述開口中，與所述框架聯(lián)合的一組安裝引腳，被構(gòu)造用來與所述印刷電路板中的一組孔相嚙合，并鎖定到所述印刷電路板，一個或多個保持構(gòu)件，用于與所述電子元件的頂面相互作用。
2. 如權(quán)利要求1所述的夾具，其中，所述一個或多個保持構(gòu)件是至少部分地彈性易彎的。
3. 如前述權(quán)利要求的一個所述的夾具，其中，所述夾具進一步包括與所述框架剛性聯(lián) 合的中心體，以及其中，所述中心體具有基本上平的頂面。
4. 如前述權(quán)利要求的一個所述的夾具，其中，所述一個或多個保持構(gòu)件是從所述框架 基本上水平延伸的柔性保持臂，并且在其遠(yuǎn)端的區(qū)域具有用于與所述電子元件的頂面相互 作用的接觸構(gòu)件。
5. 如權(quán)利要求3所述的夾具，其中，所述一個或多個保持構(gòu)件是從所述中心體基本上 水平延伸的柔性保持臂，并且在其遠(yuǎn)端的區(qū)域具有用于與所述電子元件的頂面相互作用的 接觸構(gòu)件。
6. 如權(quán)利要求3所述的夾具，其中，所述保持構(gòu)件是與所述中心體和/或所述框架聯(lián)合 的彈簧。
7. 如前述權(quán)利要求的一個所述的夾具，其中，所述導(dǎo)向構(gòu)件是在所述框架的底部處的 楔形部分。
8. 如前述權(quán)利要求的一個所述的夾具，其中，所述導(dǎo)向構(gòu)件是所述框架的楔形部分。
9. 如前述權(quán)利要求的一個所述的夾具，其中，所述安裝引腳是柔性的，并且其中，所述 引腳進一步包括倒鉤。
10. —種制造電子設(shè)備的方法，包括步驟 提供包括一組安裝孔的基板，提供待安裝在所述基板上的電子元件，并且將所述元件提供給所述基板，提供夾具，該夾具包括開口，其中所述開口具有與所述元件相對應(yīng)的形狀和大?。挥?于與所述孔嚙合的一組安裝引腳；將所述元件引導(dǎo)到所述開口中的一組導(dǎo)向構(gòu)件；以及至 少一個柔性保持構(gòu)件，在所述基板上提供所述夾具，利用所述引腳可移除地使所述夾具與所述基板互鎖，并 且在該過程中，利用所述夾具對準(zhǔn)所述元件并且穩(wěn)固保持所述元件就位，將所述元件安裝到所述基板。
11. 如權(quán)利要求io所述的方法，其中，把所述夾具壓向所述基板，使所述安裝引腳穿過基板中的所述孔，直到所述安裝引腳鎖定到所述基板上，由此把所述夾具提供到所述基板。
12. 如權(quán)利要求IO所述的方法，其中，所述至少一個柔性保持構(gòu)件被構(gòu)造為用來與所 述電子元件的頂面相互作用，其中，在來自所述電子元件的回彈力的作用下，所述至少一個保持構(gòu)件是至少部分地彈性易彎的。
13. 如權(quán)利要求IO所述的方法，其中，所述電子元件是表面安裝器件，所述將所述元件 安裝到所述基板的步驟進一步包括表面安裝技術(shù)，例如焊接技術(shù)。
14. 如權(quán)利要求10-13的一個所述的方法，其中，所述電子元件是光學(xué)傳感器，并且其 中，所述安裝孔被構(gòu)造為用來與用于所述光學(xué)傳感器的一組焊盤對準(zhǔn)地安裝光學(xué)透鏡。
全文摘要
為確保待焊接到PCB(31)的電子元件(30)沿所有方向(x，y，z)具有良好的對準(zhǔn)和位置準(zhǔn)確性，使用根據(jù)本發(fā)明的夾具(10)。將夾具(10)設(shè)計成在x和y方向(橫向，前向和后向)上和在旋轉(zhuǎn)t方面對IC(30)進行定位，以及在焊接處理期間保持住IC，以確保在焊接過程之前、期間和之后，IC仍然與PCB平行。
文檔編號H05K3/30GK101796896SQ200880105525
公開日2010年8月4日 申請日期2008年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月5日
發(fā)明者彼得·穆倫 申請人:坦德伯格電信公司