CN103369828A - 电路板系统 - Google Patents

Abstract

一种电路板系统，包括第一电路板（201），第一电路板装备有SMD元件（202）和导电图案（203）。在第一电路板上存在一个或多个表面安装的支撑元件（206）。所述支撑元件中的每个支撑元件均包括导电底部表面（207），该导电底部表面被焊接至所述第一电路板（201）的相应的导电图案（203）。第二电路板（208）被机械连接到所述一个或多个支撑元件（206）。至少一个电子元件（209）被安装至所述第二电路板（208），并且通过所述支撑元件（206）中的至少一个支撑元件被电耦合至所述第一电路板（201）的至少一个导电图案（203）。

Description

电路板系统

技术领域

本发明总体涉及电路板系统，其中两个或更多个电路板刚性地连接在一起。更具体地，本发明涉及一种机械结构，该机械机构使得能够以在元件分布和导体定位以及修复和维修操作方面有利的方式设计所述电路板。

背景技术

最常碰到的用于将电子元件连接至电路板的两种主要解决方案是通孔安装和表面安装。通孔安装包括：将元件的导线穿过电路板中的孔，和将其焊接至在另一侧上围绕或接触该孔的导电垫，而表面安装包括：将元件的平坦连接表面焊接至如下的导电垫，该导电垫位于电路板的设置该元件的相同一侧上。常常使用首字母缩写词THT（通孔技术）和SMD（表面安装器件）。

对THT和SMD解决方案使用不同的焊接技术。对于THT，通常使用所谓的波峰焊接，其中将具有预安装的元件的电路板支撑在流动焊料的槽的上方。SMD技术通常要求回流焊接，其中使用焊剂和焊料的粘膏以将元件预先附接在适当位置，并且随后通过热处理来熔化焊剂和焊料的粘膏。

从过程自动化的观点看，SMD技术（通常结合压配元件使用）更有利，这是因为其更易于自动化，并且要求较少后处理，例如焊料检查形式的后处理。然而，一些（特别是高功率的）元件不可以SMD或压配合形式使用。这可导致使用混合技术，其中电路板包括SMD和THT元件，并且因此必须经历两种焊接。

使用紧密封装、双侧电路板导致在用于THT元件的波峰焊接中出现问题。在被焊接的一侧上的热敏区域必须被保护，这可能使余下的敞开区域太小，以致于难以向电路板传导足够的热量。如果电路板包括为了满足EMI标准和/或功率处理能力要求而所需的厚且宽的铜区域，铜可能高效地传导和分散热，以致于不能将足够的热能量聚集在焊接应发生的位置。

紧密封装的电路板的另一劣势在于，难以进行可能需要替换故障元件的保养操作。一些元件类型，例如过压保护器，旨在被设计为电路的断点；异常条件导致的第一故障将以受控方式并且在易于发现故障的元件中发生。分离焊接点是可能的，但是这涉及导致损伤电路板上的附近元件的风险。

现有技术文献DE 10 2007 035 794 A1建议一种图1所示的类型的结构。THT元件101被放置在单独的“子”板102上，“子”板102的边缘包括布置成线的延伸导线103。横跨子板边缘延伸的绝缘隔离柱104具有孔，导线103在被弯曲为90度角之前穿过该孔。导线103的弯曲端被焊接至“母”板105表面上的导电垫，其仅包括SMD元件。

图1中所示的结构具有多个缺点。例如，导线103的放置、弯曲和焊接不易于自动化，并且由导线103和隔离柱104构成的连接器结构从母板105保留相当大量的空间。可能需要每根导线103运载相当大量的电功率，这对导线的厚度和焊接提出严格要求。可能的是，为了使高功率走线在母板105上处于适当位置，需要使它们穿过对于可能出现在相同电路板上的敏感信号线来说不是最优的路径。

发明内容

下文提出简化总结，以便提供对各种发明实施例的一些方面的基本理解。该总结不是本发明的详尽纵览。既不旨在确定本发明的关键或必要元素，也不旨在描绘本发明的范围。以下总结仅以简化形式提出本发明的一些概念，作为本发明的例证实施例的更详细说明的开头。

根据本发明的第一方面，提供一种电路板系统，该电路板系统包括：

第一电路板，该第一电路板装备有表面安装的电子元件，并且包括导电图案，

一个或多个表面安装的支撑元件，所述一个或多个表面安装的支撑元件在第一电路板上，所述一个或多个支撑元件中的每一个支撑元件均包括导电底部表面，所述导电底部表面被焊接到第一电路板的相应的导电图案，

第二电路板，该第二电路板被机械连接到所述一个或多个支撑元件，

至少一个电子元件，所述至少一个电子元件被安装到所述第二电路板，并且通过所述支撑元件中的至少一个支撑元件而电耦合至所述第一电路板的至少一个导电图案，并且

至少一个电子元件被通孔安装到第二电路板。

当将两个电路板机械连接在一起的支撑元件同时实现电耦合时，需要从电路板保留的表面区域仅是变得抵靠电路板的支撑元件的那个表面的尺寸。使用SMD技术将支撑元件附接至第一电路板使得能够在SMD工艺中组装整个第一电路板。能够相对自由地放置支撑元件，从而允许更高的灵活性和更有可能地优化电路板设计，并且支撑元件和第二电路板之间的机械连接使得能够容易维护。

根据本发明的第二方面，提供一种用于组装电路板系统的方法。该方法包括：

使第一电路板装备有表面安装的电子元件，

通过一个或多个表面安装的支撑元件的导电底部表面，将该一个或多个表面安装的支撑元件焊接到第一电路板的相应的导电图案，

使第二电路板装备有至少一个电子元件，

将第二电路板机械连接到所述一个或多个支撑元件，使得在第二电路板上的所述电子元件中的至少一个电子元件通过所述支撑元件中的至少一个支撑元件而变得电耦合至第一电路板的至少一个导电图案，并且

使所述第二电路板装备有元件包括：将至少一个电子元件通孔安装到第二电路板。

在所附的从属权利要求中描述了本发明的多个非限制性例证实施例。

当结合附图阅读时，通过以下的具体例证实施例的描述，将最大程度地理解本发明的关于构造和操作方法的各种非限制性例证实施例及本发明的其它目的和优势。

在本文中，动词“包括…”被用作开放式限制，其不排除未叙述的特征的存在，且不要求未叙述的特征的存在。除非明确规定，否则从属权利要求中引用的特征能够相互自由组合。

附图说明

参考附图，在下文中以实例更详细地描述本发明的例证实施例及其优势，其中：

图1示出现有技术的解决方案，

图2示出电路板系统，

图3示出支撑元件的多个可替换形式，

图4示出形成机械连接的多个可替换方式，

图5示出支撑元件的多个可替换横截面，并且

图6示出方法。

具体实施方式

图2是电路板系统的局部截面图，该电路板系统包括第一电路板201，第一电路板201装备有表面安装的电子元件202。这里使用缩写名称“SMD元件”。第一电路板201包括导电图案203，导电图案203包括接触垫，SMD元件通过焊料204而连接至所述接触垫。图中的尺寸是不按比例的，尤其是夸大了焊料204的厚度，以便使其能够被更清晰地察觉。可能但是不必要地，第一电路板201是多层电路板，在该情形中，第一电路板201还包括在电路板材料内侧的内部导电图案205。类似地可能但不必要地，第一电路板在其两侧上都包括SMD元件。

除了SMD元件之外，第一电路板上还存在一个或多个表面安装的支撑元件206。每个所述支撑元件206均包括导电底部表面207，所述导电底部表面207被焊接至第一电路板201的各个导电图案203。焊料204在支撑元件的底部表面207和导电图案203之间建立导电连接，这进一步建立了连接到第一电路板的其他部分的导电连接或从第一电路板的其他部分开始的导电连接。导电图案203可以是在第一电路板201的表面上的专用接触垫，支撑元件206通过其底部表面焊接到所述导电图案203，在该情形中，导电图案203通常在形式和尺寸上与支撑元件206的底部表面207匹配。然而，焊接有支撑元件的导电图案也可以比底部表面207小（例如，在底部表面207下方延伸的导电走线），或者可能比该底部表面大（例如，同时建立接地平面或EMI屏蔽层，或者以其他方式横跨第一电路板201的较大区域延伸的导电区域）。

第二电路板208被机械连接至所述一个或多个支撑元件206。在图2的实施例中，第二电路板208到每个表面安装的支撑元件的机械连接包括螺钉213，该螺钉213通过第二电路板208中的孔延伸至相应的支撑元件206的顶部表面中的螺纹孔，所述顶部表面面对该第二电路板208。在该说明书的下文中，我们将考虑做出机械连接的可替换方式。

至少一个电子元件被安装至第二电路板208，并且通过至少一个所述支撑元件206被电耦合至第一电路板201的至少一个导电图案。在图2中示出了通孔安装元件209，使得来自通孔安装元件209的电耦合经由连接线210（连接线210为元件209的一部分）通过THT焊点211行进至导电图案212，在机械连接中，该导电图案212被压紧在相应的支撑元件206的导电顶部表面上，从该导电图案212，还存在通过支撑元件206的导电主体到其顶部表面的导电连接。在本说明书中，如“顶部”和“底部”的方向措辞仅用于促进更易于与附图比较，并且它们不以任何方式限制本发明的特征的应用性。

在图2的实施例中，THT元件209在第二电路板208的顶侧上，即在背向第一电路板201的一侧上。由于THT焊接的特征在于，焊点和导电图案在电路板的与元件不同的一侧上，所以元件209的该设置具有这样的自然结果，即焊点211和导电图案212面对第一电路板201，并且能够以上述方式做出导电图案212和支撑元件206之间的导电连接。如果与其在图2中的位置相比较地将整个第二电路板208翻转，则能够通过允许导电图案212在螺钉213的头部下方继续并且通过使用螺丝的主体作为导电连接的一部分而做出相应的导电连接。第二电路板208能够在其两侧上包括THT元件和导电图案。

如在图2中在THT元件209右端处和在最右侧螺钉处所示，第二电路板208中的孔可以是贯穿电镀的。然而，这不是本发明的要求；在图2中在THT元件209左端处和在最左侧螺钉处示出无贯穿电镀孔的相应连接。贯穿电镀孔使得特别易于将元件附接至第二电路板，这是因为元件可以处于第二电路板的每一侧上，并且贯穿电镀孔起到通路的作用，该通路提供在两侧之间的必要电连接。

安装在第二电路板208上的元件不必是THT元件，或者不必全部是THT元件。SMD元件214作为实例示出在图2的第二电路板208上。虽然使第二电路板专用于THT元件产生了仅需要使每个电路板经过一次焊接工艺的优势，但是即使第二电路板包括SMD元件，也能够实现特定优点。第二电路板上的元件可包括过电压保护器或是电路的有意设计断点并且需要在保养和修复过程中调查和/或替换的其他的元件。将它们放置在单独电路板上，这另外地可以利用同时执行电耦合的简单、可拆装机械连接来拆下和重新附接，允许例如快速且容易地替换整个第二电路板。

应注意，本发明甚至不要求第一电路板201专门装备SMD元件，尽管这样的实施例允许利用避免对单个电路板使用不同焊接方法的全部优势。例如，如果为了易于替换，本发明仅被用于将最典型的故障元件放置在单独电路板上，则第一电路板也可包括THT和其他类型的元件。

图3示出支撑元件可能具有的形式的一些实例。支撑元件301和302由圆柱形（在301的情形下为简单圆柱形，在302的情形下为双圆柱形）主体构成，主体的限制表面（端部表面）横向于圆柱形形状的纵向轴线，并且构成（导电）底部表面，该底部表面变得抵靠和被以SMD方式焊接至第一电路板的导电图案。支撑元件303和304由圆锥形主体构成，限制（端部）表面是导电底部表面。同时，支撑元件303和304示意这样的事实，即如果根据本发明的任何实施例的支撑元件具有沿其纵向方向（横向于第一电路板所限定的平面的方向）改变的横截面，则该改变能够是在任何方向上的。

支撑元件305和306由金字塔形主体构成，金字塔形主体的限制（端部）表面是导电底部表面。同时，支撑元件305和306示意这样的事实，即如果根据本发明的任何实施例的支撑元件具有沿其纵向方向（横向于第一电路板所限定的平面的方向）改变的横截面，则该改变能够以连续形式发生（305中）或以阶梯形式发生（306中）。支撑元件307由棱柱形主体构成，其限制（端部）表面是导电底部表面。虽然棱柱形形式实际上仅是圆柱形的特例（数学上将其定义为沿封闭路径以不改变方向移动的直线拉出的表面），但是为了避免疑惑，本文中单独示出棱柱形形式307。

支撑元件308示意这样的事实，即根据本发明的实施例的支撑元件可包括第一数目的抵靠第一电路板的限制表面，和与所述第一数目不同的第二数目的抵靠第二电路板的限制表面。在该实例中，支撑元件308具有分支主体，和将抵靠第一电路板的两个单独（虽然平行）限制表面。仅有一个限制表面将抵靠第二电路板。支撑元件的主体的分支还能够是在其他方向上的，例如使得其具有一个抵靠第一电路板的限制表面，和两个抵靠第二电路板的限制表面。

不同形式的支撑元件能够一起在同一个电路板系统中使用。

在图2和图3中所示的每一种情形中，表面安装的支撑元件在面朝第二电路板的表面中限定螺纹孔。因此，第二电路板到表面安装的支撑元件的机械连接应包括螺钉，所述螺钉通过第二电路板延伸至所述螺纹孔。图4示意机械连接的一些可替换形式，其中第二电路板和表面安装的支撑元件之间的机械连接包括在一个构件中的突出体和在另一个构件中的槽口。

在情形401中，突出体是销，所述销沿着支撑元件的纵向轴的方向、从该支撑元件的顶部表面延伸，槽口是在第二电路板中的孔。为了确保更好的机械附接，销可包括稍微更厚的中间部或其他结构，必须迫使电路板穿过所述中间部或其他结构。情形401还示出，在第二电路板和支撑元件之间实现导电耦合是如何不必需要涉及使在电路板的平坦表面中的一个平坦表面上的导电图案直接接触支撑元件的顶部表面：如果第二电路板中的孔是所谓的电镀贯穿孔，则可在孔的电镀内壁和销的侧表面之间发生导电耦合。

在情形402中，突出体是在第二电路板的边缘中的凸片，槽口是在支撑元件中的相应的凹部。在情形403中，突出体实际上仅是第二电路板的直边缘的一部分，而槽口是在支撑元件中的凹槽。无螺纹的机械连接（例如图4中所示的那些）能够与带螺纹的机械连接（例如图2中所示的那些）一起使用，从而第二电路板被滑动或推动到支撑元件中的一些支撑元件的适当位置，并且连接通过在一个或多个其它支撑元件中的螺钉固定。

图5的最左部分示出由导电主体501构成的支撑元件，该导电主体501的一个限制表面是所述导电底部表面207。导电主体501的相反限制表面是导电顶部表面502，该导电顶部表面502能够用于实现在第二电路板和支撑元件之间的导电耦合。这种支撑元件也在图2中被示出。

图5中的左边第二个是这样的支撑元件，该支撑元件包括由电绝缘材料制成的主体503，所述主体具有互相平行的顶部表面和底部表面。在绝缘主体503的顶部和底部表面上存在导电涂层。底部表面上的导电涂层构成导电底部表面207，顶部表面上的导电涂层构成导电顶部表面501。电导体将在主体的顶部表面和底部表面上的导电涂层连接在一起。在图5的实施例中，电导体由涂层504构成，所述涂层504覆盖绝缘主体503的全部侧表面。作为替换方式，例如能够仅存在一条（或者多条）导电涂层，所述一条（或者多条）导电涂层沿绝缘主体503的一侧延伸并且将导电顶部涂层和底部涂层连接到彼此。

图5中所示的另一实例包括导电芯505，导电芯505的限制表面在底部构成导电底部表面207。导电芯505的顶部表面502可用于形成到第二电路板的导电连接，但是也能够使用导电螺钉，所述导电螺钉通过在第二电路板中的孔而旋入由芯505限定的螺纹孔中。电绝缘壳体506在导电芯505的侧部上围绕该导电芯505。

在图5中示出的最右侧的替代方案是这样的提示，即支撑元件的导电部分不需要沿支撑元件的纵向（垂直）轴线具有恒定横截面。类似于上一实施例，最右侧的替代方案也包括导电芯505，该导电芯505在其侧部上被电绝缘壳体506围绕。为了最大化到第一电路板的焊点的强度，导电芯505的底部表面207比导电芯505的更高处的横截面大。示出销型结构作为这样的暗示，即螺纹孔和螺钉不是形成机械连接的仅有方式。

图6示出一种用于组装电路板系统的方法。步骤601代表使第一电路板装备表面安装的电子元件。作为该步骤的一部分，如步骤602中所示意，将SMD元件焊接到适当位置。已经优选地通过也放置其他SMD元件和提供有焊膏的相同取放机器将支撑元件布置在第一电路板上，所以最优选地，在其他表面安装的电子元件被焊接在第一电路板上的适当位置的相同步骤中，通过支撑元件的导电底部表面将支撑元件焊接至第一电路板的相应导电图案。这在图6中被示出为步骤603。

有利的是，形成支撑元件，使得它们容易地适合由组装机器的机械臂拾取和放置。最终将被机械连接至第二电路板的支撑元件的顶部最优选地展现固体、扁平的水平表面（用于吸入拾取机）、销（用于钳型拾取机）、槽口（用于针型拾取机）或允许机械臂抓握支撑元件并且将其移动和压入第一电路板上的适当位置的其他结构。

步骤604代表使第二电路板装备至少一个电子元件，所述至少一个电子元件可以是THT或SMD元件。作为附接子步骤，附图标记605示出将THT和/或SMD元件焊接在适当位置。在一些情形中，能够利用拧紧在从电路板出来的销上的螺纹的螺母来实现通孔安装的附接步骤。附接SMD元件可包括使用导电胶，所以附接步骤不必始终是焊接步骤。

步骤606代表将第二电路板机械连接至先前已被附接至第一电路板的一个或多个支撑元件。形成机械连接还导致第二电路板上的至少一个电子元件通过至少一个支撑元件而电耦合至第一电路板的至少一个导电图案，这在步骤607单独示出。

本发明的实施例允许在单独的电路板上放置多个THT元件，并且避免在各个电路板的制造过程中回流焊接和波峰焊接的结合。能够在不必考虑热保护或传导热损耗的情况下最优化THT元件的焊接工艺，如果将THT元件与SMD元件一起放置在可能包括大的铜区域的紧密封装的电路板上，将出现所述传导热损耗。利用支撑元件的主体（或者涂层、芯体或主体的其他重要部分）作为电导体允许在电路板之间安全地引导甚至相对大的电流，并且几乎没有额外的电阻。形成从第一电路板到支撑元件的电连接不必保留过多的支撑元件的底部面积，这节约了在第一电路板上的空间。从电路板设计的观点来看，能够将根据本发明的实施例的支撑元件做成点状，以便能够将所述支撑元件相对自由地放置在第一（和第二）电路板的任意位置处，其中它们以及及它们耦合的导电图案对电路板其他部分的设计产生最小损害。

Claims (10)

1.一种电路板系统，所述电路板系统包括：

第一电路板（201），所述第一电路板（201）装备有表面安装的电子元件（202），并且所述第一电路板（201）包括导电图案（203），

一个或多个表面安装的支撑元件（206），所述一个或多个表面安装的支撑元件（206）位于所述第一电路板上，所述一个或多个支撑元件中的每个支撑元件均包括导电底部表面（207），所述导电底部表面（207）被焊接至所述第一电路板的相应的导电图案，

第二电路板（208），所述第二电路板（208）被机械连接至所述一个或多个支撑元件（206），

至少一个电子元件（209），所述至少一个电子元件（209）被安装至所述第二电路板（208），并且所述至少一个电子元件（209）通过所述支撑元件（206）中的至少一个支撑元件被电耦合至所述第一电路板（201）的至少一个导电图案（203），并且

至少一个电子元件（209）被通孔安装至所述第二电路板（208）。

2.根据权利要求1所述的电路板系统，其中所述表面安装的支撑元件（206）中的每个表面安装的支撑元件均由圆柱形（301、302）、圆锥形（303、304）、金字塔形（305、306）或棱柱形（307）的主体构成，所述主体的限制表面是所述导电底部表面（207）。

3.根据权利要求1所述的电路板系统，其中所述表面安装的支撑元件中的至少一个表面安装的支撑元件包括：

第一数目的抵靠所述第一电路板的限制表面，以及

第二数目的抵靠所述第二电路板的限制表面，所述第二数目不同于所述第一数目。

4.根据权利要求1-3中的任一项所述的电路板系统，其中：

所述表面安装的支撑元件中的至少一个表面安装的支撑元件在面对所述第二电路板的表面中限定螺纹孔，并且

所述第二电路板到所述表面安装的支撑元件中的所述至少一个表面安装的支撑元件的机械连接包括螺钉（213），所述螺钉（213）通过所述第二电路板（208）延伸到所述螺纹孔。

5.根据权利要求1-3中的任一项所述的电路板系统，其中所述第二电路板到所述表面安装的支撑元件中的至少一个表面安装的支撑元件的机械连接包括在一个中的突出体和在另一个中的槽口。

6.根据权利要求1-5中的任一项所述的电路板系统，其中所述表面安装的支撑元件中的至少一个表面安装的支撑元件由导电主体（501）构成，所述导电主体（501）的限制表面是所述导电底部表面（207）。

7.根据权利要求1-5中的任一项所述的电路板系统，其中所述表面安装的支撑元件中的至少一个表面安装的支撑元件包括：

主体（503），所述主体（503）由电绝缘材料制成，所述主体具有互相平行的顶部表面和底部表面，

在所述主体的顶部表面和底部表面上的导电涂层，所述导电涂层中的在所述底部表面上的导电涂层构成所述导电底部表面（207），以及

电导体（504），所述电导体（504）连接所述主体的顶部表面和底部表面上的所述导电涂层。

8.根据权利要求1-5中的任一项所述的电路板系统，其中所述表面安装的支撑元件中的至少一个表面安装的支撑元件包括：

导电芯（505），所述导电芯（505）的限制表面构成所述导电底部表面（207），以及

电绝缘壳体（506），所述电绝缘壳体（506）围绕所述导电芯（505）。

9.一种用于组装电路板系统的方法，所述方法包括：

使第一电路板装备（601）表面安装的电子元件，

通过一个或多个表面安装的支撑元件的导电底部表面，将所述一个或多个表面安装的支撑元件焊接（603）至所述第一电路板的相应的导电图案，

使第二电路板装备（604）至少一个电子元件，

将所述第二电路板机械连接（606）到所述一个或多个支撑元件，使得所述第二电路板上的所述电子元件中的至少一个电子元件通过所述支撑元件中的至少一个支撑元件而变得电耦合（607）至所述第一电路板的至少一个导电图案，并且

使所述第二电路板装备（604）元件包括：将至少一个电子元件通孔安装到所述第二电路板。

10.根据权利要求9所述的方法，其中在焊接步骤（602）中，通过所述一个或多个表面安装的支撑元件的导电底部表面，将所述一个或多个表面安装的支撑元件焊接（603）到所述第一电路板的相应的导电图案，在所述焊接步骤（602）中，也将所述表面安装的电子元件在所述第一电路板上焊接到位。

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