CN107197587A - 包括球栅阵列插入层的印刷电路板 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种包括球栅阵列插入层的印刷电路板。印刷电路板(50)包括：包括导电轨道(44)的主印刷电路(40)；电子元件(30)；被布置在主印刷电路(40)上的插入印刷电路(10)，插入印刷电路(10)包括基板(12)、位于上表面(14)上的金属轨道(20)以及位于下表面(16)上的金属垫(22)；位于插入印刷电路(10)与主印刷电路(40)之间的多个金属球(52)。金属球(52)被焊接至金属垫(22)并且被焊接至导电轨道(44)。插入印刷电路(10)在其上表面(14)上容置电子元件(30)。金属球(52)由铅的重量含量大于85％的合金制成。

Description

包括球栅阵列插入层的印刷电路板
技术领域
本发明涉及印刷电路板。
背景技术
本发明涉及的上述印刷电路板包括：
包括导电轨道的主印刷电路；
至少一个电子元件；
被布置在主印刷电路上的插入印刷电路，插入印刷电路包括：
具有上表面、下表面以及至少一个侧边缘的基板；
位于该上表面上的能够发送电信号的至少一个金属轨道(track)；以及
位于该下表面上的能够发送电信号的至少一个金属垫(lug)；
位于插入印刷电路与主印刷电路之间的多个金属球，上述金属球被焊接至上述金属垫并且被焊接至上述导电轨道；
插入印刷电路将该或每个电子元件容置在插入印刷电路的上表面上。
当印刷电路中已有的原始电子元件被淘汰并且替代电子元件在电路上的印记(imprint)无法完美对应时，使用承载有替代元件的插入印刷电路来替代原始元件，从而得到这样的印刷电路板。
对适用于更新后的电子元件的新印刷电路进行设计和制造是一种昂贵的方法，特别是当该方法必须定期重复时。
这在铁路应用(其中，替代印刷电路需要复杂的拆卸操作，并且电子装置的工作时间相对于构成电子装置的元件的能力更新换代的速度而言很长)中尤其重要。
在此情况下，已知使用容置替代电子元件的插入印刷电路。该插入印刷电路通过焊接而连接至主电子电路。相比完全的回溯而言，这样的替代操作便宜得多并且容易实现。
例如，文献US 6,229,218描述了一种电子互联系统，该系统所使用的触点的形式是焊接在主印刷电路与插入印刷电路之间的金属球。
然而，铁路设备中的电路的操作条件通常远比在传统电子设备中的操作条件恶劣得多。因此，印刷电路板必须在耐受环境压力和腐蚀的能力方面满足更严格的标准。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种印刷电路板，其替换被淘汰的电子元件，同时具有关于耐受环境压力和腐蚀的能力的适用于铁路设置的特征。
为此，本发明涉及前述类型的印刷电路板，其特征在于，所述金属球由铅的重量含量大于85％的合金制成。
根据本发明的印刷电路板可包括以下特征(这些特征可以单独来考虑或按照任何技术上可行的组合来考虑)中的一个或更多个特征：
该基板由包括环氧树脂和玻璃纤维的复合材料制成；
该电子元件通过位于电子元件的接线片(tab)与金属轨道之间的至少一个焊点而被紧固至该基板的上表面；
上述金属球由包括铅的重量含量在87％与91％之间的合金制成；
上述金属球由锡的重量含量在8％与13％之间的合金制成；
上述金属球由银的重量含量在0％与3％之间的合金制成；
上述金属轨道通过贯穿该基板的总线而被连接至上述金属垫；
两个相邻金属球之间的距离小于或等于2.54mm；
两个相邻金属球之间的节距等于在0.4mm与2.54mm之间的预定值；以及
上述球在共晶(eutectic)材料的作用下而被焊接至上述导电轨道。
附图说明
当阅读仅作为示例提供的并且参考附图做出的以下描述时，将会更好地理解本发明，其中：
图1是承载电子元件的插入印刷电路的俯视图；以及
图2是根据本发明的印刷电路板的一部分的截面图。
具体实施方式
在图1中示出了插入印刷电路10。此印刷电路包括绝缘基板12，该绝缘基板12的形式是基本上为矩形的板，该矩形板具有上表面14和下表面16以及四个侧边缘18。取决于具体应用，例如，该基板的长度和宽度介于5mm与35mm之间，并且该基板的厚度在0.8mm与1.6mm之间。
基板12由绝缘材料(例如，环氧树脂和编织玻璃纤维的复合材料)制成。有利地，通过在环氧树脂中添加溴化物来对绝缘材料进行防火处理。例如，形成基板12的复合材料来自在NEMA(National Electrical Manufacturers Association，美国电气制造商协会)的标准的L1 1-1998(R2011)中描述的FR-4类，其玻璃化转变温度是180℃。
插入印刷电路10在基板12的上表面14上包括能够发送电信号的多个导电轨道20(例如，由铜制成)。在图1所示的示例中，插入印刷电路10包括32个轨道20。
每个轨道20包括用于发送电信号的接收垫20A和轨道20B。
插入印刷电路10还包括多个导电轨道21，上述多个导电轨道21被电连接至位于基板12的下表面上的金属垫22。金属垫22为导电性(例如由铜制成)并且形状是圆形。
上表面14的轨道20通过贯穿基板12的总线24而被电连接至下表面16的轨道21。
轨道24是穿透基板12而在上表面14和下表面16上露出的管道，并且包括将上表面14的轨道20电连接至下表面16的轨道21(或者，直接连接至下表面16的金属垫22)的铜。
可替代地，基板12的下表面16还具有不与上表面14的轨道20连接的另外的金属垫。
如图1和图2所示，插入印刷电路10从上表面14一侧容置至少一个电子元件30。电子元件30例如是包括壳体32和金属接线片34的集成电路。壳体32容纳能够根据通过元件30的一些接线片34而接收的电子输入信号来执行处理功能和计算功能并且能够经由其他接线片34发送电输出信号的电设备。
如图2所示，电子元件30的每个接线片34通过位于接线片34与接收垫20A之间的焊点36而被紧固在一个轨道20上，特别地紧固在对应的接收垫20A上。
如图2所示，插入印刷电路10被布置在主印刷电路40上以形成多层印刷电路板50。主电路40具有能够发送电信号的多个轨道44。每个轨道44包括用于发送电信号44B的接收垫44A以及轨道。
插入印刷电路10经由多个基本上为球形的金属球52而被连接至主印刷电路40，上述多个金属球52被焊接在插入印刷电路10的金属垫22与主印刷电路40的轨道44之间。每个金属球52一方面被焊接在下表面16上靠近插入电路10的一个侧边缘18，另一方面被焊接在一个接收垫44A上。
金属球52负责将插入印刷电路10机械地紧固在主印刷电路40上，并且负责主印刷电路40的轨道44与插入印刷电路10的轨道44之间的电连接(即，发送轨道44B与接收垫20A之间的电连接)。
在图1所示的示例中，印刷电路板50包括均匀分布在4个侧边缘18上的48个金属球52。可替代地，印刷电路板50包括均匀地分布在4个侧边缘18上或分布在两个相对的边缘18上的不同数量的金属球52。
每个金属球52由铅的重量比例大于85％(优选地在87％与91％之间，有利地等于90％)并且锡的重量比例小于15％(优选地在8％与13％之间，有利地等于10％)的合金制成。可替代地，该合金还包括银，其中银的重量比例小于3％(例如，等于2％)。该合金中银的存在使得可以改善冶金结合以及电接合。
金属球52中铅的存在赋予金属球52大于175℃(特别地接近300℃)的熔化温度，并且因此给予插入印刷电路使得插入印刷电路能够耐受高温和机械振动的特性。
通过借助于共晶材料的局部熔化方法，上述球52的上部被焊接至金属垫22，并且上述球52的下部被焊接至轨道44。共晶材料是具有恒定熔化温度(即，在恒定的温度下熔化以及固化)的合金。
为了构建印刷电路板50，插入电路10被布置在主印刷电路40上承载在球52上。将该组件放置在熔炉内并且加热至用于主电路的轨道的共晶材料的熔化温度，以实现上述球在该表面上的局部熔化以及将上述球焊接至主印刷电路40的轨道44(特别地，焊接至接收垫44A)。
该方法使得可以在印刷电路板50的组装期间保持插入电路10与主电路40之间的最小隔离距离。该方法还可以在无任何杂散电接触风险的情况下使得两个相邻金属球52之间的节距很小。
上述距离，即，两个相邻金属球52之间的节距等于在0.4mm与2.54mm之间的预定值，以确保印刷电路板50的良好的机械强度，同时限制因温度变化引起的基板12的热膨胀导致的局部应力。
组成金属球52的材料中的铅的存在还降低了插入电路10的易受腐蚀性，并且还减小了印刷电路板50的过早断裂风险。

Claims (10)

1.一种印刷电路板(50)，包括：
主印刷电路(40)，包括导电轨道(44)；
至少一个电子元件(30)；
被布置在所述主印刷电路(40)上的插入印刷电路(10)，所述插入印刷电路(10)包括：
具有上表面(14)、下表面(16)和至少一个侧边缘(18)的基板(12)；
位于所述上表面(14)的能够发送电信号的至少一个金属轨道(20)；
以及
位于所述下表面(16)的能够发送电信号的至少一个金属垫(22)；
位于所述插入印刷电路(10)与所述主印刷电路(40)之间的多个金属球(52)，所述金属球(52)被焊接至所述金属垫(22)并且被焊接至所述导电轨道(44)；
所述插入印刷电路(10)在所述插入印刷电路(10)的上表面(14)上容置所述或每个电子元件(30)，
其特征在于，所述金属球(52)由铅的重量含量大于85％的合金制成。
2.根据权利要求1所述的印刷电路板(50)，其中，所述基板(12)由包括环氧树脂和玻璃纤维的复合材料制成。
3.根据权利要求1所述的印刷电路板(50)，其中，所述电子元件(30)通过所述电子元件(30)的接线片(34)与所述金属轨道(20)之间的至少一个焊点而被紧固至所述基板(12)的所述上表面(14)。
4.根据权利要求1所述的印刷电路板(50)，其中，所述金属球(52)由铅的重量含量在87％与91％之间的合金制成。
5.根据权利要求1所述的印刷电路板，其中，所述金属球(52)由锡的重量含量在8％与13％之间的合金制成。
6.根据权利要求1所述的印刷电路板，其中，所述金属球(52)由银的重量含量在0％与3％之间的合金制成。
7.根据权利要求1所述的印刷电路板，其中，所述金属轨道(20)通过贯穿所述基板(12)的总线(24)而被电连接至所述金属垫(22)。
8.根据权利要求1所述的印刷电路板，其中，两个相邻金属球(52)之间的距离小于或等于2.54mm。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的印刷电路板，其中，两个相邻金属球(52)之间的节距等于在0.4mm与2.54mm之间的预定值。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的印刷电路板(50)，其中，所述球(52)在共晶材料的作用下被焊接至所述导电轨道(44)并且被焊接至金属垫(22)。
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