CN1248365C - 表面安装连接器的导向件、电子组件及其形成方法 - Google Patents

Abstract

一种用于将电子设备表面安装到基板上的增加接头厚度的导向件，其中，增加接头厚度的导向件的一部分基本上平行于基板。增加接头厚度的导向件包括一个拱形结构，它为用于将导向件连接到基板上的焊接提供增加的接头厚度。焊接接头厚度增加使得电子设备能更加坚固的固定。

Description

表面安装连接器的导向件、电子组件用其形成方法

                           发明背景

技术领域

本发明涉及用于将电子复合物(electronic compounds)安装到基板上的装置和方法。特别地，本发明涉及一种被设计用于将接收插入电缆的插口或插座紧固到印刷电路板上的导向件(lead)。

背景技术

随着独立电子设备(个人计算机、局域网服务器、因特网服务器、个人数字助理、数码照相机、计算机外围设备等)之间的接口连接和相互通信变得很普通，电子工业正努力提供高可靠性而又便宜的用于接口连接这样的独立电子设备的元件。一般的接口设备是插入(连接)到存在于每一个独立电子设备上或中的连接器中的电缆。这样的连接器包括，但不限于USB(例如，通用串行总线)、1394(例如，高速串行总线)、RJ11(例如，电话插孔)以及RJ45(例如，网络插孔)连接器。

一种将连接器连接到独立电子设备的内部电路上的廉价方法，是将连接器表面安装到在独立电子设备中的基板(例如，印刷电路板)上。图9至图11图解了一个示例性的表面安装的RJ45连接器组件200。如图9和图10所示，连接器202紧靠在基板204的第一表面208上。参照图10，连接器202主要是用两个相对较大的(L型)导向件212和212’被固定到基板的第一表面208上。如图10和图11所示，大导向件212和212’中的每一个的一部分(在图10中以虚线示出)都延伸到连接器202中，其中，它们被电连接到在那里的布线(未示出)。参照图10，大导向件212和212’的第一部分214和214’分别从连接器202的相对侧面218和222上各自延伸。在基板的第一表面208上，大导向件212和212’的第二部分216和216’分别基本上平行于基板的第一表面208延伸。如图11所示(为清楚起见，只示出了大导向件212)，大导向件的第二部分216通过形成焊接接头(solder joint)226的一层焊料，例如铅/锡合金，被物理和电连接到基板第一表面208上或中的平面接触件(landingcontact)220上。平面接触件220被电连接到基板204中或上的走线(未示出)上。

如图9所示，另外的较小的导向件224可以从连接器的侧面218和222(未示出连接器的侧面222)上延伸，并被电连接到基板204中或上的走线(未示出)上。通过大导向件212和212’以及较小的导向件224这些装置，可在安装在基板204上的电子元件(未示出)和连接器202之间传递电信号(电源、地、操作信号等)。把与外部设备(未示出)连接的插头式电缆(plug on cable)(未示出)插入到开口206中，以与连接器202电连接，由此允许外部设备(未示出)与安装到基板204上的电子元件(未示出)之间的电子通信。

在连接器202的寿命期间，连接器202通常会反复地使电缆(例如，用于所示出的RJ45连接器的网络接口电缆)连接和断开。依靠大导向件212和212’来承受电缆连接和断开所产生的应力载荷。而且，连接器202还依靠大导向件212和212’来承受由于基板204和连接器202的热膨胀系数(CTE)不匹配而产生的应力。这些应力，由于在这些负荷中形成的剪应力，可能导致大导向件212和212’下面的焊接接头226失效(例如，开裂)。

因此，开发一种导向件设计，其将有效地实现连接器到基板的连接，同时能够处理由于连接/断开电缆以及由于CTE不匹配而在连接器上引起的应力，将是有利的。

附图的简要说明

虽然本说明的结束部分的权利要求中特别指出并明确声明本发明的范围，但是通过下面结合附图对本发明进行的描述，本发明的优点将更容易弄清楚，其中：

图1是根据本发明的，具有增加接头厚度的导向件的实施例的连接器的斜视图；

图2是根据本发明的图1的增加接头厚度的导向件的侧视平面图；

图3是根据本发明的图2的增加接头厚度的导向件的侧视剖面图；

图4是根据本发明的具有增加接头厚度的导向件的另一实施例的连接器的斜视图；

图5是根据本发明的图4的增加接头厚度的导向件的侧视平面图；

图6是根据本发明的增加接头厚度的导向件的另一个实施例的侧视剖面图；

图7是根据本发明的增加接头厚度的导向件的另一个实施例的侧视平面图；

图8是本领域中公知的，在普通的导向件上产生的力的示意图；

图9是本领域中公知的，具有普通的导向件的连接器的斜视图；

图10是本领域中公知的图9中的导向件的侧视平面图；以及

图11是本领域中公知的图10中的导向件的侧视剖面图。

实施例的详细说明

下面参照附图进行详细的说明，附图以图解的方式说明了可以实施本发明的特定实施例。对这些实施例做了充分详细的说明，以便使本领域的技术人员能够实施本发明。我们应该理解，本发明的各种实施例虽然不同，但不一定是相互排斥的。例如，在这里连同一个实施例描述的特定的特征、结构、或者特性，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可能在其它的实施例中被实现。另外，我们应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可以修改每一个公开的实施例中的独立元件的位置或排列。因此，下面的详细描述不是作为限制的，相反，本发明的范围仅由所附权利要求书，以及权利要求书所涵盖的全部范围的等同物所限定，并由其合理地解释。在附图中，几个示意图中的同一标号代表同一或类似的功能。

术语“基板”被定义为包括，但不限于，母板、外设卡、模块(cartridge)、多芯片组件基板，以及对本领域的技术人员来说明显的类似结构。

术语“焊料”被定义为包括，但不限于，导电材料如铅、锡、铟、镓、铋、镉、锌、铜、金银、锑、锗以及它们的合金。

本发明减少了在表面安装的微电子设备中由应力引起的失效(焊料开裂)。参照图8的自由体受力图和图11的相应部分，可以分析焊接接头226中的剪应力。从图8中标注的力和剪应力的分布(assignments)可以写出下面两个平衡方程：

$\frac{{\mathrm{dF}}_1}{\mathrm{dx}}\mathrm{dx}-\mathrm{\τdx}=0$ 和 $\frac{{\mathrm{dF}}_2}{\mathrm{dx}}\mathrm{dx}-\mathrm{\τdx}=0$

这里：下标1代表导向件212

下标2代表基板204

F是力

τ是剪应力

x是在导向件212和基板204内部的空间变量(参见图11中的单元242)

导向件212和基板204上的应变，可能由内力(在制造设备时产生的应变)、外力(插拔电缆)和CTE力引起，该应变可用位移(u)表示。

这样：

$\frac{{\mathrm{du}}_1}{\mathrm{dx}}=\frac{F_1}{E_1{t}_1}+{\mathrm{\α}}_1\mathrm{\ΔT}$ 和 $\frac{{\mathrm{du}}_2}{\mathrm{dx}}=\frac{F_2}{E_2{t}_2}+{\mathrm{\α}}_2\mathrm{\ΔT}$

这里：α是热膨胀系数

ΔT是温度的改变

t₁是导向件的厚度(图11中示为244)

t₂是基板的厚度(图11中示为248)

E是杨氏模量

通过胡克定律，剪应力与导向件的位移u₁、基板的位移u₂、焊料的厚度t₀(图11中示为246)以及剪切模量G的关系，(假定u₁和u₂随焊料移动)，可用下式表示：

$\frac{\mathrm{\τ}}{G}=\frac{u_1-u_2}{t_0}$

对上面的方程求二阶导数，得到

$\frac{d^2\mathrm{\τ}}{\mathrm{Gd}{x}^2}=\frac{1}{t_0}[\frac{d^2{u}_1}{{\mathrm{dx}}_2}-\frac{d^2{u}_2}{{\mathrm{dx}}_2}]$

因为dF/dx＝τ，并且使用上面的平衡方程，可以做下面的替换：

$\frac{d^2\mathrm{\τ}}{{\mathrm{dx}}^2}={\mathrm{\β}}^2\mathrm{\τ}$ 这里， ${\mathrm{\β}}^2=\frac{G}{t_0}[\frac{1}{E_1{t}_1}-\frac{1}{E_2{t}_2}]$

由此，上面的方程是一个普通微分方程，当使用适当的边界条件时，具有下面的解：

$\mathrm{\τ}\left(x\right)=\frac{G[{\mathrm{\α}}_2-{\mathrm{\α}}_1]\mathrm{\ΔT}}{t_0\mathrm{\β}}\left[\frac{\sinh \left(\mathrm{\βx}\right)}{\cosh \left(\mathrm{\βL}\right)}\right]$

从上面的方程可以明显地看出，当焊料厚度(t₀)增加时，应力减小。另外，当t₀增加时，参数β减小。因此，为了减弱裂纹扩展的发生以及由此随后发生的焊接接头失效，最好是使焊接接头226变得更厚。然而，在较大的定位件中加入更高的支撑件，会对制造有严重的影响，引起产率损失。在制造研究中，对较厚的接头，该产率损失可能会增加1％。

因此，本发明涉及使用已知的冲压技术就能够容易地制造出来的一种具有增加接头厚度的导向件的形成。虽然本讨论涉及RJ45连接器，但本发明的导向件可与任何表面安装的电子设备一起使用，包括但不限于USB、1394、RJ11连接器，以及多种元件，该元件包括但不限于CPU插座、插槽(PCI、ISA、AGP等)、线圈、FET、以及对本领域的技术人员来说很明显的其它元件。

图1-3图示了示例性的表面安装RJ45连接器组件100。如图1所示，连接器102紧靠在基板104的第一表面108上。参照图1和图2，连接器202主要通过至少一个增加接头厚度的导向件112被固定到基板的第一表面108。增加接头厚度的导向件112最好是导电材料，包括但不限于像铜和铝这样的金属。

如图2所示，增加接头厚度的导向件112每一个的一部分延伸到连接器102的内部，并且被电连接到其中的布线(未示出)上。参考图2，增加接头厚度的导向件112的第一部分114紧靠着连接器102的第一侧面118从连接器102上延伸。在基板的第一表面108上，增加接头厚度的导向件112的第二部分116基本上平行于基板的第一表面108延伸。优选地，至少有一个与增加接头厚度的导向件112类似的另一个增加接头厚度的导向件紧靠在连接器102的第二个侧面122上。

如图3所示，导向件的第二部分116通过形成焊接接头126的焊料层被物理和电连接到基板第一表面108上或中的平面接触件120上。平面接触件120可以是任何合适的材料，包括但不限于铜、铝、以及它们的合金。平面接触件120被电连接到基板104中或上的走线上。

导向件的第二部分116包括一个拱形的部分，示为拱142，它在导向件的第二部分116的上表面144上延伸。拱142可以这样来形成：在导向件的第二部分116的长度方向上穿过导向件第二部分116切割两条基本上平行的平行线，并且弯曲导向件的第二部分116在狭缝之间的部分以形成拱142，并自然形成一个空腔(void)。对于本领域的技术人员来说很明显。基本上平行的平行线的切割和拱的弯曲可用两步冲压工序来实现。

如图3所示，由拱142所形成的空腔使焊接接头126中可以有更厚的厚度。焊接接头失效，一般是由于电缆的连接和断开、和/或基板104和连接器102之间的热膨胀系数(CTE)不匹配而在接头中引起的应力载荷所导致的微裂纹扩展。超过一定的时间，这些微裂纹结合形成裂纹，这些裂纹最终彼此连接形成穿透焊接接头的裂纹。这种裂纹扩展，主要是由于CTE应力和低应力循环疲劳(由连接的加载和卸载引起)，通常比较缓慢，并且往往是经过很多次循环以后才发生，一般是50至10000次循环，或者更多。

更厚的焊接接头126(即，更大的体积)增加了微裂纹扩展的距离。这样，减小了微裂纹在焊接接头126上完全开裂的可能。事实上，增加接头厚度的导向件112可使最大剪应力减小差不多20％。假定一般的导向件结构，其中导向件长3.5mm，宽7.0mm，并且焊料厚0.0875mm，则焊料体积将约为2.1mm³。现在，对于增加接头厚度的导向件112，已假定拱142在其顶点处的高度等于厚度，并且其被改进的区域占导向件第二部分116表面的30％。已进一步假定拱146跨过一半的宽度，并且将形成六面体(hexahegon)的一段的容积，这导致约0.65mm³的增加的容积，或者约2.75mm³的总容积。这表示焊料体积增加了大约30％。当然，我们应该理解，这些估计不代表对微裂纹扩展有效抑制的最大或最小要求，相反，这些尺寸只是示例性的。本领域的技术人员应该理解，可得到多种容积，并且可以根据所使用的焊料的类型、导向件的尺寸和其它类似的参数改变容积。

如图1所示，另外的较小的导向件124可从连接器的侧面118上延伸(连接器侧面122上的未示出)，并被电连接到基板104中或上的走线(未示出)上。通过增强的导向件112和较小的导向件124，电信号(电源、地、操作信号等)可在安装在基板104上的电子元件(未示出)和连接器102之间传递。与外部设备(未示出)连接的插头式电缆(未示出)被插入到开口106中，以形成与连接器102的电接触，由此允许外部设备(未示出)与安装到基板104上的电子元件(未示出)之间的电气连通。

图4和图5图解了本发明的另一实施例，其中，拱形部分包括在导向件第二部分的上表面144上延伸的基本上凹的容纳部分(pocket)152，由此自然形成一个空腔。对于本领域的技术人员来说很明显，通过简单地把该凹形容纳部分152冲压到增加接头厚度的导向件112中就可以形成该凹形容纳部分152。如图3中对本实施例所图示的，凹形容纳部分152的空腔也使焊接接头126的厚度更大。

当然，我们应该理解，增加接头厚度的导向件112不必是导电体。相反，它可以仅仅是稳定和/或固定机构。图6图示了这样的一个实施例。如前面讨论的，导向件的第一部分114可以通过一层粘合材料154被固定到连接器第一侧面118上，并且如前讨论地，导向件的第二部分116通过焊接接头126被连接到基板上。

我们还应该理解，增加接头厚度的导向件112可以具有符合连接器102形状的多种形状。如图2、3、5和6所示，导向件第一部分114和导向件第二部分116之间的夹角φ优选为大约90度。不过，夹角φ时以是大于0度小于180度的角。例如，在图7中，夹角φ示为钝角以符合连接器102的形状。

上面已经详细地说明了本发明的实施例，我们应该理解，由所附权利要求限定的本发明，不受在上面的描述中所提出的特定细节的限制，因为在不脱离其精神或范围的条件下许多明显的改变都是可能的。

Claims (22)

1.一种用于将电子设备焊接到基板上的导向件，包括：

第一导向件部分，其以及

第二导向件部分，其具有适合于固定到所述基板的第一表面，以及具有与所述第一表面相对的第二表面，

其特征在于，所述第一导向件部分适合于紧靠所述电子设备的一个侧面，并且所述第二导向件部分包括从所述第二导向件部分延伸的用于容纳焊接材料的拱形结构。

2.如权利要求1所述的导向件，其中，所述拱形结构包括所述第二导向件部分的一部分，从那里该部分被部分地分离并被弯曲以形成拱。

3.如权利要求1所述的导向件，其中，所述拱形结构包括由所述第二导向件部分的一部分形成的基本上凹的容纳部分。

4.如权利要求1所述的导向件，其中，所述第一导向件部分的一部分适合于延伸到所述电子设备的里面。

5.如权利要求1所述的导向件，其中，所述第一导向件部分以及所述第二导向件部分的方向基本上相互垂直。

6.如权利要求4所述的导向件，其中，所述导向件由导电材料制成。

7.一种电子组件，包括：

紧靠着基板的电子设备；

导向件，其具有第一导向件部分，并具有与所述基板邻接的第二导向件部分；以及

所述第二导向件部分具有通过焊接材料被固定到所述基板上的第一表面，并具有与所述第一表面相对的第二表面，

其特征在于，所述第一导向件部分紧靠所述电子设备的一个侧面，并且所述第二导向件部分还包括从所述第二导向件部分延伸、限定了一个空腔的拱形结构，其中，所述焊接材料的至少一部分位于所述空腔中。

8.如权利要求7所述的电子组件，其中，所述拱形结构包括所述第二导向件部分的一部分，从那里该部分被部分分离并被弯曲以形成拱。

9.如权利要求7所述的电子组件，其中，所述拱形结构包括由所述第二导向件部分的一部分形成的基本上凹的容纳部分。

10.如权利要求7所述的电子组件，其中，所述第一导向件部分的一部分适合于延伸到所述电子设备的里面。

11.如权利要求7所述的电子组件，其中，所述第一导向件部分和所述的第二导向件部分的方向基本上相互垂直。

12.如权利要求7所述的电子组件，其中，所述导向件由导电材料制成。

13.如权利要求12所述的电子组件，其中，所述导向件适合于在所述电子设备与所述基板之间传导电信号。

14.一种形成用于将电子设备焊接到基板上的增加接头厚度的导向件的方法，包括：

提供具有第一部分和第二部分的导向件，所述第二部分具有第一表面和相对的第二表面，

其特征在于，

所述第一部分被提供为适合于紧靠所述电子设备的一个侧面，并且所述方法还包括形成从所述导向件第二表面延伸的用于容纳焊接材料的拱形结构。

15.如权利要求14所述的方法，其中，形成所述拱形结构包括：切割两个基本上平行的、穿过所述导向件第二部分的槽；并且弯曲在所述槽之间的导向件第二部分的一部分以形成拱。

16.如权利要求14所述的方法，其中，形成所述拱形结构包括由所述导向件第二部分的一部分形成基本上凹的容纳部分。

17.如权利要求14所述的方法，还包括将所述导向件第一部分定向为基本上垂直于所述导向件第二部分。

18.一种形成电子设备组件的方法，包括：

提供至少一个具有第一部分和第二部分的导向件，所述第二部分具有第一表面和相对的第二表面；

其特征在于，所述方法还包括：

形成从所述至少一个导向件第二部分延伸的、限定了一个空腔的拱形结构；

将所述至少一个导向件第一部分固定到电子设备的一个侧面；

将所述至少一个导向件第二部分通过焊接材料固定到基板上，其中，所述焊接材料的至少一部分位于所述拱形结构空腔中。

19.如权利要求18所述的方法，其中，形成所述拱形结构包括：

切割两个基本上平行的、穿过所述导向件第二部分的槽；以及

弯曲在所述槽之间的导向件第二部分的一部分以形成拱。

20.如权利要求18所述的方法，其中，形成所述拱形结构包括由所述导向件第二部分的一部分形成基本上凹的容纳部分。

21.如权利要求18所述的方法，还包括将所述导向件第一部分定向为基本上垂直于所述导向件第二部分。

22.如权利要求18所述的方法，其中，将所述至少一个导向件第二部分通过焊接材料固定到基板上包括将所述至少一个导向件第二部分固定到所述基板的平面接触件。

Images