CN1644000A - 用于电连接两个电路板的互连接插头/插座元件和在电路板中安装所述元件的方法 - Google Patents

用于电连接两个电路板的互连接插头/插座元件和在电路板中安装所述元件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供在两个电路板之间的机械的/电的互连接的方法及其所需要的互连接元件，该互连接元件包括插头和插座，每个具有尾部、台肩部和头部。该插头尾部的尺寸做成能够安装在第一板的电镀通孔中，而头部的直径尺寸做成使自动化设备能够持取该头部并且当插入其中时位于该电镀通孔的顶部，而台肩部的尺寸与电镀通孔有关，以便能够放置在该电镀通孔内并使预定量的焊料能够在头部下面流动并向下流进该电镀通孔中，但不流到该尾部，从而有助于该插头在该通孔中对中。当加热到预定的焊剂回流温度，使得围绕该插头头部和该插座台肩部周边的焊料环在该插头头部和该插座台肩部的下面流动，从而在该插头和第一板之间以及在该插座和第二板之间形成焊接的电连接。通过将插头与插座对准并将该插头的尾部插入该插座的插孔中，在第一板和第二板之间可分开的可靠的机械的和电的互连接。

Description

用于电连接两个电路板的互连接插头/插座元件 和在电路板中安装所述元件的方法
相关申请的申明
本申请要求2002年3月20日提交的美国专利临时申请序列号第60/365824号、名称为“Pin/Socket Components Designed For Mounting ToA Surface Mount Circuit Board and Method For MountingSaidComponents”的优先权。
技术领域
本发明涉及将组件(module)安装并电连接于表面安装技术电路板的方法以及该方法所需要的插头和插座互连接元件。
背景技术
插头和插座互连接技术存在于现今的行业中。插头和插座连接于表面安装技术电路板，以形成高能力生产环境的的普遍方法是将插头和插座压入配合在其各自的电路板中，然后回流(reflow)预先设置在该电路板上的互连接元件周围的钎焊焊剂。但是，这需要购置最重要的专用的价值昂贵的通孔插入设备并将其安放在表面安装回流制造线上。这种设备在每条表面安装回流线价值高达200,000美元。需要开动多条回流制造线以处理通常的各种产品线。
此外，除了在工厂里引进这种压入配合插头和插座方法(approach)需要承担相当大的基建投资之外，这种技术的用途也非常有限。电路板绝缘材料的类型及其厚度在确定是否应用压入配合技术起着重要的作用。放大器设计利用通常由PTFE材料制造的微波板材料。这种材料是以特富隆(Teflon)为基础的并且性质上较软。这种柔软性使互连接元件的压入配合困难。而且，在这种材料上的电镀通孔的精度比刚性材料的差，常导致互连元件与电路板之间不可靠的连接。最后，通常需要薄的电路板绝缘材料以提供优化的宽度传输线。这两种限制使压入配合技术变得在许多应用中是不可接受的，例如，在用于无线电基站的放大器组件和功率放大器母板之间要求高可靠性的RF连接的应用中。
因此，本发明涉及研发一种在印刷电路板中安装互连接插头和插座元件的方法，该方法提供利用标准表面安装回流制造线的能力，从而提供相当大的安装灵活性。
本发明的另一个目的是提供插头插座互连接元件，其容易构造在任何电路板中并且无缝地结合在标准表面安装回流制造线中。这些通孔互连接元件应当被构造成并封装成使得它们能够利用标准表面安装拾取和放置装置组装于电路板上，该拾取和放置装置包括利用其中的标准真空管嘴。最后，这些元件应当能够正常制造并组装调整以应用于该方法的所有方面。
发明内容
本发明通过提供包括插头和插座的互连接元件解决这些和其他问题，每个元件的头部直径足够大，使得标准的真空管嘴能够持取它。插头的尾部有两个直径——尾部的较小直径和紧靠头部下面的台肩部的稍大直径。邻接头部的尾部上部或“台肩部”其尺寸做成有助于将该插头对中在电路板表面的电镀通孔中。同样，插座在头部下面具有两个直径：最下面的较小“尾部”直径，和这里称作“台肩部”的较大直径。
预先设置在电路板上的钎焊焊剂，当插头和插座插入在每个相应的电路板上时设置在插头头部周边周围和插座台肩周边周围。当电路板升高到焊料回流温度时，焊料在插头头部下面和插座台肩部下面流动，并且向下到电镀通孔中以提供机械的和电的连接。这种回流过程也起将插头/插座对中在电镀通孔内的作用，这有助于减少插头和插座对准中的容许偏差。电镀通孔的直径、插头头部和插头台肩部的直径、钎焊焊剂的精确量一起使得所有的焊料驻留在电镀通孔内并且围绕该插头的头部。
在本发明的一个说明性的实施例中，用于在表面安装印刷电路板和表面安装母板之间提供电连接的插头/表面安装印刷电路板组件，包括具有至少一个具有一定直径的通孔的表面安装电路板和包括尾部、台肩部和头部的插头，该尾部和台肩部的直径小于该至少一个通孔的直径，而头部的直径大于该通孔的直径。台肩部的直径是这样的，其与通孔直径有关，使得能够放置在该通孔内并使焊料能够在头部下面流动并向下流进该通孔中，但不向下流到尾部，从而在该插头和通孔之间形成焊缝，并有助于该插头在该通孔中对中。通过将插头的尾部插入相应的表面安装母板的插座中，在表面安装印刷电路板和表面安装母板之间提供电连接。
在另一个实施例中，焊料提供在支撑在表面安装印刷电路板上的焊料掩膜屏障(dam)中。并且在又一个实施例中，预先形成焊剂支撑在表面安装印刷电路板上。
在本发明的另一个说明性的实施例中，提供一种方法，用于将互连接元件安装在印刷电路板的电镀通孔中，该元件具有头部、台肩部和尾部，台肩部和尾部每个的直径都小于该电镀通孔的直径，而头部的直径大于该电镀通孔的直径。互连接元件的头部被持取，互连接元件的尾部定位于电镀通孔的上方并插入该通孔中，并且电路板被加热到预定的焊剂回流温度，使得互连接元件头部下面的通孔周边周围的焊料流动并向下流进该通孔中，以便在该插头和电镀通孔之间形成焊接接头。台肩部的直径和长度、头部的直径、通孔的直径和钎焊焊剂的预定量设置成防止焊料流到尾部。
在本发明的又一个实施例中可分开的机械的和电的互连接设置在第一板和第二板之间。该互连接包括插头、头部和台肩部，插头尾部的尺寸做成使其能够安装在第一板的电镀通孔中，而头部的直径大于该通孔的直径并且当插入其中时位于该电镀通孔的顶部，而台肩部的尺寸与电镀通孔有关，条件是能够放置在该电镀通孔内并使焊料能够在头部下面流动并向下流进该电镀通孔中，但不流到尾部，从而有助于插头在该通孔中对中。该互连接还包括具有插孔(cavity)、尾部和台肩部的插座，其尾部尺寸做成能够安装在第二板的电镀通孔内，台肩部的尺寸与电镀通孔有关，条件是能够放置在该电镀通孔顶部并使焊料能够在台肩部下面流动并向下流进该电镀通孔中，从而有助于插座在通孔中对中。加热时插头头部和插座台肩部周边周围的焊料环在插头头部和插座台肩部下面流动，从而在插头和第一板之间以及在插座和第二板之间分别形成焊接的电连接。插头和插座通过对准并将插头的尾部插入插座的插孔中而结合，从而在第一板和第二板之间形成可分开的机械和电连接。
所提出的互连接元件和方法通过这种安装工艺提供了快速、可靠地互连接薄RF电路板的能力，该安装工艺提供结构的整体性，允许模块设计在放大器中，使组装和修理容易，并且在每个配合对中提供必要的浮动性(float)，使得一组互连接元件能够经受在标准制造工艺中所见到的正常变化。
附图说明
本发明的前述和其他目的和优点通过结合附图参考下面的详细说明将变得明白，其中：
图1是根据本发明优选实施例的插头的侧视图；
图2和图3分别是图1的插头插入电路板的电镀通孔中的俯视图和仰视图；
图4是根据本发明优选实施例的插座的侧视图；
图5和图6分别是图4的插座插入电路板的电镀通孔中的俯视图和仰视图；
图7和图8分别是图1的插头和图4的插座的俯视/侧视图和侧视/仰视图，每个支撑在相应的印刷电路板上，并且插头安装在插座内。
具体实施方式
值得注意的是，这里参考“一个实施例”或“实施例”是指关于该实施例所描述的特定的特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书的不同地方出现的短语“在一个实施例中”不一定都参考同一个实施例。
图1示出根据本发明构造的将与表面安装插座(在下面详细描述)互连接的表面安装插头的优选实施例。虽然该插头可以手工插入延伸通过电路板的电镀通孔中，但本领域的技术人员将会明白，也能够用标准的自动拾取和放置设备自动的安装在电路板上，其可以利用用户友好的传动带和卷筒插件进一步提高自动组装过程的效率。
如图1所示，表面安装插头10的末端是钉子形的，其能够增强末端进入电路板的电镀通孔的能力，但是如果希望的话，根据这里的公开，插头的末端自然也可以具有便于插入的任何其他形状，例如，半球形。所示插头10的头部具有说明性的头部直径0.052英寸(当然，这里提供的插头的头部直径、台肩部直径以及其他任何特定的尺寸仅仅是为了说明的目的，总之，并不意味着限制本发明的范围)。头部的宽度足够宽以便自动组装工艺用的标准真空管嘴能够持取它。真空管嘴吸住插头使其尾部向下指向该插头将安装在其上的电路板。插头尾部的直径为0.018英寸并具有引入倒角。
如图2和图3所示，插头10的管嘴的定位使尾部通过电路板30上的0.025英寸的电镀通孔(再一次说明，实际的尺寸仅仅是举例性的)并且头部的下侧支撑在电路板的表面上(如图所示，钎焊焊剂或焊料“预成形”已经预先沉积)。电镀通孔的直径使得插头10的尾部与电路板的通孔之间具有足够的间隙，以具有标准安装机将插头10插入电路板30的通孔中所需要的必需的余裕度(tolerance)。靠近头部的尾部上部或“台肩部”15标明尺寸为0.021英寸，该尺寸有助于该插头10在直径为0.025英寸的电镀通孔中对中。
利用标准模板印刷工艺，预先沉积钎焊焊剂环，使其在插入电路板中以将插头10钎焊于电路板30并与其电接触时，位于插头头部周边的周围(本领域的技术人员将会明白，焊料可以是焊料的“预成形”，或钎焊焊剂不必设沉积成“完整的环”，而是沉积成任何形式，包括环形形式中的多个扇形)。当然，无论是电路板，或者仅仅是单个的插头本身，加热到足以使焊料回流的温度以熔化钎焊焊剂。一旦该电路板30加热到焊料回流温度，焊料将在该插头10的头部下面流动并向下流到电镀通孔中以基本充满该电镀通孔并形成焊接接头35，从而形成机械和电连接。
本领域的技术人员将会明白，用于焊剂回流的插头(pin-in-pastereflow)的本行业标准工艺是在通孔元件插入之前将钎焊焊剂沉积在该电镀通孔的顶部。但是位于通孔顶部的钎焊焊剂自然地导致焊料驻留在该插头上，这对于电连接表面是不能令人满意的。
本申请人研发的广义的组装工艺已经提供了邻近通孔并且非常贴近(但不在其顶部)地沉积钎焊焊剂的成功的工艺使插头的头部与钎焊焊剂接触。同样的钎焊焊剂沉积也用于在顶部形成环绕该通孔的仔细地量度尺寸的钎焊掩膜环(未示出)。焊料沉积物在烘箱回流期间流向该插头和孔并与该插头头部的周边接触，在回流期间均衡毛细管力并且因此确保焊接的插头是直的并容易适当地插入配合的插座中。特别是，回流期间钎焊焊剂的毛细作用将该插头向下拉进该电路板的通孔的钎焊焊盘上(方)的适当位置。回流完成所要求的焊接接缝，导致有效地利将钎焊焊剂的量用于该插头和孔而且同时防止异物污染该插头互连接部分(尾部)。由于焊剂不施加在孔的顶部，优选在烘箱回流工艺中利用以建议的100ppm(或更少)的氧的氮气氛围，以有助于确保焊料一致地流动到该插头孔的全部范围。
在插头10在电镀通孔内对中的作用中，回流工艺有助于减少插头和插座对准中的余裕度。钎焊焊剂的精确的量是预定的，使得所有的焊料驻留在电镀通孔中并环绕插头10的头部/台肩部并且不流到插头的尾部。具体说，形成可靠的焊接接缝并且仍然确保焊料不延伸超过电镀通孔的所需要焊料量，是电镀通孔的直径，插头头部、插头台肩部和插头尾部的直径，以及插座头部、插座台肩部、插座尾部的直径的函数。本领域的技术人员将会明白，插头尾部界面上的焊料使电互连接变得不可靠。
虽然上述讨论的关于插头10的许多细节也适用于根据本发明的表面安装插座的优选实施例，但是插座50的细节示于图4。类似于插头10，插座50构造成其头部直径为0.085英寸，以便通孔插座能够被标准的表面安装拾取和放置真空管嘴拾取(再一次说明，这里提供的插座的头部、尾部或台肩部的直径，以及其他任何具体的尺寸仅仅为了说明的目的，无论如何不意味着对本发明的限制)。插座的内插孔是盲孔，因而使真空管嘴能够保持吸力。
再一次，类似于图2和图3相关的插头，如图5和图6所示，插座50的尾部向下指向电路板70并放入直径为0.040英寸的电镀通孔内。插座50然后支撑在直径为0.060英寸的台肩55上，并且然后附着的回流的焊料类似于插头10，具有所有的同样的特性和益处。
在每个被安装在相应的电路板中之后，插头和插座可以被结合，如图7和图8所示，以便通过将插头与插座对准并将插头10的尾部插入插座50的插孔中形成互连接。
返回到图1，重要的是，插头10的尺寸应当使得当安装在电路板30中时，钎焊焊剂将在插头头部下面流动并沿着插头台肩的侧面向下流进通孔中，但是不流到插头10的尾部。这使焊料与台肩一起有助于使插头10在通孔内回到中心，同时避免由于焊料流到尾部而引起的任何问题。
结合在电路板结构中的插头和插座的具体结构和尺寸，对于互连接RF性能、焊接接缝的机械整体性以及整个互连接系统的可制造性是至关重要的。在这里整个详细说明中提到的示例性的插头和插座的尺寸允许其径向有0.008英寸的不对准。这是得以实现是由于插座的最大内径，以及在插座内提供了柔顺的弹簧件，同时保持可靠的互连接并且使插头的直径最小化以增加其柔顺性。当然，根据任何具体的需要可以提供各种插头和电镀通孔直径，并且被这里的广泛的公开所支持。
具体说，根据本发明优选实施例，互连接插头和插座元件，以及将这些元件安装在电路板中的方法，允许使用自动化的设备将元件安装于各自的电路板中，以通过将适量的焊料加热到必需的焊料回流温度形成可靠的电/机械焊接接缝，并通过将插头的末端安装在插座的插孔中在两个表面安装电路板之间提供可靠的电连接。
虽然在这里具体示出并描述了各种实施例，应当明白，通过上述公开能够对本发明进行修改和变化，并且在权利要求的范围内而不脱离本发明的精神和预定的范围。而且这些例子不应当解释为限制权利要求覆盖的本发明的修改和变化，而仅仅是可能变化的说明。

Claims (17)

1.一种插头/表面安装印刷电路板组件，用于在表面安装印刷电路板和表面安装母板之间提供电连接，该插头/表面安装印刷电路板组件包括：
具有至少一个具有一定直径的通孔的表面安装电路板，和
包括尾部、台肩部和头部的插头，该尾部和台肩部的直径小于该至少一个通孔的直径，而头部的直径大于该通孔的直径，
其中台肩部的直径是这样的，与通孔的直径相关，使得能够放置在该通孔内并使焊料能够在头部下面流动并向下流进该通孔中，但不会向下流到尾部，从而在该插头和通孔之间形成焊接接缝并有助于该插头在该通孔中对中，以及
通过将该插头的尾部插入该表面安装母板的相应的插座中，在该表面安装印刷电路板和该表面安装母板之间还提供电连接。
2.根据权利要求1的插头/表面安装印刷电路板组件，其中该焊料提供在支撑于表面安装印刷电路板上的焊料掩膜屏障上。
3.根据权利要求2的插头/表面安装印刷电路板组件，其中焊料包括支于在表面安装印刷电路板上的预成形焊料。
4.根据权利要求2的插头/表面安装印刷电路板组件，其中焊料包括在以环形形式沉积于焊料掩膜屏障上的钎焊焊剂。
5.根据权利要求2的插头/表面安装印刷电路板组件，其中头部的直径使得自动化设备能够持取该头部。
6.一种将互连接元件安装在印刷电路板的具有一定直径的电镀通孔中的方法，该元件具有头部、台肩部和尾部，台肩部和尾部每个的直径都小于该电镀通孔的直径，而头部的直径大于该电镀通孔的直径，该方法包括如下步骤；
持取该互连接元件的头部；
将该互连接元件的尾部定位于该电镀通孔的上方；
将该互连接元件的尾部插入该通孔中，以及
将电路板被加热到预定的焊剂回流温度；
其中，所述的加热步骤使得围绕在该通孔周边周围的焊料在互连接元件头部下面流动并向下流进该通孔中，以便在该插头和电镀通孔之间形成焊接接缝，以及
该台肩部的直径和长度、该头部的直径、该通孔的直径和钎焊焊剂的预定量设置成防止焊料流到该尾部。
7.根据权利要求6的方法，所述持取步骤、所述定位步骤以及所述插入步骤是手工进行的。
8.根据权利要求6的方法，其中所述持取步骤、所述定位步骤以及所述插入步骤是用自动化设备进行的。
9.根据权利要求6的方法，其中所述加热步骤包括局部加热该焊料。
10.根据权利要求6的方法，其中所述加热步骤包括加热该整个印刷电路板。
11.根据权利要求6的方法，还包括邻近该电镀的通孔并且在围绕该电镀通孔的焊料掩膜环的顶部，沉积具有预定焊料回流温度的钎焊焊剂的步骤。
12.根据权利要求11的方法，其中所述沉积步骤发生在所述持取步骤之前。
13.根据权利要求6的方法，还包括将预成形的焊料沉积在该印刷电路板上，该预成形焊料围绕该电镀通孔。
14.根据权利要求13的方法，其中该预成形焊料具有环形形式。
15.根据权利要求8的方法，其中该自动化设备与互连接元件放置在其内的传动带和卷筒互相作用。
16.在第一板和第二板之间的可分开的机械的和电的互连接装置，所述的互连接装置包括：
具有尾部、台肩部和头部的插头，
所述插头尾部的尺寸做成能够安装在第一板的电镀通孔中，而头部的直径尺寸做成大于该通电镀孔的直径并且当插入其中时位于该电镀通孔的顶部，而台肩部的尺寸做成与该电镀通孔有关，以便能够放置在该电镀通孔内并使焊料能够在头部下面流动并向下流进该电镀通孔中，但不流到该尾部，从而有助于该插头在该通孔中对中；以及
具有尾部、台肩部、头部和形成在其内的插孔的插座，
所述插座的尾部尺寸做成能够安装在第二板的电镀通孔内，台肩部的尺寸做成与该电镀通孔有关，以便能够位于该电镀通孔顶部并使焊料能够在台肩部下面流动并向下流进该电镀通孔中，从而有助于插座在通孔中对中；
其中，在加热时，围绕所述插头头部和所述插座台肩部周边的焊料环在该插头头部和该插座台肩部的下面流动，从而在所述插头和第一板之间以及在所述插座和第二板之间分别形成焊接的电连接，以及
其中，通过将所述插头与所述插座对准并将所述插头的尾部插入所述插座的插孔中，所述插头和所述插座相连接，从而在第一板和第二板之间形成可分开的机械的和电的互连接。
17.根据权利要求16的方法，其中该第一板包括组件而第二板包括母板。
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