JP2007329136A - 低背コネクタ - Google Patents

Abstract

【課題】高密度コネクタに関し、特に、積層した回路基板間の間隔を縮小するための低背コネクタ、更に、ボールグリッドアレイ取付技術を用いたコネクタを提供する。
【解決手段】噛合い部と保持部を備えたプラク端子２８をコネクタボデイに取り付けたプラグコネクタ２０と、ベース部７６と一対の片持ち梁状ばねコンタクトアームを備えたレセプタクル端子７２をボデイ５４に取り付けたレセプタクルコネクタ５２を有し、前記噛合い部と前記一対の片持ち梁状ばねコンタクトアームを接触させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、電気コネクタに関し、特に、嵌合時の高さの低い高密度Ｉ／Ｏコネクタに関する。

関連出願の相互参照本願は、１９９６年１２月３１日付け「耐ストレスコネクタおよびそのハウジングのストレスを減少する方法」と題する米国特許出願第08/778,806号、および、１９９６年１０月１０日付け「高密度コネクタ」と題する米国特許出願第08/728,194号の一部継続出願である。本願は、１９９６年１０月１０日付け「低背アレイコネクタ」と題する米国特許仮出願第60/027,611号に基づく優先権を主張するものである。更に、本願は、それぞれ１９９６年１２月３１日付け出願に係わる「高密度コネクタ」と題する米国特許出願第08/777,579号、「高密度コネクタの製造方法」と題する第08/778,380号、「電気コネクタに使用するためのコンタクト」と題する米国特許出願第08/778,398号にも関連する。これらの出願の開示内容は、参照することにより、本願の一部をなす。

従来の技術

特にパーソナルかつポータブル型電子装置のサイズの減少化、および、このような装置に対する機能の追加により、あらゆる構成部材、特に電気コネクタの小型化が進んでいる。コネクタの小型化に対する改善事項には、単一列あるいは複数列のリニアコネクタ内の端子間ピッチを減少し、多数のＩ／Ｏあるいは他のラインを、コネクタを受入れるために割当てられた密な区画領域内に取付けられるコネクタにより、連結可能とすることが含まれている。小型化に対する傾向は、回路基板上に構成部材を実装するための表面実装技術（ＳＭＴ）を優先する方向に移行している。表面実装技術の使用の増大と、リニアコネクタのピッチを狭くすることの要請とが一緒になった結果、高容量および低コストとするための表面実装技術の限度に近づいている。端子のピッチを減少することは、半田ペーストをリフローする際に、隣接する半田パッドあるいは端子間をブリッジングする危険が増大する。

Ｉ／Ｏ密度の増大に対する要請を満たすため、アレイコネクタが提案されている。このようなコネクタは、絶縁基板上に装着された二次元配列を有し、密度を高めることができる。しかし、これらのコネクタは、表面実装技術により回路基板に対する取付けに関して不都合な点を有しており、その理由は、全部ではないとしても、ほとんどの端子の表面実装用テール部がコネクタボディの下側に配置されるためである。この結果、半田接続部を視覚検査し、欠陥を発見したときに修理することは困難なため、使用する実装技術は、信頼性の高いものでなければならない。

プラスチックあるいはセラミック基板上に集積回路（ＩＣ）を実装する場合、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）あるいは他の同様なパッケージを用いることが一般的になってきている。ＢＧＡパッケージでは、一般的にはスクリーンあるいはマスクを使用して半田ペーストの層を取付けられた回路基板の電気コンタクトパッド上に、球状の半田ボールが配置される。そして、このユニットは、半田ペーストと、全ての半田ボールの少なくとも一部とが融解する温度まで加熱され、回路基板上に形成されかつ下側に配置された導電性パッドに融着される。これにより、ＩＣの外部リードを必要とすることなく、ＩＣを基板に結合することができる。

ＢＧＡおよび同様なシステムを用いてＩＣを基板に結合することは多くの利点を有するが、電気コネクタあるいは同様な部材をプリント配線基板（ＰＷＢ）上に実装するための対応する手段が望まれている。多くの状況では、半田ボールの基板係合面が共平面性を有し、ほぼ平坦な装着面を形成し、最終的にはこれらのはんだボールがリフローし、平坦なプリント回路基板の基板に均等に半田付けされることが重要である。所定の基板上における半田共平面性に大きな差があると、コネクタをプリント回路基板上でリフロー半田付けしたときに、半田付け不良の原因となる可能性がある。半田付けの信頼性を高めるために、ユーザは、通常は０．００４から０．００８インチ（あるいは０．１０１６ｍｍから０．２０３２ｍｍ）のオーダーである極めて厳格な共平面性を要求する。半田ボールの共平面性は、半田ボールのサイズおよびコネクタ上におけるその配置で影響される。半田ボールの最終サイズは、半田ペーストおよび半田ボールの双方で最初に利用可能な半田の全量にしたがう。半田部材内に収容されるコネクタコンタクトの容積が種々であることから、半田部材のサイズの変動し、したがって装着面に沿うコネクタ上の半田ボールの共平面性に大きく影響するため、この点が、半田ボールをコネクタのコンタクトに取付ける際、特に問題を生じる。

コネクタを基板に半田付けする際に生じる他の問題は、コネクタが、例えば多数の凹部を有する等の比較的複雑な形状の絶縁ハウジングを有する場合があることである。このような熱可塑性ハウジング内の残留応力は、モールド成形工程、コンタクト挿入によるストレスすなわち応力の蓄積、あるいはこれらの組合わせで生じる。これらのハウジングは、半田ボールをリフローさせるために必要な温度等の表面実装工程に必要な温度に加熱した際あるいはその初期に曲りあるいはねじれが生じる。このようなハウジングの曲りあるいはねじれは、コネクタアセンブリとプリント配線基板との間の寸法的な不整合を生じさせ、半田ボール等の表面実装部材が、半田付け前に、半田ペーストと十分接触しあるいはプリント配線基板に十分近接することができないため、半田付けが信頼性のないものとなる。上述の特許出願は、これらの設計上の問題を解決するために向けられている。

コネクタサイズの減少への動きは、平面的な大きさ（footprint dimensions）だけでなく、嵌合時のコネクタの高さにも関係している。電気装置のサイズが縮小されているため、回路基板をより密に積層することが必要となっている。本発明は、高密度コネクタに関し、特に、積層した回路基板間の間隔を縮小するための低背コネクタ、更に、ボールグリッドアレイ取付技術を用いたコネクタに関する。

本発明の電気コネクタは、高入出力密度と、低減した積層高さとを提供する。嵌合したコネクタの高さは、相手方コネクタに設けられた端子の先端部分を収容するために一方のコネクタボディの噛合いインターフェースに凹設領域を設けることにより、低減される。噛合いコネクタ高さは、更に、コネクタボディにリリーフ領域を設け、コンタクト端子のコンタクトアームの下側部分の撓みを可能とすることで低減することができる。

コンタクトの全長は、片持ち梁状のレセプタクルコンタクトアームを、比較的短い保持用ベースを有するプラグコンタクトに向け、端子の湾曲部（bight）を越えて延設することにより、減少される。プラグおよびレセプタクルの双方のコンタクト端子は、コンタクト端子を中央で係合する保持機構を有する通路内に収容され、これにより、ビーム長を最大にし、許容可能な動作特性を達成する。コンタクト端子の保持機構は、１あるいは複数のコンタクトアームの長さに沿う中間位置に配置することができる。

コンタクト端子の保持部に断熱部（thermal breaks）を配置することができる。この断熱部は、溶融材料からなるボディが端子に形成される実装面から、端子に沿う半田ウィッキングを制御する。コンタクト端子は、端子の保持部あるいは端子の保持部に形成された開口に係合する端子保持通路内の１又は複数の突起により、コネクタ部で内に保持することができる。この端子装着配置は、コネクタボディ内における応力の蓄積を最小とし、これにより、モールド成形されたコネクタボディの湾曲あるいは曲がる傾向を減少する。本発明の方法およびコネクタについて、添付図面を参照して更に説明する。

発明の実施の形態

図１は、プラグコネクタ２０を示し、このプラグコネクタはほぼ平坦なベース部材２２と周部の周壁２４とを有するコネクタボディあるいはハウジングを備える。各端壁上では、極性／整合用タブ２６が周壁から直立し、プラグコネクタ２０を後述する相手方のレセプタクルコネクタ５２と適正に確実に嵌合させる。コネクタボディは、絶縁性ポリマーをモールド成形することにより、一体部材として形成するのが好ましい。このポリマーは、例えば液晶ポリマー等の表面実装技術（ＳＭＴ）におけるリフロー温度に耐えることができるものであることが好ましい。プラグコネクタ２０は、コネクタボディ上で、例えば二次元マトリックス等の所要のパターンに保持されたプラグコンタクト端子の配列を有する。図を簡略にするために、端子ポジションの一部のみを示してある。

図３を参照すると、各プラグ端子２８は、後述するレセプタクルコンタクト端子７２と噛合う噛合い部３０を有するほぼ平坦なコンタクト端子を備える。更に、プラグ端子２８は、後述する態様でコネクタボディ２２内に保持される保持部３２を備える。この保持部３２は、一対の対向した肩部３４を有し、この肩部に対して挿入用ツールが作用し、コネクタボディ２２に形成された端子通路３８内に端子２８が挿入される。ばりあるいは返し部を肩部３４に形成し、通路３８内に端子を保持する作用を補助させることができる。半田タブ３６が、通路３８の底部に形成されたスロット状開口５３を通して保持部３２から延び、半田ボール３５等の溶融可能な基板コンタクト部材あるいはボディを融着することができる。半田タブのリード縁部は、面取りあるいは斜面３７により、端子の一側あるいは両側でその先端部に向けて傾斜するのが好ましい。半田ボール３５は、プラグ端子２８およびレセプタクル端子７２（後述する）上に、特許出願第08/778,806号および第08/728.194号に記載の技術で融着される。

図３に示すように、コンタクト端子２８は、コネクタボディ２２内に形成された端子通路３８内に保持される。通路３８は、噛合いインターフェースあるいは噛合い面から装着面４２に向けて延びる。小孔あるいはポケット５０等の凹部が、装着面４２に、各通路３８と整合しかつ各通路とスロット開口５３を介して連絡する。噛合いコンタクト部３０は、噛合いインターフェース４０から延び、半田タブ３６はポケット５０内に延びる。端子２８は、通路３８の中央面ＭＰ（図２）にほぼ整合して配置される。

端子コンタクト２８は、端子の挿入の際に、モールド成形されたプラスチックボディ内に応力が形成されるのを防止する態様で、このボディ２２内に固定される。この目的は、好ましい実施形態では、対向突起４８を用いることにより、達成されている。各突起４８の頂部に導入面４９が形成される。突起４８の先端部間の距離は、金属端子２８の厚さよりも短く、これにより、締り嵌めが形成される。したがって、各突起４８の先端部は、端子２８が通路３８及びスロット５３内に挿入されるときに、コンタクト端子により係合されかつ変形される。突起４８の先端部は、中央面ＭＰから等距離に離隔し、端子の挿入の際の各突起の変形量がほぼ等しくなることが好ましい。この結果、端子保持部３２に対する垂直力がほぼバランスされ、これにより、中央面ＭＰに沿って整合させる作用を支援する。コンタクト端子は、変形した突起でコンタクト端子上に作用される垂直力により、通路３８及びスロット５３内に強固に保持される。導入面４９及び傾斜した先端部３７は、挿入の際に突起４８のスカイビングの可能性を低減し、これにより、突起４８からの材料の除去を最小とする。各突起の先端部は、変形し、保持力を形成するが、しかし、これは局部的なものであり、したがってハウジング内における応力の蓄積は防止される。一対の対向したほぼ同じ突起４８を中央面ＭＰから等距離に設けることにより、中央面ＭＰに沿うコンタクト端子２８を密な公差で位置決めするのを支援する。

図３に示しかつ上述の特許出願に記載の端子保持構造の利点の１つは、半田ボール３５を端子２８に取付けるためのリフローの後、端子は「間隙ゼロ」状態に近い状態にロックされる状況から生じると考えられる。これは以下の状態から生じる。端子２８は、底部肩部３３が通路底面３９に係合するまで、端子を挿入することにより、通路３８内で「底つけ（bottomed）」される。これは、端子２８を、図３で見て垂直方向下方位置に配置する。半田材料３５を、例えば特許出願第08/728,194号及び第08/778,806号に記載の技術により、タブ３６に取付けるためのリフローの後、ポケット５０内に配置された半田ボール及び／又は半田ペーストはポケット５０を充しかつこの形状に従う。この結果、半田材料３５は、端子２８が通路３８から上方（図３で見た状態で）に移動するのを防止する作用をなす。

端子２８は、通路３８の側壁４１に対して、保持部３２の側縁部４３を係合することにより、横方向に配置される。側壁４１および側縁部４３は、図示のように、端子２８を正確に位置決めするために、整合テーパを有するのが好ましい。図２を参照すると、端子２８は、対向した突起４８により、通路３８内で中央に位置決め（図２の左右方向で）されて保持されている。これは、インサート成形した場合の誤差（tolerance）に近似する誤差状態に、端子２８をハウジング２２内に配置する。金属端子がプラスチックハウジング内に挿入されたときに通常生じる間隙を最小化することにより、全体の達成可能な誤差レベルが改善される。すなわち、位置誤差が減少し、部材内で考慮すべき基本的な誤差として嵌合誤差（嵌合するコネクタ間の誤差）が残る。端子ピッチは、端子がキャリアストリップ上に装着されているものと同様に、挿入中に保持される。端子の打抜き中（blanking）に達成される緊密なピッチ誤差は、端子挿入後も、上述の端子保持システムを採用することにより、維持される。

図２及び図３に示す突起４８の断面形状が好ましいが、突起あるいはリブの形状がある程度異なるものであっても用いることが可能である。この保持システムの機構の説明は、特許出願第08/728,194号及び第08/778,806号に記載されている。端子２８による突起４８の変形は、半田ボール３５のリフロー前に、ハウジングに端子位置を保持するために十分な摩擦力を形成する。

各通路３８の近部には、１又は複数のチップ収容凹部４４，４６が配置されており、相手方レセプタクルコンタクト端子７２の先端部を受入れることができる。図示のように、凹部４４，４６の一側は、通路３８と連続して形成されている。図２および図３に示す実施形態では、凹部は中央面ＭＰの両側にある。これらの凹部は更に互いに側方にオフセットしており、すなわち、中央面ＭＰに対して垂直なセンター面Ｃの両側がある。図４および図５は、凹部４４，４６内に収容されたレセプタクルコンタクト端子７２のコンタクトアームの先端部を示す。

図４及び図５を参照すると、プラグコネクタ２０と噛合うレセプタクルコネクタ５２が図示されている。レセプタクルコネクタ５２は、プラグコネクタ２０と同じ絶縁性モールド成形ポリマーで形成するのが好ましいボディ５４を備える。ボディ５４の周部に周壁５６が設けられ、この周壁はプラグコネクタの極性／位置決めタブ２０を収容するための切欠き領域（図示しない）を備える。ベースあるいはボディ部材５４は、レセプタクル端子７２を収容するためのレセプタクル通路６２を備える。図６，図７および図８に示す形式のレセプタクル端子を用いる場合は、成形されたコンタクトアーム７８ａ，７８ｂ（図４および図５）におけるプラグ端子２８の受け部を収容するための対向したリリーフ領域６４を有するのが好ましい。このリリーフ領域６４は、突起６８に延びかつこの突起６８の頂部を含む導入面６５を形成されるのが好ましい。通路６２は更に側壁６６を備える。対向した端子保持突起６８が側壁６６からレセプタクル端子７２のベース部７６（図６および図７）に向けて延びる。突起６８は、プラグコネクタ２０の突起４８に関する上述の説明と同様な態様で、レセプタクル端子７２を挿入したときに変形する。先端部８８の面取り部８７および導入面６５は、図３との関係で先に説明したように、突起６８の先端部を除去するよりは、変形を支援する。

各レセプタクル通路６２はボディ５４の噛合いインターフェース５８から、装着インターフェースあるいは面６０に形成された小孔あるいはポケット７０に向けて延びる。図４に示すように、ポケット７０は、端子７２に融着され、ポケット７０をほぼ満たしかつこのポケット７０の形状に対応した半田ボール７４などの基板コンタクト部材を受入れることができる。したがって、レセプタクル端子は、プラグ端子２８とほぼ同様な態様で保持されかつ配置されている。

図５に示すように、プラグおよびコネクタボディ２２，５４の形状、および、プラグコンタクト端子２８とレセプタクルコンタクト端子７２の形状は、噛合った状態のコネクタの高さを最小とすることができる。これは、半田ボール３５ａ，７４ａの第２回リフローの後、積層された回路基板Ｓ間の積層高さＴを最小にすることができる。

図６から図８を参照すると、レセプタクル端子７２の好ましい形態が更に詳細に記載されている。各レセプタクルコンタクト端子は、ベース部７６と、一対の片持ち梁状ばねコンタクトアーム７８ａ，７８ｂとを備える。図７に示すように、ベース部７６は、ほぼ平坦であり、コンタクトの長手方向に延びる中央面Ｐを形成すると見ることができる。図７に示すように、コンタクトアーム７８ａ，７８ｂのそれぞれは、コンタクトアームの中央領域で、面Ｐから反対側に別れ、この間に湾曲部（bight）７９を形成し、この湾曲部は２つのコンタクトアーム間に配置された間隙の底部８６から離隔している。

この後、コンタクトアーム７８ａ，７８ｂの先端部は、面Ｐに向けて収束し、プラグ端子に係合するコンタクト部８０を形成する。導入部８２がコンタクトアーム７８ａ，７８ｂの端部に形成され、プラグコンタクト２８との噛合いを支援する。鋭い肩部８４が、コンタクトアーム７８ａ，７８ｂのそれぞれの端部の中間に形成される。この鋭い肩部は、返し部（barb）として作用し、端子を通路６２内に保持する作用を支援する。これらの肩部は、プラグコンタクト２８の肩部３４と同様に、金属コンタクトを各プラスチックボディ内に挿入するためのツールに係合する。鋭い角部は、端子をそれぞれの通路内に保持するのを支援する。

側方にオフセットしたコンタクトアーム７８ａ，７８ｂを使用することで、種々の利点が得られ、このような利点には、２つのコンタクトアーム７８ａ，７８ｂ間にプラグコンタクト２８を挿入することにより、図７に示す疑似位置に撓んだときでも、端子の前後の寸法を最小にすることができることが含まれる。更に、図４および図５に示すような端子保持突起６８を使用することで、コンタクトアーム７８ａ，７８ｂの長さを最小にすることができ、これにより、好適なコンタクトの垂直力の形成と十分なコンタクトのワイピング作用とをなすための、好適な撓み量を形成することができる。

図６に示すように、半田タブ８８は、ベース部７６から突出する。好ましい形態では、半田タブ８８は、半田ボールを融着することができる。プラグ端子に関して説明したように、端子７２の先縁部は、面取り面８７等の好適な導入構造を設けられている。ベース部には、ポケット７０から端子への半田ウィッキングを最小とするために、断熱構造部を設けることができる。図６に示すように、断熱構造部は、一対の開口８９を備える。この断熱構造は、ベース部７６の不動態化面（passivated surface）を形成し、あるいは、当該分野で知られている有機フルオロポリマー（organo-fluoro polymers）等の半田ウィッキング防止コーティングを塗布してもよい。不動態化及び／又はウィッキング防止コーティングを用いあるいは用いない断熱構造により、ポケット７０内の半田ペーストがリフローし、半田ボール７４を半田タブ８８上に固着したときに、コンタクトに沿って半田が流れるのが抑制される。更に、プラグ端子２８は、断熱、不動態化、コーティングあるいはこれらを組合わせて、このような半田ウィッキング防止添加剤を含有してもよい。図９および図１０を参照すると、コネクタハウジング内のレセプタクルコンタクト端子９０等の端子を保持するための他の構造が記載されている。この実施形態では、通路９１が端子９０を収容するために形成されている。各通路９１内では、１又は複数の突起９４が形成され、通路の側壁から延びる。各端子は、突起９４の一方あるいは双方の少なくとも一部を収容するサイズおよび形状に形成された開口９６を有する。理想的には、開口９６の形状は、突起９４の形状に対応し、したがって、端子は突起により側方および長手方向の動き、更に前後方向の動きも規制される。突起９４の先端部は、端子９０が形成される材料の厚さよりも少ない距離に離隔され、中央面ＭＰから等距離に配置されるのが好ましい。

端子９０を通路９１内に挿入すると、突起９４は端子先端部あるいは半田タブ９８により、僅かに変形あるいは展開される。傾斜あるいは面取り面９５は、半田タブ９８が突起９４の先端部を削り取るのを防止する。端子が完全挿入位置に配置されると、突起９４は開口９６と整合し、その先端部が開口９６内に入る。この結果、コネクタボディに形成される応力は、突起９４の先端領域に限られる。突起９４が開口９６内に挿入されたときに応力が解放されるため、コネクタボディを反らせあるいは湾曲させる可能性のある応力の蓄積が防止される。保持部９２の長手方向断面は、中央長手方向面を中心としてほぼ対称的であり、したがって、ベース９２が通路９１内に挿入されたときに、コンタクト端子に自動心だし作用が作用する。開口９６は、図６の実施形態における開口８９と同様な態様で、半田ウィッキングを抑制する断熱部として作用する。端子９０は、更に、不動態化あるいはウィッキング防止コーティングを有し、半田がコンタクト部の方向に流れるのを防止してもよい。

本発明について種々の図に示す好ましい実施形態との関係で説明してきたが、他の同様な実施形態を使用し、本発明から逸脱することなく本発明と同じ機能をなすために上述の実施形態を変更しあるいは追加することも可能なことは明らかである。更に、上述の配置は、コネクタ以外にも、絶縁材料で形成されたハウジングを有し、このハウジングがプリント配線基板あるいは他の電気基板上に融着される部材を支える素子にも使用することができる。したがって、本発明は、いずれかの単一の実施形態に限定されるものではなく、添付の請求の範囲に示す幅および範囲で制限されるものである。

本発明の実施形態によるプラグコネクタの平面図。 図１に示すプラグの領域Ａの拡大図。 図２の３−３線に沿う断面図。 レセプタクルと噛合った図１から図３に示すプラグ部材の一部を欠截した断面図。 図４に示すレセプタクルおよびプラグを、図４に示す方向に対して垂直に配置しかつ積層された回路基板間に装着された状態で示す一部を欠截した断面図。 図４および図５に示すレセプタクルコンタクト端子の立面図。 図６に示すレセプタクルコンタクト端子の側面図。 図６および図７に示すレセプタクルコンタクト端子の平面図。 レセプタクルコンタクト端子の第２の実施形態の立面図。 通路内に保持されたコンタクト端子の保持部の図９に示すＣ−Ｃ線に沿う一部の断面図。

符号の説明

２０……プラグコネクタ
２２……コネクタボディ
２８……プラグ端子
３０……噛合い部
３２……保持部
３５……半田ボール
３６……半田タブ
３８……端子通路
４０……噛合いインターフェース
５０……ポケット
５２……レセプタクルコネクタ
５３……スロット状開口
７２……レセプタクル端子

Claims (4)

1. 電気コネクタであって：
   噛合いインターフェースと装着面とを有するコネクタボディを備え；
   前記ボディに挿入可能であって、噛合い部と保持部とを有するコンタクト端子を備え；このコンタクト端子を収容するための前記ボディ内の通路とを備え、この通路は前記噛合いインターフェースから前記装着面に向かって延び、前記コンタクト端子の前記保持部を収容するための保持区画を有し；
   少なくとも前記コンタクトの挿入に先立って前記通路内に延びた傾斜した保持突起を備え；
   前記突起の少なくとも一部分を収容するために、前記コンタクト端子に形成された突起収容構造部を備えた；
   電気コネクタ。
2. 前記突起は前記通路の長手方向軸線とほぼ平行な方向に細長く形成されている請求項１に記載の電気コネクタ。
3. 前記突起収容構造部は、前記コンタクト端子の前記保持部を通って延びた開口を備えた請求項１に記載の電気コネクタ。
4. 前記突起は、互いにほぼ対向しかつ離隔している請求項３に記載の電気コネクタ。

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