JP4521854B2 - 取付部品用表面実装型接点および回路基板アセンブリ - Google Patents

Description

【０００１】
【関連出願の参照文献】
本出願は共に係属中の米国特許出願、シリアルナンバー第０９／１２２，２２５号、クレイグ ケネディ他により１９９８年７月２４日付けで提出、発明の名称「複合半田ボールおよびピン格子配列回路基板の接続システムおよび方法」と、シリアルナンバー第０９／５２０，４２７号、グレゴリィ ケイ．トリジアン他により２０００年３月８日付けで提出、発明の名称「簡易表面実装取付部品に対するチャネルを備えた基板コネクタ」に関するものであり、これら両米国出願における全体的開示は、十分説明する如くの言及により本明細書に組み入れられている。
【０００２】
本発明は、さらに２００１年８月１３日付けで提出された一部継続米国特許出願、シリアルナンバー第０９／９２９，４３４号であり、該米国出願の全体的開示は、十分説明する如くの言及により本明細書に組み入れられている。
【０００３】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面実装技術（ＳＭＴ）を利用する電子部品およびアセンブリに関し、特に印刷回路基板の表面実装に関する。
【０００４】
【従来の技術】
回路基板に対し素子を半田付けする表面実装における困難性は良く知られている。これらの困難性の性質および範囲を決定する幾つかのキー要素は、回路基板の平坦度、素子上のリードの共面度および必要とされる半田の量である。
【０００５】
加熱によって半田のリフローが生じた後に適切な半田接合が形成されるようにするために、半田ペーストを回路基板上に適用したとき、前記ペーストと半田付けされるべき素子上のリード線の間に、物理的接触が要求される。しかしながら、これは回路基板上の平坦度および素子上のリード線に対する共面度に、きつい許容誤差を強いている。現在、リード線は、約４０００分の１インチ以内の共面度になければならない。半田ペーストの厚さは、通常は６０００分の１インチと８０００分の１インチの間の範囲に、極めて正確に制御されている必要がある。通常の回路基板における“平坦度”は、インチ当たり１００００の１インチ程度の変更が可能であるので、表面実装接触は通常短い距離で作り換えられるだけである。
【０００６】
半田ボールは、リード線の共面度について広い許容誤差の範囲により製造されるＳＭＴ（表面実装技術）素子を許容するため、また、平坦度に関して広い許容誤差の回路基板を使用することを許容するため、使用されてきた。素子または回路基板へ適用前において、半田ボールは、一接合当たりに対し一般的に供給し得る半田ペーストより多くの半田を供給する。ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）と称される素子は、半田リフローにおいて要求されるエレクトロメカニカル結合を生じるため、離散的な半田ボールの列および行に使用するものとして開発されてきた。その結果、ＳＭＴ（表面実装技術）は、約１乃至１．５平方インチと同程度の大きさの領域に半田ボールを用いて、成功裡に活用されてきた。従来のＢＧＡ素子２（図１Ａ、１Ｂ）は、行と列の格子パターンに配列された半田ボール４を備えている。他の従来の素子６（図２Ａ、２Ｂおよび２Ｃ）は、ボール付きピン８の格子を備える。付属品として半田ボールを用いた典型的な従来の素子は、単に一方の側に位置した半田ボールを有しているか又はボール付ピンかを有している。そして、既に他の構成要素を持つ素子に対してボール又はボール付ピンを追加することが困難であるので、他の付属品を持たない。半田リフローによってボールがピンに付け加わったとき、半田の流動を制限する方法が存在しなければならない。さもなくば、半田ボールはその形状を大きく変化させ、それによってその誤差変動を調整する能力を減少させるであろう。それゆえ、現在においては、ボール付きピンを備えさせて製造でき得る素子の型式は、極めて制限されている。
【０００７】
電子産業においては、他の構成要素を含む大形製品について面実装の必要性が大きい。例えば電源供給の分野では、例えば２×４インチの大きな領域に一部重なり合う２つの平行な基板については、表面実装することが好ましい。また、２つの平行な基板における基板の一方が、その基板の両面に実装された構成要素を備えるような場合における、２つの平行な基板については、面実装をすることが好ましいであろう。さらに、そのように大形の製品を回路基板にピンとボールによって実装をすることが好ましいであろう。勿論、これが以前には実際的でない場合を除くものとする。
【０００８】
米国特許第６，１８９，２０３号には、電源装置の用途において、面実装技術を用いて２つのボードを相互に連結するために半田ボールを使用することが述べられている。この提案の問題点は、ボール上のコーティングを共通の低い溶融点の半田によって得ているため、同一溶融点の半田が両接合部に使用されていることである。このことは、上側基板および下側基板の双方に対する半田結合が、半田リフロー温度における間中にリフローを起こし、それが問題を生じるかも知れないことを意味している。さらに、基板の平坦度に対する許容誤差は低いままに保たれており、その誤差は、丸いボールをコーティングしている薄い半田の厚みを超えることはできない。
【０００９】
米国特許第６，１３７，１６４号には、面実装技術を用いた下側基板を堅い挿入基板へ相互に連結するために半田ボールを使用することが述べられている。上記後者の基板は追加の構成要素が実装されているかも知れない。この提案は、先に述べた特許に関して述べたと同様の不利をこうむると共に、相互連結システムにとって追加基板が必要であるという加重的不利を伴っている。
【００１０】
親出願、米国特許出願シリアルナンバー第０９／１２２，２２５号（現在、米国特許第６，２７２，７４１号）は、米国特許第６，１３７，１６４号と幾つかの共通点を持つシステムを述べている。ここにおいては、追加のキャリア基板が必要とされるばかりでなく、更にまた、下側基板と接続するキャリア基板上のピン配列を受け止めるために、上記下側基板上にピンコネクタの存在が要求されている。
【００１１】
【発明の要点】
本発明の目的は、下側基板に上側基板を面実装可能とするための比較的簡易な構造である。そして、基板の反りにおける許容範囲が増加する有利性を提供すること、および／または通電能力を改善することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、面実装型接点は取付部品を回路基板へ提供する。この接点は、縦軸を有し上側端部および下側端部を有するシャフトにより規定される延長電気導電ピンを含む。既成形の加熱リフロー可能な接合部材は、前記ピンの下側端部に取り付けられる。絶縁体は、前記上側端部および下側端部の中間でピンのシャフトを囲繞すると共に、前記既成形の加熱リフロー可能な接合部材に隣接する。
【００１３】
本発明は、さらに複数の電気導電ピンにより平行な関係とされ、空間的に離間した状態で機械的および電気的に相互結合する上側回路基板および下側回路基板を含む回路基板アセンブリを提供する。それぞれのピンは、上側端部及び下側端部を備えたシャフトを有する。前記ピンの上側端部は、上側回路基板に取り付けられ、そして前記ピンは予め決められたパターンに配列される。複数の分離され分散された絶縁体は、対応するピンのシャフトをそれぞれ囲繞する。前記下側回路基板は、前記ピンと同様に、予め設定されたパターンで配列された複数の導電性パッドを備える。複数の導電性ジョイントは、対応するピンの下側端部に予め取り付けられた既成形の加熱リフロー可能な接合部材のリフローによって、それぞれ形成される。それぞれの導電性ジョイントは、対応するピンの下側端部と対応する導電性パッド接着し、かつ、それらの間に電気機械的接続を形成する。
【００１４】
“上側”および“下側”の用語は限定的な意味ではなく、ピンの対向する端部または２つの基板の一方を特定するのに都合のよい方法として単に使用されるに過ぎないものと理解されよう。１つの実例として、ピンの反転は、前記リフロー可能な接合部材が上側ピンの端部に実装される結果をもたらすことになり、他の実例として、当初の方向に向いたピンを備える基板の反転は、上側ピンの端部が下側回路に実装される結果をもたらすであろう。
【００１５】
本発明の回路基板アセンブリの好適な実施例は、一般的に、複数の離散した電気導電ピンにより予め決められた距離だけ離れた関係において保持された上側平板回路基板および下側平板回路基板を含む。それぞれのピンは、上側下側端部を備えるシャフトを有する。前記ピンの上側端部は、複数の第１の半田ジョイントによって上側回路基板におけるメッキされたスルホールに取り付けられている。
前記ピンは、予め決められたパターンで上側回路基板の下部から延在している。
複数の離散した絶縁体は、対応するピンのシャフトに対し、それぞれ囲繞すると共に永久的に取り付けられている。下側回路基板は、上側回路基板と対向すると共に、一般的に上側回路基板と平行になっている。下側回路基板は、上側回路基板から延在するピンと同様の予め決められたパターンで配列された複数の導電性パッドを有している。それぞれのピンの下側端部へ取り付けられると共にそれぞれのピンの下側端部を囲繞している既成形の加熱リフロー可能な接合部材により、複数の第２の面実装半田ジョイントは形成されている。前記第２の半田ジョイントのそれぞれは、対応するピンの下側端部と対応する導電性パッドを接合している。基板がその工程を通じて平坦および平行を完全に維持することができない典型的な状態においては、ピンの第１部分は、それぞれが対応する導電性パッドに直接接触する下側端部を有し、ピンの第２部分は、それぞれに対応する導電性パッド上に僅かに離されて位置付けられたそれぞれの下端部を有している。
【００１６】
本発明の面実装型接点の別の実施例は、縦軸と上側端部および下側端部を有するシャフトとにより規定される延長電気導電ピンを含んでいる。既成形の加熱リフロー可能な接合部材は、ピンの下側端部に取り付けられている。その上側表面に形成された導電性パッドを備える絶縁体は、既成形の加熱リフロー可能な接合部材に隣接するピンのシャフトを囲繞している。好適な実施例において、前記既成形の加熱リフロー可能な接合部材は、ピンの端部を囲繞する半田ボールである。便宜のためにこの半田ボールを取り付けたピンは、時々ピン付き半田ボールとして言及されるであろう。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図３において、平板回路基板１２（図４Ａおよび４Ｂ）に対する取付部品としての第１の実施例に係る面実装型接点１０は、縦軸とそして上側端部１４ａおよび下側端部１４ｂとを有する円筒形シャフトにより規定される延長電気導電ピン１４を含んでいる。半田ボール１６は、ピン１４の下側端部１４ｂに半田付け、接合或いは取付けられている。絶縁体１８は、例えば、円筒形カラーの如く広がったボディーの形状にて、上側端部１４ａと下側端部１４ｂの中間のピン１４のシャフトを囲繞すると共に半田ボール１６に接触している。絶縁体１８の機能は、半田ボール１６が相当に外形変化するのを防止することである。好適には半田ボール１６は、ピン１４の下側端部１４ｂの周囲を包む、その結果、それはピン１４の平坦な円周端部とその円筒形側壁部の下部との両方を被覆する。好ましくは、回路基板１２の下側にある基準面と比較して、縦軸に沿うピンの予め決められた垂直位置を確立するため、ピン１４は絶縁体１８上の肩部２０に設けられる。肩部２０は、ピン１４に対し完全に形成されるかまたは半田付けされる必要はなく、ピン１４のシャフトに実装された別部品とすることができる。
【００１８】
図４Ａは、上側回路基板１２におけるメッキされたスルホール内へ、接点１０のピン１４の上側端部１４ａを、リフロー半田付けする場合を示す部分的垂直断面図である。肩部２０は、ピン１４のシャフトの貫通長を制御するため上側回路基板１２の下部において導電性ドーナツ部２１ａに隣接し、そして回路基板１２の上側部の下にて終端している。結果的に生じた半田接合部２４は、上側回路基板１２に接点１０をしっかりと機械的に取り付けると共に、上側回路基板１２の上側部に位置するメッキされたスルホールに接触する他の導電性ドーナツ部２１ｂで終端する導電性の回路軌跡（図示せず）へ、ピン１４を通して電気的接合を提供している。
【００１９】
図４Ｂは、接点の僅かに相違するバージョンである接点１０′を示している。
この接点１０′は、上側回路基板１２におけるメッキされたスルホールを通過する全距離を延長する、より長いピン１４′を有している。従来のウェーブ半田付け技術は、接合部の上端部に肉２６を備えるピン１４′の周囲に半田接合部を形成するために使用される。
【００２０】
図４Ｃは、上側回路基板１２の下側に、従来通りに形成された導電性パッド３１に対する、代替案に係る接点３０の上側端部における面実装を示す部分垂直断面図である。接点３０は、図１０との関係において後述する。
【００２１】
１０の如き接点は、回路基板アセンブリ３２（図６）を組み立てるために使用することができ、この回路基板アセンブリ３２は上側回路基板１２と、上側回路基板１２から空間的に離間し概ね平行の位置関係において上部回路基板１２に対向する平板の下側回路基板２２とを含む。接点１０は、列と行であるか或いはその他のパターンである予め決定されたパターンで、上側回路基板１２に取り付けられている。ピンの上側端部１４ａは、上側回路基板１２のメッキされたスルホールに挿入されていると共に、それに半田付けされている。このときに、金属の肩部２０も、メッキされたスルホールの下側に、上記と同じ半田により接合される。下側回路基板２２は上側回路基板１２と補完的になるように、その上側に従来法によって形成された複数の導電性パッド３４を有し、この導電性パッド３４は、接点１０やそれらのピン１４と同じ予め決定されたパターンにて配列されている。それぞれの接点上にある半田ボール１６を再加熱することにより形成された３６と３８（図７Ａと７Ｂ）の如き複数の半田ジョイントのそれぞれは、それぞれ対応するピン１４の下側端部１４ｂとそれらの対応する導電性パッド３４との間の小距離を埋める。半田ジョイント３６（図７Ａ）は、実質上球状とされ、ピン１４′の下側端部が導電性パッド３４と接触した場合に終わる。半田ジョイント３８（図７Ｂ）は、隅肉の形状とされ、ピン１４′の下側端部が導電性パッド３４の僅かに上に位置したときに終わる。半田ジョイント３８の隅肉の形状は、絶縁体１８が半田ボール１６上より十分離れて位置することにより生じさせることができる。半田ボール１６は、リフローの際に十分なような量を有していなければならず、いずれのピンおよび／または基板の非共面性に対しても適応させるであろう。
【００２２】
斯して本発明の好適な実施例に係る回路基板アセンブリ３２は、それぞれ１４の如きピンを含む１０または１０′の如き複数の接点により、近接した距離で離間した共平面性の関係にて接続された上側回路基板１２および下側回路基板２２を具備する。ピン１４の上側端部１４ａは、上側回路基板１２におけるメッキされたホールに挿入されると共に、ウェーブ半田付けまたはリフローによってそこに半田付けされる。ピン１４は、上部回路基板１２へピン１４の貫通を安定させるための肩部２０を有している。ピン１４の下側端部１４ｂは、ピンおよび／または基板における共平面度の変化を共に調整する半田ジョイント３６、３８を形成する半田ボール１６を介して、下側回路基板２２上の導電性パッド３４に接合されている。ピン１４それぞれのシャフトをその端部の中間にて囲繞する絶縁体カラー１８は、ピン１４の露呈した下側端部１４ｂの周囲が完全に半田付けされることを確実にする。半田ジョイント３８は取付部品の耐久性を増大させるために、ピン１４の下側端部の外部円筒形周囲及びその環状の下側端部に対して広がっている。
【００２３】
好ましくは、絶縁体１８（図３）はピン１４のシャフトを覆って圧設される。
絶縁体１８は、好適には、劣化がなく高温に耐えることができる適切なプラスチック樹脂、すなわち液晶ポリマまたはガラス含有エポキシあるいはその他の非有害性材料で製造される。絶縁体１８は、下側端部１４ｂの全周囲が半田付けされることを可能にするため、ピン１４の下側端部１４ｂの上に離間して配置されている。絶縁体１８の主な機能は、絶縁体１８を通過してピン１４のシャフトに沿うような流れを原因として、リフローした半田ボール１６からいかなる半田が流れることを防止する厳密なシールを提供することである。絶縁体１８は、さらに、上側回路基板１２に対する上側端部１４ａの取付の間中において、そして、半田ボール１６と下側回路基板２２上の導電性パッド３４とを接合形成するためのその後の再加熱の間中において、半田ボール１６における形状の劇的変化を防止する。ピン１４は好ましくは、断面が円形をなし、そして銅または銅合金もしくは他の高導電性材料により製造され、斯して流す電流量を多量に増大させ、良好な電気導電性を提供する。ピン１４は、ニッケル上に錫／鉛でメッキされたものであろうし、また、半田付けされる電気的接点を作るために通常使用される他の好適な材料であろう。
【００２４】
符号１０の如き接点は、リールに巻回されると共に、自動ピック−アンド−プレース装置のフィーダへ挿入される伝統的に形成されたテープ４４（図５Ａ）におけるレセプタクル４２（図５Ｂ）内に収納され得る。回路基板上における配置は、真空ピックアップノズルの使用により完成され得る。視覚装置による絶縁体１８または肩部２０の観察の後に（いずれの直径が大きいかに依存して）、ピックアップノズルは吸引器を介して半田ボール１６に引き込み、そして絶縁体１８に固定する。これは、自動ピック−アンド−プレース装置が回路基板１２におけるメッキされたスルホールヘピン１４を配置することを許容する。３０（図４Ｃ）の如き接点の上側端部の位置が表面実装される位置で、ピック−アンド−プレース装置は、上記上側端部を対応する導電性パッド上に配置するであろう。伝統的なピン−イン−ペースト、ウェーブ半田付けまたはリフロー半田技術は使用され得る。現在の好適な設計は、絶縁体１８の直径がピックアップノズルのＯＤ（開口）や肩部２０の直径よりも大きく製造することであるが、しかしこの設計はその逆も成り立つであろう。半田ボール１６の直径にとって、接点１０上で最も大きな直径となることはもちろん可能であり、それは視覚装置により認識することができる。
【００２５】
好適には高温半田は、接点１０、１０′または３０の上側端部を上側回路基板１２に接合するために使用され、その結果、半田ボール１６が下側回路基板２２に接点を取り付けるためにその後にリフローしたときに、上側回路基板１２に対する上記接点の取付が、リフローによるようには、逆に悪影響を受けることはない。別言すると、上側回路基板１２へ接点の上側端部を接合する半田は、好適には半田ボール１６の溶融温度よりも高溶融温度とする。半田ボール１６の溶融点は、製造される半田の合金の選択に依存する。半田ボール１６がリフローしたときに、好適には図７Ａに示されるような十分な球形に保持すべきである。
【００２６】
１０の如き接点が下側回路基板２２上の導電性パッド３４に接合するとき、上側回路基板１２は十分に重くなり、その結果、幾つかのピン１４の下側端部は、上側回路基板１２と下側回路基板２２の間を予め決められた最小間隙にすべく、図７Ａに示されるように導電性パッド３４上に実に止まる。ピン１４および／または下側回路基板２２の非共平面性のために、いくつかの下側端部１４ｂは、図７Ｂに示すように対応する導電性パッド３４に当接しないであろう。しかしながら、確かな半田ジョイント３６または３８（図７Ａ、図７Ｂ）は、ボール１６における半田の量と導電性パッド３４の大きさによって、まだ形をなした状態にあることができるだろう。これらの特徴は、半田ボール１６におけるピン１４の大きさやピン１４の数量と同様に、良好な結合のための適正量および適性高さの半田が供給されるために、注意深く選定されるべきである。
【００２７】
図８Ａは、回路基板へ実装するスルホールに適用される接点５０の別の実施例を示すものである。接点５０は、その下側端部に取り付けられる半田ボール５４を有する直線ピンを含んでいる。円筒形の絶縁体５６は、ピン５２を覆って圧設すると共に囲繞しており、その上側部に設けられメッキされた導電性パッド５８を有している。絶縁体５６および導電性パッド５８は、銅クラッド・ガラス−エポキシＰＣＢ材料からなる小型回路基板として形成され得る。導電性パッド５８によって、他の形状における上側回路基板１２の下側に形成された接点５０が導電性パッド３１（図４Ｃ）に半田付けされていることが許容されている間においては、絶縁体５６は、半田ボール５４の形状を維持するために役立つ。上側回路基板１２と下側回路基板２２の間に異なる間隙を確立するのを許容するために、絶縁体５６は、直線状のピン５２に沿う多様な縦位置に配置され得る。さらに、ピンの下側端部との関係における絶縁体５６の位置調整は、半田ボール形状の制御を許容する。接点５０は、接点１０（図３）と同程度の通電容量を持てないかもしれない。その理由は、前者の総金属含有量がほとんどないためである。それが製造を容易かつ安価にするとしても。
【００２８】
図８Ｂは、上側回路基板１２の下側における導電性パッド３１への面実装に適用される接点６０の更に別の実施例を示すものである。それには、接点５０より短い直線ピン６２を使用される。自身の上側に相対的に厚い導電性パッド６６を備える円筒形の絶縁体６４は、直線ピン６２を覆うように圧設される。ピン６２は、パッド６６を通して延在しておらず、結果的に導電性パッド６６は、上側回路基板１２における下側の導電性パッド３１に面実装され得ると共に半田付けされ得る。半田ボール６８は、直線のピン６２の下側端部に取り付けられている。絶縁体６４と導電性パッド６６は、また、銅クラッド・ガラス−エポキシＰＣＢ材料からなる小型回路基板として、作成することができる。
【００２９】
図９は更に、その絶縁体７２の上側部にいかなる導電性パッドも有しない点を除いて、図８Ａの実施例と類似する他の実施例に係る７０を示すものである。半田ボール７４は、直線状のピン７６の下側端部に取り付けられている。直線状のピン７６の上側端部は、上側回路基板１２におけるメッキされたスルホールに位置して半田付けされるが、絶縁体７２は上側回路基板１２に対して半田取付部品を有しない。それは単にスペーサとして作用すると共に、半田の漏れを防止する。ピン７６は、また絶縁性の取り去られたロッドまたはワイヤでできる。換言すれば、ある長さの絶縁体被覆のワイヤは、ピン位置の中間における所定位置にコーティングが残り、絶縁体を取り去ったその端部を備え得る。レフト−イン−プレースの絶縁体のコーティングは、半田ボール７４の直径より小さいＯＤ（開口）を有することができ、本発明の絶縁体７２として作用すると共に、下側の露出した端部におけるボールから上側端部への半田の流出を防止するでありましょう。もし、コーティングが十分に厚く作成されていれば、それは栓として機能することができる。一方において、金属カラー２０は栓として機能するように、頭部に追加されることができる。他方において、絶縁コーティングは、絶縁体として役立つように、裸ワイヤまたはロッドの中間位置に適用することができる。
【００３０】
図１０は、本発明の更に他の実施例に係る接点３０を示すものである。この接点３０は、肩部２０が除かれたこと以外は接点１０と同様であり、その代りに、上側回路基板１２の下側に形成される３１（図４Ｃ）の如き導電性パッドに面実装されるように、ピン８２の上側端部が円筒形のヘッド８４を備えるように形成されている。ヘッド８４には、その上面に複数の外方に開口し放射状に延在するチャネル８６が形成されている。チャネルを有するヘッド８４の上側面は、回路基板１２の下側にある導電性パッド３１に対する主要な接合を提供している。チャネルは、好ましくは、蒸発する半田フラックスのガス抜きを許容するため、ヘッド８４の周辺の円筒形の外壁８８を通して開いている。これは滑りを最小限とすると共に、半田がリフローしている間にパッドに対するピンの自動心出しをする上で補助になる。チャネル８６がリフロー半田とピン８２のヘッド８４と間における接触領域を増大させたために、半田ジョイントの強度が改善されている。チャネル８６は、ヘッド８４の中央において交差するかもしくは十字交差パターン状に交差する、複数の正反対のチャネルによって形成され得る。ヘッド８４は、前述した上記引用文献として挙げた米国特許出願シリアルナンバー第０９／５２０，４２７号に開示されているように、形状の広範囲な多様性を備えることができる。円筒形の絶縁体９１は、それがヘッド８４に接するまで、ピン８２のシャフトを覆うように圧設される。半田ボール９３は、ピン８２の下側端部に取り付けされている。
【００３１】
前述した実施例において、接点は、下側回路基板２２に対し接合を行うために半田ボール１６を役立たせている。しかしながら、半田ボール１６は、多様性を備える既成形の加熱リフロー可能な接合部材と置換可能であると、当業者において了解されるであろう。上記接合部材は、リフローを生じさせるために加熱可能であると共に、その後に冷めることが許されると再固体となり、ピン１４の下側端部と導電性パッド３４との間に電気−機械的接合を提供するであろうものである。リフローのための加熱は、好ましくは、従来の対流式オーブンを介して供給されルル共に、半田のリフローに使用されているその他の従来の加熱技術が用いられるであろう。
【００３２】
図１１および図１２は、円筒形および正方形の成形されたワッシャ状の半田素子９０、９２を示している。半田素子９０、９２は、それぞれ、ピン１４の下側端部の上に形成され、或いはピン１４の下側端部を覆うように圧設される。それらの半田素子はピンの下側端部１４ｂを囲繞しても良く、結果として、自身の垂直な下側環状表面と同一平面となる。素子９０および９２は、またはピン１４の下側端部１４ｂの下方に位置させるか、または同じ下側端部１４ｂの上方に延在させることができる。素子９０および９２は、絶縁体１８に接するか、または同じ絶縁体１８の下方に僅かに離間して位置させることができる。
【００３３】
顧客が、上側回路基板１２のメッキされたスルホールに接点１０の上側端部を半田付けしたとき、素子９０および９２はリフローすると共に、絶縁体１８に隣接した半田ボールを形成するでありましょう。これらの半田ボールは冷えて、次の自動製作の場所へ運ばれるアセンブリのように固化するでありましょう。その自動製作の場所では、それに取り付けられたピン１４の配列を備えた上側回路基板１２が反転されると共に、半田ボールのリフローの前に第２の回路基板２２の頂部に配置されるでありましょう。既成形の加熱リフロー可能な接合部材は、さらに適切な半田ペーストの個別分量を規定することができる。上記適切な半田ペーストは、組み立てとリフロー操作の間に上記ペーストがそれにしっかりと接着することを確保する状態で、ピンの下側端部１４ｂに適用されるものであります。それぞれの接点１０の下側端部１４ｂに対し取り付けられた既成形の加熱リフロー可能な接合部材は、錫／鉛合金以外に、錫／ビスマス合金、導電性エポキシ、ろう付け化合物、溶接化合物等により製造できる。斯して当業者は、回路基板アセンブリ３２を既成形の加熱リフロー可能な接合部材の多種多様に異なるタイプにより製作できること、その場合にピン１４の下側端部１４ｂがリフローにより形成される導電性ジョイントに接合されること、しかも半田により製造される接合部は必要でないことを理解できるでしょう。同様に、リフローにより形成される導電性ジョイントによって、ピンの上側端部１４ａは上側回路基板１２に接合されることができ、しかも半田により製造される接合部は必要でない。
【００３４】
図１３Ａ−Ｃは、より明らかに本発明の好適実施例を示し、そこにおいては平行な基板１２、２２は、複数からなる個別のラレラリィ−スペースのピン付き半田ボール１０により相互接続されており、ここではその１つのみが示されている。基板に実装された構成要素は図示されていないが、電源への応用においては、典型的には、上部基板１２は両側が電気的な構成要素により場所を占められている。ピンの上部自由端（図３の立場から）１４ａは、図１３Ａに示されているように、リフローの前には、金属化されたバイアホールまたはメッキされたスルホール９４に着座している。この実施例において、金属フランジ２０は絶縁体１８の上方（図３の立場から）において軸方向に僅かな間隙をもって配置されている。この間隙は、耐性の理由により調整され得るものであり、また上記間隙は、ボールのサイズと形状を最適化するために、絶縁体を越えて（の下に）異なる突出長さ１４ｂを作り出すための能力を供給するように調整され得る。また、テーパ部分９６は、ピンの自由端部１４ａをフランジ２０に結合することが認められるであろう。このことは、（ホール内のピンの）配置の許容誤差を許容するようにホール９４を大きくすることを許容する重要な利点を提供する。しかし同時に、穴に供給されたペースト９５がリフローしたときに、ピンを適切に中心に置くことを確実にする。このようにテーパ部分は、リフローの前後の心出しを助ける。図１３Ｂは、相互連結材１２のピンの自由端部１４ａの第１のリフロー９７がそれぞれの穴に入った後のアセンブリを示す。図１３Ｃは、相互連結材１２のボール端部１６の第２のリフロー９９がそれぞれのパッド３４に接続した後のアセンブリを示す。
【００３５】
本発明の利点を実証するための典型的な応用は、次の通りである。例えば、電源装置の供給業者は、図１３Ａに示すようにボールを上に向けて、複数の個別のピン自由端部１４ａのそれぞれを、第１の基板１２における穴に入れるでありましょう。そしてアセンブリが第１のリフローを受けると、同時に、基板の同じ側に対して第１の一連のコンポーネントを半田付けし、結局、アセンブリは第１のボードの下側面になる。結果は、それぞれがピン端部を囲繞している多数の半田ボール１６が突出した電源装置基板９１である。第１のアセンブリ９１は、第１の基板が取り付けられている第２の基板２２を供給することを予定している顧客に対して販売され得る。この顧客は、第１の塗布（ペースト供給）を彼の第２基板上のパッドに行い、図１３Ｂに示すように、第１のアセンブリの半田ボールを下部基板２２に対し下向に向かせて着座させ、そして第２の段階でリフローによって、図１３Ｃに示すように、半田（ペーストおよびボール付きピン）で第２の基板（ボールの下方）にアセンブリ（電源装置）を取り付ける。電源装置アセンブリ９１の重量は、リフローするときに、ボール付き端部における幾つかのピン１４ｂについて第２の基板のパッド３４上への着座を生じさせるでありましょう。典型的には、少なくとも３つのピンは、安定化のために、第２の基板パッドと接触すべきであります（半田の浮力およびアセンブリの重量に依存して、基板とこれらのピンとの間には殆ど半田はない）。他のピンは典型的には、誤差のために、共平面性のため、または基板の反りのために、離反するでありましょう。全てのボール１６がペーストおよび／またはパッドおよびリフローに適切に接合するのを許すのは、ピン端部の下方の半田ボールの厚さ、即ちのピン端部１４ｂの下方の半田の量であり、それは参照符号９８に示されております。さらに、良好な半田ジョイントを作成するために、そしてそれを機械的かつ環境的条件（殆ど温度による変化）を通して残存させるために、十分な半田総量が要求される。
【００３６】
第１の基板が第２の基板に半田付けされると同時に、もしくは必要であれば、第２のリフローの前またはさらに第２のリフローの後に、第１の基板の両側のどちらか一方には、構成要素が配置されることができる。さらに、第１の基板が第２の基板に半田付けされると同時に、もしくは必要であれば、第２のリフローの前またはさらに第２のリフローの後に、第２の基板には構成要素が配置されることができる。このような提案おいて、４もしくはそれ以上のリフローを行うことが実用的である。第１は、ピンの下側端部１４ｂを囲繞するようにボール１６を形成すること。第２は、第１の基板に対してピンと構成要素を半田付けすること。第３は、第１の基板の対向する面に対し構成要素を半田付けすること。第４は、第２の基板に第１の基板を半田付けすること。同様に修理または除去するためにリフローが追加される。一般的に、本質的ではないが、継続的なステップにおいて使用される半田は、リフローの回数を最小化するために半田ジョイントが耐え得る溶融温度を低減することが好ましい。
【００３７】
前述したように、金属からなると共に半田材料より高い導電性を有するピンは、ホールに対しての半田ジョイントの電流を流す能力が増大さる。また、図８Ｂおよび図１０に示した接点は、ピンの自由端部のためのホールを必要としない標準的な面実装半田ジョイントであるという利点があります。一方、同時に、以下により詳細に説明するように、接点は対向するピン端部において半田材料の分離をすることの利点を提供します。更に、面実装半田ジョイントは、頂部において、所定位置に固定されて残ることができる一方、底部における半田ボールジョイントはリフローの間中に基板位置の変化を調節するために調整される。
【００３８】
個別の金属フランジ２０、または適宜そのように称される肩部は、前述したアセンブリの工程において特に重要であります。なぜならば、フランジ２０は第１の基板の底面に対して事実上着座し、そして第２のリフローまたはその次の処理の間にピンが第１の基板から分離しないことを確実にするために、半田付けのための追加の面領域および隅肉領域を提供するからである。フランジ２０はまた、ピン１４ａが穴９４にあまり深く貫通するのを防止するための停止部として働きます。そしてフランジ２０は、第１の基板の底部側または第２の基板の頂部側にある構成要素のために、熱放出を十分にするスペースを確保するために、最小限の基板間スペース−−ピンの底部からフランジの頂部まで−−を保証する。典型的なピンにおける約０．０８−０．２インチの軸長に対し、基板のスペースは約０．８−０．１７インチ程度の同じ小ささにすることができる。これらの寸法に対して、典型的なフランジの直径は約０．０８インチであり、典型的な絶縁体の直径は約０．１５インチであり、そして典型的なボールの直径は約０．０５−０．１インチである。金属フランジ２０は、半田が最良となるように、第１の基板における穴を囲む環状のメッキされたリングに適合するような大きさとしなければならない。
【００３９】
個別の絶縁体１８は、同様に、処理を成功するために極めて重要である。それは、ピン１４に対する永久的な実装において堅固な密着が行われなければならないので、ピンのシャフトに沿うどのように早期のリフローの間にもボール１６からの半田移動に対する環状シールが提供される。それは、一般的にボール形状が残るか、第２の基板への半田付け前にピン端部を越えておよびピン端部を囲繞して半田が少なくとも供給されるかが許容されるためのピン端部１４ｂ上の半田の量を維持する。それはまた、絶縁体１８は、円筒形以外の形状とすることができ、そして図９との関係で述べたように、漏れを防止するために、ピンに対し施された小さな直径の絶縁コーティングあることが了解できる。
【００４０】
それはまた、本発明の特徴が、ピン端部−−例えば、図１３Ａ、Ｂの参照符号９５、９７−−における半田および半田ボール１６の半田が、絶縁体セパレータ１８の理由により混合することが許されない点を、高く評価されるだろう。これは、個々の半田材料の異なる溶融点または他の特性のように、半田付け材料の選択におけるより柔軟性が許容されるという利点を有しており、さらにボール形状の追加的制御を許している。
【００４１】
これらの図は、ピンが円筒形であることを示しており、そしてボールは、ピン端部と半田ボールの頂部表面との間の半田流動する半田の厚さが、約０．０１０−０．０２０インチであるように、選択される直径からなる球である（図１３Ａの参照符号９８で示される）。この厚さの重要性は、複合基板接続システムの部分的なピン付き半田ボール構成要素が、一方または両方の基板における反りもしくは平坦度のずれが約０．０１５インチとなるまで耐えること、および両基板に対する確実な半田付け接続をなお提供できることを、示している。この好適な配置である、ピン端部の半田付けには、半田ボール（例えば、６３錫／３７鉛）の低温半田が再流動する際に、再流動しない高温半田（例えば、９０錫／１０鉛）を使用する。
【００４２】
好適な配置において、ボール端部は平板パッドに表面実装される。原則的に、それは通路へのボール端部の半田付けを可能とし、これは利点ではあるが、推奨されるものではない。その理由は、通路が、予め満たされている（ピンまたは半田またはペーストで）か、または両方に対して許容するボールに要求される多量の半田が、通路を満たし、そしてピンと基板（通路に着座しているピン付きのまたは通路それ自身において）との間の良好な半田接合部が、なお維持されることである。
【００４３】
いくつかの図において、例えば図４の（Ａ）および（Ｂ）、図７の（Ａ）および（Ｂ）において、対向する基板の側面上の平板２１ａおよび２１ｂは、メッキされた貫通孔の外部、明確にするために省略された内部接続部、または半田付けされたピンにより接続される基板の頂部および底部側の分離されているパッド、を表示することができる。また、図４の（Ａ）の実施例は、一方の基板面のトレースに対し接続を行う半田付けピンを有する片面基板を表示する。それは、またピンのための通路がメッキされる必要のないことを、理解できよう。
【００４４】
前述した本発明に係る加熱再流動性接合部材が取り付けられた個別接点およびそれによって製造される回路基板アセンブリの幾つかの実施例に対して、当業者により本発明の配置および詳細において設計変更が可能であることは理解されよう。説明および図示の構造において、“上部”および“下部”の用語は、単なる都合による便宜的使用すぎない。基板およびピンは、種々の適応において組み立ておよび／または使用することができる。よって、本発明の必要とされる保護は、特許請求の範囲に従って限定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）および（Ｂ）は、従来のボールのみからなるＢＧＡ（ボール格子配列）素子のそれぞれ概略側面図および頂部平面図である。
【図２】（Ａ）および（Ｂ）は、従来のピンおよびボールからなるＢＧＡ（ボール格子配列）素子のそれぞれ概略側面断面図および頂部平面図、（Ｃ）は（Ａ）および（Ｂ）に示すＢＧＡ素子のピンを備えるボールの拡大側面図である。
【図３】本発明の第１実施例に係る個別半田ボール接点の拡大側面図である。
【図４】（Ａ）は、上側回路基板におけるメッキされた貫通孔に対する図３の接点の上側端部の再流動半田付け状態を示す部分的垂直断面図、（Ｂ）は、上側回路基板におけるメッキされた貫通孔に対する長いピンを備えた接点の上側端部の波形半田付け状態を示す（Ａ）と同様の部分的垂直断面図、（Ｃ）は、上側回路基板の下側に対する本発明に係る接点の別の実施例の上側端部の表面実装状態を示す部分的垂直断面図である。
【図５】（Ａ）は、図３の個別半田ボール接点のテープおよびリールの包装状態を示す部分的頂部平面図、（Ｂ）は、（Ａ）の５Ｂ−５Ｂ線に沿ったテープおよびリールの包装状態の断面図である。
【図６】図３に示す型式の複数の個別半田ボール接点を組み立てた回路基板アセンブリを示す拡大側面である。
【図７】（Ａ）は、ピンの下側端部と対応する導電性パッドが相互に接触する場合における、図３の接点の半田ボールが再流動により達成される好適な半田ボール接合部を示す図６の回路基板アセンブリの拡大部分的垂直断面図、（Ｂ）は、ピンの下側端部が対応する導電性パッドの上に僅かに位置する場合における、図３の接点の半田ボールが再流動により得られる少なくとも好ましく、しかし未だ機能的な半田隅肉接合部を示す図６の回路基板アセンブリの拡大部分的垂直断面図である。
【図８】（Ａ）は、メッキされた導電性パッドを備えた絶縁体を使用し、そして回路基板に実装する貫通孔のために適合される接点の別の実施例の拡大垂直断面図、（Ｂ）は、メッキされた導電性パッドを備えた絶縁体を使用し、そして回路基板への表面実装のために適合される接点のさらにまた別の実施例の拡大垂直断面図である。
【図９】メッキされた導電性パッドを有しない成形具を除いた図８の（Ａ）と同様の接点のさらに別の実施例の拡大垂直断面図である。
【図１０】表面実装のためのチャネルが設けられたヘッドのさらにまた別の実施例の拡大垂直断面図である。
【図１１】図３の結合体の半田ボールの位置にそれぞれ使用される円筒形ワッシャ状の成形加熱再流動性接合部材の斜視図である。
【図１２】図３の結合体の半田ボールの位置にそれぞれ使用される四角形ワッシャ状の成形加熱再流動性接合部材の斜視図である。
【図１３】（Ａ）は基板のいずれかに結合される取付け半田ボールを備えたピンの前の回路基板の拡大部分的断面図、（Ｂ）は上部基板に結合され、しかも下部基板に結合する前の２つの回路基板の拡大部分的断面図、（Ｃ）は、両基板がそれぞれ結合された後の２つの回路基板の拡大部分的断面図である。

Claims (25)

1. 縦軸と上端部および下端部とを有するシャフトからなる延長電気的導通ピンと、
   前記ピンに設けられ、一方の回路基板と半田付けされ他の基板との間の最小限基板間スペースを保証する保証部材と、
   前記ピンの下端部に取り付けられた成形加熱再流動性接合部材と、
   および前記成形加熱再流動性接合部材に隣接し上下端部の中間で前記ピンのシャフトを囲繞する絶縁体であって、前記ピンの外周側面から外側方向へ広がるような円環カラー形状を有し、半田によって前記ピンの上端部を回路基板に取付ける際と、前記成形加熱再流動性接合部材のリフローの際において、前記半田と前記成形加熱再流動性接合部材の混合を防止するセパレータとして機能する絶縁体と、
   から構成してなる回路基板への取付部品用表面実装型接点。
2. 前記ピンの断面は、円形であることを特徴とする請求項１記載の取付部品用表面実装型接点。
3. 前記保証部材は、縦軸に沿って基準面に対し予め決められた縦の位置を確立するための肩部であることを特徴とする請求項１または２に記載の取付部品用表面実装型接点。
4. 前記絶縁体は、円環カラー形状を有し、その直径が成形加熱再流動性接合部材の直径よりも大きく形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の取付部品用表面実装型接点。
5. 前記成形加熱再流動性接合部材は、半田ボールからなる請求項１ないし４のいずれかに記載の取付部品用表面実装型接点。
6. 前記絶縁体は、耐高熱プラスチック樹脂で構成され、前記ピンは、銅または銅合金からなる請求項１ないし５のいずれかに記載の取付部品用表面実装型接点。
7. 前記絶縁体は、前記ピンのシャフトを覆って圧設されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の取付部品用表面実装型接点。
8. 前記ピンの上端部は、自由上端部とし、前記半田ボールは、前記ピンの下端部を全面的に囲繞しおよび半田付けされ、前記絶縁体は、個別絶縁体として、前記半田ボールに隣接し前記ピンのシャフトに永久的に取り付けられ、および半田移動に対しシャフトを絶縁してなる、請求項５ないし７のいずれかに記載の取付部品用表面実装型接点。
9. さらに、前記保証部材は、前記絶縁体と前記ピンの上端部との中間で、前記ピンのシャフトを囲繞し、実装される個別の金属により構成してなる請求項１または２に記載の取付部品用表面実装型接点。
10. 前記絶縁体の直径は、前記半田ボールの直径と相違してなる請求項８または９記載の取付部品用表面実装型接点。
11. 接触位置を有する上部回路基板と、前記上部回路基板の接触位置に取り付けられ、および予め設定されたパターンに配置される請求項１、２、３ないし５のいずれか１項、６ないし１０のいずれか１項に記載の複数からなる取付部品用表面実装型接点と、予め設定されたパターンに配置された複数の導電性パッドを有し、上部回路基板と概ね平行かつ対向する下部回路基板と、および対応するピンの下端部および対応する導電性パッドのいずれかと接合し、およびそれらの間の電気−機械的接合を形成し、対応するピンの下端部に取り付けられる成形加熱再流動性接合部材の再流動によってそれぞれ形成される複数の導電性接合部と、から構成してなる回路基板アセンブリ。
12. 前記ピン上端部の取付部品と導電性接合部との両方は、半田接合部であって、この半田接合部は、２つの接合部での半田が混合しないように、それぞれの絶縁体によって相互に分離されてなる請求項１１記載の回路基板アセンブリ。
13. 請求項３の記載の保証部材を備え、前記ピンの上端部は、上部回路基板における対応する通路に挿入すると共に、各ピンは、上部回路基板に対するピンの予め設定された縦位置に配置される上部回路基板と絶縁体との間に位置決めされる肩部を有してなる請求項１１または１２記載の回路基板アセンブリ。
14. 接触位置に対し前記ピンの半田接合部における半田の第１の溶融温度は、下部回路基板上の導電性パッドに対するピンの下端部に接合する半田接合部における半田の第２の溶融温度より高いことを特徴とする請求項１１ないし１３のいずれかに記載の回路基板アセンブリ。
15. 前記成形加熱再流動性接合部材は、錫／鉛半田、錫／ビスマス半田、導電性エポキシ、ろう付け化合物、溶接化合物および半田ペーストからなる群から選択される材料からなる請求項１１ないし１４のいずれかに記載の回路基板アセンブリ。
16. 前記上部回路基板は、概ね平板であり、接触位置はめっきされた取付け通路の間隔とし、複数のピンは、複数の第１の半田接合部により上部回路基板において、めっきされた貫通孔に取り付け挿入され、前記下部回路基板は、概ね平板であり、および複数の導電性接合部は、下部回路基板に面する絶縁体の側部に位置する成形加熱再流動性接合部材の再流動によって形成される複数の第２の半田接合部であり、前記複数の第２の半田接合部のそれぞれは、対応するピンの下端部および対応する導電性パッドに接合し、前記複数のピンの一部は、その対応する導電性パッドに直接接触する下端部を有し、そして前記複数のピンの残りは、その対応する導電性パッドの上に僅かの間隔となる下端部を有してなる請求項１１記載の回路基板アセンブリ。
17. 前記ピンの下端部のそれぞれは、厚さが約０．２５４ｍｍ−０．５０８ｍｍ（０．０１０−０．０２０インチ）に等しくなるように、その対応する再流動性接合部材の底面から間隔を置いてなる請求項１５記載の回路基板アセンブリ。
18. 前記絶縁体のそれぞれは、半田が混合しないように第１および第２の半田接合部を分離してなる請求項１５ないし１７のいずれかに記載の回路基板アセンブリ。
19. 前記概ね平板の回路基板は、片面基板であり、そして通路は、基板の一面上の電気的導電トレースによって囲繞され、第１の半田接合部は、また前記トレースに対し前記ピンと電気的に接続し、個別の絶縁体はシャフトを絶縁し、そして第１の半田接合部と成形加熱再流動性接合部材との間で半田移動を防止してなる請求項１５ないし１８のいずれかに記載の回路基板アセンブリ。
20. 前記絶縁体は、ピックアップノズルを受け取るピックアップ平面を有することを特徴とする請求項１に記載の取付部品用表面実装型接点。
21. 前記絶縁体は、ピックアップノズルによるピックアップに十分な直径を有することを特徴とする請求項２０に記載の取付部品用表面実装型接点。
22. 更に肩部を有しており、該肩部は、ピックアップノズルによるピックアップに十分な直径を有することを特徴とする請求項２０に記載の取付部品用表面実装型接点。
23. 前記保証部材は肩部であり、基板間にはこの肩部と前記絶縁体とが介在することを特徴とする請求項１に記載の取付部品用表面実装型接点。
24. 前記保証部材は肩部であり、基板間にはこの肩部と前記絶縁体とが介在することを特徴とする請求項１に記載の取付部品用表面実装型接点。
25. 前記肩部は、基板に対して前記ピンを基板に対し半田付けするための追加の面領域を具備することを特徴とする請求項２３または２４に記載の取付部品用表面実装型接点。

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