PL192431B1

PL192431B1 - Sposób wytwarzania złącza elektrycznego

Info

Publication number: PL192431B1
Application number: PL377458A
Authority: PL
Inventors: Timothy W. Houtz; Timothy A. Lemke
Original assignee: Framatome Connectors Int
Priority date: 1996-10-10
Filing date: 1997-10-10
Publication date: 2006-10-31
Also published as: PL332869A1; US8167630B2; US7168964B2; DE69736720T2; DE69736720D1; US7802999B2; CN1655405A; PL192236B1; HU229923B1; DE29724822U1; RU2208279C2; ATE340424T1; EP0836243A2; BR9712296A; CN1510788A; CA2267293C; SG71046A1; ATE352112T1; KR100450547B1; ATE339785T1

Abstract

1. Sposób wytwarzania zlacza elektryczne- go do zamontowania na podlozu oraz posiada- jacego powierzchnie montujaca do podloza i powierzchnie wspólpracujaca, znamienny tym, ze dostarcza sie element izolacyjny, za- wierajacy pierwsza powierzchnie odpowiadaja- ca powierzchni wspólpracujacej zlacza i druga powierzchnie odpowiadajaca powierzchni mon- tujacej do podloza zlacza, dostarcza sie prze- wodzacy elektrycznie styk w poblizu wymienio- nej pierwszej powierzchni z czescia styku roz- ciagajaca sie w elemencie izolacyjnym w kie- runku wymienionej drugiej powierzchni, dostar- cza sie liczne wneki na powierzchni montujacej do podloza zlacza, ustawia sie liczne zasadni- czo kuliste, przewodzace elektrycznie elementy w wymienionych wnekach i przylutowuje sie wymienione elementy przewodzace do czesci styku rozciagajacego sie do drugiej powierzchni. PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania złącza elektrycznego, takiego jak złącze matrycowe.

Znane zminiaturyzowane złącza elektryczne mają zmniejszone odległości między stykami, w liniowych złączach w jednym lub dwóch rzędach styków, dzięki czemu stosunkowo duża liczba linii wejściowo-wyjściowych lub innych może być łączona przez te złącza, które mieszczą się na powierzchni płytek drukowanych. Trendowi miniaturyzacji towarzyszy również preferowanie techniki montażu powierzchniowego SMT elementów na płytkach drukowanych. Jednak zmniejszanie odstępu między stykami zwiększa ryzyko mostkowania sąsiednich punktów lutowniczych lub styków podczas stapiania pasty lutowniczej.

Znane są złącza matrycowe do zwiększania koncentracji linii wejściowo-wyjściowych, które mają dwuwymiarowe matryce styków, montowane na podłożu izolacyjnym. Jednak złącza te stwarzają pewne trudności podczas dołączania do płytki drukowanej przy pomocy techniki SMT, gdyż montowane powierzchniowo końce styków muszą być poniżej korpusu złącza. Podczas montażu układu scalonego IC na podłożu z tworzywa sztucznego lub ceramiki stosuje się matrycę siatki kulek BGA i podobne zespoły. W zespole BGA kulki lutowia, przymocowane do zespołu układu scalonego IC, są umieszczane na punktach płytki drukowanej dla połączeń elektrycznych, na które nakłada się warstwę pasty lutowniczej, zwykle przy użyciu sita lub maski. Całość jest następnie ogrzewana do temperatury, w której pasta lutownicza i przynajmniej część lub cała kulka lutowia topią się i łączą z leżącym poniżej obszarem przewodnika, utworzonym na płytce drukowanej. Układ scalony jest w ten sposób łączony z płytką bez potrzeby stosowania zewnętrznych wyprowadzeń.

Sposób według pierwszego wykonania wynalazku polega na tym, że dostarcza się element izolacyjny zawierający pierwszą powierzchnię odpowiadającą powierzchni współpracującej złącza i drugą powierzchnię odpowiadającą powierzchni montującej do podłoża złącza, dostarcza się przewodzący elektrycznie styk w pobliżu wymienionej pierwszej powierzchni z częścią styku rozciągającą się w elemencie izolacyjnym w kierunku wymienionej drugiej powierzchni, dostarcza się liczne wnęki na powierzchni montującej do podłoża złącza, ustawia się liczne zasadniczo kuliste, przewodzące elektrycznie elementy w wymienionych wnękach i przylutowuje się wymienione elementy przewodzące do części styku rozciągającego się do drugiej powierzchni.

Sposób według drugiego wykonania wynalazku polega na tym, że dostarcza się element izolacyjny zawierający pierwszą powierzchnię odpowiadającą powierzchni współpracującej złącza i drugą powierzchnię odpowiadającą powierzchni montującej do podłoża złącza, dostarcza się przewodzący elektrycznie styk na wymienionym elemencie izolacyjnym z częścią styku rozciągającą się do elementu izolacyjnego i z częścią ustawioną w pobliżu wymienionej drugiej powierzchni, dostarcza się liczne wnęki na powierzchni montującej do podłoża złącza, na części styku ustawionej w pobliżu drugiej powierzchni, ustawia się liczne zasadniczo kuliste, przewodzące elektrycznie elementy w wymienionych wnękach i przylutowuje się wymienione elementy przewodzące do części styku rozciągającego się do drugiej powierzchni.

Zaletą wynalazku jest zapewnienie złączy elektrycznych o dużej koncentracji połączeń na podłożach, uzyskiwanych za pomocą technik montażu powierzchniowego. Złącza elektryczne według wynalazku zapewniają dużą koncentrację połączeń wejściowo-wyjściowych i dużą współpłaszczyznowość kulek lutowia wzdłuż warstwy mocowania. Dzięki tym złączom jeden lub więcej styków jest łączonych z podłożem przez topliwy materiał przewodzący elektrycznie.

Przedmiot wynalazku jest pokazany w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia widok z góry gniazda złącza według wynalazku, fig. 2 - częściowo w przekroju widok od czoła gniazda z fig. 1, fig.3 - widok z góry wtyku według wynalazku, fig.4 - częściowo w przekroju widok od czoła wtyku z fig. 3, fig. 5 - widok od czoła przekroju gniazda i wtyku z fig. 1-4 w położeniu, gdy nie współpracują ze sobą, fig.6 - widok od czoła gniazda i wtyku z fig. 5, gdy współpracują ze sobą, fig. 1a, 7b i 7c - widoki od czoła w przekroju, pokazujące pierwszy, drugi i trzeci etap łączenia gniazda z wtykiem z fig. 5, fig.8 - widok od dołu gniazda z fig.1 przed umieszczeniem kulek lutowia, fig.9 - widok od dołu gniazda z fig.8 po naniesieniu kulek lutowia, fig. 10 - szczegółowy widok przekroju obszaru XII z fig. 1, fig. 11 - powiększony widok przekroju z fig. 4, fig. 12 - powiększony widok przekroju z fig. 10, fig. 13 - powiększony widok przekroju poprzecznego wzdłuż linii 13-13 z fig. 10, fig. 14 - widok z góry drugiego przykładu wykonania gniazda złącza według wynalazku, fig. 15 - widok od czoła gniazda z fig. 14, fig. 16 - widok z góry drugiego przykładu wykonania wtyku złącza według wynalazku, fig. 17 - widok

PL 192 431 B1 od czoła wtyku z fig. 16, fig. 18 - widok od czoła współpracujących ze sobą gniazda i wtyku z fig. 14 - 17, fig. 19 - widok z góry gniazda użytego w trzecim przykładzie wykonania złącza według wynalazku, fig. 20 - widok od czoła gniazda z fig. 14, fig. 21 - widok z góry wtyku według trzeciego przykładu wykonania złącza według wynalazku, fig. 22 - widok od czoła wtyku z fig. 2, fig. 23 - widok od czoła współpracujących ze sobą gniazda i wtyku z fig. 19-22, fig. 24 - widok z boku przekroju poprzecznego fragmentu innego przykładu wykonania złącza według wynalazku, fig. 24a - fragment konstrukcji z fig. 24, zmodyfikowany dla utworzenia głębszego zagłębienia, fig. 25 - widok od przodu przekroju poprzecznego fragmentu złącza z fig. 24, w którym wtyk i gniazdo nie współpracują, fig. 26a i 26b - wykresy temperatury w funkcji czasu i odległości podczas topienia lutowia, fig. 27a - 27f - wytworzone przy użyciu lasera profile produktu, fig. 28a i 28b - zdjęcia rentgenowskie produktu, fig. 28c i 28d - zdjęcia produktu, uzyskane z mikroskopu elektronowego, fig. 29 - podobny widok, jak fig. 10, przy czym styki masy i zasilania są pominięte, fig. 30 - widok przekroju wzdłuż linii XXXI - XXXI na fig. 13, fig. 31 - uzyskane komputerowo przedstawienie przewidywanych naprężeń w obudowie izolacyjnej, fig. 32 - wykres siły utrzymującej styk w funkcji wielkości odkształcenia - ściśnięcia żebra w obudowie izolacyjnej z fig. 29, fig. 33 - widok od przodu styku sygnału w przykładzie wykonania złącza według wynalazku, fig. 34 - widok od przodu styku sygnału w przykładzie wykonania złącza według wynalazku, fig. 35 - widok od przodu styku zasilania w gnieździe z taśmą nośną stosowaną w przykładzie wykonania złącza według wynalazku i fig. 36 - widok od przodu styku zasilania we wtyku z taśmą nośną stosowaną w przykładzie wykonania złącza według wynalazku.

Figury 1, 2 oraz 12, 13 pokazują zespół współpracujących ze sobą złączy według pierwszego przykładu wykonania złącza o dużej koncentracji połączeń, zawierającego gniazdo 10 mające podstawę 12 utworzoną na przykład przez wytłoczenie izolacyjnego materiału polimerowego, który jest wytrzymały na temperatury stosowane przy wytwarzaniu złączy w technologii SMT, na przykład, polimeru ciekłokrystalicznego (LCP). Odnośnie podstawy, element ten zawiera ściankę podstawy 14, posiadającą zewnętrzną powierzchnię 16 i wewnętrzną powierzchnię 18. Na zewnętrznej powierzchni znajdują się zewnętrzne zagłębienia, jak na przykład zagłębienia 20, 22, 24, 26 i 28 (fig. 12). Na wewnętrznej powierzchni znajdują się wewnętrzne zagłębienia, w które włożone są styki, jak na przykład zagłębienia 30, 32, 34, 36 i 38. Wewnętrzne i zewnętrzne zagłębienia łączą pośrednie szczeliny, jak na przykład, szczeliny 40, 42, 44, 46 i 48. Każde z zewnętrznych zagłębień ma ściankę podstawy i boczną ściankę, jak na przykład ścianka podstawy 50 i ścianka boczna 52 (fig. 12). Każde z wewnętrznych zagłębień, w które wkładany jest styk sygnałowy, ma ściankę podstawy i przecinające się ścianki boczne, jak na przykład ścianka podstawy 54 i ścianki boczne 56 i 58. Każde z wewnętrznych zagłębień, w które wkładany jest styk masy lub zasilania, również posiada ściankę podstawy i przekątne (ścianki boczne, jak na przykład ściankę podstawy 60 i ścianki boczne 62 i 64. Opisane powyżej zagłębienia wewnętrzne i zewnętrzne i łączące je pośrednie szczeliny służą do umieszczenia w nich styków masy/zasilania lub sygnałowych.

Styki masy lub zasilania korzystnie mają górną część, oznaczoną ogólnie oznacznikiem 66, utworzoną z dwóch stykających się ramion 68 i 70. Ramiona mają części zbieżne 72, punkt styku 74 i części rozbieżne lub prowadzące 76. Styki masy lub zasilania również zawierają część pośrednią 78 przechodzącą przez dolną ściankę gniazda i dolną część 80, która sięga zewnętrznego zagłębienia. Kulka lutowia 82 jest przyklejona do dolnej części 80, jak będzie to opisane poniżej.

Każdy styk sygnałowy (fig. 12 i 13) zawiera górną część, oznaczoną ogólnie oznacznikiem 84, korzystnie mającą wypust styku 86, wygięcie prowadzące 88 i żebro usztywniające 90. Styki sygnałowe zawierają również pośrednią część 92, która przechodzi przez dolną ściankę gniazda. Każdy styk sygnałowy zawiera dolną część 98 (fig. 13), sięgającą zewnętrznego zagłębienia, na przykład zagłębienia 22 na fig. 12 i 13, gdzie kulka lutowia 100 jest przylutowana do dolnej części 98, jak będzie wyjaśnione poniżej.

Zgodnie w szczególności z fig. 1-2, część podstawy gniazda obejmuje konstrukcje zatrzaskowe, na przykład oznaczone ogólnie oznacznikiem 102. Konstrukcja zatrzaskowa zawiera skierowaną do góry klapkę 104, która jest umieszczona nad pionowym rowkiem 106 i która ma skierowany na zewnątrz występ 108. Podstawa gniazda ma również inne podobne konstrukcje zatrzaskowe 110, 112 i 114. Gniazdo posiada również górną część, oznaczoną ogólnie przez 116, która jest umieszczona nad podstawą. Górna część ma górną ściankę 118 i boczną ściankę 120. Górna część jest przymocowana do podstawy przy pomocy konstrukcji zatrzaskowych, oznaczonych, na przykład, oznacznikiem 122.

Każda z tych konstrukcji zatrzaskowych ma zagłębienie w ściance bocznej 124 i zatrzask 126 w kształcie litery „U”, który sięga w dół od górnej ścianki i jest oddalony od zagłębienia w bocznej ścian4

PL 192 431 B1 ce. Klapka 104 mieści się między zatrzaskiem 126 w kształcie litery „U” a zagłębieniem 124 w ściance bocznej, pozwalając, aby zatrzask w kształcie litery „U” objął zewnętrzny wypust 108 na konstrukcji zatrzaskowej 102 podstawy. Górna część zawiera inne podobne konstrukcje zatrzaskowe 128, 130 i 132, które obejmują, odpowiednio, konstrukcje zatrzaskowe 110, 112 i 114 na podstawie. Górna część 116 lub podstawa 102 mogą również posiadać uchwyty montażowe 134 i 136, które mają otwory mocujące 138 i 140 odpowiednio. Na górnej ściance 118 górnej części 116 znajdują się również otwory wejściowe styków sygnałowych, jak na przykład otwory 142 i 144.

Otwory wejściowe są rozmieszczone w licznych rzędach, odpowiadających rzędom styków sygnałowych w podstawie. Miedzy rzędami otworów wejściowych dla styków sygnałowych znajdują się wydłużone szczeliny wejściowe dla styków masy i zasilania, na przykład szczeliny 146 i 148. Górna część 116 tworzy warstwę dopasowującą między gniazdem 10 a współpracującym z nim wtykiem 150, opisanym poniżej.

Zgodnie z fig. 3 i 4 oraz fig. 11, wtyk złącza jest oznaczony ogólnie oznacznikiem 150. Wtyk zawiera ściankę podstawy 152 i peryferyjną ściankę boczną 154. W bocznej ściance występują położone jedna naprzeciw drugiej szczeliny 156 i 158, zaś naprzeciw ścianki podstawy jest otwarty bok 160. Z wtyku wystają poprzecznie uchwyty montażowe 162 i 164, które posiadają otwory mocujące 166 i 168 odpowiednio, które można umieścić naprzeciw otworów mocujących 138 i 140 uchwytów montażowych gniazda.

Zgodnie z fig. 11, na wewnętrznej powierzchni ścianki podstawy 152 występują wewnętrzne zagłębienia dla styków sygnałowych, takie jak zagłębienie 170. Również na wewnętrznej powierzchni ścianki podstawy są wewnętrzne zagłębienia dla styków zasilania lub masy, takie jak zagłębienie 172. Naprzeciw wewnętrznych zagłębień na ściance podstawy znajdują się zewnętrzne zagłębienia dla styków sygnałowych, takie jak zagłębienie 174 i zewnętrzne zagłębienia dla styków zasilania lub masy, jak zagłębienie 176. Pośrednie szczeliny 178 i 180 łączą zewnętrzne i wewnętrzne zagłębienia dla styków sygnałowych oraz zewnętrzne i wewnętrzne zagłębienia dla styków zasilania lub masy odpowiednio.

Styki zasilania lub masy, oznaczone ogólnie oznacznikiem 182, są zamontowane w zagłębieniach dla styków zasilania/masy poprzez pośrednie szczeliny 180. Każdy styk 182 ma wydłużoną część wewnętrzną 184, wydłużoną część pośrednią 186, która jest zamontowana w ściance podstawy 152 i zewnętrzną część 188, sięgającą do zagłębienia 176. Kulka lutowia 190 jest przyczepiona do części 188. Zewnętrzna część 188 i kulka lutowia znajdują się częściowo wewnątrz zewnętrznego zagłębienia 176. Wtyk zawiera również liczne styki sygnałowe 192. Każdy styk sygnałowy ma wewnętrzną część 194, pośrednią część 196 zamontowaną w ściance podstawy i końcówkę styku 198, sięgającą do zagłębienia 174. Kulka lutowia 200 jest przyczepiona do końcówki styku 198. Również w tym przypadku część zewnętrzna i kulka lutowia znajdują się częściowo wewnątrz zewnętrznego zagłębienia, na przykład 170.

Na fig. 5-7c widać, że opisany powyżej wtyk jest zamontowany na podłożu układu, na przykład na sztywnym PWB 202, zaś gniazdo jest zamontowane na podobnym PWB 204. Wtyk i gniazdo tworzą w ten sposób połączenie między płytkami, jak pokazano na fig. 6. Wtyk posiada dwuwymiarową, matrycę styków sygnałowych, takich jak 192, do których są przymocowane kulki lutowia 200 oraz liczne styki masy/zasilania, takie jak styki 182, do których są przymocowane kulki lutowia 190. Stosując techniki SMT, kulki lutowia są również przymocowane do PWB 202 w celu przymocowania całego wtyku do PWB i uzyskania elektrycznego połączenia między stykami sygnałowymi i stykami masy lub zasilania we wtyku a PWB. Należy zauważyć, że chociaż nie wszystkie styki są przedstawione na fig. 5, wszystkie takie styki są połączone z kulkami lutowia i z PWB w ten sam sposób. Podobnie, kulki lutowia 100 są przymocowane do styków sygnałowych 84 gniazda i są one przymocowane do PWB 204. Styki 66 masy/zasilania gniazda są zamontowane w szczelinie 134 i są przymocowane do kulek lutowia 82, które są przymocowane do PWB 204.

Wtyk jest ustawiony naprzeciw gniazda tak, aby peryferyjna ścianka boczna 154 wtyku przykrywała peryferyjną ściankę boczną 120 górnej części 118 gniazda.

Na fig. 7a-7c pokazane jest dokładnie wkładanie wtyku do gniazda. Figura 7a pokazuje, że po wstępnym ustawieniu naprzeciw siebie, styki masy/zasilania we wtyku początkowo są wprowadzane w otwory wejściowe styków masy/zasilania w gnieździe i opierają się o odpowiednie styki masy/zasilania w gnieździe. Styki sygnałowe są już wprowadzone w szczeliny dla styków sygnałowych w gnieździe. Figura 7b pokazuje, że styki sygnałowe wtyku opierają się o odpowiednie styki sygnałowe w gnieździe, zaś styki zasilania/masy we wtyku są wsuwane głębiej między leżące naprzeciw siebie

PL 192 431 B1 listki styków zasilania/masy w gnieździe. Figura 7c pokazuje, że styki sygnałowe wtyku są całkowicie wprowadzone w styki sygnałowe w gnieździe. Styki zasilania/masy wtyku są umieszczone w podstawie rozwidlenia styków zasilania/masy w gnieździe.

Na fig.8 zewnętrzna strona 16 podstawy 12 gniazda jest pokazana przed dostarczeniem kulek lutowia. Przed dostarczeniem kulek lutowia, końcówki styków sygnałowych, na przykład końcówka 82, oraz styków zasilania/masy, na przykład końcówka 98, są umieszczane wewnątrz odpowiednich zewnętrznych zagłębień, na przykład zewnętrznych zagłębień 20, 22, 24, 26 i 28, przez włożenie styków w przeciwną powierzchnię 18 podstawy 12. Pewna ilość pasty lutowniczej o odpowiednim składzie jest nakładana, aby w zasadzie wypełnić każde zewnętrzne zagłębienie. Kulki lutowia są następnie dostarczane na zewnętrzną lub montażową powierzchnię podstawy.

Korzystnie, zewnętrzne zagłębienia są mniejsze w kierunku poprzecznym niż kulki lutowia, tak że kulki lutowia są podtrzymywane na krawędziach zagłębień w pobliżu końcówek styków. W celu uzyskania maksymalnej stabilności kulek lutowia w zagłębieniu, preferowane jest zagłębienie o przekroju poprzecznym okrągłym lub w kształcie wielokąta foremnego. Pasta lutownicza pomaga w utrzymaniu kulek lutowia w każdym z odkrytych zagłębień, jak pokazano na fig. 9, gdzie, na przykład, kulka lutowia 82 jest pokazana w zagłębieniu 20, a kulka lutowia 100 jest pokazana w zagłębieniu 22. Pokazane są dodatkowe kulki lutowia, na przykład 230, 232 i 234, w zagłębieniach 24, 26 i 28. Kulki lutowia są umieszczane we wszystkich zewnętrznych zagłębieniach gniazda.

Należy również rozumieć, że zewnętrzna powierzchnia wtyku jest w zasadzie identyczna z zewnętrzną powierzchnią gniazda przed umieszczeniem kulek lutowia, jak widać na fig. 8 i po umieszczeniu kulek lutowia, jak widać na fig. 11. Po umieszczeniu kulek lutowia w zewnętrznych zagłębieniach, złącze jest poddawane procesowi ogrzewania w celu przylutowania kulek lutowia do końcówek styków. Zewnętrzne powierzchnie złączy, wraz z kulkami lutowia, a w szczególności zewnętrzne powierzchnie kulek lutowia, tworzą w zasadzie płaską warstwę łączącą, wzdłuż której złącze jest montowane do podłoża układu, jak na przykład PWB.

Figury 10 i 13 przedstawiają wersję przykładu wykonania pokazanego na fig. 1, w której, zamiast rozgałęzionych styków 66 gniazda, rozmieszczone naprzeciw siebie pary 66a i 66b styków typu płytkowego są wkładane w końcówki 182 masy/zasilania.

Figury 14-18 przedstawiają drugi korzystny przykład wykonania zestawu współpracujących ze sobą złączy według wynalazku. W szczególności na fig. 14-15, zestaw ten obejmuje gniazdo oznaczone ogólnie oznacznikiem 236. Gniazdo zawiera izolacyjną obudowę, oznaczoną ogólnie przez 238, która ma wewnętrzną powierzchnię 240, boczną powierzchnię 242 i zewnętrzną powierzchnię 244. Obudowa zawiera również po przeciwnych stronach występy justujące 246 i 248. Na wewnętrznej powierzchni obudowy znajdują się styki 250i 252, z których każdy posiada części, które odchylają się jedna od drugiej, a następnie zbiegają do punktu zetknięcia, za którym znów się oddalają jedna od drugiej. Styki 251 są montowane na podstawie 231 w ten sam sposób jak w przykładach wykonania pokazanych na fig. 1-13. Kulki lutowia, takie jak kulka lutowia 254, są przymocowane do styków 250 i 252 od strony płytki drukowanej w ten sam sposób, jak opisano powyżej.

Zgodnie szczególnie z fig.16i 17, zestaw zawiera również wtyk, oznaczony ogólnie przez 258, który zawiera izolacyjną obudowę, oznaczoną ogólnie przez 260, mającą, wewnętrzną powierzchnię 262, peryferyjną boczną powierzchnię 264 i zewnętrzną powierzchnię 266. Na jednym końcu obudowy znajduje się para pionowych ścianek kończących 268 i 270 z pośrednim zagłębieniem 272. Na przeciwnym końcu obudowy znajduje się inna para ścianek kończących 274 i 276 z pośrednim zagłębieniem 278. Od wewnętrznej powierzchni obudowy rozciągają się liczne styki, jak styk 280, które rozciągają się do zagłębień, na przykład 282.

Do każdego kontaktu jest przymocowana kulka lutowia 284. Można również zauważyć, że styki te są umieszczone w układzie przestawnym -na przykład styk 286 jest przesunięty w stosunku do styku 280 - więc rzędy styków mogą być bliższe jeden drugiego w celu zwiększenia koncentracji styków. Szczególnie na fig. 18 widać, że styk we wtyku, na przykład styk 280, jest pionowo ustawiony zgodnie z jednym z pary zbieżnych styków gniazda, takich jak styki 250 i 252, i jest umieszczony miedzy nimi. Widać również, że wypusty justujące 246 i 248 również są włożone w zagłębienia 272 i 278 wtyku.

W tym przykładzie wykonania nie ma oddzielnych styków masy/zasilania, występujących w przykładzie wykonania, przedstawionym na fig. 1-13. Takie funkcje mogą być, jeśli trzeba, uwzględnione w nie rozdzielonych parach styków.

PL 192 431 B1

Figury 19-23 pokazują trzeci korzystny przykład wykonania zestawu współpracujących ze sobą złączy. Wtyk jest oznaczony ogólnie oznacznikiem 290. Wtyk zawiera obudowę, oznaczoną ogólnie przez 292, posiadającą ściankę podstawy 294 i peryferyjną ściankę boczną 296, jak również znajdujące się po przeciwnych stronach wypusty justujące 298 i 300. Ścianka podstawy obudowy posiada wewnętrzną powierzchnię 302 i zewnętrzną powierzchnię 304. Styki sygnałowe, na przykład styk 306, rozciągają się od wewnętrznej powierzchni 302. Można zauważyć, że styki sygnałowe są również umieszczone naprzemiennie lub są przesunięte w naprzemiennych rzędach w celu zwiększenia koncentracji styków.

Wtyk zawiera również styki masy i zasilania 310, 312, 314 i 316 rozmieszczone w sąsiedztwie każdego boku wtyku równolegle do powierzchni bocznej ścianki. Na zewnętrznej powierzchni ścianki podstawy są kulki lutowia styków sygnałowych, jak na przykład kulka lutowia 318 i kulki lutowia styku zasilania/masy, na przykład 320, które są przymocowane do odpowiednich styków w ten sam sposób jak opisano w stosunku do pierwszego przykładu wykonania. Gniazdo jest oznaczone ogólnie oznacznikiem 322 i ma izolacyjną obudowę 324, która posiada ściankę podstawy 326, peryferyjną ściankę boczną 328 i zagłębienia 330 i 332 na wypusty justujące. Ścianka podstawy posiada również powierzchnię zewnętrzną 334 i powierzchnię wewnętrzną 336.

Z wewnętrznej powierzchni wystają styki sygnałowe, na przykład styki 338 i 340. Styki w sąsiednich, poprzecznych rzędach są również osiowo przesunięte w celu zwiększenia koncentracji styków. Równolegle do każdego boku ścianki peryferyjnej znajdują się boczne styki zasilania lub masy 342, 346 i 350. Na zewnętrznej powierzchni ścianki podstawy znajduje się na każdym kontakcie sygnałowym kulka lutowia, na przykład kulka lutowia 352. Są również kulki lutowia, takie jak kulka lutowia 354 służące do mocowania styków zasilania lub masy. Szczególnie na fig. 23 widać, że wtyk 290 jest wkładany w gniazdo 322.

Jak wspomniano wcześniej, takie elementy jak złącza elektryczne, które mają być zamontowane na podłożach układów elektrycznych przy pomocy technik SMT muszą spełniać bardzo ostre wymagania na współpłaszczyznowość. Jeśli małe tolerancje na współpłaszczyznowość, zwykle rzędu około 0.003 do około 0.004 cala, nie są zachowane, wytwórcy uzyskują niepożądaną ilość wad w wyniku złych połączeń lutowniczych. Różnice odległości części styku montowanej powierzchniowo od podłoża układu elektrycznego mogą wynikać z różnic w położeniu styku w obudowie izolacyjnej, powstałych w procesie wkładania styku i z deformacji obudowy, powodujących wyginanie i paczenie warstwy łączącej korpusu złącza. Złącza wykonane według wynalazku mogą spełniać ostre wymagania na współpłaszczyznowość dzięki zastosowaniu cech, które powodują dokładne umieszczenie i uzyskanie dokładnych rozmiarów elementów topliwych, wykorzystywanych do mocowania złącza z podłożem i przez stosowanie sposobów mocowania styku, które zapobiegają kumulowaniu naprężeń w obudowie złącza, powodujących zniekształcenie obudowy.

W przykładach wykonania z fig. 1-23 metalowe styki są mocowane w izolacyjnych obudowach w taki sposób, aby uniknąć indukowania się naprężeń w korpusie obudowy. Mocowanie jest uzyskane przez zastosowanie odpowiednio ukształtowanej szczeliny lub otworu, w który wkładana jest część mocująca styku. W jednym układzie, szczególnie użytecznym dla mniejszych styków sygnałowych, szczelina ma kształt, który ściśle powtarza kształt i wymiary wszystkich powierzchni styku oprócz jednej. Ścianka szczeliny zwrócona na tę powierzchnię ma integralnie wytłoczony poprzeczny wypust, wystający do szczeliny. Odległość między oddalonym końcem wypustu a przeciwną ścianką szczeliny jest mniejsza niż grubość styku. Zatem oddalona część wypustu jest odpychana i deformowana przez styk, kiedy jest on wkładany w szczelinę. Styk jest utrzymywany w szczelinie przez prostopadłą siłę, wywieraną na styk przez odkształcalny wypust. Ponieważ oddalony koniec wypustu może się swobodnie deformować, narastanie naprężeń w obudowie nie występuje. W przedstawionych korzystnych przykładach wykonania, wypust zawiera piramidalne żebro, integralnie uformowane na jednej z bocznych ścianek szczeliny.

Przedstawiona specyficzna konfiguracja żebra jest uważana za optymalną dla danej obudowy, w której jest wykorzystywana, ale inne podobne żebra o nieco innym kształcie lub rozmiarach mogą być korzystnie wykorzystywane w innych typach obudów. Na fig. 29 i 30 widać, że styk sygnałowy 494 jest utrzymywany w szczelinie 496 i opiera się o żebro 498. Żebro posiada płaską powierzchnię 500, którą opiera się o styk 494 i leżące naprzeciw siebie skośne powierzchnie 502 i 504. Styk 494 jest pewnie utrzymywany w szczelinie przez dociśnięcie do tyłu i bocznych krawędzi szczeliny 496 i żebra 498. Część żebra sąsiadująca z powierzchnią 500 może swobodnie odkształcać się, kiedy styk 494

PL 192 431 B1 jest wpychany do szczeliny 496, zapobiegając w ten sposób powstawaniu naprężeń, które wynikają z wkładania styku.

Podobnie, styk zasilania/masy jest utrzymywany w szczelinie 508 i opiera się o odkształcalne żebro 510. Żebro posiada oddaloną część 512, którą opiera się o styk i leżące naprzeciw siebie skośne boki 514 i 516. W tym układzie występuje również przeciwnie położone żebro, jak na przykład żebro 518. To przeciwnie położone izolacyjne żebro ma oddaloną część 520 i skośne boki 522 i 524. Położone naprzeciw siebie żebra mogą być użyte do zamocowania większych styków i do centrowania styku w szczelinie.

Specjaliści w danej dziedzinie zauważą, że dany kształt, rozmiar, liczba i rozmieszczenie takich żeber mogą się zmieniać w różnych typach obudów, zaś elementy te są dobierane tak, aby w największy możliwy sposób ograniczać naprężenia obudowy do odkształcalnych żeber. Figura 31, którą wykonano przy użyciu programu analizy naprężeń ANSYS dostarczonego przez Ansys, Inc. z Houston z Pennsylvanii, pokazuje, że przy zastosowaniu układu mocowania styku przedstawionego na fig. 29 i 30, wysokie poziomy naprężeń są w zasadzie ograniczone do żeber i w zasadzie nie sięgają poza szczeliny montażowe styków, redukując w ten sposób znacznie niebezpieczeństwo skrzywienia lub skręcenia obudowy, co mogłoby w przeciwnym przypadku powstać w wyniku wkładania dużej liczby styków. Jednostką różnych powierzchni naprężeń pokazanych na fig. 31 jest N/mm², zaś mm jest jednostką pokazanego przemieszczenia. Figura 32 pokazuje, że dla typowego styku 494 zwiększenie odkształcenia (ściśnięcie) oddalonej części odkształcalnego żebra do około 0.0004 cala powoduje zwiększenie siły podtrzymującej między stykiem a obudową, wynikającej z siły prostopadłej, wywieranej na styk przez żebro. Powyżej 0.0004 cala deformacji(ściskania) uzyskiwany jest tylko niewielki wzrost siły podtrzymującej.

Jak wcześniej już wspomniano, innym czynnikiem wpływającym na współpłaszczyznowość powierzchni mocującej złącze do podłoża przy wykorzystaniu montażu BGA jest jednorodność rozmiarów kulek lutowia i rozmieszczenie kulek lutowia w stosunku do powierzchni mocującej obudowę złącza do płytki drukowanej.

W korzystnych przykładach wykonania opisanych wcześniej, końcówka każdego styku jest umieszczona w zagłębieniu. Zewnętrzne zagłębienia mają w zasadzie jednorodne rozmiary i kształty. Zagłębienia te dostarczają kilku cech istotnych dla wynalazku. Zagłębienia mogą przyjmować jednakową ilość pasty lutowniczej umieszczanej w nich na przykład w prostej operacji nakładania i ściągania nadmiaru. Zatem ilość lutowia dostępnego w celu mocowania każdej kulki lutowia do styku jest w zasadzie jednakowa. Zagłębienia lokalizują każdą kulkę lutowia względem poprzecznych kierunków X-Y przed przyłożeniem kulek lutowia do styków. Zagłębienia lokalizują również kulki lutowia w kierunku Z w stosunku do dolnej powierzchni obudowy i odległości kulki lutowia od końcówki styku.

Nominalne zanurzenie końcówki w zagłębieniu jest ustalane tak, aby przy maksymalnej tolerancji zanurzenia końcówki w zagłębieniu końcówka nie dotykała kulki lutowia, przez co mogłaby wpływać na jej położenie w kierunku Z. Jednakże mocowanie kulki lutowia do końcówki styku jest zapewnione przez dostarczenie do zagłębienia odpowiedniej ilości stosunkowo jednorodnego lutowia z pasty lutowniczej. Wszelkie zmiany odległości między końcówką styku a kulką lutowia są niwelowane przez zmienną ilość pasty lutowniczej dostarczanej do zagłębienia.

W celu utrzymania odpowiedniej ilości lutowia w sąsiedztwie kulki lutowia podczas etapu stapiania stosowanego do mocowania kulek lutowia do styków i zapobieżenia zwilżaniu przez lutowie powierzchni połączeniowych styku, styk jest poddawany obróbce uodparniającej go na zwilżanie lutowiem. Na fig. 33 przedstawione są styki 526 i 528, przymocowane do taśmy nośnej 530. Styki mają powierzchnię stykową 532 zwykle pokrytą metalami nieutleniającymi się, takimi jak złoto, pallad lub stopy palladu. Styki posiadają również centralny rejon 534, którego część stanowi rejon podtrzymywania styku w obudowie. Na centralny rejon 532 dostarczany jest materiał nie pozwalający na zwilżanie przez lutowie lub materiał niezwilżalny przez lutowie. Jednym z korzystnych materiałów do tego celu jest pokrycie niklowe.

Nie odwołując się do konkretnej teorii, uważa się, że odporność na lutowie rejonu pokrytego niklem wynika z lub jest zwiększana przez utlenienie niklu po pokryciu, na przykład przez wystawienie na działanie otaczającego powietrza przez kilka dni. Zaskakująco i nieoczekiwanie stwierdzono, że bariera z niklu lub z tlenku niklu zapobiega lub zmniejsza zwilżanie takich styków przez lutowie. Aby pokrycie z niklu lub z tlenku niklu uległo takiej pasywacji, korzystne jest, aby pokrycie miało grubość od 10 mikrocali do 100 mikrocali, a korzystniej około 50 mikrocali. Inne materiały odporne na zwilżanie lutowiem mogą być również użyteczne do tego celu, jak na przykład pokrycia odporne na lutowie za8

PL 192 431 B1 wierające fluor. Mogą być one szczególnie użyteczne, jeśli cały styk jest pokryty ciągłą warstwą zewnętrzną z metalu, który może być zwilżany przez lutowie, na przykład złoto. Powierzchnia połączeniowa 536 może być korzystnie pokryta materiałem zwilżalnym przez lutowie, takim jak złoto, cyna lub stopy cyny. Korzystnie cały styk będzie pokryty niklem. W górnej części znajduje się warstwa szlachetnego metalu selektywnie nałożona na niklu. Pokrycie ze szlachetnego metalu w górnej części ma korzystnie grubość od 10 mikrocali do 100 mikrocali, a bardziej korzystnie 30 mikrocali. W dolnej części znajduje się warstwa z materiału, który może być zwilżany przez lutowie, nałożona selektywnie na dolną część.

Alternatywnie, warstwa niklu może być zastąpiona przez powłokę galwaniczną z chromu. Na fig. 34 pokazano styki sygnałowe 538 i 540 wtyku, przymocowane do taśmy nośnej 542. Każdy z tych styków posiada pokryty złotem rejon końcówki 544, pokryty niklem, odporny na zwilżanie lutowiem centralny rejon podtrzymywania 536 i pokryty szlachetnym metalem rejon połączeniowy 548. Podobnie na fig. 35 pokazany jest styk 550 masy/zasilania, przymocowany do taśmy nośnej 552. Styk ten ma dolny rejon końcówki 554 pokryty złotem, pokryty niklem centralny rejon 556 odporny na zwilżanie i górny, pokryty złotem, rejon połączeniowy 558.

Inną cechą styku masy/zasilania 550, która, jak się okazało, redukuje zwilżanie, jest szereg karbów w rejonie końcówki 554, takich jak karby 560, 562 i 564. Inną cechą styku masy/zasilania 550, która została włączona w przykładach wykonań opisanych powyżej są pionowe szczeliny, takie jak szczelina 566. Na fig. 36, pokazano styk 568 masy/zasilania wtyku, który ma pokryty złotem dolny rejon końcówki 570, pokryty niklem centralny rejon odporny na zwilżanie 572 i górny rejon 574 pokryty złotem. Należy zauważyć, że styk masy/zasilania 568 nie ma oddzielnej taśmy nośnej, ale posiada otwory, takie jak otwór 576, który pozwala, aby sam styk spełniał funkcję nośnika. W przypadku każdego styku opisanego powyżej należy rozumieć, że cyna lub inny zwilżalny przez lutowie materiał może zastąpić złoto w dolnym rejonie. We wszystkich stykach pokazanych na fig. 33-36 szerokość dolnego, pokrytego złotem rejonu końcówki, jak na przykład oznaczonego przez w1 na fig. 36 wynosi korzystnie od około 0.1 mm do około 0.25 mm. Szerokość pokrytego niklem rejonu centralnego, na przykład oznaczonego przez w2 na fig. 36 jest korzystnie równa od około 0.1 mmdo około 1mm.

Na figurach 24-25 przedstawiono przykład wykonania wynalazku, mający inny układ mocowania kulek lutowia. Gniazdo tego złącza jest oznaczone ogólnie oznacznikiem 324. Gniazdo posiada ściankę podstawy 326, posiadającą powierzchnię zewnętrzną 328 i powierzchnię wewnętrzną 330. Na powierzchni zewnętrznej znajdują się zagłębienia, na przykład zagłębienia 332, 334, 336, 338 340 (fig. 25), 342 i 344 (fig. 24). Każde z tych zagłębień korzystnie ma skośną ściankę podstawy 360 o zaokrąglonej powierzchni 362. Na wewnętrznej powierzchni 330 znajdują się zagłębienia, na przykład zagłębienia 346, 348, 350, 352, 354 (fig. 25), 356 i 358 (fig. 24). Między zagłębieniami zewnętrznym i wewnętrznym znajdują się pośrednie szczeliny, jak na przykład szczeliny 364, 366, 368, 370, 372 (fig. 25), 374 i 376 (fig. 24). Każda z tych szczelin posiada wypust podtrzymujący (nie pokazany) w celu podtrzymywania styku w szczelinie, w zasadzie w taki sam sposób, jak wcześniej opisany w związku z fig. 29 i 30. Na wewnętrznej powierzchni gniazdo posiada w zasadzie taką samą konstrukcję jak gniazdo przedstawione na fig. 1 i 2. Zawiera górną część 436 przymocowaną do podstawy 326 w odpowiedni sposób, korzystnie przez zatrzaski (nie pokazane), jak opisano w stosunku do fig. 1 i 2. Górna część lub pokrywa 436 posiada liczne otwory, jak na przykład otwory 452 i 460 w celu umieszczania w nich poszczególnych styków współpracującego z gniazdem wtyku lub szczeliny, jak na przykład szczeliny 454, 456, 468 (fig. 25) w celu umieszczenia w nich styków zasilania lub masy współpracującego z gniazdem wtyku. Styki sygnałowe, takie jak styk 408 i styki masy/zasilania mają kształt w zasadzie taki, jak opisany w stosunku do dowolnego poprzedniego przykładu wykonania. Na przykład, styk masy 382 (fig. 25) posiada dolną część 384, która przechodzi w płytkę 386.

Styk ten posiada również górną część, oznaczoną ogólnie jako 388, złożoną z ramion 390 i 392 rozwidlenia. Każde z ramion posiada część zbieżną 394 i rozbieżną część prowadzącą 396. Końcówka 386 jest umieszczona w zagłębieniu 336. Każdy styk sygnałowy, jak na przykład styk 408, posiada górną część 410 ze skierowanym do przodu wypustem 412 i skierowanym do tyłu wygięciem 414. Styk sygnałowy posiada również część pośrednią 416, która opiera się o izolacyjną obudowę i dolną końcówkę 418, umieszczoną w zagłębieniu 334.

PL 192 431 B1

Końcówka 386 styku 382 masy i końcówka 418 styku sygnałowego 408 są utworzone przez wygięcie końcowych części odpowiednich styków wzdłuż powierzchni 362, po włożeniu styków do podstawy 326. Każda powierzchnia 362 służy jako bęben dla zginania odpowiedniej końcówki styku. Końcówki są wyginane maksymalnie do skośnej powierzchni 360 i mogą sprężynować z powrotem tak, że końcówki są poprzeczne do wzdłużnej osi styku i są w zasadzie równoległe do powierzchni 328. Zapewnia to wysoki stopień współpłaszczyznowości płytek. Po uformowaniu końcówek nakładana jest pasta lutownicza na zewnętrzną powierzchnię każdej końcówki. Kulki lutowia, jak na przykład 398, 400, 402, 404, 406 (fig. 25), 426 i 428 (fig. 24) są następnie nakładane na końcówki i zespół jest ogrzewany w celu stopienia pasty lutowniczej i kulki lutowia na każdej płytce. W alternatywnej konstrukcji, pokazanej na fig. 24a, zagłębienia 334a są pogłębione, tak że powierzchnie 360a i 362a są umieszczone dalej od dolnej powierzchni 328a. W efekcie kulka lutowia 398a jest umieszczona częściowo wewnątrz zagłębienia 334a i jest stabilizowana przez jego krawędzie, jak poprzednio opisano w szczególności w stosunku do fig. 12 i 13. W wyniku tego, kiedy stosowane są kulki lutowia o bardzo jednorodnych rozmiarach, układ taki może zapewnić wykończonym złączom współpłaszczyznowość styków wzdłuż warstwy mocującej.

Oznacznikiem 430 oznaczono ogólnie wtyk posiadający ogólnie taką samą konstrukcję jak wtyki opisane wcześniej. Zawiera on ściankę podstawy 432, posiadającą powierzchnie zewnętrzną 434 i powierzchnię wewnętrzną 436. Na zewnętrznej powierzchni znajdują się zagłębienia, jak na przykład zagłębienia 438, 440, 442, 444 i 446. Każde zagłębienie posiada skośną ściankę podstawy 448 i wygiętą ściankę 450. Z każdym zagłębieniem są połączone szczeliny stykowe 452, 454, 456, 458 i 460. Wtyk ma również pewną liczbę styków zasilania/masy, jak na przykład styk oznaczony przez 462.

Każdy taki styk posiada część stykową 464, która opiera się o rozwidlenia styku masy/zasilania w gnieździe. Styki te mają również pośrednią część 466, podtrzymującą styk w obudowie i końcówkę 468 dla kulki lutowia, do której mocowana jest kulka lutowia 470. Wtyk zawiera również pewną liczbę styków sygnałowych, jak na przykład styk oznaczony przez 476. Każdy styk sygnałowy zawiera część połączeniową 478, która łączy się ze stykiem sygnałowym w gnieździe, pośrednią część 480, która podtrzymuje styk w obudowie i końcówkę 482 dla kulki lutowia, do której montowana jest kulka lutowia. Inne styki sygnałowe, jak 486 i 488 są połączone z innymi kulkami lutowia, jak 490 i 492. Końcówki dla kulek lutowia są formowane i kulki lutowia 470, 474, 484, 490 i 492 są nakładane na wtyk w zasadzie w ten sam sposób, jak opisano wcześniej w stosunku do gniazda.

W sposobie według wynalazku, elementem przewodzącym jest korzystnie kulka lutowia. Specjaliści w danej dziedzinie jednak zauważą, że możliwe jest zastąpienie jej innymi materiałami topliwymi, które mają temperaturę topnienia mniejszą niż temperatura topnienia korpusu izolacyjnego. Element topliwy może również mieć kształt inny niż kulisty. Kulka lutowia lub inny element przewodzący posiada również korzystną średnicę, która jest równa od 50 do 200% szerokości zagłębienia. Średnica jest również korzystnie zależna od głębokości zagłębienia i jest równa od 50 do 200% głębokości zagłębienia. Objętość kuli lutowia jest równa korzystnie od około 75%do około 150% objętości zagłębienia i, korzystniej, ma mniej więcej objętość taką jak zagłębienie. Końcówka styku sięga w zagłębienie na tyle, aby uzyskać odpowiednie pole powierzchni dla przymocowania kulki lutowia i zwykle korzystnie wystaje w zagłębieniu na 25 do 75%, a korzystniej na około 50% głębokości zagłębienia, jak wspomniano wcześniej. Zagłębienia zwykle są kołowe, kwadratowe lub mają przekrój poprzeczny w kształcie dowolnego wielokąta foremnego. Kiedy elementem przewodzącym jest lutowie, jest ono korzystnie stopem, zawierającym około 90% cyny i 10% ołowiu do około 55% cyny i 45% ołowiu.

Korzystniej stop jest eutektyczny i zawiera 63% cyny i 37% ołowiu i ma punkt topnienia 183°C. Zwykle „twardy” stop lutowia o wyższej zawartości ołowiu jest używany do takich materiałów jak ceramiki. „Twarda” kulka lutowia tworzy „grzybek” lub zniekształca się nieco, kiedy mięknie w typowych warunkach SMT, ale nie topi się. „Miękka” kulka eutektyczna jest używana do mocowania do płytek drukowanych i zwykle stapia się i odtwarza w typowych warunkach SMT. Przyjmuje się, że inne znane lutowia, odpowiednie do zastosowań elektronicznych mogą być również stosowane w tym przypadku. Takie lutowia zawierają, bez ograniczeń, dopuszczalne w zastosowaniach elektronicznych stopy cynaantymon, cyna-srebro i ołów-srebro oraz ind. Przed umieszczeniem kulki lutowia lub innego elementu przewodzącego w zagłębieniu, zagłębienie jest zwykle napełniane pastą lutowniczą.

Alternatywnie, w miejsce opisanej wcześniej kulki lutowia można przymocować bryłę materiału, który nie topi się w temperaturach SMT, stapiając pastę lutowniczą na końcówce w zagłębieniu. Warstwa mocująca złącza będzie zawierała liczne nietopliwe kulki ułożone w ciasnej, współpłaszczyznowej matrycy. Takie złącze jest mocowane do podłoża tradycyjnymi technikami SMT.

PL 192 431 B1

Chociaż uważa się, że pasta lutownicza lub krem zawierający dowolny tradycyjny organiczny lub nieorganiczny topnik lutowniczy może być dostosowana do użycia w tym przypadku, korzystne jest, aby używać nieczyszczącej pasty lutowniczej lub kremu. Takie pasty lutownicze lub kremy zawierają stopy w postaci drobnego proszku zawieszonego w odpowiednim materiale topnikowym. Proszek ten jest zwykle stopem, a nie mieszaniną składników. Stosunek lutowia do topnika jest zwykle duży i sięga 80 -95% wagowo lub około 80% objętościowo. Krem lutowniczy powstaje, kiedy materiał lutowia jest zawieszony w topniku z kalafonii. Korzystnie topnik z kalafonii jest białym topnikiem z kalafonii lub niskoaktywnym topnikiem z kalafonii, chociaż do różnych celów można stosować kalafonie aktywowane lub superaktywowane. Pasta lutownicza powstaje, kiedy stop lutowia w postaci delikatnego proszku jest zawieszony w topniku z kwasu organicznego lub w topniku z kwasu nieorganicznego. Kwasy organiczne mogą być wybrane spośród kwasów mlekowego, oleinowego, stearynowego, ftalowego, cytrynowego lub innych podobnych.

Kwasy nieorganiczne mogą być wybrane spośród kwasów chlorowodorowego, fluorowodorowego i ortofosforowego. Krem i pasta mogą być nakładane pędzlem, przesiewanie lub wyciskanie na powierzchnię, która może być korzystnie stopniowo podgrzewana dla zapewnienia dobrego zwilżania.

Chociaż stwierdzono, że zwilżanie styku przez lutowie jest znacznie zredukowane, kiedy jest używana pasta lutownicza lub krem, uważa się, że pasta zawierająca tylko topnik lutowia może być również użyta, kiedy zostanie zastosowany odpowiedni czynnik pasywujący. Takim odpowiednim czynnikiem pasywującym jest zawierające fluor pokrycie odporne na lutowie, jak na przykład FLUORAD, które jest dostępne w firmie 3M Corporation.

Grzanie jest korzystnie realizowane w modułowym przenośnikowym piecu stapiania lutowia podczerwienią. Lutowie jest zwykle ogrzewane do temperatury od około 183°C do około 195°C, ale zależnie od materiału obudowy, mogą być używane lutowia mające [wyższe?] temperatury topnienia. Piec przenośnikowy korzystnie pracuje z szybkością od około 10 do 14 cali na sekundę i przesuwa przenośnik przez liczne kolejne fazy grzania przez całkowity czas równy około 5 minut do około 10 minut. Przed umieszczeniem w piecu przenośnikowym obudowa złącza, styki i elementy lutowia mogą być wstępnie ogrzewane w podwyższonej temperaturze przez przynajmniej godzinę. W piecu przenośnikowym profil temperatury jest ustalony w oparciu o odpowiednią temperaturę maksymalną, maksymalna szybkość zmian temperatury i czas utrzymywania temperatury powyżej temperatury stapiania.

Temperatura maksymalna jest najwyższą temperaturą osiąganą przez obudowę. Dla elementu lutowia o punkcie topnienia 183°C, maksymalna temperatura jest zwykle między 185 a 195°C. Maksymalna szybkość zmian 5 jest mierzona w °C/sek i określa jak szybko temperatura obudowy złącza może się zmieniać, tak aby uniknąć paczenia lub wyginania. Dla większości zastosowań tego sposobu, maksymalna dodatnia szybkość zmian jest początkowo korzystnie równa od około 2°C/sek do 15°C/sek. Po osiągnięciu punktu zwilżania lutowia, wprowadzana jest ujemna szybkość zmian równa korzystnie -2°C/sek do 15°C/sek.

Ważnym aspektem sposobu według wynalazku jest minimalizowanie czasu utrzymywania temperatury powyżej temperatury topnienia. Czas ten jest mierzony jako czas, w którym element lutowia jest w fazie ciekłej.

Stwierdzono, że kiedy minimalizuje się czas, w którym lutowie jest w fazie ciekłej, zwilżanie lutowia od zagłębienia w górę styku jest wyeliminowane lub znacznie zmniejszone. Korzystnie czas narastania temperatury mierzonej na płytce między 180°C a 200°C i czas opadania temperatury mierzonej na płytce między 200°C a 180°C jest w obu przypadkach równy około 10 sekund do około 100 sekund. Nie odwołując się do rozważań teoretycznych, uważa się, że podczas takiego stosunkowo krótkiego czasu naprężenia powierzchniowe ciekłego elementu lutowia powstrzymają ciekłe lutowie przed wpłynięciem przez szczelinę stykową w podstawie zagłębienia. Po tym czasie jednak ciekłe lutowie zacznie płynąć przez szczelinę stykową i zwilży styk.

Przed zwiększeniem temperatury elementu lutowia do temperatury topnienia, może być również korzystne wprowadzenie początkowo stosunkowo dużej szybkości zmian, ale przed osiągnięciem temperatury topnienia należy zwolnić szybkość narastania lub opadania temperatury, po czym przyjąć stosunkowo dużą szybkość aż do osiągnięcia temperatury topnienia. Dobór odpowiedniego materiału obudowy może również poprawić wyniki. Korzystnie materiał obudowy jest całkowicie aromatycznym poliestrem ciekłokrystalicznym (LCP), charakteryzującym się wysoką temperaturą zeszklenia, niskim współczynnikiem cieplnym, niską absorpcją wilgoci, dużą odpornością na kruche pękanie, dobrym płynięciem i niską lepkością, wysoką temperaturą i wysokim punktem zapłonu.

PL 192 431 B1

Sposób według wynalazku jest dalej opisany w odniesieniu do poniższych przykładów.

P r zyk ł a d 1

Została wykonana izolowana obudowa do wtyku i gniazda złącza w zasadzie zgodnie z opisem odnośnie fig. 1-18. W obudowie umieszczono również styki, w zasadzie zgodne z opisem. Styki są wykonane z brązu berylowego i są pokryte złotem na całej powierzchni do grubości 30 mikronów. Materiałem obudowy był ciekłokrystaliczny polimer (LCP) DUPONT H6130. Długość i szerokość wtyku wynosi odpowiednio 52.5 mm (włącznie z zaczepami montażowymi) i 42.36 mm. Zagłębienia na powierzchni zewnętrznej wtyku i gniazda mają kwadratowy przekrój poprzeczny o długości boku 0.62 mm i głębokości 0.4 mm. Około 2 mm styku znajduje się w zagłębieniu. Inne wymiary są ogólnie proporcjonalne do powyższych wymiarów zgodnie z fig. 1-18. Na zewnętrznych powierzchniach zarówno wtyku jak i gniazda zagłębienia wypełniono lub w zasadzie wypełniono nieczyszczącym kremem lutowniczym CLEANLINE LR 725, który można uzyskać w handlu z firmy Alphametals, Inc. z Jersey City ze stanu New Jersey. Zarówno wtyk jak i gniazdo zostały położone powierzchniami zewnętrznymi na pewną ilość kulek lutowia, tak że w każdym zagłębieniu została osadzona kulka lutowia. Użyte kulki lutowia były wykonane z beztopnikowego materiału 63SN/37PB z firmy Alphametal i miały średnice 0.030 cala ± 0.001 cala i masę około 0.00195 g.

Wtyk i gniazdo zostały następnie poddane obróbce przy pomocy FLUORAD, materiałem przeciw zwilżaniu przez lutowie, dostępnym w firmie 3M Corporation. Po takiej obróbce wtyk i gniazdo były suszone w piecu konwekcyjnym przez 2 godziny w temperaturze 105°C. Wtyk i gniazdo zostały następnie umieszczone w oddzielnych płytkach drukowanych, wykonanych z tradycyjnej wzmocnionej żywicy epoksydowej, używanej do produkcji płytek drukowanych. Płytki miały grubość 0.061 cala. Zgodnie z fig. 9 na zewnętrznej powierzchni wtyku, w miejscu T umieszczono termoparę. Inna termopara była umieszczona centralnie na powierzchni płytki podtrzymującej w sąsiedztwie wtyku. Zarówno wtyk jak i gniazdo były następnie poddawane obróbce podczerwienią w przenośnikowym piecu do stapiania lutowia. Jak jest przyjęte w takim typie pieca, wtyk i gniazdo były przesuwane przez sześć stref w piecu stapiania. Szybkość przenośnika była równa 13 cali na minutę.

Temperatury grzania w każdej strefie są pokazane w tabeli 1. Minimalne i maksymalne temperatury wtyku i płytki podtrzymującej są pokazane w tabeli 2. W tabeli 3 pokazano zarówno dodatnie jak i ujemne szybkości zmian temperatury. W tabeli 4 pokazano czasy narastania i opadania temperatury między 180°C a 200°C zmierzone na płytce. Zależność temperatury od czasu i odległości dla wtyku jest pokazana na wykresie na fig. 26a, gdzie gruba linia przedstawia temperaturę zmierzoną przez termoparę na płytce podtrzymującej, zaś cienka linia przedstawia temperaturę zmierzoną przez termoparę na zewnętrznej powierzchni wtyku. Optyczne badanie wtyku i gniazda po stopieniu lutowia wykazało, że niemal wszystkie kulki lutowia zostały przymocowane do wyprowadzeń styków w ich wnękach. Wysokość kulki lutowia ponad zewnętrznymi powierzchniami wtyku i gniazda również okazała się stosunkowo jednorodna. Nie było zauważalnych spaczeń lub wygięć obudowy.

P r zyk ł a d 2

Przygotowano inny wtyk i gniazdo w zasadzie w taki sam sposób jak opisano w przykładzie 1, zaś kulki lutowia umieszczono w zagłębieniach na powierzchniach zewnętrznych. Kilka godzin po obróbce w piecu stapiania lutowia w przykładzie 1, kiedy warunki atmosferyczne były nieco inne, inny wtyk i inne gniazdo, w zasadzie podobne do użytych w przykładzie 1 były poddane podobnemu ogrzewaniu, jak w przykładzie 1. Parametry pieca pokazano w tabeli 1. Temperatury minimalna i maksymalna wtyku i sąsiedniej płytki podtrzymującej są pokazane w tabeli 2. Zarówno dodatnie jak i ujemne maksymalne szybkości zmian temperatury są pokazane w tabeli 3, czasy narastania i opadania zmierzone na płytce między 180°C a 200°C są pokazane w tabeli 4.

Zależność temperatury od czasu i odległości jest pokazana na fig. 26b. Można zauważyć, że krzywa pokazana na fig. 26b jest nieco inna niż krzywa pokazana na fig. 26a, przy czym różnica jest przypisywana innym warunkom otaczającej atmosfery. Optyczne badanie powstałego złącza wykazało podobne wyniki do uzyskanych w przykładzie 1.

PL 192 431 B1

T ab el a 1 Temperatura (°C)

Przykład	Strefa	#1	#2	#3	#4	#5	#6
1	górna	350	nie grzana	275	230	310	nie grzana
1	dolna	nie grzana	nie grzana	275	30	310	nie grzana
2	górna	350	nie grzana	275	230	310	nie grzana
2	dolna	nie grzana	nie grzana	275	230	710	Nie grzana

Ta bel a 2

Przykład	Złącze	Płytka
	Maks. temp. (°C)	Czas (min i sek)	Maks. temp. (°C)	Czas (min i sek)
1	188	4:37.6	-	-
1	-	-	232	4:19.8
2	191	4:53.2	-	-
2	-	-	229	5:10.4

Ta bel a 3

Dodatnia i ujemna maksymalna szybkość zmian °C/sek

Przykład	Złącze	Płytka
	Maksimum	Uzyskany czas (min i sek)	Maksimum	Uzyskany czas (min i sek)
1	+2	0:50.4	+2	0:30.4
1	-2	6:45.2	-3	5:58.8
2	+3	7:08.0	+3	1:14.8
2	-15	6:13.8	-7	6:14.0

Ta bel a 4

Czas narastania i czas opadania temperatury między 180°C a 200°C (mierzonej na płytce)

Przykład	Czas narastania (min i sek)	Czas opadania (min i sek)
1	0:28.8	0:15.2
2	1:31.6	0:40.6

P r zyk ł a d 3

Wykonano inny styk złącza, stosując w zasadzie te same warunki, jak opisane w przykładach 1 i 2 z wyjątkiem tego, że odpowiednie krzywe pokazane na fig. 26a i 26b mogą być nieco inne ze względu na warunki atmosferyczne. Po zakończeniu prac nad złączem, kulki lutowia w sześciu miejscach na zewnętrznej powierzchni wtyku były zbadane przy pomocy Laser Point Range Sensor (PRS) uzyskanego z firmy Cyber Optics Corporation z Minneapolis ze stanu Minnesota. Zgodnie z fig. 9, miejsca te są oznaczone jako 27a i 27b, kiedy wiązka laserowa została skierowana od L1, jako 27c i 27d, kiedy wiązka laserowa została skierowana z L2 i jako 27e i 27f, kiedy wiązka laserowa została skierowana z L3. We wszystkich miejscach zarejestrowano profil laserowy dla profili pięciu kulek lutowia w każdym

PL 192 431 B1 z tych miejsc. Reprodukcje profili laserowych pokazano na fig. 27a-27f. Wysokość każdej kulki lutowia w najwyższym punkcie powyżej płaszczyzny powierzchni zewnętrznej wtyku jest pokazana w tabeli 3. Dla każdej z tych grup kulka lutowia najbliższa przodu wtyku, jak pokazano na fig. 9, jest opisywana w tabeli 5 na pierwszej pozycji i jest pokazana z lewej strony na wykresach z fig. 27a-27f. Obserwacja tych wyników wykazuje, że w każdej grupie pięciu kulek lutowia występuje dopuszczalny stopień niejednorodności wysokości kulek lutowia.

Tabel a 5

Wysokość położenia (0.001 cala)

Grupa	1	2	3	4	5
27a	18.1	18.9	19.5	19.6	19.1
27b	19.2	18.5	17.6	18.5	18.0
27c	20.4	21.1	21.6	21.1	21.4
27d	19.9	20.1	20.1	21.2	20.5
27e	18.2	18.9	19.3	18.2	18.7
27f	19.1	18.2	19.0	18.2	18.9

Przykład 4

Inne styk złącza został wykonany w zasadzie zgodnie z warunkami opisanymi w przykładach 1 i 2 z wyjątkiem tego, że ze względu na warunki atmosferyczne odpowiednie krzywe pokazane na fig. 26a i 26b mogą być nieco inne. W niemal wszystkich przypadkach kulki lutowia były zadowalająco przyczepione do wyprowadzeń styków i kulki lutowia miały akceptowalną jednorodną wysokość nad zewnętrznymi płaszczyznami wtyku i gniazda przy badaniu optycznym.

Zastosowano wzornik ze wzorem dopasowanym do rozmieszczenia kulek lutowia zarówno na wtyku jak i gnieździe w celu nałożenia pasty lutowniczej na przewodzące punkty lutownicze na dwu różnych płytkach drukowanych, mających grubość 0.061 cala. Wtyk umieszczono na jednej płytce drukowanej, zaś gniazdo umieszczono na drugiej. Wtyk i gniazdo były następnie znów oddzielnie poddawane obróbce w piecu przenośnikowym w warunkach podobnych do opisanych odnośnie mocowania kulek lutowia do styków poza tym, że prędkość przenośnika była obniżona do 11 cali/sekundę. Po ochłodzeniu, stwierdzono, że wtyk i gniazdo zostały zadowalająco przylutowane do odpowiednich płytek. Fotografie rentgenowskie pokazujące wybrane kulki lutowia są dołączone na fig. 28a i 28b.

Wykonano mikroskopem elektronowym zdjęcia przekroju poprzecznego w celu sprawdzenia przylutowania kulek lutowia do wyprowadzeń styków sygnałowych i przylutowania kulek lutowia do materiału płytki drukowanej. Zdjęcia mikroskopu elektronowego są pokazane odpowiednio na fig. 28c i 28d. Wystąpiło tylko jedno zwarcie między sąsiednimi stykami sygnałowymi i uzyskano dobre połączenia między stykami i kulkami lutowia oraz między kulkami lutowia i płytkami we wszystkich innych punktach.

Opisano styk dla złącza elektrycznego sposób jego wytwarzania, przy czym złącze może wykorzystywać technologie BGA do montażu na płytkach drukowanych. Zaskakująco i nieoczekiwanie stwierdzono również, że występuje stosunkowo wysoka jednorodność profili kulek lutowia oraz, w szczególności, wagi i/lub objętości kulek lutowia.

Opisane układy mogą być użyte w stosunku do innych elementów niż złącza, zawierających obudowy wykonane z materiałów izolacyjnych, podtrzymujących elementy, które mają być przy lutowane do płytki drukowanej lub innego podłoża elektrycznego.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób wytwarzania złącza elektrycznego do zamontowania na podłożu oraz posiadającego powierzchnię montującą do podłoża i powierzchnię współpracującą, znamienny tym, że dostarcza się element izolacyjny, zawierający pierwszą powierzchnię odpowiadającą powierzchni współpracującej złącza i drugą powierzchnię odpowiadającą powierzchni montującej do podłoża złącza, dostarcza się przewodzący elektrycznie styk w pobliżu wymienionej pierwszej powierzchni z częścią styku rozciągającą się w elemencie izolacyjnym w kierunku wymienionej drugiej powierzchni, dostarcza się liczne wnęki na powierzchni montującej do podłoża złącza, ustawia się liczne zasadniczo kuliste, przewodzące elektrycznie elementy w wymienionych wnękach i przylutowuje się wymienione elementy przewodzące do części styku rozciągającego się do drugiej powierzchni.
2. Sposób wytwarzania złącza elektrycznego do zamontowania na podłożu oraz posiadającego powierzchnię montującą do podłoża i powierzchnię współpracującą, znamienny tym, że dostarcza się element izolacyjny, zawierający pierwszą powierzchnię odpowiadającą powierzchni współpracującej złącza i drugą powierzchnię odpowiadającą powierzchni montującej do podłoża złącza, dostarcza się przewodzący elektrycznie styk na wymienionym elemencie izolacyjnym z częścią styku rozciągającą się do elementu izolacyjnego i z częścią ustawioną w pobliżu wymienionej drugiej powierzchni, dostarcza się liczne wnęki na powierzchni montującej do podłoża złącza na części styku ustawionej w pobliżu drugiej powierzchni, ustawia się liczne zasadniczo kuliste, przewodzące elektrycznie elementy w wymienionych wnękach i przylutowuje się wymienione elementy przewodzące do części styku rozciągającego się do drugiej powierzchni.