專利名稱：表面安裝的電氣元件和用于安裝并保持該電氣元件的方法
技術領域：
本發明涉及其保持特性得到改善的表面安裝的電氣元件以及用于將電氣元件安裝和保持在基板上的方法。
背景技術：
本領域已知有各種用于使元件例如連接器和集成電路器件與印刷電路板電連接的方法。表面安裝技術作為節約成本的方法而日益被采用。表面安裝技術的示例包括針柵陣列(PGA’s)、球柵陣列(BGA’s)、柱柵陣列(CGA’s)和基板柵格陣列(LGA’s)。通常在這些方法中，將釬焊膏引入到所要連接的表面之間，使釬焊膏回流然后冷卻以形成一機械和導電連接。
如名稱所暗示的一樣，球柵陣列(BGA’s)采用了布置在電氣元件的一側上的焊料凸起或焊球的格柵或陣列來實現與印刷電路板的機械和電連接。焊球附著位置通常被稱為焊盤或焊墊。利用通過屏蔽或遮蔽技術將釬焊膏設置在焊盤(和/或在焊球)上，然后將電氣元件設置在電路板上，從而使焊球和焊盤對準。然后在足以使得焊料和至少一部分或所有焊球能夠流動并且熔融的高溫下處理該電路板，從而使在下面的焊盤/焊墊形成電氣連接。例如參見受讓給本專利的受讓人的美國專利No.6325644和在那份專利內的所有專利，這些都結合到本專利作為參考。
可以采用從電氣元件延伸出的定位銷便于電氣元件的初始對準。在沿著焊盤/焊墊的陣列周邊的位置處將這些定位銷插入到位于電路板的通孔中。銷直徑可以稍微大于相應的通孔直徑，從而實現干涉配合。或者，銷直徑可以小于通孔直徑。在該情況下，可以將粘接劑或釬焊膏施加在通孔中和其周圍以使電氣元件保持在基板上。
通過選擇具有相對較小直徑的定位銷并且在通孔內施加焊料，從而使得BGA焊球能夠在回流過程中漂浮(也就是說，沒有受到嚴格限制)，從而導致自動對準和最終的低應力焊接頭。但是當在回流熱基本上消散之前操作該電路板時或者在使該電路板轉動以便能夠通過隨后的回流步驟將其它電氣元件安裝在其它可用表面區域上時，該結構會損害元件保持力。
因此，需要這樣一種將電氣元件安裝在基板上的方法，它提供了低應力焊接頭同時在隨后的雙面操作期間和/或在第二回流步驟期間的處理中有效地保持著所安裝的元件。
發明內容
本發明提供了用于將電氣元件安裝在基板上的方法。根據本發明的第一優選實施方案，提供了一種用于將電氣元件安裝并且保持在至少經過兩個熱循環的基板上的方法。該方法包括以下步驟將第一焊料組分的釬焊膏設置到基板的保持通孔中；將從電氣元件處延伸并且具有相對較小直徑的保持銷插入到保持通孔中；使該基板進行第一熱循環，從而與保持通孔和保持銷中的至少一個相連的材料轉移到釬焊膏中以形成具有其熔點比第一焊料組分的熔點更高的混合焊料組分；然后使該基板進行其峰值溫度小于所述混合焊料組分的熔點的第二熱循環。
根據本發明的另一個優選實施方案，提供一種制作電子組件的方法。該方法包括以下步驟提供包括具有壁的保持通孔的電路板；提供具有從中延伸出的保持銷的電連接器，其中所述保持銷其直徑小于保持通孔并且由包含貴金屬的材料制成；將第一焊料組分的釬焊膏設置到保持通孔中；將保持銷插入到保持通孔中；并且使釬焊膏回流，從而在最初與保持銷相連的至少一些貴金屬轉移到釬焊膏中以形成混合焊料組分。
根據本發明的再一個優選實施方案，提供一種用于將電氣元件安裝在基板的兩個相對側面上的方法。該方法包括以下步驟提供包括第一和第二側面以及第一和第二保持通孔的基板；提供包括從中延伸的第一保持銷的第一電氣元件，其中所述第一保持銷其直徑小于所述第一保持通孔的直徑，并且在其上具有鍍層材料；將具有第一焊料組分的釬焊膏設置到所述第一保持通孔中；將所述第一電氣元件并置在基板的第一側面上，并且將所述第一保持銷插入到所述第一保持通孔中；加熱該基板，從而至少一部分鍍層材料從第一保持銷轉移到釬焊膏中，形成其熔點高于所述第一焊料組分的混合焊料組分；將第一焊料組分的釬焊膏設置到所述第二保持通孔中；提供包括從中延伸出的第二保持銷的第二電氣元件，其中所述第二保持銷的直徑小于所述第二保持通孔的直徑；將所述第二電氣元件并置在所述基板的第二側面上，并且將所述第二保持銷插入到所述第二保持通孔中；并且將所述基板加熱至足以使得所述第一焊料組分回流并且低于所述混合焊料組分的熔點的溫度。
本發明還提供了電子組件。根據本發明的一個優選實施方案，提供一種電子組件，它包括一電路板，該電路板包括具有壁的保持通孔；安裝在電路板上的一電氣元件，它包括一外殼和從中延伸出的保持銷，其中所述保持銷設置在所述保持通孔中并且其直徑小于所述保持通孔；以及回流焊料，它設置在所述保持通孔中并且包圍著至少一部分所述保持銷，其中回流焊料包括與保持銷和保持通孔壁中的至少一個在最初相連的材料，并且其中回流焊料的熔點高于純焊料的熔點。
根據本發明的另一個優選實施方案，提供一種電子組件，它包括具有保持通孔的電路板；安裝在該電路板上的電氣元件，它具有一外殼和從中延伸出的保持銷，其中所述保持銷設置在所述保持通孔內并且其直徑小于所述保持通孔；以及回流焊料，它設置在所述保持通孔中并且包圍著所述保持銷，其中所述回流焊料重量的至少大約0.5％為包括貴金屬的添加劑。
根據本發明的再一個優選實施方案，提供一種電子組件，它包括具有保持通孔的電路板；安裝在該電路板上的電氣元件，它具有一外殼和從中延伸出的保持銷，其中所述保持銷設置在所述保持通孔內，其直徑小于所述保持通孔并且在其上具有鍍層材料；以及回流焊料，它設置在所述保持通孔中并且包圍著所述保持銷，其中所述回流焊料包括從保持銷轉移的鍍層材料重量的至少大約0.5％。
在附屬的并且構成本申請的一部分的權利要求書中具體給出了具有新穎性的這些和各個其它特征及其相應的優點。但是，為了便于理解本發明的各個方面，應該參照構成其另一部分的附圖，并且參照其中描述了優選實施方案的隨后的說明內容。
圖1為設計并且構成用來表面安裝在基板上的電子元件的立體圖。
圖2為包括表面安裝焊盤的電路板的平面圖。
圖3為由本發明提供的電子組件實施方案的局部側視圖，顯示出安裝在電路板上的包括球柵陣列互連的電子連接器。
圖4為由本發明提供的電子組件實施方案的局部立體圖，顯示出安裝在電路板上的包括球柵陣列互連和設置在填充有焊料的通孔中的保持銷的電子連接器。
圖5為通過包圍著保持銷的焊料設置在基板保持通孔中的電子元件保持銷的局部剖視圖。
圖6為由本發明提供的電子組件實施方案的局部立體圖，它包括表面安裝在電路板的兩側上的電子元件。
具體實施例方式
本發明的優選實施方案涉及具有改善的保持特性的表面安裝的電氣元件及其制造方法。現在參照這些附圖，其中相同的附圖標記在全部視圖中表示相應的結構，并且具體參照圖1，該圖顯示出連接器形式的電氣元件10，它包括一外殼20、從外殼下表面22延伸出的焊球21的一個陣列以及從外殼下表面22延伸出并且與焊球21間隔開的保持銷25。每個焊球21與存在于外殼20內的多個傳統端子(未示出)的一個的端部連接。這些端子的相對端部可以由電氣元件例如集成芯片或相配的電連接器接合。
電連接器10適用于表面安裝在基板例如在圖2中所示的印刷電路板40上。印刷電路板40包括第一側42、與焊球21的陣列對應地設置在該側42上的焊盤或焊墊41的一個陣列以及其設計和構成用來容納保持銷25的保持通孔45。
參照圖3和4，為了將電連接器10安裝在電路板40上，首先將釬焊膏50施加在焊盤或焊墊41上，并且施加在保持通孔45中和/或其周圍。可以采用許多本領域普通技術人員容易理解的技術例如絲網印刷術、屏蔽或遮蔽來施加釬焊膏。優選地，釬焊膏50為其熔點大約為183℃的錫鉛共晶合金。電連接器10與電路板40并置，并且通過將保持銷25插入到焊料容納保持通孔45中而使各個焊球21與相應焊盤或焊墊41大體上對準。然后，優選在采用對流或輻射熱源的固定或帶式爐中使電路板/元件組件回流(進行熱循環)。可以在選自包括干的氮氣、合成氣體或氫氣組的環境中進行焊料回流。回流過程通常包括使電路板-元件組件受到峰值溫度(或等于或高于釬焊膏熔點的溫度)在15-150秒之間的時間內的熱循環。回流過程是常規的并且在文獻中有記載。
現在參照圖5，優選地，保持銷25具有小于保持通孔的直徑46的直徑26，從而使得要表面安裝在該電路板上的元件能夠浮動。例如，銷直徑26大約為0.9mm，而相應的通孔直徑46大約為1.1mm；但是這些具體直徑和這兩個直徑之間的差值可以更大或更小。該結構促進了焊球21與焊盤41的自動對準，并且導致低應力的焊接頭。
在將電連接器10安裝在電路板40上之后(如在圖2中可以看出的一樣)，最好在不會影響前面形成的焊接的情況下在高于釬焊膏50的熔點的溫度下對電路板/元件組件進行進一步處理。本發明提供了方法實施方案，用來在最初元件安裝期間或之后通過改變在保持通孔45內的焊料組分來改善采用了其直徑小于通孔直徑的保持銷的所安裝的電氣元件的保持力。為了改變焊料組分，給保持銷25鍍上包含貴金屬例如金、鈀、鉑、銀、銠、銥、鋨、釕或錸的材料。在第一次回流期間(或之后不久)，至少一部分貴金屬鍍層材料從保持銷25轉移并留在保持通孔45內的釬焊膏50中，由此形成包括有鍍層材料構成的添加劑的混合焊料組分。由于存在添加劑，所以該混合焊料組分的熔點高于原始焊料組分的熔點(即，純焊料的熔點)。優選地，該混合焊料組分的熔點應該比原始(或第一)組分的熔點高至少10℃。因此，可以將該電路板組件進一步處理至等于或高于第一焊料組分的熔點并且低于混合焊料組分的熔點的溫度，而不用擔心所安裝的電氣元件與電路板分開。
在可選實施方案中，可以用在最初回流過程期間或之后轉移到釬焊膏中的材料鍍覆保持通孔45的壁47(參見圖5)。或者，可以通過用于轉移到釬焊膏中的類似或不類似材料鍍覆通孔壁47和保持銷25。轉移的材料也可以源自保持銷和通孔壁的基底組分，而不是源自覆蓋類似基底組分的鍍層材料。優選地，保持銷25是唯一的轉移材料源。在優選實施方案中，保持銷25由鉛銅合金基底材料制成，并且具有厚度大約為0.00127至0.00635mm的鎳的第一鍍層和具有類似厚度的金或鈀的第二鍍層。
在將電氣元件安裝在電路板40的兩側42和43上時會出現這樣一種情況，其中可以出現兩個或多個回流步驟(兩個熱循環)。用于將電氣元件安裝在電路板的相對側面上的優選方法實施例從將釬焊膏50施加在焊盤41以及位于電路板40的側面42上的保持通孔45中和周圍上的步驟開始。優選地，這時的焊料組分基本上由鉛和錫構成。再次參照圖4，通過將包括金或鈀鍍層的保持銷25插入到包含焊料的通孔45中，從而使第一電氣元件10與側面42可動地連接。然后使電路板40進行其峰值溫度大約為183℃的第一熱循環以使釬焊膏50回流。在第一熱循環期間，至少一部分金或鈀鍍層從保持銷25轉移并留在通孔45中的釬焊膏50中。現在，通孔45內的焊料組分包含錫、鉛和金或鈀，并且其熔點高于183℃。在回流焊料中的金或鈀的量通常是變化的，并且在靠近保持銷25處具有較高的濃度。在優選實施方案中，金或鈀(或其它鍍層材料)在回流焊料中的量至少為重量的大約0.5％。
現在參照圖6，將該電路板40翻轉，并且將側面43準備用于在其上安裝第二電氣元件。將用于在電路板側面42上安裝電氣元件10的相同釬焊膏50組分(基本上由鉛和錫構成)施加在焊盤141以及位于電路板側面43上的保持孔145中及其周圍。按照與元件10類似的方式將包括焊球121的陣列和保持銷125的第二電氣元件110(與元件10類似或不同)可動地連接在電路板40上。對電路板40進行其峰值溫度大約為183℃的第二熱循環以使釬焊膏50回流。在第二熱循環中，在保持通孔45中的回流焊料不會熔融，并且因此將第一電氣元件10牢固地保持在電路板40上。在第二電氣元件110上的保持銷可以包括或不包括轉移到留在保持通孔145中釬焊膏的材料。由于在從電氣元件110中延伸出的保持銷上(或者在通孔145的壁上)沒有包含鍍層材料，所以可以實現材料和加工上的成本節約。顯然，如果在電氣元件110上的保持銷由包含貴金屬的材料制成，則在第二熱循環期間將有可能出現轉移。
示例示例1表1包括兩個優選實施方案的參數以及在第一熱循環之后計算出的焊料組分變化。
表1
示例2將直徑為0.90mm的未鍍覆保持銷鍍覆厚度大約為0.0051mm的金或鈀。將共晶錫-鉛釬焊膏施加在延伸穿過電路板的保持孔中及其周圍。保持通孔其直徑為1.10mm。將鍍覆的保持銷插入到保持通孔中，并且對該電路板進行足夠的熱循環以使釬焊膏回流。如圖5中所示一樣，在三個位置中獲取改變后的焊料的試樣1)保持銷附近-P1；2)保持通孔的壁附近-P3；以及3)中間位置-P2。通過質譜分析法來分析這些焊料試樣。表2顯示出在完成熱循環之后在焊料中存在的鍍層材料量(重量百分比)。
表2
在表2中可以看出，鍍層材料始終穿過設置在保持通孔內的焊料而擴散。也就是說，在焊料中的鍍層材料沒有與離材料源(保持銷)最近的焊料區域隔離。另外，表2顯示出一旦該材料從保持銷濾出，金比鈀更有效地穿過錫-鉛焊料而擴散。
要理解的是，即使在前面的說明中與已經給出了本發明的許多特征和優點以及本發明的結構、制造和功能的細節，但是該內容只是舉例性的。因此，在由所附權利要求表達的廣義含義所表示的本發明原理范圍內可以作出各種變化，尤其在結構特征的形狀、尺寸和布置以及制造步驟的順序方面作出各種變化。
權利要求
1.一種用于將電氣元件安裝并保持在受到至少兩個熱循環的基板上的方法，該方法包括以下步驟a)提供包括具有壁的保持通孔的基板；b)提供具有從中延伸的保持銷的電氣元件，所述保持銷的直徑小于所述保持通孔的直徑；c)將第一焊料組分的釬焊膏設置在所述保持通孔中；d)將所述保持銷插入到所述保持通孔中；e)使所述基板受到第一熱循環，從而與所述保持通孔壁和所述保持銷中的至少一個相連的材料轉移到所述釬焊膏中以形成具有比所述第一焊料組分的熔點高的混合焊料組分；f)使所述基板受到峰值溫度小于所述混合焊料組分的熔點的第二熱循環，由此使所述保持銷牢固地保持在所述保持通孔中。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述轉移材料為最初設置在所述保持銷上的鍍層材料。
3.如權利要求2所述的方法，其中所述鍍層材料包括鈀。
4.如權利要求2所述的方法，其中所述鍍層材料包括金。
5.如權利要求1所述的方法，其中所述轉移材料為最初設置在所述保持通孔壁上的鍍層材料。
6.如權利要求1所述的方法，其中所述轉移材料包括最初設置在所述保持通孔壁和所述保持銷上的鍍層材料。
7.如權利要求1所述的方法，其中所述轉移材料在所述保持通孔壁附近的焊料位置處的重量至少為大約0.5％。
8.一種制作電子組件的方法，包括以下步驟a)提供包括具有壁的保持通孔的電路板；b)提供具有從中延伸的保持銷的電連接器，所述保持銷的直徑小于所述保持通孔的直徑并且由包括貴金屬的材料制成；c)將第一焊料組分的所述釬焊膏設置到所述保持通孔中；d)將所述保持銷插入到所述保持通孔中；并且e)使所述釬焊膏回流，從而最初與所述保持銷相連的至少一些貴金屬轉移到所述釬焊膏中以形成混合焊料組分。
9.如權利要求8所述的方法，其中所述混合釬焊膏組分的熔點比所述第一焊料組分的熔點至少高大約10℃。
10.如權利要求8所述的方法，其中所述第一焊料組分基本上由鉛和錫構成。
11.如權利要求8所述的方法，其中所述貴金屬為金。
12.如權利要求8所述的方法，其中所述貴金屬為鈀。
13.如權利要求8所述的方法，其中所述轉移材料在所述混合焊料組分中成梯度分布。
14.如權利要求8所述的方法，其中在靠近所述保持通孔壁的焊料位置處的所述混合焊料組分包括轉移材料重量的至少約0.5％。
15.如權利要求8所述的方法，其中在靠近所述保持銷的焊料位置處的所述混合焊料組分包括轉移材料重量的至少約15％。
16.一種用于將電氣元件安裝在基板的相對側面上的方法，該方法包括以下步驟a)提供包括第一和第二側面以及第一和第二保持通孔的基板；b)提供包括從中延伸的第一保持銷的第一電氣元件，所述第一保持銷的直徑小于所述第一保持通孔的直徑，并且在其上具有鍍層材料；c)將第一焊料組分的釬焊膏設置到所述第一保持通孔中；d)將所述第一電氣元件并置在所述基板的所述第一側面上，并且將所述第一保持銷插入到所述第一保持通孔中；e)加熱所述基板，從而所述鍍層材料的至少一部分從所述第一保持銷轉移到所述釬焊膏中，形成熔點高于所述第一焊料組分熔點的混合焊料組分；f)將所述第一焊料組分的釬焊膏設置到所述第二保持通孔中；g)提供包括從中延伸的第二保持銷的第二電氣元件，所述第二保持銷的直徑小于所述第二保持通孔的直徑；h)將所述第二電氣元件并置在所述基板的所述第二側面上，并且將所述第二保持銷插入到所述第二保持通孔中；并且i)將所述基板加熱至足以使所述第一焊料組分回流并低于所述混合焊料組分的熔點的溫度。
17.如權利要求16所述的方法，其中所述第一焊料組分的熔點大約為180℃。
18.如權利要求16所述的方法，其中所述混合焊料組分的熔點大約為225℃。
19.如權利要求16所述的方法，其中所述鍍層材料體積的至少約40％從所述保持銷轉移到所述釬焊膏中。
20.如權利要求16所述的方法，其中所述鍍層材料包括鈀。
21.如權利要求16所述的方法，其中所述鍍層材料包括金。
22.如權利要求16所述的方法，其中所述第二保持銷沒有鍍層材料。
23.一種電子組件，它包括一電路板，該電路板包括具有壁的保持通孔；安裝在所述電路板上的一電子元件，該電子元件包括一外殼和從中延伸的保持銷，其中所述保持銷設置在所述保持通孔中并且其直徑小于所述保持通孔的直徑；以及在所述保持通孔中的混合焊料組分，該混合焊料組分包圍著所述保持銷的至少一部分，所述混合焊料組分包括與所述保持銷和所述保持通孔壁中的至少一個最初相連的材料，該材料在回流過程中轉移到設置于所述保持通孔中的第一焊料組分中，其中所述混合焊料組分的熔點高于所述第一焊料組分的熔點。
24.如權利要求23所述的電子組件，其中所述混合焊料組分的熔點比所述第一焊料組分的熔點高大約10℃。
25.如權利要求23所述的電子組件，其中在靠近所述保持銷的位置處，所述混合焊料組分包括最初與所述保持銷和所述保持通孔壁中的至少一個相連的材料重量的至少約10％。
26.如權利要求23所述的電子組件，其中在靠近所述通孔壁的位置處的所述混合焊料組分包括最初與所述保持銷和所述保持通孔壁中的至少一個相連的材料重量的至少約0.5％。
27.如權利要求23所述的電子組件，其中最初與所述保持銷和所述保持通孔壁中的至少一個相連的材料只與所述保持銷最初相連。
28.如權利要求23所述的電子組件，其中最初與所述保持銷和所述保持通孔壁中的至少一個相連的材料與所述通孔壁最初相連。
29.一種電子組件，其包括包括保持通孔的電路板；安裝在所述電路板上的電子元件，其具有一外殼和從中延伸的保持銷，其中所述保持銷設置在所述保持通孔內并且其直徑小于所述保持通孔的直徑；以及回流焊料，其設置在所述保持通孔中并包圍所述保持銷，其中所述回流焊料的重量的至少大約0.5％為包括貴金屬的添加劑。
30.如權利要求29所述的電子組件，其中所述貴金屬為金。
31.如權利要求29所述的電子組件，其中所述貴金屬為鈀。
32.一種電子組件，其包括包括保持通孔的電路板；安裝在所述電路板上的電子元件，該電子元件包括一外殼和從中延伸的保持銷，其中所述保持銷設置在所述保持通孔內，其直徑小于所述保持通孔的直徑并且在其上具有鍍層材料；以及混合焊料組分，其設置在所述保持通孔中并包圍所述保持銷，其中所述混合焊料組分包括重量至少為大約0.5％的所述鍍層材料，所述鍍層材料在回流過程中從所述保持銷轉移到設置在所述保持通孔中的第一焊料組分，該第一焊料組分包括重量小于大約0.5％的所述鍍層材料。
33.一種電子組件，其包括包括保持孔的電路板；安裝在所述電路板上的電子元件，所述電子元件包括一外殼和從中延伸的保持結構，所述保持結構設置在所述保持孔內；以及混合焊料組分，其設置在所述保持孔中并且包圍著所述保持結構，其中所述混合焊料組分包括重量至少為大約0.5％的鍍層材料，所述鍍層材料在回流過程中從所述保持孔和所述保持結構中的至少一個轉移到設置在所述保持通孔中的第一焊料組分，該第一焊料組分包括重量小于大約0.5％的所述鍍層材料。
34.一種電連接器，其包括一外殼；多個從所述外殼的表面中延伸的焊料塊；以及至少一個用于接合電路基板的保持結構，所述至少一個保持結構從所述外殼的所述表面中延伸并且與所述多個焊球中的每一個間隔開，并且鍍覆有包含貴金屬的材料。
全文摘要
用于將電氣元件(10，20)安裝在基板(40)上并且牢固地保持這些元件(10，20)的方法。該方法包括在回流過程中改變置于元件保持銷(25)和保持通孔(46)之間的釬焊膏組分。還披露了包括電路板(40)和安裝在其上的電氣元件(10)的電子組件。在其中一個電子組件的實施方案(10，20)中，在最初與所安裝的電氣元件(10，20)相連的材料轉移到將這些電氣元件(10，20)連接在電路板(40)上的釬焊膏中。
文檔編號H05K3/24GK1706042SQ03820836
公開日2005年12月7日 申請日期2003年9月25日 優先權日2002年9月26日
發明者雅科夫·別洛波爾斯基 申請人:Fci公司