专利名称：不产生不必要焊球的电子元件组装方法
技术领域：
本发明涉及一种通过焊接在印刷电路板(PCB)上组装各种电子元件的方法，特别是涉及一种采用回流焊接的方法将各种电子元件组装在PCB上的方法。
首先将焊料膏印制在PCB上的焊接区(步骤101)，这一印制过程可概括为图2A至2C。
在上述的印制过程中，先将一个金属掩膜13置于PCB 15之上，如图2A所示，在金属掩膜13上形成与焊接区14的尺寸相等的开口12，其排列图案与PCB上焊接区14的排列图案是一致的。然后调整金属掩膜13的位置，使金属掩膜13上的开口12定位于PCB 15上每一个相应的焊接区14上。
通过印制印制器10将焊料11在金属掩膜13上滚过，使焊料11填充在金属掩膜13的开口12中，如图2B所示。在金属掩膜13上所有的开口12均填满焊料11后，从PCB 15上移去金属掩膜13，如图2C所示。这样就将焊料膏印制在焊接区14上了。
然后，将芯片元件，例如表面安装元件如QFP(四列扁平组件)或SOP(小形组件)置于上述的焊料膏上(步骤102)。再将该组装有表面安装元件的PCB通过高温回流熔炉，使PCB上的焊料膏熔化，并将表面安装元件上的引线与PCB的焊接区焊接到一起。到这一步就完成了在PCB的一个表面上的元件组装，然后将PCB翻过来，使PCB的另一个还没有组装元件的表面向上(步骤104)。
如步骤101和步骤102一样，在另一个表面上印制焊料膏(步骤105)和安装元件(步骤106)。然后再安装通孔(T/H)元件(步骤107)，这种元件的构造是适合安装的，该安装是通过将引线穿过PCB上形成的T/H而进行的。然后如步骤103那样，接着将PCB通过回流熔炉对元件进行焊接(步骤108)。最后，对于那些不能承受回流熔炉高温的元件采用手工操作进行焊接(步骤109)。这样就完成了PCB上电子元件的组装。
在上述传统的电子元件组装方法中，焊料11通常是采用锡-铅(Sn-Pb)焊料。然而，这种锡-铅焊料含有毒性的重金属铅(Pb)。由于对采用含铅焊料的废电子设备处理不适当，将会造成对全球环境的污染问题。为了解决这一问题，近几年更倾向于采用不含铅(Pb)的无铅焊料来防止环境的污染。
锡-银(Ag)焊料是一种众所周知的无铅焊料。由于银的稳定特性，在电子元件的组装中采用锡-银焊料代替锡-铅焊料，对于组装的电子元件的可靠性完全可以达到与现有技术相同的水平。然而，锡-银焊料的熔点大约为220℃，远远高于锡-铅焊料的熔点，后者的熔点为183℃。因此，在采用锡-铅焊料的焊接组装工艺中仅简单地以锡-银焊料代替锡-铅焊料，将会遇到一些问题。而且不经过任何改进，直接在原有的采用锡-铅焊料工艺的设备上采用锡-银焊料进行焊接，也会遇到一些问题。特别是当熔点为220℃的锡-银焊料在回流熔炉中熔融焊接时，有时电子元件的温度会达到240℃以上，一般的电子元件的承受温度约为230℃。因此，如果在电子元件的组装中采用锡-银焊料，则必须考虑提高所用各种电子元件的承受温度。
除了具有高熔点的锡-银焊料外，还已知锡-锌(Sn-Zn)焊料也是一种无铅焊料。这种锡-锌焊料的熔点约为197℃，因此无需任何改进，则可以采用现有的设备对现有技术的电子元件进行焊接组装。
在此我们将考虑所述的电子元件为下述元件时，在PCB上的焊接组装情况具有L-型引线的器件如钽电容器或尺寸在1608(0.8mm×1.6mm)至5750(5.7mm×5mm)范围内的无引线芯片元件。
如上所述，金属掩膜13上的开口12的尺寸与焊接区14的尺寸是相同的。如果在采用金属掩膜13将焊料膏印制在PCB 15上后，将占有焊接区14较大区域的具有L-型引线的器件或带电极的无引线芯片安装在PCB上，有时焊接区14上的印制的焊料11的一部分经挤压后会溢出进入回流区。从焊接区14压出的焊料11，其中一部分将在回流过程中被焊接区14上的焊料11吸收，而也会有一部分在焊接区14外部的区域形成焊球。如果形成这种焊球，将会导致PCB的击穿。
特别地，由于上述无铅的锡-锌(Sn-Zn)焊料的润湿性要差于含铅的焊料膏，因此这种无铅焊料更易导致形成上述的焊球。因此，在使用无铅的锡-锌(Sn-Zn)焊料时，非常需要提供一种方法来避免焊球的形成。
为了达到这一目的，本发明采用了一种金属掩膜，在该金属掩膜中形成了至少一个用于印制焊料膏的开口，其形状为至少部分开口边界位于印刷电路板上焊接区域边缘的内部。采用这种方法后，在将电子元件置于印制的焊料膏上后，可减少焊料从焊接区的溢出，因此，按照本发明的电子元件组装方法，即使采用润湿性较差的焊料，也可以防止在回流过程中形成焊球。
在本发明的电子元件组装方法中，是在电极所处的印刷电路板上的焊接区域上，使金属掩膜上的开口的边界位于该焊接区的边界之内，这样可以有效地减少焊料从焊接区中溢出。而且，仅仅在电极所处的区域上使金属掩膜上的开口的边界位于该焊接区的边界之内，并不会明显地减少印制在焊接区的焊料膏的量，因此能保持足够的焊接强度。
所以，即使采用润湿性较差的焊料，本发明也可以对电子元件进行有效地组装，因此特别适用于采用润湿性较差的无铅(Pb)锡-锌焊料的电子元件组装方法中。另外，本发明还适用于容易从焊接区压出的焊料的无引线芯片或带有L-型引线的器件的组装方法中。
通过下面的说明，并参考本发明用于说明实施例的附图
，可以很清楚地看出本发明的上述目的和其他目的，以及本发明的特性和优点。
图2A至2C是显示现有技术的在PCB的焊接区上印制焊料膏的工艺过程示意3是根据本发明一个实施方案的电子元件组装方法制造的组装件的截面图，并附有焊接区部分的平面图，在这种组装件的制造过程中焊料膏被印制在该焊接区部分。
首先参照图3，在该实施方案中，将无引线芯片元件安装在PCB 15上作为电子元件1。电子元件1的两侧装有电极2，通过将这些电极2焊接到PCB 15上的焊接区14上，将电子元件1组装在PCB 15上。PCB 15上设计的焊接区14的排列图案与电极2是相对应的。在图3所示的实例中，焊接区14是长方形的。
在组装过程中，首先采用金属掩膜在PCB 15上印制焊料膏，金属掩膜上形成的开口的排列图案与焊接区14的排列相一致。在这一实例中，采用无铅的锡-锌(Sn-Zn)焊料作为焊料膏。
从图3所示的在焊接区14上印制形成的焊料11的形状可以看出，其所采用的金属掩膜上的开口的边界位于焊接区14的边界之内。具体地讲，是在靠近电子元件1、而且是电子元件1的电极2所处的焊接区14上，其金属掩膜的开口的边界位于焊接区14的边界之内。在远离电子元件1的区域上，金属掩膜上开口的边界与焊接区14的边界是重合的。因此，在电子元件1以外的焊接区域14上，金属掩膜上开口的边界的形状为长方形，而在与电子元件1相接近的区域上，金属掩膜上开口的边界的形状为具有一个顶角的三角形，并且该顶角指向电子元件1。因此，金属掩膜上的整个开口形状形成了“home plate”形状。
然后将电子元件1安放在按上述方法已印制了焊料11的PCB 15上，再将此组合件通过回流熔炉，将电子元件1焊接在PCB 15上，从而获得如图3所示的组装结构。
在前面的说明中描述了本发明的电子元件的组装方法，所采用金属掩膜上开口12的边界位于焊接区14的边界之内。由于采用了这种方法，在安装电子元件1时，可减少焊料11从焊接区14中压出。因此，即使采用了润湿性较差的锡-锌(Sn-Zn)焊料，本发明实施方案中所述的电子元件组装方法也可抑制在随后的回流过程中焊球的形成。
另外，在本发明的实施方案中，仅在电子元件1的电极2所处的区域，金属掩膜上的开口的边界位于焊接区域14的边界之内。正是由于在电子元件1的电极2所处的区域中，将金属掩膜上开口的边界置于该焊接区域14的边界之内，才可以有效地减少在安放电子元件1时从焊接区14被挤压出的焊料量。而且在电子元件1以外的区域1上，金属掩膜开口的边界与焊接区14的边界是吻合的，并不会明显地减少焊料膏的总量，因此本发明实施方案中所述的电子元件组装方法，即使在采用了润湿性较差的锡-锌(Sn-Zn)焊料的情况下，不仅可以在回流过程中抑制焊球的形成，而且还保持了足够的焊接强度。
虽然在根据该实施方案的电子元件组装方法中，所描述的实例是形成的金属掩膜的开口为“home plate”形状，但本发明并不局限于这一类型，金属掩膜的开口可以是任意的形状，其中金属掩膜的开口的边界位于焊接区的边界之内。
此外，尽管在本发明实施方案中描述了组装无引线芯片元件作为电子元件1的过程，但这一电子元件的组装方法也可以适用于具有L-型引线的电子器件如钽电容器的组装过程中。另外，虽然描述这样的情况在根据本发明实施方案的电子元件的组装方法中，使锡-锌(Sn-Zn)焊料作为焊料膏，但本发明并不局限于这种形式，在应用本发明的方法时还可以采用其他的焊料膏，本发明在采用润湿性较差的焊料膏时特别有效。
虽然以上采用专业术语描述了本发明优选的实施方案，但这些描述仅仅是说明性的，应该认识到，在不脱离下述权利要求的精神或范围的基础上，仍可以作出许多的变化和改进。
权利要求
1.一种组装电子元件的方法，在该方法中通过将电极焊接在焊接区上将带有电极的电子元件组装在印刷电路板上，在所述印刷电路板上以与所述电极相对应的排列图案形成焊接区；所述方法包括以下步骤制备金属掩膜，在该金属掩膜上以与所述焊接区相对应的排列图案形成开口；将所述的金属掩膜安置在所述的印刷电路板上，使所述开口分别位于各对应的焊接区上；采用焊料膏填充每一个开口；移去所述的金属掩膜；将所述电子元件置于所述印刷电路板上，使所述电极分别位于所述的焊料膏上；和对所述焊料膏进行回流，使所述电极焊接在所述的焊接区上；其中，使用这样的金属掩膜作为所述的金属掩膜当将所述金属掩膜置于所述印刷电路板上时，在所述金属掩膜上至少有一个开口是以这样的形状形成的其边缘的至少一部分位于所述焊接区的边界之内。
2.根据权利要求1所述的组装电子元件的方法，其中，使用这样的金属掩膜作为所述的金属掩膜在电极所处的焊接区上，所述金属掩膜上的至少一个开口是以这样的形状形成的其中所述开口的边界位于所述焊接区的边界之内。
3.根据权利要求1所述的组装电子元件的方法，其中，采用不含铅的锡-锌焊料作为所述的焊料膏。
4.根据权利要求1所述的组装电子元件的方法，其中，所述的电子元件为无引线芯片。
5.根据权利要求1所述的组装电子元件的方法，其中，所述的电子元件为具有L-型引线的器件。
6.一种组装件，包括印刷电路板，在该印刷电路板的表面上提供了焊接区，并且焊料膏被印制在所述焊接区上；和带有电极的电子元件，采用所述焊料膏将所述电极焊接在所述印刷电路板的焊接区上；其中，所述焊料膏是以这样的形状形成的所述焊料膏的边界位于所述焊接区的边界之内。
7.根据权利要求6所述的组装件，其中在电极所处的焊接区上，所述焊料膏是以这样的形状形成的所述焊料膏的边界位于所述焊接区的边界之内。
8.根据权利要求6所述的组装件，其中所述的焊料膏是不含铅的锡-锌焊料。
9.根据权利要求6所述的组装件，其中所述的电子元件为无引线芯片。
10.根据权利要求6所述的组装件，其中所述的电子元件为具有L-型引线的器件。
11.一种金属掩膜，当通过将电极焊接在焊接区上而在印刷电路板上组装带有电极的电子元件时，其中所述印刷电路板上具有与所述电极对应的焊接区，使用所述的金属掩膜以与印刷电路板上的焊接区对应的图案来印制焊料膏；其中在将所述金属掩膜置于所述印刷电路板上时，在所述焊接区上的所述金属掩膜中形成用于填充焊料膏的开口；其中至少一个开口是以这样的形状形成的其中所述开口的边界位于所述焊接区的边界之内。
12.根据权利要求11所述的金属掩膜，其中，在电极所处的焊接区上，至少一个开口是以这样的形状形成的所述开口的边界位于所述焊接区的边界之内。
全文摘要
通过将电极焊接到焊接区上而将带有电极的电子元件组装在印刷电路板上，在该印刷电路板上以与所述电极对应的排列图案形成焊接区。以这样的形状将焊料膏印制在焊接区上焊料膏的边界位于焊接区的边界之内。然后将电极置于焊料膏上，使焊料膏回流，将电极焊接在焊接区上。
文档编号H05K3/34GK1392760SQ0212168
公开日2003年1月22日 申请日期2002年5月31日 优先权日2001年6月1日
发明者酒井浩, 铃木元治, 五十岚诚, 田中昭广 申请人:日本电气株式会社