专利名称：印刷电路板和在印刷电路板表面准确安装并焊接电子元件的方法
技术领域：
本发明涉及印刷电路板和在印刷电路板表面准确安装焊接电子元件的方法，这些电子元件通过软熔焊接技术焊在印刷电路板上，并与电路板电导通。根据本发明成形的印刷电路板尤其被用于电压波动保护装置中，这些电子元件为电压波动限制器、PTC元件、可变电阻和二极管。
目前已知道如何利用软熔焊接技术将电压波动限制器焊接在印刷电路板上，并利用传统的箝位技术使其与其它电子元件，如PTC元件、可变电阻、二极管以及集成电路元件相接触。在这里，问题在于电压波动限制器的准确定位，当后者在焊接过程中没有被固定在其应在的位置时，在后面的印刷电路板的处理或安装过程中，就会出现接触问题或困难。
利用各种安装技术将不同的元件安装到印刷电路板上，需要采取几个步骤来实现接触。此外，要将印刷电路板和其它元件(PTC元件和可变电阻)安装在一起，需要一些附加的接触片，这样会使材料和制造成本上升。
在软熔焊接技术中，通常在印刷电路板上要安装电子元件的位置加上焊接材料。此后，各元件被安装在仍有粘性的焊接材料上，接着，加热已经全部安装好的印刷电路板，直到焊接材料熔化为止，待冷却下来后，电子元件就被重新凝固的焊接材料固定在一定的位置并保持电导通。
在电子元件刚刚被放上后，只要焊接材料还没有使电子元件与印刷电路板牢牢地连接在一起，各电子元件就有可能滑离各自应在的位置。由于软熔焊接技术通常是在连续加热的炉中实现的，如在DE 40 16 366C2例中可知，在运送安装好的印刷电路板的过程中，要采取预防措施，防止因移动或振动使电子元件滑离它们所应在的位置。
为防止这种移动情况的发生，在EP 0 540 497 A2例中采用了模型，但只能用来确定焊料位置的焊料形状。采用这种方法固定元件，至少在一定程度上来说是不可能的。由此所形成的焊料位置的表面是平的，有利于定位。
在DE 41 26 913 A1中，说明了利用胶粘剂将元件固定在印刷电路板上的方法。在那里，将各个元件连到印刷电路板上是通过胶粘剂实现的。随后再进行真正的焊接过程，并最终实现彻底连接。除了必需使用的胶粘剂会使印刷电路板的安装成本上升外，对使用的胶粘剂也有较高的要求。由于在焊接过程中，后者暴露在高温中，可能会由于胶粘剂中含有的溶剂而产生破坏作用。
因此，本发明的目的在于提供印刷电路板和该印刷电路板的安装方法，这里采用一种简便的方法，使得安装在印刷电路板表面的电子元件可以被准确地定位并随后焊接在这个位置上。
根据本发明，该目的在根据本发明构造的印刷电路板方面由权利要求1的特征实现，在安装印刷电路板的方法方面由权利要求20的特征实现。本发明的有利实施方案及其改进由各分权利要求决定。
根据本发明，在印刷电路板的表面分成几个区，它们的构造方式使得它们确定的凹槽在轮廓上，至少部分轮廓符合将要安装到印刷电路板上的各个电子元件的外平面轮廓。这里，优先采用与各个要安装的电子元件相符合的槽或槽沟状轮廓。这些槽或槽沟的轮廓构造方式，使得它们能够按照选定的形状，将要安装在一定位置的各电子元件安装到印刷电路板上。
此外，在自动安装过程中，当将已经安装好的基板或印刷电路板连接到外壳上时会出现问题。在利用连接技术如粘接时，所必需的粘胶供应和通常需要的溶剂蒸气抽气装置会引起安装成本上升，以及由于要防止这部分粘胶到达印刷电路板的底面或自动机器装置中去，对粘接过程进行控制和监视，都会引起成本上升。
利用闩锁接线片或其它按类似方式构造的元件进行连接是可能的，其缺点在于，一方面，相应构造的元件需要制造复杂的形状，另一方面，由于空间的限制，它们的尺寸很小，会引起相互干扰，在恶劣的制造环境很容易断裂从而导致不能使用。由于使用的印刷电路板的厚度比较薄，很难甚至不可能在配置闩锁元件后，避免在印刷电路板的底面上产生凸起。
在例DE 40 26 004 C2中，公开了一种用于通讯设施中防止用户过压和过流的保护电路，利用这种方法，在热保护元件(故障保险接触)响应后可以防止电压波动限制器热过载。出于这个目的，一个金属片与电压波动限制器相接触并与带有滑片的焊剂区相连，有一个弹簧作用在滑片上。当电压波动限制器以及金属片以不能容许的方式发热时，焊剂区熔化，滑片在弹簧的作用下移动，电压波动限制器被短路。这样结构的热保护装置需要很多的分立部件，导致生产和安装成本的上升。此外，所需的空间也比较大。特别是对自动安装来说，使用弹簧是不好的，因为如果这样存在特殊要求。
在DE 40 26 004 C2中公布的解决方案中，需要附加一些元件以便与地电位相连。
此外，在DE 33 23 687 C2中，公开了一个用于通讯技术中接线盒电压波动限制器盒，其中，作为热保护，一个S形的支架弹簧能够被从上面插入到一个双路限制器的放电器中去，在这个支架弹簧的一个支脚中有焊料成分，另外一个支脚上有闩锁装置。这种热保护方式制造起来也较贵，并且会由于附加的支架弹簧而相互干扰。
这样，利用根据本发明的印刷电路板，通常有可能一次性地将所有元件安装上，最终采用软熔焊接技术完成已安装好的印刷电路板，并且固定电子元件，实现需要的电气连接并用简单的方法给它加上一个外壳。
利用印刷电路板上提供的安装电子元件的区域，有可能利用凹形结构来降低总体高度，并且在使用较厚的电路极时，防止所需的高度增加。由于总体高度较高的印刷电路板在焊接时具有较高的热阻，选用这样的印刷电路板比较合适。例如，如果根据本发明的印刷电路板带有电压波动限制器，如上所述，所有这些将决定所需的总体高度，不能增加也不能减少。在这种技术方面，所知的便有接线盒或带有两排绝缘位移触点的不导通的盒子。电缆线与这些绝缘位移触点相连。如果安装好的印刷电路板是作为保护插头使用并被插入一个不导通的盒子中，至少第一排的两个绝缘位移触点被改保护插头套住。由于，保护插头的高度很小，就能保证自由达到第二排绝缘位移触点，并与装上的保护插头相导通。
除了印刷电路板外，还可以使用更简单的基板，该基板能够被安装或也可以罩上一个外壳。
在印刷电路板的表面有接线柱，可以和电压波动限制器的电极及印刷电路板的整体布局相连。
由于电子元件可以采用集成电路形式的低价元件(PTC元件、可变电阻)，该元件至少有一个可焊接的表面，印刷电路板上各个元件的接触是通过供这些元件使用的槽沟状轮廓来实现的。在安装过程中，这些元件最好与印刷电路板垂直，实际的焊接是建立在各元件的前表面向上至分布在槽沟状轮廓或横槽周围的连接面(焊盘)处。
印刷电路板上用于安置各电子元件的区域的尺寸大小，使得印刷电路板的厚度得以充分利用，从而获得比较大的焊接面积。
为增加元件的浸润能力，至少可以对槽沟状轮廓或横槽的边缘进行部分金属镀膜。安置元件的区域的金属镀膜部分最好在纵向表面上。金属镀膜可通过电镀来实现，例如彻底接触。
实际在印刷电路板上安装电子元件之前，先通过模板印刷或扩散处理给所有的元件加上所使用的焊接胶。在此，可以只在那些确实需要连接的区域加上焊接胶，因此，尽管要求在印刷电路板和元件之间建立可靠的连接，也不必进行再加工。
与上面叙述过的方案相比，根据本发明的印刷电路板和方法还有一个优点，即所需的分立部件的数量减少了，特别是不需要另外的接触表面。
在印刷电路板的底面覆盖着一层金属薄片，如果选择适当的薄片材料，就可以在这一面得到整个安装的耐压体(接触保护)。此外，利用扩散处理，在印刷电路板的底面形成绝缘体，也可得到耐压体。在按照推荐的顺序使用根据本发明的印刷电路板时，可在成本方面进行优化，特别是采用自动化处理可以减少开支。另一个优点是可以降低不合格的比例，这是因为，只需采用简单的测量就可以提高定位的精度，并因此避免故障的发生。
可以给根据本发明的印刷电路板罩上一个外壳，并加上用作电压波动保护模块的电子元件。然而，该外壳上至少有两个以上的、由至少可以部分变形的材料的组成拱形伸出部分。外壳上的这个伸出部分朝要与其相连的基板方向延伸，并嵌入到那里的缺口中。拱形伸出部分的大小使得它们在安装过程中正好可以毫无问题地被导入缺口中去，并因暴露在能量中和(或)受力而变形，从而在外壳和基板之间建立刚性连接和(或)摩擦连接。此外，伸出部分的大小一定的，使得当它们在能量和(或)力作用下发生变形时，不会伸出由基板底面给定的平面，这样就保证这些模块以所需要的方式连接。
利用根据本发明的实施方案，还能以一种更有利的方式，使作为保护插头的模块毫无问题地插入，同时减少所需的空间，并且在相邻模块或其它电路元件之间没有任何干扰。
制造可以利用自动化设备方便地分为两个步骤来进行，在第一步中，外壳分别被置于基板上或基板内并固定在那里，在第二步中，使伸出部分发生变形。利用加热过的针头压在拱形伸出部分的前表面的方法，可以很方便地做到这一点。加热使得伸出部分的材料变软，同时利用针头的压力产生所需的形状，这样，就能保证基板和外壳的相互连接不受间隙的影响。
针头的加热可以采用电阻加热的方法。然而，也有可能利用其它形式的能量如电磁辐射，为使温度上升并使伸出部分材料的软化成为可能，一般采用塑性材料，最好是热塑性材料。
利用先冲压再拉弯的方法，可以制造具有相应构造的过压保护插头，该插头在一个部分结合了“接地”和“故障保险接触”两种功能。这种构造的优点，是可以显著地降低安装费用，并且在将插头插入外壳中时只有直线连接运动，这样的运动特别适合自动安装设备。
另外一个优点在于可以消除波动电流引起的转变位置的数量。
在安装好的情况下，第二个接触支架对电压波动限制器上的外电极有一个连续的作用力。在正常情况下，热元件对第二个接触支架的偏置作用力有反作用并将接触支架和外电极隔离开来，这样就可防止接触支架和电压波动限制器的外电极之间产生电导通。热元件的构造可以是附着在第二个接触支架上的焊料元件，或者被嵌入到接触支架的缺口中。在后一种方案中，在没有热元件的切口下，首先将接触元件定位在保护插头的外壳中。在将外壳与保护插头的印刷电路板相连后，热元件被闩锁在第二个接触支架中，该故障保险接触被整个偏置并能够工作。
热元件可以是来自某种材料的铸模零件，如加热后熔化的金属，并消除第二个接触支架向电压波动限制器的外电极方向的运动，使得通讯电缆和接地杆之间导通。材料的熔点经过了选择，从而消除了对安装的破坏甚至着火的危险。
热元件也可采用进行同样加热后只会变软的材料，并在第二个接触支架的偏置力的作用下弯曲，使得后者与外电极相接触并导通。
此外还可能利用双金属或所谓记忆合金，在受热后能够释放第二个接触支架，使其与电压波动限制器的外电极相连。
另外，热元件可以由分布在电压波动限制器的外电极和第二个接触支架之间的绝缘漆或绝缘薄片组成，并且有弹性地垫在二者之间并将它们相互隔离开来。绝缘漆或绝缘薄片受热时会熔化，使得电极和接触支架相互导通。
接触元件最好采用至少一个弹性固定支脚的构造，用作与绝缘面上第一个固定支架相对的电压波动限制器的受力支座。这样，就可以防止在电压波动限制器和其所在的印刷电路板之间，存在一个不平衡焊接负载。
下面，将在附图方案的基础上对本方明进行更详细的叙述。这些附图是
图1是根据本发明的印刷电路板在安装之前的情况。
图2是根据图1的印刷电路板带有元件的情况。
图3是已经安装了外壳的印刷电路板最终连接之前的情况。
图4是外壳上拱形伸出部分的示意图。
图5是印刷电路板上的缺口的几种方案。
图6是电压波动限制器的接触元件的一个实例。
图7是图6的接触元件安装在电压波动限制器上的情况。
图8是用于通讯设施的利用图6的接触元件的一个保护插头。以及，图9是接触元件的第二个实例。
图1表示的是根据本发明构造的印刷电路板1，在该印刷电路板材料上机械加工出不同的区域2和3。在印刷电路板的表面12上有一个横槽2，该横槽用于安放未画出的电压波动限制器。不同于直至目前还在使用的0.8毫米厚的印刷电路板，印刷电路板1的厚度为1.2毫米，这样就可以在印刷电路板2上开一个足够深的横槽2。在选择横槽2的宽度时，应该考虑其深度和外表面积，使得仅由横槽2的形状就可以将所安装的电压波动限制器所应在的位置固定下来，即使在通过连续加热的炉子的时候也不会偏移或滑开。
印刷电路板1上除横槽2外，还有槽沟状轮廓3，可以用来容纳这里未画出的其它电子元件。
机械加工的部分(横槽2，槽沟状轮廓3)，可以在制造印刷电路板的时候采用铣削或冲压的方法加工出来。
最好只对槽沟状轮廓的内表面9进行喷镀，这些表面都有端面7，可以用电镀的方法使铜沉积在那里。
在用适当的方法将焊接胶加在上述结构的区域中各位置后，可以一次性地自动完成不同电子元件的安装工作。
在图2所示的印刷电路板1的横槽2中装有一个电压波动限制器4，在槽沟状轮廓3中安装有两个可变电阻5和两个PTC元件6。可以看出，所有的元件4、5和6的选择，都是根据它们的尺寸与横槽2或槽沟状轮廓3的匹配程度来确定的，使得仅由区域2和3的形状就可以防止滑离，从而将电子元件4、5和6精确地固定在应在的位置。如果区域2和3的周围表面至少有一部分是倾斜的，将有助于元件4、5和6的插入，从而有利于印刷电路板1的安装。
现在，可以对根据图2安装好的印刷电路板1进行软熔焊接处理，以便将元件4、5和6与印刷电路板1固定地连接起来，在印刷电路板1一起移动的过程中，避免元件4、5和6发生偏移。
由于各自的形状与各自所使用的元件的外形相匹配，印刷电路板1上的横槽2和槽沟状轮廓3还能增加焊接的强度，并且这个选定的形状还有利于提高最终的连接强度。
图3所示为一个模块，其中外壳13被安装在基板上，该基板在结构上便是印刷电路板1，并且已经安装了各种电子元件，例如电压波动限制器4、可变电阻5和PTC元件6。拱形伸出部分14穿过其上的缺口15、16或17，这样伸出材料至少有一部分塞在缺口15、16和17中。在图1所示的实例中，拱形伸出部分14穿过印刷电路板1及其底面18。然而，在某些情况下，伸出部分不需要这么大的尺寸，也可以更小一些。
在一个优选实施方案中，外壳13上的伸出部分14为圆柱形或或多边形，如图4所示，在它们的前表面上有一个凹槽或切口19，用来在加热并同时加压的热压过程中将未画出的针头夹在伸出部分14上，伸出部分的材料在压力和温度升高的共同作用下发生变形，从而可使伸出部分的材料变成所希望的形状，并防止滑离。
由图5可以得到印刷电路板上1缺口的各种可能形状。图5的最左边表示的是一个盲孔15，图5的中间两个缺口表示凹坑16，其宽度在向印刷电路板1的顶面20方向逐渐减小，最右面表示的是一个钻孔或多边形的穿孔17。
盲孔15或凹坑16类型的缺口与上面第三种可能形状相比较，优点在于其最终实现的连接具有更高的有效连接系数，因此更安全。
然而，如果缺口的结构为钻孔或横截面为矩形的穿孔17的话，所产生的连接力比较低，但在以后可能需要拆卸时会很简单并且不会造成破坏。
图6所示的接触元件21包含第一个弹性接触支架22，支架22向图中未画出电压波动限制器4的中间电极23倾斜。接触支架22与中间电极23相接触，而中间电极在电压波动限制器4过压时和外电极25和26导通。在保护插头为插入的状态下，外电极25和26分别与一根通讯电缆相连。接触元件21包含外形为两个扭弯的弹性凸片27的接收部分，与接地杆相连的接触片28则被插入到该接收部分中。这样，在过压的情况下，通过下面的步骤可实现通讯电缆与接地杆的连接，即由通讯电缆a或b分别经过外电极25或26、电压波动限制器4、中间电极23、接触支架22、接触元件21的弹性凸片27和接触片28到达接地杆。
单片接触元件21还包含第二个弹性接触支架29，其自由端经过变形后伸进横腹板30里面。横腹板30的两端分别与电压波动限制器4的外电极25或26相对。在横腹板30的两端之间，在接触支架29朝着电压波动限制器4的一面有焊接元件31，焊接元件在接触支架29的弹力作用下附着在电压波动限制器4的绝缘外表面或中间电极23上，并将横腹板30的末端托起，使其与外电极25或26之间分别有一定的间隔。在电压波动限制器4过热时，例如在较长的时间内在通讯电缆a、b之间存在较高的电压，但却不至于使电压波动限制器4作出响应时，焊接元件31将熔化。因此，在接触支架29的弹力作用下，焊接元件31再也不能阻止横腹板30逐渐靠在电压波动限制器4的外电极25和26上，从而在带有横腹板30、接触支架29及接触凸片27的接触元件21和接触片28上，实现外电极25和26与接地杆之间的连接。
在图6中的接触元件21上，还有两个固定支脚32，分别在电压波动限制器4的另一侧和接触支架22相对并作为反向支座，防止在电压波动限制器4和其所在的印刷电路板之间产生不平衡的焊接负载。
图7中表示的是图1安装在电压波动限制器4上的图1中的接触元件，此外还可看出，在中间电极23的两侧，固定支脚32靠在电压波动限制器4的绝缘外表面上。
图8所示为处于插入状态的保护插头，该插头包含一些电子元件如PTC元件，以及电压波动限制器4则被安装在外壳13内的印刷电路板1上。这里，接触元件21如图7所示的那样被安装在电压波动限制器4上。与此同时，接触元件21被外壳13所固定。
图9所示为接触元件21的另外一个实施方案。第二个接触支架9与第一个接触支架22相对，而焊接元件31则被加在电压波动限制器4的外边缘上，这样焊接元件就是接触支架22的反向支座，因此不再需要固定支脚32。焊接元件31的内接触表面33为圆弧形的块，其半径与圆柱形的电压波动限制器4的半径相同。在横腹板30的中间有一个缺口，焊接元件31能够被插进去并实现闩锁配合。
权利要求
1.一种用于准确安装和焊接电子元件，特别是用软熔焊接技术将元件焊接到其表面上的印刷电路板，其特征在于，印刷电路板(1)的表面(12)上设有安置电子元件(4、5、6)的区域(2、3)，这些区域至少与各个电子元件(4、5、6)的外轮廓部分匹配。
2.根据权利要求1的印刷电路板，其特征在于，安置电子元件的区域(2)为槽形。
3.根据权利要求2的印刷电路板，其特征在于，安置电子元件的区域(3)为槽沟形。
4.根据权利要求1至3中任一项的印刷电路板，其特征在于，末端或端面(7)靠近安装区域(2、3)。
5.根据权利要求4的印刷电路板，其特征在于，末端或端面(7)位于安装区域(2、3)的边界(8)上。
6.根据权利要求1至5中任一项的印刷电路板，其特征在于，区域(2、3)的内表面(9)的边界至少经过部分喷镀。
7.根据权利要求1至6中任一项的印刷电路板，其特征在于，绝缘层可以放在印刷电路板(1)的底面(10)上。
8.根据权利要求1至7中任一项的印刷电路板，其特征在于，罩在印刷电路板(1)上的外壳(13)在与其相连的印刷电路板(1)方向，包含由至少可部分变形的材料构成的拱形伸出部分(14)，该伸出部分嵌入到印刷电路板(1)上的缺口(4、5或6)中并穿过后者，其外形尺寸符合缺口(4、5或6)的形状和大小，利用伸出部分(14)在能量和/或力作用下引起的变形，实现刚性连接和/或外壳/印刷电路板间的摩擦连接，在实现外壳/印刷电路板之间的连接时，拱形伸出部分(14)并不伸出印刷电路板(1)的底面。
9.根据权利要求8的印刷电路板，其特征在于，缺口的结构为盲孔(15)。
10.根据权利要求8或9的印刷电路板，其特征在于，伸出部分上有凹槽(19)，减少了从印刷电路板(1)的底面(18)到顶面(20)之间的宽度。
11.根据权利要求8至10中任一项的印刷电路板，其特征在于，缺口的形状为沿印刷电路板(1)的整个厚度方向均相同的通孔或具有多边形横截面的穿孔(17)。
12.根据权利要求8至11中任一项的印刷电路板，其特征在于，拱形伸出部分(14)由热塑性材料制成。
13.根据权利要求8至12中任一项的印刷电路板，其特征在于，在伸出部分(14)朝着印刷电路板(1)底面的前表面上，有一个凹槽或切口(19)。
14.根据权利要求1至8中任一项的印刷电路板，其特征在于，用于通讯技术中的接线盒的过压保护插头包含一个可插入带有电压波动限制器(4)的塑料外壳，两个外电极(22)分别与通讯电缆相连，中间电极3则与接地条相连，另外，还包含过热保护装置，利用该装置，在电压波动限制器(4)过热时使通讯电缆与接地条相连，单片接触元件(21)被插在外壳中，该接触元件包含与电压波动限制器(4)的中间电极(23)相连的第一个接触支架(22)，在插入的状态下，用于接收接触片(28)的接收部分(27)与接地杆紧密连接，第二个弹性接触支架(29)被固定并被热元件(31)将其与外电极(25、26)隔开，由于其在过热情况下的弹性性质，使得热元件(31)的形状发生改变，并使得接触支架靠在外电极(25、26)上。
15.根据权利要求14的印刷电路板，其特征在于，第二个接触支架(29)的自由端经过变形后伸进横腹板(30)里面，其自由端可分别与外电极(25、26)的一个相接触，热元件(31)就安排在这两端之间。
16.根据权利要求14或15的印刷电路板，其特征在于，热元件(31)是一个受热后会熔化的模铸件或受热后变软的双金属材料，或记忆合金。
17.根据权利要求14至16中任一项的印刷电路板，其特征在于，热元件(31)与第二个接触支架牢固地连接在一起。
18.根据权利要求14至16中任一项的印刷电路板，其特征在于，热元件(31)与在第二个接触支架(29)为嵌入啮合。
19.根据权利要求14至18中任一项的印刷电路板，其特征在于，接触元件(21)在电压波动限制器(4)正对着第一个固定支脚(22)的一侧上，至少有一个固定支脚(23)，该支脚有弹性地靠在绝缘面上。
20.一种准确安装和利用软熔焊接技术将电子元件焊接在印刷电路板表面的方法，其中焊接胶是以配料的形式加在要与印刷电路板(1)焊在一起的端面(7)上，这些端面位于印刷电路板(1)的表面(12)上的区域(2、3)，并与各个电子元件(4、5、6)的外轮廓相配合，电子元件(4、5、6)被准确地安装在区域(2、3)上，然后，再将焊接胶加热到超过其熔点的温度。
21.根据权利要求20的方法，其特征在于，电子元件(4、5、6)利用其可焊接表面(11)与印刷电路板(1)相垂直，并被置于区域(2、3)中。
22.根据权利要求20或21的方法，其特征在于，焊接胶是以配料的形式用模板印刷的方法加上去的。
23.根据权利要求20或21的方法，其特征在于，焊接胶是以配料的形式利用扩散处理加上去的。
全文摘要
本发明涉及印刷电路板和在其表面准确安装焊接电子元件的方法。印刷电路板上存在至少部分和各个电子元件的外轮廓相匹配的区域用于将电子元件安置在其表面上。这些区域的结构为槽沟形或横槽形。安装好的印刷电路板可以与外壳相连，该外壳包含的拱形伸出部分，利用伸出部分的变形实现刚性连接和/或外壳/印刷电路板的摩擦连接。还可以安装过压保护插头，用于在带有一个电压波动限制器的接线盒中，可实现接地和故障保险接触，只需很少的花费。
文档编号H05K1/18GK1168078SQ9710450
公开日1997年12月17日 申请日期1997年3月18日 优先权日1996年3月18日
发明者R·D·布斯, C·斯托贝克, T·雷德 申请人:克罗内有限公司