使用表面贴装和插入式封装技术的印刷电路板式接头的制作方法

专利名称：使用表面贴装和插入式封装技术的印刷电路板式接头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种装置，其提供印刷电路板对(PCBs)之间的连接，更具体地，涉及使用表面贴装技术(SMT)和插入式封装技术(THT)将一个板连接到另一个板的接头。
背景技术：
计算机和其它电子设备通常包括多个互相连接的印刷电路板(PCBs)。例如，计算机通常有主板和一个或者多个执行或实施特定操作或任务的其它板，例如功率变换，用于向主板提供高电流电源。该PCBs之间的连接允许板之间的功率传送和/或信息(例如数据或者控制信号)传送。印刷电路板可以利用安装或者形成在PCBs边缘上的高电流导体插脚，通过在每个板上安装线缆或者扁平缆接头，或在板对上提供衬垫以实现使用表面贴装技术(SMT)接头端子或插脚的直接板对板连接。例如见美国专利申请号10/634,332，在此将其结合作为参考。
对于板对板的PCB安装，重要的是板实际上是分开的，但仍然电连接。另外很重要的是板被机械支撑以防止板的过度运动。对于电源板和其它消耗大量功率的板，还需要考虑板之间的热流。可以分别提供电、物理和机械的功能，例如安装间隔装置而提供隔离和机械支持，以及通过向每个板提供接头和电缆以实现接头之间的电连接。另外，设计用于配合在一起的接头可以连接在相对的两块板上，以提供电连接和物理分离的支持。
一种通过接头提供电和物理功能的方法是利用SMT接头实现PCBs对之间相对表面之间的连接。现有技术中的SMT接头具有盒形的横截面或者某些类型的二维插脚组合。第一类型的SMT接头通常形成在弯曲成4面的薄壁结构的很薄的金属片上，其中四个侧面形成一个长方形。得到的中空结构有一对相对的侧面(“连接侧”)，其具有大致相等的接触区域，以将该结构连接到其PCB的相应表面上。另一对相对的侧面提供了连接侧之间的电连接。这些盒式接头可以使模块或者PCB以夹层式组合的方式表面贴装在另一个模块或者PCB上，也被称作电路板层叠(board stacking)。
现有技术中PCBs的盒式SMT比二维插脚式接头具有一些优点。例如，盒式接头由于其纵横比而生成比二维插脚式接头少的寄生电感(parasitic inductance)。另外，作为一个平台，在与二维插脚式接头相比，盒式接头更加稳定。此外，盒式接头可让另外的材料包括在接头中，而二维插脚式接头通常不能。
但是，尽管具有这些优于二维插脚接头的优点，盒式接头提供的机械稳定性通常很有限。现有技术中PCB上的接触衬垫的尺寸通常很小，以便减少接触衬垫的覆盖面积。PCB板的空间由安装在板上的电子元件的尺寸决定，并且通常允许气流通过用来冷却。因此，SMT接头的高度尺寸(由板的间距决定)通常比宽度尺寸(由接触衬垫尺寸决定)大很多。现有技术的SMT接头因此是加长的长方形结构，沿着其较小的侧面连接在板上。因此，这些接头在组装过程中容易翻倒。
这种结构的另一个重要问题是这些模块通常要经历多次回流焊接(solder reflow)过程，不仅是在最初制造过程中，而且也在最终用户的其他组装步骤中。现有技术的表面贴装技术(SMT)接头容易错位，甚至由于经历回流焊接而脱离PCB，特别是在再加工过程中。一旦SMT接头脱离，重新安装即便不是不可能，也是很困难的。换句话说，每个SMT接头完全依赖位于SMT接头和其上安装SMT接头的PCB衬垫之间的焊接结合。接头分离或损坏会使整个板报废。
当SMT接头用于电源电路时具有另一个缺点。通常，当第二PCB的连接位于电源电路PCB的底部时，电源元件连接到电源电路PCB的顶部。这需要从电源电路PCB的一侧到另一侧传输功率以及热量。这通常是由穿过PCB的小的电镀孔实现。这些孔不仅制造昂贵，而且也是功率/热流中的收缩点，会导致效率损失和增加发热。现有技术的SMT盒式接头的另一个缺点是其通常以带式或卷轴方式提供给最终用户，导致每个元件的成本显著增加。
需要改进的PCBs接头利用了表面贴装技术(SMT)和插入式封装技术(THT)两者的优点。这样的接头应在两个PCBs之间提供电连接，同时提供容纳位于PCBs之间的元件尺寸所需的空间，并且提供对连接PCBs的机械支持。另外，接头应可以在PCBs之间提供足够的导热传送。最后，接头应具有较低的寄生电感，提供较高的元件保持力，并且适用于有效的自动SMT制造过程，例如采用低成本的连续盘绕(continuous coil)形式。由Autosplice制造的现有技术接头和由Zierick制造的另一种接头具有上述一些特征，但它们是通过二维平面冲压形成，而不是三维横截面和同时使用THT和SMT的结合。

发明内容
本发明通过提供利用SMT和THT两种技术的接头，解决了现有SMT的上述问题。根据本发明的一个实施例，该接头可获得比采用二维或者大纵横比设计的现有接头低的寄生电感，因此能够通过接头得到较高速度的电能传送。本发明的接头提供了比已知利用SMT的接头高的保持能力。采用SMT提供保持力的电源接头依靠焊料及接头之间的表面张力和粘附力来将接头固定在其主PCB上。根据本发明，利用接头和安装该接头的PCB之间的机械过盈配合将接头固定在PCB上的合适位置。与只使用采用SMT技术的接头相比，其改进了组装过程。根据本发明，另一个好处在于接头可以连续盘绕(continuous coil)形式提供，因此节约了成本。
根据本发明的一个实施例，接头包括一对插脚。根据本发明的另一个实施例，插脚的长度不是固定的，而是可以根据接头所连接的PCB的厚度来改变。接头的总高度可以作为相邻PCBs之间所需的相隔高度的函数而改变。根据本发明的优选实施例，每个插脚有一个方形的横截面。根据本发明的另一个实施例，接头表面的槽形开口用于表面贴装而连接到第二PCB，从而帮助在回流焊接的情况下将接头置于所述第二PCB表面的中心。根据本发明的另一个实施例，槽形开口可将接头的两侧隔离，从而用于测试。
笼统来说，本发明是用于将第一印刷电路板连接到另一个印刷电路板的接头，所述接头包括由导体材料条形成的主体部分，其在中间部分弯曲，以形成弯曲的外表面和一个中空横截面，并且具有第一端和第二端，所述第一端至少具有一个插脚，其从与所述弯曲外表面相反的方向伸出，并且其尺寸被设计为可以和所述第一印刷电路板上形成的相应的孔实现过盈配合，所述第二端与第一端以大致相同的方向伸出，所述弯曲外表面形成大致与所述第二印刷电路板的表面共面的平面，使得所述弯曲外表面可以表面贴装到所述第二印刷电路板，而所述第二印刷电路板的表面大致与所述第一印刷电路板的相邻表面共面。
另外，本发明是连接第一印刷电路板的接头，所述接头包括形成于所述接头第一端的一对插脚；与所述第一端相对的所述接头的第二端，其朝向所述第一端折叠，直到所述第二端与所述第一端上所述一对插脚的形成位置处于同样水平；和在所述折叠区域的所述接头表面上形成的凹槽，其位置与所述第一端和第二端相对。
从下面具体实施例的详细讨论可以进一步理解本发明。为了清楚起见，该讨论是以具体的示例来说明其装置、方法、和概念。但是，本发明可用于更多种类的装置。所以本发明不应限于以下所述的具体


前述的本发明的情况和附带优点通过在参考附图以及随后详细描述会更加容易理解，其中图1A和1B示出根据本发明实施例的接头的透视图；图1C是图1A和1B所示接头的插脚根据本发明压配合插入形成于PCB上的圆孔的详细视图；图2A-2E示出了如图1所示具有优选尺寸的接头的相应正面、上面、侧面、底面和后面的视图；图3是根据本发明另一个实施例的一系列以连续盘绕形式排列的SMT接头的透视图，；图4是根据本发明安装在第一PCB上的两排接头的透视图；图5是本发明的另一个实施例的透视图，其中接头包括压配合插入PCB相应槽的单个插片。
附图标记用在图中表示特定的元件、部件或所示的特征，多幅图中共用的附图标记表示相似的元件、部件或所示的特征。
具体实施例方式
总的来说，本发明是可使用SMT和THT两者而连接在两块印刷电路板(PCBs)之间的接头。参考附图更详细地说明本发明。图1A和1B示出了根据本发明的接头100的透视图。更具体地，这些附图示出了接头100的优选实施例的两个透视图。接头100基本上是一个矩形部件，或者是由一条导体材料形成的主体部分，其在中间部分弯曲，以形成弯曲的外表面126和中空横截面(从图2C中可清楚看到)。接头100包括第一端132和第二端134。第一端132包括至少一个插脚110、120，其以与弯曲外表面126相反的方向从主体部分伸出，并且其尺寸与第一PCB上相应的孔过盈配合。第二端134以与第一端大体相同的方向伸出。如图1B所示，弯曲的外表面126确定了大致与第二PCB共面的平面，以使接头100可表面贴装在第二PCB上。
图1A和图1B进一步示出，接头100优选在第一端132具有一对插脚，并且优选在第二端134上具有圆形表面。接头100优选是通过将金属冲压片基本上在其较长一侧的中间部分弯曲而形成的。将第二端134折叠，使得一对插脚在平面图中位于平面第二端的后面和下面。图1A中的接头100的视图示出了位于第二端134后面的一对插脚110和120。在图1B中，接头的视图示出了接头100的较长一侧。从图2C可明显看出，在插脚110和120压入到PCB以使第二端134通过射流焊接(flow solder)连接到第一PCB表面时，第二端134优选紧靠第一PCB的表面。
本发明的接头100可消除现有技术的SMT插脚在进行回流焊接时(特别是在再加工过程中)容易错位甚至从PCB脱离的问题。本发明的接头100通过结合插入式封装技术和表面贴装技术，消除了这种保持力的问题。如上所述，这一定程度上是通过设计插脚110和120的尺寸使之可被压入PCB上钻出的配合孔从而将接头100保持在PCB表面的适当位置来实现的。需严格控制每个方形插脚110、120和PCB上的配合孔的尺寸，使得其配合是略微的过盈配合。因为PCB的结构特点允许一些柔量，所以避免了PCB的损坏。因此，如果配合不是过紧，PCB可以有效地容纳插脚110、120的尺寸。
图1C是图1A和1B所示接头100的插脚110和120压配合插入PCB 139上的孔136和138的圆孔中的详细视图。如图1C所示，每个插脚边缘和其相应孔之间的过盈配合将接头100固定在PCB表面上。在本领域中，众所周知还有一些在PCB表面固定接头100的其它技术，其中可包括在每个插脚侧形成翅片、将每个插脚压上花纹、或者使每个插脚端部分开和张开。另一种固定插针或插脚的技术包括被称为“星形”(“star”)的技术，其是在插脚的侧面形成叶片，从而接合孔的内表面(而不是如图1C所示的方形的角)。这种星形(star)技术在某些应用中非常有效的，因为它不容易因插脚或PCB上所形成孔的尺寸的变化而导致插入力变化。换句话说，叶片与孔内表面的配合比方形横截面形状的插脚与孔直径的配合其变化要小一些。
插脚110和120的长度140可以根据其连接的PCB板的厚度而改变。如图1A所示，在该实施例中，插脚110和120具有方形横截面形状。接头主体部分的总高度150可以作为相邻PCBs之间所需的空间量的函数而改变。PCBs之间的间距是安装在每个PCB上的构件尺寸的函数，也可以是为实现最佳性能的一个或两个PCBs所需散热量的函数。图1A和1B示出在接头100的弯曲外表面126上形成有凹槽160，其主要目的是在回流焊接时帮助将接头100置于其配合PCB(第二PCB)的中心。熔融焊料和被其润湿的表面的表面张力效应可使凹槽自动居中。被熔融焊料润湿的表面受到张力将表面拉向焊料本体。凹槽将焊料表面分为两个不同部分，这样就增加了焊料润湿边缘的长度。润湿边缘长度的增加加大了表面张力，从而拉动接头使其在回流焊接过程中焊料处于熔融状态的情况下与焊料衬垫均匀对齐。这种居中效果的增强取决于利用润湿边缘长度增加而设计的焊料衬垫。
凹槽160也可用于隔离接头100的侧面170和180以便于测试。即可将每个侧面的尺寸设计为使每个侧面的表面安装到第二PCB表面的不同接触区域。所以，可以通过接头100的一侧连接电源，同时可通过第二侧以常规方式利用第二PCB上的不同电路来感应电压。
图2A-2E示出了具有优选尺寸的接头100的各个正面、顶部、侧面和底面的视图。应该注意，这些尺寸仅是为了说明的目的，也可使用其它的尺寸和形状而不偏离本发明。如图2C所示的接头100的侧视图，接头主体部分可形成一个U形横截面，其大体是盒形的横截面。接头100形状的一个重要方面在于，一旦接头100安装到两个板之间，其在该PCBs之间提供最小的寄生电感。
图3示出了根据本发明的连续盘绕形式的一系列接头100的透视图。接头200、210、220、……260沿着长边彼此相邻地相互连接。与已知的利用带子(tape)和卷轴包装安装的SMT或二维插脚式接头相比，由于采用了这种连续盘绕形式，所以降低了成本。
图4是安装在PCB 312上的两排SMT接头300、301、302、...、311的透视图。从图4可清楚看见，每个接头的上侧朝着PCB的中心折叠向其插脚侧(未示出)。
图5是本发明另一个实施例的透视图，其中的接头包括用于将接头压配合插入到PCB槽的单个插片。如图5所示，类似地，接头500是以冲压金属片形成的，其在中间弯曲，以形成第一端510和第二端520。第一端510形成为插片530的形状，而不是两个方形插脚。在插片的表面上形成有微凹部分540，以在PCB上的槽中提供接头500的保持力，适当设计该槽的尺寸，使得该微凹部分540为插片530在形成于PCB上的槽中提供过盈配合。在本领域众所周知，由该微凹部分提供的保持力也可由以下方式代替，即可用倒勾代替该微凹部分，可在插片上滚花，或在PCB上形成尺寸比插片530尺寸略小的槽。因为在PCB中制造孔比制造槽的成本要小，所以优选实施例是使用两个插脚，而不是插片。
本发明的另一个实施例是将焊料球放置在接头的端部配合表面，该接头被设计为以SMT方式连接到第二PCB。该焊料球的目的是在将第二PCB固定到端部配合表面时使之熔化，以减少接头和主PCB生成的构件的高度变化的影响。在其它情况下，当将第二PCB安装到主PCB上时，这种共面的变化会是潜在的问题。特别是根据本发明，在具有多个靠近排列的接头以形成对应第二PCB表面的共同平面的产品中，可以预料，这些接头表面的接触点会从理想平面出现变动。本发明的另一种变型是将接头的侧面制成起伏状，使得其在制造显示出固有的柔量。通常的情形是，接头很硬，所以理论上当叠层PCBs和接头暴露在周期性温度极限时可致使焊接连接失效。如向端部配合表面添加焊接球所提供的改进一样，提供起伏状的侧面也可改进用本发明的接头将一个PCB连接到另一个上的可靠性。
根据一个实施例，本发明的接头也可用作线性致动电开关的内部触点(contact internal)。根据另一个实施例，本发明的接头也用作两个或者多个不需互相焊接的电动装置或者电路的接触点。
已经参照特定的实施例说明了本发明。这些实施例的变化和其它实施例对本领域的技术人员来说是显而易见的。所以本发明并不限于所讨论的特定实施例。可以理解的是，这里描述的示例和实施例仅是为了说明的目的，各种本领域技术人员所了解的修改或改变都应包括在本申请的精神和范围内，以及所附权利要求的范围内。
权利要求
1.一种用于将第一印刷电路板连接到另一个印刷电路板的接头，所述接头包括由导体材料条形成的主体部分，其在中间部分弯曲，以形成弯曲的外表面和一个中空横截面，并且具有第一端和第二端，所述第一端至少具有一个插脚，其从与所述弯曲外表面相反的方向伸出，并且其尺寸被设计为可以和所述第一印刷电路板上形成的相应的孔实现过盈配合，所述第二端与第一端以大致相同的方向伸出，所述弯曲外表面形成大致与所述第二印刷电路板的表面共面的平面，使得所述弯曲外表面可以表面贴装到所述第二印刷电路板，而所述第二印刷电路板的表面大致与所述第一印刷电路板的相邻表面共面。
2.如权利要求1所述的接头，其中当所述一个或多个插脚过盈配合插入所述相应的孔时，所述第二端紧靠所述第一印刷电路板的表面。
3.如权利要求1所述的接头，其中所述一个或多个插脚包括两个插脚，且其中每个所述插脚具有方形的横截面。
4.如权利要求1所述的接头，其中所述一个或多个插脚包括一个插片，且其中所述孔是槽形。
5.如权利要求4所述的接头，其中所述插片包括微凹部分，用来在所述槽中为所述插片提供过盈配合。
6.如权利要求1所述的接头，其中在所述弯曲外表面上形成一个凹槽，从而形成两侧，每一侧的尺寸被设计为可使所述侧表面贴装到所述第二电路板表面的不同接触区域。
7.如权利要求1所述的接头，其中所述主体的尺寸被设计为，当所述一个或多个插脚与所述相应孔过盈配合且所述弯曲外表面被表面贴装在所述第二印刷电路板时，所述主体确定了所述第一印刷电路板和所述第二印刷电路板之间的预定相隔距离。
8.如权利要求1所述的接头，其中所述导体材料条形成大致为U形的横截面。
9.如权利要求1所述的接头，其中所述导体材料条形成大致为盒形的横截面。
10.如权利要求1所述的接头，其中所述导体材料条被弯曲，以减小其寄生电感。
11.一种连接第一印刷电路板的接头，所述接头包括一对插脚，其形成在所述接头的第一端；与所述第一端相对的所述接头的第二端，其朝向所述第一端折叠，直到所述第二端与所述第一端上所述一对插脚的形成位置处于同样的水平；和在所述折叠区域的所述接头表面上形成的凹槽，其位置与所述第一端和第二端相对。
12.如权利要求11所述的接头，其中所述一对插脚的长度是所述第一印刷电路板厚度的函数。
13.如权利要求12所述的接头，其中所述一对插脚中的每个插脚具有方形的横截面。
14.如权利要求11所述的接头，其中与所述第一端和第二端相对的所述接头的表面的形状被设计为，可使所述接头表面贴装在第二印刷电路板上，并且其中所述凹槽改进了在回流焊接的情况下所述接头在所述第二印刷电路板上的自动居中。
15.如权利要求14所述的接头，其中所述凹槽形成两个侧面，每个侧面的尺寸被设计为可使所述侧面被表面贴装到所述第二电路板表面的不同接触区域。
16.如权利要求11所述的接头，其中与所述第一端和第二端相对的在所述折叠区域的所述接头的所述表面确定了一个平面，该平面大致与第二印刷电路板共面，所述弯曲外表面可以表面贴装到所述第二印刷电路板，而所述第二印刷电路板的表面大致与所述第一印刷电路板的相邻表面共面。
17.如权利要求11所述的接头，其中所述接头用作与线性致动电开关的内部触点。
18.如权利要求11所述的接头，其中所述接头用作所述第一印刷电路板和一个第二电路板之间的非焊接触点。
全文摘要
本发明是采用表面贴装技术和插入式封装技术两种技术而将一个印刷电路板(PCB)连接到另一个上的接头。在一个实施例中，该接头包括一对方形插脚，该插脚的长度取决于PCB的厚度。接头的高度取决于两个PCBs之间所需的距离高度。插脚通过形成在第一PCB上的孔与第一PCB过盈配合，从而通过插入式封装技术(THT)将接头固定到第一PCB上。与第一PCB确定的表面相对的接头的预定表面与第二PCB的表面共面，从而可以使用表面贴装技术(SMT)使接头与第二PCB表面的相应区域固定。
文档编号H01R12/55GK1747244SQ20051009355
公开日2006年3月15日 申请日期2005年8月26日 优先权日2004年8月27日
发明者A·马克 申请人:雅达电子国际有限公司