用于传输电力和信号的超低轮廓PCB嵌入式电连接器组件的制作方法

本申请要求于2014年9月17日提交的题为METHODS OF INTERCONNECTING PRINTED CIRCUIT BOARDS USING ULTRA LOW PROFILE PCB EMBEDDABLE ELECTRICAL CONNECTOR ASSEMBLIES FOR POWER AND SIGNAL TRANSMISSION(使用用于传输电力和信号的超低轮廓PCB嵌入式电连接器组件来互连印刷电路板的方法)的申请号为62/051,744的美国临时专利的权益和优先权，其公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及使用超低轮廓电连接器来互连印刷电路板(PCB)的方法，该电连接器可以使用钻孔或使用表面安装技术安装到PCB上，或者可以嵌入到PCB中用于传输信号和电力。

背景技术：

电连接器广泛用于电子工业中，用于在半导体芯片和印刷电路板(PCB)之间传输电力和数据。大多数连接器使用舌槽式组件，其中在合适的壳体内的母插座是柔性的并且伸展以容纳公连接器部件，以最大化接触面积，并固定公接触件使得需要合理的力来将公连接器和母连接器分开以防止意外断开连接。

随着印刷电路板和半导体芯片的快速小型化，电连接器已被驱使着小型化，该电连接器放置在具有通孔配置的印刷电路板上或者表面安装在PCB上，以将电功率或信号从PCB上的金属导体传输到外部世界，反之亦然，或PCB之间。电连接器的小型化主要专注于减小电连接器沿着PCB表面的平面的横向尺寸，以最小化其在PCB表面上的占用面积，而不是减小电连接器在PCB的厚度方向上的厚度。需要新的和替代的设计，以允许薄化连接器直至达到材料强度的极限。这种薄化将允许在PCB内嵌入连接器，从而在PCB的顶部为其它部件和电路腾出空间并且精简PCB的设计。

附图说明

图1示出了用于说明性示例的公连接器和母连接器部件的几何形状以及这些部件的耦合组件；

图2示出了用于说明性示例的封闭在由绝缘材料制成的壳体内的分离的公连接器和母连接器；

图3示出了用于说明性示例的封闭在由绝缘材料制成的壳体内的耦合的公连接器和母连接器；

图4示出了用于说明性示例的封闭在绝缘壳体内的耦合的公连接器和母连接器组件，其中导线焊接到导体从而形成独立连接器组件；

图5示出了用于说明性示例的将低轮廓母插座连接器嵌入到PCB中的过程；

图6示出了用于说明性示例的将低轮廓公连接器嵌入到PCB中的过程；

图7示出了于说明性示例的已嵌入到PCB中的公连接器和母连接器的完成的组件，准备好连接彼此；

图8示出了用于说明性示例的使用表面安装技术(SMT)将低轮廓连接器连接到PCB的又一个实施例；

图9示出了用于说明性示例的附接有插脚的母连接器和公连接器的又一个实施例，插脚用于插入到具有钻孔的PCB中；

图10示出了用于说明性示例的将具有插脚的两个相邻放置的母连接器附接到具有钻孔的PCB的过程；

图11示出了用于说明性示例的将具有插脚的两个相邻放置的公连接器附接到具有钻孔的PCB的过程；

图12绘示了用于说明性示例的使用双端公连接器来连接嵌入到PCB中的两个母连接器的两个或更多个PCB之间的互连的方法的又一个实施例；

图13示出了通过双面公连接器连接两个母连接器的又一个实施例，其中母连接器的形状是刚性的，公连接器可以弯曲以便于插入它的母配对物；

图14给出了母连接器和公连接器的各种形状、轮廓和尺寸的示例；

图15绘示了公耦合连接器和母耦合连接器的另一个实施例，其具有专用槽的以实现牢固连接；

图16示出了公连接器的又一个实施例，其在前部具有开口，以便在插入母连接器以建立电连接期间在公连接器中实现更大的柔性；和

图17示出另一说明性示例。

具体实施方式

应当参考附图阅读以下详细描述。附图不一定按比例绘制，并且描绘了说明性实施例，而不旨在限制本发明的范围。

电连接器的小型化主要专注于减小电连接器沿着PCB表面的平面的横向尺寸，以最小化其在PCB表面上的占用面积，而不是减小连接器沿着PCB的厚度方向的厚度。这意味着，连接器组件的母插座为了接受其公配对物的扩张发生在垂直于PCB平面的方向上。这主要有利于有大量信号需要在PCB之间传输的密集数字电路。但是这种方法也限制了能够实现的连接器的最小厚度，因为垂直于PCB平面的连接器高度必须适应公连接器部件的金属厚度，母连接器中的金属插座的厚度以及母插座为了容纳公部件的扩张。金属厚度通常是其需要承载的电流密度的量的函数，对于密集数字电路需要承载的电流密度的量通常较大。

发明人已经认识到，PCB上的电源线(与信号或数据线相反)要少得多，并且可以利用更薄的连接器组件来实现PCB之间的电力传输，其中母连接器可以沿着PCB的平面扩张。根据电流密度的要求以及相应地公和母连接器之间的接触面积，连接器金属臂的宽度可以做得更大，以适应更大的电流密度(在电力电子，模拟和混合信号电路中看到的示例中)。在本发明中示出了制造和装配这种连接器和集成到PCB上的方法。虽然这种改进针对的是电源线，但是这些连接器也可以用于数字或模拟数据或信号线。

图1示出了说明性公连接器110和母插座连接器112的几何形状，其被设计以形成最大接触区114。母连接器112可以用诸如铍铜、磷青铜或具有弹性弹簧特性的其它导电材料的高强度弹簧调质材料制成。连接器设计成在公连接器以合理的力插入母连接器中时，在118所示的方向上扩张。母连接器的移位或扩张被设计为沿着PCB的平面，这允许在PCB的厚度方向上显著减小连接器和最终连接器组件的厚度。连接器可以通过冲压，切割或以其它方式塑形金属连接器来形成，例如连接器也可以退火或电镀。也可以使用3D打印。另外的细节、特征和/或其它制造过程也在下面指出。

示例性母连接器在远离连接器的基部的远端上具有槽口116，槽口116卡扣到公连接器上的棘爪120中。这种机构不仅使得连接牢固，而且提供了触觉反馈和可听到的咔嗒声，以确保用户已经在公连接器和母连接器之间建立了正确的连接。在图示中，公连接器具有棘爪120，母连接器具有槽口116；在另一个示例中，公连接器可以具有槽口，而母连接器具有棘爪。

可以改变连接器的形状和尺寸以适应连接器的不同载流要求。保持厚度恒定，可以改变沿PCB平面的尺寸以调节接触表面面积以适应任何给定的电流密度要求。在说明性示例中，母连接器的顶部侧面和/或底部侧面可以用刚性材料覆盖，以防止公连接器在垂直于连接器的顶部和底部表面的平面的方向上脱离母连接。这可以通过将连接器包覆在合适的壳体中和/或通过在连接器组件的顶侧和底侧上焊接或胶粘刚性金属或绝缘板来实现，如下面将描述的。

图2示出了由绝缘盒214封装的示例性公连接器212和母连接器210，其用于放置在PCB的顶部上或与PCB对齐。绝缘材料可以基于电流、电压和温度要求合适地选择。绝缘盒的顶侧被示出为透明的，以使得能够看到封闭在其中的金属连接器，但绝缘盒的顶侧不一定是透明的。用于盒214的示例性材料包括例如硅橡胶和其它合适的绝缘体。盒214可以是大体中空的并且提供用于母连接器210的臂在PCB平面内或平行于PCB平面移动的空间。

图3示出了封装的300母连接器302与封装的310公连接器312的互连。一旦如所示的完全耦合，可以通过封装结构体300,310防止水、污物等的进入。将连接器400,402封装在绝缘壳体中允许它们通过将导线410附接到金属连接器而用作独立的连接器，如图4所示。这使得能够将电力和数据信号传输到外部世界。

在说明性示例中，本文所示和所述的连接器嵌入到PCB本身中。例如，如图5所示，PCB 514具有用于承载电功率、信号或数据的迹线516，可以在PCB中铣削出、蚀刻出或激光切割出合适的槽518。接下来，母连接器512落入合适位置与PCB对齐。根据需要，所形成的槽可以是电镀的或绝缘的。对于多层PCB，如果需要，用于导电迹线516的合适的层可以一直延伸到槽518，如果需要，其可以被电镀，以便于导电耦合到母连接器512或公连接器(图6)。PCB的其它导电层可以具有围绕槽518的回拉(pull-back)区域。在一些示例中，连接器512可以具有与PCB 514相同或比PCB 514更小的厚度，允许连接器512平齐地位于铣削出的开口518中。

可以注意到，槽518的尺寸和形状可以如图所示，具有用于固定母连接器的较大宽度的第一区域和较窄宽度的第二区域，以提供在PCB的平面中伸出PCB的拉伸强度。为此，再次参照图1，示出的母连接器112具有在130处的脚部，该脚部比母连接器112的其余部分更宽，以帮助机械固定。槽518(图5)的较窄部分比臂118(图1)所需的空间更宽，以允许当公连接器插入其中时臂向外弯曲。使用这种“脚”是可选的。连接器可以通过锤击或施加粘合剂进一步固定就位。在另一个示例中，为了防止公连接器在垂直于PCB平面的方向上的意外脱离，刚性金属或绝缘板可以在槽518的区域上方焊接或胶粘在PCB的顶部侧面510和底部侧面520上。

图6示出了将公连接器与PCB 610的平面对齐放置的说明性步骤。例如，可以在PCB中铣削，蚀刻或激光切割合适尺寸和形状的槽616，并且如果需要的话可进行电镀。公连接器然后可以按压和/或胶粘到适当位置与迹线614连接。如同母连接器(图5)，示出的公连接器612具有脚部分，其提供与PCB 610的边缘的机械接合。如果需要，可以如前所述提供类似的顶板和底板(图5在510,520)，尽管这些不是必需的。为了附加的强度，例如通过提供金属或其它加强件来沿着一个或多个边缘加强PCB 610(或图5中的514)。

图7示出了公连接器和母连接器完全装配到PCB中。在710中可以看到母连接器和公连接器到PCB上的金属迹线714的连接(在一个示例中可以使用焊料)。放置在母连接器顶部上的顶部金属或绝缘板712被示出为透明的，以使得能够看到嵌入的连接器，但是不一定如此。可选地，低轮廓连接器可以使用传统的表面安装技术(SMT)和工艺焊接在PCB的顶部上。这在图8中示出。在810中示出了连接器到金属迹线814的焊接附接。可以包括外壳814以防止公连接器和母连接器在垂直于PCB平面的方向上的意外脱离。

图9中示出了低轮廓公连接器和母连接器的又一个实施例，其中母连接器具有在绝缘壳体中的侧臂910，插脚912从侧壁910延伸。这种设计使得连接器组件能够集成在更传统的PCB设计上，其中部件被放置在钻孔中以手动地或者利用波峰焊接技术焊接到金属迹线。视图914和916分别示出了具有壳体和插脚的母连接器的底侧和顶侧视图，并且918示出了附接有插脚的壳体内的公连接件。壳体的一些部分已被示出为透明的，以使得能够更好地观看连接器几何形状，但不一定如此。

图10示出了具有插脚1010的两个相邻放置的母连接器的附接过程。连接器1010放置在具有钻孔1014的端接焊盘上，以接纳具有插脚的这些连接器，钻孔1014连接到PCB的金属迹线1012的端部。金属迹线1012说明性地示出在PCB的表面上，但是应当理解，迹线1012可以在PCB的不同层上，并且通常使用本领域中的常规实践由绝缘层覆盖。如果需要，通孔1014可以是电镀的。

图11示出了将具有插脚1110的公连接器附接到端接焊盘的相似过程，其中端接焊盘具有在金属迹线1114的端部处的PCB上的钻孔1112的。在多个PCB之间互连的方法的又一个实施例中，两个母连接器1220可以嵌入到PCB 1230中并且通过双端公连接器1210连接以形成两个PCB之间的电接触。这种接触允许互连具有更大的灵活性，因为单个公连接器可以容易地移除并插入到母连接器的不同组合中，以进行不同种类的电连接。此外，由于只有母连接器被嵌入到PCB中，所以制造方面可以被精简并且也更具成本效益。例如，用于制造的拾取和放置过程将更加精简，因为将不需要专门分开的公和母连接器部件。最后，全部使用母连接器可以使处理更容易，因为将更少地担心损坏从PCB的边缘延伸出来的公连接器。

图13示出了两个母连接器和公互连器之间的互连系统和方法。在该示例中，母连接器1310是刚性的而不是柔性的，并且公连接器1312可以沿着PCB 1314的平面压缩和去压缩。刚性母连接器可以通过铣削合适的槽1316而嵌入到PCB中，并且可以通过将母连接器1310焊接在边缘1320处而连接到导电迹线1318。母连接器的这种替代形状还具有凹部或突出部1322。公连接器1312具有相应的凹口1324。当将公连接器1312插入到母连接器1310中时，这有利于利用公连接器1312的弹簧作用来实现牢固连接。在一个示例中的弹簧作用还产生可听到的咔嗒声，指示已经牢固地进行连接。另一个实施例包括例如如图1所示的柔性母连接器和如图13所示的柔性公连接器部件。

图14示出了母连接器和相应的公连接器可以以各种方式改变尺寸1410或形状。例如，在1410处示出了相对较宽的、方形的基部版本，其将位于PCB的矩形切口中。1412处的连接器可以位于PCB的半圆形或圆形切口中。最后，在1414处示出的连接器可以位于梯形形状的切口中。连接器的壁也不需要具有均匀的宽度。在一些情况下，诸如形状1414的较宽基部和较小开口的较宽可以有助于更好地将连接器固定在PCB内，从而在拉动公连接器的情况下抵抗来自PCB的破坏。

鉴于前述实施例示出的公连接器和母连接器的形状允许通过拉动连接器而容易地插入和移除部件，图15示出刚性母连接器1510和柔性公互连器1512的实施例，其中母连接器1510上的倒圆沟槽1514允许容易插入公连接器1510，但是平坦的沟槽1516防止容易地移除公连接器1512，从而建立牢固的连接。由于公连接器是柔性的，因此需要沿着PCB 1518的平面压缩以释放连接器。在1520处示出了两个母连接器与公连接器牢固地耦合的耦合组件。

根据公连接器的弹性，有益的或有用的是，在适于插入的端部中打开公连接器1612，如图16所示。例如，在1610处示出了用于说明性双向公耦合器1612的开口端。公连接器的这种夹子类型设计将仍然在PCB的平面中弯曲，并且使用匹配的倒圆突出部和凹口牢固地装配在母配对连接器内部。

还如图16所示，不是如上所示的一体式组件，公连接器可以由一个或多个夹子和如1614所示的导体装配在一起。该实施例的优点是公连接器本身在垂直于连接器和它们将连接的PCB的平面的方向上变得柔性。这种类型的公连接器也可以容易地端接到用于连接到外部电路的柔性导线中，如在1616所示。

图17示出了另一说明性实施例。这又是在两个PCB中的每一个上设有母连接器1710的设计。使用其中具有凹口的两个刚性连接器1712来实现它们之间的互连，凹口使用弹簧元件1714彼此连接。

第一非限制性示例采用被配置为母插座的插入件的形式，用于将放置在印刷电路板(PCB)上的槽中的电连接器，PCB具有水平尺寸和竖直尺寸，插入件包括连接到基部元件的第一臂和第二臂，基部元件具有用于放置在PCB的水平尺寸中的宽度，其中第一臂和第二臂被配置为在PCB的水平尺寸内弹簧式地弯曲。第二非限制性示例采用如第一非限制性示例中的插入件的形式，其中第一臂和第二臂中的至少一个包括用于可释放地固定公配对连接器的棘爪。第三非限制性示例采用如第一非限制性示例中的插入件的形式，其中第一臂和第二臂中的至少一个包括用于可释放地固定公配对连接器的槽口。

第四非限制性示例采用被配置为公耦合器的插入件的形式，用于将放置在印刷电路板(PCB)上的槽中的电连接器，PCB具有水平尺寸和竖直尺寸，插入件包括接到突出部的基部元件，基部元件具有用于放置在PCB的水平尺寸中的宽度。第五非限制性示例采用如第四非限制性示例中的插入件的形式，其中，突出部包括用于可释放地固定母配对连接器的槽口，其中，槽口具有在基部元件的宽度方向上的朝外表面。第六非限制性示例采用如第四非限制性示例中的插入件的形式，其中，突出部包括用于可释放地固定母配对连接器的棘爪，其中，棘爪具有在基部元件的宽度方向上的朝外表面。

第七非限制性示例采用PCB组件的形式，该PCB组件包括其上具有一个或多个电子迹线并且具有水平尺寸和竖直尺寸的PCB；以及如第一至第六非限制性示例中的任一个中的插入件，其中所述PCB包括铣削槽，插入件被放置在该铣削槽中。作为替代，槽可以被激光去除，蚀刻出，冲压或以其它方式去除，而不是铣削。第八非限制性示例采用如第七非限制性示例中的PCB组件的形式，还包括至少第一护罩元件，其在插入件上方放置在PCB上。第九非限制性示例采用如第七或第八非限制性示例中任一个的PCB组件的形式，其中插入件的尺寸被设置以齐平地位于PCB的铣削槽内。第十非限制性示例采用如第七至第九非限制性示例中的任一个中的PCB组件的形式，其中，通过将插入件胶粘到PCB的铣削槽中的合适位置来形成组件。第十一非限制性实例采用如第一至第六非限制性实施例中任一个的插入件的形式，其中基部具有在约5至20毫米范围内的宽度和在约5至20毫米/密耳范围内的高度。

第十二非限制性示例采用被配置为母插座的可表面安装连接器(SMC)的形式，用于放置在印刷电路板(PCB)上的电连接器，PCB具有水平尺寸和竖直尺寸，使得SMC将在PCB的竖直尺寸上放置在PCB的表面上，SMC包括连接到基部元件的第一臂和第二臂，基部元件具有用于沿着PCB的水平尺寸放置的宽度，其中第一臂和第二臂被配置为在PCB的水平尺寸内弹簧式地弯曲。

第十三非限制性示例采用如第十二非限制性示例中的SMC的形式，其中第一和第二臂中的至少一个包括用于可释放地固定公配对连接器的棘爪。第十四非限制性示例采用如第十二非限制性示例中的SMC的形式，其中第一臂和第二臂中的至少一个包括用于可释放地固定公配对连接器的槽口。

第十五非限制性示例采用被配置为公耦合器的可表面安装连接器(SMC)的形式，用于放置在印刷电路板(PCB)上的电连接器，PCB具有水平尺寸和竖直尺寸，SMC包括连接到突出部的基部元件，基部元件具有用于放置在PCB的水平尺寸中的宽度。

第十六非限制性示例采用如第十五非限制性示例中的SMC的形式，其中突出部包括用于可释放地固定母配对连接器的槽口，其中槽口具有在基部元件的宽度方向上的朝外表面。第十七非限制性示例采用如第十五非限制性示例中的SMC的形式，其中突出部包括用于可释放地固定母配对连接器的棘爪，其中，棘爪具有在基部元件的宽度方向上的朝外表面。

第十八非限制性示例采用PCB组件的形式，该PCB组件包括其上具有一个或多个电子迹线并且具有水平尺寸和竖直尺寸的PCB；以及如第十二至第十七非限制性示例中的任一个所述的SMC，其中至少一个电子迹线耦合到SMC。第十九非限制性实施例采用如第十二至第十七非限制性实施例中任一个的SMC的形式，其中基部具有在约5至20毫米范围内的宽度和在约5至20毫米范围内的高度。第二十个非限制性示例采用用于在第一印刷电路板(PCB)和第二PCB之间建立电连接的系统的形式，包括如在第一非限制性示例中的插入件用于与第一PCB一起使用，还包括如在第四非限制性示例中的插入件用于与第二PCB一起使用。第二十一非限制性示例采用用于在第一印刷电路板(PCB)和第二PCB之间建立电连接的系统的形式，包括如在第十二非限制性示例中的SMC用于与第一PCB一起使用，以及如在第十五非限制性示例中的SMC用于与第二PCB一起使用。

在一个示例中，公连接器和母连接器被设置为与PCB齐平放置的插入件，并且可以具有与PCB的厚度匹配的厚度，例如在约1至10mm的范围内。公连接器的长度可以在约6至10mm的范围内。在公连接器具有棘爪的示例中，与沿着公连接器的其它地方的约6至10mm的宽度相比，棘爪的最大宽度可以在约1至5mm的范围内。在公连接器具有槽口的示例中，与沿着公连接器的其它地方的约6至20mm的宽度相比，槽口的最小宽度可以在约2至5mm的范围内。

在一个示例中，公连接器和母连接器采用如在第十二至第十七非限制性示例中的任一个的SMC的形式，可以具有例如在约1至10mm的范围内的厚度。公连接器的长度可以在约6至20mm的范围内。在公连接器具有棘爪的示例中，与沿着公连接器的其它地方的约6至20mm的宽度相比，棘爪的最大宽度可以在约1至5mm的范围内。在公连接器具有槽口的示例中，与沿着公连接器的其它地方的约6至20mm的宽度相比，槽口的最小宽度可以在约2至5mm的范围内。

示例中，公连接器和母连接器被设置为与PCB齐平放置的插入件，并且可以具有与PCB的厚度匹配的厚度，例如，厚度为1.6mm。公连接器的长度可以在约7mm的范围内。在公连接器具有棘爪的示例中，与沿着公连接器的其它地方的7mm的宽度相比，棘爪的最大宽度可以在约1mm的范围内。在公连接器具有槽口的示例中，与沿着公连接器的其它地方的7mm的宽度相比，槽口的最小宽度为约2mm。其它尺寸和范围可以考虑用于其它示例或实施例。

几个上述实施例涉及PCB。如果需要，这些构思也可以应用于柔性电路板(柔性电路)。提供的范围仅仅是说明性的，并且在附加或替代实施例中可以设想更大或更小的尺寸。

本领域技术人员将认识到，本发明可以采用除了本文所描述和预期的具体实施例之外的各种形式来表现。因此，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行形式和细节上的偏离。