专利名称：无焊接组件封装和安装的制作方法
技术领域：
各实施例一般涉及电子装置封装和安装技术，更具体地说，涉及适用于恶劣环境下的传感器安装应用的组件安装设备。更具体地说，各实施例涉及专用电子设备封装和相应的组件安装设备，它们在结构和功能上优于传统的表面安装和压配合技术。
背景技术：
电子设备封装和安装的可靠性问题几乎总是与热力学应力相联系的。这些问题与工业即将到来的革命相结合，其中市场要求提供更多能力和更大功能的封装较小和密度较高的装置。传感器封装在恶劣环境中最薄弱的环节之一，例如，是用来把传感器组件附在印刷电路板(PCB)上的焊接头。
基于焊接的几个类型的技术已经用来把集成电路模块和/或分立组件附在适当的互连平台(forum)，一般是PCB上。这样的一种传统的安装技术涉及封装在塑料中并具有由此伸出的金属引线的组件定位在PCB上，使得引线伸入该PCB的孔中。焊接头用来使引线坚硬地耦合到PCB孔上。另一种基于焊接的安装方法，一般称为表面贴焊技术(SMT)，涉及电子组件的安装，使得这些引线焊在PCB的表面上，而不是插入该板的孔中。
焊接剂成型的化合物具有给定应用的制造商必须考虑的几个重大的性能特性。这些项目包括玻璃化转变、热学膨胀系数(CTE)、吸湿特性、弯曲模量和强度以及导热率。
这些及其他特性可能对与电子组件的焊接安装相联系的问题有影响，包括水份灵敏度、开裂的封装、连接导线断开、间歇的电气连续性失效等，具体地说，当在高温环境中配置时，诸如许多汽车传感器应用、不匹配的应变可能明显地危及电子设备封装中焊接头的强度和可靠性。这些问题大部分不存在于装配在PCB上之前的装置中，而是在焊接或返工焊下来的装配过程中热诱生应力造成的结果。
对于把PCB组件焊接在一个公用的电路衬底上以便形成一个功能单元，诸如电子传感器组件上，一个备选方法是一般所谓的压配合技术。进行压配合连接，正如其名称所暗示的，通过把接触引线按入PCB的过孔。这里重要的考虑是，该引线的剖面直径要大于PCB孔的直径。在引线插入PCB过孔的过程中引线截面和孔径的这种差异造成不是PCB孔变形，就是引线截面变形。
两种主要的压配合技术包括在插入过程中不变形的坚固引线和有适应性的引线，插入PCB的过孔的结果是被压缩。由于几个原因，该有适应性引线的方法已经被证明在达到可靠的压配合接触方面更受欢迎。第一，压配合截面的尺寸减少对该PCB过孔造成较小的有潜在损坏作用的力，而且电镀过孔可以接受较大的容差。另外，有适应性的引线使要求的插入力较低，造成较少的后勤复杂情况。最后，有适应性的引线允许多次反复压入同一批过孔。
除用来把组件连接至PCB以外，压配合技术一般还利用在多层PCB应用中，其中作为PCB上有效的插入件适配器安装压配合连接适配器。
鉴于焊接PCB连接技术的上述问题，这样的压配合技术作为一个把多个组件连接到公用平台上的更具有引力的的备选方案迅速浮现。压配合有适应性的解决方案较之焊接提供几个优点，包括提供简单的、整洁的、强健和高度可靠的互连，甚至在高振动和热循环的环境下也是如此。压配合连通还消除了对PCB地平面层焊接时它们的散热器作用的特殊特征的需要减到最小。压配合PCB连通的使用消除了焊接的需要，并因而消除与传统的焊接和波峰焊接应用相联系的使封装曝露于高温的情况。焊接头的排除通过提供更耐冲击的连接，增强长期可靠性。另外，压配合连接的使用消除了由于需要清除焊剂及其他焊接板残渣的而清洗PCB的需要。
尽管减轻了与焊接连通相联系的问题，但是传统的压配合技术引起了几个重大的问题。传统的压配合的许多缺点涉及把多条引线定位和按入非常小的压配合孔的精细容差。例如，当连接器引线压在PCB上时，引线往往从PCB突出，要求在所有连接器的连接点处提供间隙孔或狭缝。另外，为了把PCB孔与固定设备预先对准，要有包括工具引线的高精度加压定位设备。另外，由于组件引线的变形，上述有适应性的引线方法造成组件的可重用性的减少。
因此，可以意识到，为了改善封装和安装电子组件至衬底平台用的设备和方法，存在减轻焊接和传统的压配合技术的全部或某些上述问题的需要。本发明就是要应付这样的一种需要发明内容提供以下发明内容是为了提供便于理解本发明所独有的新颖性特征，而不是想要作一个完全的描述。通过把整个说明书、权利要求书、附图和摘要作为一个整体，可以取得对本发明的不同方面一个完全的评价。
这里公开了一种提供一个或多个电子组件的三维载体安装用的设备和方法。按照一个实施例，本发明的装置安装设备包括在至少两维上具有组件安装表面的弹性塑料衬底。在该组件安装表面内设置至少一个压配合组件插入空腔，以便当压配合进入该空腔时，提供压电子组件的压缩保持。
该空腔最好具有这样的深度，使得当组件压配合时，它不伸到该空腔表面平面以上。该插入空腔的特征还包括至少一条设置在所述插入空腔的内表面上的并定位在该插入空腔表面上的传导迹线，使得该传导迹线接触在该插入空腔内保持的电子装置的至少一条引线。
在下面详细编写的描述中，本发明的所有目的、特征和优点将变得明显。
在所有单独的视图中，相似的附图标记都标示相同或功能相似的要素，这些附图包含在说明书中并形成其一部分，进一步举例说明本发明，并连同本发明的详细说明一起用来解释本发明的原理。
图1描述按照本发明一个实施例用于安装电子组件的设备；图2举例说明按照本发明提供一个备选实施例用于提供多维载体装置安装的设备；图3描述本发明利用组件卡式(snap-in)特征的装置安装设备的一个备选的实施例；图4举例说明按照本发明的利用备选的卡式机制的电子装置安装设备；和图5描述在一个本发明的备选的实施例中利用覆盖和夹紧设计的电子装置安装设备。
具体实施例方式
在以下参照附图的描述中，本发明在一个优选的实施例中描述。尽管本发明是按照达到本发明目的最佳模式描述的，但本专业的技术人员现会意识到，在不偏离本发明的精神或范围的情况下，考虑到这些传授可以进行各种变化。
本发明涉及集体地安装电子装置，诸如传感器或其它的电子设备封装的设备和方法，它消除了传统的印刷电路板(PCB)和压配合技术的许多缺点。更具体地说，正如下面参照附图更详细解释的，本发明的装置安装设备使用有适应性的/柔性的衬底材料，同时用作类似于PCB的多组件框，并具有使它能用来在机械上保持该组件而不必焊接或其它的机械的或粘结的组件耦合的材料特性。
这里利用的用来描述一种衬底保持特性的“弹性”、“弹性体”和类似的术语是想要指一种目标材料的机械特性，其特征在于，一种材料是“弹性”的，是表示它由于施加的负载而改变形状，但是当除去负载时就会恢复它原来的形状。
现参照附图，其中在所有附图中相似的附图标记标示类似的和相应的部件，具体地说，参照图1，描绘按照本发明一个实施例的安装电子装置用的设备。如图1所示，该装置安装设备一般包括衬底件2，具有一个敞开的空腔插入区4，电子装置(未示出)可以受压保持在其中。尽管在所描绘的实施例中被描绘为矩形，但是插入区4可以形成为具有任何各种各样的内部轮廓和尺寸，以适应插入区4为之设计的特定电子装置或元件的形状和尺寸。
正如在图1中进一步举例说明的，该装置安装设备还包括传导迹线6，设置在衬底件2表面上的至少两个平面维上，从上表面平面并延伸入该敞开空腔插入区4的内侧5。假定衬底件2包括塑料，传导迹线6最好是金或金合金。在备选的实施例中，传导迹线6可以包括其它的适当的金属或合金，包括铜、镍、金、锡、铝和铬中的一个或多个。
传导迹线6定位在该衬底件2空腔插入区部分的表面上，使得该线迹接触其上安装的电子装置或组件各自的末端。具体地说，所描绘的安装设备是这样设计的，当电子组件压配合进入插入区4时，插入区4一对相对的内侧5施加弹性压缩力使该装置受压保持在插入区4内，而不必进行诸如焊接等其他耦合或扣紧手段。为此目的，并在所描绘的实施例中和在一个重要特征中，衬底件2包括一种弹性恢复材料，诸如许多众所周知的聚合物复合材料中的一种。伸进插入区4侧表面5上的传导迹线6的部分提供与相应的装置引线(在图2中描绘)可靠的电气触点，接触该各弹性表面。
参见图2，其中举例说明按照本发明一个备选实施例的提供多维装置安装用的设备。如图2所示，该备选的实施例的设备，类似于在图1中描绘的，一般包括衬底材料件22，其提供该装置安装框架和至少一个压配合组件插入空腔，用以把组件压配合在该衬底上。具体地说，衬底件22包括多个安装表面21、23和27，设置在至少两个不同的安装平面上。另外，安装表面21、23和27分别包括压配合空腔13、17和18，它在原理上以类似于参照图1说明的压配合空腔4的方法形成。具体地说，由图2提供的剖面图描述揭示一个设置在衬底22表面上并延伸在该插入空腔相对横向侧壁内表面上的传导迹线24，使得传导迹线24接触保持在其中的电子装置的至少一条引线。与以前描绘的实施例一样，在图2中举例说明的该传导迹线最好是金或金合金，但是也可以包括其它的适当的金属或合金。
图2还举例说明电子组件16安装在压配合空腔13内的方式。具体地说，电子组件16通过把该组件压配合进入压配合空腔13而安装在该设备上，就是说，其大小定得适应组件16，而同时横向内壁部26提供一个足够的压缩弹性力，顶住相应的一组组件引线(未示出)，在所描绘的组件16的纵向末端上，以便在机械上和在电气上把该组件耦合和保持在衬底22中。这样，组件16可以手工或机械安装，不必使用其他结合或粘结剂耦合，以此使以前安装的组件方便卸装和/或重新安装。
本发明的设备提供的并在图2的侧剖面图中描绘的重大优点，是消除焊接的需要，以在该设备的结构和把该设备放入另一个系统方面，提供明显的后勤优点。具体地说，并继续参见图2，压配合空腔13最好形成得具有这样的深度，使得当电子组件压配合进入其中时，至少足以使该组件不伸到该敞开空腔由之延伸的安装表面21的表面平面以上。通过有效地嵌入组件来保持一个扁平或齐平的衬底表面轮廓，本发明的安装设备提供一个装置框架，它可以更灵活地和紧凑地嵌入各种各样具有轮廓的大小限制的系统。
参照图3，其中描绘本发明装置安装设备的一个利用组件卡式特征的备选实施例。具体地说，图3所示的实施例是一个用来安装一个或多个电子装置或元件的设备，一般包括衬底件45，具有上表面边界42，在其下面设置卡式插入区48。卡式区48最好设计得适应具有规定尺寸和引线的结构的电子组件。如所描绘的实施例所示，卡式区48的特征是包括一对相对的柔性组件保持件44，延伸在衬底边界表面42的下面，并把电子组件34受压保持在保持件44的卡式表面轮廓内。
和图1和2描绘的实施例一样，衬底45最好包括弹性的/有回弹力的塑料。另外，图3所示的卡式装置安装设备包括传导迹线38，设置在衬底件45的表面上并延伸到组件保持件44的内表面。这样，电子组件34安装在该设备上时，一个或多个装置引线36的相应组便维持在与各自相对的传导迹线38部分的压缩接触中。
图4举例说明按照一个备选的实施例图3的卡式实施例的一种变形。图4的安装设备一般包括衬底52，具有伸进卡式插入区56的传导迹线58。与图3所示的实施例形成对照，该插入区56的特征是包括一对双组组件保持臂54，它额外地向该设备提供安全的机械耦合。
参照图5，其中描绘一个使用“三文治”类型卡式设计的电子装置安装设备。类似于以前描述的各实施例，图5所示的安装设备一般包括具有传导迹线72的塑料衬底68。和以前的实施例一样，传导迹线72设置在通过在衬底68中的描绘的井形成的弹性插入区的表面上，使得传导迹线72接触保持在其中的电子装置66的各条引线。
另外，图5描绘的安装设备包括覆盖件64，它设置在衬底68内形成的敞开的空腔插入区的上面，以便安全地把电子装置66受压保持在该插入区内。这样的压缩保持对于诸如电子的车辆传感器等这样的应用特别有用，其中该装置的封装经受相当大的动态力、加速度及其他动态应力。正如在图5还描绘的，该安装设备可以包括夹子62，它在衬底68和覆盖件子64之间施加压力，以便安全地把覆盖件保持在其应有位置上。在严重的热学状态下，夹子可以利用来维持一个足够的结构上的保持力，从而保证组件66仍旧安全地固定在该插入区内在这里提出的实施例和示例是为最佳地解释本发明及其实际应用而提供的，以此使本专业的技术人员能够实现和利用本发明。但是，本专业的技术人员将会意识到，上面的描述和已经呈现的示例只是为了达到举例说明和示例的目的而已。对本发明的其它变动和修改对于本专业的技术人员将是显而易见，后附的权利要求书拟覆盖这样的变动和修改。
所提出的描述并不是想要穷举或限制本发明的范围。在不脱离以下权利要求书的范围的情况下，按照上述传授可以作出许多修改和变动。可以预计本发明的使用会涉及具有不同的特性的组件。本发明的范围拟由后附的权利要求书定义，并给出对所有方面给出的等效物的充分认识。
权利要求
1.一种用于安装一个或多个电子装置的设备，所述设备包括衬底件，具有电子装置可以受压保持在其中的弹性插入区；和至少一条传导迹线，设置在所述弹性插入区的表面上，其中所述传导迹线定位在所述插入区的表面上，使得所述传导迹线接触在所述插入区内保持的电子装置的至少一条引线。
2.权利要求1的设备，其中所述衬底件包括塑料。
3.权利要求1的设备，其中所述至少一条传导迹线包括在所述衬底件的表面上按至少两维施加的金属图案。
4.权利要求1的设备，其中所述至少一条传导迹线包括金属或金属合金，包括铜、镍、金、锡、铝和铬中的一个或多个。
5.权利要求1的设备，其中所述弹性插入区包括至少两个相对侧面，所述相对侧面中的至少一个包括基本上为弹性的塑料。
6.权利要求1的设备，其中所述弹性插入区是作为所述衬底件内的敞开空腔形成的。
7.权利要求6的设备，其中所述弹性插入区设计来在机械上接合和保持所述电子组件，所述敞开空腔的特征是具有至少足够的深度使得在所述电子组件压配合进入其中时所述电子组件不延伸到所述敞开空腔的表面平面之上。
8.权利要求1的设备，还包括覆盖件，设置在所述弹性插入区之上，其中所述覆盖件提供用于保持所述电子装置的盖子；和夹子，它在所述衬底件和所述覆盖件之间施加压力以便安全地把所述覆盖件保持在应有的位置上。
9.一种提供一个或多个电子组件的三维载体安装的设备，所述设备包括塑料衬底，在至少两维上具有组件安装表面；和至少一个压配合组件插入空腔，设置在所述组件安装表面内，所述插入空腔的特征是包括至少一条传导迹线，其设置在所述插入空腔的内表面上，其中所述传导迹线定位在所述插入空腔表面上，使得所述传导迹线接触在所述插入空腔内保持的电子装置的至少一条引线。
10.权利要求9的设备，其中所述塑料衬底包括弹性聚合物材料。
11.权利要求9的设备，其中所述至少一条传导迹线包括金属图案，其设置在所述塑料衬底的安装表面上。
12.权利要求9的设备，其中所述至少一条传导迹线包括金属或金属合金，包括铜、镍、金、锡、铝和铬中的一个或多个。
13.权利要求9的设备，其中所述插入空腔包括至少两个相对侧面，所述相对侧面中的至少一个包括基本上为弹性的塑料。
14.权利要求13的设备，其中所述插入空腔设计来在机械上接合和保持电子组件，所述插入空腔的特征是具有一个至少足够的深度使得在所述电子组件压配合进入其中时所述电子组件不延伸到所述敞开空腔的表面平面之上。
15.一种用于在机械上和在电气上使至少两个电子装置互连的方法，所述方法包括提供在至少两维上具有组件安装表面的塑料衬底；和把电子组件压配合进设置在所述组件安装表面内的至少一个压配合组件插入空腔，所述插入空腔的特征是包括至少一条设置在所述插入空腔内表面上的传导迹线，其中所述传导迹线定位在所述插入空腔表面上，使得所述传导迹线接触在所述插入区内保持的电子装置的至少一条引线。
16.一种用于安装一个或多个电子装置的设备，所述设备包括衬底件，具有上表面边界并包括卡式插入区，所述卡式插入区的特征是包括至少一对相对的柔性组件保持件，延伸在所述衬底件的表面下面，并相互设置得受压保持安装在其中的电子装置；和至少一条传导迹线，设置在所述组件保持件的各自内表面上，使得所述传导迹线接触在所述卡式插入区内保持的电子装置的至少一条引线。
17.权利要求16的设备，其中所述衬底件包括塑料。
18.权利要求16的设备，其中所述至少一条传导迹线包括在所述衬底件表面上按至少在两维施加的金属图案。
19.权利要求16的设备，其中所述至少一条传导迹线包括金属或金属合金，包括铜、镍、金、锡、铝和铬中的一个或多个。
20.权利要求16的设备，其中所述卡式插入区的特征是具有至少足够的深度使得在所述电子组件卡入配合于其中时所述电子组件不延伸到所述衬底件的表面边界之上。
全文摘要
提供一个或多个电子组件三维载体安装用的设备和方法。按照一个实施例，本发明的装置安装设备包括弹性塑料衬底，在至少两维上具有组件安装表面。在该组件安装表面内设置至少一个压配合组件插入空腔，以便当该电子组件压配合进入该空腔时，对该电子组件提供受压保持。该空腔最好具有一个这样的深度，使得当该组件压配合时，它不伸到该空腔表面平面上面。该插入空腔的特征还在于包括至少一条传导迹线，设置在所述插入空腔的内表面上并定位在插入空腔表面上，使得该传导迹线接触在该插入空腔内保持的电子装置的至少一条引线。
文档编号H05K3/32GK101036421SQ200580034275
公开日2007年9月12日 申请日期2005年8月11日 优先权日2004年8月12日
发明者S·R·希菲尔 申请人:霍尼韦尔国际公司