DE60131677T2 - I-kanal-oberflächenmontage-verbinder - Google Patents

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zum Verbinden von Schaltungsvorrichtungen wie zum Beispiel IC-Gehäusen mit Leiterplatten, Leiterplatten und Modulen mit Leiterplatten oder Substraten und Substraten mit Substraten. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf niederohmige Verbinder zur Oberflächenmontage mit vorteilhaften Eigenschaften wie Kompaktheit, niedrigem Verbindungswiderstand, niedriger Induktivität und mechanischer Genauigkeit. Die Verbinder eignen sich zur Oberflächenmontage mit Aufnehm-Aufsetz-Verfahren.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • In dem Maße wie elektronische Schaltungen immer dichter, schneller und zunehmend komplexer werden, werden an Vorrichtungen zu ihrer Verbindung immer höhere Anforderungen gestellt. Mit der starken Zunahme der Dichte aktiver Komponenten werden Verbindungsvorrichtungen zu großen Verbrauchern des verfügbaren Volumens. Außerdem bringt eine höhere Dichte eine Erhöhung der erforderlichen Ströme und Verlustleistung mit sich, was die Wärmefehlanpassung zwischen verbundenen Schaltungsvorrichtungen noch verstärkt. Darüber hinaus bedeuten höhere Schaltungsvorrichtungsgeschwindigkeiten stärkere Einschränkungen bezüglich der zulässigen Verbindungsinduktivität. Daher besteht ein Bedarf an verbesserten Vorrichtungen zum Verbinden von Schaltungen.
  • Das Dokument US-A-5969952 beschreibt einen Verbinder nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Nach der Erfindung besteht ein niederohmiger Verbinder zur Oberflächenmontage aus einem Stück einer zylindrischen Stange mit einem I-förmigen Querschnitt. Die Vorrichtung ermöglicht die Verbindung mit Hilfe von Aufnehm-Aufsetz-Verfahren, und die Verbindung weist vorteilhafte Eigenschaften wie niedrigen Widerstand, niedrige Induk tivität, mechanische Genauigkeit und problemlose Herstellung auf. Eine erste Schaltungsvorrichtung mit einer oder mehreren Schaltungskomponenten wird mit einer zweiten Schaltungsvorrichtung verbunden, indem solche Verbinder auf der ersten Schaltungsvorrichtung Oberflächen-montiert werden, entsprechende Kontaktierflächen oder Löt-Pads auf der zweiten Schaltungsvorrichtung bereitgestellt werden und die Verbinder der ersten Schaltungsvorrichtung auf den Pads der zweiten befestigt werden.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Vorteile, Art und verschiedenen zusätzlichen Merkmale der Erfindung werden bei Betrachtung der beispielhaften Ausführungsformen besser verständlich, die nachstehend in Zusammenhang mit den anliegenden Zeichnungen ausführlich beschrieben werden.
  • 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines I-Kanal-Verbinders zur Oberflächenmontage nach der Erfindung.
  • 2 zeigt eine alternative Ausführungsform mit einem Verbinder ähnlich dem in 1, außer dass der Schlitz durch einen der Sockel verläuft.
  • 3 zeigt eine alternative Ausführungsform mit mehreren Schlitzen.
  • 4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform ohne Schlitze.
  • 5 zeigt eine perspektivische Ansicht mit Verbindern zur Oberflächenmontage, die auf einer ersten Schaltungsvorrichtung befestigt sind.
  • 6 zeigt das Befestigen der ersten Schaltungsvorrichtung auf einer zweiten größeren Schaltungsvorrichtung.
  • 7A und 7B zeigen Querschnitts- und Seitenansichten mit den Abmessungen eines bestimmten Verbinders 20 des in 1 gezeigten Typs.
  • 8A und 8B zeigen Querschnitts- und Seitenansichten mit den Abmessungen eines bestimmten Verbinders des in 2 gezeigten Typs.
  • Es ist zu beachten, dass diese Zeichnungen nur zur Veranschaulichung der Konzepte der Erfindung dienen und nicht maßstabsgerecht sind.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Von den Zeichnungen zeigt 1 eine perspektivische Ansicht eines neuartigen Verbinders 10 zur Oberflächenmontage mit einem länglichen Metallkörper mit I-förmigem Querschnitt. Der Verbinder umfasst einen in Längsrichtung verlaufenden mittleren Stegabschnitt 12, der an beiden Kanten quer verlaufende Sockelabschnitte 13 und 14 aufweist. Die Längsabmessung des Verbinders kann durch einen oder mehrere Schlitze 17 in Längsabschnitte 15 und 16 unterteilt sein. Die Enden des Körpers können Bereiche 18 mit Ausnehmungen aufweisen, die als Teilschlitze ausgebildet sein können.
  • Bezogen auf das in 1 gezeigte Koordinatensystem verläuft der Verbinder 10 in Längsrichtung entlang der x-Achse. Die Hauptflächen des Stegabschnitts 12 sind parallel zur x-z-Ebene, und die Hauptflächen der Sockelabschnitte 13 und 14 sind parallel zur x-y-Ebene. Bei den gezeigten Ausführungsformen sind die Verbinder-Befestigungsflächen die äußere Hauptfläche 19A des Sockels 13 und die äußere Hauptfläche 19B des Sockels 14. Der Verbinder bietet daher elektrische und thermische Anschlussfähigkeit in der z-Richtung.
  • Im Allgemeinen wird die Länge A des Verbinders durch die Höhe der zulässigen Impedanz für den Verbinder bestimmt. Je größer die Länge, desto geringer die Induktivität und der Widerstand. Die Höhe B wird so gewählt, dass sie größer ist als die Höhe des höchsten Bauteils auf der Verbindungsseite der zu verbindenden Schaltungsvorrichtungen, so dass der Kontakt zwischen den beiden Schaltungsvorrichtungen nur über die Verbinder erfolgt. Die Sockelbreite C wird entsprechend den Bestückungsanforderungen für den Verbinder gewählt, das heißt dem maximalen Winkel, den die Sockelaußenfläche zu einem ebenen Substrat einnehmen kann, ohne umzukippen. Vorzugsweise ist die Höhe B größer als die Sockelbreite C, und die Breite C ist ausreichend, um einen Bestückungswinkel von mindestens 30 Grad zu ermöglichen. Die Querschnittskanten der Sockelabschnitte sind vorteilhafterweise gerundet, zum Beispiel mit einem Radius von 0,178 mm (7 mil), um beim Löten eine gute Kehlnaht zu erhalten und damit zuverlässige Lötverbindungen zu erzeugen.
  • Das Vorhandensein und die Anzahl der Schlitze 17 werden durch die xy-Übereinstimmungsanforderungen für den Verbinder bestimmt. Ein Schlitz 17 unterteilt den Stegabschnitt in zwei benachbarte Längsabschnitte 15 und 16. Die Schlitze 17 sollten so bemessen und angeordnet sein, dass die Längsabmessung der Abschnitte 15 und 16 ihre Höhenabmessung jeweils nicht übersteigt. Wenn die Länge eines Verbinders kleiner als dessen Höhe ist, ist daher kein Schlitz nötig. Ist die Länge größer als die Höhe, jedoch nicht größer als die zweifache Höhe, ist ein Schlitz wünschenswert. Endbereiche 18 mit Ausnehmungen können die effektive Länge des Verbinders reduzieren, wodurch die Notwendigkeit von Schlitzen zur Erzielung von xy-Übereinstimmung verringert wird.
  • Die optimale Form für einen Schlitz ist geometrisch ähnlich der des mittleren Stegabschnitts 12, jedoch um 90 Grad gedreht. Ein Schlitz 17 kann auf den Stegabschnitt 12 begrenzt sein, wie in 1 gezeigt, oder er kann, wie nachstehend gezeigt, durch einen der Sockelabschnitte hindurchgehen.
  • Diese Verbinder lassen sich durch Strangpressen einer Metallstange mit I-förmigem Querschnitt, Stanzen der gewünschten Schlitze und Schneiden auf die gewünschte Länge leicht herstellen. Die Verbinder können eine sehr niedrige (elektrische und thermische) Impedanz erreichen, weil die Stangen aus weichen Metallen mit hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit wie zum Beispiel Kupfer oder Silber stranggepresst werden können. Der gebildete Verbinder wird vorzugsweise mit einer lötbaren Beschichtung aus Nickel/Gold oder Nickel/Lötmittel (zum Beispiel Zinn-Blei-Lot) plattiert. Voreilhafterweise hat das Nickel eine Dicke von mindestens 1,27 μm (50 Mikrozoll), das Gold eine Dicke von mindestens 0,027 μm (3 Mikrozoll) bzw. das Lot eine Dicke von mindestens 5,1 μm (200 Mikrozoll).
  • Alternativ können die Verbinder als hohle Zylinder aus gebogenem Blech hergestellt werden. Das Blech (zum Beispiel 0,178 mm [7 mil]) dickes Blech) wird in Form gestanzt, in einen I-förmigen Querschnitt gefaltet und die gewünschten Schlitze werden gestanzt. In diesem Fall werden kupferbasierte Legierungen wie zum Beispiel Be-Cu oder Phosphorbronze gegenüber weichem Kupfer oder Silber bevorzugt, um die nötige Steifigkeit auf Kosten einer höheren Impedanz zu bieten.
  • Die typischen Längen A liegen im Bereich von 0,762 mm bis 7,62 mm (0,030'' bis 0,300''). Die typischen Höhen B liegen im Bereich von 1,02 mm bis 3,05 mm (0,040'' bis 0,120'') und die typischen Sockelbreiten C liegen im Bereich von 0,635 mm bis 2,54 mm (0,025'' bis 0,100''). Der mittlere Stegabschnitt 12 weist typischerweise eine Dicke im Bereich von 0,25 mm bis 0,762 mm (0,010'' bis 0,030'' auf, während die Sockelabschnitte 13 und 14 typischerweise eine Dicke im Bereich von 0,25 mm bis 0,762 mm (0,010'' bis 0,030'') aufweisen.
  • 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform eines Verbinders 20 ähnlich wie in 1, außer dass der Schlitz 27 durch einen der Sockelabschnitte, zum Beispiel 14, verläuft und an den Längsenden keine Bereiche mit Ausnehmungen vorgesehen sind. Der Vorteil der Verlängerung des Schlitzes 27 durch den Sockel besteht darin, dass er den Sockel in zwei Abschnitte 14A und 14B unterteilt, was eine größere xy-Übereinstimmung ermöglicht. Durch das Unterteilen wird die Not wendigkeit von Enden mit Ausnehmungen verringert, und gleichzeitig werden zusätzliche Flächen 20A und 20B erzeugt, an denen beim Löten Kehlnähte gebildet werden können. Darüber hinaus erlaubt der durchgeschnittene Sockel eine Selbstausrichtung auf einem entsprechend gestalteten Befestigungs-Pad. Im bevorzugten Gebrauch ist der durchgeschnittene Sockel 14 der Sockel, der zuerst an einer Schaltungsvorrichtung befestigt wird.
  • 3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform eines Verbinders 30 ähnlich dem in 1, außer dass der Verbinder mehrere Schlitze 17A, 17B und 17C aufweist. Der Vorteil mehrerer Schlitze ist der, dass der Verbinder trotz Wahrung der xy-Übereinstimmung eine größere Länge aufweisen kann, was eine verminderte resistive, induktive und thermische Impedanz ermöglicht. Vorteilhafterweise ist die Anzahl der Schlitze ausreichend, um die Längsausdehnung der benachbarten Bereiche kleiner als ihre Höhe zu halten.
  • 4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Verbinders 40 ähnlich dem in 1, außer dass dieser keine Schlitze aufweist. Dieser Verbinder weist vorteilhafterweise eine kürzere Längsabmessung als seine Höhe auf.
  • 5 zeigt eine perspektivische Ansicht mit Verbindern 20 zur Oberflächenmontage, die auf einer ersten Schaltungsvorrichtung 51 befestigt werden. Die Schaltungsvorrichtung 51 umfasst ein Substrat oder eine Leiterplatte 52, ein oder mehr Schaltungsbauteile 53 und ein oder mehr Befestigungs-Pads 54 zum Aufnehmen der Verbinder 20. Vorteilhafterweise sind die Pads 54 bereits mit Lötmittel beschichtet. Die Höhe der Verbinder 20 ist vorzugsweise größer als die Höhe eines beliebigen Schaltungsbauteils 53. Die Verbinder können mit normalen Aufnehm-Aufsetz-Verfahren auf den Pads platziert und anschließend durch normales Reflow-Löten auf die Pads gelötet werden.
  • Der in 6 gezeigte nächste Schritt ist das Befestigen der ersten Schaltungsvorrichtung 51 auf einer zweiten Schaltungsvorrichtung 60. Die Schaltungsvorrichtung 60 kann ebenfalls ein Gehäuse, ein Substrat oder eine Leiterplatte 61 umfassen und ist vorzugsweise die von der Fläche her größere der beiden Schaltungsvorrichtung. In einem Vorbereitungsschritt wird die Schaltungsvorrichtung 60 mit Löt-Pads 62 in geeigneter Größe und Verteilung zum Aufnehmen der auf der Schaltungsvorrichtung 51 befestigten Verbinder versehen. Die Pads 62 sind vorzugsweise bereits mit Lötmittel beschichtet, und die Schaltungsvorrichtung 51 kann mit Aufnehm-Aufsetz-Verfahren auf die Schaltungsvorrichtung 60 aufgebracht werden, wobei die Verbinder 20 an den Pads 62 ausge richtet werden. Die beiden Schaltungsvorrichtungen können dann durch Reflow-Löten miteinander verbunden werden. Das Ergebnis ist eine Verbundvorrichtung mit vorteilhaften Eigenschaften wie Kompaktheit, niedrigem Verbindungswiderstand, niedriger Induktivität und mechanischer Genauigkeit.
  • Die Natur und die Vorteile der Erfindung werden anhand der folgenden spezifischen Beispiele besser verständlich.
  • BEISPIELE
  • Die Grundsätze der Erfindung wurden verwendet, um Vorrichtungen des in 1 gezeigten Typs zu konstruieren und herzustellen, die die Anforderungen einer bestimmten Anwendung erfüllen. Die Anwendung erfordert insgesamt acht Verbinder zur Oberflächenmontage zwischen einer „Schaltungsvorrichtung" mit einer Leiterplatte und einer „Hauptplatine" (einer Leiterplatte mit größerer Fläche). Die Höhe des höchsten Bauteils auf der verbundenen Seite der Schaltungsvorrichtung betrug H = 1,78 mm (0,070''). Die durch den Leistungsbedarf der Vorrichtung diktierten Impedanzanforderungen waren so, dass die Verbinder jeweils eine maximale Induktivität von 0,30 nH und einen maximalen Widerstand von 50 Mikroohm aufweisen. Die mechanische Anforderung sah eine Übereinstimmung in der x- und y-Richtung vor, in Anbetracht der durch die große Differenz zwischen der Betriebstemperatur der Schaltungsvorrichtung und der Hauptplatine verursachten thermischen Beanspruchung. Darüber hinaus sollte die von jedem Verbinder beanspruchte Fläche sehr klein sein, bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung eines minimalen Bestückungswinkels von mindestens 30 Grad für die Stabilität vor dem Reflow-Löten.
  • Die Vorrichtungshöhe B wurde mit B = 2,08 mm (0,082'') gewählt, um die Bedingung B > H zu erfüllen. Die Sockelbreite C wurde mit C = 1,73 mm (0,068'') mit einem Radius von 0,178 mm (0,007'') an den Querschnittsecken gewählt, um die Bildung angemessener Lötkehlnähte zu erleichtern. Diese Kombination von B und C und dem Radius ergab einen Bestückungswinkel von 38 Grad. Um die nötige Übereinstimmung in der y-Richtung und mechanische Stabilität zu erzielen, wurde die Dicke des mittleren Stegabschnitts mit 0,381 mm (0,015'') gewählt, und die des Sockelabschnitts wurde mit 0,356 mm (0,014'') gewählt.
  • Nachdem die vorstehenden Abmessungen festgelegt waren, wurden die Verbinderlänge A und die Schlitzbreite auf der Grundlage der Erfüllung der Anforderungen für Impedanz und Übereinstimmung in x-Richtung bestimmt. Eine Länge A = 2,5 mm (0,100'') und eine Schlitzbreite von 0,381 mm (0,015'') mit Endbereichen mit Ausnehmungen in einer Breite von 0,191 mm (0,0075'') wurden für geeignet befunden, in Verbindung mit der Wahl von Kupfer, USN-Bezeichnung C11000, als Material für die Vorrichtung. Die Induktivität wurde mit 0,27 nH berechnet, und der Widerstand betrug 37 Mikroohm. Die Abmessungen der Vorrichtung betrugen 2,5 mm (0,100'') × 1,73 mm (0,068'') mit einer Pad-Größe von 2,95 mm (0,116'') × 2,13 mm (0,084''). Daher waren alle Anforderungen für die Anwendung erfüllt.
  • Verbinder mit den vorstehenden Abmessungen wurden ausgehend von einer Stange Kupfer C11000 mit dem erforderlichen I-förmigen Querschnitt hergestellt. Sie wurden mit 1,27 μm (50 Mikrozoll) Ni gefolgt von 0,076 μm (3 Mikrozoll) Au in einem Fall bzw. 5,08 μm (200 Mikrozoll) Lötmittel im anderen Fall plattiert.
  • 7A und 7B zeigen Querschnitts- und Seitenansichten mit den Abmessungen der hergestellten Vorrichtungen. Alle Abmessungen sind in Zoll angegeben.
  • 8A und 8B zeigen Querschnitts- und Seitenansichten mit den Abmessungen einer bestimmten Vorrichtung des in 2 gezeigten Typs. Alle Abmessungen sind in Zoll angegeben.
  • Es ist zu beachten, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen nur zur Illustration einiger weniger der vielen möglichen spezifischen Ausführungsformen dienen, die Anwendungen nach den Grundsätzen der Erfindung darstellen können. Der Fachmann kann zahlreiche und unterschiedliche andere Anordnungen entwickeln, ohne vom Gedanken und Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims (19)

  1. Verbinder (10) zur Oberflächenmontage, um zwei Schaltungsvorrichtungen (51, 61) elektrisch zu verbinden, aufweisend: einen zylindrischen Metallkörper, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper einen I-förmigen Querschnitt aufweist und einen in Längsrichtung verlaufenden mittleren Stegabschnitt (12) enthält, der als jeweils längs verlaufende Kante einen quer verlaufenden Sockelabschnitt (13, 14) aufweist, wobei der Stegabschnitt ein Paar Hauptflächen und die Sockelabschnitte jeweils eine zum mittleren Stegabschnitt senkrechte Befestigungsfläche (19A, 19B) zum Bonden an eine Schaltungsvorrichtung aufweisen.
  2. Verbinder nach Anspruch 1, wobei der Körper außerdem einen oder mehrere Schlitze aufweist, die quer durch den mittleren Stegabschnitt verlaufen.
  3. Verbinder nach Anspruch 2, wobei der bzw. die Schlitze die Hauptflächen des Stegabschnitts in mehrere Bereiche unterteilen, die jeweils eine größere Höhe als Länge aufweisen.
  4. Verbinder nach Anspruch 1, wobei der Körper außerdem einen oder mehrere Schlitze aufweist, die quer durch einen der Sockelabschnitte verlaufen.
  5. Verbinder nach Anspruch 1, wobei die zwischen den Befestigungsflächen gemessene Höhe des Körpers die Länge des Körpers übersteigt.
  6. Verbinder nach Anspruch 1, wobei die zwischen den Befestigungsflächen gemessene Höhe des Körpers die Breite des Sockelabschnitts übersteigt.
  7. Verbinder nach Anspruch 1, wobei der Körper Kupfer oder Silber darstellt und lötbar platiert ist.
  8. Verbinder nach Anspruch 2, wobei einer oder mehrere der Schlitze dem mittleren Stegabschnitt ähnliche geometrische Abmessungen aufweist.
  9. Verbinder nach Anspruch 1, wobei der Körper einen massiven Körper aus stranggepreßtem Kupfer oder Silber aufweist.
  10. Verbinder nach Anspruch 1, wobei der Körper einen hohlen Zylinder aus gebogenem Kupferlegierungs-Blech aufweist.
  11. Verbinder nach Anspruch 1, wobei die Sockelabschnitte quer verlaufende Enden mit gerundeten Kanten aufweisen, um festes Lötbonden zu erleichtern.
  12. Verbinder nach Anspruch 1, wobei der mittlere Stegabschnitt Endbereiche mit Ausnehmungen aufweist.
  13. Verbundene Vorrichtung mit zwei durch den Verbinder nach Anspruch 1 miteinander verbundenen Schaltungsvorrichtungen.
  14. Verbundene Vorrichtung mit zwei durch den Verbinder nach Anspruch 2 miteinander verbundenen Schaltungsvorrichtungen.
  15. Verbundene Vorrichtung mit zwei durch den Verbinder nach Anspruch 3 miteinander verbundenen Schaltungsvorrichtungen.
  16. Verfahren zum Verbinden einer ersten mit einer zweiten Schaltungsvorrichtung, mit folgenden Schritten: Bereitstellen der ersten Schaltungsvorrichtung mit einem oder mehreren Befestigungs-Pads, Anordnen eines oder mehrerer Verbinder zur Oberflächenmontage nach Anspruch 1 auf den Befestigungs-Pads, Löten des einen bzw. der mehreren Verbinder an die erste Schaltungsvorrichtung, Bereitstellen einer zweiten Schaltungsvorrichtung mit einem oder mehreren Befestigungs-Pads zur Aufnahme der Verbinder auf der ersten Schaltungsvorrichtung, Anordnen der ersten auf der zweiten Schaltungsvorrichtung mit den Verbindern auf den Befestigungs-Pads der zweiten Schaltungsvorrichtung, und Löten der Verbinder an die Befestigungs-Pads auf der zweiten Schaltungsvorrichtung.
  17. Verfahren zum Verbinden einer ersten mit einer zweiten Schaltungsvorrichtung, mit folgenden Schritten: Bereitstellen der ersten Schaltungsvorrichtung mit einem oder mehreren Befestigungs-Pads, Anordnen eines oder mehrerer Verbinder zur Oberflächenmontage nach Anspruch 2 auf den Befestigungs-Pads, Löten des einen bzw. der mehreren Verbinder an die erste Schaltungsvorrichtung, Bereitstellen der zweiten Schaltungsvorrichtung mit einem oder mehreren Befestigungs-Pads zur Aufnahme der Verbinder auf der ersten Schaltungsvorrichtung, Anordnen der ersten auf der zweiten Schaltungsvorrichtung mit den Verbindern auf den Befestigungs-Pads der zweiten Schaltungsvorrichtung, und Löten der Verbinder an die Befestigungs-Pads auf der zweiten Schaltungsvorrichtung.
  18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei der mindestens eine Verbinder zur Oberflächenmontage durch Reflow-Löten an die erste Schaltungsvorrichtung gelötet wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei die Verbinder zur Oberflächenmontage auf der ersten Schaltungsvorrichtung durch Reflow-Löten an die zweite Schaltungsvorrichtung gelötet werden.
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