JP2004512657A - 表面実装コネクタのリード - Google Patents
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Abstract
Description
(発明の背景)
発明の分野
本発明は電子部品を基板に取り付けるための装置および方法に関する。より詳細には、本発明はプラグイン・ケーブルを受け取るジャックまたはソケットをプリント回路基板に固定するように設計されたリードに関する。
【0002】
技術の状態
独立電子デバイス(パーソナル・コンピュータ、ローカル・エリア・ネットワーク・サーバ、インターネット・サーバ、パーソナル・ディジタル・アシスタント、ディジタル・カメラ、コンピュータ周辺装置等)間のインターフェースおよび相互接続が一般化するのに伴い、電子業界は、そのような独立電子デバイスをインターフェースするために、信頼性があり、一方、安価な部品の供給を目指して懸命に努力している。代表的なインターフェース・デバイスはケーブルであり、独立電子デバイスの各々にあるコネクタに差し込む(接続する)。そのようなコネクタには、USB(例えば、ユニバーサル・シリアル・バス)、1394(例えば、高速シリアル・バス)、RJ11(例えば、電話用ジャック)、およびRJ45(例えば、ネットワーク用ジャック)のコネクタがあるが、これに限定されない。
【0003】
独立電子デバイスの内部回路にコネクタを取り付ける安価な方法は、独立電子デバイス内の基板(プリント回路基板のような)にコネクタを表面実装することである。図9〜11は、例示の表面実装RJ45コネクタ・アセンブリ200を示す。図9および10に示すように、コネクタ202は、基板204の第1の表面208に接触している。図10を参照すると、コネクタ202は、主として、2個の比較的大きな(L形)リード212、212’で基板の第1の表面208に取り付けられている。図10および11に示すように、大きなリード212、212’の各々の一部(図10にシャドー・ラインで示す)はコネクタ202中に延びており、そこでリードは配線(図示せず)に電気的に接続されている。図10を参照すると、大きなリード212、212’の第1の部分214、214’それぞれはコネクタ202から延び、コネクタ202の側面218、222それぞれに接触している。基板の第1の表面208で、大きなリード212、212’の第2の部分216、216’は、それぞれ、基板の第1の表面208に対して実質的に平行に延びている。図11に示すように(理解しやすくするために大きなリード212だけを示す)、大きなリードの第2の部分216は、はんだ接合226を形成する鉛/錫合金などのはんだの層で基板の第1の表面208のランド・コンタクト220に物理的かつ電気的に取り付けられている。ランド・コンタクト220は、基板204のトレース(図示せず)に電気的に接続されている。
【0004】
図9に示すように、別の小さなリード224は、コネクタ側面218、222(コネクタ側面222は示さない)から延び、基板204の中又は上のトレース(図示せず)に接続することができる。大きなリード212、212’およびより小さなリード224は、電気信号(電力、接地、動作、その他)を基板204に実装された電子部品(図示せず)からコネクタ202に伝える手段である。外部デバイス(図示せず)に接続されたケーブル(図示せず)のプラグは、開口206に挿入されてコネクタ202と電気接触し、これによって、外部デバイス(図示せず)と基板204に実装された電子部品(図示せず)との間の電気的な接続が可能になる。
【0005】
コネクタ202は、一般に、コネクタ202の寿命の間にわたって、ケーブル(例えば、図示のRJ45コネクタ用のネットワーク・インターフェース・ケーブル)が繰り返して連結され、また分離される。ケーブルの連結と分離から生じる応力負荷に耐えるのは大きなリード212、212’に依拠している。さらに、コネクタ202は、同様に、基板204とコネクタ202の間の熱膨張係数(CTE)の不一致による応力に耐えるのも大きなリード212、212’に依拠している。これらの応力によって、大きなリード212、212’の下のはんだ接合226がこれらの負荷で生じるせん断応力のために破損することがある(例えば、クラック)。
【0006】
したがって、ケーブルの連結/分離およびCTE不一致によってコネクタに生じる応力に対処することができると同時に、効果的にコネクタを基板に連結することができるリード設計を開発することが有利である。
【0007】
本明細書は、本発明とみなされるものを特に指摘し、かつ明瞭に請求する特許請求の範囲で結びとするが、本発明の利点は、添付の図面と関連して読めば、本発明の次の説明からいっそう容易に確認することができる。
【0008】
(例示の実施形態の詳細な説明)
以下の詳細な説明で、実例として、本発明が実施される特定の実施形態を示す添付の図面を参照する。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施することができるように、十分詳細に説明する。理解すべきことであるが、本発明の様々な実施形態は、異なっているが、必ずしも互いに相容れないものではない。例えば、一実施形態に関連してここで説明する特定の機能、構造または特性は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、他の実施形態内で実現することができる。さらに、理解すべきことであるが、各開示された実施形態内の個々の要素の位置および配列は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく変更することができる。したがって、以下の詳細な説明は、限定する意味で解釈すべきでなく、さらに、本発明の範囲は、特許請求の範囲が権利を与えられる同等物の全範囲とともに、適切に解釈される添付の特許請求の範囲によってのみ定義される。図面において、同じ数字は、いくつかの図全体にわたって同じまたは同様な機能を意味する。
【0009】
「基板」という用語は、マザーボード、周辺カード、カートリッジ、マルチチップ・モジュール基板、および当業者に明らかなような類似の構造を含むように定義されるが、これらに限定されない。
【0010】
「はんだ」という用語は、鉛、錫、インジウム、ガリウム、ビスマス、カドミウム、亜鉛、銅、金、銀、アンチモン、ゲルマニウム、およびこれらの合金を含むように定義されるが、これらに限定されない。
【0011】
本発明は、表面実装超小型電子デバイスの応力による損傷(はんだクラック)を減らす。図8のそれぞれを離して示した図および図11の対応する部分を参照してはんだ接合226のせん断応力を解析することができる。図8に示した力およびせん断の割り当てから、次の2つの平衡の式を表すことができる。
【数1】
ここで、添字1はリード212を示し、
添字2は基板204を示し、
Fは力であり、
τはせん断応力であり、
χは、リード212および基板204の内側の空間変数である(図11の要素242を参照されたい)。
【0012】
両方とも内部の力で生じることのあるリード212と基板204の歪み(デバイス製造時に生じた歪み)、外部の力(ケーブルの差し込みおよび抜き)、およびCTE力は、変位(u)の項で表すことができる。
したがって、
【数2】
ここで、αは熱膨張係数であり、
ΔTは温度変化であり、
t1はリードの厚さであり(図11に244として示す)、
t2は基板の厚さであり(図11に248として示す)、
Eはヤング率である。
【0013】
フックの法則によって、せん断応力が、リードの変位u1、基板の変位u2、はんだの厚さt0(図11に246として示す)、せん断弾性係数Gと、次のように関係づけられる(u1とu2がはんだ材料とともに変位するという条件で)。
【数3】
【0014】
上の式の二次微分をとると、次式のようになる。
【数4】
【0015】
dF/dχ=τであるから、上の平衡式を使用して、次のように置き換えることができる。
【数5】
【0016】
したがって、上の式は通常の微分方程式であり、適切な境界条件を使用すると、次の解を持つ。
【数6】
【0017】
はんだの厚さ(t0)が増すにつれて、応力が減少することが、上の式から明らかである。さらに、t0が増すにつれて、パラメータβは小さくなる。したがって、クラックの伝播およびそれに続くはんだ接合の損傷の始まりを和らげるために、はんだ接合226をより厚くすることが望ましい。しかし、多ピンでより高い隔たりを付加すると、歩留り損をもたらすという重大な製造の影響がある。製造の研究で、この歩留り損は、より厚い接合では1%程度にも大きくなる可能性がある。
【0018】
このようにして、本発明は、知られているスタンピング技術を使用して容易に製造することができる接合厚さの改善されたリードを形成すること含む。この議論はRJ45コネクタに関するが、本発明のリードは、CPUソケット、スロット(PCI、ISA、AGP、その他)、コイル、FETを含みこれらに限定されない様々な部品および当業者に明らかになるような他のそのような部品だけでなく、USB、1394、RJ11のコネクタも含み、これらに限定されない任意の表面実装電子デバイスとともに、使用することができる。
【0019】
図1〜3は、例示の表面実装RJ45コネクタ・アセンブリ100を示す。図1に示すように、コネクタ102は基板104の第1の表面108に接触する。図1および2の両方を参照すると、コネクタ102は、主として、少なくとも1つの接合厚さの改善されたリード112で、基板の第1の表面108に取り付けられている。接合厚さの改善されたリード112は、銅およびアルミニウムのような金属を含むがこれらに限定されない導電性材料であることが好ましい。
【0020】
図2に示すように、接合厚さの改善されたリード112の各々の一部はコネクタ102の中に延び、そこで配線(図示せず)に電気的に連結される。図2を参照すると、接合厚さの改善されたリード112の第1の部分114は、コネクタ102の第1の側面118に接触しながらコネクタ102から延びている。基板の第1の表面108で、接合厚さの改善されたリード112の第2の部分116は、基板の第1の表面108に対して実質的に平行に延びる。接合厚さの改善されたリード112と同様な少なくとも1つの他の接合厚さの改善されたリードが、コネクタ102の第2の側面122に設けるのが好ましい。
【0021】
図3に示すように、リードの第2の部分116は、はんだの層で基板の第1の表面108のランド・コンタクト120に物理的かつ電気的に取り付けられて、はんだ接合126を形成する。ランド・コンタクト120は、銅、アルミニウム、およびそれらの合金を含み、これらに限定されない任意の適切な材料であってもよい。ランド・コンタクト120は、基板104のトレース(図示せず)に電気的に連結される。
【0022】
リードの第2の部分116は、アーチ142として示すアーチ形部分を含み、この部分は、リードの第2の部分116の上面144の上に突き出ている。リードの第2の部分116の長さ方向にリードの第2の部分を二箇所で実質的に平行なスロットを切削し、かつリードの第2の部分116のこのスロットの間の部分を曲げて、固有の空隙を形成するアーチ形142を形成することで、このアーチ形142を形成することができる。当業者には明らかなように、この実質的に平行な線の切削およびアーチ形部の曲げは、2段階のスタンピング・プロセスで行うことができる。
【0023】
アーチ形142で作られる空隙によって、図3に示すように、より大きな厚さがはんだ接合126に存在することになる。はんだ接合の損傷は、一般に、ケーブルの連結と分離および/または基板104とコネクタ102の間の熱膨張係数(CTE)の不一致による応力に起因する接合中の引張負荷によって起こる微小クラックの発達による。時間の経過とともに、これらの微小クラックは合体してクラックを形成する。このクラックは、最終的に互いにつながってはんだ接合全体にわたるクラックを形成する。このクラック伝播は、主として、CTE応力および低応力サイクル疲労(連結の挿入および取り外しによって起こる)によるもので、一般にゆっくりしていて、非常に多くのサイクルにわたって、一般に50サイクルから10000サイクル、またはそれ以上で生じる傾向がある。
【0024】
より厚いはんだ接合126(すなわち、より大きなボリューム)によって、微小クラック伝播の距離は増加する。したがって、微小クラックが、はんだ接合126に完全にクラックを入れる機会は少なくなる。実際に、接合厚さの改善されたリード112は、最大せん断応力の約20%もの減少をもたらす。リードの長さが3.5mm、幅が7.0mmではんだの厚さが0.0875mmである一般的なリード構成を想定すると、はんだのボリュームは約2.1mm3である。接合厚さの改善されたリード112に関して、アーチ形142は、その最高点で厚さに等しい高さを有し、その最も膨らんだ部分でリードの第2の部分116の表面の30%に及んでいると想定されている。さらに、アーチ形142は、幅の半分に及び、六角形の一部のボリュームを形づくり、このボリュームは約0.65mm3のボリュームを追加し、または約2.75mm3の全ボリュームをもたらすものと想定している。このことははんだのボリュームが約30%増加することを意味する。もちろん、理解されるであろうが、これらの推定は、微小クラックの伝播を有効に妨げるための最大限の要求も最小限の要求も表すものではなく、むしろこれらの要求は単に例示的なものに過ぎない。当業者は理解するであろうが、使用されるはんだの種類、リードの大きさおよび他のそのようなパラメータに依存して、様々なボリュームを実現でき、変更することができる。
【0025】
図1に示すように、追加の小さなリード124は、コネクタ側面118(コネクタ側面122については示さない)から延び、基板104のトレース(図示せず)に電気的に連結することができる。強化リード112およびより小さなリード124は、基板104に実装された電子部品(図示せず)からコネクタ102に電気信号(電力、接地、動作、その他)を伝える手段である。外部デバイス(図示せず)に連結されたケーブルのプラグ(図示せず)は、開口106に挿入されてコネクタ102と電気接触し、それによって、外部デバイス(図示せず)と基板104に実装された電子部品(図示せず)との間の電気的な伝達が可能になる。
【0026】
図4および5は、本発明の他の実施形態を示し、アーチ形部分は、リードの第2の部分の上面144の上に伸びる実質的に窪んだポケット部152を備え、本質的に空隙を形成する。窪んだポケット部152は、当業者には明らかなように、単に接合厚さの改善されたリード112にスタンピングでつくることで形成することができる。また、窪んだポケット部152の空隙によって、図3に表現された実施形態のために図3に示したように、より大きな厚みがはんだ接合126に存在するようになる。
【0027】
もちろん理解されることであるが、接合厚さの改善されたリード112は、電気伝導体である必要はない。そうではなくて、単に、安定化機構および/または付加機構であってもよい。図6は、そのような実施形態を示す。リードの第1の部分114は、接着材料154の層でコネクタの第1の側面118に取り付けることができ、リードの第2の部分116は、前に議論したように、はんだ接合126で基板104に連結することができる。
【0028】
また、理解されることであるが、接合厚さの改善されたリード112は、コネクタ102の形状に順応するように様々な形状を備えることができる。図2、3、5、6に示すように、リードの第1の部分114とリードの第2の部分116の間の角度φは約90度であるのが好ましい。しかし、角度φは、ゼロよりも大きく、かつ180度より小さくてもよい。例えば、図7に、角度φは、コネクタ102の形状に一致する鈍角に示されている。
【0029】
このように本発明の実施形態を詳細に説明したので、添付の特許請求の範囲で定義される本発明は、上の説明で明らかにされた特定の細部で限定されるべきでないことは理解できることである。というのは、それらの多くの明らかな変形が本発明の精神および範囲を逸脱することなく可能であるからである。
【図面の簡単な説明】
【図1】
本発明に従った、接合厚さの改善されたリードの実施形態を有するコネクタを示す斜視図である。
【図2】
本発明に従った、図1の接合厚さの改善されたリードを示す側面図である。
【図3】
本発明に従った、図2の接合厚さの改善されたリードを示す側断面図である。
【図4】
本発明に従った、接合厚さの改善されたリードの他の実施形態を有するコネクタを示す斜視図である。
【図5】
本発明に従った、図4の接合厚さの改善されたリードを示す側面図である。
【図6】
本発明に従った、接合厚さの改善されたリードのさらに他の実施形態を示す側断面図である。
【図7】
本発明に従った、接合厚さの改善されたリードのなおも他の実施形態を示す側面図である。
【図8】
当技術分野で知られているような代表的なリードに生じる力を示す図である。
【図9】
当技術分野で知られているような代表的なリードを有するコネクタを示す斜視図である。
【図10】
当技術分野で知られている図9のリードの側面図である。
【図11】
当技術分野で知られているような図10のリードの側断面図である。
Claims (22)
- 電子デバイスを基板に取り付けるためのリードであって、
前記電子デバイスに近接して存在するように適合された第1のリード部分と、
前記基板に付着するように適合された第1の表面を有し、かつ前記第1の表面を反対側の第2の表面を有し、第2のリード部分から突き出るアーチ形構造を含む第2のリード部分とを備えるリード。 - 前記アーチ形構造が、前記リードの第2の部分から部分的に分離しアーチ形を形成するように曲げられた前記リードの第2の部分の一部を備える請求項1に記載のリード。
- 前記アーチ形構造が、前記リードの第2の部分の一部から形成された実質的に窪んだポケット部を備える請求項1に記載のリード。
- 前記第1のリード部分の一部が、前記電子デバイス中に延びるようになっている請求項1に記載のリード。
- 前記第1のリード部分と前記リードの第2の部分が、互いに実質的に垂直になっている請求項1に記載のリード。
- 前記リードが導電性材料を含む請求項4に記載の電子組立品。
- 基板に接している電子デバイスと、
前記電子デバイスに取り付けられた第1のリード部分を有し、かつ前記基板に接する第2のリード部分を有するリードと
を有し、前記第2のリード部分がはんだ材料で前記基板に取り付けられた第1の表面と前記第1の表面の反対側である第2の表面とを有し、かつ前記第2のリード部分から突き出て空隙を形成するアーチ形構造を含み、少なくとも前記はんだ材料の一部が前記空隙中に存在する電子組立品。 - 前記アーチ形構造が、前記リードの第2の部分から部分的に分離させてアーチ形を形成するように曲げられた前記リードの第2の部分の一部を備える請求項7に記載の電子組立品。
- 前記アーチ形構造が、前記リードの第2の部分の一部から形成された実質的に窪んだポケット部を備える請求項7に記載の電子組立品。
- 前記第1のリード部分の一部が、前記電子デバイス中に延びるように適合されている請求項7に記載の電子組立品。
- 前記第1のリード部分と前記リードの第2の部分が、互いに実質的に垂直になっている請求項7に記載の電子組立品。
- 前記リードが導電性材料を含む請求項7に記載の電子組立品。
- 前記リードが、前記電子デバイスと前記基板の間で電気信号を伝えるようになっている請求項12に記載の電子組立品。
- 電子デバイスを基板に取り付けるための接合厚さの改善されたリードを形成する方法であって、
第1の部分と、第1の表面および反対側の第2の表面を有する第2の部分とを有するリードを準備すること、および
前記リードの第2の表面から突き出るアーチ形構造を形成することを備える方法。 - 前記アーチ形構造の形成が、前記リードの第2の部分を介して実質的に平行な2つのスロットを切削すること、および前記スロットの間のリードの第2の部分の一部を曲げてアーチ形を形成することを含む請求項14に記載の方法。
- 前記アーチ形構造の形成が、前記リードの第2の部分の一部に実質的に窪んだポケット部を形成することを含む請求項14に記載の方法。
- さらに、前記リードの第1の部分を前記リードの第2の部分に対して実質的に垂直となるようにすることを含む請求項14に記載の方法。
- 電子デバイス組立品を形成する方法であって、
第1の部分と、第1の表面および反対側の第2の表面を有する第2の部分とを有する少なくとも1つのリードを準備すること、
前記少なくとも1つのリードの第2の部分から突き出て、空隙を形成するアーチ形構造を形成すること、
前記少なくとも1つのリードの第1の部分を電子デバイスに取り付けること、
前記少なくとも1つのリードの第2の部分をはんだ材料で基板に取り付けることを含み、前記はんだ材料の少なくとも一部が前記アーチ形構造の空隙中に存在する方法。 - 前記アーチ形構造の形成が、前記リードの第2の部分に実質的に平行な2つのスロットを切削すること、および前記スロットの間の前記リードの第2の部分の一部を曲げてアーチ形を形成することを含む請求項18に記載の方法。
- 前記アーチ形構造の形成が、前記リードの第2の部分の一部に実質的に窪んだポケット部を形成することを含む請求項18に記載の方法。
- さらに、前記リードの第1の部分を前記リードの第2の部分に対して実質的に垂直になるようにすることを含む請求項18に記載の方法。
- 前記少なくとも1つのリードの第2の部分をはんだ材料で基板に取り付けることが、前記少なくとも1つのリードの第2の部分を、前記基板のランド・コンタクトに取り付けることを含む請求項18に記載の方法。
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