JP4950144B2 - コネクタ - Google Patents

Description

本発明は、電気コネクタ、特に、ドーターボードとバックパネルとを連結する高密度コネクタに関する。

データ処理及び通信用電子装置の設計における絶えることがない進歩により、電気コネクタの設計に対する要求が厳格になってきている。詳細には、高密度及び高ピンカウントの電気コネクタが、ソリッドステートデバイスの搭載密度を増大しかつデータ処理及び通信の速度を増大するために必要とされている。高密度と高ピンカウントとを有するコネクタを設計するには、コンタクト間の距離を減少することから生ずる問題について注意深く考察する必要がある。これは、特に、コネクタが、ドーターボードとバックパネルとを電気的に接続しかつドーターボードを所定位置で機械的に保持する作用をなす、ドーターボードとバックパネルとの連結部にあてはまる。

密度とピンカウントは、交互に置換え可能な場合が多いが、重要な相違が存在する。密度は、単位長あたりに設けられたコンタクトの数を意味する。対照的に、挿脱力に合理的に耐えることができるコンタクト数が、ピンカウントとして参照される。より多くの機能が半導体チップ又はフレクシブル回路基体に集積され、より多くのチップがプリント回路基板（ＰＣＢｓ）に設けられると、各ＰＣＢ又はフレクシブル回路は、より多くの入力及び出力部（Ｉ／Ｏｓ）を設けなければならない。より多くのＩ／Ｏｓを要求することは、特に、これらのデバイスと集積技術がバックパネルを有するデバイスで利用されるときに、電気的又は機械的性能を損なうことなく、より高密度とすることにそのまま転化される。

高密度コネクタの電気的性能の重要性は、本明細書中で参考用に記載されているＬｅｍｋｅに対する米国特許第４８２４３８３号明細書（特許文献１）において認識されている。この特許は、複数の導体ケーブル又はマルチトレース基板用のプラグ及びリセプタクルコネクタの構造を提案している。この構造では、電気的性能は、導電性壁部を使用して個々のコンタクト部材又はコンタクト部材の群を電気的に絶縁して混信と信号劣化を防止又は最小化するすることにより確保される。特許文献１において開示されているコネクタは、コンタクト部材の密度を増大させたが、しかし、産業界の要求する密度は増大し続けている。本明細書中で参考用に記載されているＬｅｍｋｅ等に対する米国特許第５０５７０２８号（特許文献２）及びＬｅｍｋｅ等に対する米国特許第５１６９３２４号（米国再発行特許第３５５０８号）（特許文献３）は、プリント回路基板（ＰＣＢｓ）に取付けるための２列のプラグ及びリセプタクルコネクタを開示し、これらのコネクタも、導電性壁部を使用して分離する優れた電気的性能を示した。

高密度コネクタの電気的性能は、米国特許第４８４６７２７号（特許文献４）、第５０４６９６０号（特許文献５）、第５０６６２３６号（特許文献６）、第５１０４３４１号（特許文献７）、第５４９６１８３号（特許文献８）、第５３４２２１１号（特許文献９）及び第５２８６２１２号（特許文献１０）でも、注目している。これらの特許は、プラグ及びリセプタクルシステム内に組込まれた種々の形態のストリップライン構造体を開示している。高密度ストリップライン構造体の場合、複数のコラムに配列されたのコンタクト部材が、横並びのアレー状に配置され、導電性プレートが各コラム間に配置されている。これらのコネクタは、プラグ及びリセプタクルのグランドプレートが互いに接触して、コラム間を絶縁する構造を有している。このシステムの他の観点は、リセプタクルのモジュラー構造である。各コラムのレセプタクルのコンタクト部材は、コンタクト部材を誘電性材料のフレーム内にモールド成形することにより形成される。これらの形式のコネクタの問題の１は、電気的絶縁のために導電性壁部の使用するにはスペースを必要とするということである。所定の適用例の場合、この絶縁のために必要なスペース又は容積は、実際的ではない。

スペースが重要でない適用例の場合、所望の電気的性能を達成するための提案は、信号伝送用に選択された１のピンが、グランドに接続されたピン間に配置される高密度コネクタの使用を含んでいた。このパターンは、割込み構造として知られている。このコンタクト部材のパターンが、米国特許第５１７４７７０号（特許文献１１）、第５１９７８９３号（特許文献１２）及び第５５２５０６７号（特許文献１３）で提案されている。この分離構造は、よりコンパクトなコネクタで実施可能であるが、この構造は、導電性壁部を使用する前述のコネクタの場合より多くの数のピンを必要とする。

バックパネルに適用する場合、ピンの数の増加は、機械的な完全性に直接的な影響を及ぼす。ピンの数が増加すると、バックパネル及びドーターボードのボア又はスルーホールの数が増加する。高密度適用例の場合と同様に、プリント回路基板のボアの数が増加し、同時に各ボア間の距離が減少すると、ボードの機械的な完全性が減少する。機械的な完全性が低下すると、ドーターボードを所定位置に機械的に保持するためのバックパネルの機能が低下する。

バックパネルに適用する場合、ドーターボードは、場合によっては、２つを電気的に接続するために使用されるコネクタのみにより、所定位置に、すなわち、垂直方向及び水平方向に、保持されるのが分かるであろう。ドーターボードのサイズとドーターボードの数とドーターボードに装着される部品は、組み合わされて組立て後にバックパネルに作用する応力とモーメントを形成する。バックパネル材料の量が、近接して離隔したスルーホールの数が多いために、特定の位置で減少すると、バックパネルの不具合が生じ、すなわち、バックパネルが変形又は破損する可能性さえある。

バックパネルの機械的不具合に対する解決策は、表面実装技術を使用してバックパネルに電気的に接続することであると結論付けることができる。表面実装技術は、スルーホールの使用を必要としないので、この技術は、機械的完全性を損なわずに、高密度コネクタをバックパネルに接続することを可能とするであろう。しかし、この解決策は成功しないと考えられる。

表面実装技術は、一般的に、ペーストを使用して部品を一時的にプリント回路基板に固定することを含んでいる。ペースト化後、基板と一時的に固定された部品は、事前に被覆されたはんだ材料を実装部品のリード上にリフローするために加熱される。バックパネル適用例の場合、一般的に、比較的大きな回路基板であるバックパネルボードに取付けられる。十分なリフローを確保して、比較的大きな基板上に拡散された多数の部品の優れた電気的接続を形成するために、バックパネルボードは、高温に晒す必要がある。不都合にも、高すぎる又は長すぎる加熱は、実際上、優れた表面実装処理部の形成することを妨げることがある。従って、表面実装技術は、バックパネルに適用するための高密度コネクタを必要とすることに対する答えを形成しない。
米国特許第４８２４３８３号 米国特許第５０５７０２８号 米国特許第５１６９３２４号（米国再発行特許第３５５０８号） 米国特許第４８４６７２７号 米国特許第５０４６９６０号 米国特許第５０６６２３６号 米国特許第５１０４３４１号 米国特許第５４９６１８３号 米国特許第５３４２２１１号 米国特許第５２８６２１２号 米国特許第５１７４７７０号 米国特許第５１９７８９３号 米国特許第５５２５０６７号

従って、グランド／信号用のコンタクト部材の数を最大化しかつバックパネル用の電気的又は機械的完全性を害さないコネクタシステムが依然として必要とされている。

特に、バックパネル用の高密度コネクタを設計するときに考慮されなければならない１の他の事項が、コネクタのリセプタクル部を取付けるための構造である。リセプタクル取付けの際の１の重要な要因が、アラインメントである。単一のリセプタクルコンタクト部材で不整合が生じた場合、挿入力が僅かな量だけ増加する。しかし、不整合が、高密度コンタクトリセプタクルで生じたときに、挿入力は、許容できないレベルまで増加することがある。換言すれば、不整合が、レセプタクルを回路基板に装着するときに発生した場合、基板をプラグに又はこの逆に装着することが実際的でないことがある。

従って、挿入力が許容可能な限度内になるように、装着後、十分なアラインメントを可能とする高密度コネクタが依然として必要とされている。

新規な高密度コネクタで、上述の問題が解決され、その他の利点が達成される。本発明によるコネクタは、位置決めフレームと、この位置決めフレームに取付けられた複数のコンタクト部材からなる層と、を備える。これらのコンタクト部材のそれぞれは、受入れ部と装着用端部とを含み、この装着用端部は、前記位置決めフレームの底面の近部に配置される。このコネクタは、更に、複数の球状のはんだボールを備え、それぞれの球状のはんだボールは、前記コンタクト部材の１つの装着用端部の近部に配置され、これらの球状のはんだボールのそれぞれは、リフローの際のリアライメントを生じさせる力を最小とするために、回路基板への取付け前に変形された平坦化部を含む。

更に他の実施の態様においては、上記位置決めフレームをプリント回路基板から離隔する肩部が、位置決めフレームの底面に取付けられる。この実施の形態の場合においても、はんだボールは変形した球状形状を有し、この変形した球状形状が平坦化される、すなわち、はんだボールのアスペクト比は、高さ方向の寸法よりも長さ方向の寸法のほうが長いことが好ましい。

本発明は、下記図面に関連する本発明の下記詳細な説明を参照して、より好適に理解され、その多くの目的及び利点が、明らかとなるであろう。

上述のように、当業界でいまだに必要とされているものが、より高密度を有するコネクタである。このために、新規なコネクタ１０が、開発され、その参考例によるコネクタの全体が図１に示されている。プラグとして示されているが、本発明は、プラグ又はレセプタクルのいずれにも適用可能であることは明らかである。コネクタ１０は、ベース部材として側壁１２，１４と基壁１６とを含む。多数のブレード１８，２０が、基壁すなわち底壁１６に配置されている。ブレ−ド１８は、底壁１６の下側を所定距離だけ延びる、好ましくは圧入部の形態の変形可能なテ−ル部を含んでいる。対照的に、ブレード２０は、底壁１６の底面から僅かな距離だけ延びるずっと短い圧縮可能なテール部を含んでいる。ブレード２０のテール部の蛇行形状、波状形状又はＳ字形状部は、テール部に力が作用したときに、テール部を圧縮可能とする。図２は、プラグ１０の平面図である。

参考例によるコネクタは、半分のピンだけがスルーホールを必要とし、他の半分のピンは、電気的接続を行うために、コンタクトパッドを利用するという利点を有している。バックパネルに用いる場合、この構造は、非常に高密度のピンを提供しつつ、バックパネルの機械的完全性あるいは一体性を保持する。図３は、プラグ１０が装着されるプリント回路基板２２の一部を示している。回路基板２２は、ボア２４及びコンタクトパッド２６のパターンを含んでいる。コンタクトパッドの径は、ボアの径より小さく、ボアとコンタクトパッドは、交互のパターンで配置されている。

プラグ１０が回路基板２２に装着されたときに、ブレード１８のテール部が、ボア２４内に挿入される。挿入力は、ブレード２０の圧縮可能な端部を、パッド２６に電気的に接触させる。ブレード１８のテール部は、変形可能であるか、あるいは、プラグ１０を所定位置で保持しかつブレード２０のテール部とコンタクトパッド２６との間の電気的接触を維持するのに十分な摩擦力を、テール部と回路基板２２との間に生じさせる形状を有するのが好ましい。

次に、図４を参照して、本発明に従って構成されたコネクタ３０について説明する。リセプタクルとして示されているが、本発明は、プラグあるいはリセプタクルのいずれにも適用可能であることが分かるであろう。コネクタ３０は、多数のコンタクト部材３２を含んでいるものが概略的に示されている。コンタクト部材は、ほぼ同じ平面に配向され、層モジュール（layer module）として形成されるのが好ましいことが分かる。このため、リセプタクル３０の組立ては、コンタクト部材の多くの層を横並びの態様で積重ねることを必要とする。図５に示したように、コンタクト部材の各層は、直立部３６とベース部３８とから形成された位置決めフレーム３４を含んでいる。製造の際、部分３６，３８を一連のコンタクト部材３２に一体的にモールド成形し、これにより、コンタクト部材モジュールを形成することが望ましいことがある。

リセプタクル３０をプリント回路基板４０に装着する１の伝統的方法は、はんだ等により取付けるために、回路基板４０の好適なサイズのボアを通過する延長テール４２を使用することであった。しかし、図３の回路基板２２に装着されるプラグに関して指摘したように、ボアのサイズは、コンタクト部材の密度を制限することがある。このために、本発明のリセプタクルは、モジュール３０と回路基板４０との間に電気的接触を形成するための新規な構造体を含んでいる。

本発明は、モジュール３０を基板４０に装着するために、可溶部材、例えば、はんだボールを利用する。モジュール３０は、高密度モジュールであるので、はんだボールの使用は、モジュール３０の取付けを維持するための十分な機械的な力を提供すると共に、電気的接触を形成するのに十分であろう。この目的のために、コンタクトパッドのパターン（図示せず）が、回路基板４０の表面上に配置されている。

キー止め用ペッグ４４が、コンタクト部材３２のテール端部を個々のコンタクトパッドの上側で整合させるために、ベース部３８上に設けられている。肩部４６と脚部４８は、回路基板４０の上部からベース部３８の底部を離隔する作用を果たす。この距離を正確に固定することが望ましいことがある。図６〜８との関連で、より詳細に説明するように、コンタクト部材３２は、はんだボールを使用して、回路基板４０の表面上のコンタクトパッド（図示せず）に電気的に接続される。

次に、図６を参照すると、コンタクト部材３２の１の端部が装着用端部として開示されている。可溶部材、例えば、はんだボール５０が、この装着用端部５２に取付けられているのが示されている。はんだボール５０の取付けは、好適な手段、例えば、リフロー技術により、行うことができる。ベース部３８の底面は、端部５２の端面を僅かな距離だけ越えて延びているのが分かる。換言すれば、端部５２の端面は、ベース部３８内で凹設されている。はんだボール５０を端部５２に取付け後、はんだボールは、ベース部３８の底面を越えて延びる。

はんだボールの使用は、スルーホール無しで高密度接続を許容するが、１つの問題が残っている。はんだボールがベース部の底面を越えて延びるために、コネクタ３０が、回路基板上で組立てられたときに、回路基板の上側に僅かな距離に取付けられることがある。この状況では、はんだボール５０が、リフローしてコンタクトパッド（図示せず）に電気的に接続されたときに、モジュール３０の動き、すなわち、リアラインメントが生じる。このリアラインメントは、挿入力を許容できないレベルに増大させることがある。この問題は、本発明により、ほぼ克服される。

本発明の場合、可溶部材は、長さ（コネクタが装着される回路基板に平行な寸法）が、高さ（回路基板をフレームに取付ける点からの線に平行な寸法）より大きいアスペクト比を形成するように変形する。この場合、可溶部材のアスペクト比は１より大きい。換言すれば、可溶部材、すなわち、はんだボールは、高さより幅が大きい。

例えば、はんだボールのような変形する可溶部材をコンタクト部材３２の端部上に位置決めする技術を簡単に考察する。２つの一般的な技術が考えられる。第１の技術の場合、はんだボールのような可溶部材が、部材３２の端部上に強制的に押圧され、この後、変形する。変形プロセスは、フレームを固定し、プラテン状の装置（図示せず）を各はんだボールの底面に対して押圧又は打ち当てるか、あるいは、各はんだボールをアンビル状の装置に対して押圧するかのいずれかの工程を含んでもよい。いずれの場合でも、はんだボールは、平坦形状を形成するように変形されるのが好ましい。

例えば、はんだボールのような可溶部材をコンタクト部材３２の端部上に取付ける第２の技術の場合、可溶部材は、コンタクト部材の端部又は末端のスタブの近部に配置され、リフローが生じるように加熱される。リフローにより、可溶部材は、末端のスタブに取付けられる。この後、可溶部材は変形される。この変形は、フレームを固定し、プラテン状の装置（図示せず）を各可溶部材の底面に対して押圧又は打ち当てるか、あるいは、各はんだボールをアンビル状の装置に対して押圧するかのいずれかの工程も含んでもよい。いずれの場合でも、可溶部材は、平坦形状の平坦化部を形成するように変形されるのが好ましい。

はんだボールを可溶部材として使用される場合を考察する。製造後、はんだボールの端部は、肩部４６と脚部４８とにより形成される離隔された距離を越えて延びる可能性がある。換言すれば、コネクタは、回路基板上に配置されたときに、当初、肩部４６及び脚部４８ではなく、幾つかのはんだボールで支えることができる。リフロー中の場合のように、はんだが溶けると、コネクタは、回路基板に向かって物理的に移動し、これにより、コネクタをリアラインメントする。平坦化された又は変形（１より大きなアスペクト比）したはんだボールが使用されたときに、コネクタは、より短い距離を移動する。従って、コネクタは、リフロー前に、３次元（ｘ，ｙ及びｚ）の所望の位置により近い位置にあるために、不整合の可能性は非常に小さくなる。リフロー前に、コネクタを最終のｚ位置にできるだけ近接して配置することが、非常に重要である。

特に、図７を参照すると、はんだボール５０が、好ましくは、圧縮力をはんだボールに及ぼすことにより、変形しているのが分かるであろう。この圧縮力を加えることにより、はんだボールは、球状形状から好ましくは、平坦形状の底面を有する形状に、すなわち、１より大きなアスペクト比に変形する。はんだボール５０は、リフローしたときに、球状形状に戻り、圧潰された又は変形した形状を脱しかつコネクタの高さを変更する。このリフローしたはんだボールの例が、図８に示されている。図８から分かるように、はんだボール５０は、リフロー後、所定距離だけ延びて、回路基板４０とコンタクト部材３２の端部５２との間に電気的接触が形成される。

はんだボールがリフローしたときに、この工程中に生じた機械的な力により、コネクタをリアラインメントすることが判明した。このリアラインメントは、嵌合コネクタ間の挿入力を許容できないレベルまで増大する可能性がある。しかし、はんだボールを最初に図７に示すような形状に形成することにより、生じるリアラインメントの程度は大幅に減少する。変形したはんだボールのリフロー後の挿入力は、許容できないレベルまでは増大しない。

従って、変形したはんだボールを利用して回路基板４０との電気的接触を形成することにより、従来実現可能であったものよりもずっと小さな表面領域で電気的接続を行い、これにより、コンタクト部材の密度を大幅に増大することが可能になる。

特定の実施の形態を参照して本発明について説明しかつ図示したが、上述しかつ特許請求の範囲に記載の発明の原理から逸脱することなく、修正及び変更を行うことが可能なことは、当業者にとって明らかである。

参考例によるヘッダの部分断面図。 図１に示したヘッダ全体の平面図。 図１のヘッダを装着したプリント回路基板の平面図。 本発明により形成されたリセプタクルの概略的な側面図。 図４に示したリセプタクルの概略的な拡大図。 はんだボールを装着した１のコンタクト部材の端部の更に他の拡大図。 はんだボールが本発明の態様で変形した後の図６に示したコンタクト部材を示す図。 図７に示したコンタクト部材と、はんだボールをリフローしてコンタクト部材とプリント回路基板との間を電気的に接続した後のプリント回路基板を示す図。

符号の説明

１０，３０…コネクタ、１２，１４…側壁、１６…底壁、１８，２０…ブレード、２２…プリント回路基板、２４…ボア、２６…コンタクトパッド、３２…コンタクト部材、３４…位置決めフレーム、３６…直立部、３８…ベース部、４０…回路基板、４２…延長タブ、４４…ペッグ、４６…肩部、４８…脚部、５０…はんだボール、５２…端部。

Claims (7)

1. 位置決めフレームと、
   この位置決めフレームに取付けられた複数のコンタクト部材からなる層と、を備え、これらのコンタクト部材のそれぞれは、受入れ部と装着用端部とを含み、この装着用端部は、前記位置決めフレームの底面の近部に配置され、更に、
   複数の球状のはんだボールを備え、それぞれの球状のはんだボールは、前記コンタクト部材の１つの装着用端部の近部に配置され、これらの球状のはんだボールのそれぞれは、リフローの際のリアライメントを生じさせる力を最小とするために、回路基板への取付け前に変形された平坦化部を含むコネクタ。
2. 前記球状のはんだボールは、それぞれ前記位置決めフレームから所望の距離内を延びる、請求項１に記載のコネクタ。
3. 更に、前記位置決めフレームの底面に取付けられ、前記位置決めフレームをプリント回路基板から離隔する肩部を備える請求項２に記載のコネクタ。
4. 底面を有する位置決めフレームと、それぞれ装着用端部を有する複数のコンタクト部材と、複数の球状のはんだボールとを準備し、前記装着用端部が前記位置決めフレームの底面の近部に配置されるように、前記複数のコンタクト部材のそれぞれを前記位置決めフレームに取付け、前記複数の球状のはんだボールのそれぞれを前記複数のコンタクト部材の装着用端部のそれぞれに取付け、前記複数の球状のはんだボールを機械的に変形して平坦化部を形成するステップから形成された電気コネクタであって、この後、回路基板に取付けられ、前記変形するステップは、この回路基板への取付けステップの際のリアライメントを生じさせる力を、最小とする、電気コネクタ。
5. 前記複数の球状のはんだボールを機械的に変形するステップは、前記複数の球状のはんだボールのそれぞれの幅が、前記複数の球状のはんだボールのそれぞれの高さより大きくなるように、前記複数の球状のはんだボールを圧縮するステップを備える請求項４に記載の電気コネクタ。
6. 前記回路基板に電気コネクタが取付けられる前に、前記回路基板を前記球状のはんだボールから所定距離だけ離隔して位置決めするステップを含む請求項４に記載の電気コネクタ。
7. 前記複数の球状のはんだボールを機械的に変形するステップは、前記複数の球状のはんだボールのそれぞれを前記複数のコンタクト部材の装着用端部のそれぞれに取付けた後に実施される請求項４に記載の電気コネクタ。

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