CN1245007A - 用于表面安装芯片的优化焊接接头 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种表面安装印刷电路板,它具有:一基片(10)、至少一表面安装器件(14)、用于每一器件(14)的至少两个安装垫(12)、将器件(14)的终端(22)连接到它们各自的安装垫(12)的焊接接头(24)、至少一个在基片(10)上位于安装垫(12)之间的矩形提升垫(30)、和在每一提升垫(30)上与该器件(14)的底面(18)接触的焊料块(32)。该安装垫(12)的内外伸展长度(l_i和l_o)、尺寸、数目,和提升垫的形状、及涂敷在安装和提升垫(30)上的焊料量经过设计使得焊接接头(24)优选地具有外凸的外焊缝(28),该器件(14)在安装垫(12)上方保持在预定的高度(h_o),内焊缝夹角(α)保持在预定的最小角度之上以增加焊接接头的裂纹萌生时间,且整个焊接接头的裂纹扩展长度增加。另一实施例还包括在该提升垫(30)和/或安装垫(12)下面的栓塞通孔(34),在焊料块(32)/焊接接头(24)和栓塞通孔(34)之间限定有气阱(40)。该限定气阱(40)在回流焊接过程中向该SMD(14)提供了附加的浮力。

Description

用于表面安装芯片的优化焊接接头

本发明大体涉及印刷电路板。本发明尤其涉及具有改进的焊接接头的表面安装器件的印刷电路板。

在表面安装印刷电路板(PCBS)领域，焊接接头耐久性的重要指标是一个表面安装器件(SMD)的焊接接头在周期性温度变化的给定条件下失效所需要的时间。图1A显示了一种典型的表面安装PCB，它具有一个SMD14，该SMD 14通过常规的焊接接头24连接到PCB基片10的安装垫12上。该焊接接头24具有一靠近该器件的底面18和安装垫12的内焊缝26，和在该器件的周边壁20和安装垫12之间延伸的外焊缝28。如图1A所示，常规的焊接接头的内外焊缝是下凹形的。

当焊接接头失效时，发生接头失效的两个连续阶段：裂纹萌生和裂纹扩展。裂纹萌生时间是在焊接接头中开始形成裂纹所需要的时间。如图1B所示，裂纹萌生通常在内焊缝表面27开始。在另一方面，裂纹扩展时间是从裂纹萌生直到焊接接头发生电连接失效的时间。扩展阶段包括两个阶段：在该器件端部终端22下面的扩展，如图1C所示，和在外焊缝28中的扩展，如图1D所示。在外焊缝中的裂纹扩展一般沿与从该器件的底边21延伸的水平线成45度角的线上产生，直到该焊缝的外表面29。当裂纹扩展到外焊缝的外表面29或基本上到那里时，焊接接头发生电连接失效，如图1E所示，从而使终端22和其相连的安装垫12之间的电连续性从功能上被中断。

已经证明焊接接头的寿命受焊接接头几何形状的三个方面的影响：(1)焊接接头高度h_o，它定义为该器件的底部终端和垂直邻近的安装垫之间的垂直距离，如图1A所示；(2)焊接接头内焊缝的形状；和(3)焊接接头外焊缝的形状。裂纹萌生时间随着焊接接头高度h_o的增加和适当设计的内焊缝形状(即，内焊缝的夹角α大于特定的最小角度)而趋向于增加。在终端下面的裂纹扩展时间(即阶段I)随着焊接接头高度的增加而趋向于增加。它还随着内焊缝表面27和终端的底边21之间的距离的增加而趋向于增加；然而，该距离由该器件的终端的几何形状决定，对于给定的器件来说是固定的。至于在外焊缝中的裂纹扩展时间(即阶段II)，随着适当的外焊缝的几何形状而趋向于增加，尤其是该形状需要裂纹扩展更长的距离时，扩展时间增加。因此，整个焊接接头的寿命可以通过通常地增加焊接接头的高度和适当设计内外焊缝的形状而改进。

一种用于增加焊接接头高度的已知的方法是在该SMD的不可焊接的底面之下包括“提升垫”30，如图2所示。根据现有技术，这些提升垫是圆形的。当涂敷在一提升垫上的焊料块32在回流焊接过程中熔化时，熔融的焊料块中的压力提供一个向上的力F_L，该力有助于抬高该元件，理想情况下将其保持在最小的焊接接头高度h_o或之上，直到该焊料块重新回到固态为止。

虽然这种方法有助于增加焊接接头的高度，但是它对该提升垫在焊接接头几何形状上的作用没有采取措施。当该元件被提升垫抬高时，随着焊料在该器件终端区域下面流动来填充增加的焊接高度，使内外焊缝区域的焊料数量减少，从而不利地改变焊接接头的几何形状。同样，表面张力和焊接接头焊缝内的压力会对在提升垫上面的熔融的焊料块的形状和提升效果产生不利的影响。因此采用常规的提升垫方法，内外焊接接头焊缝要改变形状和减小尺寸，同时由于作用在焊接接头上的表面张力和压力，使得增加焊接接头高度的提升垫的作用被降低。因此，虽然整个焊接接头的高度可能增加，但可能导致整个裂纹扩展长度的减小和产生不利的焊缝内部夹角α，从而在整个裂纹萌生和扩展时间上获得很少或没有改进。

另一种用于增加焊接接头高度的方法公开在“用于无引线芯片元件的焊接接头均衡形状和基座高度的预测”一文中(IEEE协会的元件、包装和制造技术学报)，如图3所示。不同于采用提升垫，这种方法采用安装垫，其中安装垫的外边15比常规情况的安装垫更靠近SMD，从而促使形成外凸的内外焊缝，而不同于典型的下凹焊缝。根据这种方法，大量的焊料涂敷在安装垫上，足以使在随后的回流焊接过程中“浮起”在焊料上的器件达到一预期的焊接接头高度。

这种方法可通过参照图4和5来进一步说明。图4显示了一常规的焊接(即，下凹的焊接接头)SMD的自由体受力图和在回流焊接过程中和回流后作用在其上的力。当作用在该SMD上的向下净压力(即，该器件的重力W，周围压力P_a，及内外焊缝表面张力F₁和F₂的各自的垂直分量)与向上净压力(即，由该焊接接头提供的浮力和接触力P_o)达到平衡时获得焊接接头高度h_o。将其与图5相比较，其中图5显示了一采用外凸的焊接接头的SMD的自由体受力图和在回流焊接过程中和回流后作用在其上的力。注意到表面张力F₁和F₂的垂直分量比图4中的F₁和F₂的垂直分量对该SMD施加了更小的向下力。此外，图5中的外凸的形状保证了P_o＞P_a(即，一个向上的净压力)，而图4中下凹的形状使得P_a＞P_o(即，一个向下的净压力)，尤其是对于具有相当宽的焊接接头的器件。因此，通过采用图5所示的外凸的接头几何形状，可以获得比通过采用常规的下凹焊接接头几何形状所实现的更大的焊接接头高度h_o。

然而，由于在安装垫或提升垫的设计和焊料的数量之间的限制，其中焊料可采用标准的焊接膏涂敷工艺(即，丝网印刷)来涂敷，实际上上述两种现有技术的方法在其应用中受到了限制。虽然存在其它的方法可以涂敷额外的焊接膏(例如，分发)，然而这些方法通常比丝网印刷更慢，实际上大多仅当需要时才以附加成本的代价来采用。

此外，虽然这两种方法在获得所期望的焊接接头高度上可能是有效的，然而不幸的是它们可能对焊接接头的寿命产生不利的影响。例如，现有技术的提升垫方法导致了具有在内焊缝表面和外焊缝表面之间减小距离(即，减小了整个裂纹扩展长度)的下凹的焊接接头。而且，虽然现有技术的外凸几何形状的方法提供了可在某种程度上增加阶段II的裂纹扩展时间的焊接接头高度，但这种方法和现有技术中的提升垫方法都没有针对怎样适当设计内焊缝的几何形状也没有针对怎样优化该安装垫的设计来使外焊缝的裂纹扩展距离最大作说明。

因此，需要提供一种通过获得增加的焊接接头高度、优化的焊接接头内焊缝形状以及优化的焊接接头外焊缝尺寸和形状来提高焊接接头耐久性的方法。

本发明提供了一种印刷电路板，包括：

一印刷电路板基片；

至少一个具有一底面和一在所述底面周围的底边的表面安装器件，所述器件具有在所述底面上邻近所述底边的终端；

用于每一所述的表面安装器件的至少两个安装垫，所述安装垫布置在所述基片的上表面，与所述表面安装器件的所述终端相配；

一连接每一所述终端与其相应的安装垫的焊接接头，所述焊接接头有内外焊缝且由预定量的焊料组成；

用于每一表面安装器件的至少一个提升垫，每一提升垫布置在所述安装垫之间的所述基片的所述上表面；

用于每一提升垫的一焊料块，其中每一焊料块布置在其相应的提升垫和所述表面安装器件的所述底面之间且相接触，每一焊料块由预定量的焊料组成；

其中，在所述安装垫和每一提升垫上的所述预定量的焊料在熔融状态时提供一作用在所述表面安装器件上的净浮力，从而使所述器件在所述安装垫上方升至一预定高度，且所述焊料在固态时保持所述器件在所述安装垫上方的大体所述预定高度。

本发明的实施例通过提供一种表面安装PCB而克服了现有技术的缺点，该表面安装PCB具有一基片、至少一表面安装器件、用于每一器件的至少两个安装垫、连接该器件的终端到它们相应的安装垫的焊接接头、位于基片上在安装垫之间的至少一个矩形提升垫、和在每一提升垫上与该器件的底面接触的一焊料块。该安装垫的内外伸展长度、尺寸、数目、和提升垫的形状、及涂敷在安装和提升垫上的焊料量被优化，从而使焊接接头优选地具有外凸的外焊缝、该器件在安装垫上方保持在预定的高度、内焊缝夹角保持在预定的最小角度之上、整个焊接接头的裂纹扩展长度增加。另一实施例还包括了在该提升垫和/或安装垫下的栓塞通孔，在焊料块/焊接接头和栓塞通孔之间限定有一个气阱。该限定的气阱在回流焊接过程中对该表面安装器件提供了附加的浮力。

该实施例的一个优点是采用最小内焊缝夹角与增加的焊接接头高度一起使得裂纹萌生时间增加。

另一个优点是优化的外焊缝形状与增加的焊接接头高度相配合而使得裂纹扩展时间增加。

另一个优点是矩形的提升垫提供了一种比常规的圆形提升垫对SMD提供了一种提供浮力更有效的方式。

另一个优点是矩形的提升垫和优化的焊接接头与在另一实施例中的栓塞通孔一起共同作用，来浮动该表面安装器件至一在该PCB安装垫上方的所期望的焊接接头高度，而不会对焊缝形状和整个裂纹扩展长度产生不利影响。

本发明将通过示例并参照附图作进一步描述，其中：

图1A-1E是一个焊接到印刷电路板上的表面安装器件的一部分的纵向剖面图，显示了裂纹萌生、裂纹扩展和焊接接头失效的连续过程；

图2是一现有技术中的焊接到一印刷电路板上的表面安装器件的纵向剖面图，显示了带有提升垫的常规焊接接头；

图3显示了现有技术中具有外凸焊缝的焊接接头的纵向剖面图；

图4显示了现有技术中具有下凹焊缝的焊接接头的自由体受力图；

图5显示了现有技术中具有外凸焊缝的焊接接头的自由体受力图；

图6A和6B是一根据本发明的焊接到一印刷电路板上的表面安装器件的纵向剖面图，显示了与或者是与优化的提升垫或者是与栓塞通孔/优化提升垫组合相结合的改进的焊接焊缝形状；

图6C是一根据本发明的焊接接头的放大剖面图；

图7显示了在0.5H＜l_o＜2H范围内的l_c比1_o的典型曲线；

图8显示了根据本发明的提升垫和焊料块的正视图。

参照附图，图6A显示了有一安装于其上的SMD的印刷电路板，它具有根据本发明的第一实施例的优化的焊接接头。该实施例包括一具有一通常为平的上表面的PCB基片10，其上至少布置两个安装垫12。这些安装垫12排列在基片10的上表面，与SMD 14的终端22相配。而且在该上表面对于每一SMD14至少有一提升垫30。用于每一SMD14的提升垫30排列在用于每一相应的SMD14的相应安装垫12中间。因此，每一PCB具有一个基片10，在其上表面具有用于安装在其上的每一单独的SMD14的一组安装垫12和提升垫30。

该SMD 14是一无引线表面安装器件，比如无引线瓷片电阻器(LCCR)。该器件14具有通常为矩形的上表面16，一同样形状的底面18，该底面与上表面16大体平行，及一毗邻上下表面16/18且环绕该器件14的整个四周的周边壁20。底边21由底面18和周边壁20的相交线所限定。该SMD14还具有邻近该器件底边21的在底面18上的终端22，它与基片10上的安装垫12相配排列。这些终端22还可以沿周边壁20的一部分或者整个周边壁向上延伸，还可沿上表面16的部分区域延伸。这些终端22与它们相应的安装垫12通过焊接接头24实现电连接和机械连接，每一接头24由预定量的焊料组成。

在每一提升垫30和该SMD14的底面18之间是焊料块32，由预定量的焊料组成。每一焊料块32与其相应的提升垫30和该器件14的底面18相接触。

根据本发明的PCB这样来制造，首先提供一基片10，该基片具有至少两个排列在基片10的上表面与SMD 14的终端22相配的安装垫12，且具有至少一个排列在安装垫12中间的该表面上的矩形提升垫30。预定量的焊料施加到安装垫12和每一提升垫30上。这可通过丝网印刷或其它的常规涂敷方式来完成，通常根据给定的套印方法。在该步骤之后SMD 14放置到安装垫12之上，使终端22与其相配。然后，加热安装垫12和提升垫30上的焊料，比如通过将整个PCB放入回流焊接炉中。热量使焊料熔化且由于该熔化的焊料所提供的浮力，该SMD 14将在安装垫12上浮动。最后熔融的焊料冷却，在每一安装垫12上形成一焊接接头，在每一提升垫30上形成一焊料块，从而使终端22位于在安装垫12的上表面上方的所期望的高度h_o处，内夹角α大于预定的最小夹角，使外焊缝28与周边壁20的整个高度充分接触，该焊接接头外焊缝28最好是外凸形。这样产生了一个焊接接头24，该接头提供了所期望的焊接接头高度h_o，还提供了优化的焊接接头结构，该结构增加了裂纹萌生和裂纹扩展时间。

应当注意的是在此所用的“优化的”焊接接头，指的是这样的接头24，它具有大于预定最小夹角的内夹角α、外焊缝28与该器件的周边壁20的整个高度充分接触、最大的阶段II的裂纹扩展长度1c及足以提供所期望的焊接接头高度h_o的焊料体积V_M，如图6C所示。因此，经常是(但不总是)产生的外焊缝28呈外凸形的情况。(应当注意的是当外焊缝28是外凸形时，通常内焊缝也是这样；同样，当外焊缝28是下凹形时，内焊缝也是这样。)然而，可能存在这样的情况，比如当试图得到一个非常大的焊接接头高度h_o或者采用特定的焊料配方时，尽管是产生了下凹的外焊缝，所期望的裂纹扩展长度1_c和其它特性也可以得到优化。促进这些焊接接头特性的内外伸展长度l_i/l_o和焊料体积V_M因此也称作“优化的”。而且，这里所用的“优化的”提升垫，指的是提升垫30是矩形的(或者，最好是方形的)，且有足够的数目、尺寸和焊料块体积V_LP，从而提供保持所期望的焊接接头高度h_o所需要的浮力。同样，算出的有助于促进这一点的焊料体积V_LP也称作“优化的”。此外，“优化的”裂纹萌生和扩展时间指的是这些时间的最大化，如通过前述的优化特征的结合所产生的那样。

用于设计本发明的第一实施例的过程如图6A或6C所示，包括两个常规的过程：(1)优化焊接接头24和安装垫12，然后(2)优化焊料块32和提升垫30。给定作为这两个过程的输入条件是：该SMD 14的尺寸和重量、焊接膏材料性能(例如焊料百分比)、所期望的焊接接头高度h_o(例如7密耳)、焊料涂敷到安装垫12和提升垫30上的印刷/套印方法(例如，在每一安装垫的三侧套印10密耳)、以及提升垫30的数目和尺寸(例如每SMD 6)。采用这些输入条件，从这两个优化过程所期望的输出将是：最佳的安装垫内伸展长度l_i(即，从终端内边23到安装垫内边13的水平距离)，它优化了内焊缝26的裂纹萌生时间；最佳的安装垫外伸展长度1_o(即，从该SMD底边21到安装垫外边15的水平距离)，1_o优化了外焊缝28的裂纹扩展长度l_c，以及在每一安装垫上的焊接膏体积V_M和在每一提升垫上的焊接膏体积V_LP。因此给定这些提供的输入条件，第一步决定安装垫12使得裂纹萌生和扩展时间优化所需要的几何尺寸，而第二步决定浮动该器件14(与由焊接接头24所施加的浮力共同作用)到所期望的焊接接头高度h_o且保持所期望的焊接接头几何形状所需要的焊料块体积。

现在将详细讨论这两个优化步骤的每一个，其中采用下面所列的变量和常数作为参数：

h_o＝所期望的焊接接头高度；

t＝SMD 14的底面18的终端22的厚度；

h＝在内焊缝26处位于安装垫12的上部和底面18之间的焊接接头的高度；

H＝从底边21测量的在周边壁20上的焊料高度(通常与该SMD 14的高度相同)；

w＝每一焊接接头24的SMD 14的宽度；

W＝每一对焊接接头的SMD 14的重量；

V_calc＝在每一安装垫12上的焊料计算体积；

V_M＝每一安装垫12上的焊料体积；

V_LP＝每一焊料块32中的焊料体积；

L＝SMD14的长度；

l_c＝沿线JK测量的外焊缝28中的裂纹扩展长度；

l_o＝安装垫12的外伸展长度；(从底边21到安装垫外边15的水平距离)；

l_m＝终端22底面的长度；

l_i＝安装垫12的内伸展长度；(从终端内边23到安装垫内边13的水平距离)；

G_p＝在该器件14的各个相对边上的安装垫12之间的间隙；

G_c＝在该器件14的各个相对边上的终端内边23之间的间隙；

G_c，max＝对于一给定的器件14的G_c测量值中的最大值；

A_T，max＝焊接接头24的横截面积；

A_cs＝焊料块环形部分35的横截面积，如图8所示；

C_o＝图6C中三角形ABC的斜边；

C_i＝图6C中三角形A’B’C’的斜边；

C_Lp＝图8中三角形A”B”C”的斜边；

P_o＝焊接接头24中的压力；

P_a＝大气(参考)压力；

σ＝表面张力；

F＝作用在单个提升垫30上的向下的力；

F_o＝由于焊接接头24而作用在SMD 14上的向上的力；

N＝对于每一外部垫的提升垫30的数目；

θ_o＝在斜边C_o和外焊缝的自由表面29之间的夹角；

θ_i＝在斜边C_i和内焊缝的自由表面27之间的夹角；

θ_LP＝在斜边C_LP和焊料块外表面33之间的夹角；

θ_o’＝在斜边C_o和垂直线之间的夹角；

θ_i’＝在斜边C_i和垂直线之间的夹角；

θ_LP’＝在斜边CLP和垂直线之间的夹角；

θ_c＝焊料块自由表面33和SMD14的底面18之间的夹角；

α＝内焊缝表面27和该SMD14的底面18之间的夹角；

R＝外焊缝表面27的曲率半径；

R_LP＝焊料块外表面33的曲率半径；

R_chip＝沿着底面18从焊料块32的中心线到焊料块外表面33的距离；

R_pad＝沿提升垫30的上表面从焊料块32的中心线到焊料块的外表面33的距离；

r_CG＝从焊料块32的中心线到焊料块环形部分35的质心CG的径向距离；

J＝位于底边21和安装垫12的上表面之间垂直方向上中间位置的起始点；

K＝在外焊缝表面27和从点J开始并与周边壁20成45度角的长度为l_c的裂纹扩展线之间的交点；

X_c，y_c＝描绘弧AKB的一个圆的原点M的x和y坐标；

C＝临时变量(下面定义)。

优化焊接接头24的第一步是设计内焊缝26，以使在焊缝自由表面27和器件14的底面18之间的夹角α不小于大约30度。这通过选定内伸展长度l_i的尺寸来完成，从而

G_p＝G_c，max+3h，       ---(1)

产生

l_i＝(L-2l_m-G_p)/2    ---(2)

一旦内伸展长度l_i确定后，焊接接头优化过程的剩余步骤集中在确定外伸展长度l_o上，给定的是通过选择的印刷方法提供的焊料体积V_M，以便形成适宜的外凸接头，它获得所期望的焊接接头高度h_o同时优化沿线JK测量的裂纹扩展长度l_c。

第二步是选择安装垫外伸展长度l_o的起始值。由于找到最佳的l_o值是一个反复的过程，因此需要一个起始值。建议范围是0.5H＜l_o＜2H，所以推荐起始值l_o＝0.75H。

第三，通过计算可被涂敷的焊料的量确定焊接接头24的体积V_calc，其中给定选定的l_o、计算的l_I、与给定的SMD相关的l_m、焊接接头的宽度w、以及采用的特定的印刷或套印方法(例如，采用具有重量50％的焊料的10密耳厚的焊接膏的10密耳套印)。这表示了在回流焊接过程中形成焊接接头24的焊料数量。

利用如图6C所示的回流焊接接头24的预期几何特征，焊接接头24中的焊料的体积V_M可表示成：

V_M＝(l_o/2)(H+h_o)+(l_i/2)h+l_mh_o+           ---(3) $(w/4)\left\{C_o^2\right[{\mathrm{\θ}}_o{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_o-\cot {\mathrm{\θ}}_o]+C_i^2[{\mathrm{\θ}}_i{\csc }^2{\mathrm{\θ}}_i-\cot {\mathrm{\θ}}_i\left]\right\}$

随之

A_T，max＝V_M/w                                   ---(4)

其中 $C_o=\sqrt{(l_o^2+{(H+h_o)}^2)}---\left(5\right)$ $C_i=\sqrt{(l_i^2+h^2)}---\left(6\right)$

在公式3中，除V_M、θ_o和θ_i以外所有的参数都是已知的。角θ_o可通过如下设定V_M等于V_calc来确定(角θ_I被除去)。

第四，临时变量C通过忽略公式3中对应于内焊缝环形部分25(即，C_i ²[θ_icsc²θ_i-cotθ_i]项)的部分来确定，按照[θ_ocsc²θ_o-cotθ_o]二项式来求解该公式，设定该结果等于C：

C＝[θ_icsc²θ_o-cotθ_o]                     ---(7) $=(4/C_o^2)[V_{\mathrm{calc}}/w-(l_o/2)(H+h_o)-l_{i}h/2-l_m{h}_o]$

第五，公式7中的csc²θ_o项转换为(cot²θ_o+1)，形成：

C＝θ_ocsc²θ_o-cotθ_o＝θ_ocot²θ_o+θ_o-cotθ_o    ---(8)

然后公式8中的余切项进行级数展开，仅包括级数的前三项，从而： $C={\mathrm{\θ}}_o{(1/{\mathrm{\θ}}_o-{\mathrm{\θ}}_o/3-{\mathrm{\θ}}_o^3/45)}^2+{\mathrm{\θ}}_o-(1/{\mathrm{\θ}}_o-{\mathrm{\θ}}_o/3-{\mathrm{\θ}}_o^3/45)---\left(9\right)$

展开该二次三项式，忽略产生的高次项，合并同类项，得到： $C=2{\mathrm{\θ}}_o/3+4{\mathrm{\θ}}_o^3/45---\left(10\right)$

或者进一步， $O={\mathrm{\θ}}_o^3+15{\mathrm{\θ}}_o/2-45C/4---\left(11\right)$

忽略公式11中的三次项，θ_o的一次近似值可表示为：

θ_o＝3C/2，                                              ---(12)

其中C可利用上述公式7的后面的部分来确定。

一旦θ_o确定后，第六步是计算θ_o’，利用：

θ_o＝tan^-1[l_o/（H+h_o)]                               ---(13)

第七，点M(x_c，y_c)定义为包括弧AKB且具有半径R的圆的中心；也就是，点M(x_c，y_c)是外焊缝自由表面29的曲率中心。x_c，y_c和R的计算采用：

R＝C_o/(2sinθ_o)                                        ---(14)

x_o＝-l_o/2+Rcos(θ_o/2)sinθ_o                         ---(15)

和

y_c＝H/2-Rcos(θ_o/2)cosθ_o                            ---(16)

第八，外伸展长度l_c可利用下面公式确定： $l_c=\left|\frac{[(x_c-y_c)\±\sqrt{({2R}^2-{(x_c+y_c)}^2)}]}{\sqrt{2}}\right|---\left(17\right)$

焊接接头优化过程的第九和最后的步骤是重复上述的第二到第八步，以便在第一步中建议的范围内(即，0.5H＜l_o＜2H)绘制l_c与l_o的关系曲线。图7显示了一条典型的对于建议范围的l_c与l_o的关系曲线。然后，选取相应于l_c，max的l_o的值，l_c，max是l_c的最大值。例如，在图7中0.83H的l_o值相应于l_c的最大值。

一旦最佳的内伸展长度l_I、最佳的外伸展长度l_o、和焊接接头体积V_M基于给定的输入条件确定后，就可以设计提升垫30和焊料块32。

在给定(1)器件14和安装垫12的几何形状，(2)提升垫30的数目、形状、和尺寸，和(3)在每一提升垫30上的焊料体积V_LP的条件下，提升垫设计的一个关键方面是预测焊接接头高度h_o的能力。器件14的几何形状(即，G_c，max和l_m)由在每一情况下采用的特定的器件来决定，而安装垫的几何形状(即，l_o和l_i)是在上述焊接接头优化过程中计算出来的。

提升垫30的数目和大小略受焊料涂敷方法的影响。例如，在常规的丝网印刷焊料涂敷方法中，采用12和26密耳之间的模版孔隙通常可得到最好的一致性(即，在焊料体积的最小百分比变化)。由于期望有许多而不是较少的提升垫(为了改进涂敷的焊料体积的标准偏差)，推荐相应于该范围的较小端的模版孔隙。而且，较小的垫更有利于套印，且比大垫有较少的形成焊料球的趋向。(即，在不形成焊料球情况下尽可能多地涂敷焊接膏时，通常，采用较小的垫可能比采用较大的垫有更高的焊料体积与提升垫面积的比值。)因此提升垫30的大小和数目将依赖于在元件下面可用的间隙(即G_p)、模版孔隙、和所期望的套印方案。已经发现通常推荐的提升垫的数目是每一焊接接头三个提升垫，而垫的大小R_pad更紧密地依赖于特定的G_p、模版/涂敷特性、和采用的套印方法。

至于提升垫30的形状，通常采用圆形。然而根据本发明，推荐采用矩形的提升垫。矩形的，最好是方形的垫在套印(即，过量焊料的涂敷)时比圆形垫更有效，因为该垫的拐角在焊料“拉回”和润湿过程中有帮助作用，而在回流之后不被大块的焊料块32所覆盖。例如，方形的提升垫30可以在该方形的四边的每一边之外的10密耳处套印焊料，因此形成了一个大于且覆盖该方形提升垫的方形焊接膏覆盖面。随后，在回流过程中，表面张力引起焊料块32(及其上放置的SMD)上升，将上述的平的、方形涂敷焊料转化成在提升垫30上面的大致呈柱形的块，其直径跨过且基本上等于该方形垫的宽度，于是该焊接膏将熔化，焊接膏覆盖面将收缩成大致为圆形的覆盖面。

至于焊料块的体积V_LP，希望得到一个最佳的焊料体积，因为不足的焊料体积将导致较低的、或许是下凹的焊缝，而过多的焊料量将使焊缝的高度过度升高，焊料将从外焊缝28的焊料中拉回到元件终端22下面，导致外焊缝28中较短的裂纹扩展长度。下面给出的步骤提供了粗略的设计标准，用于在给定所需要的几何参数时估算获得期望的焊接接头高度h_o所需要的焊料体积V_LP。(应当注意的是，下面的公式是用于在SMD下面没有对应于每一提升垫的金属化处理的情况，描述这种情况(例如，倒装片)的公式可在文献中发现。)

确定V_LP的第一步是利用下面公式计算焊接接头24中的相对压力：

(P_o-P_a)＝(2σsinθ_o)/C_o                      ---(18)

第二，利用下面公式计算由于焊接接头24作用在该SMD 14上的向上净压力F_o：F_o＝w{l_m[P_o-P_a-W/(2l_mw)-σ(cosθ₁+cosθ₃)]}  ---(19)其中θ₁＝θ_o+θ_o′                                    ---(20)θ₃＝θ_i+θ_i′                                    ---(21)

第三，利用下面公式计算作用在单个提升垫30上的向下力F：

F＝-F_o/N                                                  ---(22)

其中N是对于每一安装垫12的提升垫30的数目。

第四步是选择θ_LP的起始值，θ_LP是斜边C_LP和焊料块外表面33之间的夹角，如图8所示。建议的范围是10°＜θ_LP＜40°，推荐起始值为θ_LP＝25°。

第五，利用下面公式计算R_chip、C_LP和R_LP：

R_chip＝R_pad-hcot(θ_LP+θ_C)                              ---(23) $C_{\mathrm{LP}}=h\sqrt{1+{\cot }^2({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LP}}+{\mathrm{\θ}}_C)}=h/\left[\sin ({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LP}}+{\mathrm{\θ}}_C)\right]---\left(24\right)$

和

R_LP＝-C_LP/(2sinθ_LP)＝-h/[2sinθ_LPsin(θ_LP+θ_C)]    ---(25)

其中θ_C是由焊料和相互接触的底面18的物理特性所决定的界面夹角，可由本领域技术人员来确定。

第六，利用下面公式计算单个提升垫30上的作用力：

F＝πσR_chip ²/R_o-2πR_chipσsin(θ_LP+θ_C)              ---(26)

其中

R_o＝-R_LP                                                ---(27)

第七，重复第四至第六步直到得出θ_LP的一个值，使得F’的值等于在上述第三步(公式22)中计算出的F值

第八，利用下面公式计算A_CS和r_CG： $A_{\mathrm{CS}}=\frac{1}{2}\left(R_o^2\right)(2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LP}}-\sin 2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LP}})---\left(28\right)$

和

r_CG＝(R_chip+R_pad)/2+                                     ---(29)

R_o[(4sin3θ_LP)/(6θ_LP-3sin2θ_LP)-cosθ_LP]sin(θ_LP+θ_C)

第九和最后的步骤是利用下面公式计算每一提升垫的焊料块32的体积V_LP：V_LP＝π[hR_chip ²+h(R_pad-R_chip)(2R_chip+R_pad)/3+2A_CSr_CG]   ---(30)

一旦完成了焊接接头优化和提升垫优化过程，内伸展长度l_i、外伸展长度l_o、焊料体积V_M/V_LP和给定的输入信息一起用来形成前述的第一实施例。

本发明的第二实施例如图6B所示。该实施例类似于第一个实施例，只是加入了栓塞通孔34和充有气体42的气阱40，它们有助于提升垫30和焊料块32提供抵抗SMD14的附加的向上力。该栓塞通孔34由通过基片10而形成的通孔36形成，该通孔36至少部分地用一栓塞材料38所填充。而且，在该实施例中，提升垫30有一穿过它而形成的孔44，因此该孔44限定了提升垫30的内壁。气阱40形成在栓塞通孔34的上方，通常通过焊料块32限定其上方、通过焊料块32和/或提升垫30的内壁和/或通孔36限定其侧面、和通过栓塞材料38限定其底部。只要形成一大小的气阱40，采用栓塞材料38填充整个通孔36也是可以的；但是，最好是通孔36仅有部分被栓塞材料38所填充，形成一个大的气阱40，从而使得通过气阱40中所收集的气体42随后的膨胀获得更大的提升。

该栓塞通孔34设计用来在回流过程中收集气体42，提供气体膨胀，该膨胀有助于增加焊料块的高度h同时减少了为获得给定的焊接接头高度h_o的增加所需要的焊料涂敷量。气体42可由焊料块32涂敷在提升垫30上时气阱40所收集的空气或其它周围气体组成，也包括在回流高热过程中由焊料块32内部释放的挥发性气体。

可以设想进行各种其它的改进。例如，另外在安装垫12下面提供栓塞通孔34或者取代提升垫30下面的栓塞通孔34也是可能的。而且，显然，焊接接头24和焊料块32可由同样的焊料或焊接膏组成。

Claims (10)

1.一种印刷电路板，包含：

一印刷电路板基片(10)；

至少一个表面安装器件(14)，该表面安装器件具有一底面(18)和一在所述底面(18)周围的底边(21)，所述器件(14)具有在所述底面(18)上邻近所述底边(21)的终端(22)；

用于每一所述表面安装器件(14)的至少两个安装垫(12)，所述安装垫(12)与所述表面安装器件(14)的所述终端(22)相配地布置在所述基片(10)的上表面；

一个将每一所述终端(22)与其相应的安装垫(12)相连的焊接接头(24)，所述焊接接头(24)有内外焊缝(26，28)且由预定量的焊料组成；

用于每一表面安装器件(14)的至少一个提升垫(30)，每一提升垫(30)布置在所述安装垫(12)之间的所述基片(10)的所述上表面；以及

用于每一提升垫(30)的一焊料块(32)，其中每一焊料块(32)布置在其相应的提升垫(30)和所述表面安装器件(14)的所述底面(18)之间且与它们相接触，每一焊料块(32)由预定量的焊料组成；

其中，在所述安装垫(12)和每一提升垫(30)上的所述预定量的焊料(24，32)在熔融状态时提供一作用在所述表面安装器件(14)上的净浮力，从而使所述器件(14)在所述安装垫(12)上方升至一预定高度(h_o)，且所述焊料(24，32)在固态时保持所述器件(14)在所述安装垫(12)上方的大体所述预定高度(h_o)。

2.根据权利要求1所述的一种印刷电路板，其特征在于，每一安装垫(12)的内伸展长度(1_i)是一预定长度，从而有助于所述表面安装器件(14)的底面(18)和所述内焊缝(26)的自由表面(27)之间的夹角(α)至少与预定的最小夹角一样大。

3.根据权利要求2所述的一种印刷电路板，其特征在于，所述预定的最小夹角是30度。

4.根据权利要求1所述的一种印刷电路板，其特征在于，所述外焊缝(28)大体与所述表面安装器件(14)的周边壁(20)的整个高度接触，从而形成了增加的裂纹扩展长度。

5.根据权利要求1所述的一种印刷电路板，其特征在于，所述焊接接头(24)的所述外焊缝(28)是外凸形的。

6.根据权利要求1所述的一种印刷电路板，其特征在于，每一安装垫(12)的外伸展长度(1_o)是一预定长度，从而使所述外焊缝(28)中的裂纹扩展长度最大，所述预定的长度取决于预选的焊料涂敷方法。

7.根据权利要求1所述的一种印刷电路板，其特征在于，每一提升垫(30)是矩形的。

8.根据权利要求1所述的一种印刷电路板，其特征在于，所述基片(10)包括一个穿透而形成的通孔(34)，每一提升垫(30)包括一个穿透而形成的提升垫孔(44)，每一所述通孔(34)与相应的提升垫孔(44)对准，所述通孔(34)由一栓塞材料(38)部分地填充，从而在所述焊料块(32)和所述栓塞材料(38)之间限定了一个密闭的气阱，气体(42)可收集在其中且在回流过程中气体可以膨胀。

9.根据权利要求8所述的一种印刷电路板，其特征在于，所述栓塞材料(38)是导热材料。

10.根据权利要求8所述的一种印刷电路板，其特征在于，所述基片还包括另外穿透而形成的通孔，所述安装垫包括穿透而形成的安装垫孔，所述另外通孔与所述的安装垫孔对准，所述另外通孔由一栓塞材料部分地填充，从而在所述焊料接头和所述栓塞材料之间限定了一个密闭的气阱，气体可收集在其中且在回流过程中气体可以膨胀。

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