用于安装电子元件的设备和方法

专利名称：用于安装电子元件的设备和方法
技术领域：
本发明涉及印刷电路板的组装，特别是涉及在组装期间用于在印刷电路板上定位
和保持电子元件的设备和方法。
背景技术：
电子装置通常利用用于对诸如集成电路(IC)的电子元件进行定位和连接的印刷 电路板(PCB)。通常，将IC布置和焊接在PCB上是这样的自动处理，其中，机器人从存放处 拾取元件并将它们放在PCB上的预编程的位置。用于表面安装元件的印刷电路板具有平 的、通常是没有孔的镀锡、银或金的铜盘，这称为焊盘，在上面布置各元件。首先将作为焊剂 和小焊料颗粒的粘性混合物的焊膏施加到所有焊盘上。在所有元件的初始放置之后，PCB移 动经过焊接区，在该焊接区将各元件被焊接到PCB上。在焊接区，温度足够高使得熔化焊膏 中的焊料颗粒，从而将各元件引脚焊接到电路板上的焊盘上。熔化的焊料的表面张力有助 于使元件保持在适当位置，并且如果正确地设计焊盘的几何结构，则表面张力将自动地使 元件校准在它们的焊盘上。 —些元件(例如光学传感器)需要相对于PCB或相对于随后将定位在该元件前的 对象物(例如光学透镜)非常好地定位。例如，图像传感器和相关光学透镜将直接安装在 PCB上。PCB具有用于光学透镜的安装孔。如果传感器未正确地与PCB中的安装孔(及，与 光学透镜)对准，则来自传感器的画面质量将低于最佳，并且可能需要进行耗时的调整。由 于非常小尺寸和引脚间距的表面安装器件(SMD)的手动操作和元件级修复极其困难，所以 通常是不经济的。 在IC元件在印刷电路板上的布置期间以及在后续的焊接处理期间，IC元件可能 移出其期望的位置。即使在将IC放置在PCB上时将其粘到PCB上，也可能沿若干方向未对 准。如在图1A和lB中所示，IC可能沿x和y方向稍微偏离目标位置而定位，以及可能旋转 地稍微偏离目标位置而定位(图1A和1B中的虚线34表示元件引脚的最佳位置)。除此之 外，焊料可能聚集在IC上的引脚或焊点下，导致沿z方向升高(向上)，如在图1C中所示。 IC也可能在一端比另一端提升得更高，从而会导致传感器倾斜。 对大多数IC，例如，微处理器和内存芯片，这种误对准不会降低IC的性能，只要元
件引脚分别与适当的焊盘充分地接触。然而，这种误对准在光学传感器系统中，例如在将光 学传感器及其光学透镜连接到同一PCB的系统中，将导致严重的问题，图像传感器的最轻 微的未对准都将导致严重的图像失真。例如，如果光学传感器相对于PCB倾斜，光学传感器 的部件将在透镜的焦平面外。 克服这一问题的一种方法是进行布置，使得光学器件直接与传感器对齐或附接， 而不是与PCB进行对齐或附接。然而，这种解决对齐问题的这种方法昂贵且复杂。
存在用于连接器、开关和不同电子器件的不同焊接夹具的几个例子，但这些夹具 中几乎没有用于将电子元件安装在PCB上的。 日本专利申请JP2002261433示出了用于防止具有穿过PCB的引脚的元件在焊接
4过程期间被提升的一种设备。这种设备没有用于引导或调整元件位置的装置，并且仅能用 于具有穿过PCB的引脚的元件。 另一日本公开JP3038089描述了在IC周围放置的具有框形式的夹具。这一解决 方案用于表面安装元件并且在焊接的同时，在水平面中使IC保持在适当位置。然而，所述 的焊接夹具不能确保垂直位置，并且不能被构造为用于将IC引导到其正确位置上。相反， 夹具的空腔大于IC，并且使得夹具似乎必须手动地安装在PCB上。 日本公开JP10084183中的焊接夹具放置在表面安装IC上。然而，其仅仅用于在 焊接期间遮盖IC引脚之间的空间，以防止在元件引脚间产生连焊。 日本公开JP6334325示出的是IC上的引导引脚和PCB上的相应锥形部分是如何 将IC定位在印刷电路板上的。

发明内容
本发明的目的是提供用于制造电子设备的夹具和方法，其解决了现有技术中的至 少一个上述问题。 在独立权利要求中定义的特征进一步限定这种设备。


为使本发明更易于理解，将参考附图进行下述的讨论。其中 图IA-IC是电子元件相对于其最佳位置而未对准的示意图， 图2是根据本发明一个实施例的夹具和印刷电路板的部分的示意图， 图3A是根据本发明的一个实施例的夹具的俯视示意图， 图3B是根据本发明的一个实施例的夹具的仰视示意图， 图4-6示例说明根据本发明的夹具的其他实施例。
具体实施例方式
在下文中，通过描述优选实施例并通过参考附图来对本发明进行描述。然而，本领 域的技术人员会意识到独立权利要求书所限定的本发明的范围内的其他应用和改进。
本发明包括用于正确地定位、以及在焊接期间保持印刷电路板(PCB)上的IC或类 似电子元件的方法和装置(焊接夹具)。 如上所述，在将电子元件焊接到PCB上时，存在如下的风险，即，当元件在PCB上的 放置期间或焊接处理期间，元件没有相对于其最佳位置对准。对元件引脚和焊盘间的电子 连接性来说，未对准可能不是问题，但对某些元件(诸如图像传感器)来说，未对准可能导 致严重的问题。因此，为确保焊接到PCB 31的电子元件30沿所有方向(x，y，z)良好的对 准和位置精确度，使用根据本发明的夹具30，如图2所示。将夹具10设计成沿x和y方向 (横向，后向和前向)和在旋转t方面对IC 30进行定位，以及在焊接处理期间保持住IC， 以确保在焊接程序之前、期间和之后，IC维持平行于PCB。 在本发明的下述详细描述中，术语"元件引脚"是指连接到印刷电路图案的电子或 电气元件的金属导体的一部分，即元件引线、引脚、端子、接线片等等。在此所使用的术语 "盘"是指引脚所连的印刷电路上的金属图案的一部分。
图3A和3B示出了根据本发明的一个示例性实施例的对准夹具的俯视图和仰视 图，同样如图4所见。夹具包括框架13、中心体11、一组安装引脚14和将所述中心体11连 接到所述框架13的一个或一组支撑结构12。 该框架具有由该框架的垂直内表面19限定的开口，其具有与待连接到PCB的电子 元件的至少一部分相对应的大小和形状。换言之，所述框架13的内周基本上等于由夹具对 准的至少部分所述元件的外周，并具有基本上相同的形状。基本上，这里是指当设计用于特 定元件的夹具时，由于几乎不可能大量生产100%相同的元件，因此，必须考虑到元件在大 小和形状方面可能具有微小的偏差。然而，当安装在元件(或元件一部分)四周时，框架中 的开口 (或框架的内周)必须尽可能的紧。 —组导向构件与该框架联合，从而将元件、或元件的至少一部分导入框架13的所 述开口中。 根据本发明的一个示例性实施例，一组导向舌片18从所述框架的底部伸出。导向 舌片18被斜削，使得从垂直内表面19产生斜坡。这一实施例防止当对准时，元件的伸出部 分(例如元件引脚)阻碍或干扰框架。 在本发明的另一示例性实施例中，斜切框架本身，产生框架的楔形下部22(称为 导向构件)，用于将元件或元件的部分引导到框架的开口 19中。 夹具包括附着到所述框架13或成为所述框架13—部分的一组安装引脚14。安装 引脚被设计成与PCB中的相应一组孔32相啮合，并锁定到PCB。 根据本发明的一个实施例，安装引脚包括具有倒钩15的柔性臂16，使得当各引脚 穿过相应一组孔时，倒钩与PCB啮合，从而将夹具IO锁定到PCB 31。移除夹具时要求手动 或借助工具向引脚施加压力，以防止倒钩与PCB啮合。应注意，通过本发明可以使用任何类 型的半永久或快速释放型的锁定引脚。 另外，引脚或孔可以稍微被斜削以便于使引脚进入(或引导)到孔中。另外，夹具 包括一个或多个保持构件，用于逐渐地将电子元件向下压在PCB上，保持其平行于PCB并且 防止元件或元件的部分在焊接期间被提升。为确保将夹具正确地紧固到PCB上，同时在电 子元件上提供强压力，保持构件在被向下按压时，在来自电子元件的回弹力的作用下，至少 部分是弹性易弯的。保持构件通常与元件的顶面，或部分顶面相互作用。
根据本发明的一个示例性实施例，保持构件是一组柔性保持臂20，从所述中心构 件ll的最下部基本上水平地延伸。保持臂20包括向下伸出的所述臂远端区域中的接触构 件21。中心构件及其保持臂被设计成使得保持臂和/或接触构件在与元件啮合时的回弹 力作用下至少部分是弹性易弯的。换言之，当在元件上向下挤压夹具时，柔性保持臂20和 /或接触构件21的特性在元件上产生类似弹簧的效应，将其抵向PCB。
根据本发明的另一示例性实施例，保持构件是一组柔性保持臂20，其从框架基本 上水平地延伸，如图4所示。保持臂20包括向下伸出的所述臂远端区域中的接触构件21。 保持臂和接触构件具有如在前一实施例中所述相同的特性。 根据本发明的另一示例性实施例，保持构件是与所述中心构件11联合的弹簧23， 或类似弹簧的物体，如图5所示。 中心体11通过一个或一组支撑构件12，刚性地锚定到框架13。此外，中心体具有 基本上平的顶面。用于电子元件的大多数拾放机具有铺放头，其包括通过吸力把元件保持
6就位的喷嘴。中心构件ll的基本上平的顶面提供与传统拾放机的兼容性。 在本发明的又一可选实施例中，中心构件11充当保持构件20，并且一组接触构件
从所述中心构件的底部向下伸出，如图6所示。根据该实施例，支撑构件12是柔性的，使得
向保持构件提供弹性易弯性。由于中心构件没有刚性地锚定到框架上，该实施例要求手动
安装或专用的拾放机。 再参考图2，在PCB组装期间，机器人(拾放机)将从馈送机拾取IC或其他电子元 件30 (例如，光学传感器)，并将其放在PCB 31上。对机器人编程使得将元件放在正确的位 置中，从而使元件引脚33与PCB 31上的焊盘(未示出)对齐。通常，在放置元件前，利用 作为焊剂和微小焊料颗粒的粘性混合物的焊膏来覆盖这些焊盘。当稍后加热PCB时，焊膏
中的焊料颗粒熔化并将元件引脚粘接到PCB上的焊盘。 在电子元件30附近(换言之，在用于电子元件的焊盘附近)，PCB31可以具有导向 /安装孔32，稍后将被用来在IC的前面安装对象物(未示出)，例如光学透镜。由于这些 孔32确定待安装的对象物的最终位置，并且由于电子元件30和对象物间的相对位置是至 关紧要的，因此，将同一安装孔32用作用于夹具10的导向/安装孔。 根据本发明的另一实施例，制造用于夹具10的专用导向/安装孔。当IC 30放在 PCB 31上时，有可能并且很可能并非100%相对于安装孔32正确对齐。IC 30可能稍微横 向(x方向)或稍微向后或向前(y方向)摆放错位置，也可能会在水平面中以错误的角度 放置，而被稍微地旋转。 因此，在将IC放在PCB上后，机器人从馈送机拾取夹具IO，并将其放在该IC上方。 当机器人向下朝PCB 31按压夹具时，夹具上的安装引脚14(或安装引脚的一部分，诸如所 述柔性臂16)进入PCB 31中的安装孔32。孔32现在充当用于夹具的导向孔。安装引脚 14的尖端可以具有圆锥形，从而即使机器人的精度不佳，也能容易地进入孔32。在安装引 脚14的尖端进入安装孔32时，进一步向下按压夹具10。现在，如果IC在PCB 31上未正确 地定位，则IC 30的至少部分的边缘将与框架13的元件导向构件18接触。当夹具10进一 步向下朝PCB 31按压时，导向构件18将使IC 30移入正确的位置。正好在夹具就位前，IC 的至少部分的边缘将已经通过导向构件18并进入或多或少具有垂直边缘19(也称为框架 中的开口)的框架部分。拐角引脚14的尖端在侧面具有小的倒钩(或钩)15，并且可以切 掉部分拐角引脚来使引脚更易于少许地挠曲(或弯曲)，留出空间来使倒钩15向下通过孔 32。当夹具10处于其最终位置时，将其全部向下挤压在PCB 31上，倒钩15从PCB 31的另 一侧的孔中出来，并将夹具10锁定到PCB 31上。 当夹具将要被压入其最终位置时，弹性易弯保持构件以及它们的接触构件21与 IC 30的顶面啮合，并且被迫弯曲，在IC 30上产生恒定的压紧力。PCB—侧上的倒钩15和 PCB的另一侧上的保持构件将夹具10和IC 30锁定到PCB 31上。现在被牢固地压紧在PCB 上并由倒钩(或钩)15固定的夹具在x，y和旋转方向上绝对正确地对IC进行定位。另外， 夹具还防止IC相对于PCB倾斜。 PCB 31现在可以移动经过焊接区，在焊接区，将焊膏中的焊料颗粒加热到其熔点。 当PCB再次冷却时，将IC的引脚粘接到PCB的焊盘上。在焊接处理期间，通过夹具使IC保 持在适当的位置，并使其相对于PCB的焊盘向下压，防止被提升和/或倾斜。
在测试和进一步处理PCB期间，夹具保护IC。当到时侯要将对象物(例如光学透镜)安装在IC前面时，通过在PCB的下侧，在倒钩15(或者至少在引脚的部分)上挤压，可
以轻易拉断(或移除)夹具以将其释放。对象物(例如光学透镜)将同一安装孔32用作
夹具10 ;因此，能相对于IC，自动正确地定位对象物(例如，光学透镜)。 根据本发明的一个示例性实施例，夹具永久地附着到PCB上。然后，可以将对象物
安装在夹具上而不是PCB上。 夹具10也具有确保安全功能的其他特征。夹具的中心体11具有基本上平并且光 滑的顶面，使得机器人(或拾放机)使用真空拾取设备在组装期间保持夹具10。该中心体 11还用来向下按压夹具。为能够将安装引脚14稳固和均匀地向下挤压，通过从中心向外延 伸到框架的刚性和强壮的臂12，把中心体11与夹具的框架13连接。 为在焊接处理期间能耐受高温，夹具应当由耐热材料制成，例如，由类似聚酰亚胺 的耐热塑料材料制成。夹具可以用适当的高温聚合材料来注模或反应注模，或由任何适当 的生产技术制成。夹具也可以由诸如金属的任何耐高温的材料制成。夹具的形状在高温焊 接期间不能显著地变化是很重要的，此外，使IC向下压的支撑构件12需要保持适当的刚 性。 夹具可以具有2、3、4、5、6个或任意数目的安装引脚。 根据本发明的夹具相对于焊盘正确地定位IC(如果需要的话)，以及在焊接过程 期间保持住IC，防止IC在水平或垂直面上变得未对准。此外，夹具相对于一组安装孔来定 位IC，其中，所述安装孔是，例如，用于对稍后阶段将安装到PCB上的光学仪器或其他对象 物进行安装的安装孔，并且所述夹具需要相对于IC精确地定位。 可以通过机器人(拾放机)轻易地操作(拾取和放下)夹具，并且当不再需要时，
能容易地通过机器人或通过人手动地将其移除(拉断)。 夹具在对PCB进行测试和进一步操作期间对IC进行保护。 此外，该夹具不需要对错误焊接的IC进行昂贵和耗时的手动校正，降低了生产成 本和提高了产品质量。
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权利要求
一种在组装期间用来对准和支撑印刷电路板(PCB)上的电子元件的夹具，所述夹具的特征在于包括具有开口的框架，其中，所述开口具有与所述电子元件的至少部分相对应的大小和形状，与所述框架联合的一组导向构件，被构造用来将所述电子元件的至少部分引导到所述开口中，与所述框架联合的一组安装引脚，被构造用来与所述印刷电路板中的一组孔相啮合，并锁定到所述印刷电路板，一个或多个保持构件，用于与所述电子元件的顶面相互作用。
2. 如权利要求1所述的夹具，其中，所述一个或多个保持构件是至少部分地弹性易弯的。
3. 如前述权利要求的一个所述的夹具，其中，所述夹具进一步包括与所述框架刚性联 合的中心体，以及其中，所述中心体具有基本上平的顶面。
4. 如前述权利要求的一个所述的夹具，其中，所述一个或多个保持构件是从所述框架 基本上水平延伸的柔性保持臂，并且在其远端的区域具有用于与所述电子元件的顶面相互 作用的接触构件。
5. 如权利要求3所述的夹具，其中，所述一个或多个保持构件是从所述中心体基本上 水平延伸的柔性保持臂，并且在其远端的区域具有用于与所述电子元件的顶面相互作用的 接触构件。
6. 如权利要求3所述的夹具，其中，所述保持构件是与所述中心体和/或所述框架联合 的弹簧。
7. 如前述权利要求的一个所述的夹具，其中，所述导向构件是在所述框架的底部处的 楔形部分。
8. 如前述权利要求的一个所述的夹具，其中，所述导向构件是所述框架的楔形部分。
9. 如前述权利要求的一个所述的夹具，其中，所述安装引脚是柔性的，并且其中，所述 引脚进一步包括倒钩。
10. —种制造电子设备的方法，包括步骤 提供包括一组安装孔的基板，提供待安装在所述基板上的电子元件，并且将所述元件提供给所述基板，提供夹具，该夹具包括开口，其中所述开口具有与所述元件相对应的形状和大小；用 于与所述孔啮合的一组安装引脚；将所述元件引导到所述开口中的一组导向构件；以及至 少一个柔性保持构件，在所述基板上提供所述夹具，利用所述引脚可移除地使所述夹具与所述基板互锁，并 且在该过程中，利用所述夹具对准所述元件并且稳固保持所述元件就位，将所述元件安装到所述基板。
11. 如权利要求io所述的方法，其中，把所述夹具压向所述基板，使所述安装引脚穿过基板中的所述孔，直到所述安装引脚锁定到所述基板上，由此把所述夹具提供到所述基板。
12. 如权利要求IO所述的方法，其中，所述至少一个柔性保持构件被构造为用来与所 述电子元件的顶面相互作用，其中，在来自所述电子元件的回弹力的作用下，所述至少一个保持构件是至少部分地弹性易弯的。
13. 如权利要求IO所述的方法，其中，所述电子元件是表面安装器件，所述将所述元件 安装到所述基板的步骤进一步包括表面安装技术，例如焊接技术。
14. 如权利要求10-13的一个所述的方法，其中，所述电子元件是光学传感器，并且其 中，所述安装孔被构造为用来与用于所述光学传感器的一组焊盘对准地安装光学透镜。
全文摘要
为确保待焊接到PCB(31)的电子元件(30)沿所有方向(x，y，z)具有良好的对准和位置准确性，使用根据本发明的夹具(10)。将夹具(10)设计成在x和y方向(横向，前向和后向)上和在旋转t方面对IC(30)进行定位，以及在焊接处理期间保持住IC，以确保在焊接过程之前、期间和之后，IC仍然与PCB平行。
文档编号H05K3/30GK101796896SQ200880105525
公开日2010年8月4日 申请日期2008年9月3日 优先权日2007年9月5日
发明者彼得·穆伦 申请人:坦德伯格电信公司