CN100502153C - 电接触元件、同轴连接器以及包含这些元件的电路设备 - Google Patents

Abstract

一种电子接触设备，包括：用焊料(32)安装在配线板(31)表面的外部端子(基座)(2)以及具有形如管状的固定外围的固定部分(4)。所述外部端子具有与所述配线板(31)表面相对的第一主表面(11)，与所述第一主表面(11)基本平行的第二主表面(12)，以及与所述第一和第二主表面(11)和(12)基本垂直、且将所述第一主表面(11)和第二主表面(12)相连的侧面(13)。所述固定部分接续地设置在所述第二主表面(12)上。所述固定部分(4)的固定外围通过在各自的表面上形成的金属膜(22)和(23)而电气连接到所述外部端子(2)的第二主表面(12)和侧面(13)。所述金属层(22)包含有Co和主要组分Ni，同时所述金属层(23)包含有主要组分Au。

Description

电接触元件、同轴连接器以及包含这些元件的电路设备

技术领域

本发明涉及诸如同轴连接器的表面贴装电接触元件以及包含该元件的电子电路设备。

背景技术

诸如移动电话通信设备的一些电路设备通常包含具有开关的可切换信号的表面贴装同轴连接器。例如，专利文献1揭示了这样一种同轴连接器。

图4示出了表面贴装同轴连接器的通常外形，而图5示出了其截面。同轴连接器10包括外部端子2，输入端子3以及固定部分4。外部端子2具有与配线板31相对的第一主表面1，基本与第一主表面11相平行的第二主表面12，以及一对侧面13。在第二主表面12和侧面13之间的周边由边缘线14进行限定。外部端子2具有一基本形状。固定部分4以圆柱形式设置在外部端子2的第二主表面12上，并且与外部端子2相结合。

外部端子2的表面、输入端子3和固定部分4通过例如镀膜而被金属膜所覆盖，并且外部端子2和固定部分4彼此电气连接。每一金属膜都包含由Ni金属膜42所制成的底层，以及由Au金属膜43所制成的表层。

同轴连接器10将会通过焊接而表面贴装在配线板31上。更具体地，外部端子2和输入端子3电气连接到配线板31的预定位置上，藉此实现同轴连接器的功能。图5是沿着垂直于侧面13的平面、省略了包含有输入端子3的内部结构的组装同轴连接器截面图。

在使用同轴连接器10的过程中，不幸的是，用于连接外部端子2的表面贴装的焊料32蔓延并在第二主表面12上堆积，且接触到固定部分4，如图5所示。结果，在对应于固定部分4的同轴缆线的插座中可能会出现固定失效。虽然焊料32可以接触到外部端子2的侧面13，但是堆积在第二主表面12上的焊料32也容易接触到固定部分4。

通常使同轴连接器10途经回流熔炉来执行其表面贴装，且该过程要重复数次。因此，在适当位置上淀积的焊料可能会由于反复途经回流熔炉而熔化，并且这样会出现不利的堆积并接触到固定部分4。

为了防止焊料堆积，专利文献2揭示了一种用于在预定区域上形成氧化镀层薄膜的方法。

在专利文献3中，为了在镀Ni底层上形成镀Au表面层，首先制备没有形成Au镀层的区域，并通过碱水溶液来氧化在该区域中暴露的Ni镀层，从而氧化Ni薄膜可以防止焊料堆积。

在专利文献4中，具有低焊接可湿性的金属膜形成为底层，并且具有高焊接可湿性的另一种金属膜在底层上形成表层。随后，通过蚀刻将金属表面层的特定区域去除，从而具有低焊接可湿性的暴露金属膜可以防止焊料堆积。

不幸的是，在专利文献2中揭示的方法需要在形成金属膜的步骤之后的形成氧化涂层的附加步骤。这样就不利地使得制造工艺变得复杂。

在专利文献3所揭示的方法中，形成抗蚀层或掩模层以避免在特定区域上形成Au镀膜的步骤很复杂，并且使用碱水处理试剂的氧化处理步骤是很复杂的。

在专利文献4所揭示的方法中，通过激光照射的蚀刻步骤是很复杂的，并且成本很高。

[专利文献1]日本未实审专利申请公开号.2001-176612

[专利文献2]日本未实审专利申请公开号.8-213070

[专利文献3]日本未实审专利申请公开号.10-247535

[专利文献4]日本未实审专利申请公开号.2002-203627

发明内容

本发明要解决的问题

考虑到上述缺点，本发明的目的是以低成本且无需复杂步骤来防止由于电接触元件(诸如同轴连接器)的表面贴装所用的焊料堆积而导致的固定失效。

解决问题的手段

相应地，本发明所提供的一种电连接元件包括：要用焊料安装在安装板表面的基座，所述基座具有与所述安装板相对的表面相对的第一主表面，与所述第一主表面基本相平行的第二主表面，以及基本垂直于所述第一主表面和第二主表面、且将第一主表面连接到所述第二主表面的侧面；以及接续地设置在所述第二主表面上的固定部分，所述固定部分具有形如管型的固定外围，

其中，所述固定部分的固定外围通过在其各自表面上形成的金属膜而电气连接到所述第二主表面以及基座的侧面，以及

其中，每一所述金属膜都包括：包含有Co和主要成分Ni的第一金属层，以及包含有主要成分Au、且覆盖在所述第一金属层上的的第二金属层。

当根据本发明的电子接触元件安装在板上的时候，第一和第二金属层的成分(Ni、Co)扩散到沿着基座侧面而堆积的焊料中，并且与焊料的主要成分Sn产生化学变化以制得金属间化合物。Co促进Ni扩散进焊料。该金属间化合物可以防止焊料堆积在第二主表面上。

较佳地，电子接触元件的基座用作为外部端子，并且与固定部分相结合，同时第二主表面通过边缘线与侧面相分隔。

较佳地，通过镀敷或敷层来形成第一和第二金属层。第一金属层中的内涵物Co最好是在5到80重量百分比的范围内，并且最好是在10重量百分比或者更高。

可以通过具有在外部端子的第二主表面上形成的圆柱形固定部分的同轴连接器来表示根据本发明的电接触元件。

由同轴连接器和配线板所表示的电子接触元件组成了诸如通信设备的电路设备，而在该配线板上用Sn基焊料对基座进行表面贴装。

优点

在本发明的电接触元件中，用作底层的金属膜的组分变化可以防止焊料过量堆积以及插座和其它部分的固定失效。相应地，无需复杂的步骤，从而可以减少成本。

附图说明

图1是作为根据本发明电接触元件示例的同轴连接器的透视图；

图2是安装在配线板上的同轴连接器的截面图；

图3是本发明示例中的安装测试件的俯视照片；

图4是已知同轴连接器的透视图；

图5是安装在配线板上的已知同轴连接器的截面图

图6是在比较例中的安装测试件的俯视照片。

具体实施方式

现在使用同轴连接器对根据本发明的电连接元件实施例进行描述。

图1示出了作为本发明一实施例的同轴连接器1的外形，并且图2示出其截面图。同轴连接器1的外形和基本结构如图4和5所示的通用已知同轴连接器相同，但是其不同点在于用作为底层的第一金属层22的组分。

图2是表面贴装在配线板31上的同轴连接器1的截面图。该截面是沿着垂直于外部端子2的侧面13的平面，并且未示出同轴连接器的输入端子3和内部部分。

同轴连接器1包括外部端子2、输入端子3以及固定部分4。由于采用用于配线板31表面贴装的焊料32将外部端子2和输入端子3连接到配线板31的板面(land)上，则它们位于能够与配线板31相接触的位置上。外部端子2是具有与配线板31相对的第一主表面11、基本上平行于第一主表面11的第二主表面12以及一对侧面13的基座。为了实现同轴连接器的适当功能，外部端子2和输入端子3彼此电气隔离，并且外部端子2和固定部分4彼此电气连接，从而彼此相结合。

外部端子2可分成基本水平的第二主表面12和侧面13。单词“基本水平”表示其表面基本上与配线板31的表面相平行。无需精确做到该表面平行，只要可以确保同轴连接器1的功能，它也可以稍稍倾斜。侧面13由用于安装的焊料所浸湿，并且被物理连接到配线板31。由垂直于外部端子2的基本水平主表面12的四个面的两相对面来限定两侧面13。该两侧面13可以延伸到其它两面。侧面13无需精确垂直于配线板31，只要在安装中没有问题，它也可以稍稍倾斜。合适地斜切出边缘线14。

同轴连接器1的固定部分4通常是如图1所示的圆柱形。但是固定部分4无需是圆柱形的，只要它可以固定到插座中。例如，固定部分4可以是棱柱形状。如图1所示的固定部分4从主表面12上凸出，并且其周边与例如插座相接合。固定部分也可朝下延伸，因此，第二表面12有一孔用于固定。固定部分可以是与例如插座螺旋接合。

外部端子2、输入端子3和固定部分4的表面涂敷有金属薄膜。在图2中，首先，在这些部分的基座材料21上形成为底层的主要包含Ni的第一金属层22。随后，主要包含Au的第二金属层23形成为表面层。如果不妨碍本发明的目的，则可用另一金属层将第一金属层22和第二金属层23隔开。但是，第一金属层22和第二金属层23可以实现本发明的目的，并且无需特定的附加层。

对于表面层，或者说第二金属层23来说，具有高焊接可湿性是很重要的，并且相应地，第二金属层主要包含Au。Au涂层不像Ag涂层那样可以用硫化来腐蚀。可以包含有少量的杂质，只要确保了足够的焊接可湿性。

本发明的特征在于第一金属层22的组分。特别地，第一金属层22包括主要成分Ni以及适量的Co。因此，如下所述，较之已知的免Co的Ni金属层，第一金属层可以有效防止用于安装的焊料在第二主表面上堆积且进一步接触固定部分4。要求第一金属层22对第二金属层23具有高黏合性。含Co基Ni金属层22满足该要求。第一金属层22可以包括另一种组分或杂质，只要不妨碍本发明的目的。

对于第一金属层22中的Co内容物，如果途经回流熔炉的过程执行3次，则少于5％重量百分比的Co内容物将会导致不希望出现的结果：没有足够的效果来防止焊料堆积。Co内容物是5％重量比或更多。Co内容物最好是10％重量比，这样可以产生足够的效果来防止焊料堆积，即便是途经回流的过程执行5次。但是，如果Co内容物超过了80％重量比时，在焊料嵌片中会形成许多空隙，从而减小了结合强度。

外部端子2的基座材料21、输入端子3以及固定部分4可以由，但不限于金属、树脂或陶瓷制成。如果基座材料21是主要是由含Co的Ni制成，则基座材料21可以产生与第一金属层22相同的效果。

现在描述制造同轴连接器1的工艺。在该部分中，仅仅描述第一金属层22和第二金属层23的成形。可以如已知同轴连接器相同的工艺来制造同轴连接器1。

形成第一金属层22和第二金属层23的一种技术就是镀敷，这是一种常规的工艺。如果基座材料21是由金属制成的，则最好是采用电镀。首先，将裸露的基座材料21和导电介质置于含有Ni和Co离子的电镀液中，并且施加电流以在基座材料21的表面上淀积Ni和Co，同时搅拌电镀液。包含有Co的Ni金属层，即第一金属层22就形成了。随后，将所得的基座材料置于含有Au离子的电镀液中，并且施加电流以在第一金属层22的表面上形成Au金属层，即第二金属层23，同时搅拌电镀液。

可以通过无电镀敷来执行上述镀敷。例如，将裸露的基座材料21置于含有Ni和Co离子的电镀液中。电镀液中的还原剂导致还原反应，从而Ni和Co淀积在基座材料21的表面上以形成第一金属层22。随后，所得到的基底材料置于含有Au离子的电镀液中。在Ni和Co浸入电势和Au的淀积电势之间的差异将导致置换反应，并且因此在第一金属层22的表面上形成Au金属层，即第二金属层23。

可以通过敷层来形成第一金属层22和第二金属层23。首先，作为基底材料21的平板和包含Co的Ni平板相互叠加，并且通过按压和卷叠结合在一起，因此形成了敷层材料。以含Co的Ni层来限定表面的方式将敷层材料压入到如图1所示的形式中。因此，基座材料21的表面由第一金属层22覆盖。因此，通过上述的镀敷来形成基Au第二金属层23。因此，可以生产出具有与上述镀敷而制造出的连接器相同功能的同轴连接器。

敷层材料可以包括由基座材料/含Co的Ni/Au来表示的三层。在该示例中，无需镀Au步骤。敷层比镀敷可以进一步减少Co内容物的波动，并减少相应的焊料堆积的波动。此外，敷层可以无需或减少镀敷步骤。因此，可以有利地减少对环境的负面效应。

如果基座材料21包含与第一金属层22相同的组分，则无需通过镀敷或敷层来单独设置第一金属材料22，并且只需形成第二金属层23。

下面将参照图2描述当同轴连接器1表面贴装在配线板31上的时候所产生的现象，以及防止焊料堆积的机制。

当用焊料32将同轴连接器1表面贴装在配线板31上时，使用回流熔炉等来执行加热步骤。焊料32熔化并且凝固，从而同轴连接器1电气且物理地连接到配线板31。在此将描述焊料32如何浸湿外部端子2的侧面13。焊料32在如图2所示的侧面13处形成嵌片，以结合到配线板31。焊料主要包含Sn。

当基Sn焊料受热熔化并且浸湿侧面13时，形成侧面13表面的第一金属层22和第二金属层23的组分将扩散到焊料32中。具体地，第一金属层22的组分，即Ni和Co扩散但焊料32中，并且与作为焊料32主要成分的Sn进行反应以生成Sn/Ni或Sn/Ni/Co的金属间化合物33。Co可以促使Ni扩散到焊料32中。

金属间化合物33的熔点比基Sn焊料32要高，并且难以通过反复途经回流熔炉中数次来再次熔化。因此金属间化合物33可阻止用于安装在边缘线14附近的熔化或再次熔化的焊料32流动，并且防止焊料32堆积在第二主表面12上。因此焊料32就不会接触到固定部分4。

如果免Pb的基Sn-Ag焊料用作为焊料32，则加热步骤的温度必须更高，则是因为免Pb的基Sn-Ag焊料的熔点要比基Sn-Pb焊料、或者是常用的低共熔焊料至少要高40℃。较高的温度促使Ni扩散，并且进一步增强Co促进Ni扩散的效果。这样的乘数效应可以更加有效地防止焊料堆积。

金属间化合物33并不减少同轴连接器1和配线板31之间的结合强度。

相应的，由同轴连接器1所表示的电接触元件通过将Co加入到基Ni第一金属层22中，可以低成本而无需复杂步骤地防止由于焊料的过量堆积所致的固定失效。

表面贴装在配线板上的本发明电接触元件可适用于诸如通信设备的电子电路设备。

示例

现在描述本发明的电接触元件的示例，所采用的同轴连接器的结构与图1和2所示的相同。

首先，对主要由黄铜制成的平板进行压制以形成具有外部端子2、输入端子3和固定部分4的同轴连接器的试样(test piece)。设计和形成如图1所示结构的细节与专利文献1中所揭示的通法是一样的，并且在此省略细节描述。

将裸露的压制基座材料21和导电介质放置在含Ni和Co离子的电镀液中，并且施加电流以在基座材料21的表面上形成第一金属层22，同时搅拌电镀液。控制电镀液中所含Ni和Co离子量，从而第一金属层22中Co内容物重量百分比x将会是如表格1所示的值。厚度为1.2μm。

随后，将具有第一金属层22的试样放置在含有Au离子的电镀液中，并且用作为第二金属层23的Au膜在第一金属层22上形成，同时搅拌电镀液。厚度0.1μm。因此完成了同轴连接器1的试样。

[表格1]

(表1)

 

试样号	1	2	3	4	5	6
							第一金属层中的Co内容物重量百分比	0	5	10	15	20	25

图1所示每一个所得同轴连接器用成分为Sn-3.0Ag-0.5Au的焊料而安置在配线板上，同时途经峰值温度为250℃的回流熔炉五次，用于表面安装。通过放大透镜来观测第三次经过和第五次经过之后焊料的堆积情况。同时，用推挽式计量器对在平行于配线板31表面安装之后的试样的第一主表面11施加一压力来测量抗剪强度(shearing strength)。结果如图2所示。

[表格2]

(表2)

 

试样号	1	2	3	4	5	6
							在经过回流熔炉3周期之后是否有焊料堆积所致的固定失效？	是	否	否	否	否	否
在经过回流熔炉5周期之后是否有焊料堆积所致的固定失效	是	是	否	否	否	否

 

在经过回流熔炉5周期之后的剪应力

17.9(1.1)

21.5(1.6)

19.7(2.4)

18.7(1.6)

20.8(1.2)

-

每一抗剪强度是来自5个试样的平均值，并且括号中的值表示标准差σ_n-1。

在作为比较示例的x值少于5％的1号试样中，焊料32堆积并且接触到同轴连接器1的固定部分4，而不论经过回流熔炉的周期数。

在作为本发明的x值为5％的2号试样中，在经过回流熔炉3周期之后可防止焊料32堆积，但是在经过回流熔炉5周期之后焊料32出现堆积并且接触同轴连接器1的固定部分4。

在作为本发明的x值为10％到25％的3、4、5、6号试样中，在经过回流熔炉3周期和第5周期之后可防止焊料32堆积并接触到固定部分4。

图3和6是分别示出作为本发明示例的5号和作为比较示例的1号在经过回流熔炉五周期之后堆积焊料状态的照片。

在作为本发明示例的2到6号试样安装之后的剪应力比1号试样的抗剪强度更好。

虽然各实施例和示例示出了具有圆柱型固定部分的同轴连接器，但是根据本发明的电连接元件并不限于该形式。

工业应用

如上所述，本发明可适用于诸如同轴连接器的表面贴装电连接元件以及使用该电连接元件的电路设备。具体地，它可以有利地防止用于表面贴装的焊料堆积所致的固定失效。

Claims (10)

1.一种电接触元件，包括：用焊料安装在装配板表面的基座，所述基座具有与所述装配板表面相对的第一主表面，与所述第一主表面基本平行的第二主表面，以及与所述第一和第二主表面基本垂直、且将所述第一主表面和第二主表面相连的侧面；还有接续地设置在所述第二主表面上的固定部分，所述固定部分具有固定外围，且形如管状，

其中，所述固定部分的固定外围通过在各自的表面上形成的金属膜而电气连接到所述基座的第二主表面和侧面，以及

其中，每一所述金属膜都包括：包含有Co和主要组分Ni的第一金属层，以及包含有主要组分Au、且叠加在所述第一金属层上的第二金属层。

2.如权利要求1所述的电接触元件，其特征在于，所述基座用作为外部端子，并且与所述固定部分相结合，同时所述第二主表面和侧面之间的周边通过边缘线进行限定。

3.如权利要求1或2所述的电接触元件，其特征在于，所述第一金属层中Co含量在5到80重量百分比的范围内。

4.如权利要求1或2所述的电接触元件，其特征在于，所述第一金属层中Co含量在10到80重量百分比的范围内。

5.如权利要求1或2任意一项所述的电接触元件，其特征在于，所述第一金属层和第二金属层中至少之一是通过镀敷而形成的。

6.如权利要求1或2任意一项所述的电接触元件，其特征在于，所述第一金属层是通过敷层而形成的，或者所述第一金属层和所述第二金属层都是通过敷层而形成的。

7.如权利要求1或2任意一项所述的电接触元件，其特征在于，所述固定部分的形状为圆柱，并且从所述第二主表面上凸出。

8.一种同轴连接器，包括如权利要求1到7任意一项所述的电接触元件。

9.一种电路设备，包括：如权利要求1到7任意一项所述的电接触元件或者是如权利要求8所述的同轴连接器；以及配线板，其上采用Sn基焊料表面安装所述基座。

10.如权利要求9所述的电路设备，其特征在于，所述Sn基焊料包括Ag，且基本无Pb。

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