专利名称：连接元器件焊脚的线路板焊盘及其连接结构和连接方法
技术领域：
本发明涉及连接元器件焊脚的线路板焊盘及其连接结构和连接方法，其中线路板可以是PCB或FPC等线路板或者电路板，元器件通过焊锡将焊脚焊接在焊盘上而贴装到线路板或者电路板上。
背景技术：
众所周知，在线路板上安装电子元器件有多种方法，目前应用比较广泛的是表面贴装技术(SMT)。典型的SMT分为三个步骤施加焊锡膏----贴装元器件-----回流焊接。
第一步施加焊锡膏。其目的是将适量的焊锡膏均匀地施加在线路板的焊盘上，以保证元器件与线路板上相对应的焊盘在回流焊接时，达到良好的电连接，并具有足够的机械强度。焊锡膏是由合金粉末、糊状焊剂和一些添加剂混合而成的具有一定黏性和良好导电特性的膏状体。常温下，由于焊锡膏具有一定的黏性，可将电子元器件粘贴在线路板的焊盘上，当焊锡膏加热到一定温度时，焊锡膏中的合金粉末熔融后再流动，液体焊料浸润元器件的焊脚与线路板的焊盘，冷却后元器件的焊脚与焊盘被焊料互联在一起，形成电气与机械相连接的焊点。
第二步贴装元器件。本工序是将元器件准确地贴装到印好焊锡膏的线路板的焊盘上。
第三步回流焊接。回流焊(Reflow Soldering)是通过重新熔化预先分配到PCB焊盘上的膏状软钎焊料，实现表面贴装元器件焊端或者焊脚与线路板的焊盘之间机械与电气连接的软钎焊。
在利用上述方法进行元器件贴装和回流焊接过程中，由于各种原因会导致元器件的偏移，即元器件的焊脚与线路板上的焊盘不对准，从而产生贴片缺陷。原因可以包括，例如，印刷锡膏时印刷的偏差，贴片时贴片机导致的误差，贴片过程中工人的失误或者误差，回流焊时设备的振动以及回流焊时产生的热风会使焊件漂移，在将基体移动到操作区时移动设备产生的振动，以及其他一些操作过程中的失误或者误差等等，所有这些情况都可能导致由于元器件偏移而产生的贴片缺陷。并且，随着元器件的尺寸越来越小，出现贴片缺陷的几率也越来越高。
为了解决上述问题，USP 5,311,405公开了一种用于对准和连接表面贴装元件的方法和设备。具体而言，所述方法包括形成焊盘结构的步骤，该焊盘包括两个对立的焊盘，且每个焊盘具有三角椭圆形状(tri-oval-shaped)，该三角椭圆形状包括椭圆形部分和弧形部分，其中在元件与焊盘结构对准时，椭圆形部分的中心与元件端部的中心对准，而弧形部分则从椭圆形部分朝着相对的焊盘延伸。另外，该方法还包括在椭圆形部分上涂覆导电材料，然后进行回流焊接过程，使导电材料融化并流到弧形部分上，以此有利于元件与焊盘之间的对准。
从该美国专利的说明书实施方式部分以及附图中可以看出，在回流焊接过程中，通过导电材料在熔融过程中从椭圆部分向弧形部分流动，由此产生的表面张力能够将元件端部从不对准状态拉到对准状态(自对准特性)，从而使元件的末端与焊盘保持对准，大大降低贴片缺陷。
但是，随着贴片元件的尺寸不断缩小，相应焊盘的尺寸也越来越小，所以在该美国专利中形成三角椭圆形状的焊盘结构会增加工艺的复杂性，从而不可避免地使制造成本上升。并且，上述技术方案是通过焊锡膏在熔融过程中从椭圆部分流向弧形部分而实现的，因此对焊锡膏的流动性能要求较高，如果焊锡膏的流动性能太好，则焊锡膏将会流到焊盘之外，并且其粘度显然会降低，不利于连接元器件；如果焊锡膏的流动性能太差，则焊锡膏将很难从椭圆部分顺利地流到弧形部分，从而将直接影响该专利的实施效果。此外，该美国专利中对熔锡表面张力的负面影响重视不足，使元器件在回流焊接时的漂移量仍然有可能超出设计值。
另外，美国专利USP 5,453,581提供了一种用于表面贴装元件的焊盘结构，包括基体，用于支撑表面贴装元件以及使该元件和其他电路互连；以及焊盘结构，该焊盘结构包括形成在基体上且彼此分离的至少两个相对的焊盘，用于将元件的端部对准连接到基体上，每个焊盘的相对两侧是平行的直边，另外两侧是在平行直边之间向外延伸的弧形。其中，椭圆形的焊锡膏设置在焊盘的中心，然后在回流焊接过程中焊锡膏熔融并向四边流动，从而能将偏移的元件端部拉到与焊盘对准的位置。这篇美国专利与上一篇美国专利技术方案基本相同，不同之处仅仅在于焊盘的结构(主要是形状)稍有差别，因此，仍然存在上一篇美国专利中所存在的问题。
因此，有必要进一步开发出一种结构更加合理的焊盘，以及该焊盘的设计方法，该焊盘能实现对元器件在回流焊接过程中漂移量的有效控制以满足市场不断增长的需求和要求。
发明内容本发明的目的在于，提出一种新的线路板的焊盘及其设计方法，使熔锡表面张力对被搭载元器件位置精度的负面影响减小到最低，从而使漂移量趋于最低，以实现对元器件通过回流焊接实现贴装的过程中漂移量的有效控制，提高SMT搭载精度。
根据本发明的一个方面，本发明提供一种用于连接元器件焊脚的线路板的焊盘，当焊盘和焊脚相互对准时，焊盘边缘超出焊脚边缘的距离C的数值范围是-0.5毫米至1毫米。
根据本发明的另一个方面，本发明提供一种用于连接元器件的焊脚和线路板的焊盘的结构，其中在焊盘上具有焊锡，所述焊脚通过焊锡连接在焊盘上，其特征在于，当焊盘和焊脚相互对准时，焊盘边缘超出焊脚边缘的距离C的数值范围是-0.5毫米至1毫米。
根据本发明的再一个方面，本发明提供一种用于将元器件的焊脚连接在线路板的焊盘上的方法，包括在焊盘上施加焊锡，将焊脚放置在焊锡上，然后通过回流焊接过程将焊脚贴装在焊盘上，其特征在于，当焊盘和焊脚相互对准时，焊盘边缘超出焊脚边缘的距离C的数值范围是-0.5毫米至1毫米。
本发明的上述焊盘具有如下优点，即大大改善了搭载元器件漂移量难以控制的问题；实现简单，只须在设计时对焊盘和焊脚加以考虑即可；并且与现有技术相比不会增加任何成本。
图1是在回流焊接过程中本发明焊脚在焊盘上的结构示意图。
图2是在回流焊接过程中本发明焊脚位置在焊盘中心时的受力分析侧视图。
图3是在回流焊接过程中本发明焊脚位置在焊盘中心时的受力分析俯视图。
图4是在回流焊接过程中本发明焊脚位置偏离到焊盘左侧边缘时的受力分析侧视图。
图5是在回流焊接过程中本发明焊脚位置偏离到焊盘左侧边缘时的受力分析俯视图。
图6是在回流焊接过程中本发明焊脚位置偏出焊盘左边时的受力分析侧视图。
图7是在回流焊接过程中本发明焊脚位置偏出焊盘左边时的受力分析俯视图。
图8是本发明焊盘的示意图。
图9是本发明一个实施例的示意图。
图10是图9中实施例的焊盘详细图。
图11是一个比较例的示意图。
图12是图11中比较例的焊盘详细图。
具体实施例方式
下面参照附图详细说明本发明的用于连接元器件焊脚的线路板焊盘及连接结构和连接方法。附图中，1表示元器件，2表示元器件的焊脚，3表示焊盘，4表示焊盘的引线，5表示焊锡，10表示线路板基体。
根据本发明的一个方面，本发明提供一种用于连接元器件1的焊脚2的线路板的焊盘3，其中当焊盘3和焊脚2相互对准时，焊盘边缘超出焊脚边缘的距离C的数值范围是-0.5毫米至1毫米。
优选地，所述焊盘3和焊脚2的形状可以相同，可以是正方形、矩形、圆形、椭圆形中的任意一种，也可以具有其他规则或者不规则的形状。
优选地，所述焊盘3的相对两个边缘超出对应的焊脚2边缘的距离C的数值相等，更优选地，所述焊盘的每个边缘超出对应的焊脚边缘的距离C的数值都相等。
优选地，所述距离C的数值范围是0至0.3毫米。
根据本发明的另一个方面，本发明提供一种用于连接元器件1的焊脚2和线路板的焊盘3的结构，其中在焊盘上具有焊锡，所述焊脚通过焊锡连接在焊盘上，其中，当焊盘和焊脚相互对准时，焊盘边缘超出焊脚边缘的距离C的数值范围是-0.5毫米至1毫米。
优选地，所述焊盘3和焊脚2的形状可以相同，可以是正方形、矩形、圆形、椭圆形中的任意一种，也可以具有其他规则或者不规则的形状。
优选地，所述焊盘3的相对两个边缘超出对应的焊脚2边缘的距离C的数值相等，更优选地，所述焊盘的每个边缘超出对应的焊脚边缘的距离C的数值都相等。
优选地，所述距离C的数值范围是0至0.3毫米。
根据本发明的再一个方面，本发明提供一种用于将元器件1的焊脚2连接在线路板的焊盘3上的方法，包括在焊盘上施加焊锡，将焊脚放置在焊锡上，然后通过回流焊接过程将焊脚贴装在焊盘上，其中，当焊盘和焊脚相互对准时，焊盘边缘超出焊脚边缘的距离C的数值范围是-0.5毫米至1毫米。
优选地，所述焊盘3和焊脚2的形状可以相同，可以是正方形、矩形、圆形、椭圆形中的任意一种，也可以具有其他规则或者不规则的形状。
优选地，所述焊盘3的相对两个边缘超出对应的焊脚2边缘的距离C的数值相等，更优选地，所述焊盘的每个边缘超出对应的焊脚边缘的距离C的数值都相等。
优选地，所述距离C的数值范围是0至0.3毫米。
焊锡在熔融状态下，跟其它的液体一样，其表面受表面张力的影响倾向于收缩。搭载元器件1的焊脚浮在熔锡表面时就会受到此力的影响，从而使元器件1有产生漂移的趋势，漂移的方向与所受到的所有表面张力的合力方向一致。
下面仅仅就焊盘和焊脚形状为矩形的实施例参照图1至图7来详细说明本发明的原理。
元器件1在回流焊时焊脚在焊盘上的结构参见图1，其中焊盘上已布满了熔锡。
从图2中可以看出，焊脚浮在熔锡表面时，焊脚所受到的熔锡表面张力201是往左下的，表面张力203是往右下的，这两个力都可分解成垂直于焊盘方向的分力与平行于焊盘方向的分力。其中，垂直于焊盘方向的分力倾向于使焊脚紧贴焊盘，因与搭载精度无关，对此不做讨论；而平行于焊盘方向的分力就直接影响搭载精度。见图3，301是表面张力201的水平分力，303是表面张力203的水平分力，同样，302、304是另外两个方向的表面张力的水平分力，从图中可以看出，由于焊脚位置在焊盘中心，各边的融锡表面在水平面上的投影也相同，而在表面积足够小的情况下，表面张力的水平分力与液体表面在这个方向的投影面的大小成正比，因此力301与303、302与304都是大小相等方向相反，焊脚水平方向上的合力为零，倾向于不漂移。
为了分析的方便，仅对元器件1往左边偏时的受力情况进行分析，其它情况可以类推。
元器件1往左边偏时，焊脚左边的融锡表面越来越小，右边的越来越大，其左右两边所受到的表面张力的水平分力也随之变化。当焊脚位置偏离到焊盘左边的边缘时，从图4中可以看出，焊脚所受到的表面张力401完全是往下的，表面张力403是往右下的(比张力203更偏右)，见图5，501是表面张力401的水平分力，其值减小到0，503是表面张力403的水平分力，同样，502、504是另外两个方向的表面张力的水平分力，从图中可以看出，力502与504大小相等方向相反，焊脚受到的水平方向合力就是力503，其值大于502或504中任意一个力，受其影响，焊脚2倾向于向右漂移，即向焊盘中心漂移。
从图6中可以看出，焊脚2位置偏出焊盘左边时，焊脚2所受到的表面张力601是往右下的，表面张力603也是往右下的(比张力403更偏右)，见图7，701是表面张力601的水平分力，703是表面张力603的水平分力，其值大于水平面上的其它方向的表面张力分力，同样，702、704是另外两个方向的表面张力的水平分力，从图中可以看出，张力分力702与704大小相等方向相反，焊脚2受到的水平方向合力等于张力分力701加张力分力703，因此，受其影响，比较在焊盘左边的边缘时，焊脚更倾向于向右漂移，即向焊盘中心漂移。
从以上的分析可知，当焊盘上布满熔锡时，在表面张力的作用下，焊脚倾向于向焊盘中心漂移，而且，当焊脚偏出焊盘时，在两边表面张力分力的方向一致的作用下，焊脚受到更大的作用力往焊盘中心漂移，这样就产生了下面的效果焊盘的大小，更确切地讲是熔锡的区域(在熔锡量适度的前提条件下)控制了焊脚的偏移量。因此，减小焊盘尺寸，把焊盘设计成与元器件1的焊脚2大小相近的尺寸(特别是精度要求高的方向)边长或直径的大小差距控制在-0.5至1毫米的范围内，就能很好地控制焊脚的漂移量，从而提高SMT搭载精度。
如图8所示，当焊盘和焊脚的形状为矩形，焊盘和焊脚相互对准时，焊盘边缘超出焊脚边缘的距离C的数值范围是-0.5毫米至1毫米。即，焊盘的长度a＝焊脚的长度b+2×(-0.5毫米至1毫米)，焊盘的宽度a’＝焊脚的宽度b’+2×(-0.5毫米至1毫米)。优选地，焊盘的相对两个边缘超出对应的焊脚边缘的距离C的数值相等。更优选地，焊盘的每个边缘超出对应的焊脚边缘的距离C的数值相等。
图9是本发明的一个实施例。图中，901是元器件发光二极管903的焊脚，902是阻焊层904的开口部。产品中元器件903的搭载公差要求为±0.1毫米。
在焊盘的详细图10中，1002是焊盘导线露出部，焊盘1001被设计成与焊脚901相同的形状，尺寸仅比焊脚901单边大0.08毫米，外面的阻焊层开口部902的形状与焊盘1001相同，阻焊层开口部902设计成比焊盘1001单边大0.2毫米。元器件发光二极管903搭载的偏移范围控制在±0.1毫米以内，满足了设计要求。
图11是一个比较例。与图9相比，仅仅是焊盘1001及阻焊层开口部902的形状、大小不同。
在焊盘详细图12中，焊盘1001的设计值比起焊脚901，在Y方向上，下边大0.34毫米，在X方向上，有一边大0.65毫米，SMT回流焊接工艺后是元器件发光二极管903搭载的偏移范围超出了±0.1毫米，不能满足设计要求。
因此，在设计焊盘时，精确控制焊盘与焊脚之间的关系，即控制焊盘的边缘超出焊脚边缘的距离C的数值范围在-0.5毫米至1毫米之间，能有效控制元器件的偏移量。
权利要求
1.一种用于连接元器件焊脚的线路板的焊盘，其特征在于，在焊盘和焊脚相互对准时，焊盘边缘超出焊脚边缘的距离C的数值范围是-0.5毫米至1毫米。
2.如权利要求1所述的焊盘，其中所述距离C的数值范围是0至0.3毫米。
3.如权利要求1或2所述的焊盘，其中所述焊盘的形状与所述焊脚的形状相同。
4.如权利要求1或2所述的焊盘，其中所述焊盘的相对两个边缘超出对应焊脚边缘的距离C的数值相等。
5.如权利要求1或2所述的焊盘，其中所述焊盘的每个边缘超出对应焊脚边缘的距离C的数值都相等。
6.一种用于连接元器件的焊脚和线路板的焊盘的结构，其中在焊盘上具有焊锡，所述焊脚通过焊锡连接在焊盘上，其特征在于，在焊盘和焊脚相互对准时，焊盘边缘超出焊脚边缘的距离C的数值范围是-0.5毫米至1毫米。
7.如权利要求6所述的结构，其中所述距离C的数值范围是0至0.3毫米。
8.如权利要求6或7所述的结构，其中所述焊盘的形状与所述焊脚的形状相同。
9.如权利要求6或7所述的结构，其中所述焊盘的相对两个边缘超出对应焊脚边缘的距离C的数值相等。
10.如权利要求6或7所述的结构，其中所述焊盘的每个边缘超出对应焊脚边缘的距离C的数值都相等。
11.一种用于将元器件的焊脚连接在线路板的焊盘上的方法，包括在焊盘上施加焊锡，将焊脚放置在焊锡上，然后通过回流焊接过程将焊脚贴装在焊盘上，其特征在于，当焊盘和焊脚相互对准时，焊盘边缘超出焊脚边缘的距离C的数值范围是-0.5毫米至1毫米。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述距离C的数值范围是0至0.3毫米。
13.如权利要求11或12所述的方法，其中所述焊盘的形状与所述焊脚的形状相同。
14.如权利要求11或12所述的方法，其中所述焊盘的相对两个边缘超出对应焊脚边缘的距离C的数值相等。
15.如权利要求11或12所述的方法，其中所述焊盘的每个边缘超出对应焊脚边缘的距离C的数值都相等。
全文摘要
本发明提供一种用于连接元器件焊脚的线路板的焊盘，其中在焊盘和焊脚相互对准时，焊盘边缘超出焊脚边缘的距离C的数值范围是－0.5毫米至1毫米。另外，还提供一种用于连接元器件的焊脚和线路板的焊盘的结构，其中在焊盘上具有焊锡，所述焊脚通过焊锡连接在焊盘上，当焊盘和焊脚相互对准时，焊盘边缘超出焊脚边缘的距离C的数值范围是－0.5毫米至1毫米。另外，还提供一种用于将元器件的焊脚连接在线路板的焊盘上的方法。通过本发明的技术方案，大大改善了搭载元器件漂移量难以控制的问题；实现简单，只须在设计时对焊盘和焊脚加以考虑即可；并且与现有技术相比不会增加任何成本。
文档编号H05K3/34GK1980525SQ200510124260
公开日2007年6月13日 申请日期2005年11月29日 优先权日2005年11月29日
发明者王峰 申请人:比亚迪股份有限公司