双层电容器及其组合和将其安装在印刷电路板上的方法

摘要

本发明提供了一种电化学双层电容器(DLC)，其构成为安装到印刷电路板上。将第一连接器部件构成在DLC电容器的每个单独端子引线处。将第二连接器部件安装在PCB上，且该第二连接器部件包括在印记位置处的多个平行连接器元件，用于与DLC引线电匹配接触。当将该连接器结构安装在PCB上时，其产生最小的电容器ESR增加。

说明书

技术领域

本发明涉及一种双层电容器、构成在印刷电路板上的双层电容器的组合和将该双层电容器安装在印刷电路板上的方法。

背景技术

还可以被称作“超级电容器”的电化学或双层电容器(DLC)在用于提供独特的特性组合、特别是高的电压、功率和电容密度的领域中已经获得了广泛地认可。DLC是例如陶瓷电容器、钽电容器、薄膜电容器的介电电容器与电池之间的优良折衷方案。DLC被广泛地应用于高功率、脉冲应用中，例如在GSM、GPRS Edge和PCS基系统中，通常需要持续几毫秒的几安培的电流。当不需要高电流脉冲时，DLC通常与电池联合使用，以提供高瞬间电流需要，电池给系统提供大部分总体功率，并向DLC提供涓流充电(tricklecharge)。

DLC通常会受两个限制：当应用于提供短暂持续的电流脉冲时的高ESR(等效串联电阻)和高电容损耗。当电容器传输由装置的ESR产生并与装置的ESR成正比的短电流脉冲时经历瞬时电压降。脉冲持续时间内的连续压降是有效电荷、即电容的函数。这个结合产生一个总体电压降，其可以使得该装置不能被特定的应用接受。电路中的压降是关键的，因为电路在特定切断电压以下将不工作。装置的ESR不能被降低到特定固有值以下，由此，需要高电容以最小化总体压降。即使上述较高值电容具有相应的较高ESR，其也会导致较低的总压降。低压降也可以最小化导电率和发射电磁干扰。

常规电介质电容器通常使用本领域公知的相对高速“拾取和定位(pickand place)”工艺安装在印刷电路板(PCB)上。然后对装置进行IR回流、气相或波焊接技术来完成安装工艺。在另一方面，DLC通过使用焊铁枪(soldering iron gun)、电阻或脉冲焊接设备的手工焊接方法安装到PCB板上。上述手工焊接步骤明显损害需要DLC的电子元件的高效生产。本领域的常规认知认为必须使用手工焊接工艺以防止将常规回流和自动焊接工艺导致的高热应力引入到引线中，并将装置安装ESR保持在可接受的等级。由于用于插座/连接器的线路和布线，可能用于安装DLC的常规连接设置增加了ESR的不可接受性。

由此，在高功率电化学DLC领域存在一个需求，即无需手工焊接以及不会抑制ESR增长地安装到PCB上。本发明提供一种满足上述要求的方案。

发明内容

本发明的目的和优势将在以下记载中部分地阐明，或由记载明显得出，或可以由本发明的实践中得到。

根据本发明的一些方面，DLC电容器分别在各个端子引线上设置(configured)第一连接器部件。第一连接器部件与使用常规工艺安装在PCB上的相应的第二连接器部件配合。上述连接结构的设置使得DLC容易地压在PCB上以使第一和第二元连接器部件配合。在将DLC电安装到PCB的工艺中不需要手工或其它焊接工艺，而连接结构并没有显著地增加ESR。

在具体实施例中，设置在每个DLC端子上的第一连接器部件包括单独的相对宽的凸缘状引线。在可替代实施例中，多个单独的连接元件被设置成与每个由电容器的公共电极引线引出的DLC端子平行。DLC引线(单条引线或多条平行引线)可以设置为具有钉状或刀刃状的凸形连接器元件。DLC引线与第二元件连接器的互补形状的平行连接器元件相配合，该第二元件连接器通过每个电容器引线的公共引线安装在PCB上。例如，第二连接器部件可以包括外壳，该外壳使用常规的“拾取和设置”焊接技术安装在PCB上，外壳中限定了大量连接器元件狭缝，该狭缝用于收纳DLC引线。在上述设置下，单独DLC引线的全部的总电阻R_t(当与PCB配合时)是单个连接器元件(R₁，R₂，R₃...)并联电阻的函数：

R1＝(1/R₁+1/R₂+1/R₃+...)^-1

通过改变DLC引线的尺寸以及与第二连接器部件平行的单个连接器部件的数量和类型，每个引线的总电阻可以被精确控制。优选的，选择DLC引线和单个连接器部件的数量、尺寸和形状使得DLC端子引线的平均ESR的增加小于5毫欧，更优选小于3毫欧。

第二连接器部件可以被具体设计用于本发明。例如，第二连接器部件可以包括具体设计的外壳，该外壳安装在PCB相应于DLC端子引线的印记位置(footprint location)上。但是，在所需的实施例中，安装在PCB上的第二连接器部件可以是常规的具有跨过表面设置的一系列接连接器元件狭缝的直接插入连接器。例如，根据DLC封套的尺寸和DLC引线的空间，可以使用24、27或其它多个位置的直接插入连接器。在此实施例中，连接器元件无需插入所有的直接插入连接器狭缝，只需插入那些将被DLC引线接合的狭缝即可。举例来说，可能只使用直接插入连接器外侧的5或3个位置，而中间的位置没有被使用。这些中间位置不需要连接器元件。

DLC引线具有一定的宽度和厚度，以连接所需数目的第二连接部件的平行接连接器元件。在具体实施例中，DLC引线设置成与5个安装在第二连接器部件的外壳中的平行连接器元件配合。如上所述，上述外壳可以是常规的多位置直接插入连接器。

第二连接器部件可以使用常规的拾取和定位技术安置到PCB上。连接器元件可以具有焊接引线或绕线引线。各种安装构成和外形都是可能的。例如，下剖面结构，可能需要安装第二连接器部件以使得其连接器元件允许关于PCB平行定位。对于直接插入连接器，上述构成通常指“平行板对板安装”。但是，上述平行定位也可以通过DLC引线的构成达到。例如，DLC引线可以包括直角偏移从而与安装在垂直的“子卡到母卡结构”中的直接插入连接器连接。

DLC安装在PCB上(例如，通过手工或自动技术)使得DLC引线被压入，从而与第二连接器部件的连接器元件电接触。期望的是，DLC引线从第二连接器部件的插入中心线封套延伸。DLC引线可能因为上述目的而需要偏移，特别是如果DLC封套靠着PCB表面齐平安装。为进一步保证PCB上的DLC，可以使用粘接或机械装置，例如保持夹或其它机械装置。例如，在一个实施例中，粘接层被安置在DLC外壳和PCB之间。

应当理解，任意数量的连接器结构都在本发明的范围和精神内，用于将DLC电容器安装到PCB，同时满足最小化在每个DLC端子处ESR作用的所需设计规则。

本发明的其它特征和方面将通过参考附图中示出的一个或更多实施例更详细地描述。

附图说明

在本说明的剩余部分中列出本发明全面且能够实现的公开，包括其最佳实施方式，涉及到本领域技术人员，其参考了以下附图：

图1表示根据本发明在PCB上安装了DLC电容器的合适的连接器结构的透视图；

图2表示在PCB上的安装结构的图1的DLC的透视图；

图3A表示安装在PCB上的图1中的PCB连接器部件的剖视图；

图3B表示图3A中PCB连接器部件的前视图。

在本说明书和附图中重复使用附图标记是为了表示本发明中相同或相似的部件或元件。

具体实施方式

本发明各种实施例将详细描述，一个或多个例子将在以下被说明。每个例子用于解释，不是本发明的限制。实际上，对本领域的技术人员来说，很明显，各种改变和改进可以被应用于本发明而不不背离本发明的精神和范围。比如，作为一个实施例的一部分描述或说明的组件，可以被应用于另一个实施例以产生再一实施例。由此，本发明涵盖了上述改进和改变。

根据本发明，提供了独特的连接器结构，以安装双层电化学电容器到印刷电路板(PCB)上。DLC是本领域技术人员已知的，因此上述电容器的细节描述对理解本发明并不是必须的。如上所述，DLC电容器(也称为“电化学”或“超级电容器”)在电学领域已经得到承认可以用于提供高电压、高功率和高电容密度的独特组合。DLC通常用于高功率、高脉冲领域，例如GSM、GPRS以及PCS基系统。美国南卡罗来纳州Myrtle Beach的AVX公司提供称为BESTCAP超低ESR超级电容器的DLC电容器的商业线(commercial line)。BESTCAP电容器具有由15mF到560mF的电容范围，包括由3.6V到12V的6个额定电压。单个或组合的AVX公司的BESTCAP电容器可以被用于本发明的实践。DLC电容器还可以由其它公司获得，包括NEC、CAP-XX、Cooper和Ness。

在此处，术语“DLC电容器”意为包含任何方式的电化学电容器，其中电荷转换通过电子和离子进行且在电解质中包含阳离子和阴离子，电解质可以是液体(通常是水溶液或有机溶液)或固体。固体电解质通常为导电聚合物。DLC利用跨过电极-电解质界面形成的电荷分离。DLC包括两种载流子类型：电解质一边的离子类型和电极一边的电子类型。基本上，电化学DLC包括两个浸渍在电解质中的电极。当电极被充电后，电解质中的离子在电场的影响下向具有相异电荷的电极移动。电极通常为活性炭。在充电的状态下，阳离子和阴离子紧邻电极安置以平衡活性炭电极中的多余电荷。由此，跨过炭和电解质之间的相边界，有两层相异极性的多余电荷。因此称为“电化学双层电容器”。

如上所述，常规DLC的局限在于当电容器传递短暂电流脉冲时产生瞬时压降的等效串联电阻(ESR)。根据本发明的连接器构成提供独特的方式以快速有效地将DLC安装到PCB上，且不会不利地增加装置的额定ESR。

通常参考图1至3B，说明DLC电容器10。电容器10包括限定阳极的单元盒12。DLC包括沿着单元盒12的边14的两个端子引线16。

DLC10包括第一连接器部件，通常是18，安置在端子引线16上。第一连接器部件18可以包括任何方式的凸形或凹形连接器元件。在示出的实施例中，连接器部件18由单个的从盒12的边14延伸出来刃状或凸缘状的引线20限定。应该理解，引线20可以具有各种形状和尺寸，例如钉状、销状或其它任何常规连接器的形状。在可替代的实施例中，引线20可以由多个安排在每个端子引线16上的分别平行的连接器元件限定。

在具体实施例中，其中DLC引线20是单刃或凸缘，如图1所示，引线可以具有厚度和宽度以配合安装在PCB 22上的所需数量的第二连接器部件的平行连接器元件。在以下讲更详细地讨论，第二连接器部件28可以是直接插入式连接器，其设计为容纳具有工业标准厚度的连接器，例如厚度为0.2mm或其它工业标准厚度。在此实施例中，DLC引线将具有0.2mm的厚度且选择的厚度是为了配合直接插入式连接器中的期望数量的连接器。举例来说，如果想要与直接插入式连接器中的5个连接器元件匹配，引线可以具有2.5mm的宽度，或如果想要与2或3个连接器元件匹配则宽度约为1.4mm。但是，应该理解，其它平行连接器的安排是在本发明的精神和范围之内的，只要可以实现每个DLC端子所需的最小的ESR的增加。

参考图1和2，第二连接器部件28通过常规拾取和设置技术安装在PCB 22的上表面24上。部件28通过使用合适的常规方法被确定到PCB 22上。在所示的实施例中，第二连接器部件28包括绝缘外壳38，该绝缘外壳在期望的印记直接安装到PCB 22上，该印记包括相应于DLC 10的端子引线16的位置和尺寸的端子焊盘26。外壳38在其长度方向末端可以包括定位板42，用于使用常规拾取和设置以及焊接技术将第二连接器部件28安装到PCB 22上。部件28可以包括各个连接器元件的焊接引线，或绕线结构。如上所述，第二连接器部件28可以是具有平行连接器元件30的直接插入式连接器，其与DLC端子上的引线20匹配。应该理解，任何数量的连接器装置或元件可以用于本目的。

如在直接插入式连接器的情况下，外壳38可以限定多个单独狭缝40，该多个单独狭缝40限定在横跨外壳表面的位置处，该表面定向为用于接收DLC引线20。插口包括单独连接器元件30，其具有使得多个元件在每个端子引线16处与DLC引线20电匹配的形状和尺寸。例如在图中示出的实施例中，连接器元件30通过在其端部具有倒钩34的偏置臂32来限定。臂32限定DLC引线20在其中延伸的V型或U型狭缝。每条引线20都横跨多个元件30。在所示出的实施例中，每一条引线20都跨越5个连接器元件30。每个连接器元件30都可以包括焊接到板22上的端子焊盘26的引线36，如图3A和3B中所示。

尤其是如果第二连接器部件28是直接插入式连接器，则外壳38可包括横跨其整个表面的狭缝40。在这种情况下，连接器部件30仅需要设置在用于与DLC引线20相匹配所需的那些插口中。例如，外壳38可含有二十七个或二十四个狭缝位置，其中仅在每个端部处的5个外部狭缝40用于与DLC引线20相匹配。

优选地，定向DLC引线以在第二连接器部件28中的狭缝40的插入中心线处延伸。根据DLC盒12的厚度和其它变量，可能需要形成具有针对该目的的偏移的引线20，尤其是如果希望靠着PCB 22齐平地安装DLC。

本领域技术人员应当理解，可以使用在本发明精神范围内的适合连接器结构的任一种方式，并且图中示出的结构是一种适合结构的实例。

本发明人已经发现在每个DLC端子处提供单个平行的连接器元件提供了足够的接触强度和表面面积，同时最小化装置总体ESR增加。匹配的连接器部件允许保证DLC 10电安装到PCB 22上而不需任何种类的焊接。DLC端子16和相关的引线20不经历自动回流焊接工艺的高热应力。DLC引线以及单个连接器元件的数量、尺寸和结构可根据DLC 10的额定功率和电容而变化，以实现在端子引线处最小的可接受ESR增加。在优选实施例中，自引线/连接器结构的总体ESR增加小于5毫欧，且优选小于3毫欧。

为了确保DLC 10在电子部件的所有操作环境中都保持贴附到PCB 22上，可利用其它的方法将DLC盒12固定到PCB 22。例如，参考图1，将粘着剂46设置在盒12底部和PCB 22之间。该盒可由在安装DLC 10之前剥离的释放衬套48保护。在所需的印记位置处将该粘着剂提供于PCB 22上，如图1中所示，或者将粘着剂提供于DLC盒12的下侧上。在另一个实施例中，利用常规机械贴附装置以相对于PCB 22进一步固定DLC 10，这种装置可包括夹片、螺丝钉、凸形/凹形接合装置等。

图2示出了通常齐平靠着第二连接器部件壳38的DLC盒12。在可选实施例中，该盒12可与壳38相隔开，连接器元件20桥接部件之间间隙。该实施例允许相对于部件壳38以一角度插入DLC连接器元件，这对于下剖面结构连接器结构是需要的。

测试数据

利用自AVX公司的BESTCAP DLC电容器来进行测试，以确定在电容器两个端子引线的每个具有五个平行连接器结构的ESR的增加。该被测试的电容器是额定为5.5伏的零件号码BZ05。将电容构成为在具有0.2mm厚度和2.5mm宽度的每个端子处具有刃型引线。直接插入式连接器在PCB上构成，用于通过DLC引线在连接器每个纵向端部处接合五个连接器元件。在第一个测试中，直接插入式连接器是24个位置连接器(壳的中间14个位置不含有连接器元件且并不使用)。在第二个测试中，直接插入式连接器是27个位置连接器，其中不使用壳的中间17个位置。

对于每个连接器结构测试了五个不同的电容器。每个电容器都测试十次。每次测试都由在断开连接(不与PCB电匹配)的情况下测量电容器ESR构成。然后，使得电容器与PCB上的电容器壳相匹配，并且确定相匹配的结构的ESR。在两次读出之间的ESR值的差别归因于连接器结构。在每个电容器上进行该工序总共十次。

对于用24个位置连接器测试的电容器，ESR的平均增长是1.9毫欧(标准偏差1.7)。对于用27个位置连接器测试的电容器，ESR的平均增长是2.1毫欧(标准偏差1.8)。

虽然已经参考其实施例详细描述了本发明，但是可以理解，本领域技术人员通过理解前述内容，可以容易地设想出这些实施例的可选方案、变形和等同物。因此，本发明的范围应根据所附的权利要求以及其任意等同物确定。