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航天器用板间长针连接器焊接难点与工艺方法研究
发布时间:2018-04-03 丨 阅读次数:555

随着电子产品向高密度、轻小型化发展,电路板、电子单机的集成度也越来越高,板间长针电连接器作为电路板之间电气互连的桥梁,在航天产品层落式电子单机中大量使用,取代传统使用导线进行电气连接的形式,大大降低了电气机箱的体积、重量和装联复杂性。板间长针电连接器实物见图 1,应用方式见图 2。

目前通孔类器件常用的焊接方法有:手工焊接、选择性波峰焊接、通孔回流焊接等,在焊接板间长针连接器中均存在局限性。本文提出了应用预成型焊片焊接板间长针连接器的工艺新方法。

1 板间连接器焊接要求

 

板间长针电连接器具有很好实用优势的同时,也给装联生产带来了新的挑战:

a. 长插针前部不可以沾焊锡(针长有 15.0mm、

17.5mm、19.5mm、22.5mm 等),故无法使用波峰焊接;

b. 插针密度高,引脚间距和每排间距均较小(间距一般为 1.905mm、2.54mm 等),存在手工焊接空间不足,焊点易桥连等问题;

c. 军工标准要求“焊料一般占满元件面和焊接面焊盘,并且 360°圆周覆盖焊盘,孔内焊料应百分之百填充,元件面焊料至少覆盖 25%的焊盘面积”,而板间长针连接器引脚中有很多与大面积覆铜层连接, 出现过锡不良等问题。

 

1 传统焊接方法焊接板间长针连接器存在的问题

 

3.1 电烙铁手工焊接

电烙铁手工焊接是通孔器件装联中最为传统与成熟的工艺方法,其优点是操作人员不需要借助大型、复杂的仪器设备,只需一把电烙铁、一卷焊锡丝和一些助焊剂就可以完成焊接工作,适用于直插件数量少、批量小的任务;缺点是焊接质量的好坏主要取决于操作人员的技能水平,效率较低且一致性差。

由于板间连接器插针间距小、长度长,普通电烙铁头一般较粗,无法伸入到板间连接器中间排,所以普通电烙铁只能完成两排插针板间电连接器的焊接。通过选用细长型的烙铁头,可以解决三排插针交错排布板间连接器中间排的焊接问题,但细小的烙铁头热容量小,能够传递到焊接部位的热量往往不能满足与大面积覆铜层连接通孔的焊接需要,出现焊点过锡不良等质量问题。

当焊接三排插针对齐排布的板间连接器时,外侧两排插针将中间排挡住,烙铁头很难伸入完成焊接。手工焊接板间连接器示意图如图 3 所示。

3.1 选择性波峰焊接

选择性波峰焊接是近些年兴起的一种通孔器件焊接方法。选择性波峰焊设备最早出现于1990年,由德国ERSA公司研制,用于完成高可靠性产品电路板上通孔器件的焊接,其优点是助焊剂涂布精确,预热温度适当,焊接时间可独立调节,焊接质量可充分保证。

选择性波峰焊接的主要焊接方式为拖焊和浸焊。通过使用微小的喷嘴,形成直径为几毫米的柱状波或小的矩形波,对单点或局部区域逐点焊接的过程,如图4所示。对于焊接本文所述的板间长插针连接器,不论是拖焊还是浸焊的焊接方式,都会使长插针浸入到焊锡中,显然不能满足插针前部不允许沾焊锡的要求。

3.1 通孔回流焊接

通孔回流焊接是应用表面装联手段实现通孔器件焊接的一种工艺方法。在印制电路板进行表贴元器件组装时,同时将焊锡膏印刷在特别设计的通孔焊盘上, 然后插装通孔器件,最后通孔器件和表贴元器件一起进行回流焊接。

由于通孔器件焊接要求在引线的两面均形成可靠焊点,故通孔焊点的焊锡需求量要比表贴器件焊点多。一般认为金属含量占锡膏质量的90%,其体积比约为50%,即收缩因子为1/2[4]。因此,如何保证印刷焊锡膏的体积,通孔回流焊接成败的关键因素。焊锡膏印刷要求如图5所示,钢网开口应比实际焊片有所扩大,焊锡膏在印制电路板下方呈“水滴”状。

   普通插装器件的通孔回流焊接工艺过程如图6所示,焊锡膏填满焊盘孔,器件插装时,引脚会将孔内焊锡膏顶出,回流焊接过程,焊锡膏熔化后在焊盘及引脚上润湿,形成焊点。此种工艺方法对于露出焊接面引脚长度的要求是不大于2mm,露出的引脚过长会将焊锡膏带走,回流焊接过程熔化的焊锡膏在引脚末端形成焊锡球,同时造成通孔内的焊锡量不足。因此, 此种形式通孔回流焊接工艺方法会使板间电连接器长针前部沾有焊锡,不满足其装联要求。


3 应用预成型焊片焊接板间长针电连接器

预成型焊片是已经做成精密成型的固体焊锡,它可以按照实际使用需求做成各种各样的形状,如圆形、矩形、圆环形等,通过与表贴元器件同时进行回流焊接而实现SMT和THT生产在一个工序内完成。

预成型焊片可以独立使用,也可以与焊锡膏一起使用,作为焊锡膏的补充,为焊点提供符合要求的焊锡量,见图7。图7a所示形式工艺实施更为简单高效。

4.1预成型焊片的体积计算


为了获得良好的焊接效果,预成型焊片的体积一 般应大于计算出理想焊点体积的10%~20%。理想的通 孔焊点的体积可以依照图8所示的简化模型计算,焊点 的润湿角θ应小于90°,以15°~45°最好,本文假定润湿 角为45°,将焊点划分为上表面Vtop、下表面Vbot和孔内 Vhole三个部分。

上、下表面的焊锡体积近似相等,均为圆台体积 减掉中心圆柱体积,计算公为:

式(1)中,圆台的高度为焊盘半径减去引脚半径, 即(R-a);

孔内焊锡体积为通孔圆柱体积剪掉引脚圆柱体积,计算公式为:


    式(2)中,圆柱高度为电路板厚度h,通孔半径为r

       综上,理想焊点的体积为:

4.2 工艺过程

 应用预成型焊片焊接板间长针连接器的工艺实施 过程不需要增加任何新的电装设备,只需在电路板正 常的SMT工艺流程中加入板间连接器的装配和预成型焊片的安装,具体流程如下:

 a. 印制板A面进行焊锡膏涂覆;

 b. 印制板A面表贴元器件贴装;

 c. 通过紧固件将板间连接器安装到电路板上,安 装过程需注意不能触碰已经贴装的表贴元器件;

 d. 将预成型焊片套在长针根部;

 e. 进行印制板A面回流焊接。

 f. 焊点清洗与外观质量检查 上述流程可以在印制板A面表贴元器件装联的同时完成板间长针连接器的焊接。

4.3 焊接质量

 图9为应用预成型焊片焊接板间长针连接器的焊 点外观图、X光透视图和剖视图,可见焊点表面光滑、 无毛刺、无气孔,电路板两侧均润湿良好、孔内100% 填充焊锡,多排板间长针连接器中间排引脚焊点与两 侧排焊点质量一致,符合军工标准对于通孔焊点的要 求。生产过程中极少出现桥连、虚焊等质量问题,返 修率非常低。


 通过上述各种焊接方法对比分析可以看出,板间 长插针电连接器的焊接在实际生产中具有一定难度, 使用传统的通孔焊接工艺方法存在局限性,应用预成 型焊片、回流焊接的方法可以解决此类电连接器焊接 的难题,实现了板间长针连接器和表贴元器件同时完 成焊接,减少了电烙铁手工焊接或波峰焊接所用的时 间和电路板所承受的热冲击,保证了焊接质量的同时 提高了电子装联生产效率和SMT设备的使用率。 



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