介紹一種可優(yōu)化接觸件插拔力的插孔器件

(四川華豐企業(yè)集團(tuán)有限公司，四川綿陽，621000)

1 引言

集成電路 (IC) 插孔工業(yè)的開發(fā)深受技術(shù)和市場等綜合因素的影響。其中，技術(shù)驅(qū)動(dòng)因素包括小型化、插針數(shù)的增加、更快的運(yùn)行速度、較高的工作溫度以及較高的載流能力；市場驅(qū)動(dòng)因素則包括增大耐久性、縮短開發(fā)周期和對(duì)成本-效益解決方案的需要。對(duì)于許多產(chǎn)品的高性能集成電路設(shè)計(jì)來說，球柵陣列(BAG)插孔系統(tǒng)是新產(chǎn)品開發(fā)中設(shè)計(jì)、測(cè)試和制造過程的必要選項(xiàng)。集成電路插孔屬于一種機(jī)電式元器件，它可以為一個(gè)集成電路封裝和一個(gè)系統(tǒng)電路板或子組件之間提供一個(gè)可插式接口。這一接口必須滿足最大的重復(fù)性以及對(duì)信號(hào)完整性影響最小這兩個(gè)性能要求。一個(gè)插孔提供一個(gè)可移動(dòng)的接口，這樣便于其組裝、升級(jí)，使之具有可維護(hù)性，而且可以大幅節(jié)省相關(guān)成本。

采用這種設(shè)計(jì)后人們就不需要把集成電路直接連接到印制電路板(PCB)上，從而更好地發(fā)揮其成本優(yōu)勢(shì)。而且，如果插孔永久焊接到電路板上，那么，集成電路器件可以插入插孔或從插孔中取出而不會(huì)影響其與印制電路板的連接。這就使得集成電路像焊接在印制電路板上一樣，而且還可以用另一個(gè)集成電路或多個(gè)集成電路來更換。此外，插孔還可以幫助我們測(cè)試、評(píng)估和檢驗(yàn)整套系統(tǒng)。在這一領(lǐng)域中，插孔可以提供更高的維護(hù)、測(cè)試、替換或升級(jí)能力。由于技術(shù)進(jìn)步和新型集成電路的出現(xiàn)，這已成為產(chǎn)品壽命的一個(gè)至關(guān)重要的因素。

在高性能、最終用途的產(chǎn)品應(yīng)用中，元器件可以直接連接到電路板上。這一技術(shù)要求往往就顯得非常關(guān)鍵。采用可插式、占空小的插孔就大大地方便了產(chǎn)品的現(xiàn)場替換、升級(jí)和維修。元器件的直接替換要求插孔系統(tǒng)直接焊接到目標(biāo)印制電路板上。從符合共面性要求和預(yù)防焊劑進(jìn)入接觸件接口方面來看，其可焊性顯得尤為重要。 可插式插孔成功應(yīng)用的關(guān)鍵在于，其能在承受多次回流焊接循環(huán)之后不至于因基板發(fā)生形變或焊劑材料流入接觸件內(nèi)而影響到可靠接觸件的導(dǎo)電能力。近年來，市場上插針數(shù)超過1000次并接近2000次的大型集成電路已逐步普及起來。對(duì)于具有較高插針數(shù)的連接器來說，其針-孔互連器件需要較低的插拔力對(duì)其適用性來說也是非常重要的。

2 BGA 插孔系統(tǒng)

一個(gè)Giga-snaP?BGA 插孔系統(tǒng)一般由兩個(gè)模塊組成。其中，基部模塊的插孔插針排列在FR4基板上，焊接球位于尾端，以便與目標(biāo)印制電路板連接。上部模塊在FR4基板上安裝有插針端子，其圓形頭部被壓入基板中。這一個(gè)圓頭用作一個(gè)實(shí)際接納BGA元器件的PCB焊盤。BGA元器件焊接在上部模塊上，并插入基部模塊，而基部模塊又焊接在目標(biāo)印制電路板上，從而完成其互連系統(tǒng)，見圖1所示。

可拆式接口系統(tǒng)的性能要求一般以插入/拔出力以及插孔在不出現(xiàn)性能退化情況下的插入/拔出次數(shù)來表述。隨著插針數(shù)量的逐漸增加，其插入和拔出力顯得越來越重要。

圖1 Giga-snaP BGA 插孔系統(tǒng)

插孔插針由插孔外殼、接觸簧片和焊接球組成。插孔外殼由黃銅合金360制成，然后在100微英寸的鎳表面上鍍上10微英寸的薄金。插孔接觸簧片(熱處理鈹銅合金172，在50微英寸的鎳表面鍍上10微英寸的薄金)壓接到插孔外殼中，焊接球(63%錫、37%鉛)連接到插孔外殼的尾部，如見圖2所示。

圖2 從插孔-插針剖面圖可以看出，該插孔-插針系統(tǒng)由一個(gè)接觸件、插孔外殼和焊球組成

插孔接觸簧片的主要功能是為獲得損失最小的信號(hào)傳輸提供所需要的接觸力。其材料特性和接觸件的幾何外形是決定接觸件接觸力大小的主要因素。圓形接觸簧片有三個(gè)爪。每個(gè)爪都是一個(gè)懸臂梁。對(duì)于懸臂梁來說，其接觸力與形變的關(guān)系式如下列公式(1)所示:

(1)

式中，F(xiàn)是懸臂梁發(fā)生形變的力；

D是形變；

E是彈性模量；

W是懸臂梁的寬度；

T是懸臂梁的厚度；

L為懸臂梁的長度。

只要使接觸件的幾何外形和彈性模量達(dá)到最佳化就可以在整個(gè)工作條件范圍內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的接觸力。與接觸件插合力有關(guān)的另一個(gè)重要的材料特性是其應(yīng)力松弛特性。在與時(shí)間和溫度存在一定的函數(shù)關(guān)系的負(fù)荷條件下，應(yīng)力松弛會(huì)導(dǎo)致懸臂梁應(yīng)力的下降。這就使得接觸件的接觸力顯得有些不足，從而造成傳輸系統(tǒng)(元器件)產(chǎn)生失效現(xiàn)象。試驗(yàn)表明，經(jīng)過熱處理的鈹-銅合金具有較高的抗應(yīng)力松弛特性。

在懸臂梁完全發(fā)生形變之后，插合過程的兩個(gè)階段依此為懸臂梁的初次形變(第一階段)以及滑向最后位置(第二階段)。所以，每個(gè)接觸件的受力總和取決于接觸力和滑動(dòng)摩擦系數(shù)。兩個(gè)模塊 (上部和基部)之間的總插合力則取決于接觸力、摩擦系數(shù)、克服插合組件誤校準(zhǔn)以及基板尺寸差異所需的附加力。此外，還必須考慮到插合組件的總插合力，這與單個(gè)元件的接觸力完全不同。

3 試驗(yàn)

在試驗(yàn)裝備中，BGA插孔模塊是為一個(gè)388針BGA元器件開發(fā)的，見圖3所示。基部模塊焊接在一個(gè)雛菊花環(huán)形的PCB上，而一個(gè)交互式雛菊花環(huán)形BGA元器件則焊接在上部模塊中。兩個(gè)模塊安裝在Imada DPS-110 R測(cè)力計(jì)內(nèi)部的固定裝置中。這樣，模塊在插入和拔出時(shí)就可以測(cè)量其插入/拔出力。Metra HIT 30M 四芯歐姆表可以測(cè)量其接觸電阻。

由于BGA 388插孔系統(tǒng)要經(jīng)受很多次插拔循環(huán)試驗(yàn), 所以整個(gè)系統(tǒng)的起始插入力從14kg開始，然后試驗(yàn)到200次循環(huán)時(shí)再逐步增加到22 kg，見圖4所示。其接觸電阻平均值為每個(gè)接觸件0.010 Ω。整個(gè)插孔系統(tǒng)的拔出力從7kg開始, 到200次循環(huán)時(shí)，增加至18kg。如果需要進(jìn)行更多次循環(huán)試驗(yàn)，則受力總和的增加主要是由于摩擦力的存在而產(chǎn)生的。在200次循環(huán)之后，上部模塊施加適量的潤滑劑之后，其初始階段的插入和拔出力又分別回到14 kg和7kg。

圖3 插拔力試驗(yàn)配置(包括樣品、測(cè)力計(jì)和萬用表)

圖4 BGA388插孔系統(tǒng)的插拔力逐漸增大，直到潤滑200次為止，每插拔10次測(cè)量一次

下一個(gè)裝備則測(cè)試兩個(gè)Giga-snaPTM插針直徑(0.2mm和0.25mm)之間插拔力和形變的相互關(guān)系。相同的測(cè)試步驟可以重復(fù)進(jìn)行，只是每隔10次需要更換一種插針直徑不同的上部模塊。試驗(yàn)圖表顯示，0.25 mm直徑的插針模塊由于接觸簧片的形變更大，所以具有更大的插入力，見圖5所示。由此可見，控制接觸件的形變和滑動(dòng)摩擦力可以相應(yīng)地減少其插入力和拔出力。

圖5 BGA388插孔系統(tǒng)的插入/拔出力數(shù)據(jù)變化曲線

4 結(jié)束語

將各種技術(shù)因素(包括小型化、增加插針數(shù))綜合起來就可以使插針/插孔接口的插/拔力達(dá)到最佳狀態(tài)，而市場因素則包括低成本和耐久性的要求。在考慮插入/拔出力的時(shí)候，必須評(píng)估接觸件的受力總和。接觸力與形變、彈性模量和接觸件的幾何外形存在著一定的函數(shù)關(guān)系。由于摩擦、插合的兩組件之間的誤校準(zhǔn)以及基板插針位置公差而需要的額外力可能會(huì)大大地影響受力總和?？箲?yīng)力松弛也會(huì)在一定程度上影響插孔系統(tǒng)的耐久性。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示接觸簧片的形變參數(shù)是如何影響接觸力的。人們正在對(duì)此進(jìn)行更深入的研究，以期改變其它參數(shù)，并對(duì)其影響接觸力和插孔性能的情況進(jìn)行相應(yīng)評(píng)估。