一種微小型SSMP插座高可靠焊接方法

鄭國洪

(中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所,四川 成都 610036)

1 引言

現(xiàn)代作戰(zhàn)武器平臺(tái)性能要求大幅度提高,體積、重量要求越來越小,特別是作戰(zhàn)飛機(jī)、衛(wèi)星、導(dǎo)彈等升空武器平臺(tái),不僅要求攜帶的各種裝備增加,其作戰(zhàn)性能要求也成倍提高,這就要求這些武器平臺(tái)上使用的電子設(shè)備體積、重量減少,性能提高,可靠性達(dá)到更高的水平;因此為滿足現(xiàn)代武器裝備小型化、多功能、高可靠的迫切需求,一系列先進(jìn)電氣互聯(lián)方式和對應(yīng)的工藝技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

一方面是軍用電子裝備小型化、輕量化的強(qiáng)烈需求,牽引、催生發(fā)展出尺寸越來越小的各型連接器,另一方面射頻產(chǎn)品工作頻率從十幾G到二、三十G以至于逐漸到五、六十G,頻率越來越高,對傳輸路徑要求也越來越高;不同功能層間間距越來越小,層間射頻傳輸均要求上下直連。為適應(yīng)這類信號(hào)傳輸要求,小型化的SMP連接器應(yīng)運(yùn)而生。其中,大多數(shù)用于結(jié)構(gòu)墻體上焊接后使用[1],裝配于印制板最常見的采用通孔直插焊接或表面貼裝結(jié)構(gòu)(見圖1),這類器件的組裝經(jīng)過近幾年的應(yīng)用(關(guān)于該類連接器裝配工藝論述可參見文獻(xiàn)[2-4]),從焊接封裝設(shè)計(jì)到焊接方法選擇等均已經(jīng)較為成熟(通常采用通孔手工烙鐵焊接或波峰焊接實(shí)現(xiàn)通孔焊接,采用全SMT表面組裝實(shí)現(xiàn)貼裝類器件的裝配),不再贅述。

然而,上述不論通孔插裝連接器還是貼裝焊接連接器,在特定的環(huán)境和條件下,均有一定的缺陷或不足,比如通孔插裝連接器,需要依靠外殼上通孔焊接的兩個(gè)引腳實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)接地及承擔(dān)插拔和使用過程中的各種應(yīng)力, 其信號(hào)傳輸質(zhì)量及長期可靠性略有不足。表面貼裝形式的SMP連接器,外殼周圍一圈較小的貼裝焊盤與中間貼裝信號(hào)引腳通過再流焊實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)固定和信號(hào)傳輸,由于外殼周圍接地和結(jié)構(gòu)加固貼裝焊盤尺寸限制以及貼裝焊接容易出現(xiàn)空洞、縫隙等導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足,多次插拔及使用應(yīng)力作用會(huì)導(dǎo)致連接器與印制板連接傳輸信號(hào)質(zhì)量受損或中斷,其長期可靠性略有不足。

b) 表面貼裝類連接器

為了彌補(bǔ)上述器件固有的不足,實(shí)現(xiàn)更良好的接地及長期連接可靠性,器件廠家設(shè)計(jì)了表貼+通孔焊接一體的結(jié)構(gòu)形式。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸和三維模型、實(shí)物分別如圖2和圖3所示。

a)主視圖

b)左視圖

a) 三維模型

b) 實(shí)物照片

在某小型化相控陣天線中,就因多層垂直互聯(lián)需求,印制板正反面均布設(shè)了通孔+表貼結(jié)構(gòu)形式的SSMP連接器(見圖4)。圖4中,表示需要裝配焊接SSMP的插座的位置。

a) 正面局部

b) 背面局部

按現(xiàn)有的印制板裝配工藝流程和方法,先A面貼裝、B面貼裝,然后補(bǔ)焊通孔焊接元器件的裝配順序,雙面布局插裝+表貼SSMP的設(shè)計(jì)是無法完成可靠裝配焊接的。目前針對該類器件的裝配焊接雖有相關(guān)研究[5],但目前各類文獻(xiàn)資料和報(bào)道中,未見雙面布局插裝+表貼SSMP的裝配工藝可以借鑒和參考資料,因此,開展雙面布局插裝+表貼SSMP的裝配工藝研究,可以解決不同設(shè)計(jì)狀態(tài)下這類連接器的裝配技術(shù)難題,達(dá)到不同平臺(tái)對裝配質(zhì)量的要求,提高這類產(chǎn)品裝配效率和質(zhì)量以滿足各型工程的高可靠需求,具有不可替代的作用。

2 研究途徑和方法設(shè)計(jì)

2.1 研究現(xiàn)狀

在已有的研究中,針對其焊盤間距小(0.4 mm)、插針長度與印制板厚不匹配、器件定位精度要求高、連接強(qiáng)度要求高(需要能承受100 N拉力[6])等難點(diǎn)需求,通過網(wǎng)板圖形優(yōu)化、雙面涂覆焊膏進(jìn)行通孔回流焊、元件面印刷焊膏并金屬化孔填充焊膏的通孔回流焊工藝研究,最終確認(rèn)采用元件面印刷焊膏并金屬化孔填充焊膏的通孔回流焊工藝[7],基本可以解決其焊接問題。然而在長期使用中,特別是印制板雙面布局設(shè)計(jì)使用的情況下,由于連接器本身設(shè)計(jì)制作存在差異,還經(jīng)常出現(xiàn)如下問題。

1)該型SSMP插座在印制板焊接后,連接器本體與印制板面不垂直,導(dǎo)致連接器本體與印制板接地焊接部位某邊出現(xiàn)焊接縫隙,引線與接地面共面性不良導(dǎo)致中心信號(hào)引線焊接不良等(見圖5)[8];同時(shí)由于不垂直、多個(gè)連接器并用時(shí)與插頭互聯(lián)插拔困難。

a) 引腳上翹

b) 本體與印制板接地不良

2)雙面布局導(dǎo)致焊接一面后,先焊接的SSMP插座引腳影響第二面的焊膏印刷和裝配。

3)表貼后再進(jìn)行通孔焊接,表貼的器件底部將通孔引腳形成盲孔,引腳手工焊接時(shí),出現(xiàn)通孔透錫率不良,引腳根部位置形成封閉空氣球,且出現(xiàn)通孔焊接時(shí)雙面焊接的癥狀(涉及禁限用工藝條目)(見圖6);特別是在有低氣壓應(yīng)用環(huán)境的條件下帶來極大的風(fēng)險(xiǎn)和隱患(見圖7)。

圖6 氣密安裝焊接狀態(tài)

圖7 雙面焊接X光檢測狀態(tài)

2.2 研究途徑和方法

針對上述常出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)和隱患,借鑒組裝故障常有的分析方法[9],采用系統(tǒng)工程解決思路和方法,首先針對物料狀態(tài)進(jìn)行核查,解決物料帶來的不足,再從工藝方法、具體操作控制及驗(yàn)證等方面進(jìn)行梳理并進(jìn)行解決。

2.2.1 物料問題及解決控制措施

針對裝配焊接過程中出現(xiàn)的幾個(gè)典型問題,逐個(gè)開展了問題分析,針對連接器本體與印制板面不垂直、連接器本體與印制板接地焊接部位某邊出現(xiàn)焊接縫隙的問題,首先核實(shí)了連接器器件狀態(tài),通過抽查同批次未焊接的連接器進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)器件腹部引腳與腹部接地面共面性較差(見圖8),引線突出接地面較多;這個(gè)狀態(tài)在絲印焊膏(綜合考慮整版上元器件狀態(tài),選擇的鋼網(wǎng)厚度為0.12 mm)后貼裝上去,中間較高的引腳與焊膏接觸面積較小,不能有效地支撐器件本體保持平衡,在器件本身重力和貼裝壓力的作用下,腹部接地焊接面會(huì)出現(xiàn)一側(cè)離板高些、一側(cè)離板低些(低的接觸焊膏良好,離板高的可能存在未接觸焊膏的狀態(tài)),在焊膏熔化塌陷過程中,還會(huì)加劇這個(gè)傾斜角度,從而導(dǎo)致焊接后器件歪斜、某一側(cè)腹部接地出現(xiàn)縫隙的情況。

b) 器件與印制板不共面

針對這個(gè)問題,協(xié)調(diào)器件廠家進(jìn)行了一輪討論,對該型產(chǎn)品技術(shù)協(xié)議進(jìn)行了優(yōu)化,明確了腹部引腳與接地面的共面度要求:腹部引腳突出接地面不得超過0.05 mm,力爭控制在0.03 mm,廠家通過成形工裝改進(jìn)、增加此位置平面度檢測,從而消除了該問題。

2.2.2 焊接工藝方法及解決措施

雙面布局導(dǎo)致焊接一面后,先焊接的SSMP插座引腳影響第2面的焊膏印刷和裝配的問題,是雙面表面貼裝基本要求[10](裝配時(shí)兩面均要求平整)與特殊器件之間的矛盾。為了解決這個(gè)問題,首先想到的是應(yīng)保證第1面焊接后SSMP插座器件引腳不能高于第2面的安裝面,這種情況下,可以通過剪短器件引腳實(shí)現(xiàn),但是引腳剪短后又不能滿足通孔手工烙鐵焊接要求[11](QJ165A要求元器件安裝后,引線伸出板面的長度為1.5 mm±0.8 mm(見圖9),其中d為引線直徑),不能采用手工焊接實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。

圖9 元器件通孔插裝引線伸出長度

基于上述限制,要達(dá)到第2面焊接基本要求,通過分析和討論,采用表面貼裝+通孔回流焊接[12](兩者同時(shí)焊接實(shí)現(xiàn))可以解決這個(gè)問題。主要實(shí)現(xiàn)方式如下:首先根據(jù)印制板厚度將SSMP引腳剪短,略低于印制板厚度(如印制板厚度為2.2 mm,引腳長度剪短后保持在2.0～2.1 mm),然后在SSMP焊接面用高溫膠帶將4個(gè)通孔封閉,在器件面通過鋼網(wǎng)印刷涂覆上焊料,要實(shí)現(xiàn)通孔回流焊,需要手工在SSMP的4個(gè)焊接通孔內(nèi)補(bǔ)充涂覆焊料(量根據(jù)板厚試驗(yàn)確定,以保證引腳插入孔回流焊后器件引腳周圍塞滿焊料為宜),然后通過貼片、再留焊接,實(shí)現(xiàn)SSMP器件和其他元器件的良好焊接。

在這個(gè)焊接基礎(chǔ)上,第2面的SSMP焊接就可以按原來設(shè)計(jì)的表面貼裝+通孔焊接來處理。此處不再贅述。

2.2.3 操作控制及解決措施

表貼后再手工焊接,容易出現(xiàn)通孔透錫率不足、氣密安裝、涉及禁限用雙面焊接的問題,這是由于最初用于焊膏印刷的鋼網(wǎng)開口設(shè)計(jì)有缺陷。因此,筆者對鋼網(wǎng)開口進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì),在直接采用器件廠家推薦的焊接封裝圖形(見圖10)基礎(chǔ)上,略微調(diào)整而成。從該封裝設(shè)計(jì)圖可以看出,器件腹部接地部位為一環(huán)形帶,4個(gè)插裝通孔在環(huán)形帶內(nèi),按腹部接地面整體絲印焊膏后,焊膏在器件面將4個(gè)引腳周圍全部包圍,器件貼裝后,器件底部在焊膏融化后,就極易形成圖6所示的盲孔,后續(xù)反面進(jìn)行手工焊接,從而形成空氣腔,也形成禁限用工藝中雙面焊接后相同的狀態(tài)。

圖10 推薦的印制板焊接封裝圖

基于上述分析,欲解決該問題,只要保證表面貼裝焊接后,通孔插裝孔在器件底部不形成封閉、有通氣氣道即可。為了實(shí)現(xiàn)該目的,筆者改進(jìn)了焊膏鋼網(wǎng)設(shè)計(jì),將原來環(huán)狀開口修改成局部絲印(見圖11,圖中品字形框開孔作為漏印區(qū)),讓開通孔靠環(huán)邊的位置不再被焊錫封閉,從而保證貼裝焊接后器件引腳通孔不形成封閉、有通氣氣道,這就解決了該焊接問題。

圖11 優(yōu)化后焊膏印刷開口示意圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過上述分析和策略制定,落實(shí)改進(jìn)了器件(保證器件引腳與接地面的共面度),同時(shí)優(yōu)化并重新制作了A面鋼網(wǎng)(改成上述的品字形接地開口,先焊接的B面鋼網(wǎng)保持原來環(huán)狀開口),進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。驗(yàn)證裝配工藝流程如下:器件準(zhǔn)備(包括B面用SSMP器件引腳修正)→印制板準(zhǔn)備(SSMP通孔焊接A面保護(hù))→鋼網(wǎng)及焊料準(zhǔn)備→B面焊膏印刷→按工藝補(bǔ)充涂覆焊膏→檢驗(yàn)→元器件貼裝→檢驗(yàn)→回流焊接→檢驗(yàn)→A面焊膏印刷(優(yōu)化改進(jìn)后的鋼網(wǎng))→檢驗(yàn)→元器件貼裝→檢驗(yàn)→回流焊接→通孔手工焊接→X光檢測(透錫率、其他不可見焊點(diǎn)如BGA/LGA等焊接質(zhì)量)→顯微鏡檢查→合格包裝交調(diào)試→生產(chǎn)裝配結(jié)束。

按上述工藝流程裝配驗(yàn)證后,形成的產(chǎn)品通過樣板進(jìn)行實(shí)時(shí)焊接參數(shù)測定[13],形成如下的焊接工藝參數(shù)(見圖12中焊接曲線)進(jìn)行焊接。

圖12 焊接溫度曲線實(shí)測圖

1)力學(xué)性能驗(yàn)證:焊接后通過目視檢查、X光檢測以及樣件焊接強(qiáng)度檢測、透錫率檢測等手段,測得樣件各項(xiàng)數(shù)據(jù)見表1。GJB 362B中3.5.3.4.4.3明確規(guī)定,按其附件試驗(yàn)后表面貼裝焊盤應(yīng)能承受345 N/cm2抗拉強(qiáng)度,表1中數(shù)據(jù)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求?？估瓘?qiáng)度測試后,器件引線及外殼與印制板顯微鏡檢查無損傷,未開展極限抗拉破壞性測試。

表1 表貼+通孔焊接SSMP樣件檢測主要參數(shù)

樣件SSMP典型的焊接后照片及檢測圖片如圖13所示。

a) 驗(yàn)證后照片

b) 透錫率X-ray檢測圖片

試驗(yàn)驗(yàn)證的同時(shí)制作了表面貼裝SMP及通孔插裝SMP樣件,分別采用表面貼裝及通孔手工烙鐵焊接方式實(shí)現(xiàn),焊接后主要性能指標(biāo)見表2。

表2 表貼及通孔焊接樣件檢測主要參數(shù)

從上述幾個(gè)衡量焊接性能好壞的指標(biāo)對比看,采用表貼+通孔焊接的SSMP連接器,其抗拉強(qiáng)度比只有通孔焊接或表貼的SMP器件大幅提升,說明其抗各種應(yīng)力能力大幅上升;其垂直度比只采用貼裝焊接的SMP也明顯較好。

2)電性能驗(yàn)證:對采用雙面安裝的SSMP連接器裝配形成產(chǎn)品,通過某天線各項(xiàng)指標(biāo)測試,均滿足設(shè)計(jì)預(yù)期,通過產(chǎn)品各項(xiàng)溫度和力學(xué)試驗(yàn)考核后,各項(xiàng)性能指標(biāo)穩(wěn)定。由于電性能指標(biāo)涉及交付裝備產(chǎn)品,不在本文中羅列對比。

3)小結(jié)分析:通過試驗(yàn)驗(yàn)證確定了裝配工藝路線和方法、焊接工藝參數(shù)等影響焊接質(zhì)量的各要素,按該路線、方法及工藝參數(shù),運(yùn)用于工程項(xiàng)目任務(wù),在某彈載天線上,采用該方法,已經(jīng)完成了500余套產(chǎn)品的裝配再驗(yàn)證,產(chǎn)品一次裝配成功率達(dá)到99.5%并通過了產(chǎn)品調(diào)試和測試,各項(xiàng)性能指標(biāo)完全滿足設(shè)計(jì)及優(yōu)化預(yù)期。

4 結(jié)語

該問題的解決過程、思路和方法,充分體現(xiàn)了系統(tǒng)思維及綜合應(yīng)用已有的技術(shù)手段,突破產(chǎn)品小型化、輕量化設(shè)計(jì)以及器件發(fā)展帶來的新挑戰(zhàn);形成的解決思路和措施以及具體的實(shí)現(xiàn)方法,可以作為采用類似印制板雙面設(shè)計(jì)使用SSMP插座布局、實(shí)現(xiàn)小型化的各型產(chǎn)品使用,不僅適用于航天各種平臺(tái),對其他機(jī)載、地面及船載以及民用行業(yè),只要選用類似連接器進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)纳漕l及微波部、組件裝配,均可以適用,具有廣泛的參考借鑒價(jià)值。