航天器用板間長針連接器焊接難點與工藝方法研究

白 邈 陳 曦 張煜堃 楊 志

?

航天器用板間長針連接器焊接難點與工藝方法研究

白 邈 陳 曦 張煜堃 楊 志

（北京空間機電研究所，北京 100094）

詳細分析了手工焊接、選擇性波峰焊接、通孔回流焊接等工藝方法焊接此類電連接器的局限性，提出了應(yīng)用預(yù)成型焊片焊接的工藝新方法。生產(chǎn)實踐證明，此種工藝方法實施過程簡單，焊接質(zhì)量良好，裝聯(lián)效率大幅提高。

板間長針電連接器；預(yù)成型焊片；焊接方法

1 引言

隨著電子產(chǎn)品向高密度、輕小型化發(fā)展，電路板、電子單機的集成度也越來越高，板間長針電連接器作為電路板之間電氣互連的橋梁，在航天產(chǎn)品層落式電子單機中大量使用，取代傳統(tǒng)使用導(dǎo)線進行電氣連接的形式，大大降低了電氣機箱的體積、重量和裝聯(lián)復(fù)雜性。板間長針電連接器實物見圖1，應(yīng)用方式見圖2。

目前通孔類器件常用的焊接方法有：手工焊接、選擇性波峰焊接、通孔回流焊接等，在焊接板間長針連接器中均存在局限性。本文提出了應(yīng)用預(yù)成型焊片焊接板間長針連接器的工藝新方法。

圖1 板間長針連接器實物圖

圖2 板間電連接器應(yīng)用方式示意圖

2 板間連接器焊接要求

板間長針電連接器具有很好實用優(yōu)勢的同時，也給裝聯(lián)生產(chǎn)帶來了新的挑戰(zhàn)：

a. 長插針前部不可以沾焊錫（針長有15.0mm、17.5mm、19.5mm、22.5mm等），故無法使用波峰焊接；

b. 插針密度高，引腳間距和每排間距均較小（間距一般為1.905mm、2.54mm等），存在手工焊接空間不足，焊點易橋連等問題；

c. 軍工標(biāo)準(zhǔn)要求“焊料一般占滿元件面和焊接面焊盤，并且360°圓周覆蓋焊盤，孔內(nèi)焊料應(yīng)百分之百填充，元件面焊料至少覆蓋25%的焊盤面積”[1]，而板間長針連接器引腳中有很多與大面積覆銅層連接，出現(xiàn)過錫不良等問題。

3 傳統(tǒng)焊接方法焊接板間長針連接器存在的問題

3.1 電烙鐵手工焊接

電烙鐵手工焊接是通孔器件裝聯(lián)中最為傳統(tǒng)與成熟的工藝方法，其優(yōu)點是操作人員不需要借助大型、復(fù)雜的儀器設(shè)備，只需一把電烙鐵、一卷焊錫絲和一些助焊劑就可以完成焊接工作，適用于直插件數(shù)量少、批量小的任務(wù)；缺點是焊接質(zhì)量的好壞主要取決于操作人員的技能水平，效率較低且一致性差。

由于板間連接器插針間距小、長度長，普通電烙鐵頭一般較粗，無法伸入到板間連接器中間排，所以普通電烙鐵只能完成兩排插針板間電連接器的焊接。通過選用細長型的烙鐵頭，可以解決三排插針交錯排布板間連接器中間排的焊接問題，但細小的烙鐵頭熱容量小，能夠傳遞到焊接部位的熱量往往不能滿足與大面積覆銅層連接通孔的焊接需要，出現(xiàn)焊點過錫不良等質(zhì)量問題。

當(dāng)焊接三排插針對齊排布的板間連接器時，外側(cè)兩排插針將中間排擋住，烙鐵頭很難伸入完成焊接。手工焊接板間連接器示意圖如圖3所示。

a 可以完成焊接 b 可以完成焊接，中間排焊點質(zhì)量不能保證 c 可以完成焊接 d 無法完成焊接，烙鐵頭無法伸入中間排

3.2 選擇性波峰焊接

選擇性波峰焊接是近些年興起的一種通孔器件焊接方法。選擇性波峰焊設(shè)備最早出現(xiàn)于1990年，由德國ERSA公司研制，用于完成高可靠性產(chǎn)品電路板上通孔器件的焊接，其優(yōu)點是助焊劑涂布精確，預(yù)熱溫度適當(dāng)，焊接時間可獨立調(diào)節(jié)，焊接質(zhì)量可充分保證[2]。

圖4 選擇性波峰焊接噴嘴

選擇性波峰焊接的主要焊接方式為拖焊和浸焊。通過使用微小的噴嘴，形成直徑為幾毫米的柱狀波或小的矩形波，對單點或局部區(qū)域逐點焊接的過程[3]，如圖4所示。對于焊接本文所述的板間長插針連接器，不論是拖焊還是浸焊的焊接方式，都會使長插針浸入到焊錫中，顯然不能滿足插針前部不允許沾焊錫的要求。

3.3 通孔回流焊接

通孔回流焊接是應(yīng)用表面裝聯(lián)手段實現(xiàn)通孔器件焊接的一種工藝方法。在印制電路板進行表貼元器件組裝時，同時將焊錫膏印刷在特別設(shè)計的通孔焊盤上，然后插裝通孔器件，最后通孔器件和表貼元器件一起進行回流焊接。

圖5 焊錫膏印刷要求

由于通孔器件焊接要求在引線的兩面均形成可靠焊點，故通孔焊點的焊錫需求量要比表貼器件焊點多。一般認為金屬含量占錫膏質(zhì)量的90%，其體積比約為50%，即收縮因子為1/2[4]。因此，如何保證印刷焊錫膏的體積，是通孔回流焊接成敗的關(guān)鍵因素。焊錫膏印刷要求如圖5所示，鋼網(wǎng)開口應(yīng)比實際焊片有所擴大，焊錫膏在印制電路板下方呈“水滴”狀。

普通插裝器件的通孔回流焊接工藝過程如圖6所示，焊錫膏填滿焊盤孔，器件插裝時，引腳會將孔內(nèi)焊錫膏頂出，回流焊接過程，焊錫膏熔化后在焊盤及引腳上潤濕，形成焊點。此種工藝方法對于露出焊接面引腳長度的要求是不大于2mm，露出的引腳過長會將焊錫膏帶走，回流焊接過程熔化的焊錫膏在引腳末端形成焊錫球，同時造成通孔內(nèi)的焊錫量不足。因此，此種形式通孔回流焊接工藝方法會使板間電連接器長針前部沾有焊錫，不滿足其裝聯(lián)要求。

4 應(yīng)用預(yù)成型焊片焊接板間長針電連接器

預(yù)成型焊片是已經(jīng)做成精密成型的固體焊錫，它可以按照實際使用需求做成各種各樣的形狀，如圓形、矩形、圓環(huán)形等，通過與表貼元器件同時進行回流焊接而實現(xiàn)SMT和THT生產(chǎn)在一個工序內(nèi)完成。

預(yù)成型焊片可以獨立使用，也可以與焊錫膏一起使用，作為焊錫膏的補充，為焊點提供符合要求的焊錫量，見圖7。圖7a所示形式工藝實施更為簡單高效。

a 預(yù)成型焊片單獨使用 b 預(yù)成型焊片與焊錫膏配合使用

4.1 預(yù)成型焊片體積的計算

圖8 理想通孔焊點簡化計算模型

為了獲得良好的焊接效果，預(yù)成型焊片的體積一般應(yīng)大于計算出理想焊點體積的10%～20%。理想的通孔焊點的體積可以依照圖8所示的簡化模型計算，焊點的潤濕角應(yīng)小于90°，以15°～45°最好，本文假定潤濕角為45°，將焊點劃分為上表面top、下表面bot和孔內(nèi)hole三個部分。

上、下表面的焊錫體積近似相等，均為圓臺體積減掉中心圓柱體積，計算公式為：

（1）

式（1）中，圓臺的高度為焊盤半徑減去引腳半徑，即（-）；

孔內(nèi)焊錫體積為通孔圓柱體積剪掉引腳圓柱體積，計算公式為：

式（2）中，圓柱高度為電路板厚度，通孔半徑為。

綜上，理想焊點的體積為：

4.2 工藝過程

應(yīng)用預(yù)成型焊片焊接板間長針連接器的工藝實施過程不需要增加任何新的電裝設(shè)備，只需在電路板正常的SMT工藝流程中加入板間連接器的裝配和預(yù)成型焊片的安裝，具體流程如下：

a. 印制板A面進行焊錫膏涂覆；

b. 印制板A面表貼元器件貼裝；

c. 通過緊固件將板間連接器安裝到電路板上，安裝過程需注意不能觸碰已經(jīng)貼裝的表貼元器件；

d. 將預(yù)成型焊片套在長針根部；

e. 進行印制板A面回流焊接。

f. 焊點清洗與外觀質(zhì)量檢查

上述流程可以在印制板A面表貼元器件裝聯(lián)的同時完成板間長針連接器的焊接。

4.3 焊接質(zhì)量

圖9為應(yīng)用預(yù)成型焊片焊接板間長針連接器的焊點外觀圖、X光透視圖和剖視圖，可見焊點表面光滑、無毛刺、無氣孔，電路板兩側(cè)均潤濕良好、孔內(nèi)100%填充焊錫，多排板間長針連接器中間排引腳焊點與兩側(cè)排焊點質(zhì)量一致，符合軍工標(biāo)準(zhǔn)對于通孔焊點的要求。生產(chǎn)過程中極少出現(xiàn)橋連、虛焊等質(zhì)量問題，返修率非常低。

a 焊接面焊點外觀 b 元件面焊點外觀 c 焊點透視圖 d 焊點剖切圖

5 結(jié)束語

通過上述各種焊接方法對比分析可以看出，板間長插針電連接器的焊接在實際生產(chǎn)中具有一定難度，使用傳統(tǒng)的通孔焊接工藝方法存在局限性，應(yīng)用預(yù)成型焊片、回流焊接的方法可以解決此類電連接器焊接的難題，實現(xiàn)了板間長針連接器和表貼元器件同時完成焊接，減少了電烙鐵手工焊接或波峰焊接所用的時間和電路板所承受的熱沖擊，保證了焊接質(zhì)量的同時提高了電子裝聯(lián)生產(chǎn)效率和SMT設(shè)備的使用率。

1 Q/W 1261－2010 航天器電子電氣產(chǎn)品手工焊接技術(shù)要求[S]

2 魏子陵. 回流技術(shù)在通孔雙面焊工藝中的新應(yīng)用[J]. 電子工程師，2008，34(6)：54～56

3 Gerjan Diepstraten. Selective soldering[J]. Circuits Assembly, 2002, 13(9): 38～42

4 張艷鵬，孫守紅，王玉龍. 通孔回流焊過程中錫膏收縮因子的晶體學(xué)建模[J]. 電子工藝技術(shù)，2015，36(1)：21～24

Research on Soldering Difficulties and Process Methods of PCB Electrical Connectors for Spacecraft

Bai Miao Chen Xi Zhang Yukun Yang Zhi

(Beijing Institute of Space Mechanics and Electricity, Beijing 100094)

This paper analyzes the limitations of hand soldering, selective wave soldering and through hole reflow soldering for PCB electrical connectors, and proposes a new soldering method with soldering perform. Practice indicates that this soldering method is simple in operation, the soldering quality is good, and the assembling efficiency is greatly improved.

PCB electrical connectors；solder perform；soldering method

2017-04-25

白邈（1987），工程師，電氣工程及其自動化專業(yè)；研究方向：電子裝聯(lián)工藝技術(shù)。