如何开发高质量的SMT连接器？
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现代模组制造的特点是功能和组件密度高，因此对微型化的需求不断增加，而印刷电路板上组件的表面要求却降低了。同时，重点也放在了成本优化的制造上。在过去几年中，这种制造对以往使用波峰焊技术进行组装的组件和连接器的集成度不断提高产生了重大影响。
一、表面贴装——模组制造的基础 表面贴装技术是现代模组制造中的基础之一，并且是数十年来优化模组制造工艺的结果。从带线组件手工组装向自动表面贴装(SMT)的转变，使得模组制造在成本效益高、质量高且不易出错等生产工艺方面得到优化。 与带线组件的通孔组件相比，SMD组件具有可焊接的连接表面，这些表面直接焊接到印刷电路板的上侧。在该工艺中，需要在印刷电路板的接触面上印刷焊锡膏、焊锡颗粒和助焊剂的混合物。然后将SMD组件上的焊料触点放入锡膏中，并在回流焊炉中进行焊接(图1)。
图1：表面贴装工艺流程。 开发SMD组件的一个驱动因素是小型化，以及随之而来的印刷电路板上接触密度和功能性的增加。因此，重点是优化具有电子功能的组件(电阻器、二极管或IC)。随着组件可用性的提高，诸如连接器之类的接口组件也受到关注。如今，在SMD中已经使用了低电流负载和低机械应变要求的连接器。目前，有两种方式来集成对载流量和机械功能有很高要求的连接器——在第二步工艺中将其焊接成标准组件，或者在SMD工艺中通过通孔回流焊接(THR)技术进行集成。 二、通孔回流焊技术的基本原理 通孔回流焊接法将SMT制造工艺的步骤应用于具有通孔的PCB和具有通孔触点的组件。如今，该方法的功能原理被认为已经确立，并且在单独的标准DIN EN61760-3中已作了规范说明。焊接工艺的结果满足IPC A 610的相应要求。 THR工艺提供了将有线组件的机械稳定性与表面贴装技术的效率相结合的方法。在THR工艺中，使用相同的工艺设备将焊膏压入通孔中。压入孔中的焊膏量必须与最终焊点所需的体积保持平衡。 涂上焊膏后，将THR组件组装到孔中;在此工艺中，某些焊料被引脚尖推过孔的底部，但仍粘附在引脚尖上。在回流炉的熔化工艺中，该焊料会被抽回到孔中，并在两侧形成相应的焊接弯月面。THR焊点的机械稳定性与波峰焊点的机械稳定性相当(图2)。
图2：通孔回流焊工艺流程。 三、SMD和THR连接器回流工艺 使用不同的焊接技术的组件通常需要多个系统(波峰焊/回流焊系统)的支持，而且印刷电路板也要分阶段组装。同时使用SMD和THR PCB连接技术旨在减少生产步骤，并且仅使用一种焊接工艺即可制造模块。同时，应尽可能避免对现有生产设备或工艺控制系统进行调整。无论使用哪种组装方法(SMD或THR)，都必须引脚对SMT贴装的各个工艺步骤以及相应的要求来开发组件。 除了对组件本身的要求外，组件及其处理必须相应地集成到工艺链中，基本步骤包括：通过印刷施加焊膏(图3)，组件组装(图4)，回流焊(图5)，最后进行检查，并对焊点进行定性评估(图6)。
集成的目的是为了能够使用相同的设备，在相同的工艺中，在相同的条件下同时处理有线通孔THR组件和可表面贴装的SMT组件。只有这样，才能减少工艺步骤的数量(例如无需进行额外的波峰焊接)，并实现更具成本效益的模组制造。 四、回流焊工艺中对连接器的要求 为了能够在SMT工艺中使用，组件必须满足几何形状、所用材料和表面以及封装等要求，特别是连接器，需要进行相应的调整。 4.1普适要求 以下要求适用于仅用于SMD的连接器和THR连接器。 高温塑料(HT) 短期高温耐受性是SMD或THR组件塑料要求文件中的首要考虑因素。但是，与此同时，该组件的性能范围应与可波焊版本的性能范围尽可能地偏离。HT塑料的绝缘数据部分明显低于标准塑料的绝缘数据。因此，预计额定数据/额定电压会较低。 目前，相关要求规定要使用聚酰胺(例如PA 4.6)、LCP(液晶聚合物)和PCT。选择的决定性因素包括组件的计划几何形状、回流焊炉中的预期工艺窗口(温度负荷)、计划的封装支出以及与此相关的最终价格。 由特定高温塑料制成的组件的可加工性通常符合IPC / JEDEC J-STD-020标准。 吸气区可实现最佳组装 自动组装是SMD贴装的先决条件。自动组装是SMD安装的先决条件。除了常用的传递方式外，例如在胶带或托盘系统中，其重点是要能够把封装取出。因此组件必须具有光滑的吸力表面，以便在不使用任何特殊夹持器或特殊移液器的情况下，尽可能地用自动装置的安装头拾取它们(图7/8)。
然后可以用标准真空移液器将它们吸起并移动。如果没有合适的表面或表面太小，则组件必须安装额外的取放垫(图9)。理想情况下，能够通过自动设备组装的组件不需要额外的垫片。
组件下方间隙 焊膏在塑料零件上的接触和不确定的熔化会出现残留的焊球或焊桥，在最坏的情况下，它们会导致模块短路。因此，组件应尽可能在焊引脚或表面触点周围留有较大的空隙(图10)，并应具有隔离物，即所谓的“支架”。 此外，还必须通过接触垫(图11)或残留环的布局来确保组件的绝缘体与焊膏之间没有接触。
彩色SMD / THR组件 回流焊接工艺中的组件应尽可能涂成黑色——这样可确保触点与外壳之间有特别好的分界，并便于通过相机系统捕获图像进行组装。 仅当彩色颜料具有适当的热稳定性，并且在某些应用中具有紫外线稳定性时(图13)，才可以使用彩色组件(图12)。目前可用的调色板是有限的，并且取决于基础材料(聚酰胺或聚合物)。尽管金属与彩色外壳的对比度很差，但由于改进了曝光和对比度成像功能，现代相机系统仍能够捕获必要的细节。
镀金触点 镀金触点系统的使用是很关键的，特别是在焊料领域中的使用，因为形成的锡金结构会随时间而变脆，从而可能损坏焊点。与波峰焊相比，由于焊膏/焊锡的数量有限，在THR和SMD组件的焊点中会残留一定数量的金。但有许多方式可以绕过这种风险。例如，Phoenix Contact的引脚可用部分镀金(图14)。接触面通常镀金，焊料面镀锡(图15)。
如果由于制造工艺或由于应用原因，很多产品仍然使用完全镀金的触点(图16)，这样就必须指定焊点中残留的金量。根据EN 61191的规定，残留金量不得超过1.4%。所有Phoenix Contact 的SMD / THR接触系统均以此为基础进行计算。 4.2 THR组件的特殊要求 THR技术的应用领域 引脚浸锡膏法(pin-in-paste)的工艺窗口由引脚横截面、孔直径和印刷电路板厚度之间的关系确定。此外，还有一些特殊的要求，主要与引脚的长度和引脚位置公差有关。 引脚浸锡膏技术的应用领域 可以使用引脚浸锡膏法的处理窗口由焊膏和孔径与印刷电路板厚度之间的关系决定。孔直径越小，越难产生足够的透印，因此就难以100%填充孔。 1.6毫米印刷电路板的直径下限约为1.0毫米。大约2.0毫米的上限直径是由丝网印刷工艺中锡膏直接排出的风险来定义的，即锡膏无法保持其在孔中的位置。 下表列出了常见组合的示例。关联孔尺寸和引脚直径的目的是确保可以轻松加工引脚。最终，操作员必须有可能制造出满足IPC A-610 3级要求的焊点。
垫设计/残留环 关于残余环的尺寸，很大程度上要符合与波峰焊垫相同的要求。考虑到空气间隙、爬电距离以及引脚周围组件下方的间隙，环的宽度应在0.2到0.5 mm之间。在较宽的环上潜在较大的焊膏量可能对焊接质量(弯月面形成)产生积极影响。 开孔直径 使用THR技术需要修改PCB布局。在这里选择正确的孔径很重要。合适的孔径一方面对于确保回流工艺中焊料的回流很重要，另一方面，孔径的大小会影响使用自动装置进行组装的能力。通过使用合适的孔尺寸，可以补偿生产公差并实现可靠的组装。实际上，增加零件长度会导致较大的生产公差。为了提高高位置大型零件的组装可靠性，可能有必要将内径进一步增加最大0.1毫米。对于Phoenix的THR组件，建议的孔径记录为每个单独系列的位置数的函数。
位置公差——斜盘圆周 通孔引脚条中引脚的位置公差表示引脚尖端在x或y方向上与零位置的允许位置偏差。斜盘周长的概念更具说明性，它描述了一个带有相应直径的圆，以表示引脚尖绕零位置的偏离。在这种情况下，例如±0.2毫米的位置公差表示一个直径为0.4毫米的圆，其中心是引脚尖的理想零位置。 当前的THR标准DIN EN61760-3将最大允许位置公差规定为±0.2毫米，斜盘周长为0.4毫米。引脚尖端在孔中的位置公差，根据标准要求，可能的斜盘圆周公差为最大直径0.4毫米。 所有Phoenix Contact THR组件均满足标准要求。此外，对于位置公差要求为±0.1 mm的应用，也可提供广泛的产品组合(图17)。
焊脚的长度 在选择合适的焊锡脚长度时，还应考虑焊接方法和焊接工艺的类型。目前，通常建议引脚伸出0.4到1.0毫米之间——对于1.6毫米厚的印刷电路板，这意味着从组件的底部引脚长度为2毫米到2.6毫米，以减少锡膏脱落的风险(锡膏脱落)。这尤其适用于汽相工艺，因为在这里，除了焊锡应用，汽相还增加了额外的负载在引脚尖的焊锡球，这可能导致锡膏滴下。然而，用极短的引脚沉在PCB上可以产生非常好的焊点。关于IPC检验，资质标准尚未确定，这意味着风险必须单独评估(图18)。
4.3 SMD组件的特殊要求 SMD组件的连接触点也要符合公差规格。另外，它们需要固定元件在回流工艺中保持其位置。 共面性和锡膏涂覆层厚度 根据DIN EN61760-1，SMD连接器表面触点的共面度应在0.1mm和0.15mm之内。然而，连接与锡膏剂的干净接触基本上取决于涂覆层的厚度，目前，通常在100至150 µm之间。因此，共面度因此必须为0.08毫米至0.1毫米。施加焊膏的可能涂层厚度取决于焊膏中锡颗粒的粒径。 焊膏根据粒径分类。共面度为100μm，这意味着一个平面上的所有接触面积必须在0 0.1mm的公差范围内，否则在某些情况下可能无法确保与焊膏的接触。在这种情况下，焊膏的涂层厚度必须至少为120μm，以确保牢固接触(图19)。
位置公差 SMD连接/焊接触点的位置公差要求与THR引脚上的要求相当。但是，在这种情况下，将指定x和y方向上的位置公差，而不是斜盘圆周。但是，根据SMD布局，公差取决于间距，它应该在±0.1毫米范围内。 安装凸台 安装凸台是集成到组件外壳中的塑料销，它们定位在没有表面涂层的孔中。它们可防止在焊接工艺中发生浮动时部件扭曲，从而防止布局出现不允许的横向偏移。是否需要安装凸台取决于组件的重量。通常，相同的位置公差也适用于安装凸台孔(图20)。 电枢 连接器的SMD电枢主要具有两个功能。首先，要增加在插入和拔出连接器时在印刷电路板上的安全定位和机械稳定性。其次，附加的电枢法兰可以在双面组装期间产生用于架空焊接的必要粘合力(图21)。
4.4组合SMD / THR组件的特殊要求 SMD触点和THR电枢金属 纯SMD连接器在设备连接技术中主要用于设备内部的板对板连接或线对板连接，较少用于直接外部设备连接。对于外部设备连接和最终用户操作，与波峰焊或THR焊接通孔连接相同，需要相同的高负载值。使用具有类似连接器尺寸的纯SMD连接器很难实现这些目标。这种情况下，使用带有SMD触点和THR电枢金属的连接器是理想的选择(图22)。这种类型的连接器还必须满足SMD和THR连接器上的要求。同时，这种结合带来了决定性的优势。
THR电枢销的双重功能 除了必要的机械稳定性外，THR电枢还采用了安装凸台的功能，并确保连接器在焊接工艺中不会移动。在SMD触点的区域中，印刷电路板次级侧的空间可用于布局。 五、回流焊工艺的零件检测 SMT工艺中使用的连接器主要根据IPC / JEDEC J-STD-020认证标准的最新版本进行测试。重点是塑料中的基本吸湿性，在焊接工艺中温度负荷的影响下，吸湿性可能导致组件起泡、分层或变形，从而损坏组件。 根据组件的尺寸和几何形状以及塑料的选择，所谓的等级是合格的，该级别明确确定了从制造到在SMT工艺中使用组件之间的处理方式。 5.1回流焊组件的峰值温度和分类温度 在基本的测试序列中，要在长达30秒的时间内进行模拟回流焊接，使组件经受最大的最佳峰值温度(在组件顶部测量)。 如今，理想的峰值温度约为260°C。然而，该标准实际上仅对外壳或壁厚较低的小型组件要求达到这些高温。随着外壳或壁厚的增加或外壳体积的增加，温度会降低。这并不意味着不应继续努力在尽可能高的峰值温度下进行测试，仅是不必要的。 这是由于以下事实：THR / SMD连接器通常包含在板上最大的组件中。所有其他组件由于其较低的热质量而升温更快，因此必须在更长的时间内承受明显更高的峰值温度。因此，即使加热温度较低，平衡的热管理也应保留较小的组件并安全焊接较大的组件。 定义所谓的分类温度Tc是为了使制造商和操作员对最大允许峰值温度有相同的理解。此外，在说明中将Tc 5°C表示合格，在焊接中将TC -5°C表示为温度安全缓冲器，以便可以最大程度排除组件损坏(图23)。 5.2回流焊组件的水分敏感性水平 除分类温度外，MSL(湿度敏感性水平)是精确描述回流工艺中组件处理方式的参数。根据组件吸收水分的能力分配级别1至6(图24)。
5.3最大允许的车间寿命=安全加工，回流工艺中不损坏 裸露处理是指从其气密封装中取出先前定义的干燥器件，并在水平指定的时间内对该器件进行处理。在这段时间内，组件可以吸收水分而不会在回流工艺中受损。因此，不能吸收水分或仅吸收少量水分的组件无需额外的干燥封装(干燥袋)，即可成为1级(“无限”)的候选对象。这些通常可以存储，并且在该工艺中具有无限的使用寿命。 吸收湿气的组件的车间寿命从1年(级别2)下降到仅几个小时(级别3-6)。这些组件需要干燥袋封装。一旦打开袋子，车间寿命就开始，并在水平指定的时间到期时结束。车间寿命到期后，必须通过重新烘烤工艺将组件恢复到初始状态(图25)。
5.4测试周期，水分敏感性水平(MSL)的鉴定 通常首先在260°C的分类温度下进行测试。仅当组件未通过测试时，才根据标准将某些组件尺寸的分类温度降至250°C或245°C;但是，首先要保持努力的水平。如果该测试也未通过，则确定新的目标水平，并以260°C的分类温度重新开始测试周期。仅当组件完成测试而没有任何损坏时，才确定最终的湿度敏感性水平。然后按照标准规格(图26)包装并贴标签，并在每个新的测试周期后检查部件是否损坏。 首先要注意在组件表面上形成水泡(图27)——可能需要进行显微切片以确定任何内部损伤(裂纹)(图28)。熔融的表面和变形还会导致零部件无法通过目标高度。
5.5 操作员 即使实际情况接近资格条件，也可能与操作员的实际情况有所偏差。最终，合适的焊接方式取决于许多因素。工艺工程师需要在电路板尺寸和厚度，组件类型和密度，焊膏和系统设备以及许多其他因素之间找到折衷方案，以便干净地焊接模块。因此，带有其分类温度的合格曲线可作为工艺工程师的参考点，以了解是否可以使用实际曲线来焊接组件(图29/30)。
5.6包装 根据IPC / JEDEC J-STD 020D确定的湿度敏感度等级(MSL)，有两种包装类型。 1级 |
