鄭國洪

(中國電子科技集團公司第十研究所,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、衛(wèi)星、導彈等升空武器平臺,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上使用的電子設(shè)備體積、重量減少,性能提高,可靠性達到更高的水平;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,一系列先進電氣互聯(lián)方式和對應的工藝技術(shù)應運而生。

一方面是軍用電子裝備小型化、輕量化的強烈需求,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。為適應這類信號傳輸要求,小型化的SMP連接器應運而生。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)過近幾年的應用(關(guān)于該類連接器裝配工藝論述可參見文獻[2-4]),從焊接封裝設(shè)計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現(xiàn)通孔焊接,采用全SMT表面組裝實現(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引腳實現(xiàn)兩點接地及承擔插拔和使用過程中的各種應力, 其信號傳輸質(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引腳通過再流焊實現(xiàn)結(jié)構(gòu)固定和信號傳輸,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、縫隙等導致結(jié)構(gòu)強度不足,多次插拔及使用應力作用會導致連接器與印制板連接傳輸信號質(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

為了彌補上述器件固有的不足,實現(xiàn)更良好的接地及長期連接可靠性,器件廠家設(shè)計了表貼+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],但目前各類文獻資料和報道中,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)計狀態(tài)下這類連接器的裝配技術(shù)難題,達到不同平臺對裝配質(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

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、連接強度要求高(需要能承受100 N拉力[6])等難點需求,通過網(wǎng)板圖形優(yōu)化、雙面涂覆焊膏進行通孔回流焊、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)計使用的情況下,由于連接器本身設(shè)計制作存在差異,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致中心信號引線焊接不良等(見圖5)[8];同時由于不垂直、多個連接器并用時與插頭互聯(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,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用環(huán)境的條件下帶來極大的風險和隱患(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)的風險和隱患,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、具體操作控制及驗證等方面進行梳理并進行解決。

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)的幾個典型問題,逐個開展了問題分析,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,首先核實了連接器器件狀態(tài),通過抽查同批次未焊接的連接器進行檢查,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,還會加劇這個傾斜角度,從而導致焊接后器件歪斜、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

針對這個問題,協(xié)調(diào)器件廠家進行了一輪討論,對該型產(chǎn)品技術(shù)協(xié)議進行了優(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、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](裝配時兩面均要求平整)與特殊器件之間的矛盾。為了解決這個問題,首先想到的是應保證第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](兩者同時焊接實現(xiàn))可以解決這個問題。主要實現(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個通孔封閉,在器件面通過鋼網(wǎng)印刷涂覆上焊料,要實現(xiàn)通孔回流焊,需要手工在SSMP的4個焊接通孔內(nèi)補充涂覆焊料(量根據(jù)板厚試驗確定,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,實現(xiàn)SSMP器件和其他元器件的良好焊接。

在這個焊接基礎(chǔ)上,第2面的SSMP焊接就可以按原來設(shè)計的表面貼裝+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)計有缺陷。因此,筆者對鋼網(wǎng)開口進行了改進設(shè)計,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)計圖可以看出,器件腹部接地部位為一環(huán)形帶,4個插裝通孔在環(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。為了實現(xiàn)該目的,筆者改進了焊膏鋼網(wǎng)設(shè)計,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 試驗驗證

通過上述分析和策略制定,落實改進了器件(保證器件引腳與接地面的共面度),同時優(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),進行了試驗驗證。驗證裝配工藝流程如下:器件準備(包括B面用SSMP器件引腳修正)→印制板準備(SSMP通孔焊接A面保護)→鋼網(wǎng)及焊料準備→B面焊膏印刷→按工藝補充涂覆焊膏→檢驗→元器件貼裝→檢驗→回流焊接→檢驗→A面焊膏印刷(優(yōu)化改進后的鋼網(wǎng))→檢驗→元器件貼裝→檢驗→回流焊接→通孔手工焊接→X光檢測(透錫率、其他不可見焊點如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證后,形成的產(chǎn)品通過樣板進行實時焊接參數(shù)測定[13],形成如下的焊接工藝參數(shù)(見圖12中焊接曲線)進行焊接。

圖12 焊接溫度曲線實測圖

1)力學性能驗證:焊接后通過目視檢查、X光檢測以及樣件焊接強度檢測、透錫率檢測等手段,測得樣件各項數(shù)據(jù)見表1。GJB 362B中3.5.3.4.4.3明確規(guī)定,按其附件試驗后表面貼裝焊盤應能承受345 N/cm2抗拉強度,表1中數(shù)據(jù)滿足標準要求?？估瓘姸葴y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) 驗證后照片

b) 透錫率X-ray檢測圖片

試驗驗證的同時制作了表面貼裝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現(xiàn),焊接后主要性能指標見表2。

表2 表貼及通孔焊接樣件檢測主要參數(shù)

從上述幾個衡量焊接性能好壞的指標對比看,采用表貼+通孔焊接的SSMP連接器,其抗拉強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,通過某天線各項指標測試,均滿足設(shè)計預期,通過產(chǎn)品各項溫度和力學試驗考核后,各項性能指標穩(wěn)定。由于電性能指標涉及交付裝備產(chǎn)品,不在本文中羅列對比。

3)小結(jié)分析:通過試驗驗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),運用于工程項目任務,在某彈載天線上,采用該方法,已經(jīng)完成了500余套產(chǎn)品的裝配再驗證,產(chǎn)品一次裝配成功率達到99.5%并通過了產(chǎn)品調(diào)試和測試,各項性能指標完全滿足設(shè)計及優(yōu)化預期。

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)思維及綜合應用已有的技術(shù)手段,突破產(chǎn)品小型化、輕量化設(shè)計以及器件發(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現(xiàn)方法,可以作為采用類似印制板雙面設(shè)計使用SSMP插座布局、實現(xiàn)小型化的各型產(chǎn)品使用,不僅適用于航天各種平臺,對其他機載、地面及船載以及民用行業(yè),只要選用類似連接器進行信號傳輸?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值。