一種電子裝聯(lián)高集成高可靠性工藝方案

背景描述

現(xiàn)代電子裝聯(lián)主流工藝技術(shù)可分為表面貼裝技術(shù)（SMT，Surface Mounted Technology）和通孔插件技術(shù)（THT，Through Hole Technology）。

表貼安裝具有高集成（母板無需開孔、內(nèi)層可自由走線、底層可布局元器件）、可機(jī)貼再流焊以及能兼容不同厚度母板等優(yōu)點(diǎn)，但是局限于小尺寸（大尺寸共面度差）、小功率（PCB表層通流）元器件，且焊接容易偏移，焊點(diǎn)可靠性低。

插件通孔安裝適用大尺寸（無共面度要求）、大功率（PCB各層通流）元器件，且焊接無偏移，焊點(diǎn)可靠性高。但是也具有無法高集成（母板需開通孔、內(nèi)層走線避讓、底層禁布元器件）、無法機(jī)貼以及不能兼容不同厚度母板等缺陷。

因此，急需一種新的電子裝聯(lián)方法，解決目前SMT和THT面臨的缺陷，以提高電路板組件的裝聯(lián)可靠性和高集成性。

如下圖1所示，對SMT和THT技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分類，發(fā)現(xiàn)SMT技術(shù)缺點(diǎn)可通過THT技術(shù)解決，THT技術(shù)缺點(diǎn)可通過SMT技術(shù)解決，兩者優(yōu)劣勢互補(bǔ)。因此發(fā)明一種新的兼容表面安裝和插件通孔安裝形態(tài)的盲槽結(jié)構(gòu)，即盲槽裝聯(lián)方案來解決該矛盾。

圖1 表面裝聯(lián)、通孔裝聯(lián)和盲槽裝聯(lián)方案對比

盲槽裝聯(lián)方案

方案原理

如下圖2所示，元器件1設(shè)置有導(dǎo)電引腳2，其中導(dǎo)電引腳2可以是一個或多個，導(dǎo)電引腳2的形狀及高度可以根據(jù)需要設(shè)定，在此不做限定。

印制電路板4開設(shè)有金屬化盲槽6，盲槽6底部可位于印制電路板4的任意一層。首先確認(rèn)待裝聯(lián)的元器件1各個導(dǎo)電引腳2對應(yīng)的導(dǎo)電參數(shù)。該導(dǎo)電參數(shù)包括導(dǎo)電引腳的大小、形狀、導(dǎo)電引腳間距等；然后根據(jù)導(dǎo)電引腳參數(shù)確定盲槽6的設(shè)計(jì)參數(shù)；最后根據(jù)盲槽6的設(shè)計(jì)參數(shù)，通過鉆孔設(shè)備在印制電路板4上開設(shè)盲槽6。

進(jìn)一步，在盲槽6內(nèi)以及周側(cè)環(huán)形焊盤5上填充錫膏3，并將待裝聯(lián)的元器件1的導(dǎo)電引腳2插接到填充有錫膏3的盲槽6內(nèi)，從而利用盲槽6對導(dǎo)電引腳2進(jìn)行限位，便于元器件1精準(zhǔn)安裝于印制電路板4上。最后通過回流焊等方式將元器件1的導(dǎo)電引腳2固定于印制電路板4上，得到電路板組件。

（1）利用盲槽6對元器件1引腳2進(jìn)行限位，使得元器件1可以精準(zhǔn)固定于印制電路板4上，從而解決元器件1表面安裝焊接移位問題。

（2）通過鋼網(wǎng)印刷錫膏3至盲槽6內(nèi)，利用盲槽6內(nèi)錫膏3彌補(bǔ)元器件1在生產(chǎn)過程中存在的引腳高度差，從而解決大尺寸表貼元器件引腳共面度差導(dǎo)致的虛焊問題。

（3）盲槽6內(nèi)形成有導(dǎo)電層，在焊接過程有效增加元器件1的導(dǎo)電引腳2與印制電路板4的有效焊接面積，從而可以有效增強(qiáng)對應(yīng)焊點(diǎn)的焊接強(qiáng)度，解決表貼元器件焊點(diǎn)可靠性差問題。

（4）盲槽6表面可以連接表層線路，側(cè)壁可選擇連接內(nèi)層線路，從而盲槽6可通過更大的電流，使得印制電路板4可以承載大功率的元器件1。

（5）通過盲槽結(jié)構(gòu)，印制電路板4無需開設(shè)通孔，因此PCB內(nèi)層和底層可自由走線，背面可自由布局元器件1，從而解決插件元器件裝聯(lián)母板PCB無法高集成問題。

（6）印制電路板4無需開設(shè)通孔，因此PCB板強(qiáng)度在可控范圍內(nèi)，使得PCB板受熱發(fā)生彎曲的程度降低，進(jìn)而提高元器件1和印制電路板4的裝聯(lián)可靠性。

（7）通過調(diào)控盲槽6的大小，解決元器件1機(jī)貼時(shí)導(dǎo)電引腳2無法同時(shí)順利插入盲槽6的問題?；谠谟≈齐娐钒?上開設(shè)通孔，若通孔尺寸過小，則元器件1引腳2無法順利插接到通孔內(nèi)；若通孔尺寸過大，則在焊接過程中容易出現(xiàn)焊接缺陷，如通孔回流焊接容易掉錫、少錫，波峰焊接容易翻錫，均影響焊接質(zhì)量。

（8）通過統(tǒng)一盲槽6深度，解決元器件1引腳2長度不能兼容不同厚度印制電路板4的問題。

圖2盲槽裝聯(lián)方案示意圖

（1元器件；2引腳；3焊錫；4印制電路板；△h引腳高度差；5盲槽環(huán)形焊盤；6盲槽）

方案設(shè)計(jì)

選取某模塊為研究對象，引腳直徑Φ1.5mm，引腳共面度≤0.5mm?？紤]系統(tǒng)產(chǎn)品一般母板板厚≥1.6mm，以及一般元器件引腳共面度≤0.5mm，因此設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)板板厚2mm，盲槽直徑Φ3mm，盲槽環(huán)寬0.5mm。此外，為探究盲槽深度較佳點(diǎn)，設(shè)計(jì)0.5mm、0.8mm和1.0mm三種不同深度盲槽進(jìn)行同步研究。

設(shè)計(jì)盲槽鋼網(wǎng)開口直徑Φ3.2mm，架0.2mm寬的一字橋，開口厚度0.12mm。設(shè)計(jì)爐溫參數(shù)見下表1：

為驗(yàn)證盲槽裝聯(lián)方案效果，從DFM和DFR角度，設(shè)計(jì)下表2和表3實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評估。

方案驗(yàn)證

DFM實(shí)驗(yàn)

（1）印錫：0.5mm、0.8mm和1.0mm深盲槽印錫均無SPI報(bào)警，印錫正常。印錫效果如下圖3所示：

圖3：盲槽印錫效果

（2）貼片：0.5mm、0.8mm和1.0mm深盲槽機(jī)貼無模塊引腳插入不良或拋料，機(jī)貼良率100%。貼片效果如下圖4所示：

圖4：盲槽貼片效果圖

（3）焊接：如下圖5所示：盲槽深0.5mm焊點(diǎn)飽滿，形態(tài)最佳；盲槽深0.8mm焊點(diǎn)欠飽滿；盲槽深1.0mm焊點(diǎn)明顯凹陷，形態(tài)相對較差。三種不同深度盲槽，均無爐后焊接移位現(xiàn)象。

圖5：盲槽焊接效果圖

金相實(shí)驗(yàn)：對焊接后0.5mm、0.8mm和1.0mm深盲槽各取2塊進(jìn)行切片，結(jié)果如下：

a、盲槽深0.5mm：焊接質(zhì)量好，無空洞。

圖6：0.5mm深盲槽縱向和橫向切片結(jié)果

b、盲槽深0.8mm：焊接質(zhì)量好，無空洞。

圖7：0.8mm深盲槽縱向和橫向切片結(jié)果

c、盲槽深1.0mm：焊接有空洞存在，如下圖8橫向切片結(jié)果所示。

圖8：1.0mm深盲槽縱向和橫向切片結(jié)果

（4）返修：對回流焊接后0.5mm和0.8mm深盲槽進(jìn)行5次返修驗(yàn)證，目檢、X-ray檢驗(yàn)無異常，切片無異常，結(jié)果匯總見表4。

小結(jié)：0.5mm和0.8mm深盲槽方案印錫、貼片、焊接和5次返修均正常。1.0mm深盲槽方案焊接存在空洞。DFM實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總見表5。

DFR實(shí)驗(yàn)

根據(jù)DFM實(shí)驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)選0.5mm、0.8mm深盲槽實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行可靠性實(shí)驗(yàn)評估，具體測試項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

（1）功能測試：0.5mm、0.8mm和1.0mm深盲槽方案實(shí)驗(yàn)板上電均正常，各項(xiàng)功能指標(biāo)達(dá)標(biāo)，且紋波無明顯波動。

（2）拉拔力實(shí)驗(yàn)：使用數(shù)顯式推拉力計(jì)對不同深度盲槽進(jìn)行拉拔力測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見下表6。

從表6可知，0.5mm、0.8mm和1.0mm深盲槽方案焊接強(qiáng)度均＞320N，遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)表貼方案200N，且焊接強(qiáng)度與盲槽深度在0.5mm~1.0mm范圍內(nèi)成正相關(guān)。從拉拔實(shí)驗(yàn)后實(shí)驗(yàn)板形貌上看，焊點(diǎn)非薄弱點(diǎn)，主要為插針斷裂，或盲槽與基材剝離，如下圖9所示：

圖9：插針斷裂、盲槽與基材剝離實(shí)物圖

（3）溫沖實(shí)驗(yàn)：0.5mm和0.8mm深盲槽實(shí)驗(yàn)板3次返修后，進(jìn)行170循環(huán)高低溫沖擊實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)板上電均正常，各項(xiàng)功能指標(biāo)達(dá)標(biāo)，且紋波無明顯波動。進(jìn)行切片實(shí)驗(yàn)，焊點(diǎn)和盲槽均正常，無明顯空洞或裂紋，詳情見下圖10。

圖10：溫沖實(shí)驗(yàn)后切片結(jié)果

備注：

a、高低溫沖擊條件：-40℃（保溫0.5h）~120℃（保溫0.5h），溫度轉(zhuǎn)變時(shí)間10秒內(nèi)，170個循環(huán)；b、返修工具：BGA返修臺；

（4）溫循實(shí)驗(yàn)：0.5mm、0.8mm和1.0mm深盲槽實(shí)驗(yàn)板隨機(jī)選33臺進(jìn)行溫循實(shí)驗(yàn)，500循環(huán)后上電正常，各項(xiàng)功能指標(biāo)達(dá)標(biāo)，且紋波無明顯波動。

備注：溫度循環(huán)條件：-40℃（保溫0.5h）~125℃（保溫0.5h），溫度變化率20℃/分鐘，500個循環(huán)；

小結(jié)：如下表7所示，0.5mm、0.8mm和1.0mm深盲槽實(shí)驗(yàn)板功能測試均正常；焊接強(qiáng)度均＞320N，遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)表貼方案200N；板級溫循500cycle，上電均正常。0.5mm和0.8mm深盲槽實(shí)驗(yàn)板3次返修后，進(jìn)行170循環(huán)高低溫沖擊實(shí)驗(yàn)，焊點(diǎn)和盲槽均正常，無明顯空洞或裂紋。

實(shí)驗(yàn)總結(jié)

從下表8中DFM和DFR實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，盲槽裝聯(lián)方案可行性好，能很好解決目前SMT和THT面臨的缺陷，提高電路板組件的裝聯(lián)可靠性和高集成性。

從不同方案實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比可知，0.5mm~0.8mm深盲槽滿足各項(xiàng)指標(biāo)要求，為盲槽深度較優(yōu)選擇區(qū)間。

總結(jié)

本文通過設(shè)計(jì)一種兼容表面安裝和插件通孔安裝形態(tài)的盲槽結(jié)構(gòu)即盲槽裝聯(lián)方案，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證能很好解決目前SMT和THT缺陷，顯著提高電路板組件的裝聯(lián)可靠性和高集成性。主要創(chuàng)新點(diǎn)和收益如下：

（1）利用盲槽對元器件引腳進(jìn)行物理限位，解決表貼元器件貼片或手補(bǔ)反向問題，以及元器件回流焊接過程中引腳移位問題。

（2）通過鋼網(wǎng)印刷錫膏至盲槽內(nèi)，利用盲槽內(nèi)錫膏彌補(bǔ)元器件在生產(chǎn)過程中存在的引腳高度差，從而解決大尺寸表貼元器件引腳共面度差導(dǎo)致的虛焊問題。

（3）盲槽內(nèi)形成有導(dǎo)電層，在焊接過程有效增加元器件導(dǎo)電引腳與印制電路板的有效焊接面積，從而可以有效增強(qiáng)對應(yīng)焊點(diǎn)的焊接強(qiáng)度，解決表貼元器件焊點(diǎn)可靠性差問題。

（4）盲槽表面可以連接表層線路，側(cè)壁可選擇連接內(nèi)層線路，從而盲槽可通過更大的電流，使得印制電路板可以承載大功率元器件。

（5）通過盲槽結(jié)構(gòu)，印制電路板無需開通孔，PCB內(nèi)層和底層可自由走線，背面可自由布局元器件，解決插件元器件裝聯(lián)母板PCB無法高集成問題。

（6）印制電路板無需開設(shè)通孔，因此PCB板強(qiáng)度在可控范圍內(nèi)，使得PCB板受熱發(fā)生彎曲的程度降低，進(jìn)而提高元器件和印制電路板的裝聯(lián)可靠性。

（7）通過調(diào)控盲槽大小，解決插件元器件機(jī)貼時(shí)引腳無法同時(shí)順利插入通孔問題。

（8）通過統(tǒng)一盲槽深度，解決插件元器件引腳長度不能兼容不同厚度印制電路板問題。

作者簡介：劉敏波，男，畢業(yè)于中南大學(xué)，研究生學(xué)歷，高級工程師，主要從事電子裝聯(lián)工藝研究，有多年工藝研發(fā)工作經(jīng)驗(yàn)。

審核編輯：湯梓紅