互連壓接的挑戰及解決方案
壓接連接器被廣泛應用于系統互連。在多板系統 中,大部分功能性子板都是通過壓接連接器來 形成互連的。近來,由于連接器焊接端返修而 導致的銅溶解的問題,可能使壓接連接器的應用量大大增 加,特別是應用在那些使用無鉛焊接材料的復雜產品上。
隨著印刷電路板組裝(PCBA)密度的日益增加,壓 接連接器的引腳間距在不斷減小,同時PCB的層數也在增 加。由于這些因素導致PCBA產生各種缺陷,如焊盤翹起、 裂紋以及壓合層損傷等,技術方面所面臨的挑戰已經擺在 我們面前。
連接可靠性
所謂壓接連接是將連接器上的金屬引腳壓入所對應的 PCB 上的鍍銅通孔( PTH )從而形成互連。圖1所示的是一個組裝好的連接器;圖2顯示的是 PCB 上一個待插入連接器的鍍銅通孔陣列;圖3顯示的是連接器插入 PTH 通孔內的切片圖示。
有三個關鍵因素能保證一個性能良好及可靠的壓接 連接:
1、合適的壓接會形成一個正常的壓接腳與 PTH 孔壁之 間的正交力。由于針腳壓在 PTH 孔壁的正交力能形成密封 環境以及適當的電氣連接,這樣的壓接連接便是可靠的。
2、銅通孔電鍍的完整性在 PCB 與壓接連接器引腳之間 的連接可靠性上起著十分重要的作用。該完整性體現在銅 的厚度、延展性以及孔壁粗糙度方面。
3、在壓接引腳、PCB孔壁結構以及周圍的基材上沒 有額外的機械損傷。插入工藝過程應受到控制,以順利地 壓接、置入連接器并監控插入過程中不同階段的插入力: 初始力的斜率、插入力峰值、穩定后力值以及置入力。監 測插入力曲線是一個極佳的工藝控制方法,能確保連接 器、PCB 和整個工藝過程都在操作規范內運行。通過這種 方法,超出規范的狀態及缺陷都可以被檢測出來。
典型的壓接缺陷包括:針腳彎曲、焊盤翹起、裂紋、 分層、PTH孔壁被壓接針腳穿破、內層拉裂以及低保持 力。低的正交力會導致較差的電氣連接和接觸表面的腐 蝕,而高的正交力會導致 PTH 孔的損壞和基材損壞、塑膠 變形/壓接引腳的破損等。
解決問題的方法
針對主要缺陷裂紋與次要缺陷焊盤翹起,業界對裂紋 的產生原因進行了研究(見圖7)。目前已經證實存在一 個臨界應力值 Kc;低于這一臨界值,裂紋則不會發生。聚 合材料上受到持續的應力沖擊將使裂紋也繼續延伸。為了 解決這個問題,可以做出兩種假設:1、臨界應力值超出范 圍,可能是由于連接器或工藝的改變,或者是 PTH 孔徑的 減小,造成了連接器與 PCB 之間的應力大大增加;2、由 于 PCB 內部的改變,使得 PCB 內環氧樹脂的臨界應力值 有所減少。
初步的評估涵蓋了所有的三個可能原因:連接器、印 刷電路板或插入工藝。對于觀察到的裂紋和焊盤翹起,它 們都有可能是誘因。最初對連接器進行了來料檢驗,以防 止可能存在的任何明顯異常;接著對電路板的厚度、成品 板電鍍通孔的尺寸以及電路板的基本規格進行了檢查;最 后對插拔連接器所使用的工具尺寸和功能也進行了查驗。
連接器引腳的公差與PCB孔徑的公差如果不匹配, 將會是一個重大隱患;這種定位的偏移量會造成額外的應 力。連接器引腳的定位公差是由塑料外殼所控制的,直接 歸因于塑料成型的模具問題;公差超出范圍可能導致過度 磨損失效。在 PCB 方面,通孔電鍍的定位公差是由 PCB鉆孔機的精度控制的。
PCB的尺寸以及插拔工具都被檢查過,沒有檢測到明顯 的問題,但是卻發現兩個不同的供應商所生產的同一類型的 連接器有小的差別(見圖8)。這種差別體現在,與另一個 連接器相比,左側壓接針腳邊緣的壓花痕跡要明顯得多。壓 印是預制成型的,以更好地使壓接針腳的半徑跟孔的半徑相 匹配,這樣可使材質的損傷在插拔過程中降到最低。
插入工藝控制
為了嘗試區分這些 主要變量之間的不同之 處,兩個 PCB 供應商、 兩個連接器供應商和兩種 插入速度被選擇作為實驗 變量。MEP-12T 電動伺 服壓機是專用于壓接連接 器的(見圖9)。壓接控 制的關鍵變量是最大和最 小允許插入力以及插入速 度,而且操作中的每一個 步驟均是可控的。
有幾種辦法可以決定連接器插入的終止,包括Z軸-限 位柱、連接器外殼定位后斜率的增加、達到峰值壓力或插 入力在穩定狀態后有一定比例的增加等。圖10 顯示了連接 器在 PCBA 上表面被壓下時插入力的首次增加,它還顯示 了引腳剛進入 PTH 通孔時插入力的峰值、引腳進一步滑行 進入孔內時插入力的平穩值,以及連接器外殼定位后斜率 的一個顯著增加。
在連接器、印刷電路板和插入工藝過程這三個變量當 中,導致裂紋增加的可能性并不相同。根據 M Kitagawa 的研究,沒有膨脹力裂紋是不可能產生的。根據壓接連接器的特性,膨脹應力或拉伸應力是始終存在的。
然而,根據 CH Park 的研究,裂紋發生還需要臨界活 化能。
l = l0 exp[-(Q-σv)/kT]
其中:l 是開裂的速率;v 是活化體積;Q 是活化 能;σ 是在聚合物上的應力;k 為玻爾茲曼常數;T 為溫度 (開氏溫標);l0 是一個常數。是什么原因增加了裂紋的 嚴重性和發生頻率呢?
最明顯的答案在連接器上:如果插入力略微增加,這 種增加可以使轉移到 PCB 上的能量相應增加,由此裂紋也 增大了。然而,當最大應力超出可接受的范圍時,這一輪 壓接并不會繼續下去,而且應力曲線并沒有改變,這時情 況并非如此。壓接引腳邊緣的壓花(沖模拋光)程度的不 同,可導致局部應力 σ 的增加,并導致更多的裂紋產生。
至于工藝過程,唯一的由過程本身控制的變量是插入 的速度。如果插入速度降低,PCB內部的應力也許就可以 被聚合物本身的蠕變應力緩釋掉而不是形成裂紋。
PCB內的玻璃纖維布/環氧樹脂基材是一個復雜的結 構,多個因素的些許變化就可能導致裂紋的形成。如果通 孔電鍍時銅層的厚度減少,更多的能量將直接被轉移到基 材上,并很容易就超過裂紋形成的臨界值;再比如環氧聚 合物的分子結構有所改變,像分子量、分子排列方向、聚 合程度等,就可能導致活化能的變化,從而使裂紋形成。 微孔、浸漬不良、環氧樹脂與纖維布之間不良的附著力、 局部樹脂偏厚等,也都會導致機械強度的下降,從而降低 了裂紋形成所必需的活化能。
目前的難題是要區分開潛在的誘因并確定是哪些因素 導致了裂紋的產生。
結論
從實驗結果來看,所有這三個因素:連接器、印刷電 路板和壓接工藝,在裂紋的形成中都起到了十分重要的作 用。在工藝過程中,連接器的插入速度被調整到最優值; 連接器壓印雖然不是最重要的因素,但它也是一個起因, 需要與連接器供應商去溝通,使他們能夠改善引腳邊緣的 壓印質量。整個工藝過程優化之后,最顯著的影響因素實 際上是 PCB 本身。PCB 供應商調整了他們的工藝過程,使 產品完全符合規格,則裂紋產生的缺陷率和嚴重程度將大大降低。
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什么是裂紋?
裂紋常常發生在焊盤翹起的邊緣部分,在非晶態玻璃狀 聚合物(例如印制電路板中的樹脂)中的裂紋是指本來無規則 的樹脂聚合物被機械應力扭壓形成方向一致的聚合物。這個應 力會使得無規則排列的聚合物在應力點開始聚積成一致方向并 形成聚合物晶體狀排列。裂紋并不是真正的斷裂,而是由纖維 和空洞組成。這種重新排列后的聚合物呈現出纖維狀暗沉的外 觀。通常在有裂紋的區域和沒有受到損壞的區域有著明顯的分 界線。隨著應變力不斷增加,纖維漸漸增長,并最終斷裂導致 裂縫的形成和 PCB 的分層。裂紋通常在應變點的邊緣被發現, 而且是導致印刷電路板內部分層的一個先兆。
IPC標準假定了最壞的案例,并確定了裂紋發生的典型部 位。它把 PCB 裂紋定義為一個內部情形,因為這只發生在玻璃 纖維與樹脂分離后的壓合基材內部。這種情形下,裂紋會在基材 表面下部呈現出連續性或者交 叉形的白斑形式,而且通常都 與機械誘導應力有關。PCB 結 構的局部損壞能造成機械密封 的失效,使得化學物質容易進 入并降低 PCB 的完整性;由 此產生的缺陷包括孔壁與內部 電路的分離以及金屬枝晶的生 長。
圖4顯示了一個典型的裂 紋頂部視圖——在壓接連接器 已被移除之后。
正如經常做生產資格認證或為了返修,需要將連接器拿 掉才能觀察到PCB上的情形,圖5和圖6顯示了壓接連接器插入PCB 所造成的裂紋的切片截面。
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聯系作者:
Phil Isaacs:pisaacs@us.ibm.com;Alex Chen:achen@celestica.com。
更正:
本刊2011年5/6月刊第8頁,《ProActiv:混裝工藝 的新印刷技術》中圖1的計算公式應該為:
面積比(長形孔)=開孔面積(L×W)/孔壁面積2t(L+W); 面積比(圓形孔)=開孔面積(πr2)/孔壁面積t(2πr)。特此更正!