壓接連接器被廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)互連。在多板系統(tǒng) 中，大部分功能性子板都是通過(guò)壓接連接器來(lái) 形成互連的。近來(lái)，由于連接器焊接端返修而 導(dǎo)致的銅溶解的問(wèn)題，可能使壓接連接器的應(yīng)用量大大增 加，特別是應(yīng)用在那些使用無(wú)鉛焊接材料的復(fù)雜產(chǎn)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(shí)PCB的層數(shù)也在增 加。由于這些因素導(dǎo)致PCBA產(chǎn)生各種缺陷，如焊盤(pán)翹起、 裂紋以及壓合層損傷等，技術(shù)方面所面臨的挑戰(zhàn)已經(jīng)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(duì)應(yīng)的 PCB 上的鍍銅通孔( PTH )從而形成互連。圖1所示的是一個(gè)組裝好的連接器;圖2顯示的是 PCB 上一個(gè)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(nèi)的切片圖示。

　　有三個(gè)關(guān)鍵因素能保證一個(gè)性能良好及可靠的壓接 連接：

　　1、合適的壓接會(huì)形成一個(gè)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(huán)境以及適當(dāng)?shù)碾姎膺B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(xiàn)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(jié)構(gòu)以及周?chē)�的基材上沒(méi) 有額外的機(jī)械損傷。插入工藝過(guò)程應(yīng)受到控制，以順利地 壓接、置入連接器并監(jiān)控插入過(guò)程中不同階段的插入力： 初始力的斜率、插入力峰值、穩(wěn)定后力值以及置入力。監(jiān) 測(cè)插入力曲線是一個(gè)極佳的工藝控制方法，能確保連接 器、PCB 和整個(gè)工藝過(guò)程都在操作規(guī)范內(nèi)運(yùn)行。通過(guò)這種 方法，超出規(guī)范的狀態(tài)及缺陷都可以被檢測(cè)出來(lái)。

　　典型的壓接缺陷包括：針腳彎曲、焊盤(pán)翹起、裂紋、 分層、PTH孔壁被壓接針腳穿破、內(nèi)層拉裂以及低保持 力。低的正交力會(huì)導(dǎo)致較差的電氣連接和接觸表面的腐 蝕，而高的正交力會(huì)導(dǎo)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(wèn)題的方法

　　針對(duì)主要缺陷裂紋與次要缺陷焊盤(pán)翹起，業(yè)界對(duì)裂紋 的產(chǎn)生原因進(jìn)行了研究(見(jiàn)圖7)。目前已經(jīng)證實(shí)存在一 個(gè)臨界應(yīng)力值 Kc;低于這一臨界值，裂紋則不會(huì)發(fā)生。聚 合材料上受到持續(xù)的應(yīng)力沖擊將使裂紋也繼續(xù)延伸。為了 解決這個(gè)問(wèn)題，可以做出兩種假設(shè)：1、臨界應(yīng)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(yīng)力大大增加;2、由 于 PCB 內(nèi)部的改變，使得 PCB 內(nèi)環(huán)氧樹(shù)脂的臨界應(yīng)力值 有所減少。

　　初步的評(píng)估涵蓋了所有的三個(gè)可能原因：連接器、印 刷電路板或插入工藝。對(duì)于觀察到的裂紋和焊盤(pán)翹起，它 們都有可能是誘因。最初對(duì)連接器進(jìn)行了來(lái)料檢驗(yàn)，以防 止可能存在的任何明顯異常;接著對(duì)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(guī)格進(jìn)行了檢查;最 后對(duì)插拔連接器所使用的工具尺寸和功能也進(jìn)行了查驗(yàn)。

　　連接器引腳的公差與PCB孔徑的公差如果不匹配， 將會(huì)是一個(gè)重大隱患;這種定位的偏移量會(huì)造成額外的應(yīng) 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(wèn)題;公差超出范圍可能導(dǎo)致過(guò)度 磨損失效。在 PCB 方面，通孔電鍍的定位公差是由 PCB鉆孔機(jī)的精度控制的。

　　PCB的尺寸以及插拔工具都被檢查過(guò)，沒(méi)有檢測(cè)到明顯 的問(wèn)題，但是卻發(fā)現(xiàn)兩個(gè)不同的供應(yīng)商所生產(chǎn)的同一類(lèi)型的 連接器有小的差別(見(jiàn)圖8)。這種差別體現(xiàn)在，與另一個(gè) 連接器相比，左側(cè)壓接針腳邊緣的壓花痕跡要明顯得多。壓 印是預(yù)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(zhì)的損傷在插拔過(guò)程中降到最低。

　　插入工藝控制

　　為了嘗試區(qū)分這些 主要變量之間的不同之 處，兩個(gè) PCB 供應(yīng)商、 兩個(gè)連接器供應(yīng)商和兩種 插入速度被選擇作為實(shí)驗(yàn) 變量。MEP-12T 電動(dòng)伺 服壓機(jī)是專(zhuān)用于壓接連接 器的(見(jiàn)圖9)。壓接控 制的關(guān)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(gè) 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(dá)到峰值壓力或插 入力在穩(wěn)定狀態(tài)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(shí)插入力的首次增加，它還顯示 了引腳剛進(jìn)入 PTH 通孔時(shí)插入力的峰值、引腳進(jìn)一步滑行 進(jìn)入孔內(nèi)時(shí)插入力的平穩(wěn)值，以及連接器外殼定位后斜率 的一個(gè)顯著增加。

　　在連接器、印刷電路板和插入工藝過(guò)程這三個(gè)變量當(dāng) 中，導(dǎo)致裂紋增加的可能性并不相同。根據(jù) M Kitagawa 的研究，沒(méi)有膨脹力裂紋是不可能產(chǎn)生的。根據(jù)壓接連接器的特性，膨脹應(yīng)力或拉伸應(yīng)力是始終存在的。

　　然而，根據(jù) CH Park 的研究，裂紋發(fā)生還需要臨界活 化能。

　　l = l0 exp[-(Q-σv)/kT]

　　其中：l 是開(kāi)裂的速率;v 是活化體積;Q 是活化 能;σ 是在聚合物上的應(yīng)力;k 為玻爾茲曼常數(shù);T 為溫度 (開(kāi)氏溫標(biāo));l0 是一個(gè)常數(shù)。是什么原因增加了裂紋的 嚴(yán)重性和發(fā)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(zhuǎn)移到 PCB 上的能量相應(yīng)增加，由此裂紋也 增大了。然而，當(dāng)最大應(yīng)力超出可接受的范圍時(shí)，這一輪 壓接并不會(huì)繼續(xù)下去，而且應(yīng)力曲線并沒(méi)有改變，這時(shí)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(dǎo)致局部應(yīng)力 σ 的增加，并導(dǎo)致更多的裂紋產(chǎn)生。

　　至于工藝過(guò)程，唯一的由過(guò)程本身控制的變量是插入 的速度。如果插入速度降低，PCB內(nèi)部的應(yīng)力也許就可以 被聚合物本身的蠕變應(yīng)力緩釋掉而不是形成裂紋。

　　PCB內(nèi)的玻璃纖維布/環(huán)氧樹(shù)脂基材是一個(gè)復(fù)雜的結(jié) 構(gòu)，多個(gè)因素的些許變化就可能導(dǎo)致裂紋的形成。如果通 孔電鍍時(shí)銅層的厚度減少，更多的能量將直接被轉(zhuǎn)移到基 材上，并很容易就超過(guò)裂紋形成的臨界值;再比如環(huán)氧聚 合物的分子結(jié)構(gòu)有所改變，像分子量、分子排列方向、聚 合程度等，就可能導(dǎo)致活化能的變化，從而使裂紋形成。 微孔、浸漬不良、環(huán)氧樹(shù)脂與纖維布之間不良的附著力、 局部樹(shù)脂偏厚等，也都會(huì)導(dǎo)致機(jī)械強(qiáng)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(qū)分開(kāi)潛在的誘因并確定是哪些因素 導(dǎo)致了裂紋的產(chǎn)生。

　　結(jié)論

　　從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，所有這三個(gè)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(guò)程中，連接器的插入速度被調(diào)整到最優(yōu)值; 連接器壓印雖然不是最重要的因素，但它也是一個(gè)起因， 需要與連接器供應(yīng)商去溝通，使他們能夠改善引腳邊緣的 壓印質(zhì)量。整個(gè)工藝過(guò)程優(yōu)化之后，最顯著的影響因素實(shí) 際上是 PCB 本身。PCB 供應(yīng)商調(diào)整了他們的工藝過(guò)程，使 產(chǎn)品完全符合規(guī)格，則裂紋產(chǎn)生的缺陷率和嚴(yán)重程度將大大降低。

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　　什么是裂紋?

　　裂紋常常發(fā)生在焊盤(pán)翹起的邊緣部分，在非晶態(tài)玻璃狀 聚合物(例如印制電路板中的樹(shù)脂)中的裂紋是指本來(lái)無(wú)規(guī)則 的樹(shù)脂聚合物被機(jī)械應(yīng)力扭壓形成方向一致的聚合物。這個(gè)應(yīng) 力會(huì)使得無(wú)規(guī)則排列的聚合物在應(yīng)力點(diǎn)開(kāi)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(xiàn)出纖維狀暗沉的外 觀。通常在有裂紋的區(qū)域和沒(méi)有受到損壞的區(qū)域有著明顯的分 界線。隨著應(yīng)變力不斷增加，纖維漸漸增長(zhǎng)，并最終斷裂導(dǎo)致 裂縫的形成和 PCB 的分層。裂紋通常在應(yīng)變點(diǎn)的邊緣被發(fā)現(xiàn)， 而且是導(dǎo)致印刷電路板內(nèi)部分層的一個(gè)先兆。

　　IPC標(biāo)準(zhǔn)假定了最壞的案例，并確定了裂紋發(fā)生的典型部 位。它把 PCB 裂紋定義為一個(gè)內(nèi)部情形，因?yàn)檫@只發(fā)生在玻璃 纖維與樹(shù)脂分離后的壓合基材內(nèi)部。這種情形下，裂紋會(huì)在基材 表面下部呈現(xiàn)出連續(xù)性或者交 叉形的白斑形式，而且通常都 與機(jī)械誘導(dǎo)應(yīng)力有關(guān)。PCB 結(jié) 構(gòu)的局部損壞能造成機(jī)械密封 的失效，使得化學(xué)物質(zhì)容易進(jìn) 入并降低 PCB 的完整性;由 此產(chǎn)生的缺陷包括孔壁與內(nèi)部 電路的分離以及金屬枝晶的生 長(zhǎng)。

　　圖4顯示了一個(gè)典型的裂 紋頂部視圖——在壓接連接器 已被移除之后。

　　正如經(jīng)常做生產(chǎn)資格認(rèn)證或?yàn)榱朔敌�，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(lián)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(yè)，《ProActiv：混裝工藝 的新印刷技術(shù)》中圖1的計(jì)算公式應(yīng)該為：

　　面積比(長(zhǎng)形孔)=開(kāi)孔面積(L×W)/孔壁面積2t(L+W); 面積比(圓形孔)=開(kāi)孔面積(πr2)/孔壁面積t(2πr)。特此更正!