隨著電子系統的元件密度增加,設計人員通常會為電路板(PCB)上厚度為0.10mm的焊接鍚膏模板匹配共面性不超過0.10mm的同等精細連接器。然而,共面性為0.15mm的連接器也不難找到,因此,隨著連接器的接腳數增加以及採用成型接腳的直角接頭,連接器要達到0.10mm的難度越來越大。這因而限制了設計人員的連接器選擇,經常在優先選擇單個連接器時不得不使用多個連接器,或者是使用階梯模板。這兩種選擇都增加了系統設計和生產的成本與複雜度。

然而,根據Samtec Inc.和Phoenix Contact的一項研究表明,透過最佳化焊接模板的孔徑,設計人員可以選擇使用更廣泛、價格更低廉、共面性為0.15mm的連接器,不僅具備更精細的0.10mm的模板,而且仍然符合100%良率所需的IPC-J-STD-001 Class 2標準。

本文將討論PCB焊接模板與連接器共面性之間的關係,以及設計人員面臨的權衡折衷和選擇限制。其次,文中還將說明這項研究及其結果,以及這些結果對最佳化設計的成本、空間、性能和可靠性所產生的影響。

模板與連接器共面性之間的關係

用精密加工的模板精準地放置一塊焊錫膏並不難。然而,隨著連接器接腳數的增加,以及連接器的接腳需要成形和定型(如直角連接),連接器與精細模板焊料相匹配變得越來越困難。主要的問題是連接器接腳的共面性。

簡單來說,「共面性」是指當連接器位於平坦表面時,最高和最低導線(或接腳)之間的最大距離。通常使用光學測量設備測量該距離(如圖1左)。

Co-planarity, Samtec

圖1:共面性是指平面上的最大導線高度差異的測量值。針對SMT元件導線,保持該差異變化的最小值至關重要,因為這有助於避免焊點出現問題(右下角)。(來源:Samtec Inc.)

良好的共面性對於形成理想的焊點至關重要:如果接腳或導線位置太高,它可能無法與焊錫膏充分接觸,從而導致焊點機械強度不足或電氣連接開口。大多數規格要求共面性在0.10mm和0.15mm之間。

採用正確的流程和工具,就可以不斷地為大部份的應用建構共面性為0.15 mm的連接器。然而,隨著接腳數量的增加,尤其是連接器接腳要成形或定型至特定角度(如雙排、直角)時,要達到0.10mm的共面性更為困難。維持較低的共面性會增加連接器成本。

現今大型電路板包括3,000多個元件和更小的整合電子元件,迫使緊密的空間更加受限(元件間距也越來越緊密),設計人員會更加考慮使用厚度為0.10mm的模板。如果模板更厚,則導線或焊盤之間會存在較高的焊橋風險。然而,他們很難找到符合0.10mm共面性規格的連接器,同時兼具足夠的接腳數與合適的外形。

然而,設計人員確實有其它選擇。他們可以採用階梯模板,以較薄的模板來容納微小間距的元件,或者使用較大些的模板來容納連接器。這就解決了問題,但模板成本較高,可能不適於階梯兩側元件空間不足的應用。一般的經驗法則要求階梯孔徑之間的距離為階梯厚度的36倍。

另一種選擇是使用多種連接器。連接器接腳數量越少,就更容易滿足較緊密的共面性規格。然而,多種連接器同時也增加了成本,並引發佈局複雜性和可靠性等問題。此外,儘管連接器可能滿足0.10mm的共面性要求,但0.10mm的模板會使焊料用量減少,從而可能導致焊點機械強度不足。

如何最佳化模板孔徑

為了盡可能減少折衷,Samtec和Phoenix Contact針對三種連接器系列的模板孔徑修改效應進行了研究。他們使用一種厚度為0.15mm、孔徑為1:1的模板,讓沉積焊料的尺寸和形狀與銅焊盤一致。接著添加兩種有著放大孔徑的0.10mm厚度模板。為此製作並選取了共面性在0.10 mm和0.15 mm範圍內的連接器。

這項研究涉及調整超出焊盤(套印)尺寸的孔徑,以增加焊料量並形成更好的連接,但並不至於導致橋接或在電路板表面留下焊球。為了實現這一目標,這項研究根據的是焊料在回流焊接過程中達到其液相線溫度後在加熱焊盤上的凝聚趨勢。但是,必須為每種連接器類型確定合適的孔徑(圖2)。

Samtec, FTSH connector

圖2:橙色輪廓顯示了FTSH連接器的最佳孔徑尺寸。(來源:Samtec Inc.)

例如,為了確保共面性為0.152mm的FTSH連接器樣本與0.10mm模板之間形成良好的焊點,最佳孔徑為2.84 mm x 0.97 mm。這樣的結果可以形成高品質的焊點,符合IPC-J-STD-001 Class 2標準,並實現100%良率(圖3)。

Samtec, comparision

圖3:使用厚度為0.10 mm且具有最佳化孔徑的模板焊接成共面性為0.152 mm的FTSH連接器樣本,在其內排(左)和外排(右)都形成了高品質的焊點。(來源:Samtec Inc.)

根據這些結果顯示,設計人員在使用0.10mm的模板時,應當回頭再次查看最大共面性為0.15mm的連接器。如果確定了可實現組合的最佳模板孔徑,那麼就可以打開一系列現成的連接器選項,並避免使用限定或昂貴的替代方案。如果最佳孔徑無法線上獲取或尚未確定,那麼重要的是必須在設計流程初期聯繫連接器製造商,以確定最佳孔徑,或是為指定的應用匹配更合適的解決方案。

關鍵是要及早行動。設計之路越走越遠,其選擇也就越來越少。

(參考原文: Optimize solder stencil aperture to increase connector options,by David Decker)

本文同步刊登於電子技術設計雜誌2019年11月號