互連壓接的挑戰(zhàn)及解決方案
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(dǎo)致的銅溶解的問題，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)以及周圍的基材上沒 有額外的機(jī)械損傷。插入工藝過程應(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)工藝過程都在操作規(guī)范內(nèi)運(yùn)行。通過這種 方法，超出規(guī)范的狀態(tài)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(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。
解決問題的方法
針對主要缺陷裂紋與次要缺陷焊盤翹起，業(yè)界對裂紋 的產(chǎn)生原因進(jìn)行了研究(見圖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)氧樹脂的臨界應(yīng)力值 有所減少。
初步的評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(jìn)行了來料檢驗(yàn)，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(guī)格進(jìn)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(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題;公差超出范圍可能導(dǎo)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(jī)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(fā)現(xiàn)兩個(gè)不同的供應(yīng)商所生產(chǎn)的同一類型的 連接器有小的差別(見圖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)是專用于壓接連接 器的(見圖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(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)氧樹脂與纖維布之間不良的附著力、 局部樹脂偏厚等，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脂)中的裂紋是指本來無規(guī)則 的樹脂聚合物被機(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)使得無規(guī)則排列的聚合物在應(yīng)力點(diǎn)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(xiàn)出纖維狀暗沉的外 觀。通常在有裂紋的區(qū)域和沒有受到損壞的區(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，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。
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，《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!
