优化焊料模板孔径以增加连接器选项

文章：David Decker

随着电子系统组件密度的增加，设计师通常会将pc板上精细的0.10 mm厚焊锡膏模板与同等精细的共平面度不超过0.10 mm的连接器相匹配。然而，连接件共面度值为0.15 mm并不少见，随着连接件引脚数量的增加和成形引脚、直角连接件的增加，连接件共面度值达到0.10 mm变得越来越困难。这限制了设计人员的连接器选项，当一个连接器被认为是首选时，强制使用多个连接器，或者使用阶梯式模板。这两种方案都增加了系统设计和生产的成本和复杂性。

然而，Samtec Inc.和Phoenix触点的一项研究表明，通过优化焊料模板光圈，设计人员可以使用更广泛的可用和更便宜的0.15毫米共平面连接器，同时仍然会满足IPC-J-std-001类2 100％收益率标准。

本文将讨论模板和连接器共面性之间的关系，以及设计师面临的权衡和限制。然后，它将描述研究，其结果和这些结果对成本、空间、性能和可靠性的设计优化的影响。

模具与连接器共面关系
使用精确加工的模板，精确地放置一块精细的焊膏砖并不太难。然而，随着连接器销的数量增加并且需要形成并形状，诸如用于直角连接的连接器销，例如用于直角连接的连接器引脚的连接器甚至难以达到该精细印刷的焊料。主要问题是连接器引脚的共面。

粗略地说，术语“共平面性”是指当连接器坐在平坦表面上时最高和最低引线或销之间的最大距离。它通常使用光学测量设备测量（图1(左)。

图1共平平面度测量平面表面上方的最大铅高度变化，使SMT装置的最小变化保持最小，以避免问题关节（右下）。(图片来源:Samtec Inc.)

对于良好的焊点来说，良好的共同平面性对良好的焊点至关重要：如果销或铅坐着太高，则可能无法与焊膏充分接触，导致机械较弱的关节或完全打开的电连接。大多数规格呼叫平面为0.10毫米和0.15毫米。

通过正确的工艺和工具，可以始终如一地为大多数应用构建共平面度为0.15毫米的连接器。然而，随着引脚数量的增加，特别是连接器引脚到特定角度(如双排、直角)的高级成形和成形，0.10 mm的共面性更难实现。保持这种较低的共面性会增加连接器的成本。

现在的大板包含了超过3000个组件和更小、更集成的电子设备，迫使更紧的空间限制(以及更细的间距组件)，设计师更多地考虑使用0.10 mm厚的模板。如果模具做得更厚，引线或焊盘之间的焊接桥接风险更高。然而，他们很难找到符合0.10mm共面度规格、有足够的引脚数和合适的形状因子的连接器。

然而，设计师确实有选择。它们可以使用阶梯式模板方法，具有更薄的模板，用于细间距组件和用于连接器的更大模板。这解决了问题，但是在更高的模板成本上，可能不符合步骤两侧的组件之间没有足够的空间的应用。拇指的一般规则需要步进厚度的阶梯孔径之间的距离。

另一种选择是使用多个连接器。更少的引脚使连接器更容易满足更紧密的共平面规范。然而，更多的连接器也增加了成本，以及布局的复杂性和可靠性问题。此外，虽然连接器可能满足0.10 mm的共面性要求，但0.10 mm的模板会导致更少的焊锡量，从而可能导致更弱的机械连接。

为了看看这些折衷是否可以最小化，Samtec和Phoenix Contact研究了修改三个系列连接器模板孔的效果。他们使用了一个0.15毫米和1:1孔径的模板，这样沉积的焊锡与铜垫的大小和形状相同。然后，他们添加了两种0.10 mm的放大孔径模板。然后根据0.10 mm和0.15 mm之间的共面性值建立并选择连接器进行研究。

该研究涉及将光圈尺寸的尺寸调节超出垫的尺寸（叠印），以增加焊料的体积并产生更好的连接，但不会导致桥接或留在板表面上的焊球。为实现这一目标，一旦它在回流期间达到了液体温度，该研究依赖于焊料在加热垫上聚结的趋势。仍然，必须为每个连接器类型确定正确的尺寸孔径（图2)。

图2橙色的轮廓表示FTSH连接器的最佳孔径尺寸。(图片来源:Samtec Inc.)

例如，确保样品FTSH连接器与0.10 mm模板共平面度0.152 mm之间良好焊点的最佳孔径为2.84 mm × 0.97 mm。这导致了一个高质量的接头，满足IPC-J-STD-001 2类标准的100%收率(图3.)。

图3.使用0.10mm厚模板的焊接具有0.152mm的共模平面的样品FTSH连接器，具有优化的孔径为内（左）和外（右）行表示高质量的接头。(图片来源:Samtec Inc.)

根据这些结果，很明显，使用0.10毫米模板的设计人员应给出最大共平面度值0.15 mm的连接器。如果确定了最佳的模版孔径允许组合，这可以打开整个搁板连接器选项，并避免限制或昂贵的替代方案。如果最佳光圈未在线或尚未确定，则在设计过程中提前与连接器制造商联系至关重要，以确定最佳光圈或为任何给定应用找到更合适的解决方案。

关键是早期搞。在设计已经走了一路走了，选项越有限。

还知道权衡听到客户的要求更好的模板和co-planarity收紧,研发团队在Samtec inc .)和凤凰联系在一起,找到了一种方法来优化模板孔径,连接器与0.10毫米0.15毫米co-planarity可用模板。这是世界上最好的结果:精细的0.10模板，更多的连接器选项，低成本，低复杂性，机械强度接头，满足IPC-J-STD-001 2类标准。

David Decker是Samtec，Inc. David的互连加工集团总监，也是Clark County Sheriff办公室的储备部门中尉，他曾担任过9年。