优化焊接模板孔径以增加连接器选项

shuszhao

随着电子系统元件密度的增加，设计师通常会将PCB上厚度为0.10 mm焊接模板与共面性不超过0.10 mm的同等精细的连接器相匹配。然而，共面性为0.15 mm的连接器并不少见，随着引脚数量的增加以及成型引脚、直角接头的使用，连接器要实现共面性值为0.10 mm的难度越来越大。本文将讨论模板与连接器共面性之间的关系，以及设计者面临的权衡取舍问题和选项限制。其次本文将对研究及其结果，以及这些结果对优化设计的成本、空间、性能和可靠性产生的影响进行阐述。

随着电子系统元件密度的增加，设计师通常会将PCB上厚度为0.10 mm焊接模板与共面性不超过0.10 mm的同等精细的连接器相匹配。然而，共面性为0.15 mm的连接器并不少见，随着引脚数量的增加以及成型引脚、直角接头的使用，连接器要实现共面性值为0.10 mm的难度越来越大。这就限制了设计师的连接器选项，要么在优先使用单个连接器时，不得不使用多个连接器，要么使用阶梯模板。这两个选项都增加了系统设计和生产的成本与复杂性。
然而Samtec Inc.和Phoenix Contact的一项研究表明，通过优化焊接模板的孔径，设计师便可选择使用更广泛、价格更低，共面性为0.15 mm的连接器以及更精细的0.10 mm模板，而且仍然满足100%良品率所需的IPC-J-STD-001 2级标准。
本文将讨论模板与连接器共面性之间的关系，以及设计者面临的权衡取舍问题和选项限制。其次本文将对研究及其结果，以及这些结果对优化设计的成本、空间、性能和可靠性产生的影响进行阐述。

模板与连接器共面性之间的关系


用精密加工的模板精准地放置一块焊锡膏并不难。然而，随着连接器引脚数量的增加，以及连接器引脚需要成形和定型（如直角连接），连接器与精细模板焊料相匹配变得越来越困难。主要问题是连接器引脚的共面性。
简单来说，“共面性”是指当连接器位于平面上时，最高和最低引线（或引脚）之间的最大距离。通常使用光学测量设备测量该距离（图1，左图）。

图1: 共面性是指平面上的最大引线高度差值的测量值。对于SMT器件引线而言，将该差值变化保持在最小值至关重要，因为这可以避免焊点出现问题（右下角）。（图片来源：Samtec Inc.）
良好的共面性对于形成良好焊点至关重要：如果引脚或引线位置太高，它可能无法与焊膏充分接触，从而导致焊点机械强度不足或电气连接开路。大多数规格要求共面性在0.10mm和0.15mm之间。
有了正确的流程和工具，就可以不断地为多数应用程序构建共面性为0.15 mm的连接器。然而，随着引脚数量的增加，尤其是连接器引脚要成型或定型至特定角度（如双排、直角）时，要达到0.10 mm的共面性更为困难。维持较低的共面性会增加连接器成本。
现今大型电路板包括3000多个元件和更小的集成电子器件，使得空间特别紧张（元件节距也越来越紧密），设计者会更多考虑使用厚度为0.10 mm模板。如果模版更厚，则引线或焊盘之间会存在较高的焊桥风险。然而，他们很难找到符合0.10mm共面性规格的连接器，且同时又具有足够的引脚数与合适的形状系数。
然而，设计师确实有其它选择。他们可以采用阶梯模板，用薄一点的模板来容纳小节距元件，用大一点的模板来容纳连接器。这就解决了问题，但模板成本较高，可能不适用于阶梯两侧部件空间不足的应用。一般的经验法则要求阶梯孔径之间的距离为阶梯厚度的36倍。
另一种选择是使用多种连接器。连接器引脚数量越少，就更容易满足更紧密的共面性规格。然而，多种连接器同时也增加了成本，并引发布局复杂性和可靠性问题。此外，尽管连接器可能满足0.10 mm共面性要求，但0.10 mm的模板会使焊料量减少，从而可能导致焊点机械强度不足。

如何优化模板孔径


为了尽可能减少折衷，Samtec和Phoenix Contact对三个连接器系列模板孔径修改效果进行了研究。他们使用了一个厚度为0.15 mm，孔径为1:1的模板，以便让沉积焊料的尺寸和形状与铜膜焊盘相一致。接着他们添加了两种有着放大孔径的不同模板，厚度为0.10mm。为此制作并选取了共面性在0.10 mm和0.15 mm范围内的连接器。
这项研究涉及调整超出焊盘尺寸的孔径（套印），以增加焊料量并形成更好的连接，但不至于导致桥接或在电路板表面留下焊球。为实现这一目标，这项研究需关注焊料在回流过程中达到其液相线温度后在加热焊盘上的凝聚趋势。但是，必须为每种连接器类型确定合适的孔径（图2）。

图2橙色轮廓显示了FTSH连接器的最佳孔径尺寸。（图片来源：Samtec Inc.）
例如，为确保共面性为0.152 mm的 FTSH连接器样品与0.10 mm模板之间形成良好的焊点，最佳孔径为2.84 mm x 0.97 mm。这样可以形成高质量的焊点，符合IPC-J-STD-001 2级标准，且达到100%良品率（图3）。

图3 ：使用厚度为0.10 mm，具有优化孔径的模板焊接成共面性为0.152 mm的FTSH连接器样品，其内排（左）和外排（右）都形成了高质量的焊点。（图片来源：Samtec Inc）
很明显，这些结果表明，设计人员在使用0.10 mm模板之时，应当回头再次查看最大共面性为0.15mm的连接器。如果确定了最佳模板孔径以允许整合，就可以打开一系列现成的连接器选项，并避免使用限定或昂贵的替代品。如果最佳孔径无法在线获取或尚未确定，则需在设计流程初期联系连接器制造商，以确定最佳孔径，或为任何指定的应用匹配更合适的解决方案，这一点很重要。
关键是要及早行动。设计之路越走越深，其选择便越来越少。
Samtec Inc和Phoenix Contact的研发团队深谙权衡之道，并听取顾客对于更为精细化的模板和更为紧密共面性的需求。二者携手共创模板孔径优化之路，使得共面性为0.15mm的连接器能够与厚度为0.10mm的模板相融合。 这是全球最佳成果：精细的0.10mm模板，更多的连接器选项，低成本，低复杂性，满足IPC-J-STD-001 2级标准的高机械强度焊点。

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