一種PCB焊接接線端子緊固絲扣不良研究及應(yīng)用

申剛　陳祎　毛波　龍明生　陽玲玲

摘? 要：該文主要研究了一種PCB焊接接線端子緊固絲扣不良現(xiàn)象，通過分析端子的整個(gè)加工過程，最后確定在波峰焊后端子表面熔錫，導(dǎo)致絲扣破壞，此外，端子自身的攻絲結(jié)構(gòu)十分薄弱，造成緊固絲扣不良問題。在調(diào)研同行業(yè)對端子的表面處理以及此類絲扣標(biāo)準(zhǔn)厚度后，引入高溫霧錫以及鑲件端子結(jié)構(gòu)，并對接線端子進(jìn)行必要的可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證，滿足要求后并投入應(yīng)用，極好地解決了波峰焊表面熔錫及結(jié)構(gòu)薄弱問題。

關(guān)鍵詞：PCB焊接接線端子;波峰焊;高溫霧錫;鑲件結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TM503? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 背景介紹

根據(jù)質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017～2018年產(chǎn)品某種接線端子在2種大批量生產(chǎn)PCB上出現(xiàn)了460次絲扣不良問題，平均不良率達(dá)到了5.86%。對絲扣不良的端子進(jìn)抽查，其電連接面存在嚴(yán)重熔錫的現(xiàn)象。

2 端子加工工藝流程分析

2.1 端子加工工藝流程

端子流經(jīng)如下流程：沖壓攻絲—表面處理—檢查1/出庫1—插裝—波峰焊—水洗檢查—組裝—單板功能測試—涂覆—檢查2/出庫2—安裝電路板—緊固接線螺釘—布線—模塊調(diào)試—總組裝—檢查3/出庫3。

結(jié)合故障現(xiàn)象，對加工過程的排除，找到4個(gè)和端子絲扣不良強(qiáng)相關(guān)的過程，包括沖壓攻絲、表面處理、波峰焊以及緊固接線螺釘，我們對這4個(gè)過程進(jìn)一步分析。

2.2 沖壓攻絲過程分析

接線端子結(jié)構(gòu)分析。螺紋孔的公稱直徑為M3，端子為翻邊后攻絲，螺紋絲扣有1.6 mm，銅板自身厚度只有1.2 mm，有效螺紋長度為1.2 mm（翻邊高度增加能增加螺紋的有效扣數(shù)，但翻邊后的螺紋緊固時(shí)，徑向受力變形能力降低，絲扣強(qiáng)度降低，如圖1所示（所有未注單位為mm），根據(jù)GB/T 193標(biāo)準(zhǔn)[1]，GB/T 197標(biāo)準(zhǔn)[2]，M3公制粗牙螺紋螺距為0.5 mm，最短旋合長度為1.5 mm。螺紋的有效壁厚為1.2 mm。

螺紋絲扣加厚對比驗(yàn)證。為進(jìn)一步驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)厚度和現(xiàn)有實(shí)物厚度緊固質(zhì)量對比，各定制加工樣品50個(gè)，發(fā)現(xiàn)厚度為1.2 的出現(xiàn)2個(gè)緊固絲扣不良，如圖1（c）所示，見表1。

小結(jié)：在緊固力矩一定時(shí)，絲扣厚度增加對緊固絲扣不良問題有改善作用。

2.3 表面處理過程分析

同行業(yè)表面處理對比。我們現(xiàn)有產(chǎn)品表面鍍亮錫9μm，而調(diào)研了其他電子行業(yè)的焊接件表面處理方式后，發(fā)現(xiàn)他們的焊接件均有一個(gè)共同點(diǎn)，表面處理為銅底+鎳+錫，且鍍錫厚度均在3 μm～5 μm。我們產(chǎn)品的鍍層和同行業(yè)差異較大，在后面需借鑒并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.4 端子過波峰焊工藝分析

此類端子采用波峰焊工藝焊接，波峰焊加工工藝流程如圖2所示，波峰焊接主要工藝參數(shù)見表3。錫的熔點(diǎn)只有232 ℃。波峰焊后出現(xiàn)接線端子熔錫問題[3]，在對比的PCB上的其他元器件后發(fā)現(xiàn)，其他電子元器件，焊接后表面均未出現(xiàn)熔錫現(xiàn)象。

PCB過波峰焊對焊接接線端子表面熔錫有影響，對其他元器件無影響。

2.5 接線端子表面鍍層對熔錫的影響分析

結(jié)合前面對比同行業(yè)的表面處理分析，推測此類接線端子表面處理鍍層過厚，在過波峰焊后表面熔錫，錫層流動(dòng)，冷卻后形成異物留在絲扣中，為了進(jìn)一步驗(yàn)證錫層厚度的對熔錫的影響，我們進(jìn)行了下一步驗(yàn)證。

各制作100個(gè)端子樣品，銅板的厚度均為1.5 mm，按照表面處理9μm和5μm進(jìn)行，來料鍍層厚度以及絲扣檢驗(yàn)合格后，進(jìn)行波峰焊試驗(yàn)見表2和圖3。

通過波峰焊焊接前后對比，對異常的絲扣使用顯微鏡查看，發(fā)現(xiàn)絲扣內(nèi)部存在熔錫不均勻現(xiàn)象，導(dǎo)致螺栓在緊固時(shí)不能正常旋入[4]，出現(xiàn)不良，5μm的端子表面熔錫相對少，說明鍍錫厚度對熔錫有影響。

進(jìn)一步推測，端子的絲扣不良是波峰焊后熔錫引起絲扣堵塞，而現(xiàn)有的波峰焊參數(shù)對其他器件表面鍍層無影響。

2.6 緊固接線螺釘過程分析

現(xiàn)有緊固力矩為0.8 Nm，對M3的螺紋在緊固力矩范圍內(nèi)。

2.7 分析初步結(jié)論

端子絲扣不良和端子自身螺紋結(jié)構(gòu)以及表面鍍層相關(guān)。

3 改進(jìn)措施及驗(yàn)證

3.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

3.1.1 材質(zhì)分析

紫銅T2-Y和黃銅H62材料特性對比，見表3。

小結(jié)：黃銅相對于紫銅硬度較高，形成的螺紋同等有效扣數(shù)下強(qiáng)度較高，但是黃銅電阻率過高將導(dǎo)致電連接時(shí)發(fā)熱明顯而影響部件的正常運(yùn)行，因此保留使用T2-Y紫銅板。

3.1.2 攻絲工藝

目前行業(yè)中常見的金屬材料攻絲方法有切削攻絲和擠壓攻絲[5]。擠壓攻絲之后，螺紋端部呈喇叭狀漲開，造成端部螺紋為無效螺紋，因此，此處不適合采用擠壓攻絲的加工方法，如圖4所示。

3.1.3 厚度加強(qiáng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有端子插腳的體積為1.2×1.2×1×4=5.76mm2 ，目前接線端子的最大電流為20 A，該產(chǎn)品紫銅厚度滿足要求（通常6 mm2 為60 A）。將端子厚度增加，采取自攻絲的方式，對載流量不影響，但是需要將引腳銑削，不宜采用增加厚度的方式。

3.1.4 鑲件結(jié)構(gòu)

鑲件端子導(dǎo)體采用銅材質(zhì)，緊固部分采用低碳鋼，加工一體成型，其具有具有扭力增大、絲扣可靠、防振動(dòng)和不掉落等特點(diǎn)。

3.2 表面處理改進(jìn)措施

對于熔錫問題，我們結(jié)合前面調(diào)研的同行業(yè)表面處理方式，將接線端子表面處理改為電鍍高溫霧錫，此種霧錫耐高溫240 ℃，普通錫的融化是232 ℃。表面依次電鍍銅底2 μm，鎳2 μm，高溫霧錫4 μm方式進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.3 常規(guī)加工驗(yàn)證

常規(guī)加工驗(yàn)證內(nèi)容如下。1）來料檢驗(yàn)。首先用通止規(guī)對500個(gè)端子來料進(jìn)行螺紋絲扣測試，合格率100%。隨機(jī)選取320個(gè)端子進(jìn)行試驗(yàn)。2）可焊性驗(yàn)證。焊點(diǎn)可焊性驗(yàn)證采用GB 2423.28-82，用專用焊錫鉗夾住被測件，以大約（25±2.5） mm/s的速度垂直浸入焊料中10 s。再以大約（25±2.5） mm/s速度垂直取出工件觀察。表面上錫均勻，光滑、無熔錫、無起泡現(xiàn)象。3）表面熔錫驗(yàn)證。選取320個(gè)檢驗(yàn)合格的接線端子在波峰焊鏈速為0.8 m/min進(jìn)行驗(yàn)證，端子出現(xiàn)熔錫現(xiàn)象0個(gè)。結(jié)論：表面電鍍銅底2 μm，鎳2 μm，高溫霧錫4 μm無可視的熔錫現(xiàn)象。緊固驗(yàn)證見表4。

結(jié)論：鑲件結(jié)構(gòu)端子強(qiáng)度滿足現(xiàn)有緊固力矩（0.8 N·m）要求。

4 可靠性驗(yàn)證

4.1 焊點(diǎn)切片驗(yàn)證

隨機(jī)抽取4個(gè)外觀焊接良好的焊點(diǎn)進(jìn)行切片試驗(yàn)，每個(gè)端子有4個(gè)引腳，共16個(gè)切片，分別編號在顯微鏡下觀察，如圖5所示。

結(jié)論：16個(gè)切片均未發(fā)現(xiàn)針孔、縮錫、不透錫等缺陷，證明焊點(diǎn)焊接可靠。

4.2 電阻測量試驗(yàn)可靠性

阻值測量對比。隨機(jī)抽取2種焊接后的接線端子，8個(gè)試驗(yàn)樣品端子，8個(gè)現(xiàn)有產(chǎn)品端子，使用微歐計(jì)測量端子電連接表面到焊點(diǎn)的電阻值，并進(jìn)行測量對比，見表5。

試驗(yàn)總結(jié)：得到新的試驗(yàn)端子平均阻值為6.06 μΩ，產(chǎn)品端子平均阻值為6.5 μΩ，結(jié)合前面分析的載流量要求，兩者對端子的導(dǎo)電性能均無影響，滿足使用要求。

4.3 振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證

絲扣結(jié)構(gòu)可靠性驗(yàn)證我們采用GB/T 21563—2008軌道交通機(jī)車車輛設(shè)備沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行[6]，振動(dòng)后對其進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)接線端子絲扣并無損壞，如圖6～圖8所示。

但是考慮到現(xiàn)有振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)較低，進(jìn)一步采用HXD1機(jī)車實(shí)際測量路譜進(jìn)行測試[7]，分別在垂向，行車方向，橫向進(jìn)行提高量值的模擬長壽命振動(dòng)試驗(yàn)振動(dòng)，每個(gè)方向振動(dòng)5 h（加速模擬實(shí)驗(yàn)壽命25年），振動(dòng)后分別用標(biāo)準(zhǔn)力矩對端子進(jìn)行力矩檢查。

結(jié)論：對于試驗(yàn)樣品振動(dòng)前后力矩檢查無異常，說明此種鑲件結(jié)構(gòu)接線端子滿足產(chǎn)品運(yùn)行實(shí)際路況。

5 結(jié)論

此類PCB焊接接線端子采用鑲件結(jié)構(gòu)，在不改變連接基材的情況下，可增加高強(qiáng)度的鑲件，從而增加螺紋機(jī)械強(qiáng)度，相對于原有的翻邊攻絲結(jié)構(gòu)更能抗振動(dòng)。表面電鍍高溫霧錫（銅2 μm，鎳2 μm，錫4 μm）的方法，可有效提高波峰焊過程抗熔錫能力，避免熔錫堵塞端子螺紋，從而增加絲扣的穩(wěn)定性。目前，此類端子已經(jīng)廣泛使用在變流器中。因試驗(yàn)條件有限，此次驗(yàn)證振動(dòng)試驗(yàn)樣本較小，后期需要結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用情況再觀察端子的可靠性。

參考文獻(xiàn)

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