PCB 焊接端子優(yōu)化設(shè)計研究

李厚琨， 王榮喜， 王武軍， 毛建偉， 杜金奎， 尚亞強(qiáng)

（河南天海電器有限公司， 河南 鶴壁 458030）

PCB焊接端子是連接PCB與外界線束、用電器的關(guān)鍵媒介。在消費(fèi)電子行業(yè)，PCB大多用于弱電信號的傳遞，PCB焊接端子主要以小規(guī)格插針端子為主。隨著PCB技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)研究的深入，PCB也逐步應(yīng)用于傳輸更大的電流和電壓，同時PCB焊接端子的規(guī)格也相應(yīng)增大。PCB焊接端子規(guī)格的增大，對焊接工藝要求也就越高。合理端子設(shè)計既要保證PCB端子的載流能力又要保證良好的焊接性能。

1 回流焊焊接特點(diǎn)

回流焊與波峰焊都是把電子產(chǎn)品元器件焊接到PCB的焊接工藝。與波峰焊相比，回流焊不需要將元器件直接浸漬在熔融的焊料中，所以元器件受到的熱沖擊小。回流焊僅在需要的部位上施放焊料，并可以控制施放量?；亓骱赣凶远ㄎ恍?yīng)，當(dāng)元器件貼放位置有一定偏離時，由于熔融焊料表面張力的作用，只要焊料施放位置正確，回流焊能在焊接時將此微小偏差自動糾正，使元器件固定在正確的位置上。焊料能定量分配、精度高，焊料受熱次數(shù)少、不易混入雜質(zhì)，適用于焊接各種高精度、高要求的元器件。

回流焊采用紅外線或強(qiáng)制對流的加熱方式，熱量通過空氣或其他氣體傳送到各個溫區(qū)，使元器件受熱均勻?；亓骱冈O(shè)備有10個加熱區(qū)，1、2區(qū)為預(yù)熱區(qū)，3～8區(qū)為浸潤區(qū)，9、10區(qū)為回流區(qū)。

2 仿真模型參數(shù)

回流焊是利用焊爐加熱爐內(nèi)空氣進(jìn)而對焊接元器件進(jìn)行加熱，達(dá)到融化焊料的目的。爐內(nèi)空氣不斷從爐內(nèi)上下板加熱絲獲取熱量，可近似認(rèn)為爐內(nèi)空氣溫度保持設(shè)定值不變，建立仿真模型時，將空氣溫度簡化為熱沉溫度。由于回流焊爐為強(qiáng)制對流的加熱方式，因此，設(shè)置元器件與空氣的對流換熱系數(shù)為20W／m2·K。根據(jù)回流焊工藝溫區(qū)設(shè)置見表1。

表1 回流焊溫區(qū)設(shè)置

圖1所示PCB總成建立有限元分析模型仿真大規(guī)格端子與小規(guī)格端子回流焊焊接過程的溫度變化?？偝砂粔KPCB、8根插針端子和2個大規(guī)格插片端子。端子材料為H65，PCB是以FR4環(huán)氧玻璃纖維為基板，4層銅箔的多層板。焊料材料為錫膏SAC305，簡化為圓柱模型，直徑與焊盤內(nèi)徑相同，厚度為PCB厚度1.6mm。仿真回流焊傳熱過程對應(yīng)的材料參數(shù)如表2所示。

圖1 PCB總成圖

表2 材料參數(shù)

為研究端子優(yōu)化前后的電性能，還需建立端子的電阻仿真模型，端子材料H65的電阻率為0.071Ω·mm2／m。

3 仿真結(jié)果分析

對于同種材料，具有相同的比熱容和密度，升高一定的溫度，體積越大，需要吸收的熱量越多。對于回流焊焊接工藝來說，焊爐內(nèi)高溫空氣對端子及PCB進(jìn)行加熱，相同的加熱條件下，端子的吸熱能力和端子與空氣的接觸面積成正比，接觸面積越大，吸熱越快。因此可以用比表面積（表面積／體積） 來描述不同端子在回流焊工藝過程中的升溫能力，即端子比表面積越大，升溫越快。圖2所示插針端子的比表面積約為6.761／mm，大規(guī)格插片端子的比表面積約為1.99／mm。插針端子的比表面積大于大規(guī)格插片端子。如果分別考慮插針和插片端子，插針端子的升溫能力是插片端子的3倍多，插針端子和插片端子必然存在溫度差異，但在回流焊焊接過程中，PCB總成傳熱相互影響，計算非常復(fù)雜，需要借助有限元仿真分析溫度變化。

圖2 3種不同結(jié)構(gòu)的插片端子

錫膏SAC305的熔點(diǎn)為217℃，在回流焊中其推薦爐溫曲線峰值溫度為235～245℃。為了保證在同一回流焊工藝，插針端子與插片端子同時達(dá)到良好焊接，必須盡量縮小兩端引腳處錫膏溫度差。因此，就需要改變插片端子設(shè)計，增大插片端子的比表面積與插針端子接近。如圖3所示，結(jié)構(gòu)1為常見插片端子設(shè)計，結(jié)構(gòu)2在結(jié)構(gòu)1基礎(chǔ)上增加格柵結(jié)構(gòu)，增大端子與空氣接觸面積，減小了端子的體積，增大了插片端子的比表面積，改善了插片端子在焊爐中的升溫條件。結(jié)構(gòu)3在結(jié)構(gòu)2增加格柵結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)置縱向連接保證端子強(qiáng)度及與對插端子的接觸面積，更好保證了使用時的可靠性。

圖3 3種不同結(jié)構(gòu)對應(yīng)的結(jié)果溫度云圖

如圖4a所示，紫色為064端子焊錫處溫度最高曲線，完成Z10區(qū)加熱過程溫度為239.45℃，綠色為9.5端子焊錫處最低溫度曲線，完成Z10區(qū)加熱過程溫度為237.076℃，最終溫差為2.374℃。

如圖4b所示，玫紅色為064端子焊錫處溫度最高曲線，完成Z10區(qū)加熱過程溫度為240.038℃，咖啡色為9.5端子焊錫處最低溫度曲線，完成Z10區(qū)加熱過程溫度為238.579℃，最終溫差為1.459℃。

如圖4c所示，紫色為064端子焊錫處溫度最高曲線，完成Z10區(qū)加熱過程溫度為240.232℃，咖啡色為9.5端子焊錫處最低溫度曲線，完成Z10區(qū)加熱過程溫度為239.07℃，最終溫差為1.162℃。

圖5為通入1A電流，3種不同結(jié)構(gòu)對應(yīng)的電勢圖，可推導(dǎo)出，結(jié)構(gòu)1的AB兩點(diǎn)電阻為0.186mΩ，結(jié)構(gòu)2的AB兩點(diǎn)電阻為0.213mΩ，結(jié)構(gòu)3的AB兩點(diǎn)電阻為0.230mΩ。

分析仿真結(jié)果可知，大規(guī)格插片端子相較于小規(guī)格插針端子，體積更大，升高同樣的溫度吸收的熱量越多；在相同爐溫環(huán)境下，結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)2、結(jié)構(gòu)3的焊錫溫度整體升高，大規(guī)格插片端子與小規(guī)格插針端子處焊錫溫差逐漸減??；結(jié)構(gòu)3與結(jié)構(gòu)2相比，增加了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時增加了與對插端子的接觸面積，改善了電連接的接觸性能；結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)2、結(jié)構(gòu)3端子AB段電阻呈增長趨勢，但考慮到電阻僅增加了百分級毫歐，端子電阻在整個電子電路系統(tǒng)中占很小一部分，由其百分級毫歐的電阻變化產(chǎn)生的熱量變化相當(dāng)微小，這種變化對端子使用過程溫升情況會有影響，但影響微乎其微，可近似為零；結(jié)構(gòu)3 （專利已受理） 設(shè)計整體提高了焊錫的溫度，減小兩端子處焊錫溫差，提供了較好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和電性能。

圖4 3種不同結(jié)構(gòu)對應(yīng)的溫度變化曲線

圖5 3種不同結(jié)構(gòu)對應(yīng)電勢云圖

4 結(jié)論

在回流焊焊接過程中，相較于小規(guī)格插針端子，傳遞較大電流、電壓的PCB焊接大規(guī)格插片端子，達(dá)到良好焊接需要較高的工藝要求。該研究從焊接傳熱角度出發(fā)，建立有限元仿真模型，通過改善端子設(shè)計，改善大規(guī)格插片端子的焊接性能，同時考慮了大規(guī)格端子的電性能和使用可靠性，通過增大端子的比表面積，來提高端子在回流焊過程中的升溫速度，為大規(guī)格插片端子的設(shè)計優(yōu)化，提供了改善思路，并得出如下結(jié)論。

1） 在回流焊焊接過程中，大規(guī)格的端子相較于小規(guī)格端子，對應(yīng)焊錫處存在一定溫差，大規(guī)格端子焊錫溫度小于小規(guī)格端子焊錫。

2） 回流焊接過程中可以通過調(diào)整溫區(qū)設(shè)置改善焊錫溫度，如果加熱時間足夠長，PCB板總成溫度最終均為爐溫，但考慮實(shí)際生產(chǎn)，大規(guī)格端子和小規(guī)格端子及其周圍區(qū)域必然存在溫差。

3） 可以通過改善端子設(shè)計，減小大規(guī)格端子與小規(guī)格端子處焊錫溫差，同時提供較好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和電性能，改善大規(guī)格端子焊接性能。