LRMD超高速連接器與PCB壓接工藝技術(shù)研究

伍懷兵

(中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所，四川 成都 610036)

連接器壓接技術(shù)是將彈性可變形插針或硬性插針與PCB金屬化孔配合而形成的一種連接，在插針與金屬化孔之間形成緊密接觸點的機(jī)械連接，從而實現(xiàn)電氣互連[1]。近年來，隨著電子封裝、元件和系統(tǒng)的微型化，以及通信技術(shù)的不斷發(fā)展，對數(shù)據(jù)傳輸速率的要求越來越高，普通的焊接型連接器已無法滿足設(shè)計要求，超高速連接器主要實現(xiàn)高速母板與高速子板之間互聯(lián)通信的功能，傳輸速率可高達(dá)30 Gbps或更高，基于民用領(lǐng)域設(shè)計的超高速連接器，大多為單一信號種類連接器，此種連接器具有使用靈活、選用方便的優(yōu)點，其工作過程中基本處于靜止?fàn)顟B(tài)；而軍用領(lǐng)域的超高速連接器，受空間限制和工作中的高振動、高沖擊載荷等因素影響，工作環(huán)境異常惡劣，一種新型的LRMD系列連接器可將電壓、數(shù)據(jù)、射頻等信號混裝在一個連接器中，用金屬殼體封裝起來，解決了占用空間大，各連接器安裝高度不統(tǒng)一，以及多連接器插合困難等問題。但這種一體化的光電射頻連接器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，針腳數(shù)量多，安裝難度大。

為了提高生產(chǎn)效率，大多企業(yè)會采用先機(jī)器自動貼裝電氣元件，經(jīng)再流焊將元器件焊接于PCB子板后，再壓接插座的工藝方法。壓接過程中需要避開電子元件、器件引腳、連接器插針等，以防止印制板在壓接過程中變形或元器件損壞。這種雙面貼裝電氣元件后的PCB子板，進(jìn)一步增加了壓接連接器的裝配難度和靜電防護(hù)難度。

實現(xiàn)LRMD系列高速連接器在某機(jī)載航空設(shè)備上的大量應(yīng)用，降低裝配過程中連接器的損耗和提高裝配效率，是本次試驗的主要目的。本文通過自主研發(fā)的壓接模具，以自動壓接機(jī)CT-1025E為壓接設(shè)備，采用編程軟件對壓接力、壓接速度和壓接行程精準(zhǔn)控制，實現(xiàn)了LRMD系列連接器在高密度PCB子板上的快速裝配和產(chǎn)品質(zhì)量的大幅提升[2]。

1 PCB與連接器壓接原理

壓接連接是指在常溫下，使2個以上的金屬物體相接觸，不用為金屬施加熱能或化學(xué)能，只需施加機(jī)械壓力，直至金屬發(fā)生塑性變形而形成金屬組織一體化的結(jié)合過程。而PCB與連接器壓接技術(shù)是將彈性可變形插針或硬性插針與PCB金屬化孔配合而形成的一種連接，在插針與金屬化孔之間形成緊密接觸點的機(jī)械連接，靠機(jī)械連接實現(xiàn)電氣互連[3]。壓接原理如圖1所示。

圖1 壓接原理圖

壓接式針型有2種：硬性和柔性插針。硬性插針即實心的插針腳，是針在壓接過程中不產(chǎn)生變形，PCB金屬化孔會變形；柔性插針即彈性可變形插針，是針在壓接時受擠壓會變形，而金屬化孔不變形。兩者相比，柔性壓接具備壓接力小；壓接時PCB板孔不會變形，孔中的金屬層不會損傷等特點；柔性插針可在同一孔中壓入和拔出最多3次，返修性佳，印制板損傷小，是采用最多的一種壓接方式[4]。

連接器的壓接過程主要分為接觸段、壓入段和分離段等3個階段，接觸段是壓接機(jī)的壓接頭運行至模具上方與模具或連接器接觸，開始有壓力值反饋，壓接頭繼續(xù)向下運行進(jìn)入壓入段，對連接器殼體或插針持續(xù)施加外力，直至魚眼完全進(jìn)入PCB金屬化孔，進(jìn)入分離段后，應(yīng)在安全壓力范圍內(nèi)結(jié)束壓接力，避免壓力持續(xù)升高造成過壓。過壓不僅會使連接器殼體產(chǎn)生變形，印制板也會受壓產(chǎn)生變形，從而引起焊盤開裂等質(zhì)量隱患，過小的壓接力又不能將連接器壓入PCB金屬化孔中[5]。

2 LRMD連接器的結(jié)構(gòu)特點

LRMD連接器有其特殊構(gòu)造的鏤空金屬外殼，插頭自身不帶定位插針和定位銷，高速插頭模塊的魚眼插針呈高密度排列(見圖2a)。為減少“樹樁效應(yīng)”，通常高速連接器的插針導(dǎo)向部分較短，壓接過程中插針容易受震動影響，從PCB子板的金屬化孔內(nèi)脫離出來，無法依靠針腳實現(xiàn)定位[6-7]，LRMD系列連接器與普通壓接連接器針形對比如圖2b和圖2c所示。

a)LRMD連接器外形

b)高速連接器針形

c)普通壓接連接器針形

LRMD2-A225G2-B288-T-MZ連接器采用模塊化組合結(jié)構(gòu)，可同時實現(xiàn)射頻、差分、光、電等多種信號集成傳輸，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)25 Gbps，插針材料：銅合金，封裝插針的絕緣體材料為LCP，印制板推薦開孔尺寸為0.36 mm±0.05 mm，連接器插針參數(shù)見表1。

表1 連接器參數(shù)表

3 裝配工藝

3.1 工藝文件編制中的注意事項

3.1.1 合理安排壓接工序

工藝人員應(yīng)熟悉常用的壓接連接器型號，在編制工藝文件時合理安排壓接工序，一般應(yīng)在插件安裝并清洗完成之后進(jìn)行壓接，以避免助焊劑等污染印制板安裝孔。

3.1.2 審查元器件布局

PCB上元器件較多，布局是否影響壓接模具安裝，元器件與連接器之間的間距是否滿足壓接要求，如有干涉應(yīng)待壓接完成后，再安裝貼片或者插件，以避免焊接后影響后繼壓接工作。

3.1.3 連接器返修與壓力設(shè)定

印制板重復(fù)壓接一般不超過3次，返工后取出的連接器不能再次使用，在沒有廠家推薦壓力值的情況下應(yīng)做相關(guān)工藝驗證，連接器有推薦壓力值的，不應(yīng)超過廠家推薦的最大單針壓力值和最小單針壓力值。

3.2 模具設(shè)計

3.2.1 模具設(shè)計原理及參數(shù)

LRMD連接器具有統(tǒng)一的電氣接口和物理接口，同一系列的LRMD連接器外殼尺寸以及安裝尺寸相同，只是內(nèi)部高速模塊和光纖排列位置不同，設(shè)計時可根據(jù)不同結(jié)構(gòu)類型的LRMD插頭設(shè)計不同的壓接模具，壓接時采用上下模對壓的方式。模具采用插頭兩側(cè)端面突出的加強(qiáng)筋進(jìn)行限位(見圖3a)，連接器通過模具兩側(cè)限位槽滑動卡入模具，實現(xiàn)對連接器高速插頭模塊進(jìn)行快速定位，同時在模具下支承面還設(shè)計有相應(yīng)的讓位槽，以保證插針穿過印制板后能順利出針。讓位槽選擇插針排列間距最寬的1.6 mm間距陣列條形槽，保證插針在開槽位置有更大的移動范圍，以避免零件加工誤差造成插針損傷的風(fēng)險。上下模和墊板厚度嚴(yán)格控制在0.05 mm范圍以內(nèi)，以避免誤差過大，造成壓接時設(shè)備報錯。模具設(shè)計及定位原理如圖3b所示。

a)高速模塊插針排列情況

b)壓接下模

3.2.2 模具的防靜電設(shè)計

通常情況下表面電阻值<1011Ω的材料就可以作為防靜電材料，表面電阻值在105～109Ω的材料才是較優(yōu)的防靜電材料，它可以將靜電緩慢的釋放掉[8-10]。而現(xiàn)有的防靜電材料大多都比較軟，不適合壓接模具制作，故采用普通的防銹鋁5A06-H112作為模具材料，零件加工完成后，通過硫酸陽極氧化在模具的表面形成一定厚度的三氧化二鋁的氧化膜層，以得到適合的表面電阻值。氧化膜厚度控制在20～25 μm，并做封孔處理，鍍覆表示符號為AL/ET.A(S)20.S。通過硬質(zhì)陽極氧化工藝可有效控制鋁合金的表面電阻值，使其達(dá)到靜電防護(hù)效果，通過儀器測試，模具表面電阻值為105～109Ω，符合靜電耗散材料標(biāo)準(zhǔn)，測試情況如圖4所示。

a)DESCO192900表面電阻測試儀

b)模具氧化后效果圖

3.3 組裝方法

3.3.1 插入針腳

由于LRMD2系列連接器針腳較多，有513根針腳，受針腳變形以及存在累積誤差等因素影響，將所有針腳插入PCB金屬化孔比較困難。常規(guī)從正上方插入的方式無法插入。通過經(jīng)驗總結(jié)，先從連接器側(cè)面第一排針小角度插入，再輕輕按壓未插入部分，同時用鑷子撥動高速模塊來調(diào)整裝配位置，使插針與金屬化孔產(chǎn)生輕微的位移從而順利插入。在調(diào)整的同時手始終不能松開，PCB與連接器之間始終要保持很輕微的壓力，避免連接器插針從金屬化孔中脫離出來，上述方式能有效減少裝配時導(dǎo)致的針腳變形和斷裂等風(fēng)險。裝配方法如圖5所示。

圖5 連接器針腳插入方法

3.3.2 安放模具

插針完全進(jìn)入PCB金屬化孔后手也不可松開，用預(yù)先準(zhǔn)備好的安裝螺釘將插頭與PCB初步預(yù)緊，注意安裝螺釘?shù)难b配力矩不能過大，應(yīng)有輕微的預(yù)壓力，插頭在PCB上不產(chǎn)生晃動即可。將預(yù)裝好的連接器卡入模具，再一起放置于底板上，踩下CT-1025E壓接機(jī)的氣浮開關(guān)，推動底板，使上模中心位置與壓接機(jī)壓接頭上的激光定位紅點對正，壓接時連接器向下移動，安裝螺釘也伴隨連接器一同向下移動進(jìn)入讓位孔中。連接器壓接完成后無需拆卸螺釘，直接擰緊即可完成緊固件安裝，大批量生產(chǎn)時可將連接器全部螺裝后再批量壓接。模具安裝如圖6所示。

a) 預(yù)裝連接器

b) 放入上下模具

c) 進(jìn)入自動壓接

3.4 壓接機(jī)工藝參數(shù)設(shè)置

3.4.1 單針最大壓力值設(shè)定

CT-1025E自動壓接機(jī)帶有壓力傳感器和位置傳感器，可通過電腦編程實現(xiàn)壓接力和壓接行程精準(zhǔn)控制。受PCB金屬化孔與插針匹配情況不同，不同批次的壓接力都不盡相同。初次壓接時應(yīng)進(jìn)行首件試壓，首件試壓可設(shè)置為較小的壓接力，再逐步增加。

為避免壓接被取樣控制結(jié)束，取樣壓力的開始位置設(shè)定為3 mm，這樣壓接過程中達(dá)到設(shè)定壓力時才自動結(jié)束。若壓不進(jìn)，再逐步加大單針壓力直至插針完全壓入。這種反復(fù)壓接不會對連接器產(chǎn)生不良影響。為避免過壓，本次試壓取最小單針壓接力6.5 N為首次壓力值。編程錄入單針壓力值和針腳數(shù)后，軟件自動生成總的最大壓接力6.5×513=3 334.5 (N)，當(dāng)壓接力接近設(shè)定極限值，在3 325 N時結(jié)束壓接。壓力曲線如圖7所示。

圖7 壓力入力測試

經(jīng)過多次壓接試驗，第一次波峰MaxFirstPress值為5 577 N。由此可計算出單針最大壓入力為10.87 N。如圖8所示，通過修改單針最大壓力值，使曲線顯示比例發(fā)生變化，MaxFirstPress居于整個視圖的中間位置，此時設(shè)定的最大單針壓接力為21 N。連接器最大承受壓力一般在所需壓入力的1倍以內(nèi)，所以此時的總壓力也起到最大力保護(hù)作用。

圖8 第一次波峰

3.4.2 結(jié)束壓力設(shè)定

為避免不同批次PCB及連接器之間存在公差，造成壓合不到位的情況，并且保證每次壓接結(jié)束時連接器本身所受到的壓力最小，連接器與單板間的貼合度最佳，可采用深圳智展公司的PVFS(平均取樣法)計算取樣平均壓力，再按取樣壓力百分比控制結(jié)束壓力。結(jié)束壓力=取樣壓力×(1+取樣百分比)[11-12]。

通過PVFS平均取樣法得到的壓力曲線如圖9所示，通常魚眼進(jìn)入到最寬處與PCB的壓力最大，然后逐漸減小，與PCB貼合后壓力再急劇升高的一個過程。所以取樣段選擇第一個波峰后開始向下、壓力逐漸平衡時的位置，距離終點0.4 mm開始取樣，機(jī)器根據(jù)PVFS平均取樣法自動計算出結(jié)束壓力完成壓接，此時物料與單板完全貼合。

圖9 壓力曲線圖

取樣百分比不能過大，否則可能存在結(jié)束壓力過大造成過壓，通常取25%～35%。減小百分比，壓接機(jī)就會以相對較小的壓接力完成壓接，連接器與PCB存在間隙的機(jī)率就會增大；增加百分比，結(jié)束壓力增大，出現(xiàn)貼板間隙的機(jī)率就會減小。

3.4.3 試驗結(jié)果分析

通過CT-1025E伺服壓接設(shè)備，對選定的5只連接器試壓后，通過0.01 mm塞尺監(jiān)測，連接器與PCB子板貼合緊密，無跪針、縮針、連接器歪斜變形等質(zhì)量問題，試驗結(jié)果表明，上述工藝參數(shù)設(shè)置能夠以較小的壓接力，實現(xiàn)連接器與PCB子板較佳的貼合度，保護(hù)壓力設(shè)置能有效避免連接器過壓造成的損傷，具體壓接參數(shù)見表2。

表2 壓力參數(shù)統(tǒng)計表

3.4.4 壓力曲線分析

LRMD2-A225G2-B288-T-MZ連接器采用PVFS平均取樣法進(jìn)行壓接力控制，通過壓接曲線分析，壓接過程的4個階段符合插針的結(jié)構(gòu)特性(見圖10)。

1)接觸段：A點，代表壓頭接觸到上模，開始有壓力反饋。

2)魚眼壓入段：B點，代表PIN針的魚眼完全進(jìn)入金屬化孔，PIN針在進(jìn)入金屬化孔的過程中，PCB的針孔受擠壓會變大，魚眼受擠壓會變小，隨著插針的進(jìn)入壓力逐漸上升，在魚眼最寬處摩擦阻力達(dá)到最大，所需要的壓接力越大，也就是第一個波峰maxfirstpress。

3)針腰壓入段：C點，當(dāng)針腰部分進(jìn)入金屬化孔的過程中，插針寬度逐漸減小，摩擦阻力也隨之減小，所以B點到C點是一個壓力下降的過程，該位置說明PIN針完全進(jìn)入PCB的金屬化孔。

4)消除間隙段：D點，C點過后為消除公差，會繼續(xù)施加一個力，以保證連接器與PCB獲得一個最合適的貼合度。

a)壓接過程的4個階段

b)插入電路板前后

3.5 檢驗標(biāo)準(zhǔn)

連接器的壓接質(zhì)量受操作者的仔細(xì)程度、壓接工裝、壓接壓力、端子和金屬化孔匹配等因素影響，未檢測出連接器的損傷情況，會給產(chǎn)品質(zhì)量造成隱患，重點檢查印制板有無損傷和變形，焊盤有無開裂，插針無跪針和縮針，可通過圖11所示顯微鏡觀測。連接器外殼不得有過壓造成的變形和破損，壓接后不得有松動，檢查連接器底部是否與PCB完全貼合，壓合間隙控制在≤0.03 mm，檢驗時可采用圖12所示0.03 mm塞尺檢驗，間隙過大需再次補(bǔ)壓，必要時可查看工作日志，調(diào)取壓接曲線對問題產(chǎn)品進(jìn)行追溯。

圖11 顯微鏡檢測

圖12 塞尺檢測

4 結(jié)語

隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，靜電敏感器件的使用越來越多，特別是在元器件高密度排列的PCB子板上實現(xiàn)免焊壓接，對裝配工藝提出了更高的要求，本文通過對LRMD連接器的防靜電工裝設(shè)計、裝配工藝和壓接原理進(jìn)行闡述，為該系列連接器的大量使用提供了數(shù)據(jù)支撐，也為其他類型連接器壓接工藝參數(shù)設(shè)置提供了重要參考。該方法現(xiàn)已在中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所航空、航天等多個領(lǐng)域的產(chǎn)品中得到應(yīng)用。