国产化JVNX连接器在航天领域的应用

柏文锋 李 航 沈 丽 吴 浩 张越辉

国产化JVNX连接器在航天领域的应用

柏文锋李 航沈 丽吴 浩张越辉

（1.北京计算机技术及应用研究所，北京 100854；2.空军装备部驻北京地区第一军代室，北京 100070）

随着航天电子产品复杂化、小型化需求的提高，越来越多的新型元器件应运而生，与之相匹配的电装工艺技术也在不断推陈出新。根据JVNX连接器的特点，针对JVNX连接器的焊接难点，创新性地从工装设计、印刷、贴装、回流焊接和焊接质量检验等几个方面探究了JVNX连接器的相关电装工艺技术，从而提高JVNX连接器的焊接质量。

SMT；BGA封装；航天制造；JVNX连接器

1 引言

随着电子产品持续向复杂化、小型化发展，电子元器件和印制板产品的体积不断地缩小，组装的密度相应增加，组装精度要求也相应提高。一部分传统的元器件已经无法适应高密度、小型化的电子产品，例如传统的通孔连接器开始在信号通道数量上达到饱和，引脚间最小电气间隔已经达到生产极限，无法满足多路输出的要求。采用BGA封装（焊球阵列封装）代替传统的通孔连接方式，可大幅提高器件的引脚数量，缩小封装体尺寸，节省组装的占位空间。BGA封装可以明显加强引脚的共面度，降低了组装过程中因共面性较差而引起的产品质量问题。航天电子产品未来的发展趋势是多点化、集成化、小型化，而其特点又是高质量和高可靠性。国内外对此类新型连接器的焊接工艺方法探究还处于萌芽状态。除集成电路采用BGA封装器件外，近年来高密度BGA封装连接器也广泛应用到航天产品中。BGA封装的JVNX连接器的应用极大地推动了航天领域产品的高速性及小型化发展。

2 JVNX连接器的介绍

VITA74标准简称为VNX，J是连接器的简称，JVNX系列加固微型高速总线连接器具有高速率、小体积、轻量化、高可靠的优点。

JVNX连接器分为插头和插座两部分，插头由不锈钢外壳和连接器本体两部分组成，外壳包括6个定位销、2个紧固螺钉和2套导套组件。插座由连接器本体、导钉和螺钉组成。在焊接前，需先确定好导钉和插头上导套组件的键位方向。

JVNX连接器的引脚间距为1.27mm，最多可达8排50列共400个引脚，可排133对差分信号点。JVNX连接器为BGA封装，对表面贴装焊接（SMT）工艺难度很高，需要采用特殊的BGA封装焊接技术才能实现产品与印制板间的稳固焊接，满足航天电子产品高速性能及可靠性的要求。

目前比较成熟的BGA封装高速连接器有以下三种形式：

a. 弹性焊球BGA封装的连接器，在弹性引脚下预制焊球，利用“弹簧上的焊球”实现焊点互连。该设计的基本原理是为了减少焊点应力而采用符合标准的引线，因为连接器本体较长，焊接区域长达60mm以上，在焊接过程中印制板会发生形变，导致连接器上的焊球和印制板上的焊盘接触不良，造成虚焊等故障。弹性焊球的作用类似于弹簧，在焊接过程中可以补偿由印制板形变带来的高度差，提高连接器焊接后的平整度。其高速性能为频率7GHz/速率14Gbps。

b. 刀片型BGA封装的连接器，与传统的通孔连接器配置不同，表面贴装连接器焊点的焊锡唯一来源就是焊盘上印刷的焊膏，而焊盘上的焊膏量较少，难以满足焊接要求，易出现虚焊、假焊等焊接缺陷。所以刀片型BGA封装的连接器将锡片预制在连接器的引脚上，目的是增加焊点上的总焊锡量，并保证焊接完毕后焊点几何形状良好，工艺路线可靠，其高速性能为频率18GHz/速率36Gbps。与一般BGA不同，锡片与连接器引脚偏移一定距离并预先安装在引脚上。由于连接器插座使用同一种簧片，因此锡片背靠背排列在间距为1.27mm引脚上。

在回流焊接前，先把外壳的紧固螺钉取下，再进行回流焊接。回流焊接后，将6个定位销依次用电烙铁手工补焊后，组装外壳和本体，旋紧紧固螺钉，将连接器两端固定在印制板上。

c. 曲棍球棒型BGA，高速性能为频率5GHz/速率10Gbps，堆叠高度范围为4.00～6.00mm。

3 JVNX连接器的焊接技术研究

选择传输速率最高的刀片型BGA封装连接器，型号为JVNX-TF-SX-HS，根据BGA封装连接器的特点以及关键技术难点，探究其焊接工艺技术。

3.1 焊接前检查

在印刷前，首先需要检验连接器，防止因为连接器本体不合格导致的产品质量问题：

a. 检验连接器的完整性：定位销应垂直于连接器，且无缺损；连接器表面无划伤、外壳完整；引脚应垂直于连接器，不应出现引脚歪斜现象。

b. 检验连接器引脚上的预制焊片：预制在引脚上的焊片应紧紧贴合引脚，不应出现焊片倾斜、脱落等现象，并且共面性≤0.1mm。在印刷焊膏前，先将连接器试装在印制板上，观察引脚上预制的焊片是否完全贴合焊盘，安装完毕后连接器是否水平。

3.2 配重工装设计

将连接器贴装在印制板的焊盘上时，引脚上预制的焊片会支撑整个连接器，连接器两侧的外壳机构部分在回流焊接前不能完全贴合印制板。在回流焊接过程中，焊盘上印刷的焊锡和连接器引脚上预制的焊片同时熔化，并结合在一起。在此过程中连接器会整体下沉，直到连接器引脚接触焊盘，并作为整个连接器与印制板的结合点，而连接器两侧的外壳结构部分也会和印制板本体贴实。但此过程中可能出现连接器依靠自身的重力作用无法完全下沉的情况。

印制板回流焊接时受热会发生翘曲，翘曲程度和基板由固态融化为橡胶态流质的临界温度有关，TG值越低时该现象越明显。当印制板翘曲到一定程度时，会造成BGA封装类型的元器件（芯片和连接器）两侧或者中心焊点的焊接质量不良，严重影响产品质量。

为了尽可能减小这两种因素导致的焊接质量风险，在回流焊接时用专用的配重工装压在连接器本体上，对连接器本体施加向下垂直的力，也使连接器在印制板发生翘曲的时候对印制板施加垂直向下的力，增加连接器焊点与印制板焊盘的贴合度。

图1 Ⅰ型配重工装

Ⅰ型配重工装为66mm×16mm×16mm的45#钢的实心长方体，该长方体外围缠5圈高温隔热胶带，以减少回流焊接过程中的吸热过程（如图1所示）。但根据以往生产经验，该工装在回流焊接过程中有以下问题：

a. 高温隔热胶带表面比较光滑，而连接器外壳表面也比较光滑，配重工装和连接器的宽度相似，调整空间较小。操作者在安装配重工装时很难将配重工装和连接器的重心保持一致，无法将配重工装一次性安装到指定位置，需要多次微调才能使配重工装基本到位，操作难度较大且很容易出现配装过程中配重工装从连接器外壳顶部表面掉落到印制板表面砸伤元器件或者印制板的情况。

b. 即使外围缠绕了5圈高温隔热胶带，配重工装依旧会吸热，降低炉腔内的温度，尤其是将连接器正上方风嘴吹出的热风隔绝大半，降低连接器底部引脚焊点的受热温度，影响连接器焊接质量（如图2、图3所示）。

图2 未装配配重工装的印制板表面温度曲线

图3 装配Ⅰ型配重工装后的同一块印制板表面温度曲线

对比两条温度曲线，装配Ⅰ型配重工装后，印制板表面整体温度较未装配配重工装的印制板表面温度低3℃左右，峰值温度相差4℃。由此可见，Ⅰ型配重工装吸热量较大，会对焊接质量造成影响。

根据上述问题，设计使用Ⅱ型工装，减少生产中出现问题的概率，增加产品可靠性。Ⅱ型工装外形如图4所示，在Ⅰ型工装的基础上，增加了连接器四周的包围，将配重工装制作成一个连接器的“帽子”，操作者在装配配重工装的时候只需将配重工装直接卡在连接器本体上。操作者可以一次装配成功而不必多次微调，节省生产时间，提高生产效率。由于四周包围的作用，配重工装卡在连接器上，不会发生配重工装从连接器外壳顶部表面脱落到印制板表面砸伤元器件或印制板的情况。

图4 Ⅱ型工装示意图

Ⅱ型工装使用的材料为合成石材料+铅块，通过计算可得到Ⅰ型配重工装体积为66mm×16mm×16mm=16.896cm，经查询技术手册得知45#钢的密度为7.85g/cm，体积×密度就是Ⅰ型配重工装的质量，为133g，所以Ⅱ型工装总质量应为133g左右。合成石材料的特点是热容低，导热快，但是密度低质量轻，所以需要在合成石材料制作的配重工装外壳中嵌套一枚铅块，增加配重工装的重量，合成石材料+铅块的组合可有效发挥两种材料的特性，装配Ⅱ型配重工装后，同一块印制板表面温度曲线如图5所示，可有效减少配装工装对印制板表面温度的影响，增加连接器焊点的吸热量，降低出现假焊、虚焊等焊接质量不良的概率。

图5 装配Ⅱ型配重工装后的同一块印制板表面温度曲线

装配Ⅱ型配重工装后，印制板表面的温度曲线与未装配配重工装的印制板表面温度曲线相似，整体温差不超过2℃，峰值温度相差1℃。由此可见，Ⅱ型配重工装的吸热量要比Ⅰ型配重工装低，不会因为吸热量过大而影响焊接质量。

3.3 印刷

JVNX连接器厂家建议钢网开孔尺寸0.8mm×0.8mm，厚度为0.15～0.2mm。但由于印制板组装件一般有其他密间距元器件，例如0.635mm引脚间距的QFP芯片和0.65mm焊球间距的BGA芯片，要求焊膏量不能过多。因此，整板印刷钢网厚度不能过大，只能控制在0.15mm以下，导致SMT钢网印刷工序的工艺窗口过小，生产难度大。因此超过0.15mm以上的焊膏印刷要求只能选择阶梯钢网。

本项目选择开孔直径为0.8mm的0.13mm/0.18mm阶梯钢网（0.18mm为JVNX连接器的厚度）和0.13mm/0.2mm（0.20mm为JVNX连接器的厚度）的阶梯钢网与开孔直径为0.8mm的0.15mm普通钢网分别进行焊膏印刷和回流焊接的对比试验，分析不同厚度的钢网对连接器焊接质量的影响。

分别将3个钢网装卡在丝网印刷机上，调整印刷程序，设置刮刀压力为50N，脱模速度为1.2mm/s，刮刀速度为22mm/s，印刷后自检印刷质量，确保焊膏准确印刷到焊盘上并保证焊膏饱满，如果焊膏不能完全覆盖焊盘，则应重新清洁和印刷。

分别用焊膏测厚仪对使用3种不同钢网印刷的JVNX连接器焊盘上的焊膏进行厚度测试，并取平均值作为该连接器焊盘上焊膏的厚度，测试记录如表1所示，测试点如图6所示。

表1 焊膏厚度测试记录表 mm

图6 焊膏测试点分布图

经过焊膏测厚仪的测试数据可以发现，0.15mm厚钢网印刷后的焊膏厚度约为0.129mm，0.18mm厚钢网印刷后的焊膏厚度约为0.15mm，0.2mm厚钢网印刷后的焊膏厚度约为0.168mm。

在回流焊接后，采用不可视焊点测试仪观察连接器最外侧焊点的焊接质量，经0.2mm厚的钢网印刷焊膏后，焊点质量明显优于其他2种钢网印刷的焊点质量。

经分析，JVNX-TF-SX-HS连接器印刷焊膏时推荐使用0.2mm厚的钢网，焊膏量和爬锡角度可以满足航天相关标准的要求。

3.4 贴装

为了降低连接器金属外壳吸热对焊接质量的影响，在贴装连接器前，需要拆掉金属外壳盖板（如图7），使用力矩改锥拆下插头盖板安装螺钉M1.6mm×4mm（GB/T 819）、M2mm×5mm（GB/T 819），待回流焊接完毕后再安装外壳盖板，力矩值为0.1N∙m，安装螺钉需使用螺纹胶防松。

图7 拆除后连接器本体和盖板

因连接器体积和质量较大，贴片机的吸嘴无法承受，故采用手工贴装的方式贴装。贴装时，将6个定位销对准印制板上的定位孔后再贴装，连接器应垂直印制板表面向下贴装，与印制板表面间的横向斜插角应小于5°，避免因为插装时角度过大导致定位销变形或者印制板上的通孔受损。

贴装后，用手持式放大镜检测连接器外侧引脚，连接器引脚上预制的焊片应贴在焊盘上印刷的焊膏上，不允许连接器引脚焊片悬空于印制板之上（如图8所示）。

图8 连接器贴装完毕后，引脚焊片和焊盘贴合在一起

3.5 回流焊接

因为JVNX连接器是BGA封装连接器，焊点在连接器底部的引脚上，回流炉的热风不仅需要融化焊盘上的焊膏，还需要熔化引脚上的预制焊片。相比普通的BGA封装芯片，JVNX连接器的体积更大，焊点更多，导热速率也比普通BGA芯片更慢。因此炉温曲线应和400芯左右的有铅焊球金属封装BGA芯片相似。选用某型号的控制板作为实验板进行实验，考虑到印制板上的其他器件耐温程度和JVNX连接器点位多、密度大、器件本体厚度大、热容量大的特点，焊接时除确保焊膏熔融外，还需要连接器自带焊片同时熔融，并要保证焊锡包裹连接器引脚，形成一定的爬锡高度。在金属封装BGA常用的温度曲线的基础上优化，整体提高预热区的升温速率和回流区的峰值温度。回流焊炉选用德国爱莎的3/20型热风回流焊炉，实测的炉温曲线如图9所示。

图9 实测炉温曲线图

3.6 检验

回流焊接完毕后，首先用隐藏焊点检测仪检验连接器外侧的焊点（如图10所示），确保每一个引脚的爬锡都合格，并且引脚和焊盘之间没有假焊现象。

图10 不可视焊点检测仪下的连接器焊点

用X光检测仪检测焊点，焊点边界清晰，无短路现象，符合航天产品的相关标准要求（如图11所示）。

图11 垂直对焊点进行X光检测

4 结束语

通过上述工艺实验研究了刀片型BGA封装连接器，摸索出了一套针对JVNX-TF-SX-HS连接器的焊接参数，并通过X光检测仪和隐藏焊点测试仪检测了焊接质量，效果良好，证明所选工艺参数满足连接器的焊接要求，可以在航天领域产品的应用中进行推广。

但是，这种连接器现在还存在使用上的局限性，例如长期的高频振动会使BGA封装连接器的焊点开裂，而相比之下传统的通孔连接器的耐受性更高。通过工艺实验发现，此连接器还可以继续改进，例如刀片型BGA封装的连接器即使预制了焊片，依旧会出现焊锡量不足的情况，只能通过加大钢网厚度增加焊点上的焊锡量。可否在一只引脚的两端同时预制焊片，达到增加焊点焊锡量的目的。

随着我国航天产品的多元化、小型化发展，JVNX连接器具有体积小、引脚多、信号传输速率快等特点，是未来连接器类电子元器件的发展趋势，也是航天领域电子产品的首选使用对象。

1 张艳鹏，王威，王玉龙，等.回流焊峰值温度对混装BGA焊点的影响研究[J].电子元件与材料，2020，39(5)：86～89

2 李晓明，冯波，任康.BGA焊点剪切性能及界面结构的研究[J].科技风，2020(23)：120

3 李培蕾，朱恒静，王智彬，等. 宇航用BGA器件装联工艺可靠性问题探讨[J]. 质量与可靠性，2019(2)：34～38

Application of Domestic JVNX Connector in Aerospace Field

Bai WenfengLi HangShen LiWu HaoZhang Yuehui

(1. Beijing Institute of Computer Technology and Application, Beijing 100854; 2. The First Representative Office of Air Force Equipment Department in Beijing, Beijing 100070)

With the increasing demand for the complexity and miniaturization of aerospace electronic products, more and more new components emerge as the times require, and the matching electronic assembly technology is constantly bringing forth new ones. According to the characteristics of JVNX connector, aiming at the welding difficulties of jvnx connector, this paper innovatively explores the relevant electrical installation technology of JVNX connector from the aspects of tooling design, printing, mounting, reflow welding and welding quality inspection, so as to improve the welding quality of JVNX connector.

SMT；BGA package；aerospace manufacturing；JVNX connector

柏文锋（1994），工程师，自动化专业；研究方向：电装工艺与智能制造。

2020-12-27