板间连接器低空洞真空汽相焊接技术

邱静萍，王文智，李少聪，毛海珂，张绍东

（上海航天电子有限公司，上海 201821）

1 引言

空间探测、卫星通信等航天领域的电子产品向小型化、高频高速和低成本趋势快速发展，推动各类功能模块也逐步迈向高功率和多功能化。当前，某型号产品需要在一个封装体内同时实现信号发射（接收）通道、数字基带、电源控制等功能模块，依靠表面贴装元器件形式为主的混装型印制电路板保证产品的高密度集成，而大量应用的通孔插装元器件则是实现系统信号传递、电气传输和垂直互联的关键载体。板间连接器的使用减少了模块之间繁杂的导线连接，满足了轻量微型化单机的应用要求[1-2]。

不同于传统的板间连接器，本文使用的一体式HRM322 型板间连接器主体采用耐热塑料材质，热变形温度高达258 ℃，远超热真空、抗辐照等空间宇航环境使用要求。由于产品运载环境极其恶劣，发射后无法进行返修，高可靠性是航天电子产品重点关注的要素之一。基于此，本文详细分析了板间连接器焊接的工艺难点和影响因素，通过探讨不同焊接技术以及对焊锡量等工艺参数进行合理优化，提出真空汽相焊技术与预成型焊锡环相结合的工艺方案，经验证，该工艺方案在焊接过程中提升了焊点质量和可靠性，并成功应用于航天某型号产品的实际生产中。

2 板间连接器焊接工艺研究

本文使用的多层印制板厚度分别为2.8 mm（A板）和2 mm（B 板）。所用的板间连接器为HRM322 型三排152 芯长针矩形连接器（如图1 所示），引脚直径为0.64 mm，相邻引脚间距为1.9 mm。焊锡丝成分为Sn63Pb37 低熔点共晶焊料，标称熔点为183 ℃。将焊锡丝绕制在与板间连接器引脚尺寸相同的模具上获得的预成型焊锡环及其套装效果如图2 所示。

图1 HRM322 型板间连接器示意图

图2 预成型焊锡环及套装效果图

图3为试验流程图，对板间连接器采用手工焊接、回流焊接以及真空汽相焊接3 种不同的焊接方式。通过日本HIROX KH-7700 型数字显微镜和德国YXLON EVO 型号X-ray 检测仪对板间连接器进行焊接效果验证。板间连接器焊点的微观组织成分和焊接可靠性通过德国蔡司AXIO Imager A2m 型金相显微镜、日本HITACHI S-3400N 型扫描电子显微镜（SEM）以及550i 型X 射线能谱仪（EDS）进行技术验证。

图3 试验流程图

3 焊接工艺难点分析

3.1 焊接方式优化

目前手工焊接是通孔插装元器件装联中最常用的一种方法，具有操作简便、设备常规化等优点，适合于引脚排数少且批量小的板间连接器焊接任务，但在手工焊接密间距板间连接器时，常规烙铁头无法实现全部焊接操作，尤其是部分中间排与大面积覆铜层相联的接地引脚。手工焊接过程中还存在无法控制焊锡量、控温效果差的问题，导致焊点形态不良、透锡率较差和空洞率过高等缺陷[3]。同时，手工焊接过于依赖操作人员的工作技巧和熟练程度，无法保障焊接效果的一致性和可重复性。

随着再流焊接技术的不断发展，真空汽相焊接技术凭借汽相液相变导热的方式可以实现不同热容的部件均匀且快速升温，具有可精确控制峰值温度、保持相对静态的焊接环境等优势，因而备受关注。此外，真空汽相焊接技术在预热、保温和焊接区阶段性抽真空负压，得以释放焊点内部焊接过程产生的气体，从而达到较低甚至无空洞的焊点，是解决航天产品用板间连接器焊接质量问题的一种有效方法[4-5]。

3.2 焊接曲线优化

图4为采用真空汽相焊接技术所测得任意两点的温度曲线，表1 是相应的实测参数。真空汽相焊接技术的工艺曲线设置是改善焊点空洞率和实现可靠焊接的关键所在，在确保预成型焊锡环熔融扩散温度和时间符合标准的基础上，需满足印制电路板上表面贴装元器件的一次同步焊接。因此，在邻近板间连接器区域的正反板面相同位置上布置热电偶进行曲线测试，焊接曲线参照Sn63Pb37 焊锡的推荐曲线进行灵活调控，并且兼顾元器件特征及相关要求。

表1 真空汽相焊接实测参数

图4 真空汽相焊接实测曲线

从温度曲线中可以观察到各试验点的升温趋势一致，温度偏差小于3 ℃。其中，调控焊接过程的腔体真空度是真空汽相焊接技术的核心。通过阶梯式注入真空汽相液和抽真空操作，动态调整印制板上不同热容区域的升温幅度，利用真空负压特性排出焊接空洞。经过试验验证和相关文献报道，在熔融阶段进行抽真空至真空度为104Pa 可以获得形貌良好且低空洞率的板间连接器焊点[6]。

3.3 焊锡量优化

为保证最佳焊料填充和焊接效果一致性，焊锡量的精准控制是不可或缺的。板间连接器不仅要求在印制板上、下焊盘形成具有一定润湿角的理想焊点形貌，在印制板厚度方向的通孔内部也需要填满焊料。通常对板间连接器印刷焊膏的方式并不能满足形成理想焊点所需的焊锡量。杨小健[7]等研究表明，在焊膏印刷后利用预成型焊片进行焊锡量补偿的方案，有效提高了产品的焊接质量。不过，研制预成型焊片需要较大的开模数量，并且不同型号的板间连接器需要设计不同规格的预成型焊片，对于产品型号复杂且小批量生产的航天电子产品增加了生产和质量控制成本。根据不同尺寸的板间连接器和印制板，量身设计预成型焊锡环的方法更有利于生产需求和控制成本。因此，结合板材厚度（2 mm 和2.8 mm）、上下焊盘结构（长轴1.5 mm 和短轴1.1 mm）、印制板通孔尺寸（直径0.85 mm）以及板间连接器引脚结构尺寸（直径0.64 mm）等工艺参数，对理想焊点进行建模仿真并运用焊锡量的公式进行理论计算，对理想板间连接器焊点（润湿 角为60°）的建模仿真如图5 所示。

图5 理想焊点仿真分析

根据结构简化原则，通常将该焊点分为润湿角与通孔两部分，其中将润湿角部分视作圆形圆台进行计算，理想焊点焊料体积的计算方式如式（1）～（3）所示：

基于焊锡量理论计算结果，A 板和B 板上板间连接器形成理想焊点所需焊锡体积为1.55 mm3和1.36 mm3。表2 为对焊锡环体积计算所得焊锡环圈数与焊锡体积的对应关系。由于焊锡丝中含有助焊剂等组分，相比于理想焊点，在实际焊接过程中所需的焊锡量更大。基于此，A 板上板间连接器套焊锡环圈数介于2.5～3 圈，B 板上板间连接器选用焊锡环圈数介于2～2.5 圈。

表2 焊锡环圈数与焊锡体积对应表

4 板间连接器焊点分析

4.1 预成型焊锡环优化

为验证板间连接器套预成型焊锡环的工艺方案对不同厚度印制板焊接的通用性，优化试验计划如表3 所示。对A 板的板间连接器上分别套置2.5、3 圈的预成型焊锡环，B 板的板间连接器上分别套置2、2.5圈的预成型焊锡环，采用真空汽相焊接技术对比焊接效果并确定工艺参数。

表3 焊接试验计划表

从图6 可以观察到，A1、A2、B1 和B2 样品均呈现了良好的透锡率，未发现明显的空洞现象。不过，A1 样品上套3.0 圈和B1 样品上套2.5 圈的预成型焊锡环形成的焊点形貌过于饱满。而且，在焊接过程中过量的焊锡会在焊盘间过度流淌，从而容易导致桥连等缺陷。相较而言，A2 样品上套2.5 圈和B2 样品上套2.0圈的预成型焊锡环的焊点形貌良好，焊透率一致。合理选取预成型焊锡环的圈数有利于呈现最佳焊接效果，因此随后的试验中在B 板上板间连接器套2.0 圈预成型焊锡环以进一步探究不同焊接方式对焊接质量的影响。

图6 焊点优化效果对比图

4.2 焊点外观质量验证

对采用手工焊接、回流焊接及真空汽相焊接技术的板间连接器进行焊点形貌和焊透率检验，检查结果如图7 所示。从图中可以观察到，手工焊接的焊点形态相对较差并且焊料用量不一致。采用回流焊接和真空汽相焊接技术的焊点形貌均呈现金属光泽，具有良好的焊锡轮廓线和润湿角，未发现拉尖、桥连等现象，整板焊接质量良好，焊点符合标准QJ 3011《航天电子电气产品焊接通用技术要求》检验要求。

图7 焊点焊透率检验图

4.3 焊点空间率验证

对板间连接器的焊点空洞率进行检验，检验结果如图8 所示，可以观察到手工焊接的焊点出现大面积焊透率不良且存在大量空洞。由于焊料组分中助焊剂在温度升高时会产生气体，同时受熔融焊料表面张力的影响和冷却阶段焊点表面氧化膜的形成，释放的气体难以从焊点内部逸出，在焊点冷却后会形成一定数量的空洞[8]。对于回流焊接技术而言，必须有足够的焊料活化时间让气体挥发逸出，避免在通孔内形成空洞。如果气体未能及时溢出，则会形成图8 中红色区域所示的气泡，影响焊点机械强度和可靠性。真空汽相焊技术采用特有的抽真空技术，起到主动排出熔融焊料中气泡、大幅度提升焊料润湿效果的作用，有效改善了传统回流焊接技术中焊点存在空洞率的问题。从图8 可见，真空汽相焊接后板间连接器三排焊点焊透率一致且高达100%，均未观察到针孔、空洞等现象。X-ray 检验进一步验证了真空汽相焊接工艺曲线和预成型焊锡环的合理优化及可靠制备。

图8 焊点空洞率检验图

4.4 焊点微观组织验证

焊接质量决定着模块乃至整个产品的工作可靠性，通过焊点界面组分检验在合金成分、微观组织和元素含量间建立定性、定量的关系，已成为航天电子产品检验中不可或缺的环节。图9 为板间连接器经过3 种焊接方式焊接后焊点的金相剖切图像。从图9 可见，采用真空汽相焊接技术的板间连接器焊点形成了月牙形的润湿角，整个焊接面焊料组织均匀分布且无空洞。相对比下，手工焊接和回流焊接后焊点润湿角较差，存在大量空洞并且焊接面共晶组织粗糙。

图9 焊点金相剖切图

现阶段板间连接器的通孔焊接主要以焊锡在印制板铜镀层和板间连接器引脚间形成连续且均匀的金属间化合物（IMC）层为主。熔融焊料仅被焊接金属表面润湿还不足以实现优质的高强度焊点，优质的高强度焊点必须是焊料与被焊接金属间的相互扩散。在焊接效果良好的情况下，焊接区域内将会形成主要成分为Cu6Sn5的高强度IMC 层，是焊点电气性能和机械强度的保证。若存在温度过高和焊接时间过长等情况，会呈现高脆性的Cu3Sn 合金。图10 为样品IMC 层形貌及界面组分情况，3 组样品形成的IMC 层厚度处于0.5～4.0 μm 范围内，可以观察到真空汽相焊接后形成的IMC 层厚度约为1.5 μm。进一步对其IMC 层进行微观成分分析，EDS 分析如图11 所示，从EDS 分析可知IMC 层成分仅含有Sn 和Cu 元素，其界面处Sn元素质量百分比为45.6%，Cu 元素质量百分比为54.4%，为Cu6Sn5和Cu3Sn 两种合金的混合相，符合通孔元器件合格焊点要求[9-10]。

图10 焊点IMC 层形貌图

图11 真空汽相焊接焊点IMC 层EDS 分析图

5 结论

本文对板间连接器装联中常用的3 种焊接技术进行了多方面的焊接质量分析，建立了板间连接器通孔焊接的理想焊点模型，依据焊锡量的理论计算，满足优良且一致性的焊接质量要求。基于验证结果，本文设计的真空汽相焊接技术结合预成型焊锡环焊接板间连接器的焊点实现了厚度均匀的IMC 层、低空洞率以及高达100%的焊透率。