CN106129760B - 一种高密度多排列镀金引脚板间连接器的装焊方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高密度多排列镀金引脚板间连接器的装焊方法，包括如下步骤：(1)确定单个引脚焊接所需锡环包含的焊锡丝的圈数；(2)根据确定的焊锡丝圈数，制备锡环；(3)在板间连接器的每个引脚上放置锡环，然后将板间连接器插装在印制板上；(4)板间连接器安装固定在印制板上后，将安装有板间连接器的印制板整板放进真空干燥箱内进行预烘；(5)将安装有板间连接器的印制板整板，在预烘后放入回流焊接炉进行回流焊接，使锡环熔化，将板间连接器引脚与印制板连接在一起。本发明能够保证高密度多引脚板间电连接器每个引脚能够焊透，且焊后焊点高度小于0.5mm不影响镀金引脚上部的插配。
Description
技术领域
本发明属于电子装联技术领域，更具体地，涉及一种高密度多排列镀金引脚板间连接器的装焊方法。
背景技术
板间电连接器是一种可实现印制电路板之间互联、逐步向无引线机箱过渡的电连接器。具有体积小、质量轻、生产周期短、工艺一致性好和可靠性高等优势。
随着军用电子产品的小型化、集成化程度越来越高，板间连接正逐渐替代原有的板间线束软连接，广泛应用于航空、航天、国防等军用高密度电子产品领域。而板间连接的主要方法为借助于板间电连接器，通过插配实现上下层印制件之间的信号传输。相较于原来机箱内的线束软连接，该方式既节省了产品内的安装空间，又可避免机箱中大量的走线连接所形成的工艺风险。
针对引脚排数量不小于4排，引脚中心距小于2.54mm；镀金层厚度不大于1.5μm的高密度多排列镀金引脚板间连接器，因其为通孔安装型连接器，镀金长插针引脚安装在印制板上后，需要在印制板的另一侧与匹配连接器进行对接。采用常规的手工焊接因引脚间距小不方便操作且容易使镀金引脚沾染焊锡。传统的回流焊接工艺需先涂锡膏再装插板间连接器，或者先安装板间连接器再涂锡膏都会导致镀金引脚上沾染锡膏，焊接时锡膏熔化成焊锡沾染在镀金引脚上，影响其与匹配连接器之间的插合。而波峰焊接后，镀金引脚上也会沾染焊锡，影响其与匹配连接器之间的插合，故无法满足其使用要求，不适用于板间连接器的装焊。
而随着电子产品的快速发展，高密度多排列镀金引脚板间连接器越来越多应用于产品中，针对焊接型板间连接器，两面镀金引脚均需插配印制组件，导致要求焊接时焊点只能在引脚根部不高于0.5mm处形成，离根部0.5mm以上部位的镀金引脚不允许沾染焊锡，成为行业内需要解决的难题。
发明内容
针对现有技术的以上改进需求，本发明提供了一种高密度多排列镀金引脚板间连接器的装焊方法，能够实现焊点在引脚根部不高于0.5mm处形成且离根部0.5mm以上部位的镀金引脚不沾染焊锡，不影响与匹配连接器的安装配合，其包括如下步骤：
(1)确定单个引脚焊接所需锡环包含的焊锡丝的圈数；
(2)根据确定的焊锡丝圈数，制备锡环；
(3)在板间连接器的每个引脚上放置锡环，然后将板间连接器插装在印制板上，使锡环位于板间连接器和印制板之间；
(4)板间连接器安装固定在印制板上后，将安装有板间连接器的印制板整板放进干燥箱内进行预烘；
(5)将安装有板间连接器的印制板整板，在预烘后放入回流焊接炉进行回流焊接，使锡环熔化，将板间连接器引脚与印制板连接在一起。
进一步地，步骤(1)中焊锡丝的圈数计算方法如下：
(1.1)计算单个引脚焊接到印制板对应的焊盘上所需要的焊锡量体积V需
V需＝V孔内焊料+VPCB下+VPCB上
其中，V孔内焊料-印制板单个焊盘的通孔内焊料体积；
VPCB下-印制板下部延伸出印制板的焊料体积；
VPCB上-印制板上部延伸出印制板焊料体积；
(1.2)计算制备单圈焊锡丝的体积V丝；
(1.3)锡环包含焊锡丝圈数＝V需/V丝。
进一步地，步骤(1.2)中制备单圈焊锡丝的体积V丝计算公式为
V丝＝K1×πL丝d1 2/4
其中，
L丝-单圈焊锡丝长度；
d1-焊锡丝直径；
K1-助焊剂消除系数，用于排除焊锡丝中助焊剂的体积影响。
进一步地，步骤(2)中锡环制备方法如下：将焊锡丝紧密缠绕在绕棒上，再将缠绕好的焊锡丝按照步骤(1)中确定的圈数，依次切开制成锡环。
进一步地，步骤(3)中还包括如下步骤：板间连接器插装在印制板上之后，用防热胶带进行固定。
进一步地，所述步骤(3)中，板间连接器的插装方向为引脚朝上。
进一步地，步骤(4)中预烘温度不大于130℃，时间不小于2小时；
进一步地，步骤(4)中预烘温度125℃±5℃，时间4小时。
进一步地，步骤(5)中，回流焊接温度单位为℃，回流焊接温度曲线设置如下，
安装有板间连接器的印制板整板在回流焊接炉中的前进速度为55cm/min。
进一步地，步骤(5)中，印制板的放置方向为水平放置且保证板间连接器的引脚朝下。
总的来说，与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明针对焊接型板间连接器，两面镀金引脚均需插配印制组件，导致要求焊接时焊点只能在引脚根部不高于0.5mm处形成，离根部0.5mm以上部位的镀金引脚不允许沾染焊锡的焊接难题提出了解决方案，通过自制合适体积的锡环预先安装在引脚上再进行回流焊接，实现了焊后焊点高度小于0.5mm，并且不影响镀金引脚上部的插配。
附图说明
图1a至图1c为自制锡环示意图；
图2为板间连接器引脚上安装锡环示意图；
图3为板间连接器引脚上安装锡环后与印制板组装示意图；
图4为印制板整板放入回流焊接炉方向示意图；
图5为板间连接器焊接后镀金引脚与其匹配连接器插配示意图；
图6为印制板焊盘通孔内焊料体积V孔内焊料计算原理图；
图7为PCB下部延伸焊料体积VPCB下计算原理图；
图8为PCB上部延伸出印制板的焊料体积VPCB上计算原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1～图5所示，为本发明的第一实施例。
该实施例中的板间连接器为国产H2A110型板间电连接器，两面均有六排镀金引脚，一面为长插针引脚，一面为筒形插孔引脚，将长插针引脚穿过印制板，使H2A110型板间电连接器安装在印制板一面，然后长插针在印制板的另一面与H2A110型板间电连接器的匹配连接器对应连接。
其中长插针直径为0.5mm，引脚中心距为2mm，插针长度为7mm(焊接后的有效插合长度应保证3mm)，焊点高度不能超过0.5mm。印制板为FR-4增强型8层板，印制板板厚为3mm，板面上有大面积的覆铜层；印制板孔的内径0.8mm，连接盘直径1.2mm，间距2mm。回流焊接设备为九温区的HELLER1809回流焊炉。
(1)根据印制板上板间连接器引脚通孔直径为0.7mm，板厚3mm，连接器引脚插针直径为0.5mm。计算完全填充印制板的一个通孔所需要的焊锡量体积为：
所需的焊料体积V需分成三个部分，第一，印制板通孔内焊料体积V孔内焊料；第二，印制板下部延伸出印制板的焊料体积VPCB下；第三，印制板上部延伸出印制板焊料体积VPCB上。VPCB下为圆锥形，中间被引脚隔开。VPCB上为环形V上环与倒圆锥形V上锥两部分组成。
a)印制板通孔内焊料体积计算(空心圆柱)(图6)：
表格1印制板孔内焊料梯级及标称值
| D/mm | d/mm | H/mm | D2/mm2 | d2/mm2 | V孔内焊料/mm3 |
| 0.8 | 0.5 | 3 | 0.64 | 0.25 | 0.91892 |
公式V孔内焊料＝πH(D2-d2)/4；
其中：V孔内焊料-印制板通孔内焊料体积；
D-印制板的通孔直径(0.8mm)；
d-插针引脚直径(0.5mm)；
H-印制板的厚度(3mm)。
通孔内焊料体积计算：V孔内焊料＝0.92mm3
b)PCB下部延伸出印制板的焊料体积VPCB下(图7)；
表格2PCB下部焊料体积的计算
| D1/mm | d/mm | h/mm | V圆台/mm3 | V圆柱/mm3 | VPCB下/mm3 |
| 1.2 | 0.5 | 0.5 | 0.29976 | 0.09817 | 0.20159 |
公式VPCB下＝V圆台-V圆柱；
V圆台＝πh(D1 2+d2+D1×d)/12
V圆柱＝πd2h/4；
其中：V圆台-印制板通孔外下部焊料与引脚形成的圆台体积；
V圆柱-伸出印制板的圆柱引脚被焊料润湿的圆柱体积；
VPCB下-伸出印制板的圆柱引脚被焊料润湿的体积；
D1-印制板通孔外焊料形成的圆台底部直径，等于通孔焊盘直径(1.2mm)；
h-焊料爬升高度(0.5mm)；
d-插针引脚直径(0.5mm)。
VPCB下计算：VPCB下＝0.2mm3
c)PCB上部延伸出印制板的焊料体积VPCB上(图8)；
表格3PCB上部铜引脚(倒锥形圆台+圆柱)体积的计算
| D1/mm | d/mm | h2/mm | h1/mm | V台铜/mm3 | V柱铜/mm3 | V上铜/mm3 |
| 1.2 | 0.5 | 0.25 | 0.4 | 0.14988 | 0.07854 | 0.22842 |
公式VPCB上＝(V上-V上铜)×K
V上＝π(h1+h2)×D1 2/4
V上铜＝V台铜+V柱铜
V台铜＝πh2(D1 2+d2+D1×d)/12
V柱铜＝πd2h1/4
K＝1-S冠/S梯
其中：
V上-印制板焊盘上部焊料润湿的整个柱状体积，包括铜引脚体积；
V上铜-印制板焊盘上部铜引脚体积；
V台铜-铜引脚倒圆台部分的体积；
V柱铜-铜引脚圆柱部分的体积；
K-凹陷焊料圆冠面积与梯形面积的比；
D1-印制板通孔外上部焊盘直径(1.2mm)；
h1-上部铜引脚与焊盘间的距离(0.4mm)，即上部铜引脚的高度；
h2-倒圆台高度(0.25mm)；
d-铜引脚直径(0.5mm)。
V上铜体积计算：V上铜＝0.23mm3
K计算：用测量软件直接测量圆冠的面积和梯形面积，将两者相除，得到圆冠面积占梯形面积的百分比，本实施例中实际测得S冠/S梯＝30％，
则K＝1-30％＝70％＝0.7
表格4PCB上部焊料包括铜引脚体积的计算
| D1/mm | h1+h2/mm | V上/mm3 | V上铜/mm3 | K | VPCB上/mm3 |
| 1.2 | 0.65 | 0.73513 | 0.22842 | 0.7 | 0.35470 |
VPCB上的焊料体积计算：0.35mm3。
综上可得所需要的焊料总体积：
V需＝V孔内焊料+VPCB下+VPCB上＝0.92+0.2+0.35＝1.47mm3
d)自制焊锡丝的体积计算：
采用Φ0.5mm的焊锡丝紧密缠绕在Φ0.5mm的绕棒上自制锡环。
公式：
V丝＝K1×πL丝d1 2/4
L丝＝π×(2d1+d2)
其中：
V丝-单圈焊锡丝体积；
L丝-单圈焊锡丝长度；
d1-焊锡丝直径(0.5mm)；
d2-绕棒的直径(0.5mm)，也可以称为锡环中间空心区域的直径；
K1-考虑焊丝中有助焊剂，需要有一个系数去除其影响因素。
单圈焊锡丝长度计算：
L丝＝π×(2d1+d2)＝1.5×3.14159＝4.712385
本实施例中K1的计算公式为：
K1＝1-P
P＝S助/S丝
S丝＝πd1 2/4
其中：
P-助焊剂体积占比，本实施例用横截面的面积比进行近似计算；
S助-焊锡丝横截面中助焊剂所占面积，本实施例中实测获取；
S丝-焊锡丝横截面总面积。
本实施例中，K1＝0.8，在其他实施例中，K1可以直接由焊锡丝包装上的参数中获取，也可以部分取样进行实测。
单圈焊锡丝体积的计算：
V丝＝K1×πL丝d1 2/4＝0.74mm3
锡环包含焊锡丝圈数＝V需/V丝＝1.47/0.74＝1.98649≈2
两圈焊锡丝提供的焊料体积：V供＝2V丝＝2×0.74＝1.48mm3
上述计算值V供与V需＝1.47mm3接近，考虑到人工自制锡环存在一定的尺寸误差，且焊锡加热易蒸发，在本实施例中，根据上述计算，印制板上单个引脚所需用的锡环包含焊锡丝圈数可以为2个。
(2)根据计算确定的锡环个数，采用Φ0.5mm的焊锡丝紧密缠绕在Φ0.5mm的绕棒上(如图1a)，再用刀片将绕棒上的焊锡丝每2圈依次切开制成锡环待用(如图1b)。
(3)制作完锡环后，将板间连接器引脚朝上，再将切好的锡环一一对应放置在板间连接器的每个引脚上(如图1c)，确保板间连接器每个引脚上都有锡环后，再将板间连接器的引脚朝上，插装在印制板上，注意每个引脚应与印制板上的安装孔对正，保证每个引脚根部与印制板之间都有锡环。每个板间连接器插装好之后先用防热胶带暂时固定(未图示)。
(4)板间连接器安装固定在印制板上后，将整板在真空干燥箱内进行预烘除潮，预烘温度不大于130℃，时间不小于2小时，本实施例设定为125℃±5℃，时间4小时，预烘效果最佳。
(5)安装有板间连接器的印制板整板，在预烘后放入回流焊接炉进行回流焊接，印制板的放置方向为水平放置且保证板间连接器的底座朝上(即引脚向下)。
(6)安装板间连接器后的印制板整板，在设置并测量确认好回流焊接曲线后，将回流焊炉加温对印制板整板进行焊接，使锡环熔融后渗透至印制板与连接器引脚之间，将板间连接器引脚与印制板连接在一起。回流焊接温度曲线设置如下(单位：℃)：
安装有板间连接器的印制板整板在回流焊接炉中的前进速度为55cm/min。
(7)安装板间连接器后的印制板整板，从回流焊炉取出后，自然降温至室温后进行清洗和焊点质量检查。焊接后板间电连接器每个引脚焊透，引脚之间无桥连，且焊点高度小于0.5mm不影响镀金引脚上部的插配。
(8)板间连接器焊接在印制板上后，再在印制板另一面安装其匹配连接器，从匹配连接器的本体安装面穿入标准螺钉，在焊点形成面安装标准螺母与标准螺钉对应配合，将匹配电连接器固定安装在印制板上(如图5)。标准螺母与印制板之间安装有弹垫(未图示)和平垫(未图示)。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1.本发明针对焊接型板间连接器，两面镀金引脚均需插配印制组件，导致要求焊接时焊点只能在引脚根部不高于0.5mm处形成，离根部0.5mm以上部位的镀金引脚不允许沾染焊锡的焊接难题提出了解决方案，通过自制合适体积的锡环预先安装在引脚上再进行焊接，实现了焊后焊点高度小于0.5mm，并且不影响镀金引脚上部的插配。
2.本发明针对高密度多排列镀金引脚板间连接器高可靠性装联要求，提出了采用锡环进行回流焊接的工艺方法，将板间连接器的引脚焊接在印制板上，实现高密度多排列镀金引脚板间连接器在印制板上的高可靠性装联。
3.本发明锡环先安装在板间连接器引脚上，再将板间连接器安装至印制板上，便于焊料的预装以及在通孔内的熔融渗透，同时保证板间连接器焊接后的焊点高度不影响与匹配连接器的插合。
4.本发明设置的印制板组件回流焊接温度曲线，可保证印制板上每个通孔内的焊料都能熔融渗透在通孔焊接区域内，获得良好的焊接质量，确保一次成功率。
5.本发明可直接应用于各种军用电子总线印制板的组装中，可在各种高密度高精度高可靠性的电子产品中使用，应用前景十分广阔。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种高密度多排列镀金引脚板间连接器的装焊方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)确定单个引脚焊接所需锡环包含的焊锡丝的圈数，包括如下子步骤：
(1.1)计算单个引脚焊接到印制板对应的焊盘上所需要的焊锡量体积V需
V需＝V孔内焊料+VPCB下+VPCB上
其中，V孔内焊料-印制板单个焊盘的通孔内焊料体积；
VPCB下-印制板下部延伸出印制板的焊料体积；
VPCB上-印制板上部延伸出印制板焊料体积；
(1.2)计算制备单圈焊锡丝的体积V丝；
(1.3)锡环包含焊锡丝圈数＝V需/V丝；
(2)根据确定的焊锡丝圈数，制备锡环；
(3)在板间连接器的每个引脚上放置锡环，然后将板间连接器插装在印制板上，使锡环位于板间连接器和印制板之间；
(4)板间连接器安装固定在印制板上后，将安装有板间连接器的印制板整板放进干燥箱内进行预烘；
(5)将安装有板间连接器的印制板整板，在预烘后放入回流焊接炉进行回流焊接，使锡环熔化，将板间连接器引脚与印制板连接在一起。
2.如权利要求1所述的一种高密度多排列镀金引脚板间连接器的装焊方法，其特征在于：步骤(1.2)中制备单圈锡环所需焊锡丝的体积V丝计算公式为
V丝＝K1×πL丝d1 2/4
其中，
L丝-单圈焊锡丝长度；
d1-焊锡丝直径；
K1-助焊剂消除系数，用于排除焊锡丝中助焊剂的体积影响。
3.如权利要求1所述的一种高密度多排列镀金引脚板间连接器的装焊方法，其特征在于，步骤(2)中锡环制备方法如下：将焊锡丝紧密缠绕在绕棒上，再将缠绕好的焊锡丝按照步骤(1)中确定的圈数，依次切开制成锡环。
4.如权利要求1所述的一种高密度多排列镀金引脚板间连接器的装焊方法，其特征在于：所述步骤(3)中，板间连接器的插装方向为引脚朝上。
5.如权利要求1所述的一种高密度多排列镀金引脚板间连接器的装焊方法，其特征在于，步骤(3)中还包括如下步骤：板间连接器插装在印制板上之后，用防热胶带进行固定。
6.如权利要求1所述的一种高密度多排列镀金引脚板间连接器的装焊方法，其特征在于：步骤(4)中预烘温度不大于130℃，时间不小于2小时。
7.如权利要求6所述的一种高密度多排列镀金引脚板间连接器的装焊方法，其特征在于：步骤(4)中预烘温度125℃±5℃，时间4小时。
8.如权利要求1所述的一种高密度多排列镀金引脚板间连接器的装焊方法，其特征在于：步骤(5)中，印制板的放置方向为水平放置且保证板间连接器的引脚朝下。
9.如权利要求1所述的一种高密度多排列镀金引脚板间连接器的装焊方法，其特征在于：步骤(5)中，回流焊接温度单位为℃，回流焊接温度曲线设置如下，
安装有板间连接器的印制板整板在回流焊接炉中的前进速度为55cm/min。
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