CN113319454B - 一种表贴自带固态焊料连接器焊端焊料预置方法 - Google Patents

一种表贴自带固态焊料连接器焊端焊料预置方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电子行业中的装配制造技术领域，具体公开了一种表贴自带固态焊料连接器焊端焊料预置方法，具体包括以下步骤：步骤S1：将膏状焊料预置在承载板上；步骤S2：将表贴自带固态焊料连接器的引线焊端与膏状焊料接触；步骤S3：熔化膏状焊料，并基于熔融焊料液滴润湿行为将熔化后的膏状焊料转移到引线焊端上，膏状焊料与引线焊端材料之间发生化学反应形成金属间化合物，实现焊端焊料预置；步骤S4：清洗。本发明组装后焊点平均拉力大于1kg，并可通过温度循环与振动、冲击考核要求，预置焊料后的器件组装可靠性满足电子产品使用要求；本发明具有低成本、预置效率高特点，操作实现主要依靠SMT技术，技术相对成熟，人力和设备资源丰富，便于推广。

Description

一种表贴自带固态焊料连接器焊端焊料预置方法
技术领域
本发明涉及电子行业中的装配制造技术领域，更具体地讲，涉及一种表贴自带固态焊料连接器焊端焊料预置方法。
背景技术
表贴自带固态焊料连接器其封装定义为Solder charge Grid Array简称SCGA，是一种高速多芯的板间互联器件；因其焊点屈服强度大、可靠性高、射频传输性能优越，被广泛应用于板卡对接的设备中。表贴自带固态焊料连接器引线及焊端结构如图1所示，焊端上部分位置出厂时采用激光毛化阻焊使得焊料无法向上润湿被限制在焊端上部分位置以下的空间，引线端部5位置呈现片状圆弧形。为增加焊点强度，表贴自带固态焊料连接器在图1中引线端部5预置一定体积的固态焊料用于后端组装环节焊接。
由于膏状或焊球形态焊料直接放置在图1中引线端部5圆弧形位置具有不稳定性，因此无法使用传统平面球栅阵列封装器件焊料预置工艺，依靠重力作用在焊端预置焊料。
目前，行业内表贴连接器自带固态焊料预置通用工艺方法采用固定规格固体锡块，使用专用精密铆接设备铆接实现焊端自带焊料与引脚连接。但这种预置方法需要使用精密铆接设备，导致效率低且成本偏高；同时铆接后的固体锡块在后端转运、装配操作中易引起机械损伤，导致器件组装焊接开路或焊点强度不满足使用需求。
另外，当表贴自带固态焊料连接器在装配环节出现组装缺陷时，由于组装厂不具备自带固体锡块精密铆接能力，只能将器件报废不能原位返工，带来较大的成本损失。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种低成本、高效率、高可靠性的表贴自带固态焊料连接器焊端焊料预置方法。
本发明解决技术问题所采用的解决方案是：
一种表贴自带固态焊料连接器焊端焊料预置方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：将膏状焊料预置在承载板上；
步骤S2：将连接器的引线焊端与膏状焊料接触；
步骤S3：熔化膏状焊料，并基于熔融膏状焊料液滴润湿行为将熔化后的膏状焊料润湿转移到引线焊端上，待熔融膏状焊料冷却凝固，膏状焊料与引线焊端材料之间发生化学反应形成金属间化合物，实现焊端焊料预置；
步骤S4：清洗。
在一些可能的实施方式中，所述承载板包括基材、粘接在基材上的涂膜层；所述基材采用热膨胀系数小于10×10-6/℃非金属材料制成或采用金属材料制成；所述承载板平面度小于0.1mm。
在一些可能的实施方式中，所述涂膜层采用聚酰亚胺、聚酯、聚四氟乙烯、聚乙烯醇、聚萘二甲酯乙二醇酯任意一种材料制成；其中，涂膜层与膏状焊料之间在膏状焊料液相线以上的润湿角大于90°；且其不能与膏状焊料之间发生化学反应生成金属间化合物。
在一些可能的实施方式中，所述膏状焊料为材料液相线温度在450℃以下的二元或三元合金钎料；
在一些可能的实施方式中，所述膏状焊料为Sn63Pb37、Sn62Pb36Ag2、Sn20Pb80、Sn10P90、SnAgCu、SnBi、PbIn中的任意一种。
在一些可能的实施方式中，所述步骤S1具体是指：采用印刷或喷印方法将膏状焊料附着在涂膜层上。
在一些可能的实施方式中，所述步骤S2具体是指：
将连接器使用自动表面贴装电子元器件贴装设备贴放到附着膏状焊料的承载板上；
其中，引线焊端埋入膏状焊料的深度不小于膏状焊料厚度的50％，所述引线焊端与膏状焊料的搭接率不小于50％。
在一些可能的实施方式中，所述步骤S3具体是指：
使用气相换热、热风对流或红外热辐射加热设备对装配后的结构进行加热，膏状焊料在熔化后由承载板向引线焊端润湿流动，膏状焊料与引线焊端之间形成冶金结合，完成焊端膏状焊料预置。
在一些可能的实施方式中，在加热时，引线焊端端部的温度高于承载板的温度，其温差不小于20℃。
在一些可能的实施方式中，所述清洗的方式为喷淋清洗、喷流清洗、气相清洗、超声清洗中的任意一种；清洗后进行表面离子残留物浓度检测。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明组装后焊点拉力均值大于1kg，并可通过温度循环与振动、冲击考核要求，预置后的器件组装可靠性满足电子产品使用要求；
本发明具有低成本、预置效率高特点，操作实现主要依靠SMT技术，技术相对成熟，人力和设备资源丰富，便于推广；
本发明可应用于表贴自带固态焊料连接器返工返修过程中，解决该类型连接器无法原位返工返修业界难题。
附图说明
图1为本发明中各部件在使用时的位置关系示意图；
图2为本发明实施例中预置焊料后的效果图；
图3为本发明实施例中连接器应用装配后的金相切面；
图4为本发明中采用强度确认法确定焊膏量的变化图；
图5为图4中40个焊盘的金相剖切照片；
图6为本发明中焊膏量与拉力之间的关系图；
图7为采用原位置替代法实现焊接的金相剖切比较图；
其中：1、承载板；2、膏状焊料；3、连接器；4、涂膜层；5、引线焊端。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的附图中，需要理解的是，不具有相互替代性的不同技术特征显示在同一附图，仅是为了便于简化附图说明及减少附图数量，而不是指示或暗示参照所述附图进行描述的实施例包含所述附图中的所有技术特征，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面对本发明中进行详细说明。
如图1-图7所示，
一种表贴自带固态焊料连接器焊端焊料预置方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：将膏状焊料预置在承载板1上；具体是指：采用印刷或喷印方法将膏状焊料附着在涂膜层4上。
印刷方法为接触的钢网或丝网印刷方法；其中，膏状焊料钢网开口为圆形或方形开口；当为圆形开口时，开口直径为0.49-0.89mm，当为方形开口时，开口边长为0.49-0.89mm。钢网厚度为0.13-0.30mm；为获得满足要求的焊料体积，可通过基板印刷膏状焊料2—加热熔化预置膏状焊料2—基板印刷膏状焊料2方式实施膏状焊料2预置。
喷印方法为非接触式的膏状焊料喷印方法；
通过焊端的预置焊料实现互联，需要一定量预置焊料量保证SCGA组装后焊点强度满足结构使用要求；根据焊点强度拉力强度测试以及振动、冲击以及温度循环试验需求，膏状焊料体积需要控制在0.159-0.169mm3范围内。
对于焊膏量的确定，本发明采用了两种方法进行：
一、强度确认法：
为确定焊点强度与焊膏量之间的关联关系，确定最优焊膏量，对此采用钢网厚度为0.2mm，开口边长以0.5mm开始并以0.01mm边长递增，得到焊膏量变化范围为0.05-0.158mm，如图4所示，对图4所得到的40个焊盘进行焊接组装，得到如图5所示的金相剖切照片，通过图5金相剖切照片可以发现植球焊接后焊点焊料和饱满度随着焊膏量增加逐步增加，但均满足IPC-A-610G 8.3.8预置焊料端子3级检验标准要求；通过拉力测试确定各焊点拉力；测试后的焊点拉力与焊膏量之间关系如图6所示，从图中可以发现焊点拉力是在一定范围内(1-1.6kg)随机分布。通过拉力端口发现断裂点均在焊盘与印制板之间，因此焊盘先于焊点断裂，可以说明焊点结构足够可靠，在焊盘断裂前焊点不会出现破坏。
二、原位置替代法：
从原厂器材端取下自带焊料，使用光学设备测量自带焊料量，得到固态焊料量0.0845mm3，对应理论的膏状焊膏量体积为0.169mm3，焊接后的元器件与原厂器件金相剖切对比见图7；
通过上述两种方法可得膏状焊料体积需要控制在0.159-0.169mm3范围内。
在一些可能的实施方式中，所述承载板1包括基材、粘接在基材上的涂膜层4；所述基材采用热膨胀系数小于10×10-6/℃非金属材料制成或采用金属材料制成；所述承载板1承载膏状焊料平面的平面度小于0.1mm；如环氧玻璃布基材的印制板。
优选的，当采用金属材料制成时，可采用热稳定性较好的金属材料，例如：例如：铜合金、铝合金、铁碳合金等；
优选的，涂膜层4材料可采用聚酰亚胺、聚酯、聚四氟乙烯、聚乙烯醇、聚萘二甲酯乙二醇酯等非金属材料。
步骤S2：将连接器3的引线焊端5与膏状焊料接触；具体是指：
将连接器3使用自动表面贴装元器件贴装设备贴放到预置完成膏状焊料的承载板1上；
其中，引线焊端5埋入膏状焊料的深度不小于膏状焊料厚度的50％，所述引线焊端5与膏状焊料的搭接率不小于50％。
步骤S3：熔化膏状焊料，并基于熔融焊料液滴润湿行为将熔化后的膏状焊料润湿转移到引线焊端5上，待熔融膏状焊料冷却凝固，实现焊端焊料预置；具体是指：
使用气相换热、热风对流或红外热辐射加热设备对装配后的连接器3的结构进行加热，膏状焊料在熔化后由承载板1向引线焊端5润湿流动，熔化的膏状焊料2与引线焊端5之间发生化学反应生成金属间化合物，在熔化冷却凝固后，完成焊端固态焊料预置。
在加热时，引线焊端5端部的温度高于承载板1的温度，其温差不小于20℃。
在一些可能的实施方式中，所述膏状焊料为材料液相线温度在450℃以下的二元或三元合金钎料；
优选的，所述膏状焊料为Sn63Pb37、Sn62Pb36Ag2、Sn20Pb80、Sn10P90、SnAgCu、SnBi、PbIn中的任一种。
步骤S4：清洗；所述清洗的方式为喷淋清洗、喷流清洗、气相清洗、超声清洗中的任意一种；清洗后进行表面离子残留物浓度检测。
在一些可能的实施方式中，所述涂膜层4与膏状焊料之间在膏状焊料液相线以上的润湿角大于90°，且不能与膏状焊料之间发生化学反应生成金属间化合物。
其中，引线焊端5埋入膏状焊料的深度不小于膏状焊料厚度的50％，所述引线焊端5与膏状焊料的搭接率不小于50％。
实施例：
本实施例采用普通FR4板材印制板，厚度为2mm、外形尺寸为50X100mm，涂膜层4选用厚度为0.05mm的聚酰亚胺基材耐高温胶带，并将涂膜层4粘接到件承载板1的承载表面；膏状焊料2采用alpha品牌OM5100型号Sn63Pb37成分焊膏；采用钢网印刷方式在承载板1上印刷膏状焊料；
钢网网板的参数见表1：
钢网材料 加工工艺 开口尺寸 开口厚度
不锈钢 激光加工 直径0.89mm圆形 0.25mm
表1膏状焊料印刷采用MPM125全自动印刷设备，设备印刷参数见表2：
印刷压力 印刷速度 脱模速度 脱模距离
6Kg 30mm/s 快 1mm
表2
采用EUROPLACER品牌全自动贴片机贴装，贴装压力设置为50mN使用高精度贴装模式贴装；
使用BTU125型号十温区回流焊接设备加热焊接贴装完成后的组件，回流焊接链速设置为75cm/min，温度参数设置如表3，要求最后三个温区温度设置上温区比下温区温度高45℃。
Figure GDA0003654274030000081
表3
使用超声波清洗设备对组装完成后对焊端焊料预置完成后的连接器3清洗，清洗剂选择ZESTRON公司FA+型号清洗液，清洗频率控制在40KHz以上，清洗时间不小于15min。
连接器3焊端固态焊料2预置后的效果见图2所示，焊点形状一致好、颜色光亮、焊料与焊端结合强度高，通过本方法预置焊料的连接器3应用装配后的金相切面见图3，其组织界面均匀，焊料量与形貌均满足焊接金相标准要求，满足高可靠性电子产品的使用要求。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (6)

1.一种表贴自带固态焊料连接器焊端焊料预置方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤S1：将膏状焊料预置在承载板上；所述承载板包括基材、粘接在基材上的涂膜层；所述基材采用热膨胀系数小于10×10-6/℃非金属材料制成或采用金属材料制成；所述承载板平面度小于0.1mm；
所述涂膜层采用聚酰亚胺、聚酯、聚四氟乙烯、聚乙烯醇、聚萘二甲酯乙二醇酯中的任意一种材料制成；其中，涂膜层与膏状焊料之间在膏状焊料液相线以上的润湿角大于90°；且其不能与膏状焊料之间发生化学反应生成金属间化合物；
步骤S2：将连接器的引线焊端与膏状焊料接触；所述步骤S2具体是指：
将连接器使用自动表面贴装电子元器件贴装设备贴放到附着膏状焊料的承载板上；
其中，引线焊端埋入膏状焊料的深度不小于膏状焊料厚度的50%，所述引线焊端与膏状焊料的搭接率不小于50%;
步骤S3：对步骤S2中接触后的引线焊端与膏状焊料进行加热，熔化膏状焊料，并基于熔融焊料液滴润湿行为将熔化后的膏状焊料转移到引线焊端上，膏状焊料与引线焊端材料之间发生化学反应形成金属间化合物，实现焊端焊料预置；
在加热时，引线焊端端部的温度高于承载板的温度，其温差不小于20℃；
步骤S4：清洗。
2.根据权利要求1所述的一种表贴自带固态焊料连接器焊端焊料预置方法，其特征在于，所述焊料为材料液相线温度在450℃以下的二元或三元合金钎料。
3.根据权利要求1所述的一种表贴自带固态焊料连接器焊端焊料预置方法，其特征在于，所述膏状焊料为Sn63Pb37、Sn62Pb36Ag2、Sn20Pb80、Sn10P90、SnAgCu、SnBi、PbIn中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种表贴自带固态焊料连接器焊端焊料预置方法，其特征在于，所述步骤S1具体是指：采用印刷方法将膏状焊料附着在涂膜层上。
5.根据权利要求4所述的一种表贴自带固态焊料连接器焊端焊料预置方法，其特征在于，所述步骤S3具体是指：
使用气相换热、热风对流或红外热辐射加热设备对装配后的结构进行加热，膏状焊料在熔化后由承载板向引线焊端润湿流动，膏状焊料与引线焊端材料之间发生化学反应形成金属间化合物，完成焊端焊料预置。
6.根据权利要求1所述的一种表贴自带固态焊料连接器焊端焊料预置方法，其特征在于，所述清洗的方式为喷淋清洗、喷流清洗、气相清洗、超声清洗中的任意一种；清洗后进行表面离子残留物浓度检测。
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