至印刷電路板的永久性連接(一)

1、至印刷電路板的永久性連接 （一 ）這一章里，我們將對至電路板（PWBs的機(jī)械式和焊接式兩種永久性連 接方式進(jìn)行討論。 PWB 的設(shè)計(jì)與制造過程在第十章中已經(jīng)討論過了， 這就為以后討論各種永久性連接技術(shù)提供了上文，近年來，微處理器 之處理功能及記憶 IC 技術(shù)之記憶功能的飛速提高，已經(jīng)在深刻影響著 PWB 技術(shù)的發(fā)展 .而這些功能的飛速提高就對 PWB 制造施加了壓力， 以求達(dá)到電路板功能的整體提高，特別是可以通過改善多層線網(wǎng)，并 結(jié)合孔的密度的提高和行寬及其間距的縮小來獲得。這些容量的提高 現(xiàn)在是通過擴(kuò)大線板的大小來實(shí)現(xiàn)的。實(shí)現(xiàn)這些改善必要的一個主要 技術(shù)改進(jìn)是以高面率進(jìn)行通孔焊的能力 （板厚

2、 /孔徑 ）。大型、高密及多 層線網(wǎng)的PWB是非常昂貴的，因?yàn)樗鼜?qiáng)調(diào)的是制造工藝和連接至線路 板過程的可靠性要求。出于對上述成本及制造的考慮，近幾年來 PWB 的連接技術(shù)已經(jīng)受到了相當(dāng)?shù)闹匾?。焊接技術(shù)，特別是使用波峰焊的通孔焊技術(shù) （THT，多年來已經(jīng)一直在 電路板的制造中占主導(dǎo)地位。在 THT中，一元引線插入一電路板的通 焊孔中，再進(jìn)行波峰焊。然而，隨著高密多層線網(wǎng) PWB 技術(shù)的改進(jìn)， 人們已經(jīng)認(rèn)識到THT焊接的局限性，其表現(xiàn)為：1. 焊接溫度引起的對線板的損害；2. 殘留于線板上的助焊劑引起的腐蝕；3. 因組件數(shù)量的增加及行密度的提高而使焊接空間縮小。 隨著線板尺寸及其厚度的加大，由于焊

3、接時會產(chǎn)生溫度梯度現(xiàn)象，故其焊接溫度的上升會導(dǎo)致電路板的潛在危險有所增加。對遠(yuǎn)程通訊設(shè) 備所用之電連接器，人們就助焊劑之潛在腐蝕已作了深入的研究，并 將該助焊劑的腐蝕性定為一主要的損害機(jī)理。 這些發(fā)現(xiàn)清楚地表明了， 消除用于促進(jìn)焊接的化學(xué)助焊劑的優(yōu)點(diǎn)。正是出于這樣的考慮，人們 將彈性壓入式插頭設(shè)計(jì)成，一種能提供PWB板上之PTH通孔的機(jī)械式 無焊連接方式。更近些時候，隨著孔徑的縮小以及電線間的行間距不 斷縮小的趨勢，焊接技術(shù)又一次使昂貴而有限大的電路板的真實(shí)價值 得以體現(xiàn)。表面粘接技術(shù)（SMT）,提供一種墊附在電路板上的焊接連接 方式，已經(jīng)受到越來越多的注意。由于在理想狀態(tài)下可以消除通孔結(jié) 構(gòu)

4、， SMT 就在電路板的密度及工藝方面有著顯著的優(yōu)點(diǎn)，這就使電路 板的既有價值得以體現(xiàn)并可降低其生產(chǎn)成本。11.1 至印刷電路板的機(jī)械式永久連接 下面將就兩種機(jī)械式永久性連接方式進(jìn)行討論： 壓入式和包覆式連接， 如圖11.1所示。壓入式連接是直接插入到電路板的PTH中（圖11.1a）壓入式連接可能有兩個或三個接觸帶，這取決于其事先的設(shè)置，如圖 11.2所示。圖11.2a所示為有兩個接觸帶的連接：其中一接觸帶連接至 PWB板上的PTH孔，還有一導(dǎo)柱活動連接至子板或線纜上之插座.圖 11.2b所示為一有三個接觸帶的的連接，此情形下端子壓入帶兩端都有 一延伸導(dǎo)柱。一般來說，端子的一端用于活動連接，而

5、另一端既可用 于固定連接亦可用于活動連接。最常用的固定連接是包覆式連接，或者，某些情況下，復(fù)合包覆式連接也可用于導(dǎo)柱上，但這取決于導(dǎo)柱 的長度。然而，連接端子的活動端并不局限于是導(dǎo)柱，正如圖11.2c 和11.2d 所示的，也可以單獨(dú)是板緣和盒體插座。壓入式連接端子的活動端的設(shè)計(jì)及對材料的要求當(dāng)然和第 6 章所討論 的是一致的。但是，壓入式和包覆式連接的設(shè)計(jì)主題和參數(shù)是不相同 的，我們將單獨(dú)地討論。11.2 壓入式連接 壓入式連接可以定義為這樣一種連接，在此種連接中金屬對金屬的接 觸區(qū)域可以通過將一端子的壓入帶插入一PTH 中，這樣壓入帶的直徑應(yīng)比PTH的直徑要大。接觸區(qū)是通過壓入帶與 PTH

6、的內(nèi)表面互相擠壓 變形而成的。當(dāng)然，壓入帶和 PTH有關(guān)的變形是取決于設(shè)計(jì)和單個接 觸元的尺寸。壓入式連接有兩種類型：剛性和柔性連接。正如名稱所提示的，剛性壓入帶基本上是剛性的，當(dāng)被插進(jìn) PTH內(nèi)時僅會產(chǎn)生最小量的變形。也正如將被討論的那樣，這些特點(diǎn)限制了其在許多方面的應(yīng)用。另一方面柔性壓入帶即設(shè)計(jì)于當(dāng)插入至 PTH內(nèi)時會產(chǎn)生可控制的變形量。 有幾種柔性壓入帶的設(shè)計(jì)分別使用了好幾種方式提供柔性接觸變形。11.2.1 剛性壓入式端子如圖 11.3 所示為一剛性連接。這種連接包括一剛性端子插入至一個剛 性幾乎一樣的電路板中。在這種情況下，端子的變形可以忽略，電路 板的塑性變形也是很小的。這種連接將

7、產(chǎn)生殘余有彈性變形力以保持 該機(jī)械連接的完整性。在插入過程中， PTH 內(nèi)表面的鍍層會產(chǎn)生很大 的變形，這是影響電路板性能的一個主要因素。如圖11.4所示，為直徑大約是1mm(0.040inch)、與剛性端子配合之的 PTH成孔尺寸的插入力和保持力示意圖。注意，插入力隨PTH的尺寸會有很大的變化。正如下文將討論的，壓入式連接最重要的孔的尺寸 就是鉆孔的尺寸。為了將最大插入力降至最小以方便裝配，并維持最 小保持力(以為連接提供機(jī)械穩(wěn)定性)，要求PTH尺寸是過盈配合公差。 且盡管是高插入力，與殘余彈性變形力有關(guān)的保持力，仍受限于前述 之原因。當(dāng)然，在裝配過程中，當(dāng)導(dǎo)柱插入連接時或者連接裝置進(jìn)行 連

8、接時；且其易受到機(jī)械擠壓或震動時，保持力與壓入式連接的穩(wěn)定 性、及與之相對的機(jī)械干擾都是有關(guān)系的；在某些情況下，剛性壓入 端子在殘余應(yīng)力方面的局限，正逐漸通過焊接的方式來得以避免。當(dāng) 然在這樣的情況下，如前所述的機(jī)械式連接的優(yōu)點(diǎn)就喪失了。彈性端 子幾何學(xué)正被進(jìn)一步應(yīng)用以消除這些剛性端子壓入式連接的缺陷。11.2.2柔性壓入式端子圖11.4也包括ACTIONPIf之柔性端子的插拔力及保持力的數(shù)據(jù)以說明 柔性變形的影響。 在這些數(shù)據(jù)中與剛性插頭相比照有三個顯著的差別： 插入力下降的同時，對應(yīng)于該插入力的保持力也在提高，這樣可帶來意外的優(yōu)點(diǎn)：即 PTH 的公差可以得以放寬些。這些差別使得柔性壓入 式

9、端子的性能有很大的提高。減小插入力對于 PTH 破壞的控制要求和 治具壓力的要求是相當(dāng)重要的；而保持力增加則意味著更高的殘余應(yīng) 力，以增強(qiáng)分界面的機(jī)械完整性及連接器電阻的穩(wěn)定性。對于給定范 圍之插入力，若 PTH 放寬其公差，可以降低電路板的制造成本，特別 是可以降低多層線網(wǎng)電路板的成本。 除了這些成本及制造上的優(yōu)點(diǎn)外，柔性接觸還對其性能及可靠性有影 響，它可減少在插入過程中對 PTH 孔的損害。正如第二章所討論的， 在端子互配時產(chǎn)生的插入力和磨損過程，取決于表面間的接觸及其摩 擦力，同樣的基本原理也與壓入式連接有關(guān)。在此情況下，壓入帶的 柔性變形類似于接觸面的面跳動率，其與壓入帶的插入幾何角

10、度結(jié)合 起來會對插入力及可能發(fā)生在端子插入部分的磨損或?qū)TH 的損害有很大的影響 .對這些變形控制的重要性可以從兩個方面來看：積極面， 變形可促進(jìn)金屬接觸區(qū)域的改善，以保證必要的一個穩(wěn)定且較低的接 觸電阻；但是過量的變形會損害 PTH孔，且更重要的是會損害 PTH與 多層線網(wǎng)電路板內(nèi)部組件之間的連接。對這種損害的概要說明如圖 11.5所示，其在PWB裝配領(lǐng)域及對其可靠性的考慮當(dāng)中都是一個重點(diǎn)。 內(nèi)部組件的略微彎曲是允許的，但內(nèi)部組件與PTH分界面上的裂紋或斷折是不允許的。另外，當(dāng)端子完全插入 PTH 孔時，如端子保持力所 示之柔性變形元提供的殘余應(yīng)力，可保持接觸表面的機(jī)械完整性。 現(xiàn)已開發(fā)出幾種形狀的柔性帶來控制柔性壓入帶和PTH插入部分的變 形，使得既降低其插入力又提高固定連接的機(jī)械完整性。圖 11.6 概要 描述了所選之壓入帶的幾何形狀方案，每一