張至愚 隋淞印 閆軍瑩 李 巖 劉 萍 李 瑩

航天用印制板電連接器多余物控制技術(shù)研究

張至愚 隋淞印 閆軍瑩 李 巖 劉 萍 李 瑩

（北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094）

印制板電連接器廣泛應(yīng)用于航天器無引線電子單機，實現(xiàn)電能傳輸和信號傳遞，其工作可靠性直接影響電子單機的正常運行。分析了航天電子產(chǎn)品印制板電連接器典型失效案例及原因，電子裝聯(lián)過程引入的多余物是導(dǎo)致電連接器失效的主要原因。多余物引入風(fēng)險存在于印制板電連接器裝聯(lián)全過程，通過工藝方法改進及工藝流程優(yōu)化，可有效控制裝聯(lián)過程多余物。

印制板電連接器；失效案例；多余物控制

1 引言

隨著航天器電子產(chǎn)品向小型化、輕量化、低功耗的趨勢發(fā)展，印制板電連接器代替了傳統(tǒng)電源產(chǎn)品內(nèi)部導(dǎo)線，實現(xiàn)各印制板間的電氣連接，是無引線機箱產(chǎn)品內(nèi)部互聯(lián)的重要樞紐。使用印制板電連接器的無引線機箱具有體積小、重量輕、工藝一致性好、可維修性強的優(yōu)點，逐漸成為航天器電子產(chǎn)品主流結(jié)構(gòu)形式，印制板電連接器也朝著高密度、多芯數(shù)的方向發(fā)展。

航天器電子產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，電連接器的電接觸性能會受到環(huán)境溫濕度的影響，質(zhì)量缺陷若未在裝聯(lián)過程得到有效控制，一旦在系統(tǒng)試驗或者在軌發(fā)生故障，將會導(dǎo)致重大經(jīng)濟損失。據(jù)統(tǒng)計，電連接器失效約占電子元器件失效案例總數(shù)的近50%，印制板電連接器裝聯(lián)工藝涉及工序繁多，過程中容易引入多余物，且多余物存在移動的可能性，導(dǎo)致電連接器出現(xiàn)隨機的短路或斷路故障。因此，航天用印制板電連接器多余物控制是各個研究生產(chǎn)單位持續(xù)關(guān)注和重點解決的問題。本文結(jié)合近年來多余物引起的電連接器失效案例，針對多余物控制提出工藝改進措施及工藝流程優(yōu)化，提高印制板電連接器裝聯(lián)可靠性。

2 電連接器失效模式

電連接器由接觸件、絕緣體和外殼三部分構(gòu)成，在設(shè)計、制造、貯存、裝聯(lián)、使用等過程均可能造成失效故障。其失效模式包括絕緣失效、接觸失效、機械失效及其他失效。經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到各種失效模式情況的比例見圖1，其中絕緣失效和接觸失效共占67.4%，是印制板電連接器主要失效故障模式。

圖1 電連接器失效模式百分比

2.1 絕緣失效

電連接器的接觸件按照一定間距和順序排列安裝至絕緣體，使接觸件之間、接觸件與外殼之間保持固定間距及互相絕緣。絕緣失效主要表現(xiàn)為接觸件之間、接觸件與外殼之間的絕緣電阻或介質(zhì)耐壓不滿足要求。絕緣體表面沾污、助焊劑殘留、材料內(nèi)部吸潮、絕緣材料老化等原因會導(dǎo)致電連接器整體絕緣電阻及介質(zhì)耐壓下降。當(dāng)接觸件之間或接觸件與外殼之間存在金屬多余物搭接將直接導(dǎo)致電連接器短路故障，嚴(yán)重則導(dǎo)致元器件擊穿燒蝕。

航天用電連接器接觸件、絕緣體等需按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)進行原材料復(fù)驗。絕緣電阻測試及介質(zhì)耐壓測試是目前常用于航天電連接器的檢測項目，按照相應(yīng)的環(huán)境條件及測試條件進行檢測可及時發(fā)現(xiàn)絕緣不良、短路擊穿等失效故障。印制板電連接器裝聯(lián)后其接觸件已與印制電路板及元器件形成連通電路，無法使用通用檢測方法進行故障檢測，因此在裝聯(lián)過程電連接器絕緣性能主要由清洗工藝及無損檢測技術(shù)等保證。

2.2 接觸失效

接觸件是電連接器的核心部件，實現(xiàn)電氣連接的功能，需要具備穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)、可靠的接觸保持力及良好的導(dǎo)電能力。接觸件結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選用、機械加工、熱處理及表面處理工藝不合理，或者貯存使用環(huán)境惡劣等原因均會導(dǎo)致電連接器接觸失效，表現(xiàn)為接觸電阻增大或斷路。

圖2 典型印制板電連接器對插示意圖

航天用電連接器制造時進行單孔插入力、分離力檢查及接觸電阻測試，并有插拔次數(shù)壽命要求。印制板電連接器的接觸失效表現(xiàn)為印制板間對插點位接觸電阻超過要求，圖2所示為典型的冠簧式印制板電連接器對插示意圖，接觸失效可發(fā)生在插針與接觸圈或接觸圈與壓周圈間。

3 失效案例分析

3.1 金屬多余物引起的絕緣失效

某產(chǎn)品進行單板調(diào)試時發(fā)現(xiàn)多排長針電連接器中間排插針113點與附近182點存在短路故障，是典型的絕緣失效現(xiàn)象。使用X光檢查發(fā)現(xiàn)兩點間存在極細金屬多余物，排除多余物位于電連接器焊接面及印制板內(nèi)，確認該金屬多余物存在于安裝面。取下該多余物后使用150倍顯微鏡觀察，形貌如圖3所示，對比裝聯(lián)過程常用的吸錫繩單股銅絲直徑及顏色，判斷該多余物來源于吸錫繩。

圖3 金屬多余物造成短路

該失效電連接器為長針電連接器，端頭進行對插不可粘錫，無法使用錫鍋整體去金搪錫，一般使用電烙鐵加錫后吸錫繩輔助吸除多余焊錫。常規(guī)的去金搪錫10倍鏡檢難以識別出直徑小于0.1mm的金屬絲，因此吸錫繩在引腳根部殘留的銅絲在電連接器安裝后殘留在安裝面，多排引腳電連接器或電連接器空氣隙小于1mm情況下無法在裝聯(lián)質(zhì)量檢驗中通過鏡檢發(fā)現(xiàn)。在調(diào)試測試環(huán)節(jié)，金屬多余物搭接在兩個非等電位接觸件間最終導(dǎo)致短路故障。該種長針電連接器去金搪錫工藝方法及檢驗方法存在隱患。經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，去金搪錫問題引起的電連接器失效發(fā)生幾率為0.625%。

3.2 非金屬多余物引起的接觸失效

案例一：某產(chǎn)品在聯(lián)試環(huán)節(jié)發(fā)生電信號傳輸故障，表現(xiàn)為板間電連接器對插后兩處25#接觸電阻在10MΩ和0.2Ω間跳變，將對插電連接器分離后對各自的接觸圈及插針進行通斷檢測均無異常，將接觸失效故障定位于印制板電連接器對插的插針和接觸圈間。

案例二：某產(chǎn)品在整機調(diào)試環(huán)節(jié)發(fā)生電信號傳輸故障，表現(xiàn)為22#插座端焊點與插頭端焊點電阻大于10MΩ，將對插印制板電連接器分離后測試插頭端插針與焊點之間電阻0.1mΩ，插座端接觸圈與對應(yīng)焊點接觸電阻仍大于10MΩ，將接觸失效故障定位于印制板電連接器內(nèi)部的接觸圈及插針。

對案例一和案例二中故障插針進行失效分析，通過試驗檢測排除分離力不足、結(jié)構(gòu)損傷等原因，解剖后發(fā)現(xiàn)案例一中25#壓周圈和四瓣接觸圈內(nèi)外表面、案例二中22#插孔接觸圈與護管內(nèi)壁存在大量有機多余物，從形貌上判斷為助焊劑殘留。航天器電子產(chǎn)品使用的助焊劑一般為純松香基焊劑（R型）或中等活性松香基焊劑（RMA型），主要成分為脂肪酸樹脂，在電氣上是絕緣的，化學(xué)上呈非活性。

兩個接觸失效案例的電連接器均為冠簧式印制板電連接器，如圖2所示，插孔合件為兩體式結(jié)構(gòu)，為非一體式結(jié)構(gòu)，存在兩處間隙通道：

a. 助焊劑殘留通道1：助焊劑通過壓周圈縫隙進入插孔合件內(nèi)部，圖4所示案例一多余物集中于壓周圈附近、接觸圈內(nèi)外，是典型的助焊劑通過通道1殘留狀況。

圖4 助焊劑殘留案例一

b. 助焊劑殘留通道2：助焊劑通過插孔合件與基座配合處的縫隙流入護管外壁，通過對插面流入插孔合件內(nèi)部，圖5所示多余物集中于護管內(nèi)外壁，是典型的助焊劑通過通道2殘留的狀況。

圖5 助焊劑殘留案例二

案例一中，印制板換板復(fù)用原電連接器，電連接器拆機后及裝聯(lián)后僅對焊點手工清洗；案例二中，焊接過程中存在一次交驗不合格并返工，返工后僅對焊點手工清洗。冠簧式兩體結(jié)構(gòu)的印制板電連接器存在結(jié)構(gòu)缺陷，在助焊劑用量過多、加熱時間過長、加熱溫度過高情況下，助焊劑通過兩種途徑中的任意一種進入插孔合件內(nèi)部在護管與接觸圈之間的接觸面、接觸圈與插針的接觸面之間，形成非導(dǎo)電的多余物，影響了插針和接觸圈、接觸圈和護管之間的有效接觸，進而造成接觸不良。助焊劑殘留問題導(dǎo)致的接觸失效，均在兩體式冠簧式結(jié)構(gòu)的印制板電連接器上發(fā)生，未在一體式簧爪結(jié)構(gòu)的印制板電連接器中發(fā)生，現(xiàn)有的手工清洗方式不適用于存在結(jié)構(gòu)缺陷的冠簧式印制板電連接器，經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，助焊劑殘留導(dǎo)致接觸失效幾率為0.05%。

4 多余物控制工藝改進

多余物導(dǎo)致的電連接器失效為偶發(fā)故障，在裝聯(lián)時流程不合理、要求不細化或執(zhí)行不到位均有可能引入多余物，風(fēng)險通過各個環(huán)節(jié)累加，最終在電連接器失效故障中暴露。印制板電連接器裝聯(lián)工藝流程如圖6所示。

圖6 印制板電連接器裝聯(lián)工藝流程

各個操作環(huán)節(jié)可能引入的多余物見表1，從工藝流程及各項工序采用的工藝方法入手，通過對操作及檢驗工藝的細化、量化、可操作化，對裝聯(lián)全流程的各個環(huán)節(jié)提出針對多余物控制的裝聯(lián)工藝。

表1 裝聯(lián)工序可能引入的多余物

4.1 去金搪錫工藝改進

長針電連接器無法使用錫鍋去金搪錫，使用噴錫設(shè)備替代傳統(tǒng)電烙鐵去金搪錫，為避免去金搪錫環(huán)節(jié)與焊接環(huán)節(jié)設(shè)備混用，未采用選擇性波峰焊接設(shè)備，而是采用原理相同但結(jié)構(gòu)更為簡單的噴錫拆焊臺。

a. 使用設(shè)備前調(diào)整波峰高度，確保超過電連接器寬度；

b. 電連接器本體及長針電連接器對插插針使用防護膠帶保護，防止電連接器殼體過熱變形，防止飛濺錫液污染插針影響對插性能；

c. 工裝高度設(shè)置與噴錫口齊平，完成去金后更換錫槽錫液后進行搪錫操作，完成去金搪錫操作后去除防護膠帶；

d. 去金搪錫后清洗，使用無水乙醇無紡布對引腳根部擦洗清潔，直至使用擦拭時無紡布無變色。

4.2 助焊劑操作優(yōu)化

規(guī)范去金搪錫、焊接工序使用助焊劑的涂抹方式及操作。

a. 手工刷涂助焊劑時，使用毛刷從瓶中蘸取適量助焊劑后在瓶口瀝除多余液體，保持半干狀態(tài)，確保操作過程無液體滴落，在去金搪錫和焊接過程刷涂助焊劑時全程保持引腳朝下，確保刷涂過程引腳根部無助焊劑堆積，涂抹時范圍準(zhǔn)確避免多次刷涂；

b. 選擇性波峰焊接時，控制噴涂助焊劑的用量和范圍。

4.3 焊接工藝優(yōu)化

通過提高產(chǎn)品一次焊接合格率，避免多次返工引入錫渣、助焊劑等多余物，避免過高的焊接溫度和過長的焊接時間導(dǎo)致助焊劑擴散面積超過焊接部位。

a. 印制板電連接器優(yōu)先選用選擇性波峰焊接工藝，無法進行選擇性波峰焊接的長針電連接器使用手工焊接；

b. 選擇性波峰焊接，預(yù)熱后溫度在110℃左右，焊接溫度250℃；

c. 手工焊接，使用溫控烙鐵焊接，溫度280～310℃，工藝文件標(biāo)注與寬導(dǎo)線或大面積覆銅區(qū)域連接的焊點，焊接時使用熱風(fēng)預(yù)熱臺或熱風(fēng)槍預(yù)熱。

4.4 清洗工藝改進

航天器印制板組件不可超聲清洗，優(yōu)先選用水清洗工藝，無法水清洗的情況手工清洗，在焊接完成后冷卻至室溫1h內(nèi)清潔焊點及插孔合件。

a. 焊點清潔，印制板傾斜浸泡在防靜電盒的無水乙醇中（圖7），用防靜電毛刷蘸取無水乙醇，每清洗一次更換一次酒精，直至使用無水乙醇無紡布擦拭印制板電連接器本體、焊點時無變色；

圖7 手工刷洗焊點

b. 插孔清潔，含插孔的電連接器需沖洗插孔，使用裝有針頭的注射器（圖8）將無水乙醇連續(xù)注入插孔沖洗，逐個遍歷循環(huán)沖洗插孔，沖洗時間視插孔數(shù)量而定，直至使用無水乙醇無紡布擦拭印制板電連接器插孔面和安裝面基座縫隙時無變色。

圖8 注射沖洗插孔

4.5 檢驗流程及設(shè)備優(yōu)化

根據(jù)各工序可能引入多余物的特點，設(shè)置檢驗時機，優(yōu)化檢驗方式。

a. 去金搪錫檢驗設(shè)備，由10倍放大鏡改為50倍顯微鏡，檢驗要求增加引腳根部無損傷，引腳間及引腳根部無錫珠、錫渣、吸錫繩絲等金屬多余物且無助焊劑殘留；

b. 電連接器安裝前增設(shè)檢驗跟檢，檢查電連接器安裝面及印制板安裝面多余物；

c. 焊接后100%使用X光機檢驗透錫量及多余物，使用X光機自帶的圖像處理功能提高對比度，使用X光機自帶的測量功能判斷多余物大小是否符合航天電子產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)；

d. 焊接后增設(shè)使用30倍放大鏡檢查，確保插面插孔無多余物、無污染、無損傷，當(dāng)使用30倍放大鏡檢查無法正確判斷或產(chǎn)生疑義時，使用50倍及以上顯微鏡判斷。

4.6 產(chǎn)品裝聯(lián)流程優(yōu)化

在流程上優(yōu)化焊接順序，確保電連接器使用水清洗設(shè)備清洗。根據(jù)產(chǎn)品不同特點，有以下幾種優(yōu)化后的流程：

a. 插裝器件無底部固封或散熱要求、無非密封元器件、無影響AOI檢驗的插裝元器件情況，將表貼器件和分立器件水清洗工序合并，生產(chǎn)準(zhǔn)備階段進行選擇性波峰焊預(yù)熱參數(shù)選擇及焊接程序設(shè)定，在完成表貼器件裝聯(lián)后8h內(nèi)完成分立器件裝聯(lián)一并水清洗，水清洗后執(zhí)行整體裝聯(lián)檢驗；

b. 插裝元器件有底部固封或散熱要求、存在非密封元器件、存在影響AOI檢驗的插裝元器件情況，插裝元器件無法統(tǒng)一水清洗，首先焊接印制板電連接器及其余可水清洗的元器件，完成水清洗后執(zhí)行其余元器件裝聯(lián)，在分立器件完成裝聯(lián)后手工清洗。

4.7 沾污電連接器清洗工藝

宇航電子元器件拆除后一般不重復(fù)使用，在通過風(fēng)險評估及方案評審后需清潔。

a. 所有印制板電連接器裝聯(lián)前檢查外觀，需表面光潔、無多余物；

b. 小范圍污跡清洗，使用無水乙醇無紡布擦拭至無變色，擦拭干凈后自然晾干；

c. 大范圍污跡清洗，大面積沾污或復(fù)用電連接器放置在無水乙醇容器進行刷洗及插孔沖洗，直至使用無紡布擦拭無變色，放入烘箱(120±5)℃烘烤1h，恢復(fù)常溫后使用。

4.8 多余物控制技術(shù)應(yīng)用效果

通過對印制板電連接器裝聯(lián)過程可能引入多余物的分析，在裝聯(lián)過程各個工序針對多余物的產(chǎn)生和防護采取措施并進行工序流程優(yōu)化，該項印制板電連接器多余物控制技術(shù)經(jīng)實際生產(chǎn)驗證，有效解決失效案例中的質(zhì)量隱患，包括去金搪錫引入金屬多余物的問題以及電連接器結(jié)構(gòu)缺陷導(dǎo)致插孔合件殘留助焊劑的問題，并且有效提高產(chǎn)品一次交驗合格率。該多余物控制技術(shù)改進應(yīng)用在載人、通信、導(dǎo)航等多型號產(chǎn)品中長達1a，無多余物導(dǎo)致的電連接器失效問題發(fā)生。

5 結(jié)束語

通過對電連接器失效模式的介紹及航天器印制板電連接器多類失效案例的分析，裝聯(lián)過程引入的多余物是導(dǎo)致印制板電連接器失效的主要原因。梳理裝聯(lián)工序各項內(nèi)容存在的多余物隱患，通過去金搪錫工藝改進、助焊劑使用優(yōu)化、焊接工藝優(yōu)化、清洗工藝改進、檢驗流程及設(shè)備優(yōu)化等措施實現(xiàn)印制板電連接器可靠裝聯(lián)工藝的細化、量化、可操作化。該多余物控制技術(shù)已應(yīng)用于航天器電子產(chǎn)品實際生產(chǎn)制造，提高了印制板電連接器裝聯(lián)質(zhì)量和可靠性。

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Research on Residue Control Technology of PCB Electrical Connector for Spacecraft

Zhang Zhiyu Sui Songyin Yan Junying Li Yan Liu Ping Li Ying

(Beijing Spacecrafts Manufacturing Co., Ltd., Beijing 100094)

PCB electrical connector is widely used in spacecraft wireless power supply to transmit electrical energy and signals. It directly affects the stable operation of power supply. According to the analysis of typical failure cases, residue is the main cause of PCB electrical connector failure, which can be introduced by all aspects of electronic assembly. Through improvement and optimization in process, the residue can be effectively removed.

PCB electrical connector；failure case analysis；residue control

張至愚（1991），工程師，電氣工程專業(yè)；研究方向：星船電子產(chǎn)品工藝。

2020-12-21