柏文鋒 李 航 沈 麗 吳 浩 張越輝

國產(chǎn)化JVNX連接器在航天領(lǐng)域的應(yīng)用

柏文鋒李 航沈 麗吳 浩張越輝

（1.北京計算機技術(shù)及應(yīng)用研究所，北京 100854；2.空軍裝備部駐北京地區(qū)第一軍代室，北京 100070）

隨著航天電子產(chǎn)品復(fù)雜化、小型化需求的提高，越來越多的新型元器件應(yīng)運而生，與之相匹配的電裝工藝技術(shù)也在不斷推陳出新。根據(jù)JVNX連接器的特點，針對JVNX連接器的焊接難點，創(chuàng)新性地從工裝設(shè)計、印刷、貼裝、回流焊接和焊接質(zhì)量檢驗等幾個方面探究了JVNX連接器的相關(guān)電裝工藝技術(shù)，從而提高JVNX連接器的焊接質(zhì)量。

SMT；BGA封裝；航天制造；JVNX連接器

1 引言

隨著電子產(chǎn)品持續(xù)向復(fù)雜化、小型化發(fā)展，電子元器件和印制板產(chǎn)品的體積不斷地縮小，組裝的密度相應(yīng)增加，組裝精度要求也相應(yīng)提高。一部分傳統(tǒng)的元器件已經(jīng)無法適應(yīng)高密度、小型化的電子產(chǎn)品，例如傳統(tǒng)的通孔連接器開始在信號通道數(shù)量上達(dá)到飽和，引腳間最小電氣間隔已經(jīng)達(dá)到生產(chǎn)極限，無法滿足多路輸出的要求。采用BGA封裝（焊球陣列封裝）代替?zhèn)鹘y(tǒng)的通孔連接方式，可大幅提高器件的引腳數(shù)量，縮小封裝體尺寸，節(jié)省組裝的占位空間。BGA封裝可以明顯加強引腳的共面度，降低了組裝過程中因共面性較差而引起的產(chǎn)品質(zhì)量問題。航天電子產(chǎn)品未來的發(fā)展趨勢是多點化、集成化、小型化，而其特點又是高質(zhì)量和高可靠性。國內(nèi)外對此類新型連接器的焊接工藝方法探究還處于萌芽狀態(tài)。除集成電路采用BGA封裝器件外，近年來高密度BGA封裝連接器也廣泛應(yīng)用到航天產(chǎn)品中。BGA封裝的JVNX連接器的應(yīng)用極大地推動了航天領(lǐng)域產(chǎn)品的高速性及小型化發(fā)展。

2 JVNX連接器的介紹

VITA74標(biāo)準(zhǔn)簡稱為VNX，J是連接器的簡稱，JVNX系列加固微型高速總線連接器具有高速率、小體積、輕量化、高可靠的優(yōu)點。

JVNX連接器分為插頭和插座兩部分，插頭由不銹鋼外殼和連接器本體兩部分組成，外殼包括6個定位銷、2個緊固螺釘和2套導(dǎo)套組件。插座由連接器本體、導(dǎo)釘和螺釘組成。在焊接前，需先確定好導(dǎo)釘和插頭上導(dǎo)套組件的鍵位方向。

JVNX連接器的引腳間距為1.27mm，最多可達(dá)8排50列共400個引腳，可排133對差分信號點。JVNX連接器為BGA封裝，對表面貼裝焊接（SMT）工藝難度很高，需要采用特殊的BGA封裝焊接技術(shù)才能實現(xiàn)產(chǎn)品與印制板間的穩(wěn)固焊接，滿足航天電子產(chǎn)品高速性能及可靠性的要求。

目前比較成熟的BGA封裝高速連接器有以下三種形式：

a. 彈性焊球BGA封裝的連接器，在彈性引腳下預(yù)制焊球，利用“彈簧上的焊球”實現(xiàn)焊點互連。該設(shè)計的基本原理是為了減少焊點應(yīng)力而采用符合標(biāo)準(zhǔn)的引線，因為連接器本體較長，焊接區(qū)域長達(dá)60mm以上，在焊接過程中印制板會發(fā)生形變，導(dǎo)致連接器上的焊球和印制板上的焊盤接觸不良，造成虛焊等故障。彈性焊球的作用類似于彈簧，在焊接過程中可以補償由印制板形變帶來的高度差，提高連接器焊接后的平整度。其高速性能為頻率7GHz/速率14Gbps。

b. 刀片型BGA封裝的連接器，與傳統(tǒng)的通孔連接器配置不同，表面貼裝連接器焊點的焊錫唯一來源就是焊盤上印刷的焊膏，而焊盤上的焊膏量較少，難以滿足焊接要求，易出現(xiàn)虛焊、假焊等焊接缺陷。所以刀片型BGA封裝的連接器將錫片預(yù)制在連接器的引腳上，目的是增加焊點上的總焊錫量，并保證焊接完畢后焊點幾何形狀良好，工藝路線可靠，其高速性能為頻率18GHz/速率36Gbps。與一般BGA不同，錫片與連接器引腳偏移一定距離并預(yù)先安裝在引腳上。由于連接器插座使用同一種簧片，因此錫片背靠背排列在間距為1.27mm引腳上。

在回流焊接前，先把外殼的緊固螺釘取下，再進(jìn)行回流焊接?；亓骱附雍?，將6個定位銷依次用電烙鐵手工補焊后，組裝外殼和本體，旋緊緊固螺釘，將連接器兩端固定在印制板上。

c. 曲棍球棒型BGA，高速性能為頻率5GHz/速率10Gbps，堆疊高度范圍為4.00～6.00mm。

3 JVNX連接器的焊接技術(shù)研究

選擇傳輸速率最高的刀片型BGA封裝連接器，型號為JVNX-TF-SX-HS，根據(jù)BGA封裝連接器的特點以及關(guān)鍵技術(shù)難點，探究其焊接工藝技術(shù)。

3.1 焊接前檢查

在印刷前，首先需要檢驗連接器，防止因為連接器本體不合格導(dǎo)致的產(chǎn)品質(zhì)量問題：

a. 檢驗連接器的完整性：定位銷應(yīng)垂直于連接器，且無缺損；連接器表面無劃傷、外殼完整；引腳應(yīng)垂直于連接器，不應(yīng)出現(xiàn)引腳歪斜現(xiàn)象。

b. 檢驗連接器引腳上的預(yù)制焊片：預(yù)制在引腳上的焊片應(yīng)緊緊貼合引腳，不應(yīng)出現(xiàn)焊片傾斜、脫落等現(xiàn)象，并且共面性≤0.1mm。在印刷焊膏前，先將連接器試裝在印制板上，觀察引腳上預(yù)制的焊片是否完全貼合焊盤，安裝完畢后連接器是否水平。

3.2 配重工裝設(shè)計

將連接器貼裝在印制板的焊盤上時，引腳上預(yù)制的焊片會支撐整個連接器，連接器兩側(cè)的外殼機構(gòu)部分在回流焊接前不能完全貼合印制板。在回流焊接過程中，焊盤上印刷的焊錫和連接器引腳上預(yù)制的焊片同時熔化，并結(jié)合在一起。在此過程中連接器會整體下沉，直到連接器引腳接觸焊盤，并作為整個連接器與印制板的結(jié)合點，而連接器兩側(cè)的外殼結(jié)構(gòu)部分也會和印制板本體貼實。但此過程中可能出現(xiàn)連接器依靠自身的重力作用無法完全下沉的情況。

印制板回流焊接時受熱會發(fā)生翹曲，翹曲程度和基板由固態(tài)融化為橡膠態(tài)流質(zhì)的臨界溫度有關(guān)，TG值越低時該現(xiàn)象越明顯。當(dāng)印制板翹曲到一定程度時，會造成BGA封裝類型的元器件（芯片和連接器）兩側(cè)或者中心焊點的焊接質(zhì)量不良，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。

為了盡可能減小這兩種因素導(dǎo)致的焊接質(zhì)量風(fēng)險，在回流焊接時用專用的配重工裝壓在連接器本體上，對連接器本體施加向下垂直的力，也使連接器在印制板發(fā)生翹曲的時候?qū)τ≈瓢迨┘哟怪毕蛳碌牧?，增加連接器焊點與印制板焊盤的貼合度。

圖1 Ⅰ型配重工裝

Ⅰ型配重工裝為66mm×16mm×16mm的45#鋼的實心長方體，該長方體外圍纏5圈高溫隔熱膠帶，以減少回流焊接過程中的吸熱過程（如圖1所示）。但根據(jù)以往生產(chǎn)經(jīng)驗，該工裝在回流焊接過程中有以下問題：

a. 高溫隔熱膠帶表面比較光滑，而連接器外殼表面也比較光滑，配重工裝和連接器的寬度相似，調(diào)整空間較小。操作者在安裝配重工裝時很難將配重工裝和連接器的重心保持一致，無法將配重工裝一次性安裝到指定位置，需要多次微調(diào)才能使配重工裝基本到位，操作難度較大且很容易出現(xiàn)配裝過程中配重工裝從連接器外殼頂部表面掉落到印制板表面砸傷元器件或者印制板的情況。

b. 即使外圍纏繞了5圈高溫隔熱膠帶，配重工裝依舊會吸熱，降低爐腔內(nèi)的溫度，尤其是將連接器正上方風(fēng)嘴吹出的熱風(fēng)隔絕大半，降低連接器底部引腳焊點的受熱溫度，影響連接器焊接質(zhì)量（如圖2、圖3所示）。

圖2 未裝配配重工裝的印制板表面溫度曲線

圖3 裝配Ⅰ型配重工裝后的同一塊印制板表面溫度曲線

對比兩條溫度曲線，裝配Ⅰ型配重工裝后，印制板表面整體溫度較未裝配配重工裝的印制板表面溫度低3℃左右，峰值溫度相差4℃。由此可見，Ⅰ型配重工裝吸熱量較大，會對焊接質(zhì)量造成影響。

根據(jù)上述問題，設(shè)計使用Ⅱ型工裝，減少生產(chǎn)中出現(xiàn)問題的概率，增加產(chǎn)品可靠性。Ⅱ型工裝外形如圖4所示，在Ⅰ型工裝的基礎(chǔ)上，增加了連接器四周的包圍，將配重工裝制作成一個連接器的“帽子”，操作者在裝配配重工裝的時候只需將配重工裝直接卡在連接器本體上。操作者可以一次裝配成功而不必多次微調(diào)，節(jié)省生產(chǎn)時間，提高生產(chǎn)效率。由于四周包圍的作用，配重工裝卡在連接器上，不會發(fā)生配重工裝從連接器外殼頂部表面脫落到印制板表面砸傷元器件或印制板的情況。

圖4 Ⅱ型工裝示意圖

Ⅱ型工裝使用的材料為合成石材料+鉛塊，通過計算可得到Ⅰ型配重工裝體積為66mm×16mm×16mm=16.896cm，經(jīng)查詢技術(shù)手冊得知45#鋼的密度為7.85g/cm，體積×密度就是Ⅰ型配重工裝的質(zhì)量，為133g，所以Ⅱ型工裝總質(zhì)量應(yīng)為133g左右。合成石材料的特點是熱容低，導(dǎo)熱快，但是密度低質(zhì)量輕，所以需要在合成石材料制作的配重工裝外殼中嵌套一枚鉛塊，增加配重工裝的重量，合成石材料+鉛塊的組合可有效發(fā)揮兩種材料的特性，裝配Ⅱ型配重工裝后，同一塊印制板表面溫度曲線如圖5所示，可有效減少配裝工裝對印制板表面溫度的影響，增加連接器焊點的吸熱量，降低出現(xiàn)假焊、虛焊等焊接質(zhì)量不良的概率。

圖5 裝配Ⅱ型配重工裝后的同一塊印制板表面溫度曲線

裝配Ⅱ型配重工裝后，印制板表面的溫度曲線與未裝配配重工裝的印制板表面溫度曲線相似，整體溫差不超過2℃，峰值溫度相差1℃。由此可見，Ⅱ型配重工裝的吸熱量要比Ⅰ型配重工裝低，不會因為吸熱量過大而影響焊接質(zhì)量。

3.3 印刷

JVNX連接器廠家建議鋼網(wǎng)開孔尺寸0.8mm×0.8mm，厚度為0.15～0.2mm。但由于印制板組裝件一般有其他密間距元器件，例如0.635mm引腳間距的QFP芯片和0.65mm焊球間距的BGA芯片，要求焊膏量不能過多。因此，整板印刷鋼網(wǎng)厚度不能過大，只能控制在0.15mm以下，導(dǎo)致SMT鋼網(wǎng)印刷工序的工藝窗口過小，生產(chǎn)難度大。因此超過0.15mm以上的焊膏印刷要求只能選擇階梯鋼網(wǎng)。

本項目選擇開孔直徑為0.8mm的0.13mm/0.18mm階梯鋼網(wǎng)（0.18mm為JVNX連接器的厚度）和0.13mm/0.2mm（0.20mm為JVNX連接器的厚度）的階梯鋼網(wǎng)與開孔直徑為0.8mm的0.15mm普通鋼網(wǎng)分別進(jìn)行焊膏印刷和回流焊接的對比試驗，分析不同厚度的鋼網(wǎng)對連接器焊接質(zhì)量的影響。

分別將3個鋼網(wǎng)裝卡在絲網(wǎng)印刷機上，調(diào)整印刷程序，設(shè)置刮刀壓力為50N，脫模速度為1.2mm/s，刮刀速度為22mm/s，印刷后自檢印刷質(zhì)量，確保焊膏準(zhǔn)確印刷到焊盤上并保證焊膏飽滿，如果焊膏不能完全覆蓋焊盤，則應(yīng)重新清潔和印刷。

分別用焊膏測厚儀對使用3種不同鋼網(wǎng)印刷的JVNX連接器焊盤上的焊膏進(jìn)行厚度測試，并取平均值作為該連接器焊盤上焊膏的厚度，測試記錄如表1所示，測試點如圖6所示。

表1 焊膏厚度測試記錄表 mm

圖6 焊膏測試點分布圖

經(jīng)過焊膏測厚儀的測試數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，0.15mm厚鋼網(wǎng)印刷后的焊膏厚度約為0.129mm，0.18mm厚鋼網(wǎng)印刷后的焊膏厚度約為0.15mm，0.2mm厚鋼網(wǎng)印刷后的焊膏厚度約為0.168mm。

在回流焊接后，采用不可視焊點測試儀觀察連接器最外側(cè)焊點的焊接質(zhì)量，經(jīng)0.2mm厚的鋼網(wǎng)印刷焊膏后，焊點質(zhì)量明顯優(yōu)于其他2種鋼網(wǎng)印刷的焊點質(zhì)量。

經(jīng)分析，JVNX-TF-SX-HS連接器印刷焊膏時推薦使用0.2mm厚的鋼網(wǎng)，焊膏量和爬錫角度可以滿足航天相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3.4 貼裝

為了降低連接器金屬外殼吸熱對焊接質(zhì)量的影響，在貼裝連接器前，需要拆掉金屬外殼蓋板（如圖7），使用力矩改錐拆下插頭蓋板安裝螺釘M1.6mm×4mm（GB/T 819）、M2mm×5mm（GB/T 819），待回流焊接完畢后再安裝外殼蓋板，力矩值為0.1N?m，安裝螺釘需使用螺紋膠防松。

圖7 拆除后連接器本體和蓋板

因連接器體積和質(zhì)量較大，貼片機的吸嘴無法承受，故采用手工貼裝的方式貼裝。貼裝時，將6個定位銷對準(zhǔn)印制板上的定位孔后再貼裝，連接器應(yīng)垂直印制板表面向下貼裝，與印制板表面間的橫向斜插角應(yīng)小于5°，避免因為插裝時角度過大導(dǎo)致定位銷變形或者印制板上的通孔受損。

貼裝后，用手持式放大鏡檢測連接器外側(cè)引腳，連接器引腳上預(yù)制的焊片應(yīng)貼在焊盤上印刷的焊膏上，不允許連接器引腳焊片懸空于印制板之上（如圖8所示）。

圖8 連接器貼裝完畢后，引腳焊片和焊盤貼合在一起

3.5 回流焊接

因為JVNX連接器是BGA封裝連接器，焊點在連接器底部的引腳上，回流爐的熱風(fēng)不僅需要融化焊盤上的焊膏，還需要熔化引腳上的預(yù)制焊片。相比普通的BGA封裝芯片，JVNX連接器的體積更大，焊點更多，導(dǎo)熱速率也比普通BGA芯片更慢。因此爐溫曲線應(yīng)和400芯左右的有鉛焊球金屬封裝BGA芯片相似。選用某型號的控制板作為實驗板進(jìn)行實驗，考慮到印制板上的其他器件耐溫程度和JVNX連接器點位多、密度大、器件本體厚度大、熱容量大的特點，焊接時除確保焊膏熔融外，還需要連接器自帶焊片同時熔融，并要保證焊錫包裹連接器引腳，形成一定的爬錫高度。在金屬封裝BGA常用的溫度曲線的基礎(chǔ)上優(yōu)化，整體提高預(yù)熱區(qū)的升溫速率和回流區(qū)的峰值溫度?；亓骱笭t選用德國愛莎的3/20型熱風(fēng)回流焊爐，實測的爐溫曲線如圖9所示。

圖9 實測爐溫曲線圖

3.6 檢驗

回流焊接完畢后，首先用隱藏焊點檢測儀檢驗連接器外側(cè)的焊點（如圖10所示），確保每一個引腳的爬錫都合格，并且引腳和焊盤之間沒有假焊現(xiàn)象。

圖10 不可視焊點檢測儀下的連接器焊點

用X光檢測儀檢測焊點，焊點邊界清晰，無短路現(xiàn)象，符合航天產(chǎn)品的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求（如圖11所示）。

圖11 垂直對焊點進(jìn)行X光檢測

4 結(jié)束語

通過上述工藝實驗研究了刀片型BGA封裝連接器，摸索出了一套針對JVNX-TF-SX-HS連接器的焊接參數(shù)，并通過X光檢測儀和隱藏焊點測試儀檢測了焊接質(zhì)量，效果良好，證明所選工藝參數(shù)滿足連接器的焊接要求，可以在航天領(lǐng)域產(chǎn)品的應(yīng)用中進(jìn)行推廣。

但是，這種連接器現(xiàn)在還存在使用上的局限性，例如長期的高頻振動會使BGA封裝連接器的焊點開裂，而相比之下傳統(tǒng)的通孔連接器的耐受性更高。通過工藝實驗發(fā)現(xiàn)，此連接器還可以繼續(xù)改進(jìn)，例如刀片型BGA封裝的連接器即使預(yù)制了焊片，依舊會出現(xiàn)焊錫量不足的情況，只能通過加大鋼網(wǎng)厚度增加焊點上的焊錫量?？煞裨谝恢灰_的兩端同時預(yù)制焊片，達(dá)到增加焊點焊錫量的目的。

隨著我國航天產(chǎn)品的多元化、小型化發(fā)展，JVNX連接器具有體積小、引腳多、信號傳輸速率快等特點，是未來連接器類電子元器件的發(fā)展趨勢，也是航天領(lǐng)域電子產(chǎn)品的首選使用對象。

1 張艷鵬，王威，王玉龍，等.回流焊峰值溫度對混裝BGA焊點的影響研究[J].電子元件與材料，2020，39(5)：86～89

2 李曉明，馮波，任康.BGA焊點剪切性能及界面結(jié)構(gòu)的研究[J].科技風(fēng)，2020(23)：120

3 李培蕾，朱恒靜，王智彬，等. 宇航用BGA器件裝聯(lián)工藝可靠性問題探討[J]. 質(zhì)量與可靠性，2019(2)：34～38

Application of Domestic JVNX Connector in Aerospace Field

Bai WenfengLi HangShen LiWu HaoZhang Yuehui

(1. Beijing Institute of Computer Technology and Application, Beijing 100854; 2. The First Representative Office of Air Force Equipment Department in Beijing, Beijing 100070)

With the increasing demand for the complexity and miniaturization of aerospace electronic products, more and more new components emerge as the times require, and the matching electronic assembly technology is constantly bringing forth new ones. According to the characteristics of JVNX connector, aiming at the welding difficulties of jvnx connector, this paper innovatively explores the relevant electrical installation technology of JVNX connector from the aspects of tooling design, printing, mounting, reflow welding and welding quality inspection, so as to improve the welding quality of JVNX connector.

SMT；BGA package；aerospace manufacturing；JVNX connector

柏文鋒（1994），工程師，自動化專業(yè)；研究方向：電裝工藝與智能制造。

2020-12-27