По мере увеличения плотности компонентов электронных систем разработчики, как правило, стремятся совместить тонкие трафареты для паяльной пасты толщиной 0,10 мм на плате ПК с такими же тонкими разъемами с плоскостностью, не превышающей 0,10 мм. Однако значение плоскостности разъема 0,15 мм не является редкостью, и становится все труднее достичь 0,10 мм по мере увеличения количества контактов разъема и использования прямоугольных разъемов с формованными контактами. Это ограничило возможности инженеров в выборе соединителей и вынуждает использовать несколько соединителей, когда предпочтительнее было бы использовать один соединитель, либо использовать ступенчатые трафареты. Оба варианта увеличивают стоимость и сложность проектирования и производства системы.

Однако исследование, проведенное Samtec Inc. и Phoenix Contact, показало, что, оптимизируя апертуру трафарета для припоя, разработчики могут использовать более распространенные и менее дорогие соединители с плоскостностью 0,15 мм с более тонкими трафаретами 0,10 мм, при этом сохраняя соответствие критериям IPC-J-STD-001 класса 2 при 100% успешности установки.

В этой статье будет обсуждаться взаимосвязь между трафаретами и плоскостностью соединителя, а также компромиссы и ограничения, с которыми сталкиваются дизайнеры.

Не так уж сложно точно разместить тонкий кирпичик паяльной пасты с помощью точно обработанных трафаретов. Тем не менее, становится все труднее сопоставить разъем с этим точно нанесенным по трафарету припоем по мере увеличения количества контактов разъема и там, где контакты разъема должны быть сформированы, например, для соединений под прямым углом. Основной проблемой является копланарность контактов разъема.

Грубо говоря, термин «копланарность» относится к максимальному расстоянию между самым высоким и самым низким выводом или контактом, когда разъем находится на плоской поверхности. Обычно его измеряют с помощью оптического измерительного оборудования (Рис. 1, слева).

Рис. 1. Копланарность определяет максимальный разброс значения высоты выводов над поверхностью установки, и очень важно свести это отклонение к минимуму для выводов SMT компонентов, чтобы избежать проблемных соединений (внизу справа)

 

Хорошая копланарность имеет решающее значение для хороших паяных соединений: если штифт или вывод расположены слишком высоко, они могут не иметь достаточного контакта с паяльной пастой, что приведет к механически слабому соединению или полностью отсутствующему электрическому контакту. Большинство спецификаций требуют копланарности от 0,10 мм до 0,15 мм.

При правильно настроенном технологическом процессе и необходимой оснастке можно стабильно устанавливать разъемы с копланарностью 0,15 мм. Тем не менее, копланарность 0,10 мм становится труднее достичь по мере увеличения количества контактов и особенно при усовершенствованной форме и формовании контактов разъема под определенным углом, например, двухрядным, под прямым углом. Поддержание этой более низкой копланарности может увеличить стоимость соединителей.

В настоящее время, большие платы содержат более 3000 компонентов, а небольшие, более интегрированные электронные устройства требуют более жестких ограничений по пространству (и, как следствие, компонентов с более мелким шагом), инженеры все чаще рассматривают возможность использования трафаретов толщиной 0,10 мм. Если трафарет сделать толще, существует более высокий риск перемычек припоя между выводами или контактными площадками. Однако им трудно найти разъемы, соответствующие спецификации копланарности 0,10 мм, с достаточным количеством контактов и подходящими форм-факторами.

Тем не менее выход есть. Можно использовать ступенчатый трафарет с более тонким трафаретом для компонентов с мелким шагом и более крупным трафаретом для разъема. Это решает проблему, но за счет более высокой стоимости трафарета, который может не подходить для приложений, в которых недостаточно места между компонентами по обе стороны от линии разделения областей с разной толщиной. Общее эмпирическое правило требует, чтобы расстояние между ступенчатыми отверстиями было в 36 раз больше толщины ступени.

Другой вариант — использовать несколько разъемов. Меньшее количество контактов облегчает соответствие соединителя более жестким спецификациям копланарности. Однако большее количество соединителей также увеличивает стоимость, а также повышает сложность компоновки и проблемы с надежностью. Кроме того, в то время как разъем может соответствовать требованиям к копланарности 0,10 мм, трафарет 0,10 мм приводит к меньшему объему припоя, что приводит к потенциально более слабому механическому соединению.

 

Как оптимизировать апертуру трафарета

 

Чтобы увидеть, можно ли минимизировать эти компромиссы, Samtec и Phoenix Contact изучили влияние изменения апертур трафарета для трех серий разъемов. Они использовали трафарет 0,15 мм с апертурой 1:1, поэтому нанесенный припой был того же размера и формы, что и медная площадка. Затем они добавили два варианта трафаретов 0,10 мм с увеличенными отверстиями. Затем были изготовлены соединители и выбраны для исследования на основе значений копланарности от 0,10 мм до 0,15 мм.

Исследование включало в себя настройку размера отверстия сверх размера площадки (наложение печати), чтобы увеличить объем припоя и создать лучшее соединение, но не настолько, чтобы это привело к образованию перемычек или оставило шарики припоя на поверхности платы. Чтобы достичь этого, исследование основывалось на тенденции припоя к слипанию на нагретой подушке, как только он достигнет своей температуры ликвидуса во время оплавления. Тем не менее, для каждого типа разъема необходимо определить правильный размер отверстия (рис. 2).

Рис. 2. Оранжевым контуром показаны оптимальные размеры апертуры для разъема FTSH

Например, оптимальная апертура для обеспечения хорошего паяного соединения между образцом разъема FTSH с компланарностью 0,152 мм и трафаретом 0,10 мм составляет 2,84 мм X 0,97 мм. В результате получается высококачественное соединение, отвечающее критериям IPC-J-STD-001 класса 2 для 100% выхода (рис. 3).

Рис. 3. Образец разъема FTSH с копланарностью 0,152 мм, припаянный с использованием трафарета толщиной 0,10 мм с оптимизированными апертурами, демонстрирует качественное соединение как внутреннего (слева), так и внешнего (справа) рядов.

 

Основываясь на этих результатах, становится ясно, что дизайнеры, работающие с трафаретами толщиной 0,10 мм, должны тщательно изучить разъемы с максимальным значением копланарности 0,15 мм. Если оптимальная апертура трафарета была определена для возможности комбинации, это может открыть целый ряд готовых вариантов соединителей и избежать ограничительных или дорогих альтернатив. Если оптимальная апертура недоступна в Интернете или еще не определена, важно связаться с производителем разъема на ранней стадии процесса проектирования, чтобы либо определить оптимальную апертуру, либо найти более подходящее решение для любого конкретного применения.

 

 

Источник: www.edn.com