互连压接的挑战及解决方案
压接连接器被广泛应用于系统互连。在多板系统 中，大部分功能性子板都是通过压接连接器来 形成互连的。近来，由于连接器焊接端返修而 导致的铜溶解的问题，可能使压接连接器的应用量大大增 加，特别是应用在那些使用无铅焊接材料的复杂产品上。
随着印刷电路板组装(PCBA)密度的日益增加，压 接连接器的引脚间距在不断减小，同时PCB的层数也在增 加。由于这些因素导致PCBA产生各种缺陷，如焊盘翘起、 裂纹以及压合层损伤等，技术方面所面临的挑战已经摆在 我们面前。
连接可靠性
所谓压接连接是将连接器上的金属引脚压入所对应的 PCB 上的镀铜通孔( PTH )从而形成互连。图1所示的是一个组装好的连接器;图2显示的是 PCB 上一个待插入连接器的镀铜通孔阵列;图3显示的是连接器插入 PTH 通孔内的切片图示。
有三个关键因素能保证一个性能良好及可靠的压接 连接：
1、合适的压接会形成一个正常的压接脚与 PTH 孔壁之 间的正交力。由于针脚压在 PTH 孔壁的正交力能形成密封 环境以及适当的电气连接，这样的压接连接便是可靠的。
2、铜通孔电镀的完整性在 PCB 与压接连接器引脚之间 的连接可靠性上起着十分重要的作用。该完整性体现在铜 的厚度、延展性以及孔壁粗糙度方面。
3、在压接引脚、PCB孔壁结构以及周围的基材上没 有额外的机械损伤。插入工艺过程应受到控制，以顺利地 压接、置入连接器并监控插入过程中不同阶段的插入力： 初始力的斜率、插入力峰值、稳定后力值以及置入力。监 测插入力曲线是一个极佳的工艺控制方法，能确保连接 器、PCB 和整个工艺过程都在操作规范内运行。通过这种 方法，超出规范的状态及缺陷都可以被检测出来。
典型的压接缺陷包括：针脚弯曲、焊盘翘起、裂纹、 分层、PTH孔壁被压接针脚穿破、内层拉裂以及低保持 力。低的正交力会导致较差的电气连接和接触表面的腐 蚀，而高的正交力会导致 PTH 孔的损坏和基材损坏、塑胶 变形/压接引脚的破损等。
解决问题的方法
针对主要缺陷裂纹与次要缺陷焊盘翘起，业界对裂纹 的产生原因进行了研究(见图7)。目前已经证实存在一 个临界应力值 Kc;低于这一临界值，裂纹则不会发生。聚 合材料上受到持续的应力冲击将使裂纹也继续延伸。为了 解决这个问题，可以做出两种假设：1、临界应力值超出范 围，可能是由于连接器或工艺的改变，或者是 PTH 孔径的 减小，造成了连接器与 PCB 之间的应力大大增加;2、由 于 PCB 内部的改变，使得 PCB 内环氧树脂的临界应力值 有所减少。
初步的评估涵盖了所有的三个可能原因：连接器、印 刷电路板或插入工艺。对于观察到的裂纹和焊盘翘起，它 们都有可能是诱因。最初对连接器进行了来料检验，以防 止可能存在的任何明显异常;接着对电路板的厚度、成品 板电镀通孔的尺寸以及电路板的基本规格进行了检查;最 后对插拔连接器所使用的工具尺寸和功能也进行了查验。
连接器引脚的公差与PCB孔径的公差如果不匹配， 将会是一个重大隐患;这种定位的偏移量会造成额外的应 力。连接器引脚的定位公差是由塑料外壳所控制的，直接 归因于塑料成型的模具问题;公差超出范围可能导致过度 磨损失效。在 PCB 方面，通孔电镀的定位公差是由 PCB钻孔机的精度控制的。
PCB的尺寸以及插拔工具都被检查过，没有检测到明显 的问题，但是却发现两个不同的供应商所生产的同一类型的 连接器有小的差别(见图8)。这种差别体现在，与另一个 连接器相比，左侧压接针脚边缘的压花痕迹要明显得多。压 印是预制成型的，以更好地使压接针脚的半径跟孔的半径相 匹配，这样可使材质的损伤在插拔过程中降到最低。
插入工艺控制
为了尝试区分这些 主要变量之间的不同之 处，两个 PCB 供应商、 两个连接器供应商和两种 插入速度被选择作为实验 变量。MEP-12T 电动伺 服压机是专用于压接连接 器的(见图9)。压接控 制的关键变量是最大和最 小允许插入力以及插入速 度，而且操作中的每一个 步骤均是可控的。
有几种办法可以决定连接器插入的终止，包括Z轴-限 位柱、连接器外壳定位后斜率的增加、达到峰值压力或插 入力在稳定状态后有一定比例的增加等。图10 显示了连接 器在 PCBA 上表面被压下时插入力的首次增加，它还显示 了引脚刚进入 PTH 通孔时插入力的峰值、引脚进一步滑行 进入孔内时插入力的平稳值，以及连接器外壳定位后斜率 的一个显着增加。
在连接器、印刷电路板和插入工艺过程这三个变量当 中，导致裂纹增加的可能性并不相同。根据 M Kitagawa 的研究，没有膨胀力裂纹是不可能产生的。根据压接连接器的特性，膨胀应力或拉伸应力是始终存在的。
然而，根据 CH Park 的研究，裂纹发生还需要临界活 化能。
l = l0 exp[-(Q-σv)/kT]
其中：l 是开裂的速率;v 是活化体积;Q 是活化 能;σ 是在聚合物上的应力;k 为玻尔兹曼常数;T 为温度 (开氏温标);l0 是一个常数。是什么原因增加了裂纹的 严重性和发生频率呢?
最明显的答案在连接器上：如果插入力略微增加，这 种增加可以使转移到 PCB 上的能量相应增加，由此裂纹也 增大了。然而，当最大应力超出可接受的范围时，这一轮 压接并不会继续下去，而且应力曲线并没有改变，这时情 况并非如此。压接引脚边缘的压花(冲模抛光)程度的不 同，可导致局部应力 σ 的增加，并导致更多的裂纹产生。
至于工艺过程，唯一的由过程本身控制的变量是插入 的速度。如果插入速度降低，PCB内部的应力也许就可以 被聚合物本身的蠕变应力缓释掉而不是形成裂纹。
PCB内的玻璃纤维布/环氧树脂基材是一个复杂的结 构，多个因素的些许变化就可能导致裂纹的形成。如果通 孔电镀时铜层的厚度减少，更多的能量将直接被转移到基 材上，并很容易就超过裂纹形成的临界值;再比如环氧聚 合物的分子结构有所改变，像分子量、分子排列方向、聚 合程度等，就可能导致活化能的变化，从而使裂纹形成。 微孔、浸渍不良、环氧树脂与纤维布之间不良的附着力、 局部树脂偏厚等，也都会导致机械强度的下降，从而降低 了裂纹形成所必需的活化能。
目前的难题是要区分开潜在的诱因并确定是哪些因素 导致了裂纹的产生。
结论
从实验结果来看，所有这三个因素：连接器、印刷电 路板和压接工艺，在裂纹的形成中都起到了十分重要的作 用。在工艺过程中，连接器的插入速度被调整到最优值; 连接器压印虽然不是最重要的因素，但它也是一个起因， 需要与连接器供应商去沟通，使他们能够改善引脚边缘的 压印质量。整个工艺过程优化之后，最显着的影响因素实 际上是 PCB 本身。PCB 供应商调整了他们的工艺过程，使 产品完全符合规格，则裂纹产生的缺陷率和严重程度将大大降低。
------------------------------------------------------------------
什么是裂纹?
裂纹常常发生在焊盘翘起的边缘部分，在非晶态玻璃状 聚合物(例如印制电路板中的树脂)中的裂纹是指本来无规则 的树脂聚合物被机械应力扭压形成方向一致的聚合物。这个应 力会使得无规则排列的聚合物在应力点开始聚积成一致方向并 形成聚合物晶体状排列。裂纹并不是真正的断裂，而是由纤维 和空洞组成。这种重新排列后的聚合物呈现出纤维状暗沉的外 观。通常在有裂纹的区域和没有受到损坏的区域有着明显的分 界线。随着应变力不断增加，纤维渐渐增长，并最终断裂导致 裂缝的形成和 PCB 的分层。裂纹通常在应变点的边缘被发现， 而且是导致印刷电路板内部分层的一个先兆。
IPC标准假定了最坏的案例，并确定了裂纹发生的典型部 位。它把 PCB 裂纹定义为一个内部情形，因为这只发生在玻璃 纤维与树脂分离后的压合基材内部。这种情形下，裂纹会在基材 表面下部呈现出连续性或者交 叉形的白斑形式，而且通常都 与机械诱导应力有关。PCB 结 构的局部损坏能造成机械密封 的失效，使得化学物质容易进 入并降低 PCB 的完整性;由 此产生的缺陷包括孔壁与内部 电路的分离以及金属枝晶的生 长。
图4显示了一个典型的裂 纹顶部视图——在压接连接器 已被移除之后。
正如经常做生产资格认证或为了返修，需要将连接器拿 掉才能观察到PCB上的情形，图5和图6显示了压接连接器插入PCB 所造成的裂纹的切片截面。
------------------------------------------------------------------
联系作者：
Phil Isaacs：pisaacs@us.ibm.com;Alex Chen：achen@celestica.com。
更正：
本刊2011年5/6月刊第8页，《ProActiv：混装工艺 的新印刷技术》中图1的计算公式应该为：
面积比(长形孔)=开孔面积(L×W)/孔壁面积2t(L+W); 面积比(圆形孔)=开孔面积(πr2)/孔壁面积t(2πr)。特此更正!
