背景描述

現代電子裝聯主流工藝技術可分為表面貼裝技術（SMT，Surface Mounted Technology）和通孔插件技術（THT，Through Hole Technology）。

表貼安裝具有高集成（母板無需開孔、內層可自由走線、底層可布局元器件）、可機貼再流焊以及能兼容不同厚度母板等優點，但是局限于小尺寸（大尺寸共面度差）、小功率（PCB表層通流）元器件，且焊接容易偏移，焊點可靠性低。

插件通孔安裝適用大尺寸（無共面度要求）、大功率（PCB各層通流）元器件，且焊接無偏移，焊點可靠性高。但是也具有無法高集成（母板需開通孔、內層走線避讓、底層禁布元器件）、無法機貼以及不能兼容不同厚度母板等缺陷。

因此，急需一種新的電子裝聯方法，解決目前SMT和THT面臨的缺陷，以提高電路板組件的裝聯可靠性和高集成性。

如下圖1所示，對SMT和THT技術優缺點進行分類，發現SMT技術缺點可通過THT技術解決，THT技術缺點可通過SMT技術解決，兩者優劣勢互補。因此發明一種新的兼容表面安裝和插件通孔安裝形態的盲槽結構，即盲槽裝聯方案來解決該矛盾。

圖1 表面裝聯、通孔裝聯和盲槽裝聯方案對比

盲槽裝聯方案

方案原理

如下圖2所示，元器件1設置有導電引腳2，其中導電引腳2可以是一個或多個，導電引腳2的形狀及高度可以根據需要設定，在此不做限定。

印制電路板4開設有金屬化盲槽6，盲槽6底部可位于印制電路板4的任意一層。首先確認待裝聯的元器件1各個導電引腳2對應的導電參數。該導電參數包括導電引腳的大小、形狀、導電引腳間距等；然后根據導電引腳參數確定盲槽6的設計參數；最后根據盲槽6的設計參數，通過鉆孔設備在印制電路板4上開設盲槽6。

進一步，在盲槽6內以及周側環形焊盤5上填充錫膏3，并將待裝聯的元器件1的導電引腳2插接到填充有錫膏3的盲槽6內，從而利用盲槽6對導電引腳2進行限位，便于元器件1精準安裝于印制電路板4上。最后通過回流焊等方式將元器件1的導電引腳2固定于印制電路板4上，得到電路板組件。

（1）利用盲槽6對元器件1引腳2進行限位，使得元器件1可以精準固定于印制電路板4上，從而解決元器件1表面安裝焊接移位問題。

（2）通過鋼網印刷錫膏3至盲槽6內，利用盲槽6內錫膏3彌補元器件1在生產過程中存在的引腳高度差，從而解決大尺寸表貼元器件引腳共面度差導致的虛焊問題。

（3）盲槽6內形成有導電層，在焊接過程有效增加元器件1的導電引腳2與印制電路板4的有效焊接面積，從而可以有效增強對應焊點的焊接強度，解決表貼元器件焊點可靠性差問題。

（4）盲槽6表面可以連接表層線路，側壁可選擇連接內層線路，從而盲槽6可通過更大的電流，使得印制電路板4可以承載大功率的元器件1。

（5）通過盲槽結構，印制電路板4無需開設通孔，因此PCB內層和底層可自由走線，背面可自由布局元器件1，從而解決插件元器件裝聯母板PCB無法高集成問題。

（6）印制電路板4無需開設通孔，因此PCB板強度在可控范圍內，使得PCB板受熱發生彎曲的程度降低，進而提高元器件1和印制電路板4的裝聯可靠性。

（7）通過調控盲槽6的大小，解決元器件1機貼時導電引腳2無法同時順利插入盲槽6的問題。基于在印制電路板4上開設通孔，若通孔尺寸過小，則元器件1引腳2無法順利插接到通孔內；若通孔尺寸過大，則在焊接過程中容易出現焊接缺陷，如通孔回流焊接容易掉錫、少錫，波峰焊接容易翻錫，均影響焊接質量。

（8）通過統一盲槽6深度，解決元器件1引腳2長度不能兼容不同厚度印制電路板4的問題。

圖2盲槽裝聯方案示意圖

（1元器件；2引腳；3焊錫；4印制電路板；△h引腳高度差；5盲槽環形焊盤；6盲槽）

方案設計

選取某模塊為研究對象，引腳直徑Φ1.5mm，引腳共面度≤0.5mm。考慮系統產品一般母板板厚≥1.6mm，以及一般元器件引腳共面度≤0.5mm，因此設計實驗板板厚2mm，盲槽直徑Φ3mm，盲槽環寬0.5mm。此外，為探究盲槽深度較佳點，設計0.5mm、0.8mm和1.0mm三種不同深度盲槽進行同步研究。

設計盲槽鋼網開口直徑Φ3.2mm，架0.2mm寬的一字橋，開口厚度0.12mm。設計爐溫參數見下表1：

為驗證盲槽裝聯方案效果，從DFM和DFR角度，設計下表2和表3實驗進行評估。

方案驗證

DFM實驗

（1）印錫：0.5mm、0.8mm和1.0mm深盲槽印錫均無SPI報警，印錫正常。印錫效果如下圖3所示：

圖3：盲槽印錫效果

（2）貼片：0.5mm、0.8mm和1.0mm深盲槽機貼無模塊引腳插入不良或拋料，機貼良率100%。貼片效果如下圖4所示：

圖4：盲槽貼片效果圖

（3）焊接：如下圖5所示：盲槽深0.5mm焊點飽滿，形態最佳；盲槽深0.8mm焊點欠飽滿；盲槽深1.0mm焊點明顯凹陷，形態相對較差。三種不同深度盲槽，均無爐后焊接移位現象。

圖5：盲槽焊接效果圖

金相實驗：對焊接后0.5mm、0.8mm和1.0mm深盲槽各取2塊進行切片，結果如下：

a、盲槽深0.5mm：焊接質量好，無空洞。

圖6：0.5mm深盲槽縱向和橫向切片結果

b、盲槽深0.8mm：焊接質量好，無空洞。

圖7：0.8mm深盲槽縱向和橫向切片結果

c、盲槽深1.0mm：焊接有空洞存在，如下圖8橫向切片結果所示。

圖8：1.0mm深盲槽縱向和橫向切片結果

（4）返修：對回流焊接后0.5mm和0.8mm深盲槽進行5次返修驗證，目檢、X-ray檢驗無異常，切片無異常，結果匯總見表4。

小結：0.5mm和0.8mm深盲槽方案印錫、貼片、焊接和5次返修均正常。1.0mm深盲槽方案焊接存在空洞。DFM實驗結果匯總見表5。

DFR實驗

根據DFM實驗結果，優選0.5mm、0.8mm深盲槽實驗板進行可靠性實驗評估，具體測試項目和實驗結果如下：

（1）功能測試：0.5mm、0.8mm和1.0mm深盲槽方案實驗板上電均正常，各項功能指標達標，且紋波無明顯波動。

（2）拉拔力實驗：使用數顯式推拉力計對不同深度盲槽進行拉拔力測試，實驗結果見下表6。

從表6可知，0.5mm、0.8mm和1.0mm深盲槽方案焊接強度均＞320N，遠大于傳統表貼方案200N，且焊接強度與盲槽深度在0.5mm~1.0mm范圍內成正相關。從拉拔實驗后實驗板形貌上看，焊點非薄弱點，主要為插針斷裂，或盲槽與基材剝離，如下圖9所示：

圖9：插針斷裂、盲槽與基材剝離實物圖

（3）溫沖實驗：0.5mm和0.8mm深盲槽實驗板3次返修后，進行170循環高低溫沖擊實驗，實驗板上電均正常，各項功能指標達標，且紋波無明顯波動。進行切片實驗，焊點和盲槽均正常，無明顯空洞或裂紋，詳情見下圖10。

圖10：溫沖實驗后切片結果

備注：

a、高低溫沖擊條件：-40℃（保溫0.5h）~120℃（保溫0.5h），溫度轉變時間10秒內，170個循環；b、返修工具：BGA返修臺；

（4）溫循實驗：0.5mm、0.8mm和1.0mm深盲槽實驗板隨機選33臺進行溫循實驗，500循環后上電正常，各項功能指標達標，且紋波無明顯波動。

備注：溫度循環條件：-40℃（保溫0.5h）~125℃（保溫0.5h），溫度變化率20℃/分鐘，500個循環；

小結：如下表7所示，0.5mm、0.8mm和1.0mm深盲槽實驗板功能測試均正常；焊接強度均＞320N，遠大于傳統表貼方案200N；板級溫循500cycle，上電均正常。0.5mm和0.8mm深盲槽實驗板3次返修后，進行170循環高低溫沖擊實驗，焊點和盲槽均正常，無明顯空洞或裂紋。

實驗總結

從下表8中DFM和DFR實驗結果可知，盲槽裝聯方案可行性好，能很好解決目前SMT和THT面臨的缺陷，提高電路板組件的裝聯可靠性和高集成性。

從不同方案實驗數據對比可知，0.5mm~0.8mm深盲槽滿足各項指標要求，為盲槽深度較優選擇區間。

總結

本文通過設計一種兼容表面安裝和插件通孔安裝形態的盲槽結構即盲槽裝聯方案，經實驗驗證能很好解決目前SMT和THT缺陷，顯著提高電路板組件的裝聯可靠性和高集成性。主要創新點和收益如下：

（1）利用盲槽對元器件引腳進行物理限位，解決表貼元器件貼片或手補反向問題，以及元器件回流焊接過程中引腳移位問題。

（2）通過鋼網印刷錫膏至盲槽內，利用盲槽內錫膏彌補元器件在生產過程中存在的引腳高度差，從而解決大尺寸表貼元器件引腳共面度差導致的虛焊問題。

（3）盲槽內形成有導電層，在焊接過程有效增加元器件導電引腳與印制電路板的有效焊接面積，從而可以有效增強對應焊點的焊接強度，解決表貼元器件焊點可靠性差問題。

（4）盲槽表面可以連接表層線路，側壁可選擇連接內層線路，從而盲槽可通過更大的電流，使得印制電路板可以承載大功率元器件。

（5）通過盲槽結構，印制電路板無需開通孔，PCB內層和底層可自由走線，背面可自由布局元器件，解決插件元器件裝聯母板PCB無法高集成問題。

（6）印制電路板無需開設通孔，因此PCB板強度在可控范圍內，使得PCB板受熱發生彎曲的程度降低，進而提高元器件和印制電路板的裝聯可靠性。

（7）通過調控盲槽大小，解決插件元器件機貼時引腳無法同時順利插入通孔問題。

（8）通過統一盲槽深度，解決插件元器件引腳長度不能兼容不同厚度印制電路板問題。

作者簡介：劉敏波，男，畢業于中南大學，研究生學歷，高級工程師，主要從事電子裝聯工藝研究，有多年工藝研發工作經驗。

審核編輯：湯梓紅