一種PCB焊接接線端子緊固絲扣不良研究及應用

申剛　陳祎　毛波　龍明生　陽玲玲

摘? 要：該文主要研究了一種PCB焊接接線端子緊固絲扣不良現象，通過分析端子的整個加工過程，最后確定在波峰焊后端子表面熔錫，導致絲扣破壞，此外，端子自身的攻絲結構十分薄弱，造成緊固絲扣不良問題。在調研同行業對端子的表面處理以及此類絲扣標準厚度后，引入高溫霧錫以及鑲件端子結構，并對接線端子進行必要的可靠性試驗驗證，滿足要求后并投入應用，極好地解決了波峰焊表面熔錫及結構薄弱問題。

關鍵詞：PCB焊接接線端子;波峰焊;高溫霧錫;鑲件結構

中圖分類號：TM503? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

1 背景介紹

根據質量數據統計，2017～2018年產品某種接線端子在2種大批量生產PCB上出現了460次絲扣不良問題，平均不良率達到了5.86%。對絲扣不良的端子進抽查，其電連接面存在嚴重熔錫的現象。

2 端子加工工藝流程分析

2.1 端子加工工藝流程

端子流經如下流程：沖壓攻絲—表面處理—檢查1/出庫1—插裝—波峰焊—水洗檢查—組裝—單板功能測試—涂覆—檢查2/出庫2—安裝電路板—緊固接線螺釘—布線—模塊調試—總組裝—檢查3/出庫3。

結合故障現象，對加工過程的排除，找到4個和端子絲扣不良強相關的過程，包括沖壓攻絲、表面處理、波峰焊以及緊固接線螺釘，我們對這4個過程進一步分析。

2.2 沖壓攻絲過程分析

接線端子結構分析。螺紋孔的公稱直徑為M3，端子為翻邊后攻絲，螺紋絲扣有1.6 mm，銅板自身厚度只有1.2 mm，有效螺紋長度為1.2 mm（翻邊高度增加能增加螺紋的有效扣數，但翻邊后的螺紋緊固時，徑向受力變形能力降低，絲扣強度降低，如圖1所示（所有未注單位為mm），根據GB/T 193標準[1]，GB/T 197標準[2]，M3公制粗牙螺紋螺距為0.5 mm，最短旋合長度為1.5 mm。螺紋的有效壁厚為1.2 mm。

螺紋絲扣加厚對比驗證。為進一步驗證標準厚度和現有實物厚度緊固質量對比，各定制加工樣品50個，發現厚度為1.2 的出現2個緊固絲扣不良，如圖1（c）所示，見表1。

小結：在緊固力矩一定時，絲扣厚度增加對緊固絲扣不良問題有改善作用。

2.3 表面處理過程分析

同行業表面處理對比。我們現有產品表面鍍亮錫9μm，而調研了其他電子行業的焊接件表面處理方式后，發現他們的焊接件均有一個共同點，表面處理為銅底+鎳+錫，且鍍錫厚度均在3 μm～5 μm。我們產品的鍍層和同行業差異較大，在后面需借鑒并進行試驗驗證。

2.4 端子過波峰焊工藝分析

此類端子采用波峰焊工藝焊接，波峰焊加工工藝流程如圖2所示，波峰焊接主要工藝參數見表3。錫的熔點只有232 ℃。波峰焊后出現接線端子熔錫問題[3]，在對比的PCB上的其他元器件后發現，其他電子元器件，焊接后表面均未出現熔錫現象。

PCB過波峰焊對焊接接線端子表面熔錫有影響，對其他元器件無影響。

2.5 接線端子表面鍍層對熔錫的影響分析

結合前面對比同行業的表面處理分析，推測此類接線端子表面處理鍍層過厚，在過波峰焊后表面熔錫，錫層流動，冷卻后形成異物留在絲扣中，為了進一步驗證錫層厚度的對熔錫的影響，我們進行了下一步驗證。

各制作100個端子樣品，銅板的厚度均為1.5 mm，按照表面處理9μm和5μm進行，來料鍍層厚度以及絲扣檢驗合格后，進行波峰焊試驗見表2和圖3。

通過波峰焊焊接前后對比，對異常的絲扣使用顯微鏡查看，發現絲扣內部存在熔錫不均勻現象，導致螺栓在緊固時不能正常旋入[4]，出現不良，5μm的端子表面熔錫相對少，說明鍍錫厚度對熔錫有影響。

進一步推測，端子的絲扣不良是波峰焊后熔錫引起絲扣堵塞，而現有的波峰焊參數對其他器件表面鍍層無影響。

2.6 緊固接線螺釘過程分析

現有緊固力矩為0.8 Nm，對M3的螺紋在緊固力矩范圍內。

2.7 分析初步結論

端子絲扣不良和端子自身螺紋結構以及表面鍍層相關。

3 改進措施及驗證

3.1 結構改進

3.1.1 材質分析

紫銅T2-Y和黃銅H62材料特性對比，見表3。

小結：黃銅相對于紫銅硬度較高，形成的螺紋同等有效扣數下強度較高，但是黃銅電阻率過高將導致電連接時發熱明顯而影響部件的正常運行，因此保留使用T2-Y紫銅板。

3.1.2 攻絲工藝

目前行業中常見的金屬材料攻絲方法有切削攻絲和擠壓攻絲[5]。擠壓攻絲之后，螺紋端部呈喇叭狀漲開，造成端部螺紋為無效螺紋，因此，此處不適合采用擠壓攻絲的加工方法，如圖4所示。

3.1.3 厚度加強結構

現有端子插腳的體積為1.2×1.2×1×4=5.76mm2 ，目前接線端子的最大電流為20 A，該產品紫銅厚度滿足要求（通常6 mm2 為60 A）。將端子厚度增加，采取自攻絲的方式，對載流量不影響，但是需要將引腳銑削，不宜采用增加厚度的方式。

3.1.4 鑲件結構

鑲件端子導體采用銅材質，緊固部分采用低碳鋼，加工一體成型，其具有具有扭力增大、絲扣可靠、防振動和不掉落等特點。

3.2 表面處理改進措施

對于熔錫問題，我們結合前面調研的同行業表面處理方式，將接線端子表面處理改為電鍍高溫霧錫，此種霧錫耐高溫240 ℃，普通錫的融化是232 ℃。表面依次電鍍銅底2 μm，鎳2 μm，高溫霧錫4 μm方式進行試驗驗證。

3.3 常規加工驗證

常規加工驗證內容如下。1）來料檢驗。首先用通止規對500個端子來料進行螺紋絲扣測試，合格率100%。隨機選取320個端子進行試驗。2）可焊性驗證。焊點可焊性驗證采用GB 2423.28-82，用專用焊錫鉗夾住被測件，以大約（25±2.5） mm/s的速度垂直浸入焊料中10 s。再以大約（25±2.5） mm/s速度垂直取出工件觀察。表面上錫均勻，光滑、無熔錫、無起泡現象。3）表面熔錫驗證。選取320個檢驗合格的接線端子在波峰焊鏈速為0.8 m/min進行驗證，端子出現熔錫現象0個。結論：表面電鍍銅底2 μm，鎳2 μm，高溫霧錫4 μm無可視的熔錫現象。緊固驗證見表4。

結論：鑲件結構端子強度滿足現有緊固力矩（0.8 N·m）要求。

4 可靠性驗證

4.1 焊點切片驗證

隨機抽取4個外觀焊接良好的焊點進行切片試驗，每個端子有4個引腳，共16個切片，分別編號在顯微鏡下觀察，如圖5所示。

結論：16個切片均未發現針孔、縮錫、不透錫等缺陷，證明焊點焊接可靠。

4.2 電阻測量試驗可靠性

阻值測量對比。隨機抽取2種焊接后的接線端子，8個試驗樣品端子，8個現有產品端子，使用微歐計測量端子電連接表面到焊點的電阻值，并進行測量對比，見表5。

試驗總結：得到新的試驗端子平均阻值為6.06 μΩ，產品端子平均阻值為6.5 μΩ，結合前面分析的載流量要求，兩者對端子的導電性能均無影響，滿足使用要求。

4.3 振動試驗驗證

絲扣結構可靠性驗證我們采用GB/T 21563—2008軌道交通機車車輛設備沖擊和振動試驗進行[6]，振動后對其進行拆解，發現接線端子絲扣并無損壞，如圖6～圖8所示。

但是考慮到現有振動標準較低，進一步采用HXD1機車實際測量路譜進行測試[7]，分別在垂向，行車方向，橫向進行提高量值的模擬長壽命振動試驗振動，每個方向振動5 h（加速模擬實驗壽命25年），振動后分別用標準力矩對端子進行力矩檢查。

結論：對于試驗樣品振動前后力矩檢查無異常，說明此種鑲件結構接線端子滿足產品運行實際路況。

5 結論

此類PCB焊接接線端子采用鑲件結構，在不改變連接基材的情況下，可增加高強度的鑲件，從而增加螺紋機械強度，相對于原有的翻邊攻絲結構更能抗振動。表面電鍍高溫霧錫（銅2 μm，鎳2 μm，錫4 μm）的方法，可有效提高波峰焊過程抗熔錫能力，避免熔錫堵塞端子螺紋，從而增加絲扣的穩定性。目前，此類端子已經廣泛使用在變流器中。因試驗條件有限，此次驗證振動試驗樣本較小，后期需要結合現場實際應用情況再觀察端子的可靠性。

參考文獻

[1]李曉濱.GB/T 193—2003，普通螺紋直徑與螺距系列[S].北京：中國標準出版社，2003：1-2.

[2]李曉濱.GB/T 197—2003普通螺紋公差[S].北京：中國標準出版社，2003：8-9.

[3]圖士捷， 夏晶. 波峰焊工藝常見問題分析[J]. 熱加工工藝， 2010（9）：190-192.

[4]王宏睿，張杰. 扭轉振動擠壓攻絲的扭矩實驗研究[J]. 現代制造工程， 2011（9）：93-97.

[5]何文學， 張加鋒. 紫銅零件小尺寸螺紋孔的攻絲分析[J]. 機械工程師，2015（10）：208-210.

[6]毛遠琪，言武，何丹爐.GB/T 21563：2008軌道交通機車車輛設備沖擊和振動試驗[S].北京：中國標準出版社，2008：5-19.

[7]丁杰，張平，王鵬.機車車輛設備振動試驗標準與實測數據的分析[J].機械工程學報，2016（22）：129-137.