如何通过THR工艺降低SMT生产成本

　前言：

　　影响THR技术使用的一个关键问题是找出生产成本(低)和元件成本(高)这两者之间的平衡点。THR连接器比标准元件贵的原因是由于材料成本与包装成本均较高。潜在的成本降低幅度取决于生产过程。其影响因素如下：生产自动化程度、订单量、其他通孔元件能否替代、需要设计新产品或重新设计现有产品。并不是所有的厂家都推荐去使用THR工艺的连接器。可是如果当您的PCB除了连接器以外的元件都已经实现了SMT的工艺,那么采用THR技术的产品无疑是您最好的选择了。

　　近年来,表面贴装技术(SMT)迅速发展起来,在电子行业具有举足轻重的位置。除了全自动化生产规模效应外,SMT还有以下的技术优势：元件可在PCB的两面进行贴装,以实现高密度组装;即使是最小尺寸的元件也能实现精密贴装,因此可以生产出高质量的PCB组件。

　　然而,在一些情况下,这些优势随着在PCB上元件贴着力的减少而削弱。让我们观察图1的例子。SMT元件的特点是设计紧凑,并易于贴装,与通孔的连接器在尺寸和组装形式上有明显的区别。

　　图1 PCB上组装有SMT元件(左)和一个大理通孔安装的连接器(右)

　　用于工业领域现场接线的连接器通常是大功率元件。可满足传输高电压、大电流的需要。因此设计时必须考虑到足够的电气间隙与爬电距离,这些因素最终影响到元件的尺寸。

　　此外,操作便利性、连接器的机械强度也是很重要的因素。连接器通常是PCB主板与“外界部件”通信的“接口”,故有时可能会遇到相当大的外力。通孔技术组装的元件在可靠性方面要比相应的SMT元件高很多。无论是强烈的拉拽、挤压或热冲击,它都能承受,而不易脱离PCB。

　　从成本考虑,大部分PCB上SMT元件约占80%,生产成本仅占60%;通孔元件约占20%,生产成本却占40%,如图2所示。可见,通孔元件生产成本相对较高。而对许多制造公司来说,今后面临的挑战之一便是开发采用纯SMT工艺的印刷线路板。

　　图2 带有通孔元件和SMT元件的PCB

　　根据生产成本以及对PCB的影响,SMT+波峰焊和SMT+压接技术(press in)等现有的工艺还不完全令人满意,因为在现有的SMT工序需要进行二次加工,不能一次性完成组装。

　　这就对采用通孔技术的元件提出了下列要求：通孔元件与贴片元件应该使用同样的时间、设备和方法来完成组装。

　　THR如何与SMT进行整合

　　根据上述要求发展起来的技术,称之为通孔回流焊技术(Through-hole Reflow,THR),又叫“引脚浸锡膏(pin in paste,PIP)”工序,如图3所示。

　　图3 通孔回流焊技术的工序

　　“引脚浸锡膏”法将典型的SMT生产工艺应用在带电镀通孔的PCB上,并取得了令人满意的效果。但在采用这种方法时,需要根据实际使用的元件和加工过程中的具体情况调整有关参数。

　　图4 可采用THR工艺的连接器元件应满足的特性

　　完成THR工艺的步骤

　　1确认通孔的连接器是否可采用THR工艺

　　“真正的”THR连接器元件应满足图4中的特性。

　　2 PCB的设计需适应新的工艺条件

　　1)孔径

　　孔径选择的原则有两个：一方面应保证焊锡容易回流到焊孔内(毛细管原理),另一方面还应保证组装的可靠性(元件公差),如图5所示。

　　图5 孔径的选择

　　2)焊盘环的设计

　　推荐的焊盘环宽为0.5mm,如图6所示,它有利于对形成的焊点弯月面进行评估。如果采用较大的间距与爬电距离,按照上述过程,焊盘环宽度只要0.2mm就可以了。

　　3 高质量焊点的外观

　　THR是独立的焊接工艺,焊点质量可以按照IPC-A-610C标准检验。将波峰焊形成的焊点与THR焊点相比较,按照传统的标准,THR焊点看上去呈“锡量不足状”,并仅有较小的弯月面。这一现象是THR焊接工艺的特征,通常应与质保部共同来判定是否满足焊接要求。

　　图6 焊盘环的设计

　　4 采用适合THR工艺的模板设计和施加在焊膏上的压力

　　标准模板厚度为150～120μm,通常不需要施加过大的涂布压力。推荐的模板开口尺寸如下。

　　ds=di+2R-0.1(di为孔径,R为焊盘环宽)

　　此公式保证焊盘环与模板之间的适当接触,焊膏上的压力是足够的,不必增加模板的清洁次数。

　　焊膏的特性要求有以下几点：涂布过程中应具有良好的流动性,良好的湿润性,在孔内及安装插针时应有良好的黏接力。

　　图7 THR锡膏涂布压力具有的特点

　　大多数焊膏制造商提供的产品均可满足该工艺,基本法则仍是：SMT元件决定了工艺窗口——THR工艺也必须与之相适应。

　　5 在PCB焊盘上足量的焊膏涂布

　　理想的THR锡膏涂布压力具有图7所示的特点,每个焊盘上涂布的锡膏量必须是相应焊孔容量的2倍。

　　所需焊膏量必须在PCB的下面呈现“水滴”状。填入的焊膏量可通过调整印刷速度和刮刀角度来获得。例如,改变刮刀角度,更大的压力可施加于焊膏上,如图8所示(假定速度不变)。

　　图8 改变刮刀角度

　　另一种方法是封闭式涂布法。密封式焊膏涂布系统可直接对焊膏施压。通过调节施于它上面的压力获得所需的焊膏涂入量,如图9所示。

　　图9 封闭式涂布法

　　在生产实践中这两种方法均可取得不错的效果。可是,由于生产条件各不相同,偶尔会发生焊膏涂入量不足的现象。在这种情况下可选用以下改进措施：采用的模板厚度为最大允许值,重复涂布焊膏,局部增加焊膏用量,双面涂布锡膏(双面再流焊),增大涂布压力,采用较小公差(工艺标准通常规定了公差范围)。

　　6 选择最优化包装形式

　　“编带包装”广泛应用于SMT加工中,THR工艺的连接器也采用这种标准的包装形式,编带宽度一般在32mm和88mm之间。

　　THR产品适用于大多数标准供料器。但是,对一些元件,特别是立式元件,有必要检查供料器所提供的半径,即在其进料和出料处查看是否合适。

　　许多机器也具有处理华夫盘或管式包装元件的功能,这些包装能够满足各种需求,包括专用的或“尚未定型”的元件。

　　7 对贴片机的要求

　　如图10所示,通常THR连接器尺寸较大,因此要求贴片机有足够的安装高度,即贴片头吸放高度应超过元器件安装高度,所需高度通常为25～40mm。在贴片过程中,它们必须由摄像系统完全监控。引脚端与黑色绝缘体有明显对比度,因此元件能够实时地被测量并能准确定位。

　　图10 贴片机贴装头的吸放高度必须大于元件高度

　　贴片过程中还有一个参数也很重要,即元件的长度不能太长(如高针位的元件)。早期的自动贴片机,摄像系统长度方向的限制意味着不能实现超长连接器的安装。现在已开发出并排组装的“二合一”的连接器插座,如图11所示,它们可以并排组装,合在一起即可达到所需要的引脚数,实现了高针位连接器的自动装配。

　　图11 并排组装的“二合一”连接器插座

　　8 检查焊炉是否适合THR工艺

　　如图12所示,THR连接器可以在热风对流炉、气相焊回流炉和远红外回流炉中加工,应根据具体情况评估炉子的适用性。通常,在远红外回流炉中焊接THR连接器是有问题的,其原因在于它们的尺寸。如果尺寸较大,器件会遮蔽了焊接点,而本身却容易遭受强烈的热辐射。实际过程中,应根据不同问题采取相应的对策。

　　图12 THR连接器在焊炉中加工

　　采用气相炉焊接时,引脚应尽可能短,通常推荐1.5mm的引脚。如果引脚过长,焊膏可能会在气相炉内脱落,因为焊接介质会在它上面冷凝析出。

　　9 选择合适的温度分布曲线

　　再次强调,应根据SMT元件来选择温度曲线,正是它们决定相应的温度范围。THR连接器必须在此曲线范围内完成焊接,DINEN61760-1标准规定的温度分布曲线可用来作为温度调节的依据,如图13所示。

　　用于焊接THR连接器的温度曲线通常设置成最低与最高温度的中间值。因此它对热敏感元件没有危害,在焊接过程中不需要延长时间。

　　图13 DINEN61760-1标准规定的温度分布曲线

　　10 依据标准IPC-A-610C检查焊接状况

　　对THR连接器可以根据IPC-A-610C标准检测。只要引脚在PCB上有突出部分,即可对焊接面的焊点进行评估。