DC/DC 转换器中使用的 SMD 技术

目录

1.引言
2.SMD 设计考虑因素
3.SMD 引脚技术
4.弯曲的 THT 引脚
5.带半过孔的扁平 PCB
6. 金属载体上的 SMD 引脚
7. SMD 焊盘
8. SMD 接线端子
9. 焊球引脚
10. 总结

 

1.引言

我们的客户对 SMD 引脚器件的需求日益增加。这主要包括以下几点原因：
a. 拾放机器支持全自动生产，可降低成本
b. 只需要一个组装过程（回流焊炉），可节省制造时间
c. SMD 组件支持对焊接接头进行自动光学检查 (AOI)，可提高可靠性。

在双重焊接工艺制造中，部分完成的 SMD 板历经进一步的波峰焊工艺来组装通孔插装技术 (THT) 元器件，这样做通常是由于以下原因：
A. 元器件较大，需要大量的热传递才能形成良好的焊接接头（例如，带有重型铜触点的功率电感器）。如果回流焊炉温度升高或长时间保持在 260°C 以上，以使较大的元器件达到焊接温度，则较小的元器件可能会因过热而发生故障。
b. 连接器或其他机械应力器件通常需要 THT 安装，因为 SMD 连接器容易在使用中断裂（弱点是铜质走线与 PCB 的胶合，而不是走线或焊盘的焊接接头）。
C. 元器件需要安装到散热器上，因此需要用支腿（例如，功率晶体管）将它们从 PCB 上托起。
带有 THT 引脚的 DC/DC 转换器仍在大量销售，因为如果 PCB 必须历经双重焊接工艺制造，那么无论转换器采用 SMD 还是 THT 都无关紧要。但是，客户始终在努力寻找避免双重工艺制造的方法。诸如连接器、熔断器、电解电容器、晶体管和变压器等传统 THT 元器件越来越多地采用 SMD 引脚排列。有时，DC/DC 转换器是电路板上唯一的 THT 器件，必须在额外的组装过程中手工焊接。原因在于，DC/DC 转换器无法承受回流焊炉的温度应力。
从长期来看，RECOM 需要增加其产品组合中的 SMD 器件数量，以保持竞争优势并满足客户需求。

 

2.SMD 设计考虑因素

如引言中所述，采用标准 THT 设计并仅将引脚更改为 SMD 版本是不够的。主要问题如下：
a. SMD 回流焊炉中的热应力远高于 THT 波峰焊接工艺中的热应力，在这种工艺中，PCB 本身会保护转换器免受熔融焊浴的热量影响。在回流焊炉中，尤其是对于较高的 SMD 元器件，靠近加热元件的器件温度可能比引脚处的温度高得多。例如，为了获得引脚处测得的 265°C 峰值温度曲线，转换器的顶部温度可能接近 300°C。对于大批量制造工艺而言，这种温度差相当严重，因为焊炉通常固定在较高的温度，而输送带的速度会增加，直到引脚处峰值温度刚好达到 265°C。这种高温度梯度可能会导致膨胀系数高的内部元器件（尤其是铁氧体）开裂或焊接接头断裂。封装（灌封）有助于均衡内部温度梯度，但在高温环境下，材料本身也可能膨胀并导致外壳破裂。
b. DC/DC 转换器也包含 SMD 元器件。特别是在使用气相回流焊炉时，整个转换器的温度可能超过焊料的熔点，从而导致内部焊接接头液化并膨胀。如果器件完全灌封，转换器内的液态焊料只能在灌封材料与 PCB 之间寻找阻力最小的路径。这样可能导致在回流焊后，转换器 PCB 上出现短路的概率增大。因此，应避免在 SMD 器件中使用灌封材料。
c. THT 引脚不需要精确对准，因为 PCB 孔的尺寸需要保持过大状态才能吸起焊料并形成良好的接头。这样做的优点是引脚偏离度可达 0.25 mm，而不会过度影响组装过程。另一方面，SMD 引脚需要十分精确地对准且保持平整（共面），精度需达到 0.1 毫米以内。即使有一个引脚弯曲出线，它也不会与焊盘接触，或者抬起其相邻的引脚，使其无法与焊盘接触。保持精确的共面性是 SMD 引脚器件制造中最困难的挑战之一。

 

3.SMD 引脚技术

我们知道至少有七种不同的方法可以实现 SMD 引脚连接。每种方法都各有利弊。

嵌入塑料载体的 SMD 引脚
SMD 引脚嵌入到注塑成型的塑料载体中。然后将 PCB 焊接到突出的引脚上。这是一种最常用的 SMD 引脚连接方法。
此过程用于以下 RECOM 产品（以及许多其他产品）：

优点：	缺点：
1.引脚由模具工具精确定位，可实现精确的共面性。	1.需要能够在塑料模具中嵌入金属器件的专业供应商。只有小尺寸引脚可以成功嵌入，因为较大的引脚会从热塑性塑料中吸收过多热量，导致模塑误差。
2.载体另一侧的突出引脚可制成任意长度，因此同样的概念可以用于不同厚度的 PCB 以及 DC/DC 和 AC/DC 产品（其中的电路板通常倒置并安装在长引脚上）	2.初始加工成本较高。
3.载体的厚度可以缩减以实现薄型设计，或增加以为安装在 PCB 下方的 SMD 元器件留出空间。双面 PCB 布局显著减小了尺寸。	3.对于大型扁平载体尺寸（例如 DIP24），塑料框架可能会在焊接过程中由于塑料载体中的残余应力而变形。如果在客户回流焊接期间载体开始扭曲、变形或弯曲，可能需要加强筋。更换现有工具来添加额外的加强筋材料成本高昂。
4.这种方法非常适合大规模生产。5. 焊接接头可供检查。	4.细引脚在运输过程中容易弯曲或错位，这可能导致共面性问题，因此包装复杂且更昂贵。

 

弯曲的 THT 引脚
固定在接头上的弯曲方形 THT 引脚用胶水粘合到 PCB 上的适当位置，并使用引脚锡膏回流焊接或手工焊接来焊接到位。
此过程用于以下 RECOM 产品：R-78T 系列

优点：	缺点：
1.方形引脚在塑料接头中精确定位，并通过机械弯曲夹具进行精确弯曲以保持共面性。	1.需要精确的工具夹具来精确固定引脚
2.方形引脚的强度高于其他 SMD 引脚，可用于支撑更大、更重的产品或电流更高的设计。	2.引脚需要粘合到位，以防止在组装过程中或在客户回流焊接过程中移动。这是一个额外的制造过程。
3.方形引脚经济高效，因为接头引脚是常用的连接器引脚，产量非常高。	3.引脚在 PCB 上需要大量的空间，因此这种方法只适合较大的 PCB。
4.引脚通常经过镀金处理，因此无需助焊剂即可获得良好的焊接效果。	4.较长引脚在运输过程中容易弯曲或错位，这可能导致共面性问题，因此包装复杂且更昂贵。
5.如果有引脚插入机，那么这种方法非常适合大规模生产。
6.焊接接头可供检查。

 

带半过孔的扁平 PCB
在扁平 PCB 的边缘添加半过孔，随后进行镀金处理以连接顶层和底层。

此过程用于以下 RECOM 产品：

优点：	缺点：
1.通过半过孔连接的焊盘本质上是共面的。	1.镀金半过孔增加了 PCB 制造的成本
2.半过孔是 PCB 生产过程的一部分，无需额外的引脚组装过程。	2.PCB 的底部必须完全平整，因此只能使用顶部安装的元器件。这极大增加了 PCB 的尺寸。
3.这是一种相对经济高效的解决方案。	3.过孔在 PCB 上需要相对较大的空间，因此这种方法不适合尺寸非常小的产品。
4.此方法对于多引脚非常有用，因为生产成本不会随着连接数量的增加而明显提高。	4.需要注意的是，产品在客户回流焊接期间不能错位，因为整个 PCB 都处于熔融的焊料上方。例如，上一页展示的 ROF 设计在每个角上都有半过孔，这有助于确保连接对称，接头上的表面张力也能均匀分布。
5.引脚经过镀金处理，因此无需助焊剂即可实现良好的焊接效果。
6.这种方法非常适合大规模生产。
7.焊接接头可供检查。
8.在运输过程中，没有引脚会弯曲或错位，因此包装简单，运输损坏的风险较低。

 

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