如何通过THR工艺降低SMT生产成本
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如何通过THR工艺降低SMT生产成本

2009年09月07日11:44

  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。

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