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免焊接——压接电容器为电路组装带来多种好处

日期: 2018-07-27
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作者:基美电子(KEMET)电解产品管理总监Maryann Fulton
 
电子元器件免焊接组装可以在简单性、可重复性以及许多关键电气和机械考虑因素方面提供显著优势。然而,为了获得业界认可,压接(Press-Fit)等技术需要满足特定应用和/或IEC等标准机构所规定的严格的工作和性能要求。压接版本的铝电解电容器现已上市,其为多个行业内各种终端应用的设计人员提供了一种有用的新器件格式。

 
无焊连接需求
 
尽管大多数电子组装件都是通过红外回流进行焊接,但某些元器件(特别是连接器)仍然不适用此法,而需使用不同工艺将其连接到PCB。通常,这会为制造过程带来波峰焊或手工焊等附加步骤,而使复杂性和成本增加。另一方面,这会使已经安装在PCB上的元器件再一次受到热流冲击,而使其遭受性能退化的风险。
 
为了避免带来额外焊接过程的成本和复杂性,我们可以采用无焊接方法。事实上,这并不是什么新鲜事——“插片插座(blade-and-socket)”的方法已问世有50多年。这种方法在制造过程中在元器件上连接一个牢固的插片,而在回流过程中将相应的插座安装到PCB上。 一旦电路板被组装好,就可以将该器件插入到连接器中而实现机械和电气连接。
 
这种方法虽然非常简单,但也有一些缺点。因为插片插座连接设计需要能够实现数次插拔,所以插入力相对较低。这就有可能使接合部位产生电阻和电感,而对最新的高阻抗高速电路产生重要影响。在某些情况下,为确保良好的接合,并消除所谓的“微振磨损(fretting)”——由于长时间暴露在振动环境下,连接性能会逐渐下降——这种设计需要采用贵金属。
 

压接可提供更好的无焊连接
 
为了克服传统插片插座连接的缺点,业界开发了压接技术。在这种方法中,元器件配有一个合规引脚, PCB上则直接配有一个刚性电镀通孔(PTH),这样就可以将引脚压入到其中——实际上,插片和插座的作用实现互换,即插片(公头)对PCB孔(母头)施加机械力。
 
经过优化,压接技术可提供比插片插座更好的连接,几乎可消除掉电阻和电感,而避免对电路工作和可靠性造成影响。与插片插座一样,这种方法确实能减少额外的劳动力,并消除再次受到热流破坏的可能。此外,如果有需要,压接器件也可以插拔数次,从而简化和实现无风险的返工或维修。
 
此外,由于压接不需要使用焊料来对PCB安装插座,因此也消除了冷点、焊料飞溅、气泡和裂缝等问题,提供了高可靠和可重复的接合。由于是直接将元器件插入到PCB中,因此也无需再使用贵金属,也没有了与连接器组合相关的“微振磨损”的风险。插座的取消也能够带来物料成本的降低。

 
设计压接端子的挑战
 
由于压接器件依赖公差之间的相互作用来确保具有良好电气连接的牢固可靠的匹配,因此,毫不奇怪,压接技术设计人员面临的最大挑战,就是在公差之间取得适当的平衡。这个问题是由于PCB和金属压接引脚的制造工艺不同所造成的——PCB所需的公差非常严格,而金属插片所需则相对宽松。

免焊接——压接电容器为电路组装带来多种好处

成品通孔的公差通常接近于引脚的有效特征或“脚针(beam)”的标称偏差,也就是说脚针在插入的过程中必须要经历一定的塑性变形。脚针的设计包括所用材料和几何形状——分别决定插入力和保持力——两者都是关键参数。公差的要求为:在“紧密”的情况下,PTH针筒(barrel)不会损坏;在“松弛”的情况下,保持力足以满足所有相关的冲击和振动测试。
 
鉴于高使用量和低单位器件成本,电容器制造商必须要确保,设计能够以可满足所需公差的简单的加工进行复制。此外,所使用的电镀(通常为锡)必须尽可能薄,以便在插入引脚时不会将其刮落并形成焊桥。

 
压接电解电容器
 
基美电子(KEMET)最近推出了采用压接引脚的ALF新系列铝电解电容器。这一首次面市的突破性的系列产品,是大型卡扣式(snap-in)电解电容器向前迈进的重要一步。

免焊接——压接电容器为电路组装带来多种好处

基美电子使用的压接引脚采用了由Interplex设计的久经考验的“针眼”方法,而使得引脚与PTH的针筒之间有较大的接触面积。再加上引脚所施加的高侧向力,就能够实现可重复、一致、坚固、可靠的低电阻连接。这种引脚本身是由C19010铜/镍/硅合金所制成——镍镀层上有一层锡——可确保引脚完全符合RoHS标准。
 
基美电子的压接系统已经过验证,可处理高达550V的连续施加电压,以及高达620V的浪涌和瞬变。从机械的角度看,使用这种技术的器件与卡扣式器件的抗振动性能相当。随着越来越多的汽车应用、越来越具有挑战性的工业应用以及越来越多样性且数量越来越多的便携式电子设备可能会面临艰巨的使用条件,这项考虑因素可能非常重要。
 
压接器件还有助于免除对PCB组装进行清洁的需要。这种清洁过程会增加单位组装件的成本并增加加工时间(cycle-time)和材料处理,因此,任何有助于免除工序的事情都是可取。
 
压接引脚上使用高导电材料(50%IACS)意味着,其引脚电阻小于典型钢端子的25%,因此这种器件非常适合于持续大电流应用。

免焊接——压接电容器为电路组装带来多种好处

电阻较低还可显著减少器件的温升并帮助将热量从元件传递到PCB。在大多数应用中,电流限制是由PCB走线定义,而非连接定义。因此,即使在工业、能源/电力和汽车等要求苛刻的应用中,这类设备也能提供长寿命性能。
 
标准ALF电容器的外壳尺寸,直径最高可达50mm;其分别具有一个正、负端子,但同时还提供了附加引脚(多达3个附加引脚,总共5个引脚),从而确保机械强度和稳定性。较大电流的版本还为正负极提供了两个内部连接引脚,用来分流电流负载并提供一些冗余。此外,该产品还可针对特定客户要求提供定制引脚布局。
 

总结
 
对于器件无法通过红外回流进行焊接的情况,压接技术具有许多优点,包括无需对器件进行再次加热,而使其有遭受损坏的风险。事实证明,现代压接连接具有非常高的机械强度和电气性能,非常适合要求苛刻的应用。
 
但是,并非所有的压接连接都是相同的。基美电子的ALF新系列采用高性能引脚——电阻仅有钢引脚的25%,但仍可保持强大的机械接合,同时满足大电流持续使用。(此文 出 至  中电网)

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