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[原创] 小心弯曲:为什么不应通过元件脚端弯曲来走捷径

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发表于 2023-5-9 10:07:49 | 显示全部楼层 |阅读模式
许多电力工程师都知道如何使用其手工原型获得可行的成果,但在生产环境中,我们需要更好地控制脚端弯曲。否则,可能会引起数不尽的问题。本博客文章讨论了获得可靠结果要避免的错误以及应遵循的建议。

这篇博客文章最初由 United Silicon Carbide (UnitedSiC) 发布,该公司于 2021 年 11 月加入 Qorvo 大家庭。UnitedSiC 是一家领先的碳化硅 (SiC) 功率半导体制造商,它的加入促使 Qorvo 将业务扩展到电动汽车 (EV)、工业电源、电路保护、可再生能源和数据中心电源等快速增长的市场。

在实验室时,我们经常使用钳子来完成穿孔功率晶体管需要的脚端弯曲操作,以便将其装进电路测试板中。我们及时重新连接了防静电手腕带,紧紧盯着钳口的角度,然后进行弯曲。如果弯曲后的奇怪交错间距导致无法装入,我们会将针脚拉直,然后再试一次。这次我们会用钳子夹住针脚,然后用 “经过校准” 的拇指来掰弯针脚。这次看起来好多了,但随后一个针脚掉了下来,因为金属不是能实现零弯曲半径的材料,尤其是在第二次弯曲时。您可能会想,圆嘴钳不也是金属做的吗?

老前辈们都知道如何利用原型获得可行的结果,但是在生产环境中,我们需要更好地控制脚端弯曲。否则可能会造成针脚断裂、镀层脱落或成型器件受损,从而导致水分侵入,并最终导致使用故障。

但现在所有元件都是采用表面贴装吗?如果都采用表面贴装,也许会很好,但是 TO 式针脚封装不会立即消失,尤其是在大功率产品中。不管怎样,工程师们都喜欢使用螺丝刀、切割工具和 100W 烙铁来改造昂贵的受力部件。为什么要改造?因为那些部件不能用,也许是其形状不合适。此时,设计人员就要面临 “先有鸡还是先有蛋” 的问题。

有些设计人员为了两头下注、对冲风险,就会使用 TO 封装并让针脚变成 “鸥翼” 形或 C 形,以便能两全其美:让螺丝安装的散热器和表面贴装的端子都能连接恰当(图 1)。不过,在正常工作条件下,随着温度的变化,材料会出现不均匀的膨胀,这样做有可能会将走线从电路板上扯下来。

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图 1:UnitedSiC 推荐的几种针脚弯曲配置

弯曲针脚可以缓解应力,但有意将铜针脚设计成可以持续弯曲的样子却不太可行,而且消除多少应力才合适?即使是使用符合 JEDEC 标准的封装,针脚基料的厚度也会出现 +/-20% 的变化,而典型的镀锡材料厚度可在 300 至 1200 µin 之间,所以针脚刚度会有显著不同。无论如何,铜是一种硬金属,在用于器件针脚时,必须制成铜合金并回火至半硬状态。我在想,“半硬” 的容差是多少?

之后,还有用作表面贴装类型的针脚器件的回流温度和缺乏潮湿敏感度 (MSL) 额定值问题。在实践中,为了解决这些问题,针脚最终可能会手动焊接起来,但这就有点违背了我们的初衷。

遵循几个原则,就可以做到在不损坏器件本身的情况下,实现针脚弯曲。有几件事不可做。针脚绝不可横向弯曲(图 2),且应始终用夹具夹紧针脚,以避免弯曲处紧贴元件。

建议夹具不要接触到封装的塑料材料,以避免磨损镀层或让裸铜外露,但实际上弯曲工具的表面至少会摩擦到镀层表面,这是难以避免的。指定弯曲部分与器件主体之间的距离,同时考虑所有的内置压铆螺母柱和最小弯曲半径,该半径通常以针脚宽度或厚度的倍数表示。弯曲工具和工作场所需保持干净整洁,并采取适当的 ESD 防护措施。

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图 2:横向弯曲很可能会造成损坏

UnitedSiC 出售各种针脚样式的宽带隙半导体器件:如 TO-220、TO-247(3 针脚和 4 针脚)、TO-264 等,并附有实用的应用笔记,AN0021:“穿孔针脚弯曲”,笔记中总结了弯曲器件针脚时的常见错误和建议,从而帮助您可靠地弯曲成角,避免弄断针脚。
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