Wyzwania procesu press-fit

Wprowadzenie

Zasada połączeń wciskanych polega na tym, że tłoczony metalowy zacisk stykowy jest wciskany w platerowany otwór przelotowy (plating through hole, PTH lub THT) w płytce drukowanej. Istnieją dwa rodzaje zacisków wciskanych: pełny pin ze strefą wciskania i bardziej popularny pin elastyczny. Pin elastyczny jest zazwyczaj formowany z blachy miedzianej w procesach tłoczenia i wycinania, tworząc pin w kształcie ‘oczka igły’ (eye of needle, EoN), jak pokazano na poniższym Rysunku 1. Piny są zaprojektowane tak, aby można je było dynamicznie ściskać podczas wciskania do otworu przelotowego w PCB, wykonanego z odpowiednią tolerancją średnicy otworu. Interferencja pinu z PTH tworzy niezawodne połączenie elektryczne i mechaniczne z PCB.

Wyzwania procesu press-fit

Aplikacja złącza.

Do pewnego momentu złącza press-fit umieszczane były ręcznie, jednak proces ten stawał się coraz trudniejszy – piny stawały się mniejsze, krótsze i gęściej rozmieszczone. Doświadczony operator wciąż może poradzić sobie z tymi wyzwaniami, jednak odbywa się to zazwyczaj kosztem wydłużenia cyklu montażu. Zastosowanie zautomatyzowanych maszyn do press-fit ułatwiła kolejne kroki montażu, takie jak pobieranie, umieszczanie i wciskanie złączy. Obecnie istnieje jednak wciąż ograniczona liczba dostawców sprzętu do automatyzacji procesu press-fit. Jednym z powodów braku szerokiego wyboru sprzętu jest brak standaryzacji tacek złączy. Podjęto jedynie pewne wysiłki, wykorzystując drukarki 3D do tworzenia niestandardowych tacek, zwiększających możliwość automatycznego pobierania, testowania, umieszczania i ponownej kontroli złączy press-fit (przykład przedstawia Rysunek 2). Krytycznymi etapami całego procesu wciąż są etapy umieszczenia pinów w otworach i ich wciśnięcia. Zastosowanie odpowiednich metod podawania, kontroli pinów przed włożeniem, wstępnego osadzania, wciśnięcia, narzędzi do wkładania, uchwytów pomocniczych itp. są obecnie w stanie zapewnić niezawodny przebieg procesu press-fit.

Wstępna kontrola press-fit

Początkowa kontrola stanu złącza jest kluczowa dla etapu wstępnego osadzania. Dokładna i niezawodna kontrola tolerancji położenia pinów i ich wyrównania zapewnia konieczną walidację przed ich umieszczeniem w PTH. Etap ten zapewnia pomyślny przebieg kolejnych kroków press-fit. Rozmiar i kształt pinów, ich gęstość i geometria złącza kształtują szeroką gamę wariantów i wyzwań procesu, a jedynym praktycznym sposobem sprawdzenia końcówek pinów złącza jest użycie systemu zautomatyzowanej kontroli wizyjnej. System ten musi być w stanie dokładnie wykryć obecność i położenie każdego pinu, niezależnie od jego długości, długości samego konektora, profilu końcówki pinu, materiału i wykończenia, wszystko przy uwzględnieniu zjawiska odbić tła od korpusu złącza.

Duży rozmiar niektórych złączy wymaga dużego pola widzenia, a pierwszym i najważniejszym krokiem w udanym przechwytywaniu obrazu jest oświetlenie. Aby uwzględnić wszystkie możliwe warianty, konieczne może być zastosowanie wielu schematów oświetlenia. Po przechwyceniu obrazu końcówek pinów, obliczenia wymagane do określenia statusu pass/fail są już stosunkowo proste, a te same dane można wykorzystać w następnym kroku do sterowania głowicy aplikującej.

Wciskanie złącza press-fit i kontrola końcowa.

Obecnie wiekszość złącz wciąż jest umieszczana ręcznie na płytce, a następnie automatycznie wciskana do PTH na PCBA. Podczas  automatycznego wciskania, szczegółowy pomiar sprzężenia zwrotnego siły może wykryć nieprawidłowo umieszczone na płytce złącze. Błędy umieszczenia złącza mogą być spowodowane albo jego nieprawidłową aplikacją, albo mogą powstawać w pewnym momencie po umieszczeniu, np. podczas przenoszenie obsadzonej płytki PCB do prasy automatycznej. Również po załadowaniu PCB do prasy automatycznej, istnieje istotne prawdopodobieństwo, że złącza przesuną się w efekcie niezamierzonych ruchów PCB (jednym ze źródeł ruchu może być samo oprzyrządowanie prasy). Gdy narzędzie jest wycofywane z właśnie wciśniętego złącza, może ono na chwilę w nim utknąć, co powoduje nieznaczne uniesienie płytki PCB. W momencie gdy narzędzie się uwolni, płytka PCB wróci z powrotem na miejsce, jednak towarzyszą temu znaczne wibracje. Przyczyny ruchu złącza po umieszczeniu można zminimalizować, ale nigdy całkowicie wyeliminować.

Problem ten można zminimalizować umieszczając i wciskając każde złącze po kolei, tak aby nigdy nie było luźnych złączy umieszczonych na płytce przed wciśnięciem. Kontrola jest jednym z najważniejszych obszarów działania prasy. Niezależnie od rodzaju odkształcenia pinu, jak pokazano na Rysunku 3 (zgniecione, zagięte, złamane, rozbite itp.), głównym problemem jest połączenie, które może przejść test elektryczny w zakładzie, ale następnie zawieść podczas użytkowania urządzenia z powodu utraty integralności sygnału lub otwarcia połączenia. Jeśli piny są wystarczająco długie, aby po wciśnięciu wystawać przez płytkę, inspekcja może wychwycić pin, który nie wystaje za pomocą AOI lub inspekcji wizualnej. Jednak jeśli pin jest krótki, a PCB jest gruba, pin nie jest widoczny, co ogranicza możliwości wykrywania defektów. Sprzęt AOI może łatwo sprawdzić i zmierzyć rzeczywistą pozycję końcówki pinu, ale nie może łatwo wykryć obecności jego końcówki ‘ukrytej’ w grubej płytce PCB.

Korelacja połączeń zaciskanych z funkcją elektryczną i mechaniczną.

Podczas procesu zaciskania złącza press-fit, w pierwszym kroku obszar ‘oczka igły’ pinu znajdzie się w kontakcie ze ścianką PTH, co spowoduje odkształcenie plastyczne w jego zewnętrznej części. Następnie, po odkształceniu sprężystym i plastycznym, nawiązywany jest kontakt między pinem a metaliczną warstwą PTH o możliwie dużej powierzchni styku. Rezystancję styku można obliczyć za pomocą następującego wzoru:

R _styk ~ stała * ρ_plating * (H_plating/P_contact) ^1/2

Gdzie:

R_styk: rezystancja styku

ρ_plating: rezystywność platerowania

H_plating: twardość materiału platerowania

P_styk: siła styku

Pod względem funkcjonalnym, po wciśnięciu złącz press-fit do PTH, tworzą one system połączeń wciskanych. Kluczowymi funkcjami elektrycznymi (parametrami odpowiedzi) z tego systemu połączeń wciskanych są rezystancja styku i obciążalność prądowa. Są one zależne od takich czynników jak kształt i rozmiar pinu, materiał bazowy oraz rodzaj i grubość platerowania. Natomiast kluczowymi funkcjami mechanicznymi powstałego systemu połączeń press-fit są siła wciskania, siła mocowania i odkształcenie otworu przelotowego, zależne od średnicy zastosowanego wiertła i rozmiaru PTH, rodzaju i grubości powłoki oraz materiału płytki PCB.

Źródło: iNEMI Board Assembly – Press-Fit Technology Roadmap of 2023 and 10 Years Beyond

Zdjęcie tytułowe: ©AVX

Zapraszamy na TEK.day Gdańsk, 11 września 2025. Zapisz się tutaj!