Технологические аспекты непаяных соединений, выполняемых запрессовкой

Введение

Одним из наиболее эффективных и перспективных видов непаяных соединений являются соединения, выполняемые запрессовкой.

Благодаря своим преимуществам, эта технология завоевала популярность во всем мире и в настоящее время быстро проникает на российский рынок. Это обстоятельство говорит не только в пользу обращения более пристального внимания на новую тенденцию, но и о необходимости более тщательного изучения всех ее положительных и отрицательных сторон.

Исходя из актуальности имеющихся проблем, в статье предлагается рассмотреть следующие технологические аспекты соединений, выполняемых запрессовкой:

• Характер внедрения контактов в сквозное металлизированное отверстие.
• Характер вскрытия поверхностного слоя.
• Степень герметичности места электрического контакта.
• Степень травматичности запрессовки для сквозного металлизированного отверстия.
• Усилие удержания контакта в отверстии.
• Применение запрессовываемых контактов.
• Бессвинцовые покрытия.

Этот перечень не является исчерпывающим по рассматриваемой тематике, однако перечисленные направления наиболее важны и интересны для изучения.

Характер внедрения контактов в сквозное металлизированное отверстие

Одним из факторов, определяющих характер внедрения контактов в сквозное металлизированное отверстие, является скорость запрессовки (рис. 1).

Рис. 1. Предполагаемое влияние скорости запрессовки на качество получаемых соединений (на примере контакта фирмы TYCO)

При слишком высокой скорости подачи штока пресса вывод соединителя будет резко входить в сквозное металлизированное отверстие, из-за чего оно и окружающие его участки печатной платы не смогут успеть среагировать на изменение диаметра своей пластической деформацией. В итоге это может привести к возникновению трещин в отверстиях и в самой плате. С другой стороны, слишком медленная подача штока не обеспечит достаточной прочности удержания вывода в отверстии, так как металлическое покрытие успеет среагировать на изменение диаметра и не даст той остаточной упругой деформации, которая обеспечит «запирание» запрессовываемой части контакта в отверстии. Однако все эти выводы пока являются лишь теоретическими и требуют экспериментального подтверждения, что в случае их верности обуславливает необходимость разработки методик определения и практической оценки оптимальной скорости запрессовки.

Стандарт IEC 60352-5 рекомендует выбирать скорость подачи усилия запрессовки (на штоке пресса) в диапазоне 25–50 мм/мин. Конкретную величину скорости запрессовки приходится определять эмпирически, исходя из конкретных условий запрессовки. К сожалению, до сих пор не проводились исследования, результаты которых позволили бы установить какие-либо закономерности между скоростью и условиями запрессовки и разработать соответствующие практические рекомендации.

Другим фактором, определяющим характер внедрения контактов в сквозное металлизированное отверстие, является начальная ориентация контакта в процессе запрессовки. Технологический процесс запрессовки предусматривает наживление (предварительную установку) контакта (соединителя) в отверстии. Эта операция осуществляется вручную. От аккуратности выполнения этой операции зависит качество запрессовки.

Соединитель следует устанавливать на плату до его упора утолщенными частями выводов и обеспечения его фиксации на плате. Так как в данном случае соединитель устанавливается вручную, необходимо не только прилагать плавное и равномерное усилие одновременно к обеим боковым стенкам соединителя, но и по возможности соблюдать строгую вертикальность его ориентации. При этом нужно следить за тем, чтобы утолщенными частями выводов соединитель не слишком глубоко (а только до момента фиксации) вошел в отверстия платы. В противном случае при перекосе и слишком глубоком наживлении ручная предварительная установка изначально задаст неправильную ориентацию соединителя. Слишком плотная посадка не даст соединителю самостоятельно выправить положение, что в конечном итоге может привести или к искажению надлежащего положения выводов соединителя в отверстии (что чревато нарушением целостности проходящих через соединитель сигналов), или к разрушению корпуса соединителя и структуры металлизированного отверстия.

Характер вскрытия поверхностного слоя

Поверхностный слой (как на контактах, так и на внутренней металлизации отверстия) представляет собой совокупность оксидов и жировых образований. Эти вещества приводят к возникновению коррозии, толщина которой может составлять от 5 до 100 нм. Таким образом, для получения надежного электрического соединения между контактом и отверстием необходимо вскрыть поверхностный слой до базового материала. В процессе запрессовки этот процесс выполняется механически, самим контактом, на начальном этапе выполнения операции. В частности, прорыв поверхностного слоя осуществляет заходная часть контакта (рис. 2).

Рис. 2. Угол заходной части контакта

Вскрытие поверхностного слоя зависит от формы заходной части контакта. Чем меньше угол этой части контакта, тем плавней и менее травматично для отверстия происходит вскрытие поверхностного слоя. Этот фрагмент конструкции ориентирует контакт надлежащим образом при его входе в отверстие и обеспечивает плавный характер деформации как запрессовываемой части самого контакта, так и боковых стенок металлизированного отверстия.

Угол заходной части является также одним из факторов, определяющих усилие запрессовки. Соответственно, чем меньше угол заходной части контакта, тем меньше начальное усилие запрессовки и механическое воздействие на контакт (или корпус соединителя) со стороны пуансона пресса.

Однако необходимо иметь в виду, что слишком маленький угол заходной части контакта — это негативный фактор для процесса запрессовки. При малых значениях угла заходной части контакт может не прорезать, а лишь примять поверхностный слой, переместив его на запрессовываемую часть (рис. 3).

Рис. 3. Влияние угла запрессовываемой части на вскрытие поверхностного слоя металлизированного отверстия

Заслуживает внимания тот факт, что характеристики данного фрагмента контакта, впрочем, как и других его фрагментов, никоим образом не регламентируются стандартом IEC 60352-5. В этом стандарте есть лишь упоминание о том, что контакт должен иметь места приложения усилия запрессовки (буртики). Таким образом, конструкция контакта полностью остается прерогативой компании — разработчика соединителей.

Особую роль в процессе вскрытия поверхностного слоя играет микротвердость. Исторически сложилось так, что в технологии запрессовки она измеряется в единицах Кнупа (HK), которые по своей величине близки к единицам Виккерса (HV). Индентор Кнупа имеет продольный угол 172°30′ и поперечный угол 130°0′. Глубина отпечатка составляет примерно 1/30 от его длины. Индентор Виккерса — это пирамида с квадратным основанием и с углом 136° между противолежащими гранями. При использовании индентора Виккерса глубина получаемого отпечатка составляет примерно 1/7 от длины диагонали. При одной и той же величине нагрузки индентор Виккерса проникает в два раза глубже индентора Кнупа, а диагональ отпечатка по Виккерсу составляет 1/3 от длины отпечатка по Кнупу.

Таким образом, испытания на микротвердость с использованием индентора Виккерса меньше зависят от характеристики поверхности, чем испытания на твердость по Кнупу, и при равной величине нагрузки отпечаток от индентора Виккерса, из-за своей меньшей длины, более чувствителен к ошибкам при измерении отпечатка. Большая часть испытаний на микротвердость в США выполняется под нагрузкой 100 г и с помощью индентора Кнупа. В Европе в основном используются сравнительно более высокие нагрузки (500 г) и индентор Виккерса.

Учитывая все вышесказанное, для технологии запрессовки более целесообразным использовать методику измерения микротвердости по Кнупу. Запрессовываемые контакты обычно имеют 310 единиц по Кнупу, а медное покрытие в сквозных металлизированных отверстиях — 150 единиц по Кнупу.

Степень герметичности места электрического контакта

Герметичность электрического контакта — одно из главных преимуществ технологии запрессовки. Это качество также является одним из факторов, определяющих надежность электрического соединения между контактом и отверстием.

Герметичность зависит от глубины проникновения и усилия вдавливания упругих элементов контакта в слой металлизации отверстия и определяется площадью зоны соприкосновения упругих элементов контакта с боковыми стенками отверстия.

Вследствие неровностей рельефа область соприкосновения упругих элементов контакта с боковыми стенками отверстия не является сплошной поверхностью, а представляет собой совокупность участков соприкосновения разной площади и количества. Соответственно, чем выше усилие и глубина внедрения контакта в металлизацию отверстия, тем больше количество и площадь этих участков. Чем больше суммарное количество и площадь участков соприкосновения, тем выше общая герметичность электрического контакта.

Применяемые в настоящее время контакты имеют различную конструкцию запрессовываемой части и, следовательно, отличаются различной суммарной эффективной площадью электрического контакта. Этот факт позволяет говорить о различной степени герметичности соединений, получаемых с использованием контактов различных фирм.

Ориентировочно, варианты конструкций запрессовываемой части контактов по степени герметичности получаемого соединения можно расставить согласно рейтингу, представленному на рис. 4.

Рис. 4. Конструкции запрессовываемой части контактов по степени герметичности соединения:
1 — максимальная герметичность;
4 — минимальная герметичность

Уточнение данного рейтинга — это еще одно направление исследований в технологии запрессовки.

Степень травматичности для сквозного металлизированного отверстия

В данном случае под травматичностью подразумевается деформация сквозного металлизированного отверстия при запрессовке контакта. На рис. 5 представлены требования стандарта IEC 60352-5 к деформационным параметрам соединений, выполняемых запрессовкой.

Рис. 5. Требования стандарта IEC 60352-5 к деформационным параметрам соединений, выполняемых запрессовкой:
а — деформация контура (стенок) отверстия, которое было получено после сверления, менее 70 мкм;
b — остаточная толщина металлизации, более 8 мкм;
с — деформация проводника, подходящего к сквозному металлизированному отверстию, не более 50 мкм;
d — трещина: не допускается ни в сквозном металлизированном отверстии, ни в подходящих к нему проводниках

Выполнение этих требований осложняется тем, что максимальная деформация и повреждения приходятся именно на ту глубину печатной платы, на которой, согласно стандарту IEC 60352-5, должны изготавливаться контрольные микрошлифы (рис. 6).

Рис. 6. Плоскость (уровень) изготовления контрольных микрошлифов

Степень деформации зависит от давления на боковые стенки отверстия и площади соприкосновения контакта с ними.

Избыточная деформация отверстия вследствие воздействия контакта может привести к отрыву внутренних проводников печатной платы, подходящих к отверстию или к прорыву металлизации отверстия.

Усилие удержания контакта в отверстии

Усилие удержания контакта в отверстии является одним из факторов, определяющих качество и надежность соединений, получаемых запрессовкой. Это усилие обеспечивает неподвижность контакта в отверстии и, соответственно, стабильность электрического соединения между самим контактом и отверстием.

В период появления технологии запрессовки (конец 1960-х – начало 1970-х годов) существовала потребность в достижении высоких значений усилия удержания (45 Н) (рис. 7). Это было вызвано тем, что на запрессованные контакты выполнялся монтаж накруткой, которые в те годы пользовался широкой популярностью. В настоящее время считается, что при минимальных требованиях к механическим нагрузкам для удержания контакта в отверстии достаточно усилия в 3 Н.

Усилие удержания контакта определяется силами трения между соприкасающимися поверхностями контакта и отверстия.

Рис. 7. Тенденция снижения усилия удержания контакта в отверстии

Характеристики трения — это не фундаментальный параметр материала, как, например, кристаллическая структура, модуль Юнга или твердость. Трение — это процесс механического (упруго/пластично), химического (адгезия) и термического взаимодействия друг с другом двух соприкасающихся материалов со своей морфологией и микроструктурным профилем.

Способность соприкасающихся поверхностей рассеивать энергию трения в процессе тангенциального скольжения определяет картину процесса трения. Увеличение нормальной нагрузки приводит к пластической деформации больших объемов материала и увеличению площади взаимодействующих поверхностей.

Трение количественно оценивается коэффициентом μ, представляющим собой соотношение усилия, необходимого для сдвига двух соприкасающихся поверхностей. В целом динамику изменения коэффициента трения можно представить в виде графиков зависимости, представленных на рис. 8:

• Диапазон нагрузки А (F_N < 10 Н) — трение по закону Амонтона-Кулона. В диапазоне нагрузки A коэффициент трения μ не зависит от геометрии двух контактирующих поверхностей.
• Диапазон нагрузки B (10Н < F_N < 22 Н) — переходное трение. Усилие F_Nвозрастает, поток пластической энергии покрытий приводит к образованию зон деформации, и глубина бороздок износа достигает толщины покрытий. Закон Амонтона-Кулона прекращает действовать.
• Диапазон нагрузки С (F_N > 22 Н) — тонкий мягкий металлический слой на более твердой поверхности. Переход границы в состояние, которое подчиняется классическому закону Амонтона-Кулона, завершается.

Рис. 8. Зависимость коэффициента трения от нормальной нагрузки FN

Вертикальные линии на рис. 8, разделяющие диапазоны A, B и C, — условны, их расположение зависит от взаимодействия между покрытиями и геометрии двух соприкасающихся поверхностей.

Применение запрессовываемых контактов

В настоящее время наиболее популярными разновидностями являются контакты с запрессовываемой частью в форме игольного ушка и в виде смещенных относительно друг друга упругих элементов, а также с многопружинной запрессовываемой частью (рис. 9, таблица).

Рис. 9. Наиболее популярные разновидности запрессовываемых контактов

Бессвинцовые покрытия

Непаяные соединения, выполняемые запрессовкой, обеспечивают идеальное соответствие требованиям охраны окружающей среды и при этом не подпадают под действие директив RoHS (Restriction of Hazardous Substances — Директива об ограничении использования определенных опасных веществ) и WEEE (Waste Electrical and Electronic Equipment — Директива об отходах от электрического и электронного оборудования).

Однако проблема заключается в том, что сегодня большая часть производителей, согласно указанным выше директивам, переходят на использование бессвинцовых припоев и покрытий. Конечно, эта тенденция не касается продукции военного назначения, но дело в том, что электронные компоненты и изделия класса Military (то есть военного назначения), которые заведомо ориентированы на свинцовые технологии, не всегда доступны как с точки зрения возможности их получения, так и с точки зрения их цены. Это обстоятельство вынуждает переходить на использование альтернатив класса Industrial (промышленного назначения). А это, в свою очередь, приводит к возможности появления в технологическом процессе бессвинцовых припоев и покрытий.

Таким образом, существует вероятность попадания соединений, выполняемых запрессовкой, в бессвинцовую среду. В этих условиях параметры технологического процесса запрессовки, скорее всего, будут отличаться от аналогичных характеристик операций, выполняемых с использованием покрытий, содержащих свинец.

С целью проверки данного предположения в 2003 году специалисты компании Tyco Electronics провели крупномасштабное исследование, которое охватывало сразу несколько вариантов запрессовываемых контактов и типов бессвинцовых покрытий. Все тестовые сочетания контактов, покрытых чистым оловом, и бессвинцовых покрытий печатных плат показали успешные результаты по визуальному контролю и микрошлифам, операциям ремонта, электрическим характеристикам и надежности. Был сделан вывод о том, что чистое олово — это хорошая альтернатива покрытию олово-серeбро для запрессовываемых контактов соединителей.

Более высокое усилие запрессовки, в основном вызванное иммерсионными слоями на платах в сочетании с чистым оловом на контакте, может вызвать проблемы, если оно прилагается напрямую к плечикам контактов. Эта ситуация типична для запрессовки, например, прямых вилочных соединителей. Розетки или прямоугольные вилки запрессовываются нажатием на пластиковый корпус соединителя. При этом более высокое усилие запрессовки может вызвать трещины в корпусе и «выпирание» контактов. Хотя в большей степени вероятность возникновения трещин зависит от скорости запрессовки, приспособления и особенностей пресса.

С другой стороны, гальваническое золото, которое предпочитают использовать некоторые производители печатных плат, приводит к снижению усилия удержания контактов. Однако согласно многочисленным исследованиям это обстоятельство никоим образом не влияет на надежность соединений, выполняемых запрессовкой.

В целом, согласно проведенному исследованию, применение бессвинцовых покрытий в процессе запрессовки сопровождается увеличением усилий запрессовки и удержания контактов. Поэтому при использовании бессвинцовых технологий необходимо уделять особое внимание запрессовке соединителей плоскими пуансонами (следить за тем, чтобы контакты не проникли в корпус соединителя) и иметь в виду возможность повреждения/деформации сквозного металлизированного отверстия.

Заключение

Несмотря на кажущуюся простоту, запрессовка контактов в сквозные металлизированные отверстия печатных плат — это сложный, многофакторный и ответственный процесс, требующий к себе особого внимания.

К основным факторам процесса запрессовки относятся: степень травматичности для сквозного металлизированного отверстия, характер вскрытия поверхностного слоя, характер внедрения контактов в сквозное металлизированное отверстие, бессвинцовые покрытия, степень герметичности места электрического контакта, применение запрессовываемых контактов, усилие удержания контакта в отверстии.

Несмотря на то, что в целом все контакты соответствуют стандарту IEC 60352-5, между ними существуют различия как в материалах, так и в конструкции. Это вызвано либеральностью указанного стандарта, в котором выполнение большей части требований отдано на усмотрение компаний — изготовителей контактов.

Таким образом, контакты могут по-разному вести себя в различных условиях применения. Этот факт приводит к выводу о необходимости анализа поведения контактов в различных условиях окружающей среды, что особенно актуально для изделий военного назначения.