Технологический процесс запрессовки соединителей в сквозные металлизированные отверстия печатных плат
Технология запрессовки обеспечивает реализацию прессовых соединений (или соединений, получаемых запрессовкой). Соединение, выполненное запрессовкой, — это непаяное электрическое и механическое соединение, полученное запрессовкой соответствующего контакта в сквозное металлизированное отверстие печатной платы (рис. 1). При этом диаметр (диагональный размер) контакта в запрессовываемой части должен соответствовать диаметру отверстия, на который этот контакт рассчитан, и, в частности, превышать этот диаметр. Вследствие этой особенности при запрессовке возникает некоторая деформация сквозного металлизированного отверстия (без его разрушения), благодаря чему и достигается получение зоны электрического контакта. Качество соединения, полученного запрессовкой, зависит от размеров особым образом спрофилированной запрессовываемой части контакта, от материала и размеров контакта, а также от размеров сквозного металлизированного отверстия в печатной плате.
Технологический процесс (ТП) запрессовки соединителей, как и любой другой ТП, представляет собой взаимосвязанную совокупность трех его составляющих: это непосредственно сам процесс, оборудование и инструмент (оснастка) (рис. 2). Именно эти три аспекта ТП запрессовки мы и рассмотрим.
Операция запрессовки
Операция запрессовки выполняется на одном рабочем месте, оборудованном прессом и соответствующими приспособлениями (рис. 3). За рубежом операция запрессовки является уже отработанной процедурой. В России четкой последовательности и требований к ТП запрессовки до сих пор не существует.
Рис. 3. Современное типовое рабочее место запрессовки (на базе оборудования компаний Tyco Electronics и Treston)
Наиболее перспективной является запрессовка именно соединителей, так как, несмотря на заявления зарубежных производителей о высокой надежности даже одиночных контактов, есть некоторые сомнения в достоверности этих заявлений (особенно в случае применения одиночных контактов в технике военного назначения)1.
Практический опыт указывает на необходимость предварительной наладки пресса до монтажа остальных соединителей, подлежащих запрессовке. Такого рода наладка заключается или в настройке длины рабочего хода штока пресса, если используется ручной пресс, или в программировании параметров процесса, если применяется автоматизированное оборудование. Наладка позволяет избежать как недозапрессовки соединителей (что в дальнейшем нарушит сочленяемость этих соединителей с ответными частями), так и избыточной запрессовки, которая может привести к разрушению и корпуса соединителей, и структуры сквозного металлизированного отверстия. Этап наладки приобретает особенно актуальное значение при работе с соединителями разного типоразмера и платами разной толщины. Для наладки предлагается использовать технологические соединители и печатные платы, являющиеся полными аналогами тех компонентов, которые будут участвовать в дальнейшем ТП.
По состоянию на сегодня (исходя из практического опыта) операцию запрессовки соединителей можно представить в виде последовательности действий, показанной на рис. 4.
А более детально операция запрессовки на рабочем месте (участке) запрессовки будет выглядеть следующим образом:
- Проверка комплектности соединителей и их соответствия спецификации. Запрессовка соединителей в не предназначенные для них отверстия может привести к недопустимому повреждению (прорыву) металлизации отверстий в плате. Кроме того, поиск необходимого соединителя в процессе запрессовки может привести к снижению концентрации внимания оператора и, как следствие, возникновению ошибок и брака.
- Установка и фиксация пуансона на штоке, а подплатной матрицы — на станине пресса. Необходимо лишний раз проверить надежность крепления пуансона на штоке и подплатной матрицы на станине (столе) пресса. В противном случае высока вероятность повреждения соединителя и отверстий в печатной плате.
- Установка на технологическую плату технологического соединителя до его упора утолщенными частями выводов и обеспечение его фиксации на плате. Эта процедура требует аккуратности и соблюдения (максимально возможной) вертикальности как по продольной, так и по поперечной осям соединителя.
- Визуальная проверка положения соединителя на плате согласно чертежу. Конечно, при запрессовке соединителя в неправильной ориентации есть возможность его демонтажа и установки уже нового2 соединителя так, как предписано требованиями чертежа, благодаря тому что сквозные металлизированные отверстия под запрессовку допускают повторный монтаж контактов. Но лучше этого не допускать.
- Изъятие технологической платы из контейнера (с наживленным технологическим соединителем), установка платы на направляющие (на стол) пресса с предварительной их настройкой и фиксацией по габаритам платы и настройка высоты штока пресса по технологическому соединителю согласно инструкциям фирмы — изготовителя пресса. Эти три процедуры объединены в один этап, так как они взаимосвязаны и логично следуют друг за другом.
- Опускание штока пресса до входа пуансона в контакт с технологическим соединителем и выполнение пробной запрессовки. Шток опускают вручную, если это ручной пресс, или нажимают соответствующие кнопки, если это автоматический/полуавтоматический пресс.
- Снятие платы с направляющих (со стола) и помещение ее обратно в контейнер. Снимать плату нужно аккуратно, убедившись в том, что шток с пуансоном поднят на безопасную высоту.
- Контроль качества выполненного соединения. Одной из серьезных проблем, стоящих сегодня перед российскими фирмами-производителями, является определение критериев и методик оценки качества соединений, выполняемых запрессовкой. Пока возможна лишь визуальная проверка отсутствия деформации контактов и трещин между отверстиями в печатной плате.
- Установка на плату (уже не технологическую!) соединителя согласно чертежу. Так как будут использоваться штатные соединители и штатная печатная плата, необходимы вдвое большая аккуратность и внимание.
- Визуальная проверка положения соединителя на плате согласно чертежу. Лучше лишний раз убедиться в правильности установки соединителя.
- Изъятие платы из контейнера и установка ее на направляющие пресса. Сам запрессовываемый соединитель должен быть размещен под штоком пресса, а его выводы необходимо продеть в пазы/отверстия подплатной матрицы, не допустив при этом деформации выводов.
- Визуальная проверка плотности прилегания платы к матрице и попадания всех выводов в соответствующие пазы/отверстия подплатной матрицы. Это необходимо, чтобы избежать разрушения соединителя и его выводов в процессе запрессовки.
- Опускание штока пресса до входа пуансона в контакт с соединителем и выполнение запрессовки. Этап выполняется вручную или нажатием соответствующей кнопки.
- Перемещение следующего соединителя под шток пресса. Плату с соединителем перемещают вручную по направляющим (при использовании ручного пресса) или с включением функции воздушной подушки в автоматическом/полуавтоматическом прессе.
- Повтор переходов 13-14 в отношении всех остальных соединителей.
- Снятие платы с направляющих пресса и помещение ее обратно в контейнер.
- Контроль качества запрессовки.
Рассмотренная выше операция запрессовки является одной из базовых составляющих общего ТП запрессовки, который при идеальном подходе должен выглядеть так, как представлено на рис. 5.
В случае обнаружения дефектов запрессовки (при визуальном или рентгеновском контроле) необходимо тут же изъять бракованные изделия из ТП запрессовки и провести анализ причин возникновения дефектов. Указанный выше ТП определяет инфраструктуру ресурсного обеспечения ТП запрессовки.
Инфраструктура ресурсного обеспечения процесса запрессовки на предприятии
Идеальная инфраструктура ресурсного обеспечения процесса запрессовки на предприятии должна соответствовать рис. 6.
Инфраструктура ресурсного обеспечения ТП запрессовки включает рабочие места (участки) контроля микротвердости, запрессовки, визуального и рентгеновского контроля. В качестве этих рабочих мест, кроме участка запрессовки, могут использоваться уже существующие на предприятии участки, или их необходимо организовать изначально. К сожалению, для России эта инфраструктура остается лишь идеальной: практически все производители ограничиваются организацией участков запрессовки и визуального контроля, не принимая во внимание нюансы, обеспечиваемые контролем микротвердости и рентгеновским контролем. Однако есть надежда, что эта ситуация будет меняться в лучшую сторону.
Краткая характеристика участков представлена в таблице.
Таблица. Краткая характеристика подразделений, участвующих в ТП запрессовки
Рабочее место (участок) |
Назначение |
Оборудование |
Персонал |
Примечания |
Контроль микротвердости | Проверка состояния поверхностного слоя металлизированных отверстий в печатной плате перед запрессовкой | Твердомер с возможностью контроля микротвердости в единицах Кнупа | 1 чел. | — |
Запрессовка | Запрессовка соединителей в печатные платы | Пресс | 1-2 чел. | — |
Визуальный контроль | Визуальная проверка качества запрессовки | Стереоувеличитель | 1 чел. | — |
Рентгеновский контроль | Рентгеновский контроль качества запрессовки | Рентгеновская установка | 1 чел. | Необходима рентгеновская установка с функцией томографии |
Оборудование для ТП запрессовки
Оборудование для участка контроля микротвердости
Участок контроля микротвердости предназначен для контроля твердости оловянно-свинцового покрытия в сквозных металлизированных отверстиях печатных плат. В идеале на этот участок вместе со штатными печатными платами должны поступать образцы-микрошлифы. Как уже говорилось в предыдущих статьях, в технологии запрессовки микротвердость играет важную роль в процессе выполнения операции и традиционно измеряется в единицах Кнупа. Таким образом, для оснащения этого участка потребуется твердомер с возможностью определения микротвердости по Кнупу. Таким оборудованием может являться, например, твердомер Duramin 500 фирмы EMCO-TEST (рис. 7).
Оборудование для участка запрессовки
Функции этого подразделения следуют из его названия. На этом участке должен быть размещен ручной пресс (для отработки процесса) и полуавтоматический или автоматический пресс, в зависимости от уровня производства. В России многие производители изделий предпочитают использовать свои, уже имеющиеся и, как правило, ручные прессы. Недостаток этих доморощенных прессов в том, что они, уже находясь в эксплуатации, не обеспечивают необходимой плавности хода, что сказывается на качестве получаемых результатов. Проблема заключается в том, что зачастую там, где качество запрессовки кажется высоким, возможно существование скрытых дефектов, последствия которых могут возникнуть с течением времени.
Но если подходить к этому вопросу более взвешенно, то лучше применять фирменное оборудование. В России лидерами в технологии запрессовки являются компании Tyco Electronics (США) и Harting (Германия) (рис. 8).
Характеристики оборудования этих фирм приблизительно одинаковы. Поэтому остановить свой выбор можно на любом из них. Все зависит от того, соединители какого производителя (Tyco Electronics или Harting) вы применяете в своих изделиях. Управление полуавтоматическими и автоматическими прессами осуществляется с помощью соответствующих компьютеров, которые обычно включаются в комплект поставки пресса и уже содержат все настройки для успешного общения компьютера с прессом.
Оборудование для участка визуального контроля
Визуальный контроль позволяет выявлять наличие возможных видимых дефектов запрессовки, таких как трещины или сколы в корпусе соединителя или на печатной плате (рис. 9), например вследствие продавливания соединителя или получения слишком маленьких размеров сквозных металлизированных отверстий. При обнаружении таких дефектов плата с соединителем отправляется в изолятор брака. Тем самым мы прерываем передачу узла на участок рентгеновского контроля и снижаем нагрузку на этот участок.
На участке визуального контроля будет достаточно разместить стереоувеличитель (например, Mantis Elite фирмы Vision Engineering, рис. 10), который при контроле обеспечит и необходимое увеличение изображения, и необходимое поле обзора.
Оборудование для участка рентгеновского контроля
Этот участок является завершающим и самым ответственным звеном в инфраструктуре ТП запрессовки. Сюда поступают узлы, успешно прошедшие визуальный контроль. Преимущество рентгеновского контроля заключается в том, что он (при использовании функции томографии) позволяет сделать виртуальные контрольные «срезы» прессового соединения с определенным шагом по всей толщине печатной платы, в том числе в критичном сечении, регламентируемом стандартом IEC 60352-5. В противном случае придется изготавливать контрольные микрошлифы. А это достаточно трудоемкий процесс. Однако и это решение не станет выходом из ситуации, так как вы все равно не получите полную и реальную картину соединения в каждом конкретном металлизированном отверстии. И все, что вы сможете сделать, — это лишь с определенной долей вероятности распространить полученные результаты контроля микрошлифов на все остальные отверстия.
Оборудованием этого участка является рентгеновская установка с функцией томографии. Именно эта функция обеспечит послойный окончательный контроль качества запрессовки.
Инструмент (оснастка) для ТП запрессовки
Терминология оснастки для запрессовки заимствована из традиционных технологий прессования. Номенклатура оснастки ограниченна: это пуансон и подплатная матрица (рис. 11). Вариантов исполнения пуансонов и матриц так же много, как и вариантов соединителей и конфигураций печатных плат. Конструкцию пуансонов и подплатных матриц определяют по конструкции соединителей и печатных плат.
Пуансон крепится на шток пресса, а подплатная матрица, согласно своему названию, подкладывается под печатную плату для выхода выводов соединителей в процессе запрессовки и исключения вероятности их механического разрушения.
Толщина подплатной матрицы должна быть заведомо больше длины выступания выводов из платы после запрессовки. Подплатные матрицы могут быть локальными (они поддерживают плату именно в месте установки соединителей) или общими, охватывающими весь габарит платы (рис. 12).
Преимущество локальных подплатных матриц заключается в сравнительной простоте их изготовления и минимальном расходе материала. А недостаток — в том, что они не обеспечивают 100%-ную геометрическую устойчивость системы плата-матрица и, соответственно, не гарантируют максимум качества. Кроме того, при установке локальных матриц плата при запрессовке продавливается, что в худшем случае может привести к повреждению имеющихся на ней проводников. Локальные матрицы можно использовать при ограниченности производственных и финансовых ресурсов.
Общие подплатные матрицы, как говорилось выше, охватывают всю площадь печатной платы. Они обеспечивают полную устойчивость платы, но требуют высокой точности изготовления (желательно на станках с числовым программным управлением), что влечет за собой большее потребление материалов, чем в случае с локальными матрицами. Подплатные матрицы можно изготавливать из алюминиевых сплавов (например, Д16). Поверхность, контактирующая с печатной платой, должна быть отполирована во избежание механических повреждений печатной платы. Необходимо также обеспечить плоскостность контактирующей поверхности матрицы для исключения локальных прогибов (деформации) платы при запрессовке.
Кстати, жесткое крепление печатной платы на общую подплатную матрицу не допускается: плата должна иметь ограниченный диапазон перемещений для адаптации к входящим в нее выводам соединителей. (Вот еще почему необходима высокая чистота обработки контактирующей поверхности подплатной матрицы.) В противном случае возможны серьезные повреждения сквозных металлизированных отверстий, механическое разрушение выводов и возникновение трещин в корпусах соединителей.
Пуансоны (для отработки процесса3) можно изготавливать из обычной стали с износостойким и антикоррозионным покрытием, но лучший материал — это нержавеющая инструментальная сталь. Ее применение снимет все проблемы износа и коррозии материала пуансона. Для изготовления сложных по конструкции пуансонов, имеющих тонкие глубокие пазы и категорически не допускающих накопленных отклонений в шаге пазов (иначе при запрессовке возможны повреждения выводов соединителей), традиционные фрезерные станки с числовым программным управлением не подойдут. И здесь спасением могут стать электроэрозионные проволочно-вырезные станки. Преимущество этих станков заключается в том, что они, за счет использования тонкой проволоки, позволяют получать тонкие глубокие пазы с постоянным шагом в труднообрабатываемых материалах.
Если подплатные матрицы однозначно должно изготавливать предприятие, выполняющее запрессовку, то в отношении пуансонов не все так просто. Конечно, в идеале, если позволяют финансовые средства, лучше приобретать фирменную оснастку, которая четко ориентирована на конкретное оборудование и соединители. При этом вы гарантированно избавите себя от неприятностей, связанных с возможным повреждением соединителей, и от забот с изготовлением. Вы также сможете получить официальную аттестацию от компании — изготовителя оборудования для запрессовки, и воспользоваться дополнительными преимуществами перед конкурентами при выполнении запрессовки на заказ. Но дело в том, что оснастка для запрессовки дорогая, и, если средства не позволяют, можно воспользоваться самостоятельно изготовленными пуансонами с учетом указанных выше рекомендаций. Но достичь успеха в изготовлении пуансонов, скорее всего, сразу не получится, поэтому, на всякий случай, будьте готовы, во-первых, к долгому пути к качественным результатам, а во-вторых, к лишению вас гарантии в случае повреждения оборудования.
Заключение
Запрессовка соединителей в сквозные металлизированные отверстия печатных плат, несмотря на свою кажущуюся простоту, является сложным многофакторным процессом, требующим серьезного отношения и тщательного подхода. Необходимо четкое понимание явлений, происходящих в процессе запрессовки. Сегодня нет единой, устоявшейся последовательности выполнения запрессовки. Большинство производителей выполняет запрессовку по своему усмотрению, часто ограничиваясь самой запрессовкой и визуальным контролем. Однако ТП запрессовки состоит из нескольких, логично следующих друг за другом этапов. Для реализации ТП запрессовки необходима организация на предприятии определенной инфраструктуры. Она может быть на производстве изначально, или при ее создании можно задействовать имеющиеся на предприятии ресурсы. Оборудование для реализации ТП запрессовки не ограничивается одним только прессом, а предусматривает использование дополнительных средств контроля (в том числе рентгеновского). Во избежание возможных неприятностей лучше использовать фирменные пуансоны. Применение самостоятельно изготовленных пуансонов допускается только на этапе отработки процесса.
В целом по состоянию на сегодня ТП запрессовки еще требует дальнейшего анализа и отработки для создания стандартизованной процедуры, которая позволит получать гарантированно высококачественные результаты.
Литература
- IEC 60352-5. Solderless Connections. Part 5: Press-in connections — General requirements, test methods and practical guidance. Ed. 3.0, 2008-01.
- Плотников Ф. Г. Непаяные соединения, выполняемые запрессовкой, — новый класс соединений на российском рынке электронной техники // Компоненты и технологии. 2001. № 1.
- Медведев А. М. Соединения типа Press Fit // Компоненты и технологии. 2006. № 8.
- Плотников Ф. Г., Чуев А. П. Конструктивно-технологический анализ непаяных соединений, выполняемых запрессовкой // Успехи современной радиоэлектроники. 2012. № 1.
- www.te.com
- www.harting.de
1 Развеять эти сомнения смогут только испытания контактов на соответствие требованиям российских военных стандартов.
2 Повторная запрессовка ранее демонтированных контактов/соединителей не допускается стандартом IEC 60352-5.
3 В производстве штатных изделий, после отработки процесса, лучше использовать фирменные пуансоны.