Пресс-фит отверстия на печатных платах: производство, проектирование и преимущества в сборке электроники

В области сборки печатных плат надежные электрические и механические соединения имеют первостепенное значение.предлагает уникальные преимущества в приложениях, где долговечностьТехнология пресс-фита заменяет традиционные сварные соединения механическим соединением с высокой точностью:штифт компонента вставляется в слегка недостаточно большую отверстие на ПКБ, создавая интерференционное устройство, которое обеспечивает как электрическую проводимость, так и механическую стабильность.

В этом руководстве рассматриваются производственные процессы, соображения по проектированию и реальные применения отверстий для прессования на ПКБ, подчеркивая, почему они стали незаменимыми в таких отраслях, как автомобильная промышленность.,Сравнивая отверстия для прессования с сварными соединениями, мы также поможем вам определить, когда эта технология является правильным выбором для вашего проекта.

Что такое отверстия для прессования?
В отличие от сварных соединений, сварные отверстия представляют собой специальные отверстия для печатных плат, предназначенные для создания безопасного соединения с компонентными булавами через интерференционное соединение (также называемое прессовым соединением).которые используют расплавленный металл для связывания булавок с подкладками, отверстия для прессования используют механическую силу:

1Диаметр отверстия немного меньше, чем у компонента (обычно на 0,02 ‰ 0,1 мм, в зависимости от размера булавки).
2При вставке булавки (с контролируемой силой) стены отверстия слегка деформируются, создавая плотное газонепроницаемое уплотнение вокруг булавки.
3Эта деформация обеспечивает непрерывный электрический контакт между штифтом и медным покрытием ПХБ с минимальным сопротивлением.

Результатом является соединение, которое выдерживает вибрации, тепловые циклы и повторяющиеся проблемы с спариванием/разпариванием, которые часто разрушают сварные соединения.

Как работают отверстия для прессования: ключевые принципы
Надежность соединения пресс-приспособления зависит от трех важнейших факторов:

1Диапазон помех: разница между диаметром булавки и диаметром отверстия (вмешательство) должна быть точной. Слишком мало помех приводит к слабому соединению (высокое сопротивление, риск отказа);Слишком много может потрескать ПКБ или повредить штифтТипичные диапазоны помех:
Для небольших штифтов (0,5−1,0 мм диаметра): 0,02−0,05 мм
Для больших штифтов (диаметр 1,0-3 мм): 0,05-0,10 мм

2Покрытие отверстия: медная покрытие отверстия (толщина 2050μm) должно быть равномерным и пластичным для деформации без трещин во время вставки.Никельное покрытие (510μm) часто добавляется для повышения износостойкости.

3Сила вставки: контролируемая сила (измеряемая в ньютонах) обеспечивает правильное закрепление без повреждения ПКБ. Например, 1 мм штифт требует 5 ‰ 10 Н силы вставки, в то время как 3 мм штифт может потребовать 20 ‰ 30 Н.

Производственный процесс для отверстий для прессового монтажа
Производство высококачественных отверстий для прессования требует точности на каждом этапе, от бурения до покрытия.
1Проектирование и инженерное дело
a. Размер отверстия: программное обеспечение CAD (например, Altium, Mentor) рассчитывает диаметр отверстия на основе размера булавки, материала и применения.
b.Размещение: отверстия расположены с точностью ±0,02 мм относительно следов компонентов, обеспечивая правильное выравнивание штифтов во время вставки.
c. Выбор материала ПКБ: жесткие субстраты (FR-4 с Tg ≥ 150 °C) или ПКБ с металлическим ядром предпочтительнее из-за их механической прочности, хотя гибкие ПКБ могут использоваться с усиленными отверстиями.

2Сверление
a.Прецизионное бурение: с помощью станков с ЧПУ с карбидными или бриллиантовыми наконечниками создаются отверстия с узкими допустимыми диаметрами (± 0,005 мм).для предотвращения бурения можно использовать лазерное бурение.
b.Отрыв: После бурения отверстия расчесываются или химически выграбляются для удаления отрывов (острые фрагменты меди или субстрата), которые могут повредить булавки во время вставки или вызвать короткое замыкание.

3. Покрытие
a.Обезмазка: Химическая или плазменная обработка удаляет смолу с стенок отверстий, обеспечивая надлежащее сцепление металлической облицовки.
b.Бесэлектровое покрытие медью: для покрытия стен отверстий накладывается тонкий слой (510μm) меди, создающий основу для последующего покрытия.
c.Электропластика: дополнительная медь (15 ‰ 40 μm) электропластируется для достижения общей толщины, требуемой для пластичности и проводимости. Никель (5 ‰ 10 ‰ m) и золото (0,1 ‰ 0.5μm) может быть добавлена для устойчивости к коррозии в суровых условиях.

4Инспекция и испытания
a. Координационная измерительная машина (CMM): проверяет диаметр отверстия, его округлость и положение, чтобы убедиться, что они соответствуют конструктивным характеристикам.
b. Анализ поперечного сечения: микроскопическая проверка стен отверстий на предмет однородности покрытия, трещин или пустоты.
c. Подтверждение испытания на тягу: образцы ПКБ проходят испытания на вставку и тягу булав для проверки прочности соединения (обычно сила тяги 10 ‰ 50 Н для обеспечения надежности).

Пресс-фит против сварных соединений: сравнительный анализ
В каждом из них есть свои преимущества, что делает их подходящими для различных применений:

Ключевые преимущества пресс-приспособлений
Технология пресс-фита решает критические проблемы в сложных условиях:
1Сопротивляемость тепловому циклированию
Сварные соединения разрушаются с течением времени из-за CTE (коэффициент теплового расширения) несоответствия между булавками, ПХБ и сваркой.вмещают тепловое расширение через их гибкиеВ испытаниях отверстия с прессовой установкой сохраняли целостность после более чем 1000 циклов при температуре от -40 до 125 °C, в то время как сварные соединения показали трещины после 300-500 циклов.

2Вибрация и устойчивость к ударам
В автомобильных, аэрокосмических и промышленных условиях вибрация (10 ‰ 2 000 Гц) и удар (до 50 Г) могут ослабить сварные соединения.Дырки для прессового фита создают механическое вмешательство, которое создает "прихват" на штифтах, который выдерживает эти силы, уменьшает отказы поля на 50~70% в вибрационных приложениях.

3. Переработка и полевое обслуживание
В отличие от сварных соединений, для переработки которых требуется тепло и специализированные инструменты, пресс-приставки можно многократно снимать и вставлять, не повреждая печатный лист.

a.Ремонт полевого оборудования (например, промышленных датчиков, авионики аэрокосмической отрасли).
b.Прототипирование и производство малых объемов, где изменения конструкции являются обычными.

4Устранение дефектов, связанных с сваркой
С помощью отверстий пресс-фит избегаются проблемы, присущие сварке:

a.Подсоединительные мосты: отсутствует риск короткого замыкания из-за избытка сварки.
b.Холодные соединения: механические помехи обеспечивают постоянный контакт, в отличие от сварных соединений, которые могут страдать от плохого намокания.
c. Остатки от потока: не требуется очистки, уменьшается риск загрязнения.

Применение отверстий для прессования
Склеивающие отверстия превосходят в отраслях, где надежность и долговечность не подлежат обсуждению:
1. Автомобильная электроника
Приложения: блоки управления двигателем (ECU), контроллеры трансмиссии, датчики ADAS.
Почему Press-Fit: выдерживает температуру под капотом (-40°C - 150°C) и вибрации от работы двигателя.

2Аэрокосмическая и оборонная промышленность
Применение: Авиатехника (навигационные системы, радиосвязь), системы наведения ракет.
Почему Press-Fit: отвечает требованиям MIL-STD-883H для вибрации (20G) и теплового шока (-55°C - 125°C).

3Промышленная автоматизация
Приложения: ПЛК (программируемые логические контроллеры), двигатели, робототехника.
Почему Press-Fit: справляется с частым спариванием/разпариванием во время технического обслуживания и выдерживает вибрации на заводе. Сокращает время простоя при ремонте.

4. Медицинские изделия
Применение: Диагностическое оборудование (МРТ, УЗИ), портативные медицинские мониторы.
Почему Press-Fit: обеспечивает надежные соединения в жизненно важных устройствах.

Проектирование лучших практик для отверстий для прессования
Чтобы получить максимальную производительность, следуйте следующим рекомендациям:
1Размеры отверстий и толерантность
Используйте стандарты IPC-7251 для расчета помех, основанных на материале булавки (медь, медь, сталь) и диаметре.
Поддерживать округлость отверстия (± 0,005 мм), чтобы обеспечить равномерный контакт с булавкой.

2Спецификации по покрытию
Толщина медной покрытия: 20 ‰ 50 μm (более толстая покрытие улучшает пластичность и износостойкость).
Для коррозионной среды добавлять никель-золотую отделку (5 мкм никеля + 0,5 мкм золота) для предотвращения окисления.

3Материал и толщина ПКБ
Выбирать жесткие подложки с высокой механической прочностью (FR-4 с Tg ≥ 170°C или G10).
Толщина ПКЖ: 1,6 ∼ 3,2 мм (тонкие платы могут деформироваться при вставке; более толстые платы требуют более длинных булавок).

4. Выбор компонента
Используйте булавки с гладким цилиндрическим профилем (избегайте острых краев, которые могут повредить отверстие).
Штифты должны быть изготовлены из пластичных материалов (медь, медные сплавы), которые слегка деформируются во время вставки, усиливая контакт.

Проблемы и смягчения
В то время как отверстия для прессовых устройств предлагают значительные преимущества, они требуют тщательной обработки, чтобы избежать проблем:
1. Размеры отверстий
Риск: несовместимые диаметры отверстий могут привести к ослаблению или чрезмерному сжатию соединений.
Уменьшение: Использование статистического контроля процесса (SPC) во время бурения и покрытия, с Cpk > 1,33 для диаметра отверстия.

2. Разрывы на покрытии
Риск: хрупкое покрытие (например, из-за неправильной отжиги) может треснуть во время вставки, вызывая высокое сопротивление.
Уменьшение: убедитесь, что медная покрытие изготавливается, чтобы увеличить пластичность; избегайте чрезмерной толщины покрытия (> 50 мкм), что снижает гибкость.

3Контроль силы вставки
Риск: чрезмерная сила может разорвать ПКБ или изгибать штифты; недостаточная сила приводит к ослаблению соединений.
Уменьшение: Используйте автоматизированные инструменты вставки с мониторингом силы (например, сервоприводные прессы), чтобы поддерживать точные уровни силы.

Будущие тенденции в технологиях прессового монтажа
Прогресс в производстве расширяет возможности пресс-фитов:

a.Микро-отверстия для печати: лазерное бурение позволяет создавать отверстия для печати для небольших штифтов (диаметр 0,3 - 0,5 мм), открывая возможности для применения в миниатюрных устройствах, таких как носимые устройства и датчики Интернета вещей.
b.Умные пресс-системы: датчики, интегрированные в инструменты для вставки, контролируют силу и сопротивление при контакте в режиме реального времени, обеспечивая 100% контроль качества.
c.Экологически чистые покрытия: безсвинцовые, соответствующие требованиям RoHS процессы покрытия (например, сплавы олово-медь) заменяют традиционные никель-золото, уменьшая воздействие на окружающую среду.

Заключение
Прессовые отверстия представляют собой надежную альтернативу сварным соединениям в высокой надежности, при высоких напряжениях.они обеспечивают превосходную устойчивость к вибрациям, теплового цикла и переработки, которые делают их незаменимыми в автомобильной, аэрокосмической и промышленной электронике.

В то время как технология прессового монтажа имеет более высокие первоначальные затраты и более строгие допустимые отклонения, чем сварка, ее долгосрочная надежность и снижение сбоев на поле часто оправдывают инвестиции.По мере развития технологий производства, отверстия для прессования будут продолжать расширяться в новых приложениях, от миниатюрных медицинских устройств до автомобильных систем следующего поколения.

Ключевой вывод: отверстия для прессования - это больше, чем метод подключения, они - решение для электроники, которая должна работать в экстремальных условиях, когда отказ не является вариантом.