سوراخ های فشرده سازی پی سی بی: تولید، طراحی و مزایای مونتاژ الکترونیک

در زمینه مونتاژ PCB، اتصالات الکتریکی و مکانیکی قابل اعتماد بسیار مهم هستند. در حالی که جوشاندن همچنان یک عامل اصلی است، سوراخ های فشرده شده به عنوان یک جایگزین حیاتی ظهور کرده اند.ارائه مزایای منحصر به فرد در برنامه های کاربردی که در آن دوام، قابلیت بازکاری و مقاومت در برابر استرس حرارتی ضروری است. تکنولوژی pres-fit مفاصل خمیر سنتی را با یک اتصال مکانیکی دقیق جایگزین می کند:یک پین جزء در یک سوراخ PCB کمی کوچک وارد می شود، ایجاد یک اتصال تداخل که هم رسانایی الکتریکی و هم ثبات مکانیکی را تضمین می کند.

این راهنما فرآیند تولید، ملاحظات طراحی و کاربردهای واقعی حفره های چاپی PCB را بررسی می کند و نشان می دهد که چرا آنها در صنایع مانند خودرو ضروری شده اند.,از طریق مقایسه سوراخ های فشرده شده با اتصالات جوش داده شده، ما همچنین به شما کمک می کنیم تا تعیین کنید که این تکنولوژی برای پروژه شما مناسب است.

حفره های فشرده چیست؟
سوراخ های فشرده سازی حفره های تخصصی PCB هستند که برای ایجاد یک اتصال امن با پین های قطعات از طریق فشرده سازی (همچنین به عنوان فشرده سازی مطبوعات نامیده می شود) طراحی شده اند. بر خلاف مفاصل جوش داده شده،که به فلز ذوب شده متکی هستند تا پین ها را به پد ها متصل کنند، سوراخ های فشرده شده از نیروی مکانیکی استفاده می کنند:

1قطر سوراخ کمی کوچکتر از پین جزء است (معمولاً با 0.02 × 0.1 میلی متر ، بسته به اندازه پین).
2هنگامی که پین وارد می شود (با نیروی کنترل شده) ، دیواره های سوراخ کمی تغییر شکل می دهند و یک مهر و موم محکم و گاز محکمی را در اطراف پین ایجاد می کنند.
3این تغییر شکل باعث تماس الکتریکی مداوم بین پین و پوشش مس PCB با مقاومت حداقل می شود.

نتیجه یک اتصال است که مقاومت در برابر ارتعاش، چرخه حرارتی، و تکرار جفت گیری / غیر جفت گیری چالش هایی که اغلب مفاصل جوش خورده را تخریب می کند.

چگونگی کار سوراخ های فشرده: اصول کلیدی
قابلیت اطمینان یک اتصال فشار-تکلیف به سه عامل حیاتی بستگی دارد:

1محدوده تداخل: تفاوت بین قطر پین و قطر سوراخ باید دقیق باشد (مداخلات). تداخل کم منجر به اتصال شل می شود (مقاومت بالا، خطر شکست).بیش از حد می تواند PCB را ترک کند یا به پین آسیب برساندمحدوده های تداخل معمول:
برای پین های کوچک (قطر 0.5 ∼1.0 میلی متر): 0.02 ∼0.05 میلی متر
برای پین های بزرگ (قطر 1.0-3،0 میلی متر): 0.05-0.10 میلی متر

2پوشش سوراخ: پوشش مس سوراخ (با ضخامت 2050μm) باید یکنواخت و انعطاف پذیر باشد تا بدون ترک در هنگام قرار دادن تغییر شکل دهد.زیرپوشیدن نیکل (5 ‰ 10μm) اغلب برای افزایش مقاومت در برابر لباس اضافه می شود.

3نیروی ورودی: نیروی کنترل شده (که در نیوتون اندازه گیری می شود) بدون آسیب رساندن به PCB ، نشستن مناسب را تضمین می کند. به عنوان مثال ، یک پین 1 میلی متر نیاز به نیروی ورودی 5 10 N دارد ، در حالی که یک پین 3 میلی متر ممکن است 20 30 N نیاز داشته باشد.

فرآیند تولید سوراخ های فشرده
تولید سوراخ های با کیفیت بالا از هر مرحله ای، از حفاری تا پوشش، نیاز به دقت دارد.
1طراحی و مهندسی
a. اندازه گیری سوراخ: نرم افزار CAD (به عنوان مثال ، Altium ، Mentor) قطر سوراخ را بر اساس اندازه پین ، مواد و کاربرد محاسبه می کند. تحمل ها برای اطمینان از تداخل مداوم (± 0.01mm) تنگ هستند.
ب. قرار دادن: سوراخ ها با دقت ± 0.02mm نسبت به رد پای قطعات قرار می گیرند، اطمینان حاصل می شود که پین ها در طول قرار دادن به درستی تنظیم می شوند.
c. انتخاب مواد PCB: زیربناهای سفت (FR-4 با Tg ≥150 °C) یا PCB های هسته فلزی به دلیل قدرت مکانیکی آنها ترجیح داده می شوند، اگرچه PCB های انعطاف پذیر می توانند با سوراخ های تقویت شده استفاده شوند.

2حفاری
حفاری دقیق: ماشین های حفاری CNC با قطعات کربید یا الماس، سوراخ هایی را با تحمل قطر تنگ (± 0.005mm) ایجاد می کنند. برای سوراخ های کوچک (< 1mm) ،برای جلوگیری از سوراخ کردن از طریق لیزر استفاده می شود..
b.Deburring: پس از حفاری، سوراخ ها برش یا به صورت شیمیایی حک شده اند تا از بین بردن burrs (برگی از مس تیز یا قطعات بستر) ، که می تواند در هنگام قرار دادن پین ها آسیب برساند یا باعث شارژ شود.

3. پوشش
a. از بین بردن لکه: یک درمان شیمیایی یا پلاسمایی رزین را از دیواره های سوراخ حذف می کند، اطمینان از چسبندگی مناسب فلز.
ب.پلاستی مس بدون الکترو: یک لایه نازک (510μm) از مس برای پوشش دیواره های سوراخ قرار می گیرد و پایه ای برای پوشش بعدی ایجاد می کند.
c. الکتروپلاستی: مس اضافی (15μ40μm) برای دستیابی به ضخامت کل مورد نیاز برای انعطاف پذیری و رسانایی الکتروپلاستی می شود. نیکل (5μ10μm) و طلا (0.1μ0.5μm) ممکن است برای مقاومت در برابر خوردگی در محیط های خشن اضافه شود..

4بازرسی و آزمایش
a. دستگاه اندازه گیری هماهنگ (CMM): قطر سوراخ، گردی و موقعیت را بررسی می کند تا اطمینان حاصل شود که آنها مشخصات طراحی را برآورده می کنند.
ب. تجزیه و تحلیل تقاطع: بازرسی میکروسکوپی از دیواره های سوراخ برای بررسی یکنواخت پوشش، ترک ها یا حفره ها.
c.تایید تست کشش: نمونه های PCB از آزمایشات ورودی پین و کشش برای تأیید قدرت اتصال (معمولاً نیروی کشش 10 ′′ 50N برای قابلیت اطمینان) استفاده می شود.

اتصال با فشار در مقابل اتصال با جوش: یک تجزیه و تحلیل مقایسه ای
سوراخ های فشرده و مفاصل جوشیده هر کدام دارای قدرت هستند که آنها را برای کاربردهای مختلف مناسب می کند:

مزایای اصلی سوراخ های فشرده
تکنولوژی press-fit چالش های حیاتی را در محیط های سخت حل می کند:
1مقاومت در برابر چرخه حرارتی
مفاصل جوش داده شده با گذشت زمان به دلیل عدم تطابق CTE (معادل گسترش حرارتی) بین پین ها، PCB ها و جوش دهنده تخریب می شوند. در مقابل، اتصال های مطبوعاتی،از طریق انعطاف پذیری خود، گسترش حرارتی را در اختیار دارند.در آزمایشات، سوراخ های فشرده شده بعد از 1000 چرخه از -40 درجه سانتیگراد تا 125 درجه سانتیگراد یکپارچگی را حفظ کردند، در حالی که مفاصل جوشیده شده بعد از 300 تا 500 چرخه ترک ها را نشان دادند.

2مقاومت در برابر لرزش و ضربه
در محیط های خودرو، هوافضا و صنعتی، لرزش (10 ‰ 2،000 هرتز) و شوک (تا 50G) می تواند مفاصل جوشیده را گشاده کند.سوراخ های فشرده سازی شده توسط تداخل مکانیکی باعث می شود که یک گرفت بر روی پین ها ایجاد شود که به این نیروهای مقاومت می کند، کاهش خرابی میدان با 50 ٪ در کاربردهای مستعد لرزش.

3. بازآفرینی و قابلیت تعمیر در میدان
برخلاف جوانه های جوشیده شده که برای کار مجدد نیاز به گرما و ابزارهای تخصصی دارند، می توان پین های فشار را بدون آسیب رساندن به PCB بارها و بارها برداشته و دوباره وارد کرد. این برای:

a.تعمیر تجهیزات زمینی (به عنوان مثال سنسورهای صنعتی، الکترونیک هوافضا).
ب.تولید نمونه اولیه و تولید حجم کم، که تغییرات طراحی رایج است.

4از بین بردن نقص های مربوط به جوش
سوراخ های فشرده از مشکلات ذاتی در جوش جلوگیری می کنند:

a. پل های پایش: خطر شارژ کوتاه ناشی از پایش بیش از حد وجود ندارد.
ب. مفاصل سرد: تداخل مکانیکی اطمینان از تماس مداوم را تضمین می کند، برخلاف مفاصل جوش داده شده که می توانند از رطوبت ضعیف رنج ببرند.
ج.باقی مانده های جریان: نیازی به تمیز کردن، کاهش مراحل فرآیند و خطرات آلودگی نیست.

کاربرد سوراخ های فشرده
سوراخ های فشرده سازی در صنایع که قابلیت اطمینان و دوام آنها قابل مذاکره نیست، برجسته هستند:
1الکترونیک خودرو
کاربرد: واحدهای کنترل موتور (ECU) ، کنترل کننده های گیرنده، سنسورهای ADAS.
چرا Press-Fit: مقاومت در برابر دمای زیر هود (-40 ° C تا 150 ° C) و لرزش از کار موتور. امکان تعمیرات زمینه ای از اجزای حیاتی.

2هوافضا و دفاع
برنامه های کاربردی: هواپیمایی (سیستم های ناوبری، رادیوهای ارتباطی) ، سیستم های هدایت موشک.
چرا Press-Fit: الزامات MIL-STD-883H را برای ارتعاش (20G) و شوک حرارتی (-55 ° C تا 125 ° C) برآورده می کند. در محیط های رطوبت بالا یا آب شور در برابر خوردگی مقاومت می کند.

3اتوماسیون صنعتی
کاربرد: PLC ها (کنترلرهای منطقی قابل برنامه ریزی) ، محرک های موتور، رباتیک.
چرا Press-Fit: در طول تعمیرات با جفت گیری و جدا کردن مکرر مقابله می کند و در برابر لرزش های کف کارخانه مقاومت می کند. زمان توقف برای تعمیرات را کاهش می دهد.

4دستگاه های پزشکی
کاربرد: تجهیزات تشخیصی (MRI، سونوگرافی) ، مانیتورهای پزشکی قابل حمل.
چرا Press-Fit: اتصال قابل اعتماد در دستگاه های حیاتی را تضمین می کند. امکان تعمیرات بی اثر بدون ابزار جوش می دهد.

طراحی بهترین شیوه ها برای سوراخ های فشرده
برای به حداکثر رساندن عملکرد فشار، این دستورالعمل ها را دنبال کنید:
1اندازه سوراخ و تحمل
استفاده از استانداردهای IPC-7251 برای محاسبه تداخل بر اساس مواد پین (برنج، مس، فولاد) و قطر.
برای اطمینان از تماس یکنواخت با پین، گردی سوراخ (± 0.005mm) را حفظ کنید.

2مشخصات پوشش
ضخامت پوشش مس: 20 ‰ 50μm (پوشش ضخیم تر انعطاف پذیری و مقاومت در برابر فرسایش را بهبود می بخشد).
برای محیط های خوردنی، یک پایان نیکل-طلای (5μm نیکل + 0.5μm طلا) برای جلوگیری از اکسیداسیون اضافه کنید.

3مواد PCB و ضخامت
انتخاب زیربناهای سخت با مقاومت مکانیکی بالا (FR-4 با Tg ≥170°C یا G10)
ضخامت PCB: 1.6 ∼ 3.2mm (بردهای نازک تر ممکن است در هنگام قرار دادن تغییر شکل دهند؛ لوح های ضخیم تر به پین های طولانی تر نیاز دارند).

4. انتخاب اجزا
از پین هایی با پروفایل صاف و استوانه ای استفاده کنید (از لبه های تیز که می توانند به پوشش سوراخ آسیب برسانند، اجتناب کنید).
پین ها باید از مواد انعطاف پذیر (برنج، آلیاژ مس) ساخته شوند که در هنگام قرار دادن کمی تغییر شکل می دهند و تماس را افزایش می دهند.

چالش ها و کاهش
در حالی که سوراخ های فشرده کننده مزایای قابل توجهی را ارائه می دهند، آنها نیاز به استفاده دقیق برای جلوگیری از مشکلات دارند:
1-تفاوت اندازه سوراخ
خطر: قطر سوراخ متناقض می تواند منجر به اتصالات شل یا بیش از حد تنگ شود.
کاهش: استفاده از کنترل فرآیند آماری (SPC) در هنگام حفاری و پوشش، با Cpk > 1.33 برای قطر سوراخ.

2. شکاف های پوشش
خطر: پوشش شکننده (به عنوان مثال، از طریق گرم کردن نادرست) می تواند در هنگام قرار دادن شکاف یابد و باعث مقاومت بالا شود.
کاهش: اطمینان حاصل کنید که پوشش مس برای افزایش انعطاف پذیری گرم می شود؛ از ضخامت بیش از حد پوشش (> 50μm) که انعطاف پذیری را کاهش می دهد اجتناب کنید.

3کنترل نیروی ورودی
خطر: نیروی بیش از حد می تواند PCB را ترک کند یا پین های خم شده را خم کند؛ نیروی ناکافی منجر به اتصال گسسته می شود.
کاهش فشار: استفاده از ابزارهای خودکار ورودی با نظارت بر نیروی (به عنوان مثال، پریس های سرو محرک) برای حفظ سطح دقیق نیروی.

گرایش های آینده در تکنولوژی پریس فیت
پیشرفت در تولید، قابلیت های فشرده سازی را گسترش می دهد:

حفره های کوچک برای فشرده سازی: حفره سازی لیزری حفره های فشرده سازی را برای پین های کوچک (قطر 0.3 × 0.5 میلی متر) امکان پذیر می کند و برنامه های کاربردی را در دستگاه های کوچک مانند دستگاه های پوشیدنی و سنسورهای IoT باز می کند.
سیستم های هوشمند فشار: سنسورهای یکپارچه شده در ابزارهای ورودی، نیروی و مقاومت تماس را در زمان واقعی کنترل می کنند و کنترل کیفیت 100٪ را تضمین می کنند.
c.پلاستی سازگار با محیط زیست: فرآیندهای پوشش بدون سرب و سازگار با RoHS (به عنوان مثال، آلیاژ های قلع و مس) جایگزین نیکل-طلای سنتی می شوند و تأثیرات زیست محیطی را کاهش می دهند.

نتیجه گیری
سوراخ های فشرده سازی جایگزین قوی برای اتصالات جوش داده شده در قابلیت اطمینان بالا، کاربردهای فشار بالا هستند. با استفاده از تولید دقیق و تداخل مکانیکی،اونا مقاومت بالاتري نسبت به ارتعاش دارن، چرخه حرارتی و قابلیت های بازکاری که آنها را در خودرو، هوافضا و الکترونیک صنعتی ضروری می کند.

در حالی که تکنولوژی پریس فیت هزینه های اولیه بالاتر و تحملات تنگ تر از جوشاندن را به همراه دارد، قابلیت اطمینان طولانی مدت و کاهش شکست های زمینه اغلب سرمایه گذاری را توجیه می کند.با پیشرفت تکنیک های تولیدی، سوراخ های فشرده سازی به گسترش برنامه های کاربردی جدید، از دستگاه های پزشکی کوچک تا سیستم های اتومبیل نسل بعدی ادامه خواهد داد.

نکته کلیدی: سوراخ های فشرده سازی بیش از یک روش اتصال هستند، آنها یک راه حل برای الکترونیک هستند که باید در شرایط شدید کار کنند، جایی که شکست یک گزینه نیست.