Обман метода press-fit: Почему ваши задние платы выходят из строя и как это исправить

Высокоплотная плата — это нервная система сложного оборудования. Когда одна выходит из строя на месте, последствия могут быть катастрофическими, приводя к дорогостоящему простою, ремонту и потере доверия клиентов. Мы наблюдаем настойчивую тревожную тенденцию появления этих сбоев, исходящих из того, что должно быть очень надежным компонентом: соединителя с пресс-фитом. Но сами соединители редко являются причиной. Проблема заключается в фундаментальном неправильном понимании всей системы пресс-фитинга, скрытой под маской косметического согласия.

Надежность пресс-фита — не искусство, а жестокая наука силы и трения. Успешное соединение — это результат строго контролируемой системы, в которой покрытое сквозное отверстие на плате и подпружиненный штырь соединителя рассматриваются как единое, точное механически спроектированное сборка. Слишком много конструкций оставляют это на волю случая, создавая соединения, которые проходят визуальную проверку, но являются тайными бомбами замедленного действия. В Bester PCBA мы проектируем для уверенности. Для этого требуется смена мышления — от надежды на хороший контакт к требованию его.

Олщущение хорошего контакта

Самое опасное соединение с пресс-фитом — это то, которое выглядит идеально. Штырь, вставленный вплотную к плате, создает ложное ощущение безопасности, иллюзию, зачастую усугубляемую глубоко проблемной практикой: нанесением косметического припоя на свободный штырь, чтобы "затянуть" его.

Добавление припоя к штырю с пресс-фитом — это не ремонт, а признание неудачи. Это не создает прочного, герметичного соединения на 360 градусов, на которое рассчитана технология. Вместо этого оно образует хрупкий, ненадежный электрический мост, скрывающий причину — неправильно сформированное отверстие. Припой маскирует отсутствие необходимой силы удержания, создавая скрытый дефект, который обязательно выйдет из строя при тепловом циклировании, вибрации и механическом напряжении. Соединение с пресс-фитом либо соответствует установленным спецификациям и обеспечивает необходимое механическое удержание, либо считается дефектом. Среднего варианта нет.

Физика постоянного герметичного соединения

Чтобы понять, почему неудаются обходы, нужно ценить элегантность правильного соединения с пресс-фитом. "Податливая" часть штыря — это точечная пружина. Когда она вставляется в правильно подобранное покрытое сквозное отверстие (PTH), эта часть деформируется эластично, создавая мощное, непрерывное радиальное усилие против корпуса отверстия.

Это постоянное усилие создает герметичный шов. В нескольких точках контакта давление между штырем и медным корпусом так высоко, что окись и другие коррозионные агенты не могут проникнуть в интерфейс. Это соединение холодной сварки обеспечивает устойчивый, низко- сопротивляющийся путь для электроэнергии на весь срок службы продукта. Вся система зависит от двух критических сил: силы вставки, необходимой для установки штыря, и силы удержания, которая держит его на месте. Оба они являются прямым следствием зазора между штырем и отверстием. Если этот зазор неправильный, вся система рушится, и точка отказа почти всегда одна и та же: сквозное покрытое отверстие.

Беспощадное сердце системы: покрытое сквозное отверстие

Каждая переменная в системе пресс-фитинга сходится к сквозному покрытому отверстию. Штырь соединителя является известной постоянной, изготовленной с очень точными допусками. Однако PTH — это результат множества очень переменчивых производственных процессов, особенно на толстых платах с разным весом меди.

Почему «Размер окончательного отверстия» — опасное упрощение

Дизайнеры часто указывают «размер окончательного отверстия» с допуском и считают работу завершённой. Это критическая ошибка. Этот конечный размер — это результат сверленного отверстия, которое впоследствии покрыто медью. На толстой плате добиться однородного слоя медного покрытия в отверстии с высоким аспектным отношением чрезвычайно сложно. Решение для гальванопокрытия течет менее свободно в середине, часто образуя форму бочки или песочных часов, где диаметр неоднороден вдоль оси Z. Проверка калибром может пройти, но фактическая контактная площадь и радиальная сила будут значительно варьироваться, что ухудшает соединение.

Ключевая роль толщины и однородности гальванопокрытия

Это подводит нас к фактору, который чаще всего игнорируют в спецификациях плат: толщине медного покрытия внутри отверстия. Толщина и однородность покрытия прямо определяют конечный диаметр отверстия, качество поверхности и структурную целостность трубки, которая должна выдерживать высокую силу вставки. Неравномерное покрытие, часто вызываемое несоответствиями в распределении меди по плате, приводит к неоднородности диаметров отверстий. Это основная причина непоследовательных сил вставки и удержания.

На PCBA Bester наш подход — выход за рамки абсолютных стандартов. Мы требуем, чтобы процесс гальванопокрытия был четко определен и контролируем, чтобы создать отверстие, соответствующее числам удерживающей силы, указанным в техническом паспорте разъема. Мы работаем с производителями, чтобы подтвердить их процесс не только по размеру отверстия, но и по фактическим механическим характеристикам конечной сборки. Спецификация должна основываться на физических принципах.

Неконкурентные правила проектирования для надежности пресса-фи

Надежная система пресс-фитинга начинается на холсте дизайнера. Макет платы должен выполняться с явной целью создания стабильной и однородной среды для каждого покрытого сквозного отверстия.

Термические рельефы — враг надежности пресс-фитинга. Они создают пустоты в медной плоскости, что позволяет стенке отверстия изгибаться и деформироваться при высокой силы вставки, уменьшая критическую радиальную силу. И что еще важнее, эти прерывания вызывают неравномерное распределение тепла во время гальванопокрытия, что прямо способствует возникновению неоднородного нанесения меди. Все контакты пресс-фитинга должны иметь твердое, прямое соединение с медными плоскостями. Область вокруг отверстия должна быть максимально механически стабильной, что предполагает использование сплошных медных заборов на всех соединительных слоях. Это обеспечивает жесткую основу для трубки PTH, гарантирует, что сила вставки деформирует уступчивый штифт, а не саму плату, и способствует более равномерному току во время гальваники.

Проверка, а не легкомысленное предположение

Качество нельзя инспектировать извне. Надежный процесс пресс-фитинга основывается на контроле и подтверждении, а не на визуальных проверках и надежде. Когда дизайн правильный, акцент должен сместиться на обеспечение последовательного производства заданного результата.

Мониторинг силы в процессе

Лучший показатель успешного соединения пресс-фитингом — профиль силы вставки. Оборудование для прессования должно отслеживать и регистрировать силу, необходимую для установки каждого штифта. Эти данные, сравниваемые с пределами, указанными в техническом паспорте разъема, обеспечивают мгновенную обратную связь о прохождении/неудаче. Штифт, устанавливающийся с слишком небольшой силой, имеет свободную посадку и выйдет из строя. Штифт, требующий чрезмерной силы, мог повредить трубку PTH. Эти данные — первая линия защиты от сдвига процесса.

Лучшее доказательство: микросекторный анализ

Во время проверки процесса и для периодических контрольных проверок нельзя заменить разрушительные испытания. Микросрез соединения типа press-fit показывает абсолютную правду. Он позволяет визуализировать деформацию compliant-выжима, целостность PTH-оболочки и качество контактных точек. Это окончательное, неоспоримое доказательство того, что ваш дизайн, материалы и процессы были объединены для создания прочных, герметичных соединений, необходимых для долгосрочной надежности.

От спецификации к реальности: сотрудничество с вашим изготовителем

Требования к спецификациям для по-настоящему надежной системы press-fit являются высокими и требуют партнера по производству PCB с передовыми возможностями и глубоким пониманием процесса. Просто отправка чертежа с высокой точностью отверстий на самого дешевого поставщика — это рецептура катастрофы.

Успех требует партнерства. Это включает в себя ясное общение не только об спецификациях, но и о намерениях стороне них. Это означает обсуждение процессов покрытий, способности контролировать однородность высокоаспектных отверстий и методов их проверки. Способный партнер приветствует такое техническое взаимодействие; менее способный будет сопротивляться. Именно поэтому мы настаиваем на управлении этим критическим интерфейсом для наших клиентов — чтобы обеспечить понимание рисков изготовителем и наличие процедур контроля процесса для поставки платы, которая соответствует механическим, а не только размерным, требованиям. Надежность вашей шины зависит от этого.