«Призрачный» сбой: почему пресс-фит коннекторы выходят из строя после выхода с завода

Вы видели отчет. Данные производственной линии показывают зеленый цвет по всем показателям. Каждая кривая силы вставки была в пределах спецификации. Проверки удержания в конце линии требовали стандартных 30 ньютонов для выталкивания штифта. Менеджер по контролю качества подписал акт, поддоны были обернуты, и контейнер покинул док. Однако через три месяца количество возвратов с поля растет. Клиенты сообщают о прерывистых потерях питания, сбросах датчиков или разъемах, которые физически вышли из платы.

Это «призрачный» сбой в мире соединителей. Это сводит с ума, потому что в момент сборки продукт был идеален. В техническом паспорте было указано, что штифт подходит к отверстию. Машина для вставки подтвердила, что сила была номинальной. Но физика не останавливается, когда коробка заклеена. Если вы полагаетесь на проверку при комнатной температуре, чтобы предсказать поведение упругого штифта в течение пяти лет термического цикла, вы не тестируете надежность; вы испытываете удачу. Механизм отказа — не вставка. Это невидимая война между штифтом, медной втулкой и неумолимым расширением и сжатием материалов во время транспортировки и эксплуатации.

Физика отпускания

Чтобы понять, почему штифт выпадает, забудьте о трении. Думайте о запасенной энергии. Соединение с натягом работает, потому что вы заставили упругую пружину (штифт) войти в жесткую втулку (покрытое отверстие). Штифт сжимается, накапливая потенциальную энергию. Эта энергия давит на медные стенки, создавая «нормальную силу», которая генерирует трение и герметичное электрическое соединение. В первый день эта сила на пике. Металл упругий, медь свежая, и захват плотный.

Но металл — это не статичное твердое тело; он течет. Со временем, под высоким напряжением и температурой, атомная структура медного штифта и покрытия платы начинает перестраиваться, чтобы снять внутреннее напряжение. Это релаксация напряжений. Представьте партию промышленных контроллеров, отправленных морским транспортом из влажного лета на Тайване в склад в Дубае. Внутри контейнера температура легко колеблется от 20°C ночью до 60°C и выше днем. В течение четырех недель этот разъем «запекается».

При 60°C процесс релаксации ускоряется. Медный сплав штифта (особенно если это более низкий сорт, например латунь, а не высокопроизводительная фосфорная бронза или бериллиевая медь) начинает деформироваться. Он фактически «забывает» свою исходную форму и расслабляется в сжатую. Когда устройство наконец остывает, штифт не возвращается с той же силой. Нормальная сила — единственное, что удерживает разъем на месте при вибрациях — снижается. Возможно, вы начинали с 40 ньютонов удержания, но после месяца в «печи транспортного контейнера» осталось 15 ньютонов. Трение исчезло, и при первом падении поддона вилочным погрузчиком инерция тяжелого кабельного жгута вырывает разъем.

Однако не все движения — это отказ. Вы можете покачать пластиковый корпус и почувствовать легкое «качание». Это часто вызывает панику у контроля качества, но корпус не является механизмом удержания; интерфейс штифт-отверстие — да. Пластиковый корпус плавает; штифты должны быть закреплены. Однако если это качание приводит к движению самих штифтов внутри покрытого отверстия, герметичное соединение нарушается. Начинается окисление, сопротивление резко возрастает, и начинаются прерывистые отказы.

Холодная война: несоответствие коэффициентов теплового расширения (CTE)

Если тепло расслабляет пружину, холод ломает замок. Второй невидимый враг — коэффициент теплового расширения (CTE). Каждый материал расширяется и сжимается с разной скоростью. FR4 стеклотекстолит вашей платы имеет CTE примерно 14-17 ppm/°C по оси Z. Пластик корпуса разъема из PBT или нейлона имеет CTE в три-четыре раза выше.

Представьте приборную панель в автомобиле, припаркованном на улице в скандинавскую зиму. Температура падает до -30°C. Пластиковый корпус разъема сильно сжимается. Плата тоже сжимается, но гораздо меньше. Пластиковый корпус сокращается, тянет штифты. Поскольку штифты закреплены в плате, это создает огромную сдвиговую нагрузку. Корпус буквально пытается сдвинуть штифты вбок или вытащить их из отверстий.

В хорошо спроектированной системе упругая зона штифта поглощает это напряжение. Он гнется. Но если штифт слишком жесткий или сила удержания уже ослаблена релаксацией напряжений, побеждает корпус. Он выталкивает штифты из отверстий. Именно поэтому на возвратах с поля часто видны разъемы с «наклоном». Они не были такими изначально. Их постепенно выдавливали из положения миллиметр за миллиметром с каждым термическим циклом нагрева и охлаждения двигателя.

Невидимая переменная: отверстие

Инженеры одержимы штифтом. Они спорят о сплаве — C7025 против C5191 — и геометрии «игольного ушка». Но редко внимательно изучают отверстие. Во многих случаях штифт в порядке, но плата была обречена с самого начала.

Требования к отверстию для пресс-фита невероятно строгие — допуски +/- 0,05 мм по размеру готового отверстия. Но более критичной, чем диаметр, является целостность покрытия. Стандартная плата IPC-6012 класса 2 может требовать в среднем 20 микрон меди в стенке отверстия. Но покрытие никогда не бывает равномерным. В «колене» отверстия — углу, где стенка отверстия встречается с поверхностью — покрытие может быть тоньше из-за распределения плотности тока во время производства.

Если поставщик печатных плат слишком быстро пропускает ванну для нанесения покрытия, чтобы сэкономить деньги, возникает эффект «собачьей кости», когда медь толстая на концах и тонкая посередине, или хрупкая медь, которая трескается под нагрузкой. Когда вы вдавливаете пресс-фит пин в отверстие с хрупким или тонким покрытием, упругая часть не просто сжимается; она срывает медь со стеклотекстолитовой стенки. Вы разрушаете механическую целостность анкера еще до того, как изделие покинет завод. Пин сначала кажется тугим, потому что он зажат в стекловолокне, но стекло под давлением течет (ползет) гораздо быстрее, чем металл. Дайте несколько недель вибраций, и этот пин начнет болтаться.

Ложные исправления и опасные пластыри

Когда производство обнаруживает, что партия разъемов ослаблена, инстинкт — исправить это на ходу. Самый распространенный и опасный вопрос: «Можем ли мы просто припаять эти пресс-фит пины, чтобы удержать их?»

Это «паяльный пластырь», и обычно он только усугубляет ситуацию. Пресс-фит пины — это прецизионные пружины. Они зависят от закалки металла, чтобы поддерживать накопленную энергию, о которой мы говорили. Если подвергнуть эту пружину теплу волновой пайки (260°C и выше), металл отжигается. Вы размягчаете пружину. Возможно, появится припой снизу, но вы уничтожаете внутреннее напряжение, создающее газонепроницаемое уплотнение внутри стенки отверстия. Более того, флюс из процесса пайки может проникнуть в контактную область, вызывая коррозию позже. Если пин не специально разработан как «гибридный» (что редко), держите его подальше от волны пайки.

Второй распространенный отчаянный шаг — переделка. «Оператор не до конца посадил пин. Можно ли выдавить его и вставить новый?» Ответ почти всегда — нет. Пресс-фит соединение — это однократное металлургическое событие. Первое вставление пластически деформирует медь в отверстии. Оно упрочняет стенку. Если вставить новый пин в то же отверстие, сила удержания будет на 40-50% ниже, чем в первый раз. Медь больше не имеет «запаса»; она треснет или не удержит пин. Если у вас нет доступа к увеличенным «ремонтным пинам» (что является логистическим кошмаром для хранения), неудачная вставка обычно означает списание платы.

Валидация, которая действительно предсказывает отказ

Нельзя полагаться на технический паспорт. Спецификации силы удержания поставщика основаны на идеальных отверстиях, просверленных в лаборатории, а не на массово производимых платах, которые вы действительно покупаете.

Чтобы предотвратить эти отказы в полевых условиях, необходимо валидировать систему, а не только компонент. Это означает взять ваш конкретный разъем и вашу конкретную печатную плату (из вашего реального производства, а не из прототипной мастерской) и подвергнуть их термическому шоку и вибрации. Прогонять сборку от -40°C до 105°C (или в вашем рабочем диапазоне) в течение 500 или 1000 циклов. Только после этого измерять силу удержания.

Если пин вынимается с меньшей силой, чем вес подключенного к нему кабельного жгута, у вас проблема. Неважно, что на производственной линии для вынимания требовалось 50 ньютонов. Если после месяца термоциклирования для вынимания требуется 2 ньютона, ваш продукт — это бомба замедленного действия. Физика непобедима; не ставьте на кон свою репутацию.