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Oct 21, 2023

Würth Elektronik ICS Inc. setzt auf mehrere Kniehebel- und Pneumatikpressen, um Stifte und Steckverbinder in Leiterplatten aller Größen und Formen einzupressen. Foto mit freundlicher Genehmigung von Würth Elektronik ICS Inc.

Ein Tier-1-Automobilhersteller nutzt die Einpresstechnik, um zwei Arten von Leiterplattengehäusen zusammenzubauen und zu testen. Einer verfügt über einen eingegossenen 16-poligen Stecker; der andere verfügt über zwei 16-polige Anschlüsse. Foto mit freundlicher Genehmigung von Schmidt Technology Corp.

Einpressstifte bestehen aus einer Kupferlegierung und sind in verschiedenen Stärken und Breiten erhältlich. Foto mit freundlicher Genehmigung von Autosplice Inc.

Ein weit verbreitetes Missverständnis über die Fertigung (insbesondere in der breiten Öffentlichkeit) ist, dass es dort an Innovationen mangelt. Tatsache ist, dass ständig neue Montagetechnologien entwickelt und auf den Markt gebracht werden. Manchmal muss eine Innovation jedoch modifiziert werden, um zum Mainstream zu werden.

Dies ist bei der Bestückung von Leiterplatten (PCB) der Fall. Von Anfang der 1940er bis Anfang der 1990er Jahre wurden fast alle Leiterplattenkomponenten mit einer von drei Methoden befestigt: Punkt-zu-Punkt-Löten, Wellenlöten oder Reflow-Löten.

Nur wenige Komponenten wurden mithilfe der Einpresstechnik zusammengefügt. Bei dieser lötfreien Methode, die Ende der 1970er Jahre von der Telekommunikationsbranche entwickelt wurde, werden Kupferlegierungsstifte (separat oder vorgeformt in Kunststoffstecker) in Durchgangslöcher gepresst, um eine gasdichte, elektromechanische Verbindung herzustellen.

In anderen Branchen stieß die Methode auf wenig Interesse, da die zunächst verwendeten massiven Einpressstifte die Durchgangslöcher verformten und Mikrorisse in den Platinen verursachten. Das änderte sich Ende der 1990er Jahre mit der Entwicklung nachgiebiger Einpressstifte, der Beschichtung von Durchgangslöchern und der Einführung servoelektrischer Pressen, die eine präzise Steuerung des Einsteckvorgangs ermöglichten.

„Automobilzulieferer von Kombiinstrumenten und unkritischen Schalterbaugruppen haben vor mehr als zehn Jahren erstmals mit der Einpresstechnologie begonnen“, bemerkt Joe Lynch, Direktor von Interplex Industries Inc. Als diese Zulieferer mit der Zuverlässigkeit vertrauter wurden, setzten sie später die Einpresstechnologie ein für wichtigere Funktionen wie Airbag-Sensoren und Crash-Erkennungskontrollsysteme. Mittlerweile ist die Methode weit verbreitet, weil sie auch Wiederholbarkeit und einfache Montage bietet.“

In den letzten Jahren hat ein Tier-1-Unternehmen der Automobilindustrie die Einpresstechnik eingesetzt, um zwei Arten von Leiterplattengehäusen zusammenzubauen und zu testen. Ein Gehäuse verfügt über einen eingegossenen 16-Pin-Stecker mit vier Power-Pins. Das andere Gehäuse verfügt über zwei 16-Pin-Anschlüsse und vier Power-Pins.

Der Zusammenbau und die Prüfung erfolgen in einer halbautomatischen Arbeitsstation der Firma Schmidt Technology Corp. Ein Arbeiter legt eines der Gehäuse (mit der Leiterplatte oben) auf einen Schiebetisch, der das Gehäuse in eine Nestvorrichtung überführt. Die Leiterplatte ist so positioniert, dass die Stifte des Steckverbinders richtig mit den Durchgangslöchern ausgerichtet sind.

Zu Beginn des Zyklus macht eine Kamera ein Bild des Gehäuses und der Leiterplatte, und ein Scanner liest den Barcode der Leiterplatte. Wenn die Komponenten nicht kompatibel sind, erscheint auf einem HMI die Meldung „nicht OK“ und die Vorrichtung legt das Gehäuse wieder auf den Schiebetisch zurück. Wenn die Komponenten kompatibel sind, wird das Gehäuse in eine 420 ServoPress geladen und deren Stößel drückt die Leiterplatte in 1,5 Sekunden auf die Pins.

Nach der Montage führt die Kamera eine Pin-Höhenprüfung durch, um die Genauigkeit auf 0,003 Zoll genau zu überprüfen. Das fertige Gehäuse wird dann zu einem Entladeort transportiert. Die Gesamtzykluszeit beträgt 12 Sekunden. Das Scannen von Barcodes ermöglicht eine vollständige Rückverfolgbarkeit des Produkts.

„Gemäß der Norm IEC1709 sind Einpressverbindungen mindestens zehnmal zuverlässiger als Lötverbindungen“, behauptet Glenn Nausley, Präsident von Promess Inc. „Durch die Verwendung von Einpressverbindungen anstelle von Lötverbindungen eliminieren Hersteller thermische Belastungen auf der Platine. Hitzeentwicklung an empfindlichen Bauteilen, kalte Lötstellen und Kurzschlüsse durch Lötbrücken.“

Die Press-Fit-Technologie bietet viele weitere Vorteile gegenüber Pin-Through-Paste und Selektivlöten. Zunächst einmal ist Lot jetzt bleifrei und muss bei hohen Temperaturen aufgeschmolzen werden, was zu Schäden an den Anschlüssen und der Platine führen kann.

Die Einpressmontage lässt sich leicht automatisieren, während sekundäre Lötprozesse oft manuell durchgeführt werden und langsam, teuer und ohne Qualitätskontrolle sind. Außerdem entfallen alle beim Löten benötigten Dämpfe, Gase oder Reinigungsflüssigkeiten, die häufig die Kontaktsicherheit beeinträchtigen.

Lynch weist darauf hin, dass nachgiebige Einpressstifte eine direkte Kontaktverbindung ohne Metallfüller oder Hohlräume in der Verbindung ermöglichen. Die Nachgiebigkeit der Stifte sorgt außerdem für eine gewisse vorteilhafte Flexibilität, einschließlich einer leichten Bewegung, um Umgebungen mit starken Vibrationen und Temperaturschwankungen auszugleichen.

Einpressstifte bestehen aus einer Kupferlegierung und jeder Stift trägt drei bis 50 Ampere. Ursprünglich waren die Stifte massiv und hatten einen rechteckigen Querschnitt, der das Durchgangsloch beim Einsetzen verformte. Um das Problem zu bekämpfen, haben Zulieferer nachgiebige Stifte entwickelt, die mehrere Tausendstel Zoll größer sind als der Durchmesser des PCB-Lochs, sich aber beim Einsetzen zusammendrücken.

Nach dem Einführen dehnt sich der Stift aus und drückt gegen die starren Seiten des Lochs, um eine gasdichte Verbindung zu bilden. Darüber hinaus erzeugt der hohe lokale Druck der Verbindung einen Kaltschweißeffekt, der für mechanische und elektrische Integrität sorgt.

Das beliebteste nachgiebige Stiftdesign ist das „Nadelöhr“, das auf jeder Seite flexible Balken aufweist. Weitere konforme Designs sind der Kaiserschnitt und der Aktionsstift. Stifte mit Kaiserschnitt sind halbmondförmig und verjüngt, sodass sie sich ausdehnen oder zusammenziehen, um den Umfang des Durchgangslochs zu berühren. Aktionsstifte verfügen über ein Split-Beam-Design.

Die nachgiebigen Stifte verhindern nicht nur Schäden an der Leiterplatte, sondern bieten auch eine Federkraft zum Halten und ermöglichen die Reparatur von Steckverbindern. Sie erfordern außerdem eine geringere Einsteckkraft als Vollstifte und ermöglichen mehrere Einpresszyklen. Aufgrund dieser Vorteile werden im Allgemeinen nachgiebige Stifte bevorzugt.

Bei bestimmten Hochtemperaturanwendungen (über 125 °C) müssen Einpressstifte für zusätzliche Haltbarkeit plattiert werden. In der Regel ist eine Verzinnung oder stromlose Vernickelung ausreichend. Allerdings sollte die Dose so dünn wie möglich gehalten werden (1 Mikrometer), damit sie beim Einsetzen der Stifte nicht abkratzt.

„Die gängigsten Stiftstärken sind 0,64 und 0,81 Millimeter, damit sie in 1,016- bzw. 1,486-Millimeter-Löcher passen“, erklärt Lynch. „Zu den Faktoren, die die richtige Dicke bestimmen, gehören der Abstand oder die Dichte der Stifte innerhalb eines Steckverbinders sowie die Anforderungen an die Stiftstärke und die Stromführung. Beispielsweise erfordern Anwendungen, bei denen eine hohe mechanische Festigkeit oder Leistung im Vordergrund steht, wie etwa Hybridautos, unsere Makrostifte (1). und 1,2 Millimeter dick). Aber Teile, die Leiterplatten zur schnellen Datenübertragung benötigen, sind mit unseren Micro- oder Mini-Pins (0,2 bis 0,4 Millimeter dick) besser aufgehoben.“

Mikro-Pins wurden speziell für die Anforderungen der Mikro-Wearable-Technologie entwickelt, darunter Smartwatches, Armbandmonitore und vernetzte Brillen. Mikro- und Mini-Pins lassen sich problemlos in Sensoren, LEDs und andere Spezialmodule integrieren, die in mobilen medizinischen Überwachungsgeräten verwendet werden. Die Macro-Serie ist für industrielle Sammelschienen und andere Hochstromprodukte mit großen Kühlkörpern, mehreren internen Substraten und komplexen Steuerschaltkreisen vorgesehen.

Laut Frederick W. Grabau, VP, sind die Einpressstifte von Autosplice Inc. in zwei Stärken (0,64 und 0,81 Millimeter) und acht Breiten (0,64, 1, 1,5, 1,8, 2,8, 6, 6,3 und 9,5 Millimeter) erhältlich. globale Geschäftsentwicklung für Autosplice. Die Einsteck- und Haltekräfte für den 0,64-Millimeter-Stift betragen 59,6 und 46,7 Newton. Für den 0,81-Pin sind es 132,1 und 88,1 Newton.

Die Betriebstemperatur aller Pins beträgt -40 bis 125 °C und sie halten 1.008 Stunden lang 125 °C stand. Für die Verbindung senkrechter Leiterplatten sind auch rechtwinklige Stifte (ein- und zweireihig) erhältlich. Alle Produkte werden mit bleifreier RoHS-Beschichtung angeboten.

Die Steckverbinder sind aus robustem Kunststoff geformt und verfügen über eine große Auswahl an Stiften. Sie können nur drei Pins und bis zu 256 Pins enthalten.

Der Trend geht dahin, dass die Dichte zunimmt und strengere Anforderungen gelten, wenn sie in rauen Umgebungen eingesetzt werden. Da die Anforderungen an die Datenübertragungsgeschwindigkeit steigen, müssen die Differenzsignal-, Strom- und elektrostatische Entladungserdung enger in den Steckverbinder integriert werden.

Laut Lynch hat Interplex kürzlich einen einzigartigen Steckverbinder für einen Automobilzulieferer entwickelt. Der Stecker ist 1,2 Zoll breit und verfügt über 120 Stifte, die jeweils um 90 Grad gebogen und 1,6 Zoll lang sind.

Das Einpressen eines Steckverbinders in eine Leiterplatte ist ein einfacher Vorgang, der manuell, halbautomatisch oder vollautomatisch erfolgen kann. Nachdem die Leiterplatte befestigt und der Steckverbinder darauf positioniert und ausgerichtet ist (oder umgekehrt), wird die Presse aktiviert. Es kann jede Art von Presse (Kniehebelpresse, hydraulisch, pneumatisch und servoelektrisch) verwendet werden, sofern sie über die richtigen Werkzeuge verfügt und ihr Stößel die erforderliche Kraft überträgt.

Das Einsetzen von Stiften (einer oder mehrerer) ist ebenfalls einfach und kann manuell, halbautomatisch oder vollautomatisch erfolgen. Beim manuellen und halbautomatischen Einsetzen müssen die Stifte in den richtigen Löchern positioniert und mit einem Stützstück (normalerweise aus UHMW-Polyethylen) gesichert werden, das die Leiterplatte nicht beschädigt. Stifte können auch in federbelastete obere Werkzeuge eingesetzt werden, die sie beim Einsetzen freigeben.

Das vollautomatische Einsetzen erfolgt mit einer Heftmaschine wie der LZ-Insert-2M von Lazpiur, die jeden Stift mit hoher Lautstärke (bis zu sechs pro Sekunde) in ein Durchgangsloch drückt. Ein Messgerät unterhalb der Leiterplatte überprüft die richtige Einsteckkraft für jeden Stift und stellt sicher, dass er leicht aus dem Boden der Durchgangsbohrung herausragt. Das richtige Design der Platine sorgt für Spielraum für die Vorsprünge, sodass die Leistung nicht beeinträchtigt wird.

Würth Elektronik ICS Inc. setzt in seinem Werk in Dayton, OH, auf mehrere Kniehebel- und Pneumatikpressen von BalTec Corp., um Einpressstifte und Steckverbinder einzusetzen. Dort montieren Arbeiter mit Pressen mit Kräften von bis zu 56 Kilonewton Leiterplatten aller Größen und Formen für landwirtschaftliche Geräte, Feuerwehrautos, Golfwagen und Reisebusse.

Chuck Rupprecht, Vizepräsident und General Manager von BalTec, sagt, dass die VK- und L-VK-Serien des Unternehmens häufig für die Leiterplattenbestückung in kleinen Stückzahlen verwendet werden. Die Kniehebelpressen bieten Kraftkapazitäten von 5 bis 12 Kilonewton. Sie verfügen außerdem über einen quadratischen Stößel, um eine Drehung zu verhindern.

Steckverbinderlieferanten geben häufig für jeden ihrer Stifttypen oder Steckverbinder Ober- und Unterwerkzeuge an. Die meisten Steckverbinder, einschließlich rechtwinkliger Modelle, können mit flachen Werkzeugen auf der Oberseite eingesetzt werden. Das untere Werkzeug stützt die Leiterplatte beim Pressen.

Einige Lieferanten stellen Steckverbinder mit Löchern an der Oberseite her, durch die die Stiftoberseiten freiliegen. Werkzeugvorsprünge passen in diese oberen Löcher, um mit dem Stecker zu verriegeln und sicherzustellen, dass beim Pressen auf jeden Stift die gleiche Einsteckkraft ausgeübt wird.

Um eine Verformung der Platine zu verhindern, sollte beim Verpressen ein Abstand von 0,5 bis 1 Millimeter zwischen Leiterplatte und Steckerunterseite eingehalten werden. Das Kunststoffgehäuse des Steckverbinders muss außerdem stabil genug sein, um der Presskraft standzuhalten.

„Stellen Sie immer sicher, dass die Presse genügend Kraft für die Anwendung aufbringen kann“, empfiehlt Rupprecht. „Nehmen wir an, dass für jeden Stift nur ein paar Pfund Einsteckkraft erforderlich sind. Wenn sich jedoch mehr als 100 Stifte in einem Steckverbinder befinden, sind wahrscheinlich etwa 500 Pfund Kraft erforderlich. Und wenn die Anwendung das gleichzeitige Einstecken mehrerer Steckverbinder erfordert.“ , benötigen Sie möglicherweise eine Presse mit 1.000 oder 2.000 Pfund Kraft.“

Ebenso wichtig ist es laut Nausley, sicherzustellen, dass der Steckverbinder und die Platine zunächst richtig ineinandergreifen. Andernfalls ist eine gute Einfügung unmöglich.

„Viele Dinge können ein ordnungsgemäßes Einrasten verhindern, darunter ein leicht verbogener Stift, die Verwendung des falschen Steckers, unvollständig geformte Löcher und eine Maschinenstörung, die zu einer falschen Ausrichtung führt“, sagt Nausley. „Wenn es zu einem unsachgemäßen Einrasten kommt, beschädigt die Presse normalerweise den Stecker und die Platine bis zu dem Punkt, dass sie unbrauchbar werden.“

Um dieses Problem zu verhindern, hat Promess den Digital Signal Conditioner (DSC) für seine elektromechanische Presse entwickelt. Der DSC verfügt über einen integrierten Linearisierungsalgorithmus, der die anfängliche Eingriffskraft genau misst. Laut Nausley stellt der Algorithmus in Verbindung mit der Positionierungssteuerung mit geschlossenem Regelkreis sicher, dass die Presse mitten im Zyklus stoppt, wenn sie ein Problem erkennt.

Die meisten Leiterplattenhersteller verlassen sich auch auf eine Art Überwachung des Einpressprozesses, um eine qualitativ hochwertige Montage sicherzustellen. Einfache Kraftmessdosen können an eine manuelle Presse angeschlossen werden, um die Einpresskraft zu messen und aufzuzeichnen. Halb- und vollautomatische Geräte sind in der Lage, mehrere Variablen für Platine und Stecker zu dokumentieren und als Kraft-Weg-Diagramm darzustellen.

„Über die Überwachung der Presskraft hinaus ist eine Sekundärinspektion erforderlich“, behauptet Dave Zabrosky, Vertriebsleiter bei Schmidt. „Diese Inspektion kann durch einen einfachen Pogo-Schalter eingeleitet werden, der in das obere oder untere Werkzeug integriert ist.“

Laut Zabrosky sind die ServoPress- und ElectricPress-Serien programmierbar und in der Lage, das Vorhandensein von Pins vor und nach dem Pressen, die Höhe aller Pins relativ zueinander, die Ebenheit der Leiterplatte und die Höhe der Platine relativ zum Leiterplattengehäuse zu überprüfen.

Jim ist leitender Redakteur von ASSEMBLY und verfügt über mehr als 30 Jahre redaktionelle Erfahrung. Bevor er zu ASSEMBLY kam, war Camillo Herausgeber von PM Engineer, Association for Facilities Engineering Journal und Milling Journal. Jim hat einen Abschluss in Englisch von der DePaul University.