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Oct 21, 2023

Würth Elektronik ICS Inc. s'appuie sur plusieurs presses à bascule et pneumatiques pour insérer des broches et des connecteurs dans des circuits imprimés de toutes tailles et formes. Photo publiée avec l'aimable autorisation de Würth Elektronik ICS Inc.

Un Tier 1 automobile utilise la technologie press-fit pour assembler et tester deux types de boîtiers de circuits imprimés. L'un comporte un connecteur moulé à 16 broches ; l'autre a deux connecteurs à 16 broches. Photo publiée avec l'aimable autorisation de Schmidt Technology Corp.

Fabriquées en alliage de cuivre, les broches à emboîtement sont disponibles en différentes épaisseurs et largeurs. Photo avec l'aimable autorisation d'Autosplice Inc.

Une idée fausse courante à propos de la fabrication (en particulier parmi le grand public) est qu'elle est dépourvue d'innovation. Le fait est que de nouvelles technologies d'assemblage sont constamment développées et introduites sur le marché. Parfois, cependant, une innovation doit être modifiée pour devenir courante.

Tel est le cas pour l'assemblage de cartes de circuits imprimés (PCB). Du début des années 1940 au début des années 1990, presque tous les composants de PCB étaient attachés avec l'une des trois méthodes suivantes : soudure point à point, soudure à la vague ou soudure par refusion.

Peu de composants ont été assemblés à l'aide de la technologie press-fit. Développée par l'industrie des télécommunications à la fin des années 1970, cette méthode sans soudure consiste à presser des broches en alliage de cuivre (séparément ou prémoulées dans des connecteurs en plastique) dans des trous traversants pour former une connexion électromécanique étanche au gaz.

La méthode a suscité peu d'intérêt dans d'autres industries car les broches solides à ajustement serré initialement utilisées déformaient les trous traversants et provoquaient des microfissures dans les cartes. Cela a changé à la fin des années 1990 avec le développement de broches à ajustement serré conformes, le placage de trous traversants et l'introduction de presses servoélectriques offrant un contrôle précis du processus d'insertion.

"Les fournisseurs automobiles de groupes d'instruments et d'ensembles de commutateurs non critiques ont commencé à utiliser la technologie d'ajustement par pression il y a plus de 10 ans", note Joe Lynch, directeur d'Interplex Industries Inc. Au fur et à mesure que ces fournisseurs sont devenus plus à l'aise avec sa fiabilité, ils ont ensuite déployé l'ajustement par pression. pour des fonctions plus critiques comme les capteurs d'airbag et les systèmes de contrôle de détection de collision. Aujourd'hui, la méthode est courante car elle offre également une répétabilité et un assemblage facile."

Au cours des dernières années, un Tier 1 automobile a utilisé la technologie press-fit pour assembler et tester deux types de boîtiers de circuits imprimés. Un boîtier comporte un connecteur moulé à 16 broches avec quatre broches d'alimentation. L'autre boîtier a deux connecteurs à 16 broches et quatre broches d'alimentation.

L'assemblage et les tests sont effectués dans un poste de travail semi-automatique fabriqué par Schmidt Technology Corp. Un ouvrier place l'un ou l'autre des boîtiers (avec le circuit imprimé sur le dessus) sur une table coulissante, qui transfère le boîtier sur un appareil d'emboîtement. Le circuit imprimé est positionné de manière à ce que les broches du connecteur soient correctement alignées avec les trous traversants.

Lors du lancement du cycle, une caméra prend une photo du boîtier et du PCB, et un scanner lit le code-barres du PCB. Si les composants ne sont pas compatibles, un message "pas OK" apparaît sur une IHM et l'appareil renvoie le boîtier sur la table coulissante. Si les composants sont compatibles, le boîtier est chargé sur une ServoPress 420 et son vérin presse le PCB sur les broches en 1,5 seconde.

Après l'assemblage, la caméra effectue une inspection de la hauteur des broches pour vérifier la précision à moins de 0,003 pouce. Le boîtier terminé est ensuite transféré vers un emplacement de déchargement. La durée totale du cycle est de 12 secondes. La lecture de codes à barres permet une traçabilité complète des produits.

« Selon la norme IEC1709, les connexions à ajustement serré sont au moins 10 fois plus fiables que les connexions soudées », affirme Glenn Nausley, président de Promess Inc. « En utilisant l'ajustement à pression au lieu de la soudure, les fabricants éliminent les contraintes thermiques sur la carte, développement de chaleur sur les composants sensibles, joints de soudure froids et courts-circuits causés par les ponts de soudure. »

La technologie Press-Fit offre de nombreux autres avantages par rapport au brochage par collage et au soudage sélectif. Pour commencer, la soudure est désormais sans plomb et doit être refondue à des températures élevées, ce qui peut endommager les connecteurs et la carte.

L'assemblage par ajustement serré peut être facilement automatisé, tandis que les processus de brasage secondaire sont souvent effectués manuellement et sont lents, coûteux et manquent de contrôle de qualité. Toutes les fumées, gaz ou liquides de nettoyage nécessaires au soudage qui réduisent souvent la fiabilité du contact sont également éliminés.

Lynch souligne que les broches à ajustement serré conformes fournissent une interconnexion de contact direct sans aucun remplissage métallique ni vide dans la connexion. La conformité des broches offre également une certaine flexibilité bénéfique, y compris un léger mouvement pour compenser les fortes vibrations et les environnements de cyclage thermique.

Les broches à ajustement serré sont en alliage de cuivre et chaque broche transporte de trois à 50 ampères. À l'origine, les broches étaient pleines avec une section rectangulaire qui déformait le trou traversant lors de l'insertion. Pour lutter contre ce problème, les fournisseurs ont développé des broches conformes qui sont supérieures de plusieurs millièmes de pouce au diamètre du trou du circuit imprimé mais se compriment lors de l'insertion.

Une fois insérée, la goupille se dilate et appuie contre les côtés rigides du trou pour former un joint étanche au gaz. De plus, la pression locale élevée du joint produit un effet de soudure à froid qui assure l'intégrité mécanique et électrique.

La conception de broche conforme la plus populaire est le «chas de l'aiguille», qui comporte des faisceaux flexibles de chaque côté. D'autres conceptions conformes sont la section en C et la goupille d'action. Les goupilles de section en C sont en forme de croissant et effilées de sorte qu'elles se dilatent ou se contractent pour entrer en contact avec la circonférence du trou traversant. Les goupilles d'action présentent une conception à faisceau divisé.

En plus d'éviter d'endommager le circuit imprimé, les broches conformes fournissent une force de ressort pour la rétention et permettent les réparations du connecteur. Ils nécessitent également une force d'insertion inférieure à celle des broches pleines et permettent plusieurs cycles d'enfoncement. En raison de ces avantages, les broches conformes sont généralement préférées.

Dans certaines applications à haute température (supérieures à 125 C), les broches à ajustement serré doivent être plaquées pour une durabilité accrue. Un placage à l'étain ou au nickel autocatalytique est généralement suffisant. Cependant, l'étain doit être maintenu aussi mince que possible (1 micron) afin qu'il ne se gratte pas lorsque les broches sont insérées.

"Les épaisseurs de broche les plus populaires sont de 0,64 et 0,81 millimètre, pour s'adapter respectivement aux trous de 1,016 et 1,486 millimètre", explique Lynch. "Les facteurs qui déterminent l'épaisseur appropriée incluent le pas ou la densité des broches dans un connecteur, ainsi que les exigences de résistance des broches et de transport de courant. Par exemple, les applications qui mettent l'accent sur une résistance ou une puissance mécanique élevée, telles que les voitures hybrides, nécessitent nos broches Macro (1 et 1,2 millimètre d'épaisseur). Mais, les pièces qui ont besoin de PCB pour transférer rapidement des données, sont mieux loties avec nos broches Micro ou Mini (0,2 à 0,4 millimètre d'épaisseur)."

Les micro-broches sont spécialement conçues pour répondre aux exigences de la technologie micro-portable, y compris les montres intelligentes, les moniteurs de bracelet et les lunettes connectées. Les micro et mini broches s'intègrent facilement aux capteurs, LED et autres modules spécialisés utilisés dans les dispositifs de surveillance médicale mobiles. La série Macro est destinée aux barres omnibus industrielles et autres produits à courant élevé avec de grands dissipateurs thermiques, plusieurs substrats internes et des circuits de contrôle complexes.

Selon Frederick W. Grabau, VP— développement commercial global pour Autosplice. Les forces d'insertion et de rétention pour la broche de 0,64 millimètre sont de 59,6 et 46,7 newtons. Pour la broche 0,81, ce sont 132,1 et 88,1 newtons.

La température de fonctionnement pour toutes les broches est de -40 à 125 C, et elles peuvent supporter 125 C pendant 1 008 heures. Des broches à angle droit (simple et double rangée) sont également disponibles pour joindre des PCB perpendiculaires. Tous les produits sont proposés avec un placage sans plomb RoHS.

Les connecteurs sont moulés en plastique durable avec une large gamme de broches. Ils peuvent contenir aussi peu que trois broches et jusqu'à 256 broches.

La tendance est qu'ils augmentent en densité et ont des exigences plus strictes lorsqu'ils sont utilisés dans des applications en environnement difficile. À mesure que les exigences de vitesse de transfert de données augmentent, la mise à la terre du signal différentiel, de l'alimentation et de la décharge électrostatique devra être plus étroitement intégrée au connecteur.

Lynch dit qu'Interplex a récemment développé un connecteur unique pour un équipementier automobile. Le connecteur mesure 1,2 pouces de large et comporte 120 broches qui sont chacune pliées à 90 degrés et 1,6 pouces de long.

L'insertion d'un connecteur dans un circuit imprimé est un processus simple qui peut être manuel, semi-automatique ou entièrement automatique. Une fois le PCB fixé et le connecteur positionné et aligné dessus (ou vice versa), la presse est activée. N'importe quel type de presse (à genouillère, hydraulique, pneumatique et servo-électrique) peut être utilisé, pourvu qu'il ait l'outillage approprié et que son vérin donne la force requise.

L'insertion de broches (une ou plusieurs) est également simple et peut être manuelle, semi-automatique ou entièrement automatique. L'insertion manuelle et semi-automatique nécessite que les broches soient positionnées dans les trous appropriés et fixées avec une pièce de support (généralement en polyéthylène UHMW) qui n'endommagera pas le PCB. Les broches peuvent également être placées dans un outillage supérieur à ressort qui les libère lors de l'insertion.

L'insertion entièrement automatique est effectuée avec une machine de type couture, telle que la LZ-Insert-2M fabriquée par Lazpiur, qui presse chaque broche dans un trou traversant à un volume élevé (jusqu'à six par seconde). Un dispositif de mesure sous le PCB vérifie la force d'insertion appropriée pour chaque broche et s'assure qu'elle dépasse légèrement du fond du trou traversant. La conception appropriée de la carte permet un dégagement pour les saillies afin que les performances ne soient pas affectées.

Dans son usine de Dayton, OH, Würth Elektronik ICS Inc. s'appuie sur plusieurs presses à genouillère et pneumatiques de BalTec Corp. pour insérer des broches et des connecteurs à ajustement serré. Les travailleurs y utilisent des presses avec des forces allant jusqu'à 56 kilonewtons pour assembler des PCB de toutes tailles et formes pour l'équipement agricole, les camions de pompiers, les voiturettes de golf et les autocars.

Chuck Rupprecht, vice-président et directeur général de BalTec, explique que les séries VK et L-VK de la société sont fréquemment utilisées pour l'assemblage de circuits imprimés à faible volume. Les presses à genouillère offrent des capacités de force de 5 à 12 kilonewtons. Ils disposent également d'un vérin carré pour empêcher la rotation.

Les fournisseurs de connecteurs spécifient souvent un outillage supérieur et inférieur pour chacun de leurs types de broches ou connecteurs. La plupart des connecteurs, y compris les modèles à angle droit, peuvent être insérés avec un outillage supérieur à surface plane. L'outillage inférieur supporte le PCB pendant le pressage.

Certains fournisseurs fabriquent des connecteurs avec des trous en haut qui exposent le dessus des broches. Les saillies d'outillage s'insèrent dans ces trous supérieurs pour se verrouiller avec le connecteur et garantir qu'une force d'insertion égale est appliquée à chaque broche pendant le pressage.

Pour éviter la déformation de la carte, une distance de 0,5 à 1 millimètre doit être maintenue entre le PCB et le bas du connecteur pendant le pressage. Le boîtier en plastique du connecteur doit également être suffisamment solide pour supporter la force de pression.

"Assurez-vous toujours que la presse peut fournir suffisamment de force pour l'application", recommande Rupprecht. "Disons que chaque broche peut n'avoir besoin que de quelques livres de force d'insertion. Mais, s'il y a plus de 100 broches dans un connecteur, il a probablement besoin d'environ 500 livres de force. Et si l'application demande que plusieurs connecteurs soient insérés simultanément , vous aurez peut-être besoin d'une presse avec 1 000 ou 2 000 livres de force."

Selon Nausley, il est tout aussi important de s'assurer qu'il y a un bon engagement initial entre le connecteur et le PCB. Sinon, une bonne insertion est impossible.

"Beaucoup de choses peuvent empêcher un engagement correct, y compris une broche légèrement pliée, l'utilisation du mauvais connecteur, des trous mal formés et un dysfonctionnement de la machine qui provoque un alignement incorrect", explique Nausley. "Lorsqu'un engagement incorrect se produit, la presse endommage généralement le connecteur et la carte au point qu'ils sont inutilisables."

Pour éviter ce problème, Promess a développé le conditionneur de signal numérique (DSC) pour sa presse électromécanique. Le DSC possède un algorithme de linéarisation intégré qui mesure avec précision la force d'engagement initiale. Nausley explique que l'algorithme, associé au contrôle de positionnement en boucle fermée, garantit que la presse s'arrête en cours de cycle si elle détecte un problème.

La plupart des fabricants de cartes s'appuient également sur un certain type de contrôle du processus d'ajustement serré pour garantir un assemblage de qualité. Des cellules de charge simples peuvent être connectées à une presse manuelle pour mesurer et enregistrer la force d'insertion. Les équipements semi-automatiques et entièrement automatiques sont capables de documenter plusieurs variables pour la carte et le connecteur, et de les afficher sous forme de graphique force-distance.

"Une inspection secondaire est nécessaire au-delà de la surveillance de la force de presse", déclare Dave Zabrosky, directeur des ventes chez Schmidt. "Cette inspection peut être initiée par un simple interrupteur pogo intégré dans l'outillage supérieur ou inférieur."

Zabrosky dit que les séries ServoPress et ElectricPress sont programmables et capables de vérifier la présence des broches avant et après la pression, la hauteur de toutes les broches les unes par rapport aux autres, le niveau du PCB et l'élévation du panneau par rapport au boîtier du PCB.

Jim est rédacteur en chef de ASSEMBLY et possède plus de 30 ans d'expérience éditoriale. Avant de rejoindre ASSEMBLY, Camillo était rédacteur en chef de PM Engineer, Association for Facilities Engineering Journal et Milling Journal. Jim a un diplôme d'anglais de l'Université DePaul.