プレス

Oct 21, 2023

Würth Elektronik ICS Inc. は、数台のトグル プレスと空気圧プレスを利用して、あらゆるサイズと形状の PCB にピンとコネクタを圧入します。 写真提供：Würth Elektronik ICS Inc.

自動車 Tier 1 は、プレスフィット技術を使用して 2 種類の PCB ハウジングを組み立て、テストします。 1 つは成形 16 ピン コネクタを備えています。 もう 1 つは 2 つの 16 ピン コネクタを備えています。 写真提供：Schmidt Technology Corp.

銅合金製のプレスフィット ピンにはさまざまな厚さと幅があります。 写真提供：オートスプライス株式会社

製造業について (特に一般の人々の間で) よくある誤解は、製造業にはイノベーションが存在しないということです。 実際のところ、新しいアセンブリ技術は常に開発され、市場に導入されています。 ただし、イノベーションを主流にするためには変更が必要な場合もあります。

プリント基板 (PCB) アセンブリの場合がこれに該当します。 1940 年代初頭から 1990 年代初頭まで、ほぼすべての PCB コンポーネントは、ポイントツーポイントはんだ付け、ウェーブはんだ付け、またはリフローはんだ付けの 3 つの方法のいずれかで取り付けられていました。

圧入技術を使用して組み立てられたコンポーネントはほとんどありません。 1970 年代後半に通信業界によって開発されたこの無はんだ方式では、銅合金ピン (個別に、またはプラスチック コネクタに事前成形) をスルーホールに押し込んで、気密な電気機械接続を形成します。

この方法は、当初使用されていた固体のプレスフィット ピンがスルーホールを変形させ、基板に微小亀裂を引き起こしたため、他の業界からはほとんど関心を持たれませんでした。 この状況は 1990 年代後半に、コンプライアント プレスフィット ピンの開発、スルーホールのメッキ、挿入プロセスの正確な制御を可能にするサーボ電動プレスの導入によって変わりました。

「インストルメント クラスターと重要ではないスイッチ アセンブリの自動車サプライヤーは、10 年以上前に初めてプレスフィット技術を使い始めました」と Interplex Industries Inc. のディレクターであるジョー リンチ氏は述べています。これらのサプライヤーはその信頼性に慣れてきたため、後にプレスフィット技術を導入しました。エアバッグセンサーや衝突検出制御システムなど、より重要な機能に対応します。 現在、この方法は再現性が高く、組み立てが簡単なため、主流となっています。」

過去数年間、自動車業界の Tier 1 はプレスフィット技術を使用して 2 種類の PCB ハウジングを組み立て、テストしてきました。 1 つのハウジングには、4 つの電源ピンを備えた成形 16 ピン コネクタが搭載されています。 もう一方のハウジングには 2 つの 16 ピン コネクタと 4 つの電源ピンがあります。

組み立てとテストは、Schmidt Technology Corp. 製の半自動ワークステーションで行われます。作業者はいずれかのハウジング (PCB を上に置いた状態) をスライド テーブル上に置き、ハウジングを入れ子固定具に移動します。 PCB は、コネクタのピンがスルーホールと適切に位置合わせされるように配置されます。

サイクルの開始時に、カメラがハウジングと PCB の写真を撮り、スキャナーが PCB のバーコードを読み取ります。 コンポーネントに互換性がない場合、HMI に「not OK」メッセージが表示され、治具はハウジングをスライド テーブルに戻します。 コンポーネントに互換性がある場合、ハウジングは 420 ServoPress にアップロードされ、そのラムが 1.5 秒で PCB をピンに押し付けます。

組み立て後、カメラでピンの高さ検査を実行し、精度が 0.003 インチ以内であることを確認します。 完成したハウジングは、荷降ろし場所に移送されます。 合計サイクル時間は 12 秒です。 バーコードスキャンにより、完全な製品トレーサビリティが可能になります。

「IEC1709 規格によれば、プレスフィット接続ははんだ付け接続よりも少なくとも 10 倍信頼性が高い」と Promess Inc. のグレン・ナウスリー社長は主張します。「メーカーははんだの代わりにプレスフィットを使用することで、基板にかかる熱ストレスを排除し、敏感なコンポーネントの熱発生、冷たいはんだ接合部、およびはんだブリッジによるショート。」

プレスフィット技術には、ピンスルーペーストや選択的はんだ付けに比べて、他にも多くの利点があります。 まず、はんだは鉛フリーになり、高温でリフローする必要があるため、コネクタや基板が損傷する可能性があります。

圧入アセンブリは簡単に自動化できますが、二次はんだ付けプロセスは手作業で行われることが多く、時間とコストがかかり、品質管理が不十分です。 また、接触信頼性を低下させることの多いはんだ付けに必要な煙、ガス、洗浄液もすべて排除されます。

Lynch 氏は、コンプライアントのプレスフィット ピンは、接続部に金属フィラーやボイドを一切含まずに直接接触相互接続を実現できると指摘しています。 ピンのコンプライアンスは、高振動や熱サイクル環境を補償するためのわずかな動きなど、有益な柔軟性も提供します。

プレスフィット ピンは銅合金でできており、各ピンは 3 ～ 50 アンペアに耐えます。 元々、ピンは長方形の断面を持つ中実で、挿入中にスルーホールが変形しました。 この問題に対処するために、サプライヤーは、PCB の穴の直径よりも数千分の 1 インチ大きいが、挿入中に圧縮されるコンプライアント ピンを開発しました。

挿入されると、ピンが拡張して穴の硬い側面を押し付けて、気密な接合部を形成します。 さらに、接合部の高い局所圧力により冷間圧接効果が生じ、機械的および電気的完全性が実現されます。

最も一般的なコンプライアント ピンのデザインは、両側に柔軟なビームを備えた「針の目」です。 その他の準拠設計は、C セクションとアクション ピンです。 C セクション ピンは三日月型で先細になっており、伸縮してスルーホールの周囲に接触します。 アクションピンはスプリットビームデザインを採用しています。

PCB への損傷を防ぐだけでなく、コンプライアント ピンは保持のためのバネ力を提供し、コネクタの修理を可能にします。 また、ソリッド ピンよりも必要な挿入力が低く、複数回の圧入サイクルが可能です。 これらの利点があるため、一般的にはコンプライアント ピンが好まれます。

特定の高温 (125 C 以上) 用途では、耐久性を高めるためにプレスフィット ピンをメッキする必要があります。 通常は、錫浸漬または無電解ニッケルめっきで十分です。 ただし、ピンを挿入するときに錫が削れないように、錫はできるだけ薄く (1 ミクロン) 保つ必要があります。

「最も一般的なピンの厚さは 0.64 ミリメートルと 0.81 ミリメートルで、それぞれ 1.016 ミリメートルと 1.486 ミリメートルの穴に適合します」とリンチ氏は説明します。 「適切な厚さを決定する要因には、コネクタ内のピンのピッチや密度、ピンの強度と通電要件が含まれます。たとえば、ハイブリッド カーなど、高い機械的強度や出力を重視するアプリケーションには、当社のマクロ ピンが必要です (1)ただし、データを迅速に転送するために PCB が必要な部品には、マイクロ ピンまたはミニ ピン (厚さ 0.2 ～ 0.4 ミリメートル) を使用する方が適しています。」

マイクロ ピンは、スマート ウォッチ、リストバンド モニター、コネクテッド グラスなどのマイクロ ウェアラブル テクノロジーの要件を満たすように特別に設計されています。 マイクロピンとミニピンは、モバイル医療モニタリングデバイスで使用されるセンサー、LED、その他の特殊なモジュールと簡単に統合できます。 Macro シリーズは、大型ヒートシンク、複数の内部基板、複雑な制御回路を備えた産業用バス バーやその他の大電流製品向けです。

Autosplice Inc. のプレスフィット ピンには 2 種類の厚さ (0.64 および 0.81 ミリメートル) と 8 種類の幅 (0.64、1、1.5、1.8、2.8、6、6.3、9.5 ミリメートル) があると、副社長の Frederick W. Grabau 氏は述べています。 Autosplice のグローバルなビジネス開発。 0.64 ミリメートルのピンの挿入力と保持力は 59.6 ニュートンと 46.7 ニュートンです。 0.81 ピンの場合、132.1 ニュートンと 88.1 ニュートンです。

すべてのピンの動作温度は -40 ～ 125 C で、125 C で 1,008 時間耐えることができます。 直角ピン (1 列および 2 列) も、垂直な PCB を接合するために使用できます。 すべての製品には RoHS 鉛フリーめっきが施されています。

コネクタは耐久性のあるプラスチックで成形されており、さまざまなピンが付いています。 最小で 3 個のピン、最大で 256 個のピンが含まれる場合があります。

傾向としては、密度が増加し、過酷な環境での用途で使用される場合の要件がより厳しくなる傾向にあります。 データ転送速度の要件が高まるにつれて、差動信号、電源、および静電気放電の接地をコネクタにさらにしっかりと組み込む必要があります。

リンチ氏によると、Interplex は最近、自動車サプライヤー向けに独自のコネクタを開発したそうです。 コネクタは幅 1.2 インチで、それぞれ 90 度曲がった 120 個のピンと長さ 1.6 インチを備えています。

コネクタを PCB に押し込む作業は、手動、半自動、また​​は全自動の簡単なプロセスです。 PCB が固定され、コネクタが PCB 上に配置および位置合わせされた後 (またはその逆)、プレスが作動します。 適切な工具が備わっており、ラムが必要な力を与える限り、どのタイプのプレス (トグル、油圧、空気圧、サーボ電気) も使用できます。

ピンの挿入（1 つまたは複数）も簡単で、手動、半自動、また​​は全自動で行うことができます。 手動および半自動挿入では、ピンを適切な穴に配置し、PCB を損傷しないサポート ピース (通常は UHMW ポリエチレン製) で固定する必要があります。 ピンは、挿入中にピンを解放するバネ仕掛けの上部ツールに配置することもできます。

完全自動挿入は、Lazpiur 製 LZ-Insert-2M などのステッチング タイプの機械で行われ、各ピンを大量 (1 秒あたり最大 6 個) でスルーホールに押し込みます。 PCB の下にある測定装置は、各ピンの適切な挿入力を検証し、ピンがスルーホールの底からわずかに突き出ていることを確認します。 適切な基板設計により突起物のクリアランスが確保されるため、パフォーマンスに影響はありません。

オハイオ州デイトンの工場では、Würth Elektronik ICS Inc. は、バルテック社の複数のトグル プレスと空気圧プレスを利用して、プレスフィット ピンとコネクタを挿入しています。 そこでの労働者は、最大 56 キロニュートンの力を持つプレスを使用して、農業機械、消防車、ゴルフ カート、大型バス用のあらゆるサイズと形状の PCB を組み立てています。

BalTec の副社長兼ゼネラルマネージャーである Chuck Rupprecht 氏は、同社の VK および L-VK シリーズは少量の PCB アセンブリに頻繁に使用されていると述べています。 トグル プレスは 5 ～ 12 キロニュートンの加力能力を備えています。 また、回転を防止する角型ラムも備えています。

コネクタのサプライヤーは、多くの場合、ピン タイプまたはコネクタごとに上部および下部の工具を指定します。 ライトアングルモデルを含むほとんどのコネクタは、平面の上部ツールを使用して挿入できます。 下部ツールは、プレス中に PCB をサポートします。

一部のサプライヤーは、ピンの上部が露出する上部に穴のあるコネクタを製造しています。 ツーリングの突起がこれらの上部の穴に嵌合してコネクタにロックされ、プレス中に各ピンに均等な挿入力が確実に加えられます。

基板の変形を防ぐために、プレス中に PCB とコネクタ底部の間に 0.5 ～ 1 ミリメートルの距離を維持する必要があります。 コネクタのプラスチック ハウジングは、押し付け力を支えるのに十分な強度も必要です。

「プレスが塗布に十分な力を供給できることを常に確認してください」と、Rupprecht 氏は推奨します。 「各ピンに必要な挿入力は数ポンドだけだとします。しかし、コネクタに 100 を超えるピンがある場合、おそらく約 500 ポンドの力が必要になります。また、アプリケーションで複数のコネクタを同時に挿入する必要がある場合は、 1,000 ポンドまたは 2,000 ポンドの力を持つプレスが必要になる場合があります。」

Nausley 氏によれば、同様に重要なのは、コネクタと PCB の間に適切な初期嵌合が存在することを確認することです。 そうしないと、良好な挿入が不可能になります。

「わずかに曲がったピン、間違ったコネクタの使用、不完全に形成された穴、不適切な位置合わせを引き起こす機械の誤動作など、多くのことが適切な嵌合を妨げる可能性があります」と Nausley 氏は言います。 「不適切な嵌合が発生すると、通常、プレスによってコネクタと基板が使用不能になるほど損傷します。」

この問題を防ぐために、Promess は電気機械印刷機用のデジタル シグナル コンディショナー (DSC) を開発しました。 DSC には、初期係合力を正確に測定する線形化アルゴリズムが組み込まれています。 ノースリー氏によれば、このアルゴリズムは閉ループ位置決め制御と連動しており、問題が検出された場合には印刷機がサイクルの途中で確実に停止するという。

また、ほとんどの基板メーカーは、高品質のアセンブリを保証するために、ある種のプレスフィット プロセスの監視に依存しています。 シンプルなロードセルを手動プレスに接続して、挿入力を測定および記録できます。 半自動および全自動機器は、ボードとコネクタのいくつかの変数を文書化し、それらを力と距離のグラフとして表示できます。

「報道陣の監視を超えた二次検査が必要だ」とシュミット社の営業マネージャー、デイブ・ザブロスキー氏は主張する。 「この検査は、上部または下部のツールに統合された単純なポゴ スイッチによって開始できます。」

Zabrosky氏によると、ServoPressおよびElectricPressシリーズはプログラム可能で、プレス前後のピンの存在、すべてのピンの相互の高さ、PCBの水平度、およびPCBハウジングに対する基板の高さを検証できるという。

Jim は ASSEMBLY の上級編集者で、30 年以上の編集経験があります。 ASSEMBLY に入社する前、Camillo は PM Engineer、Association for Facilities Engineering Journal、および Milling Journal の編集者を務めていました。 ジムはデポール大学で英語の学位を取得しています。