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Oct 21, 2023

Würth Elektronik ICS Inc. confía en varias prensas neumáticas y de palanca para encajar a presión pines y conectores en PCB de todos los tamaños y formas. Foto cortesía de Würth Elektronik ICS Inc.

Un Tier 1 automotriz utiliza tecnología de ajuste a presión para ensamblar y probar dos tipos de carcasas de PCB. Uno cuenta con un conector de 16 pines moldeado; el otro tiene dos conectores de 16 pines. Foto cortesía de Schmidt Technology Corp.

Hechos de aleación de cobre, los pasadores de ajuste a presión vienen en diferentes grosores y anchos. Foto cortesía de Autosplice Inc.

Un concepto erróneo común sobre la fabricación (especialmente entre el público en general) es que carece de innovación. El hecho es que constantemente se desarrollan e introducen nuevas tecnologías de ensamblaje en el mercado. A veces, sin embargo, una innovación debe modificarse para convertirse en la corriente principal.

Tal es el caso del ensamblaje de la placa de circuito impreso (PCB). Desde principios de la década de 1940 hasta principios de la década de 1990, casi todos los componentes de PCB se unieron con uno de tres métodos: soldadura punto a punto, soldadura por ola o soldadura por reflujo.

Pocos componentes se ensamblaron utilizando tecnología de ajuste a presión. Desarrollado por la industria de las telecomunicaciones a fines de la década de 1970, este método sin soldadura implica presionar clavijas de aleación de cobre (por separado o premoldeadas en conectores de plástico) en orificios pasantes para formar una conexión electromecánica a prueba de gas.

El método atrajo poco interés de otras industrias porque los pasadores sólidos de ajuste a presión que se usaron inicialmente deformaron los orificios pasantes y causaron microfisuras en las tablas. Eso cambió a fines de la década de 1990 con el desarrollo de pasadores de ajuste a presión compatibles, el enchapado de orificios pasantes y la introducción de prensas servoeléctricas que ofrecen un control preciso sobre el proceso de inserción.

"Los proveedores automotrices de conjuntos de instrumentos y conjuntos de interruptores no críticos comenzaron a usar la tecnología de ajuste a presión hace más de 10 años", señala Joe Lynch, director de Interplex Industries Inc. A medida que estos proveedores se sintieron más cómodos con su confiabilidad, luego implementaron tecnología de ajuste a presión. para funciones más críticas como sensores de bolsas de aire y sistemas de control de detección de choques. Ahora el método es convencional porque también ofrece repetibilidad y fácil montaje".

Durante los últimos años, un Tier 1 automotriz ha utilizado tecnología de ajuste a presión para ensamblar y probar dos tipos de carcasas de PCB. Una carcasa cuenta con un conector de 16 pines moldeado con cuatro pines de alimentación. La otra carcasa tiene dos conectores de 16 pines y cuatro pines de alimentación.

El ensamblaje y las pruebas se realizan en una estación de trabajo semiautomática fabricada por Schmidt Technology Corp. Un trabajador coloca cualquiera de las carcasas (con la placa de circuito impreso en la parte superior) en una mesa deslizante, que transfiere la carcasa a un accesorio de anidamiento. La placa de circuito impreso se coloca de modo que las clavijas del conector estén correctamente alineadas con los orificios pasantes.

Al iniciarse el ciclo, una cámara toma una fotografía de la carcasa y la PCB, y un escáner lee el código de barras de la PCB. Si los componentes no son compatibles, aparece un mensaje de "no está bien" en una HMI y el dispositivo devuelve la carcasa a la mesa deslizante. Si los componentes son compatibles, la carcasa se carga en una ServoPress 420 y su ram presiona la placa de circuito impreso sobre los pines en 1,5 segundos.

Después del ensamblaje, la cámara realiza una inspección de la altura de los pines para verificar la precisión dentro de 0,003 pulgadas. La carcasa terminada se transfiere luego a un lugar de descarga. El tiempo total del ciclo es de 12 segundos. El escaneo de códigos de barras permite una trazabilidad completa del producto.

"De acuerdo con la norma IEC1709, las conexiones de ajuste a presión son al menos 10 veces más confiables que las conexiones soldadas", afirma Glenn Nausley, presidente de Promess Inc. "Al usar ajuste a presión en lugar de soldadura, los fabricantes eliminan la tensión térmica en la placa, desarrollo de calor en componentes sensibles, juntas de soldadura fría y cortocircuitos causados ​​por puentes de soldadura".

La tecnología de ajuste a presión ofrece muchas otras ventajas sobre la soldadura de pin-through-paste y la soldadura selectiva. Para empezar, la soldadura ahora no contiene plomo y debe refluir a altas temperaturas, lo que puede dañar los conectores y la placa.

El ensamblaje de ajuste a presión se puede automatizar fácilmente, mientras que los procesos de soldadura secundaria a menudo se realizan manualmente y son lentos, costosos y carecen de control de calidad. También se eliminan todos los humos, gases o líquidos de limpieza necesarios para soldar que a menudo reducen la fiabilidad del contacto.

Lynch señala que los pines de ajuste a presión compatibles proporcionan una interconexión de contacto directo sin ningún relleno de metal ni huecos en la conexión. El cumplimiento de los pines también proporciona cierta flexibilidad beneficiosa, incluido un ligero movimiento para compensar los entornos de alta vibración y ciclos térmicos.

Los pines de ajuste a presión están hechos de aleación de cobre y cada pin lleva de tres a 50 amperios. Originalmente, los pines eran macizos con una sección transversal rectangular que deformaba el orificio pasante durante la inserción. Para combatir el problema, los proveedores desarrollaron pines conformes que son varias milésimas de pulgada más grandes que el diámetro del orificio de la PCB pero que se comprimen durante la inserción.

Una vez insertado, el pasador se expande y presiona contra los lados rígidos del orificio para formar una junta hermética. Además, la alta presión local de la junta produce un efecto de soldadura en frío que proporciona integridad mecánica y eléctrica.

El diseño de pasador compatible más popular es el "ojo de la aguja", que cuenta con vigas flexibles en cada lado. Otros diseños compatibles son la sección en C y el pasador de acción. Los pasadores de sección en C tienen forma de media luna y se estrechan para que se expandan o contraigan para hacer contacto con la circunferencia del orificio pasante. Los pines de acción cuentan con un diseño de haz dividido.

Además de evitar daños a la placa de circuito impreso, los pines compatibles brindan fuerza de resorte para la retención y permiten la reparación de conectores. También requieren una fuerza de inserción más baja que los pasadores sólidos y permiten múltiples ciclos de presión. Debido a estos beneficios, generalmente se prefieren los pines compatibles.

En ciertas aplicaciones de alta temperatura (por encima de 125 C), los pasadores de ajuste a presión deben enchaparse para mayor durabilidad. Suele ser suficiente una inmersión en estaño o un niquelado electrolítico. Sin embargo, la lata debe mantenerse lo más delgada posible (1 micra) para que no se raspe cuando se insertan los alfileres.

"Los grosores de pasador más populares son 0,64 y 0,81 milímetros, para encajar en orificios de 1,016 y 1,486 milímetros, respectivamente", explica Lynch. "Los factores que determinan el grosor adecuado incluyen el paso o la densidad de los pines dentro de un conector, y los requisitos de resistencia y corriente de los pines. Por ejemplo, las aplicaciones que enfatizan una alta resistencia o potencia mecánica, como los automóviles híbridos, requieren nuestros pines Macro (1 y 1,2 milímetros de grosor). Pero, las piezas que necesitan PCB para transferir datos rápidamente están mejor con nuestros pines Micro o Mini (0,2 a 0,4 milímetros de grosor)."

Los micro pines están diseñados específicamente para cumplir con los requisitos de la tecnología micro portátil, incluidos los relojes inteligentes, los monitores de pulsera y los anteojos conectados. Los pines micro y mini se integran fácilmente con sensores, LED y otros módulos especializados que se utilizan en dispositivos móviles de monitoreo médico. La serie Macro es para barras colectoras industriales y otros productos de alta corriente con grandes disipadores de calor, múltiples sustratos internos y circuitos de control complejos.

Los pasadores de ajuste a presión de Autosplice Inc. vienen en dos grosores (0,64 y 0,81 milímetros) y ocho anchos (0,64, 1, 1,5, 1,8, 2,8, 6, 6,3 y 9,5 milímetros), según Frederick W. Grabau, VP— desarrollo comercial global para Autosplice. Las fuerzas de inserción y retención para el pasador de 0,64 milímetros son 59,6 y 46,7 newtons. Para el pin de 0,81 son 132,1 y 88,1 newtons.

La temperatura de funcionamiento de todos los pines es de -40 a 125 C y pueden soportar 125 C durante 1008 horas. Los pines de ángulo recto (una o dos filas) también están disponibles para unir PCB perpendiculares. Todos los productos se ofrecen con recubrimiento sin plomo RoHS.

Los conectores están moldeados de plástico duradero con una amplia gama de pines. Pueden contener tan solo tres pines y hasta 256 pines.

La tendencia es que aumenten en densidad y tengan requisitos más estrictos cuando se usan en aplicaciones en entornos hostiles. A medida que aumentan los requisitos de velocidad de transferencia de datos, la conexión a tierra de la señal diferencial, la alimentación y la descarga electrostática deberá incorporarse más firmemente en el conector.

Lynch dice que Interplex desarrolló recientemente un conector único para un proveedor automotriz. El conector tiene 1,2 pulgadas de ancho y cuenta con 120 pines, cada uno doblado 90 grados y 1,6 pulgadas de largo.

Presionar un conector en una PCB es un proceso simple que puede ser manual, semiautomático o completamente automático. Después de fijar la PCB y colocar y alinear el conector encima (o viceversa), se activa la prensa. Se puede utilizar cualquier tipo de prensa (de palanca, hidráulica, neumática y servoeléctrica), siempre que tenga las herramientas adecuadas y su carnero imparta la fuerza requerida.

La inserción de pasadores (uno o varios) también es sencilla y puede ser manual, semiautomática o totalmente automática. La inserción manual y semiautomática requiere que los pines se coloquen en los orificios adecuados y se aseguren con una pieza de soporte (generalmente hecha de polietileno UHMW) que no dañe la PCB. Los pasadores también se pueden colocar en herramientas superiores accionadas por resorte que los liberan durante la inserción.

La inserción totalmente automática se realiza con una máquina tipo cosido, como la LZ-Insert-2M de Lazpiur, que presiona cada pasador en un orificio pasante a un volumen alto (hasta seis por segundo). Un dispositivo de medición debajo de la PCB verifica la fuerza de inserción adecuada para cada pin y asegura que sobresalga ligeramente del fondo del orificio pasante. El diseño adecuado de la placa deja espacio para las protuberancias para que el rendimiento no se vea afectado.

En su planta de Dayton, OH, Würth Elektronik ICS Inc. confía en varias prensas neumáticas y de palanca de BalTec Corp. para insertar clavijas y conectores de ajuste a presión. Los trabajadores allí usan prensas con fuerzas de hasta 56 kilonewtons para ensamblar PCB de todos los tamaños y formas para equipos agrícolas, camiones de bomberos, carros de golf y autocares.

Chuck Rupprecht, vicepresidente y gerente general de BalTec, dice que las series VK y L-VK de la compañía se usan con frecuencia para el ensamblaje de PCB de bajo volumen. Las prensas de palanca ofrecen capacidades de fuerza de 5 a 12 kilonewtons. También cuentan con un ariete cuadrado para evitar la rotación.

Los proveedores de conectores suelen especificar herramientas superiores e inferiores para cada uno de sus tipos de clavijas o conectores. La mayoría de los conectores, incluidos los modelos de ángulo recto, se pueden insertar con herramientas superiores de superficie plana. El utillaje inferior soporta la placa de circuito impreso durante el prensado.

Algunos proveedores fabrican conectores con orificios en la parte superior que exponen las puntas de los pines. Las protuberancias de herramientas encajan en estos orificios superiores para bloquear con el conector y garantizar que se aplique la misma fuerza de inserción a cada pasador durante la presión.

Para evitar la deformación de la placa, se debe mantener una distancia de 0,5 a 1 milímetro entre la placa de circuito impreso y la parte inferior del conector durante el prensado. La carcasa de plástico del conector también debe ser lo suficientemente resistente para soportar la fuerza de presión.

"Asegúrese siempre de que la prensa pueda proporcionar suficiente fuerza para la aplicación", recomienda Rupprecht. "Digamos que cada pin solo necesita unas pocas libras de fuerza de inserción. Pero, si hay más de 100 pines en un conector, probablemente necesite alrededor de 500 libras de fuerza. Y si la aplicación requiere que se inserten múltiples conectores simultáneamente , es posible que necesite una prensa con 1000 o 2000 libras de fuerza".

Igualmente importante, según Nausley, es asegurarse de que haya un acoplamiento inicial adecuado entre el conector y la placa de circuito impreso. De lo contrario, una buena inserción es imposible.

"Muchas cosas pueden impedir el enganche adecuado, incluido un pasador ligeramente doblado, el uso del conector incorrecto, orificios formados de manera imperfecta y un mal funcionamiento de la máquina que provoca una alineación incorrecta", dice Nausley. "Cuando ocurre un acoplamiento incorrecto, la prensa generalmente daña el conector y la placa hasta el punto de que quedan inutilizables".

Para evitar este problema, Promess desarrolló el acondicionador de señal digital (DSC) para su prensa electromecánica. El DSC tiene un algoritmo de linealización incorporado que mide con precisión la fuerza de acoplamiento inicial. Nausley dice que el algoritmo, junto con el control de posicionamiento de circuito cerrado, garantiza que la prensa se detenga a la mitad del ciclo si detecta un problema.

La mayoría de los fabricantes de tableros también confían en algún tipo de monitoreo del proceso de ajuste a presión para garantizar un ensamblaje de calidad. Las celdas de carga simples se pueden conectar a una prensa manual para medir y registrar la fuerza de inserción. Los equipos semiautomáticos y totalmente automáticos pueden documentar varias variables para la placa y el conector, y mostrarlas como un gráfico de fuerza-distancia.

"Se necesita una inspección secundaria más allá del control de la fuerza de la prensa", afirma Dave Zabrosky, gerente de ventas de Schmidt. "Esta inspección se puede iniciar con un simple interruptor pogo integrado en las herramientas superiores o inferiores".

Zabrosky dice que las series ServoPress y ElectricPress son programables y capaces de verificar la presencia de clavijas antes y después del prensado, la altura de todas las clavijas entre sí, la nivelación de la PCB y la elevación de la placa en relación con la carcasa de la PCB.

Jim es editor sénior de ASSEMBLY y tiene más de 30 años de experiencia editorial. Antes de unirse a ASSEMBLY, Camillo fue editor de PM Engineer, Association for Facilities Engineering Journal y Milling Journal. Jim tiene un título en inglés de la Universidad DePaul.