Выпуск #6/2017
А.Медведев, М.Степанова
Токонесущая способность непаяных соединений типа Press-Fit
Токонесущая способность непаяных соединений типа Press-Fit
Просмотры: 560
В тех случаях, когда токи в цепях питания печатных плат достигают сотен и тысяч ампер, на смену пайке приходят непаяные соединения типа Press-Fit, образованные впрессовыванием контактных штырей в металлизированные отверстия печатных плат. Предметом исследований, изложенных в статье, стало определение предельных токов нагрузки для мощных токовводов типа Press-Fit с учетом термостойкости используемых материалов и температур внешней среды.
УДК 621.88.084, 621.3.049.75
ВАК 05.11.00
DOI: 10.22184/1992-4178.2017.166.6.176.180
УДК 621.88.084, 621.3.049.75
ВАК 05.11.00
DOI: 10.22184/1992-4178.2017.166.6.176.180
Теги: current heating limiting load currents power circuits press-fit contacts printed circuit boards solder-free connections контакты press-fit непаяные соединения печатные платы предельные токи нагрузки токовый нагрев цепи питания
Функциональная насыщенность современного радиоэлектронного оборудования непосредственно связана с большой плотностью компоновки электронных компонентов и соответствующей энергоемкостью потребления (десятки киловатт). Это обусловило использование многослойных печатных плат, в которых слои специализированы для выполнения определенных функций: слои – носители межсоединений электронных компонентов, слои питания (они же экранные слои для линий связи), наружные монтажные слои. В некоторых электронных системах токи в цепях питания таких плат составляют тысячи ампер. Не всякие конструкции токовводов могут выдержать такие токи нагрузки. Общепринятая технология пайки токовводов в отверстия печатных плат оказалась неприемлемой из-за большой теплоемкости и мощного теплооотвода толстых медных слоев силовых цепей. Некачественное заполнение припоем металлизированных отверстий (непропаи), соединенных со слоями питания, приводит к локальным перегревам токовводов и их выгоранию. В таких ситуациях на смену пайке приходят непаяные соединения, образованные впрессовыванием контактных штырей в металлизированные отверстия печатных плат – контакты, получившие по зарубежной терминологии название Press-Fit.
Непаяные соединения типа Press-Fit широко применяются [1–4] в системах телекоммуникации. Оценка же возможности их применения в жестких условиях эксплуатации (в частности, в авионике) потребовала дополнительных исследований, в ходе которых подтверждена механическая устойчивость Press-Fit в условиях механических и климатических воздействий[1][5–7], а также предложен оригинальный неразрушающий метод контроля качества соединений Press-Fit [8]. Предметом исследований, изложенных в этой статье, явилось определение предельных токов нагрузки для установления норм проектирования мощных токовводов с учетом термостойкости используемых материалов и температур внешней среды.
Производители разъемов с контактами Press-Fit в своих спецификациях указывают предельный ток на контакт [9] в соединителе. Но это указание никак не характеризует токонесущую способность одиночного контакта, отличающуюся от работы группы контактов в разъеме за счет теплофизических свойств монтажного основания, куда впрессовывается штырь. Таким образом, установленные поставщиком соединителей нормы по токонесущей способности каждого из контактов в разъеме не способны дать проектировщику информацию, достаточную для понимания возможности применения одиночных токовводов в своей разработке.
Авторами предложена к рассмотрению методика установления норм по токонесущей способности одиночных контактов с учетом теплоотводящих свойств монтажного основания – печатной платы с массивными медными слоями цепей питания. Одиночными считаются контакты Press-Fit, расположенные на расстоянии, исключающем их значимое тепловое влияние друг на друга, а также взаимовлияние с другими сильно греющимися элементами схемы. Обычно такие контакты располагают по периферии платы.
Непаяное соединение типа Press-Fit (рис.1) представляет собой металлизированное отверстие, в которое впрессован контактный штырь с пружинящей пуклевкой, компенсирующей погрешности в формообразовании сопрягающихся элементов соединения, а также ползучесть диэлектрика основания платы. Далее в тексте контакт Press-Fit и участок платы вокруг него, температура которого существенно зависит от его нагрева, будем для краткости называть контактной сборкой.
Токовый разогрев зоны монтажа токоввода может привести к росту температуры до критического значения, при котором происходят необратимые изменения либо в материалах пружинящей части впрессовываемых контактов – при повышенных температурах они могут релаксировать, теряя упругость (табл.1); либо в материале монтажного основания – для стеклоэпоксидных оснований плат деструктивные процессы развиваются с приближением к температуре стеклования (табл.2); либо в материале корпуса разъема, нагревостойкость которого так или иначе ограничена (табл.3)[2].
Чтобы получить нормы по токонесущей способности одиночных контактных сборок, используемых для мощных токовводов, нужно сначала экспериментально определить зависимость нагрева исследуемых соединений от тока нагрузки. На рис.2 показана схема установки, использованной в эксперименте. На рис.3 в качестве примера приведена часть результатов экспериментальных исследований образцов с характеристиками, показанными в табл. 4.
Однако зависимость нагрева током контактной сборки еще не достаточна для назначения норм токонесущей способности токовводов. Для проектирования важно, каким током можно задаться для нормальной работы контактной сборки. При нагреве током нужно выбрать самый слабый ее элемент, чтобы не допустить его перегрева. Для приведенного в табл. 4 примера, с учетом данных табл. 1–3, приходится ориентироваться на самый слабый элемент, которым в данном случае является материал печатной платы с температурой стеклования 140 °C.
Методика построения графика норм токовой нагрузки проиллюстрирована на рис.4. Принцип определения норм состоит в том, чтобы сумма температуры перегрева током и температуры внешней среды не превышала температуры нагревостойкости слабого звена контактной сборки. Например, для внешней температуры Т1 допустимый перегрев током составляет ΔТ1, что соответствует току нагрузки I1.
На рис.5 показаны полученные таким образом нормы нагрузки током одиночных контактных сборок Press-Fit, исходя из термостойкости материала печатной платы 140 °C. Значения температур перегрева током для построения графика берутся из экспериментальных графиков рис.3.
Исходя из данных рис.5, можно установить, что для предельной температуры эксплуатации, например авионики, равной 120 °C, допустимый ток нагрузки контактной сборки Press-Fit с отверстием 0,6 мм и толщиной фольги в плате 70 мкм составляет 20 А, а для контактной сборки с отверстием 1,0 мм и толщиной фольги в плате 180 мкм – 32 А.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Допустимые токи нагрузки одиночных контактных сборок Press-Fit – печатная плата с массивными слоями цепей питания гораздо больше, чем для группы контактов в корпусе соединителя типа Press-Fit, что обусловлено большим теплоотводом на толстые медные слои цепей питания в печатной плате. Этот экспериментально установленный факт обосновывает целесообразность использования одиночных непаяных впрессовываемых соединений типа Press-Fit для ввода больших токов в силовые цепи печатных плат. Назначать нормы на максимальные токи нагрузки, исходя из ограниченной нагревостойкости материалов контактной сборки, можно по методике, принципиальная основа которой показана в статье.
Заинтересованным предприятиям и организациям следует предпринять разработку и производство контактных штырей типа Press-Fit, специализированных для одиночных токовводов в печатные платы.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Плотников Ф.Г. Непаяные соединения, выполняемые запрессовкой – новый класс соединений на российском рынке электронной техники // Компоненты и технологии. 2001. № 1. С. 32–38.
2. Степанова М.А. Cоединения типа Press-Fit (аналитический обзор) // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2015. № 5 (181). С. 9–11.
3. Медведев А. Соединения типа Press-Fit // Компоненты и технологии. 2006. № 5. С. 28–32.
4. IEC60352-5, Solderless Connections – Part 5: Press-in connections – General requirements, test methods and practical guidance, Edition 3.0, 2008–01.
5. Медведев А. Соединения типа Press-Fit. Непаяные методы соединений супермногослойных печатных плат // Компоненты и технологии. 2006. № 8. С. 48–52.
6. Медведев А. Замечательные свойства непаяных способов неразъемных соединений // Печатный монтаж. 2007. № 6. С. 2–9.
7. Степанова М.А. Непаяные соединения в авионике: прессовое соединение типа Press-Fit // Труды МАИ. Выпуск № 89. С. 14–18.
8. Васильев Ф.В., Ванцов С.В., Медведев А.М., Степанова М.А., Хомутская О.В. Оценка надежности непаяных прессовых соединений по омическому сопротивлению // Надежность и качество сложных систем. 2016. № 3 (15). С. 85–91.
9. Соединители СНП351 – Каталог завода "Электродеталь", г. Карачев.
Производители разъемов с контактами Press-Fit в своих спецификациях указывают предельный ток на контакт [9] в соединителе. Но это указание никак не характеризует токонесущую способность одиночного контакта, отличающуюся от работы группы контактов в разъеме за счет теплофизических свойств монтажного основания, куда впрессовывается штырь. Таким образом, установленные поставщиком соединителей нормы по токонесущей способности каждого из контактов в разъеме не способны дать проектировщику информацию, достаточную для понимания возможности применения одиночных токовводов в своей разработке.
Авторами предложена к рассмотрению методика установления норм по токонесущей способности одиночных контактов с учетом теплоотводящих свойств монтажного основания – печатной платы с массивными медными слоями цепей питания. Одиночными считаются контакты Press-Fit, расположенные на расстоянии, исключающем их значимое тепловое влияние друг на друга, а также взаимовлияние с другими сильно греющимися элементами схемы. Обычно такие контакты располагают по периферии платы.
Непаяное соединение типа Press-Fit (рис.1) представляет собой металлизированное отверстие, в которое впрессован контактный штырь с пружинящей пуклевкой, компенсирующей погрешности в формообразовании сопрягающихся элементов соединения, а также ползучесть диэлектрика основания платы. Далее в тексте контакт Press-Fit и участок платы вокруг него, температура которого существенно зависит от его нагрева, будем для краткости называть контактной сборкой.
Токовый разогрев зоны монтажа токоввода может привести к росту температуры до критического значения, при котором происходят необратимые изменения либо в материалах пружинящей части впрессовываемых контактов – при повышенных температурах они могут релаксировать, теряя упругость (табл.1); либо в материале монтажного основания – для стеклоэпоксидных оснований плат деструктивные процессы развиваются с приближением к температуре стеклования (табл.2); либо в материале корпуса разъема, нагревостойкость которого так или иначе ограничена (табл.3)[2].
Чтобы получить нормы по токонесущей способности одиночных контактных сборок, используемых для мощных токовводов, нужно сначала экспериментально определить зависимость нагрева исследуемых соединений от тока нагрузки. На рис.2 показана схема установки, использованной в эксперименте. На рис.3 в качестве примера приведена часть результатов экспериментальных исследований образцов с характеристиками, показанными в табл. 4.
Однако зависимость нагрева током контактной сборки еще не достаточна для назначения норм токонесущей способности токовводов. Для проектирования важно, каким током можно задаться для нормальной работы контактной сборки. При нагреве током нужно выбрать самый слабый ее элемент, чтобы не допустить его перегрева. Для приведенного в табл. 4 примера, с учетом данных табл. 1–3, приходится ориентироваться на самый слабый элемент, которым в данном случае является материал печатной платы с температурой стеклования 140 °C.
Методика построения графика норм токовой нагрузки проиллюстрирована на рис.4. Принцип определения норм состоит в том, чтобы сумма температуры перегрева током и температуры внешней среды не превышала температуры нагревостойкости слабого звена контактной сборки. Например, для внешней температуры Т1 допустимый перегрев током составляет ΔТ1, что соответствует току нагрузки I1.
На рис.5 показаны полученные таким образом нормы нагрузки током одиночных контактных сборок Press-Fit, исходя из термостойкости материала печатной платы 140 °C. Значения температур перегрева током для построения графика берутся из экспериментальных графиков рис.3.
Исходя из данных рис.5, можно установить, что для предельной температуры эксплуатации, например авионики, равной 120 °C, допустимый ток нагрузки контактной сборки Press-Fit с отверстием 0,6 мм и толщиной фольги в плате 70 мкм составляет 20 А, а для контактной сборки с отверстием 1,0 мм и толщиной фольги в плате 180 мкм – 32 А.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Допустимые токи нагрузки одиночных контактных сборок Press-Fit – печатная плата с массивными слоями цепей питания гораздо больше, чем для группы контактов в корпусе соединителя типа Press-Fit, что обусловлено большим теплоотводом на толстые медные слои цепей питания в печатной плате. Этот экспериментально установленный факт обосновывает целесообразность использования одиночных непаяных впрессовываемых соединений типа Press-Fit для ввода больших токов в силовые цепи печатных плат. Назначать нормы на максимальные токи нагрузки, исходя из ограниченной нагревостойкости материалов контактной сборки, можно по методике, принципиальная основа которой показана в статье.
Заинтересованным предприятиям и организациям следует предпринять разработку и производство контактных штырей типа Press-Fit, специализированных для одиночных токовводов в печатные платы.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Плотников Ф.Г. Непаяные соединения, выполняемые запрессовкой – новый класс соединений на российском рынке электронной техники // Компоненты и технологии. 2001. № 1. С. 32–38.
2. Степанова М.А. Cоединения типа Press-Fit (аналитический обзор) // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2015. № 5 (181). С. 9–11.
3. Медведев А. Соединения типа Press-Fit // Компоненты и технологии. 2006. № 5. С. 28–32.
4. IEC60352-5, Solderless Connections – Part 5: Press-in connections – General requirements, test methods and practical guidance, Edition 3.0, 2008–01.
5. Медведев А. Соединения типа Press-Fit. Непаяные методы соединений супермногослойных печатных плат // Компоненты и технологии. 2006. № 8. С. 48–52.
6. Медведев А. Замечательные свойства непаяных способов неразъемных соединений // Печатный монтаж. 2007. № 6. С. 2–9.
7. Степанова М.А. Непаяные соединения в авионике: прессовое соединение типа Press-Fit // Труды МАИ. Выпуск № 89. С. 14–18.
8. Васильев Ф.В., Ванцов С.В., Медведев А.М., Степанова М.А., Хомутская О.В. Оценка надежности непаяных прессовых соединений по омическому сопротивлению // Надежность и качество сложных систем. 2016. № 3 (15). С. 85–91.
9. Соединители СНП351 – Каталог завода "Электродеталь", г. Карачев.
Отзывы читателей
