一種僅通過(guò)PCB制造工藝就能完成擠壓螺母安裝的方案

某些設(shè)備調(diào)試過(guò)程通常需要頻繁地裝卸PCB上的器件，靠螺帽和螺母的傳統(tǒng)緊固方式操作較為麻煩。若安裝擠壓螺母固定在PCB上，將使器件裝卸變得簡(jiǎn)單牢靠。本文將介紹一種僅通過(guò)PCB制造工藝就能完成擠壓螺母安裝的方案，可實(shí)現(xiàn)螺母批量安裝，其安裝精度、拉脫力、可靠性均能滿足常規(guī)使用需求。

擠壓螺母是一種外形呈圓形的緊固螺母，一端帶有壓花齒及導(dǎo)向槽，內(nèi)部有螺紋。在一些產(chǎn)品調(diào)試過(guò)程中，需要經(jīng)常在同一塊PCB更換芯片或器件，擠壓螺母可以安裝到PCB上提供穩(wěn)固的螺母底座，以配合螺桿緊固器件。

圖1擠壓螺母

然而擠壓螺母通常需要依靠專門設(shè)備逐個(gè)進(jìn)行安裝，且安裝的對(duì)象通常為原板材，若對(duì)已加工過(guò)的成品PCB直接安裝則容易傷及板面。顯然額外引進(jìn)專用設(shè)備會(huì)耗費(fèi)一些成本，逐個(gè)安裝的方式顯得并不效率，對(duì)PCB的保護(hù)也不夠友好，故下文將提出一些有效的方案以改善當(dāng)前擠壓螺母PCB生產(chǎn)的狀況。

擠壓螺母PCB的制作要點(diǎn)

一、關(guān)于擠壓螺母的安裝

擠壓螺母的安裝主要是把螺母帶有花齒的一端嵌入板材內(nèi)，如下圖1所示是通過(guò)專門的設(shè)備實(shí)現(xiàn)擠壓螺母在板材的安裝[1]。常規(guī)方案是先把擠壓螺母倒放鐵砧上固定住，并且將板材預(yù)開(kāi)孔部位與螺母平齊對(duì)準(zhǔn)，然后沖床完成螺母對(duì)板材的擠壓，此時(shí)即通過(guò)壓力使擠壓螺母的花齒擠入板內(nèi)，使孔的周邊產(chǎn)生塑性變形，變形物被擠入導(dǎo)向槽，從而產(chǎn)生鎖緊的效果。當(dāng)螺母的花齒完全嵌入板材，即完成螺母在板材上的安裝。

圖2 擠壓螺母常規(guī)安裝流程

二、 擠壓螺母PCB的要求

擠壓螺母在PCB上的安裝，通常需要滿足位置精度、平整度、拉脫力這三個(gè)基本的要求。

(1)位置精度，即螺母安裝在PCB指定位置的偏移程度，螺母安裝的偏移量不允許太大，否則將影響緊固器件的安裝對(duì)準(zhǔn)度。

(2)平整度，指的是螺母安裝后其頂端的面與PCB表面的平行程度，平整度太差會(huì)導(dǎo)致緊固器件傾斜，影響器件與PCB的接觸。

(3)拉脫力，螺母與PCB結(jié)合，需要滿足一定的拉脫力，例如產(chǎn)品工作時(shí)出現(xiàn)位置變化和晃動(dòng)，足夠大的拉脫力能使器件緊密與PCB結(jié)合，避免器件松動(dòng)導(dǎo)致產(chǎn)品工作失效。

三、 擠壓螺母安裝與現(xiàn)有PCB工藝的匹配

從現(xiàn)有PCB工藝制作情況來(lái)看，在PCB上安裝擠壓螺母可大致分為兩種方案，一種是專用螺母安裝設(shè)備加工，在拼版PCB分片后進(jìn)行螺母安裝，另一種是先安裝擠壓螺母再對(duì)拼版PCB分片，不依賴專用螺母安裝設(shè)備，采用治具與工序配合來(lái)完成螺母的安裝。

若對(duì)拼版PCB分片后再安裝擠壓螺母，這個(gè)方案似乎是比較簡(jiǎn)單明了的，只需拿著成品的PCB安裝好擠壓螺母就能很快出貨，然而產(chǎn)品量較大時(shí)沖壓螺母的工作會(huì)較為頻繁和耗時(shí)。

而另一種方案，先安裝螺母再對(duì)PCB分板，若能制作相應(yīng)的治具，整板一次加工就能全部安裝螺母，將節(jié)省大量的螺母安裝時(shí)間。此時(shí)PCB上的螺母凸起會(huì)影響分板，但通過(guò)治具補(bǔ)齊螺母高度的方式也能夠?qū)崿F(xiàn)銑外形加工，只是已經(jīng)不適宜疊板加工外形，這意味著外形工序的總加工耗時(shí)提升了，如下表1所示。

表1 專用設(shè)備加工和治具加工方案對(duì)比

可見(jiàn)兩種方案互有優(yōu)劣，但考慮到治具安裝方案無(wú)需引進(jìn)額外的設(shè)備，只需要常規(guī)制板設(shè)備即能完成擠壓螺母PCB的制作，本文將著重介紹治具安裝方案，解析現(xiàn)有PCB設(shè)備和工藝下的擠壓螺母安裝方法。

擠壓螺母的治具安裝方案

一、用于擠壓螺母安裝的治具設(shè)計(jì)

圖3 擠壓螺母設(shè)計(jì)圖和參數(shù)

如上圖3所示為一款擠壓螺母的設(shè)計(jì)圖和參數(shù)，參考擠壓螺母的安裝原理，治具應(yīng)充當(dāng)?shù)鬃峁┞菽赴惭b前的預(yù)固定，同時(shí)要配合PCB進(jìn)行對(duì)位。此時(shí)以圖3的擠壓螺母參數(shù)為例，準(zhǔn)備一塊總厚度與螺母結(jié)構(gòu)T尺寸一致的環(huán)氧樹(shù)脂板1，加工出直徑為E+0.1mm的通孔，再準(zhǔn)備另一塊較厚的環(huán)氧樹(shù)脂板2作為底板與板1合在一起就大致形成了治具樣式，可使倒放的螺母預(yù)固定如下圖4所示。

圖4含臺(tái)階槽的治具結(jié)構(gòu)示意圖

治具這樣設(shè)計(jì)目的有兩個(gè)，一方面采用環(huán)氧樹(shù)脂板能提供足夠的硬度供后續(xù)螺母的壓合安裝，另一方面雙層結(jié)構(gòu)使得螺母擺放高度平齊一致，確保螺母后續(xù)安裝可獲得較高的平整度。

二、治具輔助安裝擠壓螺母的方式

1、PCB與擠壓螺母的預(yù)固定

首先PCB上要加工出螺母的安裝孔，參考圖3中的安裝板孔徑參數(shù)?？讖讲灰诉^(guò)大過(guò)小，孔徑太大會(huì)降低螺母的拉脫力，孔徑太小則會(huì)對(duì)孔口造成較大損傷。

完成PCB上的螺母安裝孔加工后，按如下圖5所示的方式將螺母和PCB預(yù)固定好，安裝孔與螺母對(duì)應(yīng)，使用長(zhǎng)鉚釘（長(zhǎng)度小于PCB和治具的總厚度）插在PCB與治具的定位孔將其預(yù)固定。

圖5PCB與螺母預(yù)固定在治具上

這樣的預(yù)固定方式，一方面PCB與治具上的擠壓螺母能準(zhǔn)確對(duì)位，另一方面長(zhǎng)鉚釘能使PCB與螺母結(jié)合過(guò)程持續(xù)對(duì)位，降低安裝過(guò)程因受力偏差可能導(dǎo)致的移位風(fēng)險(xiǎn)。

2、 擠壓螺母的安裝

為了完成擠壓螺母的安裝，需要用到層壓設(shè)備提供足夠的壓力使螺母嵌入PCB內(nèi)，另一方面壓機(jī)的壓合過(guò)程較為平緩，使螺母安裝后能得到較好的平整度。

壓合前，在治具的下面和PCB上面均放置一塊較薄的環(huán)氧墊板作為緩沖，再在上下表面分別鋪上鋼板，送入壓機(jī)內(nèi)，如下圖6所示。壓機(jī)的最大壓力參數(shù)調(diào)整至常規(guī)壓板壓力400psi（約28kgf/cm2），取消溫度升溫。對(duì)螺母和PCB的壓合程序，使壓力逐步上升至最大值可使螺母完成嵌入，待壓力穩(wěn)定10秒，即可松壓下板。

圖6 擠壓螺母壓合前的疊板樣式示意圖

三、擠壓螺母PCB的外形加工

完成擠壓螺母的安裝后，將治具取出來(lái)，拆下治具上帶有螺母放置孔的板。在外形機(jī)臺(tái)加工好定位孔后，打上銷釘，先在機(jī)臺(tái)鋪上帶螺母安裝孔的治具板，再放擠壓螺母PCB，按下圖7的樣式疊放。

圖7外形加工前的擠壓螺母PCB疊放示意圖

進(jìn)行外型加工時(shí)，調(diào)整加工下刀的深度，要求銑刀位于治具板表面下沉0.2mm的深度，如下圖8所示。加工完成后僅取下擠壓螺母PCB，而治具留在機(jī)臺(tái)上，再放置下一塊擠壓螺母PCB進(jìn)行外形加工，這樣可以使治具板得到重復(fù)利用。

圖8 外形加工時(shí)銑刀的下沉示意圖

擠壓螺母的治具輔助安裝效果

一、螺母安裝的位置偏移情況

為了更直觀地判斷治具輔助安裝方案的螺母位置偏移狀況，可以通過(guò)對(duì)試板的螺母安裝位置設(shè)置一些圖形線路來(lái)輔助判斷觀察。這里設(shè)計(jì)了0.2mm的絕緣環(huán)以觀察螺母安裝后的偏移狀況能否控制在0.2mm內(nèi)，當(dāng)螺母遮住絕緣環(huán)寬，則表明螺母的偏移沒(méi)有超過(guò)設(shè)定值，如下圖9所示。

圖9 絕緣環(huán)設(shè)計(jì)判定螺母偏移

從樣板的螺母安裝情況來(lái)看，并未出現(xiàn)螺母完全遮住環(huán)寬的情況，表明全部樣板的螺母偏移均在0.2mm內(nèi)，如下圖10所示。

圖10 樣板的螺母偏移情況

二、 螺母安裝的平整度

為了檢驗(yàn)螺母的安裝是否平整，這里采用游標(biāo)卡尺測(cè)量螺母與PCB的總厚度，某款樣板測(cè)量數(shù)值如下表2所示。

表2 螺母與PCB厚度測(cè)量對(duì)比

對(duì)于同一塊板的不同螺母其平整度極差要求通常不超過(guò)0.1mm，然而由上表數(shù)據(jù)跨板統(tǒng)計(jì)最大值與最小值相差僅0.05mm，顯然治具輔助方案能使螺母安裝得到較好的平整度控制。

三、擠壓螺母PCB的熱可靠性

將擠壓螺母PCB過(guò)回流焊處理3次，板面并無(wú)異常，再對(duì)螺母外緣附近進(jìn)行切片分析，切片如下圖11所示，未出現(xiàn)爆板狀況發(fā)生。

圖11三次回流焊外觀及切片效果

四、螺母拉脫力測(cè)試

對(duì)于嵌入PCB的螺母，通常要求其能承受不低于100N的拉力或推力測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下表3所示。

表3 100N拉力測(cè)試結(jié)果

顯然治具輔助安裝能使擠壓螺母的安裝滿足不低于100N拉脫力的要求。

采用治具輔助安裝擠壓螺母的方式制作的擠壓螺母PCB，其位置偏移可控制在0.2mm內(nèi)，安裝平整度不超過(guò)0.1mm，熱可靠性良好，螺母拉脫力大于100N。在沒(méi)有專用擠壓螺母安裝設(shè)備的情況下，該制作工藝依然能制作出滿足常規(guī)使用要求的擠壓螺母PCB，十分便于推廣至有此類產(chǎn)品制作需求的廠商。