某些裝置除錯過程通常需要頻繁地裝卸PCB上的器件，靠螺帽和螺母的傳統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單牢靠。本文將介紹一種僅通過PCB製造工藝就能完成擠壓螺母安裝的方案，可實現螺母批量安裝，其安裝精度、拉脫力、可靠性均能滿足常規使用需求。

   

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向槽，內部有螺紋。在一些產品除錯過程中，需要經常在同一塊PCB更換晶片或器件，擠壓螺母可以安裝到PCB上提供穩固的螺母底座，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裝置逐個進行安裝，且安裝的物件通常為原板材，若對已加工過的成品PCB直接安裝則容易傷及板面。顯然額外引進專用裝置會耗費一些成本，逐個安裝的方式顯得並不效率，對PCB的保護也不夠友好，故下文將提出一些有效的方案以改善當前擠壓螺母PCB生產的狀況。

 

擠壓螺母PCB的製作要點

 

一、關於擠壓螺母的安裝

 

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，如下圖1所示是通過專門的裝置實現擠壓螺母在板材的安裝[1]。常規方案是先把擠壓螺母倒放鐵砧上固定住，並且將板材預開孔部位與螺母平齊對準，然後衝床完成螺母對板材的擠壓，此時即通過壓力使擠壓螺母的花齒擠入板內，使孔的周邊產生塑性變形，變形物被擠入導向槽，從而產生鎖緊的效果。當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準度。

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

(3) 拉脫力，螺母與PCB結合，需要滿足一定的拉脫力，例如產品工作時出現位置變化和晃動，足夠大的拉脫力能使器件緊密與PCB結合，避免器件鬆動導致產品工作失效。

 

三、 擠壓螺母安裝與現有PCB工藝的匹配

 

從現有PCB工藝製作情況來看，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裝置加工，在拼版PCB分片後進行螺母安裝，另一種是先安裝擠壓螺母再對拼版PCB分片，不依賴專用螺母安裝裝置，採用治具與工序配合來完成螺母的安裝。

 

若對拼版PCB分片後再安裝擠壓螺母，這個方案似乎是比較簡單明瞭的，只需拿著成品的PCB安裝好擠壓螺母就能很快出貨，然而產品量較大時衝壓螺母的工作會較為頻繁和耗時。

 

而另一種方案，先安裝螺母再對PCB分板，若能製作相應的治具，整板一次加工就能全部安裝螺母，將節省大量的螺母安裝時間。此時PCB上的螺母凸起會影響分板，但通過治具補齊螺母高度的方式也能夠實現銑外形加工，只是已經不適宜疊板加工外形，這意味著外形工序的總加工耗時提升了，如下表1所示。

表1 專用裝置加工和治具加工方案對比

 

可見兩種方案互有優劣，但考慮到治具安裝方案無需引進額外的裝置，只需要常規制板裝置即能完成擠壓螺母PCB的製作，本文將著重介紹治具安裝方案，解析現有PCB裝置和工藝下的擠壓螺母安裝方法。

 

擠壓螺母的治具安裝方案

 

圖3  擠壓螺母設計圖和引數

 

一、用於擠壓螺母安裝的治具設計   

 

如上圖3所示為一款擠壓螺母的設計圖和引數，參考擠壓螺母的安裝原理，治具應充當底座提供螺母安裝前的預固定，同時要配合PCB進行對位。此時以圖3的擠壓螺母引數為例，準備一塊總厚度與螺母結構T尺寸一致的環氧樹脂板1，加工出直徑為E+0.1mm的通孔，再準備另一塊較厚的環氧樹脂板2作為底板與板1合在一起就大致形成了治具樣式，可使倒放的螺母預固定如下圖4所示。

圖4  含臺階槽的治具結構示意圖

 

治具這樣設計目的有兩個，一方面採用環氧樹脂板能提供足夠的硬度供後續螺母的壓合安裝，另一方面雙層結構使得螺母擺放高度平齊一致，確保螺母后續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中的安裝板孔徑引數。孔徑不宜過大過小，孔徑太大會降低螺母的拉脫力，孔徑太小則會對孔口造成較大損傷。

 

完成PCB上的螺母安裝孔加工後，按如下圖5所示的方式將螺母和PCB預固定好，安裝孔與螺母對應，使用長鉚釘（長度小於PCB和治具的總厚度）插在PCB與治具的定位孔將其預固定。

 

圖5  PCB與螺母預固定在治具上

 

這樣的預固定方式，一方面PCB與治具上的擠壓螺母能準確對位，另一方面長鉚釘能使PCB與螺母結合過程持續對位，降低安裝過程因受力偏差可能導致的移位風險。

 

2、 擠壓螺母的安裝

 

為了完成擠壓螺母的安裝，需要用到層壓裝置提供足夠的壓力使螺母嵌入PCB內，另一方面壓機的壓合過程較為平緩，使螺母安裝後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氧墊板作為緩衝，再在上下表面分別鋪上鋼板，送入壓機內，如下圖6所示。壓機的最大壓力引數調整至常規壓板壓力400psi（約28kgf/cm2），取消溫度升溫。對螺母和PCB的壓合程式，使壓力逐步上升至最大值可使螺母完成嵌入，待壓力穩定10秒，即可鬆壓下板。

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後，將治具取出來，拆下治具上帶有螺母放置孔的板。在外形機臺加工好定位孔後，打上銷釘，先在機臺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

 

進行外型加工時，調整加工下刀的深度，要求銑刀位於治具板表面下沉0.2mm的深度，如下圖8所示。加工完成後僅取下擠壓螺母PCB，而治具留在機臺上，再放置下一塊擠壓螺母PCB進行外形加工，這樣可以使治具板得到重複利用。

 

圖8  外形加工時銑刀的下沉示意圖

 

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，可以通過對試板的螺母安裝位置設定一些圖形線路來輔助判斷觀察。這裡設計了0.2mm的絕緣環以觀察螺母安裝後的偏移狀況能否控制在0.2mm內，當螺母遮住絕緣環寬，則表明螺母的偏移沒有超過設定值，如下圖9所示。

 

圖9 絕緣環設計判定螺母偏移

 

從樣板的螺母安裝情況來看，並未出現螺母完全遮住環寬的情況，表明全部樣板的螺母偏移均在0.2mm內，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

 

為了檢驗螺母的安裝是否平整，這裡採用遊標卡尺測量螺母與PCB的總厚度，某款樣板測量數值如下表2所示。

表2 螺母與PCB厚度測量對比

 

對於同一塊板的不同螺母其平整度極差要求通常不超過0.1mm，然而由上表資料跨板統計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過迴流焊處理3次，板面並無異常，再對螺母外緣附近進行切片分析，切片如下圖11所示，未出現爆板狀況發生。

 

圖11 三次迴流焊外觀及切片效果

 

四、螺母拉脫力測試

 

對於嵌入PCB的螺母，通常要求其能承受不低於100N的拉力或推力測試，測試結果如下表3所示。

 

表3  100N拉力測試結果

 

顯然治具輔助安裝能使擠壓螺母的安裝滿足不低於100N拉脫力的要求。

 

採用治具輔助安裝擠壓螺母的方式製作的擠壓螺母PCB，其位置偏移可控制在0.2mm內，安裝平整度不超過0.1mm，熱可靠性良好，螺母拉脫力大於100N。在沒有專用擠壓螺母安裝裝置的情況下，該製作工藝依然能製作出滿足常規使用要求的擠壓螺母PCB，十分便於推廣至有此類產品製作需求的廠商。PCb打樣請點選：www.jiepei.com/g35