Преимущества метода обжимки методу пайки

Выпускаемая высокотехнологичная современная техника общего и специального назначения интегрируется все большим количеством радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), что соответственно требует дополнительных соединительных устройств и коммутаций электрических цепей и как итог разработку все более технически сложных электропроводных систем.

Сегодня классическое понимание соединения различных пассивных и активных радиоэлектронных компонентов посредством кабельной продукции методом пайки существенно изменилось.

Современными инженерами разработаны и спроектированы инновационные модели и прототипы радиоэлектронных компонентов, дающие возможность осуществлять их монтаж к проводам в РЭА более простыми, прогрессивными и в тоже время не менее надежными способами по сравнению с классической пайкой. К таким способам соединения относятся механическая и термоусаживаемая обжимка, ультразвуковая, контактная и лазерная сварка, врезка, накрутка и другие способы.

Те, кто сталкивался с предварительной обработкой проводов и дальнейшим соединением их с контактами разъемов и выполнял даже самые технически простые операции, то сразу смог оценить и понять, насколько эти действия трудоемки. Порой даже самая простая операция по зачистке изоляции проводов без специального инструмента и определенной подготовки может стать значительной проблемой, это не говоря о более серьезных и технически сложных операциях.

На многих отечественных предприятиях электронной промышленности предварительная обработка проводов и последующее их соединение с другими электрокомпонентами до сих пор является второстепенным производственным процессом и как правило ему не уделяется должное технологическое и организационное внимание.

С развитием рыночной конкуренции требования к надежности и качеству выпускаемой продукции постоянно повышаются. Разумно, что без надежных и качественных соединений проводов с электросоединителями достаточно трудно выдержать заданные электротехнические параметры РЭА и электротехнических изделий в целом.

Безусловно, всем понятно, что брак в большинстве случаев дешевле и проще предотвратить, чем устранять его потом или даже его последствия. Таким образом, чем раньше будет обнаружено несоответствие конечного изделия заданным параметрам, тем меньше в итоге будет потерь.

Контроль качества — залог успеха!

Классификация прямоугольных электрических соединителей по способу установки и монтажа в РЭА.

Способы установки и монтажа прямоугольных электрических соединителей подразделяются на следующие типы:

• Объемный монтаж.
• Печатный монтаж.
• Монтаж на ленточный кабель.
• Комбинированный монтаж и др.

В свою очередь каждый из перечисленных выше типов монтажа имеет различные виды и свои особенности. Рассмотрим основные из них.

1. Объемный монтаж может осуществляться:

методом контактной сварки или подпайки проводов к хвостовикам контактов, при этом контакты должны быть подобраны соответственно в зависимости от места их установки;
методом механического крепления проводов к хвостовикам контактов: способом обжимки (как правило, используется спец. инструмент под каждый тип контакта и провода) и достаточно редким способом накрутки (навивки).

2. Печатный монтаж может производиться:

• методом установки контактов хвостовиками в отверстия печатной платы с последующей их пайкой: паяльником;
• на паяльной станции горячим воздухом;
• в печах с инфракрасным излучением; на установке пайки волной и прочими способами;
• методом запрессовки хвостовиков контактов специальной конструкции в отверстия печатной платы;
• методом поверхностного монтажа на контактные дорожки печатной платы;
• методом поверхностного монтажа на контактные дорожки печатной платы: с одной стороны печатной платы или одновременно с двух ее сторон.

3. Монтаж на ленточный кабель методом прокаливания.

4. Комбинированный монтаж.

Методы создания монтажных электрических соединений.

Методы создания электросоединений основаны на прямом контакте соединяемых материалов и использовании в зоне соединения промежуточных материалов (см. рис.1). Непосредственное контактирование соединяемых материалов осуществляют под воздействием давления (накрутка, холодная сварка, обжимка), теплоты и давления (различные способы сварки), давления и физического воздействия (метод УЗ сварки). Соединения с промежуточными материалами в виде токопроводящего клея (склеивание) или присадок припоя (пайка) реализуют под действием давления и теплоты.

Основные требования, предъявляемые при монтаже ЭА к электрическим соединениям :

• минимальное электрическое переходное сопротивление в зоне контакта;
• механическая прочность, наиболее близкая к прочности соединяемых материалов;
• стабильность механических и электрических параметров с течением времени при внешних воздействиях;
• высокая долговечность и надежность работы в заданных условиях эксплуатации;
• экономичность и технологичность процесса производства;
• точность, достоверность и легкость контроля качества.

Рис.1 Классификация методов выполнения электрических соединений

Электрические соединения методом пайки нашли наиболее широкое применение при монтаже ЭА благодаря своим следующим достоинствам: стабильному и низкому электрическому сопротивлению, легкости автоматизации, большому спектру номенклатуры соединяемых металлов, ремонтопригодности и контролю. К недостаткам паяных соединений можно отнести высокую стоимость цветных металлов используемых при работе, низкую термостойкость и необходимость удаления остатков флюса.

По сравнению с паяными, сварные электрические соединения имеют следующие преимущества: более высокая механическая прочность, меньшая площадь контакта и отсутствие необходимости использования присадочного материала. К недостаткам сварных соединений следует отнести: высокую значимость выбора сочетаний материалов, повышенное переходное сопротивление из-за образования интерметаллидов, меньшая ремонтопригодность и сложность группового контактирования.

Накрутка (навивка) — соединение оголенного провода (проводника) со штыревым выводом контакта, имеющим острые кромки, путем навивки проводника на вывод контакта с определенным усилием. При этом кромки штыря вывода частично деформируются и врезаясь в провод, разрушают тем самым на нем оксидную пленку и образуя таким образом газонепроницаемое соединение. Значительное давление (до 15—20 МПа) и концентрация напряжений в зоне контакта обусловливают взаимную диффузию металлов, что способствует повышению надежности соединений.

Табл. 1. Параметры электрических соединений

Вид соединения	Переходное сопротивле-ние Rпер, мОм	ПрочностьР, МПа	Интенсивность отказов  1·10-9, ч–1	Тепловое сопротивле-ние Rт, °С/Вт
Сварка	0,01—1	100—500	0,1—3,0	0,001
Накрутка	1—2	60—80	0,2—0,5	0,0005
Пайка	2—5	40—50	1—10	0,002
Обжимка	1—10	20—50	2—5	0,001
Токопроводящим клеем	(1—10) Ом·м	5—10	50	5,0

Обжимка — способ, под действием которого образуется контактное соединение под действием достаточно сильной пластической деформации соединяемых элементов.

Результатом обжимки является прочное, газо- и вибростойкое соединение между соединяемыми элементами, обусловленное холодной текучестью контактирующих поверхностей.

В отличие от припоев, токопроводящие клеи отверждаются при гораздо более низких температурах, тем самым не вызывая изменения структуры материалов в соединяемых элементах. Контактолы, они же токопроводящие клеи, относятся к гетерогенным структурам, связующими в которых являются различные смолы, а наполнителями — порошки золота, серебра, палладия, меди, графита и никеля. Большую часть таких клеев изготавливают на основе эпоксидных, силиконовых и уретановых композиций.

Обжимка

В настоящее время многие отечественные предприятия ракетно-космической отрасли используют пайку, как способ электрических соединений. В то же время предприятия NASA и ESA пайке предпочитают обжимку.

Обжимка — способ постоянного соединения двух или более элементов, которое осуществляется путем сильной пластической деформации соединяемых поверхностей. Разъединить обжимное соединение возможно только с разрушением, без возможности повторного использования. Суть обжимки состоит в том, что в хвостовую часть, имеющей форму втулки, соединительного элемента 2 помещают оголенный провод 1 и обжимают специальным инструментом (рис. 2).

 

Рис. 2. Соединение обжимкой

Вследствие высокого удельного давления, соединяемые металлические элементы подвергаются сильной пластической деформации, и в результате холодной текучести контактирующих поверхностей между соединенными элементами возникает интенсивный молекулярный контакт. После процесса пластической деформации соединяемые поверхности сжимаются с определенной силой, под действием остаточной упругой деформации. Такое соединение обладает высокой проводимостью, вибростойкостью, теплостойкостью и газостойкостью.

Механическое соединение считается годным тогда, когда его прочность на разрыв больше, чем прочность на растяжение.

Обжимка уже давно используется в электротехнической аппаратуре сильных токов для непаяных соединений кабельных наконечников, за последние 10—15 лет её применение в электронике значительно увеличилось. Площадь эффективной контактной поверхности должна составлять от 200 до 400 % площади сечения соединяемых проводов. В качестве материалов обжимных втулок используется медь бронза или бронза с защитным гальваническим покрытием. Обжимка выполняются с помощью специальных инструментов, таких как пистолеты, имеющие производительность до 500 соединений в час или полуавтоматы (до 2000 соединений в час) и работающие на сжатом воздухе. Прочность обжимных соединений определяется силой растяжения, которая равна приблизительно 80 Н для провода 0,5 мм в диаметре.

Экономия при использовании способа обжимки вместо метода пайки достигается, во-первых, благодаря повышению производительности труда, а во-вторых, за счет практически 100% воспроизводимости качества обжимного соединения, в то время как качество паяного соединения в основном зависит от профессионализма монтажника.

Какой же из вышесказанного можно сделать вывод? Для предприятий-производителей одноразовой продукции, служащей не больше одного года и после выхода из строя просто выкидывающейся или утилизирующейся, скорее всего, нет смысла задумываться над этим вопросом. Но если же компания не желает иметь проблем с качеством своей выпускаемой продукции и предпочитает обходиться без незапланированных расходов по ее гарантийному ремонту или полному обмену, то существует как минимум два варианта решения этой проблемы. Во-первых, необходимо использовать специальные инструменты и оборудование и вместе с тем минимизировать расходы них, предварительно уменьшив количество разных соединителей и проводов в изделиях до 2–3 типов (в большинстве типичных случаев это вполне реально). А во-вторых, можно взять во внимание опыт зарубежных фирм, независимо от их размера и специфики. А именно — заказать готовые жгуты и кабельные сборки на предприятии, специализирующемся на производстве таковых, имеющем все необходимое оборудование для полного технологического процесса от момента приемки комплектующих, до надлежащего контроля качества готовой сборки. Предприятии, имеющем штат квалифицированных, с богатым опытом специалистов, которые с профессиональным подходом избавят вас от вопросов, какой провод взять, как его подготовить, где и как соединить его с контактом. Естественно, это не бесплатно, но посчитайте — оно того стоит.

По оценкам специалистов, порядка 50% отказов РЭА происходит именно из-за неудовлетворительного качества либо самих электрических соединителей, либо качества их соединения с другими элементами или по другим причинам связанных с этим. Если рассмотреть саму структуру отказов РЭА, связанных с соединителями, то можно увидеть, что около 30–35% из них — отказы, произошедшие не из-за низкого качества самих соединителей, а потому, что были допущены ошибки в процессе их изготовления и использования. К таким ошибкам относятся:

• неправильно выбранный по электрическим характеристикам тип соединителя;
  неправильно произведенный монтаж (наиболее частая ошибка);
• условия эксплуатации не соответствуют физическим свойствам соединителя.

На сегодняшний день производителям приходится ориентироваться на зарубежные стандарты: ISO, NASA, DIN, WHMA, IPC и др. Так же необходимые данные к требованиям по качеству обжима не редко можно получить и у самих производителей контактов. Так, например, фирма AMP предоставляет для многих своих контактов геометрические параметры для обжима и требования по усилию на разрыв. В первую очередь нужно ориентироваться на стандарты, соответствующие требованиям стандарта менеджмента и качества ISO 9001:2000, к таким относятся: NASA STD 8739.4, DIN-41611, SAE-AS-7928, UL486C и UL486A. Наиболее подробно все требования изложены в стандарте IPC/WHMA-A-620, разработанном на основании всех вышеперечисленных стандартов под контролем производителями жгутов и проводов IPC и TE Connectivity.

ООО «Промтехкомплект Украина» поставляет электросоединители и аксессуары к ним (под пайку и обжимку) производителей C&K Components (Франция) и SOURIAU (Франция), являясь их официальным эксклюзивным дистрибьютором на территории России.

Также ООО «Промтехкомплект Украина» является официальным дистрибьютором таких предприятий – изготовителей как AXON`Cable (Франция), Hypertronics Corporation (США), Deutsch (Франция), Radiall (Франция), Tyco RAYCHEM (Англия), Sabritec (США), GlenAir (США), Amphenol Corporation (США), Draka Fileka (Франция), LEACH International EUROPE S.A. (Франция).

Обработка кабелей и проводов.

Обработка кабелей и проводов при соединении их с устройствами коммутации, электрическими соединителями или другими радиоэлектронными компонентами в общем случае включает в себя такие технологические процессы, как:

• размерная резка;
• зачистка изоляции;
• скручивание проволок в жиле провода;
• лужение жил провода;
• формование жгутов проводов, бандажирование и защита их от механических повреждений, ЭМИ и прочих помех;
• маркирование жгутов проводов, кабельных сборок или отдельных проводов.

Для конкретных методов объемного монтажа (пайка, сварка, накрутка, врезка, обжимка и т. д.) перечень вышеизложенных операций может уменьшаться или, наоборот, дополняться специфическими технологическими операциями. Начиная еще с 1940-х годов и до настоящего времени основным направлением модернизации кабельной продукции является постоянное снижение веса проводов. При этом неизменными остаются общие требования относительно увеличения срока службы проводов при стремительном росте интенсивности их эксплуатации. В период 1940–1950-х годов в РЭА применялись провода с достаточно большим диаметром проводника и изоляции. Но с модернизацией медного сплава и разработкой новых изоляционных материалов к 1990-м годам уже получали провода, которые уже примерно на 70% были легче веса аналогичных старых проводов. Этот факт очень важен для авионики и проводных систем летательных аппаратов.

В современной РЭА, и особенно в электротехнике и проводных системах аэрокосмической отрасли в частности, где каждый из подсоединяемых проводов должен быть промаркирован, поэтому необходимо обеспечить нанесение на провода качественной маркировки в необходимом объеме. Учитывая тенденцию в мире к постоянному уменьшению диаметров проводов, а соответственно, и эффективных площадей под нанесение маркировки, задача качественного маркирования становится все более и более сложной сложной. Этот факт очень важен для авионики и проводных систем летательных аппаратов.

Традиционные методы маркировки проводов и кабелей насчитывают несколько способов:

маркировка на пластмассовых трубках (на провод в необходимых местах устанавливаются отрезки трубок с нанесенной маркировкой),
термотиснение (вжигание цветной фольги в изоляцию провода),
струйный метод более совершенный метод — маркировка ИК-лазером.
Но они все не обеспечивают должным образом требуемого качества по четкости, электропрочности изоляции после маркировки, стойкости к истиранию и других параметров.

ООО «Промтехкомплект Украина» имеет возможность поставлять провода и кабели таких изготовителей, как Tyco, Axon, Draka, Nexans. Tyco Electronics производит провода по спецификациям SPEC44, SPEC 55A/55PC, особо гибкий кабель SPEC82A, провода для ЛПИ МКИО по MIL-STD-1553B. Axon производит коаксиальные кабели и кабельные сборки, облегченный алюминиевый провод, оптический кабель, ЛПИ МКИО по MIL-STD-1553B Провода по ESA/SCC 3901 001, 002, 012, 019. Draka производит провода и кабели авиационного применения по стандартам EN2267, EN2714.

Поставляются также термоусаживаемые изделия Tyco и Glenair:

• формовые части;
• разветвители;
• термоусаживаемые трубки;
• припоечные муфты сращивания.

Tyco предлагает следующие способы маркировки провода и кабеля:

• этикетки, оборачиваемые вокруг кабеля;
• этикетки на кабельных поясках;
• написанные от руки этикетки;
• одеваемые/прикрепляемые маркеры;
• вставляемые маркеры;
• лазерная либо струйная печать, наносимая непосредственно на провод;
• трубки горячего тиснения;
• трубки с печатью на принтере;
• гравированные шильдики;
  … и многое другое.

ООО «Промтехкомплект Украина» поставляет оборудование для:

• автоматической резки;
• автоматической зачистки;
• автоматического обжатия контактов;
• автоматического испытания жгутов и др.

Обеспечение и поддержка высокого качества производимой продукции, поиск современных и перспективных решений механизации и автоматизации технологических процессов и снижение трудоемкости — одни из главных задач любого производства.

Процессы обработки проводов и последующее изготовление жгутов и кабельных сборок, предусматривающие в своем составе электросоединители, относятся к типам производств, у которых свойственно большое количество сложных и трудоемких технологических процессов. Поэтому от точного соблюдения и качественного выполнения этих процессов в итоге зависит надежность работы РЭА и оснащенных ею изделий.

Так же стоит отметить, что внедрение и использование новых технологий обработки кабелей и проводов и дальнейшее присоединение их к штыревым выводам электрических контактов требует постоянного повышения уровня квалификаций и знаний в этой области. Этот факт подтверждает и опыт работы ООО «Промтехкомплект Украина» с предприятиями, начинающими применять современные электрические соединители с современными способами заделки проводов к контактам.

У специалистов этих предприятий возникает много вопросов по технологии заделки проводов и электросоединителей. Среди таких предприятий можно отметить ОАО «ИСС им. академика М.Ф.Решетнева», ФГУП «НПО им. С.А.Лавочкина» и др. Специалисты ООО «Промтехкомплект Украина» проводят работы в рамках технологического сотрудничества с предприятиями ракетно-космической отрасли (консультации по соединителям, поиск, подбор и другие технические решения).