一种仅通过PCB制造工艺就能完成挤压螺母安装的方案

某些设备调试过程通常需要频繁地装卸PCB上的器件，靠螺帽和螺母的传统紧固方式操作较为麻烦。若安装挤压螺母固定在PCB上，将使器件装卸变得简单牢靠。本文将介绍一种仅通过PCB制造工艺就能完成挤压螺母安装的方案，可实现螺母批量安装，其安装精度、拉脱力、可靠性均能满足常规使用需求。

挤压螺母是一种外形呈圆形的紧固螺母，一端带有压花齿及导向槽，内部有螺纹。在一些产品调试过程中，需要经常在同一块PCB更换芯片或器件，挤压螺母可以安装到PCB上提供稳固的螺母底座，以配合螺杆紧固器件。

图1  挤压螺母

然而挤压螺母通常需要依靠专门设备逐个进行安装，且安装的对象通常为原板材，若对已加工过的成品PCB直接安装则容易伤及板面。显然额外引进专用设备会耗费一些成本，逐个安装的方式显得并不效率，对PCB的保护也不够友好，故下文将提出一些有效的方案以改善当前挤压螺母PCB生产的状况。

挤压螺母PCB的制作要点

一、关于挤压螺母的安装

挤压螺母的安装主要是把螺母带有花齿的一端嵌入板材内，如下图1所示是通过专门的设备实现挤压螺母在板材的安装[1]。常规方案是先把挤压螺母倒放铁砧上固定住，并且将板材预开孔部位与螺母平齐对准，然后冲床完成螺母对板材的挤压，此时即通过压力使挤压螺母的花齿挤入板内，使孔的周边产生塑性变形，变形物被挤入导向槽，从而产生锁紧的效果。当螺母的花齿完全嵌入板材，即完成螺母在板材上的安装。

图2  挤压螺母常规安装流程

二、 挤压螺母PCB的要求

挤压螺母在PCB上的安装，通常需要满足位置精度、平整度、拉脱力这三个基本的要求。

(1) 位置精度，即螺母安装在PCB指定位置的偏移程度，螺母安装的偏移量不允许太大，否则将影响紧固器件的安装对准度。

(2) 平整度，指的是螺母安装后其顶端的面与PCB表面的平行程度，平整度太差会导致紧固器件倾斜，影响器件与PCB的接触。

(3) 拉脱力，螺母与PCB结合，需要满足一定的拉脱力，例如产品工作时出现位置变化和晃动，足够大的拉脱力能使器件紧密与PCB结合，避免器件松动导致产品工作失效。

三、 挤压螺母安装与现有PCB工艺的匹配

从现有PCB工艺制作情况来看，在PCB上安装挤压螺母可大致分为两种方案，一种是专用螺母安装设备加工，在拼版PCB分片后进行螺母安装，另一种是先安装挤压螺母再对拼版PCB分片，不依赖专用螺母安装设备，采用治具与工序配合来完成螺母的安装。

若对拼版PCB分片后再安装挤压螺母，这个方案似乎是比较简单明了的，只需拿着成品的PCB安装好挤压螺母就能很快出货，然而产品量较大时冲压螺母的工作会较为频繁和耗时。

而另一种方案，先安装螺母再对PCB分板，若能制作相应的治具，整板一次加工就能全部安装螺母，将节省大量的螺母安装时间。此时PCB上的螺母凸起会影响分板，但通过治具补齐螺母高度的方式也能够实现铣外形加工，只是已经不适宜叠板加工外形，这意味着外形工序的总加工耗时提升了，如下表1所示。

表1 专用设备加工和治具加工方案对比

可见两种方案互有优劣，但考虑到治具安装方案无需引进额外的设备，只需要常规制板设备即能完成挤压螺母PCB的制作，本文将着重介绍治具安装方案，解析现有PCB设备和工艺下的挤压螺母安装方法。

挤压螺母的治具安装方案

一、用于挤压螺母安装的治具设计

图3  挤压螺母设计图和参数 

如上图3所示为一款挤压螺母的设计图和参数，参考挤压螺母的安装原理，治具应充当底座提供螺母安装前的预固定，同时要配合PCB进行对位。此时以图3的挤压螺母参数为例，准备一块总厚度与螺母结构T尺寸一致的环氧树脂板1，加工出直径为E+0.1mm的通孔，再准备另一块较厚的环氧树脂板2作为底板与板1合在一起就大致形成了治具样式，可使倒放的螺母预固定如下图4所示。

图4  含台阶槽的治具结构示意图

治具这样设计目的有两个，一方面采用环氧树脂板能提供足够的硬度供后续螺母的压合安装，另一方面双层结构使得螺母摆放高度平齐一致，确保螺母后续安装可获得较高的平整度。

二、治具辅助安装挤压螺母的方式

1、PCB与挤压螺母的预固定

首先PCB上要加工出螺母的安装孔，参考图3中的安装板孔径参数。孔径不宜过大过小，孔径太大会降低螺母的拉脱力，孔径太小则会对孔口造成较大损伤。

完成PCB上的螺母安装孔加工后，按如下图5所示的方式将螺母和PCB预固定好，安装孔与螺母对应，使用长铆钉（长度小于PCB和治具的总厚度）插在PCB与治具的定位孔将其预固定。

图5  PCB与螺母预固定在治具上

这样的预固定方式，一方面PCB与治具上的挤压螺母能准确对位，另一方面长铆钉能使PCB与螺母结合过程持续对位，降低安装过程因受力偏差可能导致的移位风险。

2、 挤压螺母的安装

为了完成挤压螺母的安装，需要用到层压设备提供足够的压力使螺母嵌入PCB内，另一方面压机的压合过程较为平缓，使螺母安装后能得到较好的平整度。

压合前，在治具的下面和PCB上面均放置一块较薄的环氧垫板作为缓冲，再在上下表面分别铺上钢板，送入压机内，如下图6所示。压机的最大压力参数调整至常规压板压力400psi（约28kgf/cm2），取消温度升温。对螺母和PCB的压合程序，使压力逐步上升至最大值可使螺母完成嵌入，待压力稳定10秒，即可松压下板。

图6  挤压螺母压合前的叠板样式示意图

三、挤压螺母PCB的外形加工

完成挤压螺母的安装后，将治具取出来，拆下治具上带有螺母放置孔的板。在外形机台加工好定位孔后，打上销钉，先在机台铺上带螺母安装孔的治具板，再放挤压螺母PCB，按下图7的样式叠放。

图7  外形加工前的挤压螺母PCB叠放示意图

进行外型加工时，调整加工下刀的深度，要求铣刀位于治具板表面下沉0.2mm的深度，如下图8所示。加工完成后仅取下挤压螺母PCB，而治具留在机台上，再放置下一块挤压螺母PCB进行外形加工，这样可以使治具板得到重复利用。

图8  外形加工时铣刀的下沉示意图

挤压螺母的治具辅助安装效果

一、螺母安装的位置偏移情况

为了更直观地判断治具辅助安装方案的螺母位置偏移状况，可以通过对试板的螺母安装位置设置一些图形线路来辅助判断观察。这里设计了0.2mm的绝缘环以观察螺母安装后的偏移状况能否控制在0.2mm内，当螺母遮住绝缘环宽，则表明螺母的偏移没有超过设定值，如下图9所示。

图9 绝缘环设计判定螺母偏移

从样板的螺母安装情况来看，并未出现螺母完全遮住环宽的情况，表明全部样板的螺母偏移均在0.2mm内，如下图10所示。

图10 样板的螺母偏移情况

二、 螺母安装的平整度

为了检验螺母的安装是否平整，这里采用游标卡尺测量螺母与PCB的总厚度，某款样板测量数值如下表2所示。

表2 螺母与PCB厚度测量对比

对于同一块板的不同螺母其平整度极差要求通常不超过0.1mm，然而由上表数据跨板统计最大值与最小值相差仅0.05mm，显然治具辅助方案能使螺母安装得到较好的平整度控制。

三、挤压螺母PCB的热可靠性

将挤压螺母PCB过回流焊处理3次，板面并无异常，再对螺母外缘附近进行切片分析，切片如下图11所示，未出现爆板状况发生。

图11 三次回流焊外观及切片效果

四、螺母拉脱力测试

对于嵌入PCB的螺母，通常要求其能承受不低于100N的拉力或推力测试，测试结果如下表3所示。

表3  100N拉力测试结果

显然治具辅助安装能使挤压螺母的安装满足不低于100N拉脱力的要求。

采用治具辅助安装挤压螺母的方式制作的挤压螺母PCB，其位置偏移可控制在0.2mm内，安装平整度不超过0.1mm，热可靠性良好，螺母拉脱力大于100N。在没有专用挤压螺母安装设备的情况下，该制作工艺依然能制作出满足常规使用要求的挤压螺母PCB，十分便于推广至有此类产品制作需求的厂商。