Projekt płytki dla środowisk o dużym wpływie

Chcę zaprojektować płytkę drukowaną, która niezawodnie przetrwa ciągłe uderzenia. Tablica zostanie sztywno przymocowana do obudowy, która ochroni tablicę przed faktycznym uderzeniem w cokolwiek. Charakter uderzenia byłby podobny do kuli do kręgli lub główki młota - nie tego, co uważałbym za wibrację, ale częste uderzenia z wielu kierunków.

W ramach funkcjonalności urządzenia chcę zmierzyć przyspieszenie płyty, więc tłumienie uderzenia w jakikolwiek sposób nie jest lepsze. Nie mam żadnych zmierzonych wartości przyspieszenia (G), które mogę podać jako punkt odniesienia, i tak naprawdę nie mam żadnego doświadczenia w tej dziedzinie. Jako taki mam kilka ściśle powiązanych ogólnych pytań:

• Jaka jest największa siła, która byłaby odpowiednia na płycie bez zastosowania środków hartowania? (Czy martwię się zbytnio o brak problemu?)
• Czy są jakieś praktyki projektowe, których należy przestrzegać w przypadku płytki drukowanej?
• Jakie są słabe punkty w projekcie, które prowadzą do awarii mechanicznej?
• Czy należy unikać części, aby uzyskać bardziej solidną konstrukcję?
• Przy jakim poziomie siły powinienem zacząć martwić się o bezpieczeństwo samych części?

To tylko ogólne rzeczy, powinieneś naprawdę spróbować ograniczyć przewidywane siły przyspieszenia, okres i czas trwania tych sił, warunki termiczne i oczekiwane kąty uderzenia, aby uzyskać informacje potrzebne do uczynienia projektu solidnym.

Jaka jest największa siła, która byłaby odpowiednia na płycie bez zastosowania środków hartowania? (Czy martwię się zbytnio o brak problemu?)

Bardzo trudno jest nałożyć pojedynczą liczbę, zależy to od rodzaju użytych komponentów oraz kierunku / częstotliwości trafień.

Czy są jakieś praktyki projektowe, których należy przestrzegać w przypadku płytki drukowanej?

Dużo przywiązań do czegoś solidnego. Jednym z najbardziej prawdopodobnych trybów awarii jest wyginanie płytki drukowanej, które może powodować pękanie połączeń lutowanych na płytce drukowanej, powodując przerywane lub całkowite uszkodzenie połączenia. Staram się zachować płytkę tak kompaktową, jak to tylko możliwe, zapewniając jednocześnie jak najwięcej przyczepienia do czegoś, co nie będzie się wyginać (obudowa stalowa), jak to możliwe. Im mniejsza płytka drukowana, tym mniejszy „ogólny flex” płyty. Coś takiego jak konstrukcja 4+ z mocą lutu miedzianego i płaszczyznami uziemienia powinna również zwiększyć sztywność płytki drukowanej, ale może powodować dodatkowy flex flex. W zależności od twoich potrzeb istnieją specjalistyczne podłoża PCB, które są bardziej sztywne niż zapas z półki FR-4, takie jak podłoża, które wykorzystują kompozyty z włókna węglowego w porównaniu z włóknem szklanym.

Jakie są słabe punkty w projekcie, które prowadzą do awarii mechanicznej?

• Board Flex, jak wspomniano powyżej, może powodować pękanie złącza lutowanego. Pomocne może być usztywnienie płytki drukowanej. Nie można również użyć lutu podstawowego, ale raczej przewodzący klej, taki jak epoksyd przewodzący srebro. Możesz również zastosować powłokę konformacyjną na płytce drukowanej, która utrzyma elementy do montażu powierzchniowego na miejscu, a także doda trochę sztywności do płytki drukowanej.
• Duże przedmioty: urządzenia do montażu powierzchniowego o małej wadze są najlepszymi częściami do użycia, a najcięższe elementy, które znajdują się dalej od płytki drukowanej, będą najgorsze w użyciu. Najgorsze będą rzeczy takie jak duże aluminiowe nasadki elektrolityczne, wysokie cewki indukcyjne, transformatory itp. Przenoszą największą siłę na przewody i połączenia lutowane na płytce drukowanej. Jeśli potrzebne są duże urządzenia, użyj dodatkowego mocowania do płytki drukowanej. Użyj nieprzewodzącej, niekorozyjnej żywicy epoksydowej lub czegoś podobnego, aby przymocować je do PCB lub użyć części z dodatkowym wspornikiem PCB. Pamiętaj, aby uwzględnić dodatkową odporność termiczną podczas obliczania zdolności urządzenia do rozpraszania energii w przypadku stosowania powłok epoksydowych lub konformalnych.
• Złącza Każde złącze wychodzące z planszy zostanie pobite, upewnij się, że jest solidne i ma moc blokującą i jest dostosowane do oczekiwanych sił G. Upewnij się, że połączenie złącza z płytką drukowaną jest solidne. Typy czystego montażu powierzchniowego bez mocowania przelotowego do płyty to prawdopodobnie zły pomysł. Zwykle wymagają one otworów przelotowych w PCB w pobliżu krawędzi PCB. Upewnij się, że podłoże PCB jest wystarczająco mocne, aby utrzymać siły na tych otworach, ponieważ będąc tak blisko krawędzi, siła PCB wokół otworu jest znacznie mniejsza. Jeśli potrzebujesz złącza, które opuszcza obudowę, użyj złącza do montażu na panelu blokującym i końcówek lutowniczych na płytce drukowanej, spowoduje to nacisk na złącze / obudowę, a nie na płytkę drukowaną.

Czy należy unikać części, aby uzyskać bardziej solidną konstrukcję?

Zobacz powyższą listę, ale zachowaj wszystkie części jak najdokładniej i jak najbliżej płytki drukowanej.

Przy jakim poziomie siły powinienem zacząć martwić się o bezpieczeństwo samych części?

Ponownie trudno jest podać liczbę. Jeśli urządzenie trafia „krawędzią” na płytkę drukowaną, twoje obawy dotyczą bocznych sił ścinających. To, jaka siła powoduje problem, zależy od układu scalonego. Duży, ciężki układ scalony z kilkoma małymi mocowaniami do PCB jest prawdopodobnie najgorszym przypadkiem. Może wysoki transformator impulsowy lub coś takiego. Niewielka waga, krótki układ scalony z wieloma dodatkami jest prawdopodobnie najsilniejszy. Coś w rodzaju 64-pinowego QFP, nawet lepiej, jeśli ma duży środkowy pad. Kilka przydatnych lektur na ten temat: http://www.utacgroup.com/library/EPTC2005_B5.3_P0158_FBGA_Drop-Test.pdf

Niektóre części mogą zostać wewnętrznie uszkodzone przez duże siły G. To byłoby częściowe, ale w większości ograniczałoby się do urządzeń z ruchomymi częściami wewnętrznymi. Urządzenia MEMS, transformatory, gniazda mag itp.

Komentarze

Czy rozważałeś użycie 2 tablic? Jedna mała tablica z akcelerometrem, który jest sztywno przymocowany do obudowy, a druga tablica z resztą elektroniki na niej, którą można następnie zamontować za pomocą systemu amortyzacji. System wstrząsów może być tak prosty jak gumowe wsporniki lub tak złożony jak systemy stosowane w dyskach twardych, w zależności od potrzeb.

Będziesz potrzebować dość szybkiego procesora i dość szybkiego, szerokopasmowego akcelerometru, jeśli chcesz uzyskać dokładne pomiary zdarzeń uderzenia, takich jak uderzenie młotkiem.

W branży kolejowej wytyczną było wspieranie płyty co najmniej co 100 mm. Najlepsze komponenty to te, które są lekkie (części SMT ważą mniej niż TH), blisko płytki drukowanej (SMT są bliżej TH) i mają wiele połączeń z płytką drukowaną (czasami można dodać więcej pinów, aby podzielić ciężar na pinach np. niestandardowe transformatory impulsowe). Najgorsze będą większe części na cienkich nóżkach o wysokich środkach ciężkości, np. Żelazne transformatory rdzeniowe. Zalewanie utrzyma wszystko razem, ale doda masy - więc możesz skończyć wywieraniem siły na mniejsze części od większych. Użyj wszystkich padów lutowniczych, które możesz np. Na nieużywanych pinach złączy i dodaj lokalne przelotki, aby zatrzymać odrywanie ścieżek na złączach SMT. Jeśli złącza mają dodatkowe punkty mocowania śrub, użyj ich, np. 9-pinowych gniazd D.

Czy zastanawiałeś się nad zalaniem obwodu? Sam nie miałem z tym dużego doświadczenia, ale widziałem to wcześniej i rozumiem, że możesz zamknąć całą płytkę drukowaną i elementy w nieprzewodzącej żywicy, która zestala się. Myślę, że to wzmocni komponenty względem każdego nagłego przyspieszenia PCB.

Nie mogę powiedzieć, jak by to było skuteczne, ale myślę, że warto się przyjrzeć.

Sam nie pracowałem nad projektem, ale wiem, że elektronika użyta do oprzyrządowania manekinów do testów zderzeniowych używa wyłącznie obwodów elastycznych. Nie używają nigdzie sztywnych materiałów PCB, zapewniają ograniczony ruch PCA w obudowie i zapewniają odpowiednie pętle serwisowe dla wszystkich złączy przymocowanych do obudowy.

Przykład zastosowanego procesu produkcyjnego.

Jednym z punktów do rozważenia jest ilość i rozmieszczenie punktów połączeń z płytą i obudową.

Użycie większej liczby punktów połączenia lepiej rozdzieli siły z obudowy, jednocześnie zapobiegając oscylacji płytki.

Ogólnie rzecz biorąc, fizyczne punkty styczne są najsłabsze, spróbuj użyć większych punktów styku większych śrub. Spróbuj użyć jak największej liczby dziur i jak najbardziej „losowych”. Jeśli zostaną wyrównane, tablica może ostatecznie oscylować.

Najlepiej jest użyć powłoki epoksydowej / akrylowej, ponieważ zwiększa ona zarówno odporność płyty, jak i zmniejsza wpływ wibracji na elementy na płycie.