Дизайн платы для ударопрочной среды

Я рассчитываю на разработку печатной платы, которая может надежно выдерживать постоянное воздействие. Плата будет жестко прикреплена к корпусу, который защитит плату от любого удара. Характер удара будет похож на шар для боулинга или головку молотка - не то, что я бы назвал вибрацией, а частые удары с разных направлений.

В качестве части функциональности устройства я хочу измерить ускорение платы, поэтому гашение удара каким-либо образом не является предпочтительным. У меня нет каких-либо измеренных значений ускорения (G), чтобы предоставить в качестве базовой линии, и я не имею никакого опыта в этой области. В связи с этим у меня есть несколько тесно связанных общих вопросов:

• Какова самая сила, которая была бы в порядке на доске без мер по усилению удара? (Я слишком волнуюсь по поводу не проблема?)
• Существуют ли какие-либо методы проектирования, которым следует следовать для печатной платы?
• Какие слабые стороны в конструкции приводят к механическим повреждениям?
• Есть ли детали, которых следует избегать для более надежной конструкции?
• На каких уровнях силы я должен начать беспокоиться о безопасности самих деталей?

Это всего лишь общие вещи, вы должны действительно попытаться определить ожидаемые силы ускорения, период и продолжительность этих сил, тепловые условия и ожидаемые углы удара, чтобы получить информацию, необходимую для придания прочности конструкции.

Какова самая сила, которая была бы в порядке на доске без мер по усилению удара? (Я слишком волнуюсь по поводу не проблема?)

Это очень трудно поставить на одно число, это зависит от типов используемых компонентов и направления / частоты попаданий.

Существуют ли какие-либо методы проектирования, которым следует следовать для печатной платы?

Много привязанностей к чему-то твердому. Одним из наиболее вероятных режимов отказа является изгиб печатной платы, который может привести к растрескиванию паяных соединений на плате, вызывая прерывистый или полный отказ соединения. Я бы постарался сделать печатную плату настолько компактной, насколько это возможно, обеспечивая при этом как можно больше креплений к чему-то, что не изгибается (стальной корпус). Чем меньше печатная плата, тем меньше общее сгибание платы. Нечто подобное дизайну слоя 4+ с силовой и медной плоскостями припоя также должно повысить жесткость печатной платы, но может вызвать дополнительное тепловое изгибание. В зависимости от ваших потребностей, существуют специализированные подложки для печатных плат, которые являются более жесткими, чем ваши заготовки с полки FR-4, такие как подложки, которые используют композиты из углеродного волокна по сравнению со стекловолокном.

Какие слабые стороны в конструкции приводят к механическим повреждениям?

• Плата Flex, как упомянуто выше, может вызвать растрескивание паяного соединения. Усиление PCB может помочь. Вы также можете использовать не припой, а проводящий клей, такой как эпоксидная смола. Вы также можете использовать конформное покрытие на печатной плате, которое удерживает компоненты для поверхностного монтажа на месте, а также добавляет жесткости на печатную плату.
• Крупные предметы: Легкие весовые устройства для поверхностного монтажа - лучшие части для использования, большие тяжелые предметы, которые находятся дальше от печатной платы, будут худшими для использования. Такие вещи, как большие алюминиевые электролитические колпачки, высокие катушки индуктивности, трансформаторы и т. Д. Будут худшими. Они придадут наибольшую силу своим проводам и паяным соединениям к печатной плате. Если необходимы большие устройства, используйте дополнительное крепление к плате. Используйте непроводящую, неагрессивную эпоксидную смолу или что-то подобное, чтобы прикрепить их к печатной плате, или используйте деталь с дополнительной поддержкой печатной платы. Обязательно учитывайте добавленное тепловое сопротивление при расчете способности устройств рассеивать мощность при использовании эпоксидных или конформных покрытий.
• Разъемы. Любой разъем, выходящий из платы, будет поврежден, убедитесь, что он имеет надежный тип блокировки и рассчитан на ожидаемые G-силы. Убедитесь, что соединение разъема с печатной платой прочное. Чистое поверхностное крепление без сквозного крепления к плате это, вероятно, плохая идея. Обычно для этого требуются сквозные отверстия в печатной плате рядом с краем печатной платы. Убедитесь, что подложка вашей печатной платы достаточно прочная, чтобы выдерживать усилия, воздействующие на эти отверстия, так как при нахождении настолько близко к краю прочность печатной платы вокруг отверстия значительно меньше. Если вам нужен разъем, выходящий из корпуса, используйте крепежный разъем для крепления панели и соединители припоя к печатной плате, это создаст нагрузку на разъем / корпус, а не на печатную плату.

Есть ли детали, которых следует избегать для более надежной конструкции?

См. Список выше, но держите все детали как можно более легкими и как можно ближе к печатной плате.

На каких уровнях силы я должен начать беспокоиться о безопасности самих деталей?

Опять же это трудно поставить номер. Если устройство получает «край» на печатной плате, то ваше беспокойство вызывает боковые силы сдвига. Какая сила вызывает проблему, зависит от IC. Большая тяжелая микросхема с небольшим количеством небольших креплений к плате, вероятно, является худшим случаем. Может быть, высокий импульсный трансформатор или что-то в этом роде. Легкий вес, короткий IC, со многими приложениями, вероятно, самый сильный. Что-то вроде 64-контактного QFP, даже лучше, если он имеет большую центральную панель. Некоторые полезные материалы по этой теме: http://www.utacgroup.com/library/EPTC2005_B5.3_P0158_FBGA_Drop-Test.pdf

Некоторые части могут быть повреждены из-за больших перегрузок, это будет происходить по частям, но в основном будет ограничено устройствами с подвижными внутренними частями. MEMS устройства, трансформаторы, магниты и т. Д. И т. Д.

Комментарии

Рассматривали ли вы использовать 2 доски? Одна небольшая плата с акселерометром, который фактически жестко прикреплен к корпусу, и вторая плата с остальной электроникой, которая затем может быть установлена ​​с системой амортизации. Ударная система может быть такой же простой, как резиновые опоры, или такой же сложной, как системы, используемые в жестких дисках, в зависимости от потребностей.

Вам понадобится довольно быстрый процессор и довольно быстрый широкодиапазонный акселерометр, если вы хотите получить точные измерения ударов, таких как удар молотком.

В железнодорожной отрасли руководящим принципом было поддерживать борт по крайней мере каждые 100 мм. Лучшие компоненты - это легкие (SMT детали весят меньше, чем TH), близко к печатной плате (SMT ближе, чем TH) и имеют много подключений к печатной плате (иногда можно добавить больше выводов, чтобы разделить вес по выводам. например, настраиваемые переключаемые трансформаторы). Крупные детали на тонких ножках с высокими центрами тяжести будут худшими, например, трансформаторы с железным сердечником. Горшок будет держать все вместе, но добавит вес - так что вы можете в конечном итоге приложить силу к более мелким частям из более крупных. Используйте все паяльные пластины, которые вы можете, например, на неиспользуемых контактах разъемов и добавьте локальные переходные отверстия, чтобы предотвратить разрыв треков на разъемах SMT. Если у разъемов есть дополнительные точки крепления винтами, используйте их, например, 9-контактные D-образные разъемы.

Вы думали о том, чтобы залить свою схему? Я сам не имел большого опыта с этим, но я видел это раньше, и я понимаю, что вы можете заключить всю вашу печатную плату и компоненты в непроводящую смолу, которая затвердевает. Я думаю, что это скрепит компоненты относительно любого внезапного ускорения PCB.

Я не могу сказать, насколько это будет эффективно, но я думаю, что это стоит посмотреть.

Я сам не работал над дизайном, но я знаю, что электроника, используемая для оснащения манекенов для краш-тестов, использует исключительно гибкие схемы. Они нигде не используют жесткие материалы для печатных плат, обеспечивают ограниченное перемещение PCA в корпусе и обеспечивают адекватные сервисные петли для любых разъемов, прикрепленных к корпусу.

Пример используемого производственного процесса.

Одним из соображений является количество и распределение точек соединения с платой и корпусом.

Использование большего количества точек соединения будет лучше распределять усилия от корпуса, предотвращая колебания платы.

В общем, физические точки контакта являются самыми слабыми, старайтесь использовать более крупные точки контакта, более крупные винты. Старайтесь использовать как можно больше отверстий и как можно более «случайным» образом. Если они выровнены, доска может со временем колебаться.

Лучше всего использовать какое-либо эпоксидное / акриловое покрытие, так как оно увеличивает как сопротивление плиты, так и уменьшает вибрационное воздействие на компоненты над платой.