影響の大きい環境向けのボード設計

一定の衝撃に確実に耐えられるPCBを設計したいと考えています。ボードはエンクロージャーにしっかりと取り付けられ、ボードが実際に何かにぶつかるのを防ぎます。衝撃の性質は、ボウリングのボールやハンマーヘッドに似ています。これは、私が振動と考えるものではなく、複数の方向からの頻繁な打撃です。

デバイス機能の一部として、ボードの加速度を測定したいので、何らかの方法で衝撃を減衰させることは好ましくありません。ベースラインとして提供する測定された加速度値（G）がなく、この分野での経験はまったくありません。そのため、密接に関連するいくつかの一般的な質問があります。

• 衝撃硬化対策が講じられていないボード上で大丈夫な最大の力は何ですか？（私は問題でないことを心配しすぎていますか？）
• PCBについて従うべき設計慣行はありますか？
• 機械的故障につながる設計の弱点は何ですか？
• より堅牢な設計のために避けるべき部品はありますか？
• どの力のレベルで、部品自体の安全性について心配し始めるべきですか？

これは単なる一般的なことです。設計を堅牢にするために必要な情報を取得するには、予想される加速力、それらの力の期間と持続時間、熱条件、および予想される衝撃角に実際に制限をかける必要があります。

衝撃硬化対策が講じられていないボード上で大丈夫な最大の力は何ですか？（私は問題でないことを心配しすぎていますか？）

これは、単一の数字を付けるのが非常に難しく、使用するコンポーネントのタイプとヒットの方向/頻度に依存します。

PCBについて従うべき設計慣行はありますか？

固いものへの愛着がたくさん。最も可能性の高い故障モードの1つは、PCBの屈曲です。これにより、PCBのはんだ接合部に亀裂が生じ、接続が断続的または完全に故障します。PCBをできるだけコンパクトに保ちながら、屈曲しないもの（スチールエンクロージャー）にできるだけ多くのアタッチメントを提供しようとします。PCBが小さいほど、ボードの「全体的なフレックス」が小さくなります。はんだ銅電源とグランドプレーンを備えた4+層設計のようなものもPCBの剛性を高めるはずですが、追加の熱屈曲を引き起こす可能性があります。ニーズに応じて、炭素繊維複合材とファイバーグラスを使用する基板など、市販のFR-4よりも剛性の高い特殊なPCB基板があります。

機械的故障につながる設計の弱点は何ですか？

• 上記のボードフレックスは、はんだ接合部の割れを引き起こす可能性があります。PCBの硬化が役立ちます。また、ストックはんだを使用することはできませんが、銀導電性エポキシなどの導電性接着剤を使用することもできます。また、PCBにコンフォーマルコーティングを使用して、表面実装コンポーネントを所定の位置に保持し、PCBに剛性を追加することもできます。
• 大型アイテム：軽量の表面実装デバイスは使用するのに最適な部品であり、PCBから遠くにある大型の大型アイテムは使用するのに最も悪い部品です。大型のアルミ電解キャップ、背の高いインダクタ、トランスなどが最悪です。それらは、リードとPCBへのはんだ接続に最も大きな力を与えます。大きなデバイスが必要な場合は、PCBに追加のアタッチメントを使用します。非導電性、非腐食性のエポキシなどを使用してPCBに接着するか、追加のPCBサポート付きの部品を使用します。エポキシまたはコンフォーマルコーティングを使用する場合、電力を消費するデバイスの能力を計算するときは、追加された熱抵抗を考慮してください。
• コネクタ。ボードから外れるコネクタはすべて確実にオンになります。しっかりしたロックタイプであり、予想されるGフォースに対応していることを確認してください。コネクタのPCBへの取り付けがしっかりしていることを確認してください。基板にスルーホールが取り付けられていない純粋な表面実装タイプは、おそらく悪い考えです。これらは通常、PCBのエッジ近くのPCBにスルーホールを必要とします。PCBの基板がこれらの穴にかかる力を支えるのに十分な強度であることを確認してください。穴に近いPCBの強度が非常に小さいため、PCBの強度はエッジに非常に近いためです。エンクロージャから出るコネクタが必要な場合は、ロックパネルマウントコネクタを使用し、PCBにはんだリーダーを使用します。これにより、PCBではなくコネクタ/エンクロージャにストレスがかかります。

より堅牢な設計のために避けるべき部品はありますか？

上記のリストを参照してください。ただし、すべての部品を可能な限り軽量でPCBに近づけてください。

どの力のレベルで、部品自体の安全性について心配し始めるべきですか？

繰り返しますが、これは数字を付けるのが難しいです。デバイスがPCBの「エッジオン」状態になっている場合、横方向のせん断力が懸念されます。どの力が問題を引き起こすかは、ICに依存します。PCBへのわずかな小さなアタッチメントを備えた大きく重いICは、おそらく最悪のケースです。たぶん、背の高いパルストランスなどです。ライトウェイト、短いIC、多くのアタッチメントがおそらく最も強力です。64ピンQFPのようなもので、センターパッドが大きい場合はさらに良いでしょう。このトピックに関する役立つ資料：http : //www.utacgroup.com/library/EPTC2005_B5.3_P0158_FBGA_Drop-Test.pdf

一部の部品は、高いG力によって内部的に損傷を受ける可能性があります。これは部品ごとに行われますが、ほとんどの場合、内部部品が可動するデバイスに限定されます。MEMSデバイス、変圧器、マグジャックなど

コメント

2つのボードの使用を検討しましたか？実際に筐体にしっかりと取り付けられた加速度計を備えた1つの小さなボードと、電子部品の残りを搭載した2番目のボードは、衝撃吸収システムで取り付けることができます。ショックシステムは、必要に応じて、ゴム製のサポートのように単純なものでも、ハードドライブで使用されるシステムのように複雑なものでもかまいません。

ハンマーで打撃を受けるなどの衝撃イベントの正確な測定値を取得する場合は、かなり高速のプロセッサと非常に高速で広範囲の加速度計が必要になります。

鉄道業界では、ガイドラインは少なくとも100mmごとにボードをサポートすることでした。最適なコンポーネントは、軽量（SMTパーツの重量がTH未満）、PCBに近い（SMTがTHに近い）、PCBへの接続が多い（ピンを追加して重量をピンに分割できる場合があります）例えば、カスタムスイッチモードトランスフォーマー）。鉄心変圧器など、重心の高い細い脚の大きな部品は最悪の事態になります。ポッティングはすべてを一緒に保ちますが、重量を追加します-したがって、大きな部分から小さな部分に力を加えることになります。たとえば、コネクタの未使用のピンに使用できるすべてのはんだパッドを使用し、ローカルビアを追加して、SMTコネクタでトラックがはがれるのを防ぎます。コネクタに追加のネジ固定ポイントがある場合は、それらを使用します（9ピンDソケットなど）。

回路をポッティングすることを検討しましたか？私自身はこれをあまり経験していませんが、以前に見たことがありますが、回路基板全体とコンポーネントを非導電性樹脂で固めて固めることができると理解しています。これにより、PCBの突然の加速に対してコンポーネントが補強されると思います。

これがどれほど効果的かは言えませんが、検討する価値があると思います。

私は自分で設計に取り組みませんでしたが、衝突試験用ダミーの計装に使用される電子機器はフレックス回路のみを使用することを知っています。どこでも硬質のPCB材料を使用せず、エンクロージャー内でのPCAの動きを制限し、エンクロージャーに接続されたコネクターの適切なサービスループを可能にします。

使用される製造プロセスの例。

考慮すべき1つのポイントは、ボードとエンクロージャーとの接続ポイントの量と分布です。

より多くの接続ポイントを使用すると、エンクロージャーからの力がより分散され、ボードの振動が防止されます。

一般に、物理的な接触点は最も弱いものです。より大きな接触点の大きなネジを使用してみてください。できるだけ多くの穴を使用し、可能な限り「ランダム」に分散してください。それらが整列している場合、ボードは最終的に振動する可能性があります。

最良の方法は、何らかの種類のエポキシ/アクリルコーティングを使用することです。これにより、ボードの抵抗が増加し、ボード上のコンポーネントへの振動効果が減少します。