Design della scheda per ambienti ad alto impatto

Sto cercando di progettare un PCB in grado di sopravvivere in modo affidabile a impatto costante. La scheda verrà montata rigidamente su un contenitore che proteggerà la scheda dal colpire effettivamente qualsiasi cosa. La natura dell'impatto sarebbe simile a una palla da bowling o a una testa di martello - non ciò che considererei vibrazione, ma frequenti colpi da più direzioni.

Come parte della funzionalità del dispositivo, voglio misurare l'accelerazione della scheda, quindi non è preferibile smorzare l'impatto in alcun modo. Non ho valori di accelerazione misurati (G) da fornire come base e non ho alcuna esperienza in questo settore. Come tale, ho alcune domande generiche strettamente correlate:

• Qual è la forza maggiore che sarebbe OK su una tavola senza misure di indurimento d'impatto adottate? (Mi sto preoccupando troppo di un non-problema?)
• Esistono pratiche di progettazione da seguire per il PCB?
• Quali sono i punti deboli in un design che portano a guasti meccanici?
• Ci sono parti che dovrebbero essere evitate per un design più robusto?
• A quali livelli di forza dovrei iniziare a preoccuparmi della sicurezza delle parti stesse?

Queste sono solo cose generali, dovresti davvero provare a mettere un limite alle forze di accelerazione previste, al periodo e alla durata di tali forze, condizioni termiche e angoli di impatto previsti per ottenere le informazioni necessarie per rendere robusto il progetto.

Qual è la forza maggiore che sarebbe OK su una tavola senza misure di indurimento d'impatto adottate? (Mi sto preoccupando troppo di un non-problema?)

È molto difficile inserire un singolo numero, dipende dai tipi di componenti utilizzati e dalla direzione / frequenza dei colpi.

Esistono pratiche di progettazione da seguire per il PCB?

Molti attaccamenti a qualcosa di solido. Una delle modalità di guasto più probabili è la flessione del PCB che può causare la rottura dei giunti di saldatura sul PCB causando un guasto intermittente o completo della connessione. Vorrei provare a mantenere il PCB il più compatto possibile fornendo allo stesso tempo il più possibile l'attacco a qualcosa che non si flette (involucro d'acciaio). Più piccolo è il PCB, minore è il "flex complessivo" della scheda. Qualcosa di simile al design a 4+ strati con potenza di rame saldato e piani di massa dovrebbe anche aumentare la rigidità del PCB ma può causare ulteriore flessibilità termica. A seconda delle esigenze dell'utente, esistono substrati PCB speciali più rigidi rispetto allo stock FR-4, come i substrati che impiegano compositi di fibra di carbonio rispetto a fibra di vetro.

Quali sono i punti deboli in un design che portano a guasti meccanici?

• La scheda Flex, come menzionato sopra, può causare incrinature del giunto di saldatura. L'irrigidimento del PCB può aiutare. Inoltre, non è possibile utilizzare la lega per saldatura, ma piuttosto un adesivo conduttivo come l'epossidico conduttivo d'argento. È inoltre possibile utilizzare un rivestimento conforme sul PCB che manterrà in posizione i componenti a montaggio superficiale e aggiungerà una certa rigidità al PCB.
• Articoli di grandi dimensioni: i dispositivi a montaggio superficiale con peso Lite sono le parti migliori da usare, gli articoli di grandi dimensioni che si trovano più lontano dal PCB saranno le parti peggiori da usare. Cose come grandi cappucci elettrolitici in alluminio, induttori alti, trasformatori, ecc. Saranno i peggiori. Daranno la maggior forza ai loro cavi e alle connessioni di saldatura al PCB. Se sono necessari dispositivi di grandi dimensioni, utilizzare un collegamento aggiuntivo al PCB. Utilizzare resina epossidica non conduttiva, non corrosiva o qualcosa del genere per collegarli al PCB o utilizzare una parte con un supporto PCB aggiuntivo. Assicurati di tenere conto della resistenza termica aggiuntiva quando calcoli la capacità dei dispositivi di dissipare energia se usi rivestimenti epossidici o conformi.
• Connettori. Qualsiasi connettore che si stacca dalla scheda verrà battuto, assicurati che sia un tipo di bloccaggio solido e valutato per le forze G previste. Accertarsi che l'attacco del connettore al PCB sia solido. Tipi di montaggio su superficie pura senza un foro passante sulla scheda probabilmente è una cattiva idea. Questi di solito richiedono fori passanti nel PCB vicino al bordo del PCB. Assicurati che il tuo substrato PCB sia abbastanza forte da supportare le forze su questi fori poiché essendo così vicino al bordo la forza del PCB attorno al foro è molto inferiore. Se è necessario un connettore che esce dall'involucro, utilizzare un connettore di montaggio del pannello di bloccaggio e i conduttori di saldatura sul PCB, ciò solleciterà il connettore / l'involucro e non il PCB.

Ci sono parti che dovrebbero essere evitate per un design più robusto?

Vedi l'elenco sopra ma mantieni tutte le parti più leggere e il più vicino possibile al PCB.

A quali livelli di forza dovrei iniziare a preoccuparmi della sicurezza delle parti stesse?

Ancora una volta è difficile mettere un numero. Se il dispositivo viene colpito dal bordo sul PCB, la preoccupazione è rappresentata dalle forze di taglio laterali. La forza che causa un problema dipende dall'IC. Un grande IC pesante con pochi, piccoli attacchi al PCB è probabilmente il caso peggiore. Forse un alto trasformatore di impulsi o qualcosa del genere. Un peso leggero, un IC corto, con molti attacchi è probabilmente il più forte. Qualcosa come un QFP a 64 pin, ancora meglio se ha un grande pad centrale. Alcune utili letture su questo argomento: http://www.utacgroup.com/library/EPTC2005_B5.3_P0158_FBGA_Drop-Test.pdf

Alcune parti potrebbero essere danneggiate internamente da elevate forze G, questo sarebbe su una parte per parte ma sarebbe principalmente limitato a dispositivi con parti interne mobili. Dispositivi MEMS, trasformatori, prese magnetiche, ecc. Ecc.

Commenti

Hai preso in considerazione l'utilizzo di 2 schede? Una piccola scheda con l'accelerometro che in realtà è rigidamente fissato al contenitore e una seconda scheda con il resto dell'elettronica su di essa che può quindi essere montata con un sistema di assorbimento degli urti. Il sistema di shock potrebbe essere semplice come i supporti in gomma o complesso quanto i sistemi utilizzati nei dischi rigidi a seconda delle esigenze.

Avrai bisogno di un processore abbastanza veloce e di un accelerometro ad ampio raggio piuttosto veloce se vuoi ottenere misurazioni accurate di eventi di impatto come essere colpito con un martello.

Nel settore ferroviario, la linea guida era di supportare la scheda almeno ogni 100 mm. I componenti migliori sono quelli leggeri (le parti SMT pesano meno di TH), vicino al PCB (SMT sono più vicine di TH) e hanno molti collegamenti al PCB (a volte è possibile aggiungere più perni per dividere il peso sopra i pin ad es. trasformatori di commutazione personalizzati). Le parti più grandi su gambe sottili con alti centri di gravità saranno i peggiori, ad esempio trasformatori di nucleo di ferro. Invasare manterrà tutto insieme ma aggiungerà peso, quindi potresti finire per applicare forza alle parti più piccole da quelle più grandi. Utilizzare tutti i pad di saldatura che è possibile, ad esempio, sui pin dei connettori non utilizzati e aggiungere vie locali per impedire che i binari si strappino dai connettori SMT. Se i connettori dispongono di ulteriori punti di fissaggio a vite, utilizzarli, ad esempio, prese D a 9 pin.

Hai mai pensato di creare il tuo circuito? Non ho avuto molta esperienza con me stesso, ma l'ho già visto prima e capisco che puoi racchiudere l'intero circuito e i componenti in una resina non conduttiva che si solidifica. Penso che questo rinforzerà i componenti in relazione a qualsiasi improvvisa accelerazione del PCB.

Non posso dire quanto sia efficace, ma penso che valga la pena esaminarlo.

Non ho lavorato sul design da solo, ma so che l'elettronica utilizzata per la strumentazione dei manichini da crash test utilizza esclusivamente circuiti flessibili. Non utilizzano materiali PCB rigidi da nessuna parte, forniscono un movimento limitato del PCA all'interno della custodia e consentono circuiti di manutenzione adeguati per tutti i connettori collegati alla custodia.

Un esempio del processo di fabbricazione utilizzato.

Un punto da considerare è la quantità e la distribuzione dei punti di connessione con la scheda e il contenitore.

L'uso di più punti di connessione distribuirà meglio le forze dall'involucro evitando al contempo l'oscillazione della scheda.

In generale, i punti di contatto fisici sono i più deboli, provare a usare punti di contatto più grandi viti più grandi. Cerca di usare quanti più buchi possibile e il più "casuale" distribuito possibile. Se sono allineati, la scheda può eventualmente oscillare.

La cosa migliore è usare una sorta di rivestimento epossidico / acrilico, poiché aumenta sia la resistenza della scheda che riduce gli effetti vibranti sui componenti sulla scheda.