Conception de cartes pour environnements à fort impact

Je cherche à concevoir un PCB pouvant résister de manière fiable à un impact constant. La carte sera montée de manière rigide sur un boîtier qui protégera la carte contre tout impact réel. La nature de l'impact serait similaire à une boule de bowling ou à une tête de marteau - pas ce que je considérerais comme des vibrations, mais des coups fréquents dans plusieurs directions.

Dans le cadre de la fonctionnalité de l'appareil, je veux mesurer l'accélération de la carte, il n'est donc pas préférable d'atténuer l'impact de quelque manière que ce soit. Je n'ai pas de valeurs d'accélération mesurées (G) à fournir comme référence, et je n'ai pas vraiment d'expérience dans ce domaine. En tant que tel, j'ai quelques questions génériques étroitement liées:

• Quelle est la force la plus appropriée sur une planche sans mesures de durcissement par impact prises? (Suis-je trop inquiet pour un non-problème?)
• Y a-t-il des pratiques de conception qui devraient être suivies pour le PCB?
• Quels sont les points faibles d'une conception qui entraînent une défaillance mécanique?
• Y a-t-il des pièces à éviter pour une conception plus robuste?
• À quels niveaux de force dois-je commencer à m'inquiéter pour la sécurité des pièces elles-mêmes?

Il s'agit simplement de choses générales, vous devriez vraiment essayer de limiter les forces d'accélération attendues, la période et la durée de ces forces, les conditions thermiques et les angles d'impact attendus pour obtenir les informations dont vous avez besoin pour rendre la conception robuste.

Quelle est la force la plus appropriée sur une planche sans mesures de durcissement par impact prises? (Suis-je trop inquiet pour un non-problème?)

Il est très difficile de mettre un numéro unique, cela dépend des types de composants utilisés et de la direction / fréquence des hits.

Y a-t-il des pratiques de conception qui devraient être suivies pour le PCB?

Beaucoup d'attachements à quelque chose de solide. L'un des modes de défaillance les plus probables est la flexion du PCB qui peut provoquer la fissuration des joints de soudure sur le PCB, provoquant une défaillance intermittente ou complète de la connexion. J'essaierais de garder le PCB aussi compact que possible tout en fournissant autant d'attache à quelque chose qui ne fléchira pas (boîtier en acier) comme vous le pouvez. Plus le PCB est petit, plus le «flex global» de la carte est petit. Quelque chose comme la conception de 4 couches avec une puissance de cuivre à souder et des plans de masse devrait également ajouter à la rigidité du PCB mais peut provoquer un flex thermique supplémentaire. Selon vos besoins, il existe des substrats PCB spécialisés qui sont plus rigides que votre stock standard FR-4, tels que les substrats qui utilisent des composites en fibre de carbone par rapport à la fibre de verre.

Quels sont les points faibles d'une conception qui entraînent une défaillance mécanique?

• Board Flex comme mentionné ci-dessus peut provoquer une fissuration des joints de soudure. Un raidissement du PCB peut aider. Vous ne pouvez pas non plus utiliser de soudure en stock, mais plutôt un adhésif conducteur tel que de l'époxy conducteur d'argent. Vous pouvez également utiliser un revêtement conforme sur le PCB qui maintiendra les composants de montage en surface en place et ajoutera une certaine rigidité au PCB.
• Gros articles: les dispositifs de montage en surface de poids léger sont les meilleures pièces à utiliser, les gros objets lourds qui sont plus éloignés du PCB seront les pires pièces à utiliser. Des choses comme les gros bouchons électrolytiques en aluminium, les inductances hautes, les transformateurs, etc. seront les pires. Ils donneront le plus de force à leurs fils et connexions de soudure au PCB. Si de gros appareils sont nécessaires, utilisez un accessoire supplémentaire sur le PCB. Utilisez de l'époxy non conducteur et non corrosif ou quelque chose comme ça pour les fixer au PCB ou utilisez une pièce avec un support PCB supplémentaire. Assurez-vous de tenir compte de la résistance thermique supplémentaire lors du calcul de la capacité des appareils à dissiper la puissance si vous utilisez des revêtements époxy ou conformes.
• Connecteurs. Tout connecteur sortant de la carte sera battu, assurez-vous qu'il s'agit d'un type de verrouillage solide et évalué pour les forces G attendues. Assurez-vous que la connexion du connecteur au PCB est solide. Types de montage en surface purs sans fixation par trou traversant à la carte, c'est probablement une mauvaise idée. Ceux-ci nécessitent généralement des trous traversants dans le PCB près du bord du PCB. Assurez-vous que votre substrat de PCB est suffisamment solide pour supporter les forces sur ces trous car étant si près du bord, la force du PCB autour du trou est beaucoup moins. Si vous avez besoin d'un connecteur qui quitte le boîtier, utilisez un connecteur de montage de panneau de verrouillage et des conducteurs de soudure sur le PCB, cela mettra la pression sur le connecteur / boîtier et non sur le PCB.

Y a-t-il des pièces à éviter pour une conception plus robuste?

Voir la liste ci-dessus mais gardez toutes les pièces aussi légères et aussi proches que possible du PCB.

À quels niveaux de force dois-je commencer à m'inquiéter pour la sécurité des pièces elles-mêmes?

Encore une fois, il est difficile de mettre un chiffre. Si l'appareil se heurte au bord du PCB, votre souci est les forces de cisaillement latérales. La force qui cause un problème dépend du CI. Un gros circuit intégré lourd avec peu de petites attaches au PCB est probablement le pire des cas. Peut-être un grand transformateur d'impulsions ou quelque chose comme ça. Un poids léger, IC court, avec de nombreux accessoires est probablement le plus fort. Quelque chose comme un QFP 64 broches, encore mieux s'il a un grand pavé central. Quelques lectures utiles sur ce sujet: http://www.utacgroup.com/library/EPTC2005_B5.3_P0158_FBGA_Drop-Test.pdf

Certaines pièces peuvent être endommagées à l'intérieur par des forces G élevées, cela se ferait pièce par pièce mais serait principalement limité aux appareils avec des pièces internes mobiles. Appareils MEMS, transformateurs, prises mag, etc., etc.

commentaires

Avez-vous envisagé d'utiliser 2 planches? Une petite carte avec l'accéléromètre qui est en fait solidement fixé à l'enceinte et une deuxième carte avec le reste de l'électronique dessus qui peut ensuite être montée avec un système d'absorption des chocs. Le système d'amortisseur peut être aussi simple que des supports en caoutchouc ou aussi complexe que les systèmes utilisés dans les disques durs en fonction des besoins.

Vous aurez besoin d'un processeur assez rapide et d'un accéléromètre assez rapide et à large plage si vous voulez obtenir des mesures précises des événements d'impact tels que le fait de vous frapper avec un marteau.

Dans l'industrie ferroviaire, la directive était de soutenir la planche au moins tous les 100 mm. Les meilleurs composants sont ceux qui sont légers (les pièces SMT pèsent moins que TH), proches du PCB (SMT sont plus proches que TH) et ont de nombreuses connexions au PCB (parfois plus de broches peuvent être ajoutées pour répartir le poids sur les broches) par exemple, transformateurs à découpage personnalisés). Les pièces plus grandes sur des pieds minces avec des centres de gravité élevés seront les pires, par exemple les transformateurs à noyau de fer. Le rempotage gardera tout ensemble mais ajoutera du poids - vous pourriez donc finir par appliquer une force sur les petites pièces des plus grandes. Utilisez toutes les pastilles de soudure que vous pouvez par exemple sur les broches inutilisées des connecteurs et ajoutez des vias locaux pour empêcher les pistes de se déchirer sur les connecteurs SMT. Si les connecteurs ont des points de fixation de vis supplémentaires, utilisez-les, par exemple, des douilles D à 9 broches.

Avez-vous pensé à rempoter votre circuit? Je n'ai pas beaucoup d'expérience avec cela moi-même, mais je l'ai déjà vu et je comprends que vous pouvez enfermer l'ensemble de votre carte de circuit imprimé et de ses composants dans une résine non conductrice qui se solidifie. Je pense que cela renforcera les composants par rapport à toute accélération soudaine du PCB.

Je ne peux pas dire à quel point cela serait efficace, mais je pense que cela mérite d'être étudié.

Je n'ai pas travaillé moi-même sur la conception, mais je sais que l'électronique utilisée pour l'instrumentation des mannequins de crash test utilise exclusivement des circuits flexibles. Ils n'utilisent aucun PCB rigide nulle part, prévoient un mouvement limité de la PCA dans le boîtier et permettent des boucles de service adéquates pour tous les connecteurs qui sont fixés au boîtier.

Un exemple du processus de fabrication utilisé.

Un point à considérer est la quantité et la distribution des points de connexion avec la carte et le boîtier.

L'utilisation de plus de points de connexion répartira mieux les forces du boîtier tout en empêchant la carte d'osciller.

En général, les points de contact physiques sont les plus faibles, essayez d'utiliser des points de contact plus gros avec des vis plus grandes. Essayez d'utiliser autant de trous que possible et aussi distribués «au hasard» que possible. S'ils sont alignés, la carte peut éventuellement osciller.

Le mieux est d'utiliser une sorte de revêtement époxy / acrylique, car il augmente à la fois la résistance de la carte et réduit les effets de vibration sur les composants sur la carte.