Design de placa para ambientes de alto impacto

Estou procurando projetar uma PCB que possa sobreviver de forma confiável a impactos constantes. A placa será montada rigidamente em um gabinete que protegerá a placa de realmente atingir qualquer coisa. A natureza do impacto seria semelhante a uma bola de boliche ou uma cabeça de martelo - não o que eu consideraria vibração, mas golpes frequentes de várias direções.

Como parte da funcionalidade do dispositivo, desejo medir a aceleração da placa, de modo que não é preferível diminuir o impacto. Não tenho nenhum valor medido de aceleração (G's) para fornecer como linha de base e não tenho nenhuma experiência nessa área. Como tal, tenho algumas perguntas genéricas intimamente relacionadas:

• Qual é a maior força que seria aceitável em um quadro, sem medidas de proteção contra impactos tomadas? (Estou me preocupando demais com um não problema?)
• Existem práticas de design que devem ser seguidas para o PCB?
• Quais são os pontos fracos de um projeto que levam à falha mecânica?
• Existem peças que devem ser evitadas para um design mais robusto?
• Em que níveis de força devo começar a me preocupar com a segurança das próprias peças?

Isso é apenas algo geral, você realmente deve tentar limitar as forças de aceleração esperadas, o período e a duração dessas forças, condições térmicas e ângulos de impacto esperados para obter as informações necessárias para tornar o projeto robusto.

Qual é a maior força que seria aceitável em um quadro, sem medidas de proteção contra impactos tomadas? (Estou me preocupando demais com um não problema?)

É muito difícil definir um número único, depende dos tipos de componentes utilizados e da direção / frequência dos acessos.

Existem práticas de design que devem ser seguidas para o PCB?

Muitos anexos a algo sólido. Um dos modos de falha mais prováveis ​​é a flexão da placa de circuito impresso, que pode fazer com que as juntas de solda na placa de circuito impresso quebrem, causando falha intermitente ou completa da conexão. Eu tentaria manter o PCB o mais compacto possível, fornecendo o máximo de acessório possível para algo que não seja flexível (gabinete de aço). Quanto menor o PCB, menor a 'flexibilidade geral' da placa. Algo como o design de camada 4+ com potência de cobre de solda e planos de aterramento também deve aumentar a rigidez da PCB, mas pode causar flexão térmica adicional. Dependendo de quais são suas necessidades, existem substratos de PCB especializados que são mais rígidos do que o estoque disponível na prateleira FR-4, como substratos que empregam compostos de fibra de carbono versus fibra de vidro.

Quais são os pontos fracos de um projeto que levam à falha mecânica?

• A placa Flex, como mencionado acima, pode causar rachaduras na junta de solda. O endurecimento do PCB pode ajudar. Você também não pode usar solda de estoque, mas um adesivo condutor, como epóxi condutor de prata. Você também pode usar um revestimento conforme na placa de circuito impresso que manterá os componentes de montagem em superfície no lugar, além de adicionar alguma rigidez à placa de circuito impresso.
• Itens grandes: os dispositivos leves de montagem em superfície com peso leve são as melhores peças para usar, itens pesados ​​grandes que ficam mais afastados da PCB serão as piores partes para uso. Coisas como grandes tampas eletrolíticas de alumínio, indutores altos, transformadores etc. serão as piores. Eles fornecerão a maior força em suas ligações e conexões de solda ao PCB. Se forem necessários dispositivos grandes, use um acessório adicional na placa de circuito impresso. Use epóxi não condutor, não corrosivo ou algo parecido para conectá-los à placa de circuito impresso ou use uma peça com um suporte adicional à placa de circuito impresso. Lembre-se de levar em consideração a resistência térmica adicional ao calcular a capacidade do dispositivo de dissipar energia ao usar revestimentos epóxi ou conformes.
• Conectores. Qualquer conector que sai da placa será acionado, verifique se é um tipo de travamento sólido e classificado para as forças G esperadas. Verifique se o conector do conector na PCB é sólido. Tipos de montagem em superfície pura, sem um encaixe na placa, provavelmente é uma má idéia. Isso geralmente requer orifícios na placa de circuito impresso perto da borda da placa. Verifique se o substrato da PCB é forte o suficiente para suportar as forças nesses orifícios, pois, estando tão perto da borda, a força da PCB ao redor do orifício é muito menor. Se você precisar de um conector que saia do gabinete, use um conector de montagem em painel de travamento e guias de solda na PCB, isso sobrecarregará o conector / gabinete e não a PCB.

Existem peças que devem ser evitadas para um design mais robusto?

Veja a lista acima, mas mantenha todas as peças o mais leves e o mais próximo possível da placa de circuito impresso.

Em que níveis de força devo começar a me preocupar com a segurança das próprias peças?

Novamente, é difícil colocar um número. Se o dispositivo estiver atingindo a borda do PCB, sua preocupação será com as forças de cisalhamento lateral. Que força causa um problema depende do IC. Um IC grande e pesado com poucos acessórios pequenos no PCB é provavelmente o pior caso. Talvez um transformador de pulso alto ou algo parecido. Um peso leve, IC curto, com muitos acessórios é provavelmente o mais forte. Algo como um QFP de 64 pinos, ainda melhor se tiver um grande bloco central. Algumas leituras úteis sobre este tópico: http://www.utacgroup.com/library/EPTC2005_B5.3_P0158_FBGA_Drop-Test.pdf

Algumas partes podem ser danificadas internamente por altas forças G, isso seria parte por parte, mas seria principalmente limitado a dispositivos com partes internas móveis. Dispositivos MEMS, transformadores, conectores magnéticos, etc., etc.

Comentários

Você já pensou em usar duas placas? Uma pequena placa com o acelerômetro que está realmente rigidamente conectado ao gabinete e uma segunda placa com o restante dos componentes eletrônicos que podem ser montados com um sistema de absorção de choque. O sistema de choque pode ser tão simples quanto suportes de borracha ou tão complexo quanto os sistemas usados ​​em discos rígidos, dependendo das necessidades.

Você precisará de um processador muito rápido e um acelerômetro de faixa ampla e muito rápido, se quiser obter medições precisas de eventos de impacto, como ser atingido por um martelo.

Na indústria ferroviária, a diretriz era apoiar o painel pelo menos a cada 100 mm. Os melhores componentes são aqueles que são leves (peças SMT pesam menos que TH), próximos à placa de circuito impresso (SMT estão mais próximos que TH) e têm muitas conexões com a placa de circuito impresso (às vezes mais pinos podem ser adicionados para dividir o peso sobre os pinos) por exemplo, transformadores de modo comutado personalizados). Peças maiores em pernas finas com altos centros de gravidade serão os piores, por exemplo, transformadores de núcleo de ferro. O envasamento mantém tudo junto, mas aumenta o peso - então você pode acabar aplicando força nas partes menores das maiores. Use todas as almofadas de solda que você puder, por exemplo, nos pinos não utilizados dos conectores e adicione vias locais para impedir que as faixas arrancem nos conectores SMT. Se os conectores tiverem pontos de fixação adicionais, use-os, por exemplo, soquetes D de 9 pinos.

Você já pensou em montar seu circuito? Eu mesmo não tive muita experiência com isso, mas já vi isso antes e compreendo que você pode envolver toda a sua placa de circuito e componentes em uma resina não condutora que solidifica. Eu acho que isso vai apoiar os componentes em relação a qualquer aceleração repentina do PCB.

Não sei dizer o quão eficaz isso seria, mas acho que vale a pena investigar.

Eu não trabalhei no projeto, mas sei que os eletrônicos usados ​​para a instrumentação de manequins de teste de colisão usam exclusivamente circuitos flexíveis. Eles não usam materiais rígidos de PCB em nenhum lugar, fornecem movimento limitado do PCA dentro do gabinete e permitem loops de serviço adequados para todos os conectores conectados ao gabinete.

Um exemplo do processo de fabricação usado.

Um ponto de consideração é a quantidade e a distribuição dos pontos de conexão com a placa e o gabinete.

O uso de mais pontos de conexão distribuirá melhor as forças do gabinete, impedindo a oscilação da placa.

Em geral, os pontos de contato físico são os mais fracos, tente usar pontos de contato maiores, parafusos maiores. Tente usar o maior número possível de furos e o mais "aleatório" possível. Se estiverem alinhados, o painel poderá eventualmente oscilar.

O melhor é usar algum tipo de revestimento epóxi / acrílico, pois aumenta a resistência da placa e reduz os efeitos de vibração nos componentes sobre a placa.