Diseño de placa para entornos de alto impacto

Estoy buscando diseñar una PCB que pueda sobrevivir de manera confiable al impacto constante. La placa se montará rígidamente en un recinto que la protegerá de golpear realmente cualquier cosa. La naturaleza del impacto sería similar a una bola de boliche, o una cabeza de martillo, no lo que yo consideraría vibración, sino golpes frecuentes desde múltiples direcciones.

Como parte de la funcionalidad del dispositivo, quiero medir la aceleración de la placa, por lo que no es preferible amortiguar el impacto de ninguna manera. No tengo ningún valor de aceleración medido (G) para proporcionar como línea de base, y realmente no tengo ninguna experiencia en esta área. Como tal, tengo algunas preguntas genéricas estrechamente relacionadas:

• ¿Cuál es la mayor fuerza que estaría bien en un tablero sin tomar medidas de endurecimiento de impacto? (¿Me estoy preocupando demasiado por un problema?)
• ¿Hay alguna práctica de diseño que deba seguirse para el PCB?
• ¿Cuáles son los puntos débiles en un diseño que conducen a fallas mecánicas?
• ¿Hay partes que deberían evitarse para un diseño más robusto?
• ¿A qué niveles de fuerza debo comenzar a preocuparme por la seguridad de las piezas mismas?

Esto es solo una cuestión general, realmente debería tratar de limitar las fuerzas de aceleración esperadas, el período y la duración de esas fuerzas, las condiciones térmicas y los ángulos de impacto esperados para obtener la información que necesita para hacer que el diseño sea robusto.

¿Cuál es la mayor fuerza que estaría bien en un tablero sin tomar medidas de endurecimiento de impacto? (¿Me estoy preocupando demasiado por un problema?)

Es muy difícil poner un solo número, depende de los tipos de componentes utilizados y la dirección / frecuencia de los golpes.

¿Hay alguna práctica de diseño que deba seguirse para el PCB?

Muchos apegos a algo sólido. Uno de los modos de falla más probables es la flexión de la PCB que puede causar que las uniones de soldadura en la PCB se agrieten, causando una falla intermitente o completa de la conexión. Trataría de mantener la PCB lo más compacta posible mientras proporcione la mayor cantidad de accesorios a algo que no se flexione (carcasa de acero) como pueda. Cuanto más pequeña es la PCB, más pequeña es la 'flexión general' de la placa. Algo así como un diseño de capa 4+ con energía de cobre de soldadura y planos de tierra también debería aumentar la rigidez de la PCB, pero puede causar flexión térmica adicional. Dependiendo de cuáles sean sus necesidades, hay sustratos de PCB especializados que son más rígidos que su stock FR-4, como los sustratos que emplean compuestos de fibra de carbono frente a fibra de vidrio.

¿Cuáles son los puntos débiles en un diseño que conducen a fallas mecánicas?

• Board Flex como se mencionó anteriormente puede causar grietas en las juntas de soldadura. El endurecimiento de la PCB puede ayudar. Tampoco podría usar una soldadura estándar, sino un adhesivo conductor como el epoxi conductor de plata. También puede usar un recubrimiento conforme en la PCB que mantendrá los componentes de montaje en superficie en su lugar y agregará algo de rigidez a la PCB.
• Elementos grandes: los dispositivos de montaje en superficie de peso ligero son las mejores partes para usar, los elementos pesados ​​grandes que se sientan más lejos de la PCB serán las peores partes para usar. Cosas como grandes tapas electrolíticas de aluminio, inductores altos, transformadores, etc. serán lo peor. Ellos impartirán la mayor fuerza en sus cables y conexiones de soldadura a la PCB. Si se necesitan dispositivos grandes, use un accesorio adicional a la PCB. Use epoxi no conductor, no corrosivo o algo así para unirlos a la PCB o use una parte con un soporte de PCB adicional. Asegúrese de tener en cuenta la resistencia térmica adicional cuando calcule la capacidad del dispositivo para disipar energía si usa recubrimientos epóxicos o conformes.
• Conectores. Cualquier conector que se salga de la placa se activará, asegúrese de que sea un tipo de bloqueo sólido y esté clasificado para las fuerzas G esperadas. Asegúrese de que la conexión del conector a la PCB sea sólida. Los tipos de montaje superficial puro sin un accesorio de orificio pasante a la placa probablemente sea una mala idea. Por lo general, requieren agujeros pasantes en la PCB cerca del borde de la PCB. Asegúrese de que el sustrato de la PCB sea lo suficientemente fuerte como para soportar las fuerzas en estos agujeros, ya que al estar tan cerca del borde, la resistencia de la PCB alrededor del agujero es mucho menor. Si necesita un conector que sale del gabinete, use un conector de montaje en panel de bloqueo y líderes de soldadura a la PCB, esto ejercerá tensión en el conector / gabinete y no en la PCB.

¿Hay partes que deberían evitarse para un diseño más robusto?

Consulte la lista anterior, pero mantenga todas las piezas tan livianas y lo más cerca posible de la PCB.

¿A qué niveles de fuerza debo comenzar a preocuparme por la seguridad de las piezas mismas?

Nuevamente, es difícil poner un número. Si el dispositivo está siendo golpeado 'en el borde' de la PCB, entonces su preocupación son las fuerzas de corte lateral. La fuerza que causa un problema depende del CI. Un IC grande y pesado con pocos y pequeños accesorios para la PCB es probablemente el peor de los casos. Tal vez un transformador de pulso alto o algo así. Un peso ligero, IC corto, con muchos archivos adjuntos es probablemente el más fuerte. Algo así como un QFP de 64 pines, incluso mejor si tiene una almohadilla central grande. Algunas lecturas útiles sobre este tema: http://www.utacgroup.com/library/EPTC2005_B5.3_P0158_FBGA_Drop-Test.pdf

Algunas partes pueden dañarse internamente por fuerzas G altas, esto sería parte por parte, pero se limitaría principalmente a dispositivos con partes internas móviles. Dispositivos MEMS, transformadores, conectores magnéticos, etc., etc.

Comentarios

¿Has considerado usar 2 tableros? Una placa pequeña con el acelerómetro que en realidad está rígidamente unido al gabinete y una segunda placa con el resto de los componentes electrónicos que luego se pueden montar con un sistema de absorción de impactos. El sistema de choque podría ser tan simple como soportes de goma o tan complejo como los sistemas utilizados en los discos duros, según las necesidades.

Necesitará un procesador bastante rápido y un acelerómetro de rango amplio bastante rápido si desea obtener mediciones precisas de eventos de impacto, como ser golpeado con un martillo.

En la industria ferroviaria, la directriz era apoyar el tablero al menos cada 100 mm. Los mejores componentes son aquellos que son livianos (las partes SMT pesan menos que TH), cerca de la PCB (SMT están más cerca que TH) y tienen muchas conexiones a la PCB (a veces se pueden agregar más pines para dividir el peso sobre los pines por ejemplo, transformadores de modo conmutado personalizados). Las piezas más grandes en patas delgadas con altos centros de gravedad serán las peores, por ejemplo, transformadores con núcleo de hierro. Las macetas mantendrán todo junto pero agregarán peso, por lo que podría terminar aplicando fuerza a las partes más pequeñas de las más grandes. Use todas las almohadillas de soldadura que pueda, por ejemplo, en pines de conectores no utilizados y agregue vías locales para detener la extracción de pistas en los conectores SMT. Si los conectores tienen puntos de fijación de tornillo adicionales, úselos, por ejemplo, enchufes D de 9 pines.

¿Has considerado rellenar tu circuito? No he tenido mucha experiencia con esto, pero lo he visto antes y entiendo que puede encapsular toda su placa de circuito y componentes en una resina no conductora que se solidifica. Creo que esto reforzará los componentes en relación con cualquier aceleración repentina de la PCB.

No puedo decir qué tan efectivo sería, pero creo que vale la pena investigarlo.

Yo no trabajé en el diseño, pero sé que la electrónica utilizada para la instrumentación de muñecos de prueba de choque utiliza circuitos flexibles exclusivamente. No utilizan materiales rígidos de PCB en ningún lugar, proporcionan un movimiento limitado de la PCA dentro del gabinete y permiten bucles de servicio adecuados para cualquier conector que esté conectado al gabinete.

Un ejemplo del proceso de fabricación utilizado.

Un punto de consideración es la cantidad y distribución de puntos de conexión con la placa y el gabinete.

El uso de más puntos de conexión distribuirá mejor las fuerzas del gabinete mientras evita que la placa oscile.

En general, los puntos de contacto físico son los más débiles, intente utilizar puntos de contacto más grandes con tornillos más grandes. Trate de usar tantos agujeros como sea posible y distribuidos "al azar" como sea posible. Si están alineados, el tablero puede oscilar eventualmente.

Lo mejor es usar algún tipo de recubrimiento epoxi / acrílico, ya que aumenta la resistencia de la placa y reduce los efectos de vibración en los componentes sobre la placa.