Platinendesign für Umgebungen mit hoher Beanspruchung

Ich bin auf der Suche nach einer Leiterplatte, die einen konstanten Aufprall zuverlässig übersteht. Die Platine wird starr in einem Gehäuse montiert, das die Platine vor Stößen schützt. Die Art des Aufpralls wäre ähnlich wie bei einer Bowlingkugel oder einem Hammerkopf - was ich nicht als Vibration bezeichnen würde, sondern als häufige Treffer aus mehreren Richtungen.

Als Teil der Gerätefunktionalität möchte ich die Beschleunigung des Boards messen, daher ist es nicht empfehlenswert, den Aufprall in irgendeiner Weise zu dämpfen. Ich habe keine gemessenen Beschleunigungswerte (Gs) als Basis und ich habe keine wirkliche Erfahrung in diesem Bereich. Als solches habe ich ein paar eng verwandte allgemeine Fragen:

• Was ist die größte Kraft, die auf einem Brett ohne ergriffene Schlaghärtungsmaßnahmen in Ordnung wäre? (Sorge ich mich zu sehr um ein Nicht-Problem?)
• Gibt es irgendwelche Konstruktionspraktiken, die für die Leiterplatte befolgt werden sollten?
• Was sind die Schwachstellen in einer Konstruktion, die zu einem mechanischen Versagen führen?
• Gibt es Teile, die für ein robusteres Design vermieden werden sollten?
• Ab welcher Kraftstufe sollte ich mir Sorgen um die Sicherheit der Teile selbst machen?

Dies ist nur allgemeiner Art. Sie sollten wirklich versuchen, die erwarteten Beschleunigungskräfte, die Dauer und Dauer dieser Kräfte, die thermischen Bedingungen und die erwarteten Aufprallwinkel zu begrenzen, um die Informationen zu erhalten, die Sie für eine robuste Konstruktion benötigen.

Was ist die größte Kraft, die auf einem Brett ohne ergriffene Schlaghärtungsmaßnahmen in Ordnung wäre? (Sorge ich mich zu sehr um ein Nicht-Problem?)

Es ist sehr schwierig, eine einzelne Zahl zu setzen. Dies hängt von der Art der verwendeten Komponenten und der Richtung / Häufigkeit der Treffer ab.

Gibt es irgendwelche Konstruktionspraktiken, die für die Leiterplatte befolgt werden sollten?

Viele Bindungen an etwas Festes. Einer der wahrscheinlichsten Fehlermodi ist die Leiterplattenbiegung, die dazu führen kann, dass die Lötstellen auf der Leiterplatte reißen und die Verbindung zeitweise oder vollständig ausfällt. Ich würde versuchen, die Platine so kompakt wie möglich zu halten und gleichzeitig so viel Befestigung wie möglich an etwas zu bieten, das sich nicht biegt (Stahlgehäuse). Je kleiner die Platine ist, desto kleiner ist der Gesamtflex der Platine. Etwas wie 4+ Lagen-Design mit Lötkupfer-Leistung und Erdungsebenen sollte ebenfalls zur Steifigkeit der Leiterplatte beitragen, kann aber zusätzliche thermische Biegung verursachen. Je nachdem, welche Anforderungen Sie haben, gibt es spezielle PCB-Substrate, die starrer sind als Ihre Standardprodukte FR-4, z.

Was sind die Schwachstellen in einer Konstruktion, die zu einem mechanischen Versagen führen?

• Board Flex kann, wie oben erwähnt, Lötstellenrisse verursachen. Eine Versteifung der Leiterplatte kann helfen. Sie könnten auch kein Lagerlot verwenden, sondern einen leitenden Kleber wie z. B. silbernes leitendes Epoxid. Sie können auch eine konforme Beschichtung auf der Leiterplatte verwenden, die oberflächenmontierte Komponenten an Ort und Stelle hält und der Leiterplatte eine gewisse Steifigkeit verleiht.
• Große Gegenstände: Geräte zur Oberflächenmontage mit geringem Gewicht sind die besten zu verwendenden Teile, große schwere Gegenstände, die weiter von der Leiterplatte entfernt sitzen, sind die schlechtesten zu verwendenden Teile. Dinge wie große Aluminium-Elektrolytkappen, hohe Induktivitäten, Transformatoren usw. sind am schlimmsten. Sie üben die größte Kraft auf ihre Zuleitungen und Lötverbindungen zur Leiterplatte aus. Wenn große Geräte benötigt werden, verwenden Sie eine zusätzliche Befestigung an der Platine. Verwenden Sie nicht leitendes, nicht korrodierendes Epoxidharz oder ähnliches, um sie auf der Leiterplatte zu befestigen, oder verwenden Sie ein Teil mit einem zusätzlichen Leiterplattenträger. Berücksichtigen Sie den zusätzlichen Wärmewiderstand, wenn Sie die Fähigkeit der Geräte zur Verlustleistung bei Verwendung von Epoxid- oder Schutzlacken berechnen.
• Anschlüsse. Jeder Stecker, der von der Platine abweicht, wird durchgeschlagen. Vergewissern Sie sich, dass er fest verriegelt und für die zu erwartenden G-Kräfte ausgelegt ist. Stellen Sie sicher, dass der Stecker fest mit der Platine verbunden ist. Reine Aufputztypen ohne Durchsteckbefestigung an der Platine ist es wohl eine schlechte Idee. Diese erfordern normalerweise Durchgangslöcher in der Leiterplatte nahe der Kante der Leiterplatte. Stellen Sie sicher, dass Ihr Leiterplattensubstrat stark genug ist, um die auf diese Löcher einwirkenden Kräfte aufzunehmen, da die Stärke der Leiterplatte in der Nähe der Kante viel geringer ist. Wenn Sie einen Steckverbinder benötigen, der das Gehäuse verlässt, verwenden Sie einen verriegelbaren Einbaustecker und Lötanschlüsse an der Leiterplatte. Dadurch wird der Steckverbinder / das Gehäuse und nicht die Leiterplatte belastet.

Gibt es Teile, die für ein robusteres Design vermieden werden sollten?

Siehe obige Liste, aber halten Sie alle Teile so hell und so nah wie möglich an der Leiterplatte.

Ab welcher Kraftstufe sollte ich mir Sorgen um die Sicherheit der Teile selbst machen?

Auch hier ist es schwer, eine Nummer zu setzen. Wenn das Gerät auf die Leiterplatte trifft, sind die seitlichen Scherkräfte Ihr Problem. Welche Kraft dort ein Problem verursacht, hängt vom IC ab. Ein großer, schwerer IC mit wenigen, kleinen Anschlüssen an die Leiterplatte ist wahrscheinlich der schlechtere Fall. Vielleicht ein großer Impulstransformator oder so etwas. Ein leichtes, kurzes IC mit vielen Anhängen ist wahrscheinlich am stärksten. So etwas wie ein 64-Pin-QFP, noch besser, wenn es ein großes Center-Pad hat. Nützliche Informationen zu diesem Thema: http://www.utacgroup.com/library/EPTC2005_B5.3_P0158_FBGA_Drop-Test.pdf

Einige Teile können durch hohe G-Kräfte von innen beschädigt werden. Dies erfolgt teilweise, ist jedoch meist auf Geräte mit beweglichen Innenteilen beschränkt. MEMS-Geräte, Transformatoren, Mag-Buchsen usw. usw.

Bemerkungen

Haben Sie überlegt, 2 Boards zu verwenden? Eine kleine Platine mit dem Beschleunigungsmesser, der tatsächlich fest mit dem Gehäuse verbunden ist, und eine zweite Platine mit dem Rest der Elektronik, die dann mit einem Stoßdämpfungssystem montiert werden kann. Das Stoßdämpfersystem kann je nach Bedarf so einfach wie Gummistützen oder so komplex wie die in Festplatten verwendeten Systeme sein.

Sie benötigen einen ziemlich schnellen Prozessor und einen ziemlich schnellen Beschleunigungsmesser mit großer Reichweite, wenn Sie genaue Messungen von Aufprallereignissen durchführen möchten, z. B. wenn Sie mit einem Hammer getroffen werden.

In der Bahnindustrie galt die Richtlinie, die Platte mindestens alle 100 mm abzustützen. Die besten Komponenten sind leichte (SMT-Teile wiegen weniger als TH), in der Nähe der Leiterplatte (SMT sind näher als TH) und haben viele Verbindungen zur Leiterplatte (manchmal können mehr Stifte hinzugefügt werden, um das Gewicht auf die Stifte aufzuteilen zB kundenspezifische Schalttransformatoren). Größere Teile auf dünnen Beinen mit hohem Schwerpunkt sind die schlechtesten, z. B. Eisenkerntransformatoren. Das Eintopfen hält alles zusammen, erhöht aber das Gewicht - sodass Sie möglicherweise die kleineren Teile von den größeren mit Kraft beaufschlagen. Verwenden Sie alle Lötpads, die Sie z. B. an nicht verwendeten Steckerstiften verwenden können, und fügen Sie lokale Durchkontaktierungen hinzu, um zu verhindern, dass die Leiterbahnen an SMT-Steckern abreißen. Wenn Steckverbinder zusätzliche Schraubbefestigungspunkte haben, verwenden Sie diese zB 9-polige D-Buchsen.

Haben Sie schon einmal darüber nachgedacht, Ihre Rennstrecke zu vergießen? Ich habe selbst nicht viel Erfahrung damit, aber ich habe es schon einmal gesehen und ich verstehe, dass Sie Ihre gesamte Leiterplatte und Komponenten mit einem nicht leitenden Harz umhüllen können, das fest wird. Ich denke, dies wird die Komponenten relativ zu einer plötzlichen Beschleunigung der Leiterplatte verspannen.

Ich kann nicht sagen, wie effektiv dies sein würde, aber ich denke, es lohnt sich, darüber nachzudenken.

Ich habe selbst nicht am Design gearbeitet, aber ich weiß, dass die Elektronik zur Instrumentierung von Crashtest-Dummies ausschließlich flexible Schaltungen verwendet. Sie verwenden nirgendwo starre PCB-Materialien, sorgen für eine eingeschränkte Bewegung der PCA innerhalb des Gehäuses und ermöglichen angemessene Wartungsschleifen für alle an das Gehäuse angeschlossenen Steckverbinder.

Ein Beispiel für den verwendeten Herstellungsprozess.

Ein Gesichtspunkt ist die Anzahl und Verteilung der Verbindungspunkte mit der Platine und dem Gehäuse.

Wenn Sie mehr Verbindungspunkte verwenden, werden die Kräfte aus dem Gehäuse besser verteilt, während die Platine nicht oszilliert.

Im Allgemeinen sind die physischen Kontaktpunkte die schwächsten. Versuchen Sie, größere Kontaktpunkte und größere Schrauben zu verwenden. Versuchen Sie, so viele Löcher wie möglich und so "zufällig" wie möglich zu verteilen. Wenn sie ausgerichtet sind, kann die Platine eventuell schwingen.

Am besten verwenden Sie eine Art Epoxy / Acryl-Beschichtung, da sie den Widerstand der Platine erhöht und die Vibrationen auf die Bauteile über der Platine verringert.