Ist es in Ordnung, die Leiterplatte als Teil der Struktur eines Produkts zu verwenden?

Die Industrie- und Produktdesigner, mit denen ich zusammenarbeite, kommen immer wieder auf die Idee zurück, die Leiterplatte als integralen Bestandteil der physischen Struktur unserer Produkte zu verwenden.

Wir haben Wandprodukte und ich fühle mich ziemlich unwohl damit. Mein Argument dagegen lautet: "Es ist kein gutes Konstruktionsprinzip, die Leiterplatte sollte im Allgemeinen nur ihr eigenes Gewicht tragen und keine unnötigen Dinge wie den Rahmen."

Sie argumentieren, dass die unterstützten Teile relativ leicht sind. Dies umfasst sogar das Aufbringen eines dünnen Rahmens aus Edelstahl mit doppelseitigem Klebeband direkt auf einen leeren Teil (keine Spuren oder Komponenten) der Leiterplatte oder auf Kunststoff-Leiterplattenclips, die auf den Rahmen geklebt sind. Heute haben sie mein Argument in Frage gestellt, indem sie sagten: "Welches Designprinzip? Zeigen Sie uns, wo es das sagt."

Diese Arten von Lösungen können häufig von Industriedesignern entwickelt werden, da sie viele Kostenprobleme für sie lösen und einen Teil der strukturellen Verantwortung auf das PCB-Design übertragen.

Meiner Meinung nach werden Produkte, die zum "Aufhängen" von Leiterplatten entwickelt wurden, in der Regel vom Produktdesigner für die Montage geprüft und getestet. Zum Beispiel ist ein großer GPU-Kühlkörper schwerer als alles, was wir platzieren möchten. Wenn wir jedoch unsere eigenen Teile von Leiterplatten "aufhängen", betreten wir eine ganze Welt des Designs, über die ich nicht genug weiß.

Vielleicht kann mich jemand auf einige Antworten zu solchen Themen hinweisen. Es wäre gut, etwas Material über die Kräfte zu bekommen, die eine Leiterplatte aufnehmen kann, bevor das Lot zu reißen beginnt usw. Oder hat jemand ein Produktionsprodukt gesehen, das die Leiterplatte als Teil der Struktur verwendet? Wir sind ein kleines Unternehmen, aber unsere Produkte sind in Massenproduktion und wir müssen Standardzulassungen wie CE einholen.

PCBs werden in vielen Anwendungen als Strukturmaterialien verwendet. Wenn Sie sicherstellen, dass Sie es richtig laden - keine Biegebelastung, nur Zugfestigkeit -, kann es ein sehr starkes und steifes Material sein, das für viele Anwendungen nützlich ist. Außerdem können Sie Leiterplatten mit sehr feinen Details versehen, sodass Sie eine Menge mechanischer Komplexität an einen sehr kostengünstigen Prozess delegieren können. Dies kann die Herstellbarkeit verbessern und die Kosten Ihrer anderen mechanischen Komponenten senken.

Wenn Sie PCBs als Strukturmaterialien verwenden möchten, stellen Sie Folgendes sicher:

• Sie denken daran, dass Regel Nummer eins des mechanischen Entwurfs lautet: Orthogonalisieren Sie den Entwurf. Der einfachste Weg, dies zu überprüfen, besteht darin, sicherzustellen, dass Sie das gesamte mechanische Design zusammenbauen können, ohne dass eine Million Hände verschiedene Teile an Ort und Stelle halten müssen, während Sie ein bestimmtes Teil festschrauben. Jeder Schritt in der Montage sollte linear auf den vorherigen Schritten aufbauen, und das Endergebnis jedes Montageschritts sollte ein Produkt sein, das leicht zu handhaben und zu manipulieren ist.
• Obwohl Sie eine Leiterplatte sowohl als mechanische als auch als elektrische Verbindung verwenden (und Ihr Design daher nicht orthogonal ist), versuchen Sie trotzdem, die Funktionen so weit wie möglich zu entkoppeln. Führen Sie keine mechanischen Spannungen durch (dicht) besiedelte Bereiche, da die Spannungen die Leiterplatte verformen und Mikrorisse verursachen können. Verwenden Sie Schlitze in der Leiterplatte auf intelligente Weise, um mechanische Spannungen durch nicht bestücktes, weniger wichtiges Leiterplattenmaterial im besiedelten Bereich abzuleiten
• Verwenden Sie in Ihrer Leiterplatte Befestigungselemente mit Ärmeln oder mit sehr feinem Gewinde. Verwenden Sie KEINE Selbstschneider. Das PCB-Material ist insgesamt sehr stark, aber die Innenseiten von nicht plattierten Löchern können sehr leicht beschädigt werden, was die Stabilität der Verbindung beeinträchtigt.
• Tragen Sie Lötmittel auf den Ring der Befestigungslöcher auf und verwenden Sie gezackte Ringe, um das Befestigungselement selbst zu verriegeln.
• Sehr wichtig: Verwenden Sie Durchkontaktierungen in den Befestigungslochkissen, um das Kupfer auf die Platine zu „nageln“. Andernfalls löst sich der Ring bei mechanischer Beanspruchung leicht.
• Verwenden Sie geeignete Plattendicken und führen Sie eine Analyse der Hüllkurvenspannung durch. Unter typischen Bedingungen möchten Sie weniger als ungefähr Belastung für Ihre Leiterplatte. Dies wird thermisch und mechanisch kombiniert. Berechnen Sie anhand der mechanischen Eigenschaften des von Ihnen gewählten Plattenmaterials die Dehnung, die Sie in Ihrer Anwendung erwarten. Dickere Bretter bedeuten, dass Sie bei gleicher Belastung proportional mehr Kraft aufnehmen können.$\epsilon = 0.001$
• Bei Anwendungen, bei denen eine übermäßige Belastung unvermeidbar ist, verlegen Sie Ihre Spuren mit runden Ecken anstelle von scharfen Kanten, verwenden Sie die kleinste verfügbare Komponentenverpackung und richten Sie die Verpackungen in der Ausrichtung aus, die die größte Belastung aufnehmen kann. Bleiteile können mehr Belastungen aushalten als bleifreie Teile.

Das PCB-Material ist ein Verbundwerkstoff auf Glasgewebe- und Epoxidharzbasis und weist sehr, sehr gute mechanische Eigenschaften auf.

Die Verwendung als Teil der mechanischen Konstruktion ist meiner Meinung nach vollkommen in Ordnung und führt normalerweise zu sehr eleganten Lösungen.

Der Grund, warum dies nicht üblich ist, liegt darin, dass ein solcher Ansatz ein sehr sorgfältiges Design und Spezialisten mit unterschiedlichen Profilen (Elektronik- und Maschinenbauingenieure) erfordert, um gemeinsam an dem Problem zu arbeiten.

Ein solches kombiniertes Team ist sehr schwer zu bilden. Deshalb können nur sehr kleine Teams solche Lösungen entwickeln.

Wenn Ihre Platine nicht sehr dünn ist, würde ich sagen, dass dies die Regeln sind:

• stark in Spannung
• starke Kompression senkrecht zur Oberfläche
• sehr anfällig für Biegung

Durch Biegen einer Leiterplatte werden die Lötstellen mit der Zeit beschädigt. Unzureichend steife Fälle, die zum Biegen der Leiterplatte führten, waren die Ursache für den Rückruf des Apple iBook-Produkts Mitte der 2000er Jahre: Die Videoschaltung entwickelte zeitweise Fehler.

Wenn Ihr Produkt so etwas wie eine Uhr ist, die an der Wand hängt und ein Befestigungsloch in der Leiterplatte hat, ist das in Ordnung. Wenn es etwas ist, das die Leute in ihren Händen aufnehmen werden, vielleicht an einer Seite, und vielleicht biegen, dann wollen Sie etwas Steifheit vom äußeren Rahmen.

Andere Überlegungen: Einige Leute denken, dass Leiterplatten billig und hässlich aussehen, was durch nicht grüne Lötmaske oder Vergoldung gemildert werden kann. Durch die freiliegende Leiterplatte sind Sie auch anfällig für elektrostatische Entladung, Eindringen von Wasser oder Schmutz an den Rändern auf den Rest der Leiterplatte usw. Offensichtlich können Sie diese nicht in einem Produkt verwenden, das mit Netzspannung umgeht. Sie sollten die CE-Testanforderungen überprüfen, um festzustellen, ob Probleme mit Produkten mit Netzadapter auftreten.

Möglicherweise ist das Hauptverbraucherprodukt, an das ich bei freiliegenden Leiterplatten denken kann, Videospielkassetten, die sehr langlebig sind. aber dort ist es von einer harten Plastikschale umgeben, die für Steifheit sorgt.