Cum să selectați și să utilizați suporturile pentru plăci PCB pentru a asigura produse electronice rentabile și fiabile

Asamblarea este una dintre ultimele etape din producția majorității dispozitivelor electronice, inclusiv a produselor electrocasnice de consum, a produselor electronice generale și a aplicațiilor auto. De obicei, aceasta este urmată doar de un test final și de ambalare. În momentul în care dispozitivul este gata de asamblare, cea mai mare parte a costului de producție a fost deja consumat. Dacă procesul de asamblare nu este robust și rentabil, pot apărea performanțe sub standard sau costul dispozitivului poate crește în mod inutil. Utilizarea suporturilor turnate prin injecție pentru plăcile de circuite imprimate (PCB) asigură o izolare electrică și elimină nevoia de șuruburi, șaibe și piulițe, simplificând și accelerând în același timp asamblarea finală.

Suporturile turnate prin injecție pentru plăci de circuite imprimate sunt componente care doar par simple. Cu toate acestea, proiectanții trebuie să ia în considerare numeroși factori atunci când le selectează, inclusiv stiluri de suport, cum ar fi bază adezivă, blocarea marginilor, blocarea inversă și blocarea cu clichet, precum și metode de fixare, inclusiv mai multe modele cu blocare și fără blocare, și opțiuni de materiale, cum ar fi acetal, diferite tipuri de nailon și cauciuc din monomer de etilenă-propilenă-dienă (EPDM).

Criteriile de selecție sunt complicate și mai mult de necesitatea de a lua în considerare temperatura de funcționare, rigiditatea față de flexibilitate pentru a face față nivelurilor de vibrații anticipate și de alegerea dintre piesele cu evaluare UL 94V-0 de la Underwriters Laboratories (UL) sau piesele mai puțin costisitoare cu evaluare UL 94V-2. În plus, piesele utilizate în ansamblurile auto trebuie să fie clasificate în conformitate cu cerințele de material SAE J1639 ale Societății Inginerilor de Automobile (SAE).

Pentru a face față acestor provocări și pentru a accelera selecția și utilizarea suporturilor turnate prin injecție pentru plăci de circuite imprimate, proiectanții au nevoie de un furnizor care să ofere o gamă largă de tipuri de componente și să ofere un „magazin cu de toate” pentru toate cerințele de suporturi pentru plăci de circuite imprimate.

Acest articol trece în revistă modul în care sunt fabricate suporturile pentru plăci de circuite imprimate utilizând procesul de turnare prin injecție, analizează standardele și opțiunile de materiale și analizează tipurile de structuri de montare și modul în care acestea sunt utilizate în suporturile pentru plăci de circuite imprimate. Apoi prezintă suporturi reprezentative pentru plăci de circuite imprimate de la Essentra Components și se încheie cu sugestii pentru procesul de selecție și integrarea suporturilor în asamblarea produsului.

Turnare prin injecție

Turnarea prin injecție a materialelor termoplastice produce componente mecanice foarte repetabile și cu costuri reduse, cum ar fi suporturile pentru plăci de circuite imprimate. Procesul se desfășoară într-o serie de cinci etape (Figura 1):

1. Peleții termoplastici sunt introduși în utilaj și lichefiați la o temperatură precisă.
2. Materialul termoplastic topit intră în cavitatea de injecție în vederea pregătirii pentru turnare.
3. Când se atinge presiunea necesară în cavitatea de injecție, termoplasticul topit este injectat în matriță folosind o serie de porți pentru controlul fluxului.
4. Când matrița a atins capacitatea adecvată, începe o fază de menținere, în care presiunea este menținută inițial asupra termoplasticului pentru a asigura fabricarea unor piese consecvente. În cea de-a doua parte a fazei de menținere, presiunea este eliberată, iar piesele sunt lăsate să se răcească.
5. Matrița este deschisă, iar piesele sunt împinse în afara uneltei cu ajutorul unor pini de ejecție.

Figura 1: turnarea prin injecție poate produce suporturi pentru plăci de circuite imprimate cu costuri reduse și repetabile. (Sursa imaginii: Essentra Components)

Standarde pentru materiale

Două dintre cele mai importante standarde de materiale pentru suporturile de plăci de circuite imprimate sunt cerințele de inflamabilitate UL 94 și sistemul de clasificare SAE J1639 pentru materialele plastice poliamidice pentru automobile (PA). Acestea sunt standarde generale care se aplică tuturor tipurilor de aplicații, nu doar suporturilor pentru plăci de circuite imprimate.

UL 94 a fost armonizat cu standardele 60695-11-10 și 60695-11-20 ale Comisiei Electrotehnice Internaționale (IEC) și cu standardele 9772 și 9773 ale Organizației Internaționale de Standardizare (ISO). Aceste standarde clasifică materialele în funcție de tendința lor de a răspândi sau de a stinge flăcările odată ce piesa de testare a fost aprinsă.

• V-0 impune ca arderea să se oprească în 10 secunde (s) pe o piesă verticală și permite scurgerile de material atâta timp cât nu sunt aprinse.
• V-1 impune ca arderea să se oprească în 30 de secunde pe o piesă verticală și permite scurgerile de material atâta timp cât nu sunt aprinse.
• V-2 este cel mai puțin restrictiv și impune ca arderea să se oprească în 30 de secunde pe o piesă verticală și permite scurgerile de material în flăcări.

SAE J1639 este o practică recomandată care oferă o structură pentru clasificarea și specificarea materialelor plastice PA utilizate în aplicațiile auto. Acesta se bazează pe sistemul de clasificare D 4066 al Societății Americane pentru Testare și Materiale (ASTM) pentru materiale de injecție și extrudare din PA (nailon). J1639 impune proprietăți și caracteristici descriptive suplimentare pentru PA pentru automobile. Acesta este completat de standardele OEM brevetate ale diferiților producători de automobile. Cele trei elemente de bază ale J1639 includ:

• Standardizarea categoriilor de nailon armat și nearmat, inclusiv 66, 6 și 66/6 în aplicațiile pentru automobile.
• Standardizarea metodelor de testare utilizate pentru a caracteriza proprietățile acestor materiale PA.
• Furnizarea unei structuri concise pentru prezentarea specificațiilor materialelor.

Ce material va fi turnat?

Sunt disponibile mai multe tipuri de materiale plastice. Cele mai comune pentru suporturile de plăci de circuite imprimate includ acetal, nailon și cauciuc EPDM. În funcție de material, acestea pot suporta temperaturi de funcționare de la -40 ˚C la +85 ˚C și asigură amortizarea vibrațiilor, izolarea electrică și alte funcții. Materialele pentru temperaturi ridicate, cu o temperatură nominală de +200 ˚C, sunt disponibile pentru proiecte personalizate. Două dintre cele mai comune tipuri de nailon sunt PA66 și PA66/6.

Pentru aplicațiile care pot utiliza un material UL 94V-2, proiectanții pot apela la PA66. Nailonul 66 poate fi deosebit de util pentru procesele de turnare prin injecție. Oferă o combinație bună de rezistență, rigiditate, duritate, un punct de topire ridicat, o bună lubrifiere a suprafeței (importantă pentru turnarea prin injecție) și rezistență la abraziune, precum și rezistență la multe substanțe chimice, uleiuri de mașină și de motor, solvenți și benzină. În plus, PA66 este relativ ieftin și este nu este halogenat. Piesele fabricate cu PA66 îndeplinesc cerințele SAE J1639.

PA66/6 este, de asemenea, nehalogenat și poate fi utilizat în aplicații care necesită o clasificare UL 94V-0. Proprietățile sale mecanice sunt similare cu cele ale PA66, dar cu o duritate îmbunătățită la temperaturi scăzute. Acesta poate oferi un finisaj de suprafață și o stabilitate a culorii mai bune în comparație cu PA66. De asemenea, PA66/6 îndeplinește cerințele SAE J1639.

Tipuri de montare

Pe lângă selecția materialului, specificația tipului de montare și metoda de fixare pentru atașarea la placa de circuite imprimate sunt considerente importante pentru suporturile plăcilor de circuite imprimate. În ambele cazuri, există multe opțiuni. Unele dintre cele mai comune formate de montare prezentate în Figura 2 includ:

1. Cu filet, inclusiv modelele standard care sunt fixate cu ajutorul șaibelor și piulițelor și cele autofiletante care elimină necesitatea șaibelor și a piulițelor.
2. Fixare rapidă, care implică împingerea rapidă într-un șasiu sau în gaura unui panou pentru a asigura o montare sigură. Variantele includ blocare de margine, tip baionetă, tip brad și altele.
3. Blocarea cu clichet implică, de asemenea, împingerea într-un orificiu de șasiu sau de panou, dar este ușor de îndepărtat.
4. Montare prin presare, cu fixare oarbă, ce utilizează urechi pentru a asigura o fixare sigură. Acestea pot fi deosebit de utile în cazul aplicațiilor cu spațiu restrâns.
5. Baza adezivă care utilizează bandă adezivă pentru a elimina necesitatea unui orificiu de montare.

Figura 2: cinci dintre numeroasele opțiuni de conectare a suporturilor pentru plăci de circuite imprimate la panouri sau șasiuri. (Sursa imaginii: Essentra Components)

Metode de fixare pe placa de circuite imprimate

A doua decizie de proiectare, la fel de importantă, este selectarea unei metode de fixare pe placa de circuite imprimate. Ca și în cazul tipurilor de montare pe panou, există o gamă largă de metode de fixare, exemplele prezentate în Figura 3 includ:

1. Blocarea cu clichet cu două știfturi, în care o parte se blochează, iar cealaltă parte poate fi eliberată pentru stivuirea plăcilor cu circuite imprimate sau pentru conectarea unei plăci cu circuite imprimate la un șasiu.
2. Blocarea cu clichet cu cap de tip săgeată și vârf tip baionetă asigură o fixare foarte sigură și susține asamblarea rapidă în aplicațiile cu stivuire.
3. Suportul cu bază plată este un suport autoadeziv pentru plăci de circuite imprimate cu o ureche de eliberare rapidă.
4. Suporturile hexagonale/filetate se montează în siguranță cu o piuliță hexagonală și au un dispozitiv de fixare detașabil, cu profil redus, pe cealaltă parte.
5. Blocarea dublă inversată/cu fixare rapidă asigură o potrivire rapidă pentru o conexiune sigură la placa de circuite imprimate. Aceasta poate fi instalată din partea inferioară a șasiului și are un cap de tip buton subțire pentru a minimiza proeminența.

Figura 3: mai multe opțiuni pentru fixarea suporturilor pe plăcile de circuite imprimate. (Sursa imaginii: Essentra Components)

Exemple de suport pentru plăcile de circuite imprimate

Având în vedere gama vastă de combinații de materiale, tipuri de montare și metode de fixare, nu se poate prezenta o imagine completă a opțiunilor de suport pentru plăci de circuite imprimate. Următoarele sunt câteva dintre sutele de opțiuni disponibile la Essentra Components:

CRLCBSRE-10-01, fabricat din nailon 66, îndeplinește cerințele UL 94V-2 și este similar cu piesa „E” din Figura 3 de mai sus. Partea superioară este potrivită pentru un orificiu de 4 milimetri (mm), iar cea inferioară pentru un orificiu de 5,4 mm. Lungimea totală a distanțierului este de 15,9 mm (0,625 inch (in.)).

PSM-10-01 este, de asemenea, fabricat din nailon 66. Acesta are un suport plat pe o parte și un vârf de tip săgeată pentru blocare (ca partea superioară a piesei „B” din Figura 3) care se potrivește într-un orificiu de 3,17 mm (0,125 in.) pe partea opusă. Lungimea vârfului de săgeată este de 3,30 mm (0,130 in.), iar lungimea distanțierului este de 15,9 mm (0,625 in.). Este proiectat să se potrivească cu panourile cu grosime de până la 1,199 mm (0,078 in.).

RLEHCBS-7-01BK este un suport de susținere a marginilor, cu montare inversă, fabricat din nailon 66 negru și se montează într-o gaură inferioară de 9,53 mm x 7,95 mm (0,375 x 0,313 in.) într-un panou cu grosimea de 1,57 mm (0,062 in.) (Figura 4). Placa superioară are un orificiu de 3,96 mm (0,156 in.) și se blochează pe un panou de 1,57 mm (0,062 in.). Lungimea distanțierului este de 12,7 mm (0,500 in.)

Figura 4: RLEHCBS-7-01BK are un suport de susținere a marginilor pentru fixarea pe placa de circuite imprimate. (Sursa imaginii: Essentra Components)

Alegerea între UL 94V-0 sau V-2 și o altă opțiune de proiectare

Următoarele suporturi sunt disponibile fie în PA66/6, fie în PA66.

Pentru instalațiile care au nevoie de un suport plat cu un orificiu de montare pe o parte și un vârf de săgeată de blocare pe partea opusă, proiectanții pot alege între CBSS-10-01 (Figura 5), cu clasificare UL 94V-2, sau CBSS-10-19, cu clasificare UL 94V-0.

Figura 5: CBSS-10-01 este un exemplu de suport cu un vârf de săgeată pentru blocare pe o parte și un element plat cu o gaură pe cealaltă parte. (Sursa imaginii: Essentra Components)

Pentru aplicațiile care au nevoie de un distanțier similar cu „A” din Figura 3, proiectanții pot utiliza MSPM-5-01, clasificat UL 94V-2, sau MSPM-5-19, clasificat UL 94V-0.

Iar pentru aplicațiile în care este necesar un design similar cu „B” din Figura 3, proiectanții pot lua în considerare modelul LCBS-2-12-19, clasificat UL 94V-0, sau LCBS-2-12-01, clasificat UL 94V-2.

Concluzie

După cum s-a arătat, suporturile pentru plăci de circuite imprimate sunt disponibile într-o gamă largă de forme și dimensiuni și sunt realizate din mai multe tipuri de materiale. Adăugați la aceasta necesitatea de a susține o asamblare eficientă și fiabilă, printre alte cerințe ale aplicației, iar procesul de selecție poate fi descurajant. În cele mai multe cazuri, cel mai bun sfat pentru proiectanți este să selecteze una sau mai multe opțiuni care par potrivite pentru aplicație și apoi să experimenteze pentru a determina care dintre ele este cea mai potrivită pentru cerințele generale de asamblare.

Lectură recomandată

1. Utilizați interconexiuni dense și flexibile pentru proiectarea dispozitivelor de monitorizare compacte și de înaltă performanță pentru pacienți
2. Utilizați conectori cu deplasarea izolației cu conectare directă pentru a simplifica asamblarea și a reduce lista de materiale
3. Cum să valorificați avantajele conectorilor dintre fir și placă în proiectele ultra-compacte