高影响环境的电路板设计

我正在设计一种能够可靠承受持续冲击的PCB。该板将被牢固地安装到一个外壳上，以保护该板免受实际撞击。撞击的性质类似于保龄球或锤头-不是我认为的振动，而是来自多个方向的频繁击打。

作为设备功能的一部分，我想测量电路板的加速度，因此以任何方式衰减冲击都是不可取的。我没有提供任何测得的加速度值（G's）作为基准，并且我在该领域确实没有任何经验。因此，我有一些密切相关的通用问题：

• 如果不采取任何抗冲击措施，板上最大的力量是什么？（我是否太担心无问题了？）
• PCB是否应遵循任何设计规范？
• 设计中导致机械故障的弱点是什么？
• 为了更坚固的设计，是否应避免使用某些零件？
• 我应该在什么水平上开始担心零件本身的安全性？

这只是一般性的事情，您应该真正尝试限制预期的加速力，这些力的持续时间和持续时间，热条件以及预期的撞击角度，以获得使设计更稳固所需的信息。

如果不采取任何抗冲击措施，板上最大的力量是什么？（我是否太担心无问题了？）

很难用一个数字来表示，这取决于所用组件的类型以及击打的方向/频率。

PCB是否应遵循任何设计规范？

固执的东西有很多附件。最可能的故障模式之一是PCB弯曲，这会导致PCB上的焊点破裂，从而导致连接的间歇性或完全故障。我会尽力使PCB尽可能紧凑，同时为不会弯曲的部件（钢外壳）提供尽可能多的附件。PCB越小，板的“整体弯曲度”就越小。具有焊料铜电源和接地层的4+层设计之类的东西也应增加PCB的刚性，但会引起额外的热挠曲。根据您的需求，可以使用比现成的FR-4更坚硬的专用PCB基板，例如采用碳纤维复合材料而不是玻璃纤维的基板。

设计中导致机械故障的弱点是什么？

• 如上所述的电路板弯曲会导致焊点破裂。PCB的加固会有所帮助。您也不能使用普通焊料，而应使用导电粘合剂，例如银导电环氧树脂。您还可以在PCB上使用保形涂层，该涂层可以将表面安装元件固定在适当的位置，并为PCB增加一定的刚度。
• 大件物品：轻巧的表面贴装器件是最适合使用的零件，而距离PCB较远的大件重物则是最差的零件。大型铝电解盖，高电感器，变压器等将是最糟糕的情况。它们将在导线和与PCB的焊接连接上施加最大的力。如果需要大型设备，请使用附加的PCB附件。使用非导电，非腐蚀性的环氧树脂或类似的东西将它们附着到PCB上，或使用带有额外PCB支撑的零件。在计算使用环氧或保形涂料的设备的耗散功率能力时，请务必考虑增加的热阻。
• 连接器。离开板上的所有连接器都将被敲打，请确保其为牢固的锁定类型，并承受预期的G力。确保连接器与PCB的连接牢固。纯粹的表面安装类型，如果不将通孔连接到板上，则可能不是一个好主意。这些通常需要在PCB边缘附近的PCB中形成通孔。确保您的PCB基板足够坚固，可以支撑这些孔上的力，因为它离边缘很近，孔周围的PCB强度要小得多。如果您需要一个离开机箱的连接器，请使用锁定面板安装连接器和引线引线到PCB上，这将使应力施加在连接器/机箱上而不是PCB上。

为了更坚固的设计，是否应避免使用某些零件？

请参阅上面的列表，但所有部件都应轻薄放置，并尽可能靠近PCB。

我应该在什么水平上开始担心零件本身的安全性？

同样，这很难给出数字。如果器件被“边缘”撞到PCB上，那么您所关心的就是横向剪切力。什么力导致问题在那里取决于IC。大而笨重的IC几乎没有PCB的小附件，情况可能更糟。也许是一个高大的脉冲变压器或类似的东西。重量轻，IC短，附件很多的天线可能最坚固。类似64针QFP的东西，如果它具有较大的中心焊盘，则更好。有关此主题的一些有用的阅读材料：http : //www.utacgroup.com/library/EPTC2005_B5.3_P0158_FBGA_Drop-Test.pdf

某些零件可能会受到高G力的内部损坏，这将是部分零件化的，但主要限于具有可移动内部零件的设备。MEMS装置，变压器，磁座等

评论

您是否考虑过使用2个板子？一块带有加速度计的小板实际上牢固地固定在外壳上，另一块板上有其余的电子设备，然后可以用减震系统安装。防震系统可以像橡胶支架一样简单，也可以根据需要与硬盘驱动器中使用的系统一样复杂。

如果您想获得冲击事件（例如被铁锤击打）的准确测量，则需要一个非常快速的处理器和一个非常快速，宽范围的加速度计。

在铁路行业中，指导原则是至少每100毫米支撑一块木板。最好的组件是那些重量轻（SMT零件的重量小于TH），靠近PCB的零件（SMT小于TH）并且与PCB的连接很多（有时可以添加更多的引脚以将重量分配到各个引脚上）例如自定义开关模式变压器）。重心较高的细腿上的较大零件将是最差的，例如铁芯变压器。灌装将使所有零件保持在一起，但会增加重量-因此，您可能最终会从较大的零件向较小的零件施加力。使用所有可能的焊盘，例如在连接器的未使用引脚上，并添加局部过孔以阻止轨道从SMT连接器上剥落。如果连接器有其他螺钉固定点，请使用它们，例如9针D型插座。

您是否考虑过为电路灌封？我本人并没有太多经验，但是我以前看过它，并且我了解到您可以将整个电路板和组件封装在能固化的非导电树脂中。我认为，相对于PCB的突然加速，这将为组件提供支撑。

我不能说这将有多有效，但我认为值得研究。

我没有亲自设计，但我知道用于碰撞测试假人仪器的电子设备仅使用柔性电路。它们不在任何地方使用硬质PCB材料，限制了PCA在机箱内的移动，并为连接到机箱的任何连接器提供了足够的维修回路。

使用的制造过程示例。

需要考虑的一点是与电路板和机柜的连接点的数量和分布。

使用更多的连接点将更好地分配来自机箱的力，同时防止电路板振荡。

通常，物理接触点是最薄弱的接触点，请尝试使用较大接触点的较大螺钉。尝试使用尽可能多的孔，并尽可能地“随机”分布。如果它们对齐，则电路板最终可能会振荡。

最好是使用某种环氧/丙烯酸涂层，因为它既增加了电路板的电阻，又减小了电路板上组件的振动影响。