PCB デザインファクトリー: 堅牢な電子設計には何が含まれますか?

pcb design factory: 堅牢な電子設計には何が含まれますか?

インターネットで「頑丈な電化製品」で検索してみると、スマートフォンを踏んでいる動画がたくさん出てくるかもしれません。 堅牢な電子機器は機械的に衝撃に耐える必要がありますが、堅牢なシステムは歩道での落下に耐えるだけではありません。 これはハウジングの設計だけでなく、コンポーネントの選択と製造の選択についても同様です。

軍用航空の設計者は、電子機器の信頼性と寿命がテストされる多くのシナリオを説明するために、「過酷な環境」という用語をよく使用します。 次の製品を真に頑丈にしたい場合は、PCB レイアウトにそれらの戦略のいくつかを採用することが役立ちます。 このホワイト ペーパーでは、軍用航空設計で使用されるいくつかの設計戦略と、工業デザインで使用される設計戦略について説明します。

ラギッドエレクトロニクスの過酷な環境とは？

一部の業界標準で定義されている「環境」という用語は、実際の環境条件 (温度、湿度など) から機械的環境 (振動など) または電気的環境 (ノイズ、ESD 電位) まで、あらゆるものを指す場合があります。 頑丈な電子機器は、通常、過酷な環境で一般的な 1 つ以上の条件に耐えるように設計されています。

温度が高すぎるまたは低すぎる

極端で頻繁な温度サイクル

湿気と高圧/低圧

機械的振動または衝撃

高電圧・電流放電

ほこりなどの粒子状物質

酸化性または爆発性ガス

これは非常に広範で信じられないほどのリストです。 通常、上記のリストのすべての要因に耐えるように単一のデバイスを設計することはできません。 電子機器に損傷を与える要因は非常に多く、過酷な環境に対処するのは困難です。 これらの問題は、回路基板、コンポーネント、PCBA 全体、または上記のすべてに影響を与える可能性があります。

いくつかの強化戦略

次の表は、設計をより堅牢にし、上記の環境要因のリストに耐えられるようにするために、設計に実装できるソリューションの一部をまとめたものです。

環境要因

設計戦略

高温

伝導冷却の組み合わせ (シャーシ/ラジエーター)、サーマル インターフェイス マテリアルとファンの使用、熱コンポーネントの拡散、セラミックまたはメタル コア PCB ボードの使用、液体冷却

低温

結露を防ぐために入口保護を使用し、直流加熱を使用してコンポーネントを通常の動作温度範囲内に保ちます。

極端な熱サイクル

高 Tg ラミネートを使用し、スタック ビアは使用しないでください。

高圧環境

また、極端な温度に対応する設計、内破しない適切なコンポーネントの選択、コンフォーマル コーティングの適用、エンクロージャへの不活性ガスまたは絶縁液体の充填も計画されています。

機械的振動または衝撃

可能な限りスルー ホール コンポーネントを選択し、回路基板を設計し、最低共振周波数を予想される衝撃周波数の少なくとも 3 倍にし、ソケットやグリッド アレイを使用する代わりに大型 IC を回路基板に直接溶接します。

放電

接地をシャーシと TVS 接地の近くに保ち、ESD を使用して回路を保護します。

粒子状物質

ESD を防止するためにスリープルーフ ペイントを使用し、粒子の侵入を防ぐために高圧シーリング シェルを使用します。

水分や酸化性ガスによる腐食

適切な化学組成のコンフォーマル ペイントを使用して、高圧定格の密閉エンクロージャを設計します。

爆発性ガス

動作中に予想されるスパークを生成する可能性のあるコンポーネント (リレーなど) を排除し、ESD 保護対策を適用します。

上の表から、鉄筋がスラブ レベルにまたがっていることがはっきりとわかります。 ボード レベルでしか実装できないソリューションもあれば、ボードからコンポーネントやシェルまでのすべての側面を考慮する必要があるソリューションもあります。 これらのソリューションを管理する業界標準には、次のものがあります。

頑丈な電子機器への湿気の侵入を制限する侵入保護 (IP) 規格

MIL-S-901D、船上機器の高衝撃の機械的衝撃に対する要件を規定

MIL-STD-810G、商用軍事機器のテスト要件を規定

全米電気製造業者協会 (NEMA)、エンクロージャ、キャビネット、およびエンクロージャを指定

National Fire Protection Association (NFPA) は、火災の抑制または封じ込めを確実にするために、特定の環境における電子機器の一連の要件を規定しています。

潜在的爆発性雰囲気 (ATEX)、NFPA 497、および HazLoc は、爆発性ガスを含む環境に機器を配置する際の爆発を防止するための設計要件を規定しています。

住宅と設置方法が重要

ここまでは、電気設計、物理レイアウト、および PCBA についてのみ説明してきました。 頑丈な電子製品を設計するには、PCB ボードの周りに厚いプラスチック シェルを配置して作業を終了するだけでは不十分であることは明らかです。 エンクロージャ、回路基板の取り付け方法、および固定具は、信頼性を決定し、上記の環境要因のいくつかに対抗する上で重要な役割を果たします。

機械的衝撃と振動、および潜在的な電気的/熱的要因に対処する簡単な方法は、ショックアブソーバーを使用することです。

エンクロージャーの設計と設置のその他の側面では、対処する必要がある特定の環境要因を考慮する必要があります。 高圧ガス環境への適応は、高圧液体環境の場合と同じ戦略を使用しませんが、どちらも圧力均等化に依存するシェル レベルのソリューションです。 強力な電子設計が良い例です。 電気設計チームは、機械チームと緊密に連絡を取り、補強戦略が電気要件を妨げないようにする必要があります。

堅牢な電子機器に関する最終的なアイデア

頑丈な電子デバイスに関する最後のアドバイスは、過酷な環境のすべてのリストを含むシナリオで常にデバイスを展開するとは限らないということです。 したがって、頑丈な電子製品を設計するための最初のステップは、製品に損傷を与える可能性のある特定の環境要因を考慮し、設計時にこれらの要因に注意を払うことです。 たとえば、主に温度サイクルに関心がある場合は、酸化ガスに対する保護を設計することについて心配する必要はありません (ただし、この保護は副次的な利点として得られる場合があります)。 設計にとって重要なことに焦点を当てることで、コンパクトで費用対効果の高い製品を製造できます。 回路基板アセンブリおよび回路基板処理メーカーは、堅牢な電子設計にどのような手順を導入していますか?