可以将 PCB 用作产品结构的一部分吗?

电器工程 电路板 硬件
2022-01-23 01:31:43

与我一起工作的工业和产品设计师不断回到使用 PCB 作为我们产品物理结构的一个组成部分的想法。

我们有壁挂式产品,我对此感到很不舒服。我反对的论点是:“这不是一个好的设计原则,PCB通常应该只支撑它自己的重量,而不是像框架这样不必要的东西”

他们认为被支撑的部分相对较轻。这甚至包括使用双面胶带将不锈钢薄框架直接支撑到 PCB 的空(无轨道或组件)部分,或用胶带固定在框架上的塑料 PCB 夹上。今天他们挑战了我的论点,说“什么设计原则?告诉我们它在哪里说的”

这些类型的解决方案通常可以由工业设计师提出,因为它为他们解决了很多成本问题,并且还将一些结构责任推到了 PCB 设计上。

在我看来,设计用于“悬挂”PCB 的产品通常经过产品设计师的安装验证和测试。例如,大型 GPU 散热器比我们计划放置的任何东西都重。但是,如果我们“悬挂”我们自己的 PCB 部件,我们将进入一个我不太了解的设计世界。

也许有人可以为我指出这些类型问题的一些答案。在焊料开始开裂之前获得一些关于 PCB 可以承受的力的材料会很好,等等。或者也许有人见过使用 PCB 作为结构一部分的生产产品?我们是一家小企业,但我们的产品是量产级的,我们需要获得 CE 等标准认证。

3个回答

PCB 在许多应用中用作结构材料。如果您确保以正确的方式加载它 - 没有弯曲载荷,只有拉伸 - 它可以是一种非常坚固且坚硬的材料,可用于许多应用。此外,您可以在 PCB 中添加许多非常精细的细节,从而将大量机械复杂性委托给非常便宜的工艺。这可以提高其他机械部件的可制造性并降低成本。

如果您打算使用 PCB 作为结构材料,请确保:

  • 请记住,机械设计的第一条规则是:正交化设计。检查这一点的最简单方法是确保您可以组装整个机械设计,而不需要一百万只手在将某个零件拧到位时将各种不同的零件固定到位。装配中的每一步都应该以线性方式建立在前面的步骤之上,并且每个装配步骤的最终结果应该是一个易于处理和操作的产品。
  • 即使您将 PCB 用作机械和电气互连(因此您的设计不是正交的),也请尽量将功能解耦。不要将机械应力引入(密集)人口稠密的区域,因为这些应力可能会使 PCB 变形并导致微裂纹。智能地使用 PCB 中的插槽,通过未填充的“不太重要”PCB 材料在填充区域周围引导机械应力
  • 在您的 PCB 中使用套筒紧固件或非常细间距的螺纹紧固件,请勿使用自攻丝。PCB材料整体非常坚固,但未电镀孔的内部很容易损坏,影响连接的稳定性。
  • 在安装孔的圆环上涂上焊料,并使用锯齿环将紧固件自锁到位。
  • 非常重要:使用安装孔焊盘中的通孔将铜“钉牢”到板上。否则,圆环很容易在机械应力作用下松动。
  • 使用适当的电路板厚度并进行一些背面应力分析。在典型条件下,您希望电路板上的应变小于大约 \$\epsilon = 0.001\$。这是热和机械的结合。使用您选择的电路板材料的机械性能,计算您在应用中预期的应变量。较厚的板意味着您可以在相同的应变量下按比例吸收更多的力。
  • 在无法避免过度应变的应用中,使用圆角而不是锐边来布线,使用最小的可用组件封装并将封装定向在可以承受最大应变的方向。有铅零件比无铅零件能承受更大的应变。

PCB 材料是玻璃纤维和环氧树脂基复合材料,具有非常非常好的机械性能。

在我看来,将它用作机械结构的一部分是完全可以的,并且通常会带来非常优雅的解决方案。

这不是一种常见做法的原因是因为这种方法需要非常仔细的设计和不同类型的专家(电子和机械工程师)共同解决问题。

这样的联合团队很难创建。这就是为什么只有非常小的团队才能设计这种类型的解决方案。

除非您的 PCB 非常薄,否则我会说这些是规则:

  • 紧张的
  • 垂直于表面的压缩力强
  • 非常容易弯曲

随着时间的推移,弯曲 PCB 会损坏焊点。导致 PCB 弯曲的外壳不够硬是 2000 年代中期 Apple iBook 产品召回的原因:视频电路出现间歇性故障。

如果您的产品类似于挂在墙上的时钟,并且在 PCB 上有安装孔,那很好。如果它是人们要拿在手中的东西,也许是一侧,也许是弯曲的,你会希望外框有一些刚度。

其他注意事项:有些人认为 PCB 看起来既便宜又难看,这可以通过非绿色阻焊层或镀金来缓解。裸露的 PCB 也会让您容易受到 ESD、水或污垢进入电路板其余部分等边缘的影响。显然,您不能在处理电源电压的产品中使用它;您应该检查 CE 测试要求,看看电源适配器供电的产品是否会出现问题。

可能我能想到的带有裸露PCB的主要消费产品是视频游戏卡带,它非常耐用;但它被硬塑料外壳包围,提供刚性。