Dobór i użycie wsporników do płytek drukowanych pozwalające opracowywać ekonomiczne i niezawodne produkty elektroniczne

Montaż jest jednym z ostatnich etapów w produkcji większości urządzeń elektronicznych, w tym urządzeń AGD, ogólnej elektroniki i zespołów motoryzacyjnych. Zwykle po nim następuje już tylko test końcowy i pakowanie. Do momentu, gdy urządzenie jest gotowe do montażu, większość kosztów produkcji urządzenia została już poniesiona. Nieefektywne lub nieekonomiczne procedury montażu mogą skutkować parametrami działania poniżej standardów oraz niepotrzebnym zwiększeniem kosztu urządzenia. Zastosowanie formowanych wtryskowo wsporników do płytek drukowanych zapewnia izolację elektryczną i eliminuje potrzebę stosowania śrub, podkładek oraz nakrętek, upraszczając i przyspieszając montaż końcowy.

Formowane wtryskowo wsporniki do płytek drukowanych to komponenty, które wyglądają na pozornie nieskomplikowane. Projektanci muszą jednak wziąć pod uwagę wiele czynników przy ich doborze, w tym sposób podpierania, np. podstawa przylepna, blokada krawędziowa, blokada odwrócona lub zatrzask, a także metody mocowania, w tym te blokujące i nieblokujące, a także dobór materiałów, np. acetal, różne rodzaje nylonu i monomer etylenowo-propylenowo-dienowy (EPDM).

Kryteria doboru dodatkowo komplikuje konieczność uwzględnienia temperatury pracy, relacji między sztywnością a elastycznością niezbędnej do wytrzymywania przewidywanych poziomów drgań oraz wybór między częściami o klasie palności Underwriters Laboratories (UL) 94V-0 a tańszymi o klasie UL 94V-2. Ponadto części stosowane w zespołach samochodowych muszą być klasyfikowane zgodnie z wymaganiami materiałowymi normy SAE J1639.

Aby sprostać tym wyzwaniom i przyspieszyć dobór oraz stosowanie formowanych wtryskowo wsporników do płytek drukowanych, projektanci potrzebują dostawcy oferującego szeroki zakres typów komponentów i zapewniającego zaspokojenie wszystkich potrzeb dotyczących wsporników do płytek drukowanych w jednym miejscu.

W niniejszym artykule omówiono sposób wytwarzania wsporników do płytek drukowanych przy użyciu procesu formowania wtryskowego, przeanalizowano normy materiałowe i dobór materiałów oraz omówiono rodzaje konstrukcji montażowych i sposób ich wykorzystania we wspornikach do płytek drukowanych. W dalszej części przedstawiono przykładowe wsporniki do płytek drukowanych firmy Essentra Components. Na zakończenie podano sugestie dotyczące doboru wsporników i ich integracji w zespole produktowym.

Formowanie wtryskowe

Formowanie wtryskowe tworzyw termoplastycznych pozwala wytwarzać wysoce powtarzalne i tanie komponenty mechaniczne, takie jak wsporniki do płytek drukowanych. Proces ten odbywa się w sekwencji pięciu etapów (ilustracja 1):

1. Granulki termoplastyczne są podawane do maszyny i upłynniane poprzez doprowadzenie do ściśle określonej temperatury.
2. Roztopione tworzywo termoplastyczne jest wprowadzane do komory wtryskowej w ramach przygotowania do formowania.
3. Po osiągnięciu wymaganego ciśnienia we wnęce stopiony materiał termoplastyczny jest wtryskiwany do formy za pomocą szeregu bramek kontrolujących przepływ.
4. Gdy zostanie wtryśnięta już odpowiednia ilość materiału, rozpoczyna się faza podtrzymywania, w której ciśnienie działające na tworzywo termoplastyczne jest początkowo utrzymywane na stałym poziomie, aby zapewnić produkcję powtarzalnych elementów. W drugiej części fazy przetrzymywania następuje uwolnienie ciśnienia, a elementy pozostawia się do wystygnięcia.
5. Forma jest otwierana, a części wypychane z narzędzia za pomocą wypychaczy.

Ilustracja 1: formowanie wtryskowe, które pozwala wytwarzać tanie i powtarzalne wsporniki do płytek drukowanych. (Źródło ilustracji: Essentra Components)

Normy materiałowe

Dwie z najważniejszych norm materiałowych dotyczących wsporników do płytek drukowanych to wymagania dotyczące palności UL 94 oraz system klasyfikacji SAE J1639 dla tworzyw poliamidowych (PA) przeznaczonych do zastosowań motoryzacyjnych. Są to normy ogólne, które dotyczą wszystkich typów zastosowań, a nie tylko płytek drukowanych.

Norma UL 94 została zharmonizowana z normami 60695-11-10 i 60695-11-20 Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej (IEC), a także z normami 9772 i 9773 Międzynarodowej Organizacji Normalizacyjnej (ISO). Normy te klasyfikują materiały na podstawie ich tendencji do rozprzestrzeniania lub tłumienia płomieni po zapaleniu się badanej części.

• Norma V-0 wymaga, aby pionowa część przestawała się palić w ciągu 10s i dopuszcza skapywanie materiału, o ile nie jest on zapalony.
• Norma V-1 wymaga, aby pionowa część przestawała się palić w ciągu 30s i pozwala na skapywanie materiału, o ile nie jest on zapalony.
• Norma V-2 jest najmniej restrykcyjna i wymaga, aby pionowa część przestawała się palić w ciągu 30s i pozwala na skapywanie palącego się materiału.

Stosowanie normy SAE J1639 jest zalecaną praktyką. Norma ta stanowi ramy klasyfikacji i specyfikacji poliamidowych (PA) tworzyw sztucznych wykorzystywanych w zastosowaniach motoryzacyjnych. Opiera się ona na systemie klasyfikacji D 4066 Amerykańskiego Stowarzyszenia Badań i Materiałów (ASTM) dla materiałów nylonowych (PA) stosowanych we wtryskarkach i wytłaczarkach. Norma J1639 wymaga od poliamidów do zastosowań motoryzacyjnych dodatkowych opisów właściwości i specyfikacji. Jej uzupełnieniem są zastrzeżone standardy producentów oryginalnego sprzętu (OEM) z branży motoryzacyjnej. Trzy zasadnicze elementy normy J1639 to:

• Standaryzacja klas wzmocnionych i niewzmocnionych nylonów, w tym klas 66, 6 i 66/6 w zastosowaniach motoryzacyjnych.
• Standaryzacja metod badania stosowanych do scharakteryzowania właściwości materiałów poliamidowych (PA).
• Określenie precyzyjnych ram sposobu prezentacji specyfikacji materiałowych.

Jaki materiał używać do formowania?

Dostępnych jest kilka rodzajów tworzyw sztucznych. Do najczęściej używanych we wspornikach do płytek drukowanych należą acetal, nylony i kauczuk etylenowo-propylenowo-dienowy (EPDM). W zależności od materiału mogą one być odpowiednie dla temperatur roboczych od -40˚C do +85˚C, a także zapewniać tłumienie drgań, izolację elektryczną i inne funkcje. Istnieje możliwość dostosowania projektu do indywidualnych wymagań klienta w zakresie zastosowania materiałów wysokotemperaturowych przystosowanych do temperatur do +200˚C. Dwa powszechnie stosowane nylony to PA66 i PA66/6.

W przypadku zastosowań, w których można użyć materiał klasy UL 94V-2, projektanci mogą sięgnąć po materiał PA66. W procesach formowania wtryskowego szczególnie przydatny może być nylon 66. Oferuje on dobre połączenie wytrzymałości, sztywności, twardości, wysokiej temperatury topnienia, dobrej smarności powierzchni (ważne dla formowania wtryskowego) i odporności na ścieranie, a także odporności na wiele środków chemicznych, olejów maszynowych i silnikowych, rozpuszczalników i benzynę. Ponadto nylon PA66 jest stosunkowo tani i jest niehalogenowany. Części wykonane z materiału PA66 spełniają wymagania normy SAE J1639.

Materiał PA66/6 również jest niehalogenowany i może być używany w zastosowaniach wymagających klasy UL 94V-0. Jego właściwości mechaniczne są podobne do właściwości materiału PA66, ale charakteryzuje się lepszą wytrzymałością w niskich temperaturach. W porównaniu do materiału PA66 w jego przypadku można osiągnąć lepsze wykończenie powierzchni i lepszą stabilność koloru. Materiał PA66/6 spełnia również wymagania normy SAE J1639.

Typy montażu

Istotne kwestie, które trzeba uwzględnić jeśli chodzi o wsporniki do płytek drukowanych to m.in. dobór materiału, typ montażu oraz typ mocowania do płytki drukowanej. W obu przypadkach istnieje wiele opcji. Przykłady najpopularniejszych typów montażu przedstawione na ilustracji 2 to:

1. Montaż gwintowany - w tym standardowe konstrukcje z mocowaniem za pomocą podkładek i nakrętek, oraz typy samogwintujące, które eliminują potrzebę stosowania podkładek i nakrętek.
2. Montaż z pasowaniem zatrzaskowym - w przypadku których element połączeniowy jest szybko wciskany w obudowę lub otwór w tablicy, zapewniając stabilność montażu. Niektóre z wariantów tego typu to połączenie krawędziowe, bagnetowe, choinkowe itp.
3. Elementy z blokadą zatrzaskową są również wciskane w otwór obudowy lub tablicy, z tą różnicą, że można je łatwo zdemontować.
4. Pasowanie wciskane, które można montować bez widoczności wykorzystuje żeberka, aby zapewnić bezpieczne trzymanie. Połączenia tego typu mogą być szczególnie przydatne w zastosowaniach o ograniczonej przestrzeni.
5. Przylepna podstawa z taśmą, która eliminuje potrzebę wykonywania otworu montażowego.

Ilustracja 2: pięć spośród wielu możliwości łączenia płytek drukowanych z tablicami lub obudowami. (Źródło ilustracji: Essentra Components)

Metody mocowania płytki drukowanej

Drugą i równie ważną decyzją projektanta jest wybór metody mocowania płytki drukowanej. Wybór metod mocowania jest równie szeroki jak wybór typów montażu tablicowego. Na ilustracji 3 przedstawiono przykłady:

1. Dwustronne mocowanie z dwupalcowymi blokadami zatrzaskowymi. Jedna połowa zatrzasku blokuje się, a drugą można zwolnić, co umożliwia piętrowe układanie płytek drukowanych lub łączenie ich z obudową.
2. Mocowanie z blokadą zatrzaskową w kształcie grotu strzały zakończone z drugiej strony bagnetem wciskowym zapewnia bardzo stabilny chwyt i umożliwia szybki montaż podczas piętrowego łączenia elementów.
3. Mocowanie z płaską podpórką jest samoprzylepnym wspornikiem do płytek drukowanych posiadającym wypustkę do szybkiego demontażu.
4. Mocowania sześciokątne/gwintowane charakteryzują się stabilnością, dzięki nakrętce sześciokątnej. Po drugiej stronie posiadają niskoprofilowy element do zwalniania połączenia.
5. Odwrócone mocowanie z podwójnym zatrzaskiem lub z pasowaniem zatrzaskowym zapewnia bezpieczne połączenie z płytką drukowaną. Można je zainstalować od spodu obudowy i ma cienki łeb półkolisty, dzięki któremu wystaje tylko minimalnie.

Ilustracja 3: kilka opcji mocowania wsporników do płytek drukowanych. (Źródło ilustracji: Essentra Components)

Przykłady wsporników do płytek drukowanych

Biorąc pod uwagę szeroką gamę kombinacji materiałów, typów montażu i metod mocowania, przedstawienie pełnego wachlarza możliwych wsporników do płytek drukowanych nie jest możliwe. Oto kilka z kilkuset opcji dostępnych w ofercie firmy Essentra Components:

Wspornik CRLCBSRE-10-01, wykonany z nylonu 66 w klasie UL 94V-2, jest podobny do części „E” przedstawionej na ilustracji 3 powyżej. Górna część pasuje do otworu o średnicy 4mm, a dolna do otworu o średnicy 5,4mm. Całkowita długość elementu dystansowego wynosi 15,9mm (0,625in.).

Element PSM-10-01 także jest wykonany z nylonu 66. Z jednej strony posiada płaską podpórkę, a z drugiej grot mocujący (podobny do górnego elementu części „B” na ilustracji 3), który pasuje do otworu o średnicy 0,125in. Długość grotu wynosi 0,130in. a długość elementu dystansowego 15,9mm (0,625in.). Przeznaczony jest do tablic o grubości do 0,078in.

RLEHCBS-7-01BK jest wspornikiem podtrzymującym krawędzie, do montażu odwróconego i jest wykonany z czarnego nylonu 66. Pasuje do otworu dolnego o wymiarach 0,375 x 0,313in. i tablic o grubości 0,062in. (ilustracja 4). Górna płytka ma otwór o średnicy 0,156in. i pasuje do tablicy o grubości 0,062in. Długość elementu dystansowego wynosi 0,500in.

Ilustracja 4: wspornik RLEHCBS-7-01BK posiada podpórkę do trzymania krawędzi do mocowania płytki drukowanej. (Źródło ilustracji: Essentra Components)

Wybór klas UL 94V-0 lub V-2 i inna opcja konstrukcyjna

Poniżej opisane wsporniki są dostępne w wykonaniu z materiału PA66/6 lub PA66.

W przypadku instalacji wymagających płaskiego mocowania z otworem montażowym po jednej stronie i z grotem mocującym po drugiej stronie projektanci mogą sięgnąć po element CBSS-10-01 klasy UL 94V-2 (ilustracja 5) lub po element CBSS-10-19 klasy UL 94V-0.

Ilustracja 5: CBSS-10-01 jest przykładem wspornika z grotem mocującym po jednej stronie i płaskim mocowaniem z otworem po drugiej. (Źródło ilustracji: Essentra Components)

W przypadku zastosowań wymagających zastosowania elementu dystansowego podobnego do „A” na ilustracji 3, projektanci mogą sięgnąć po element MSPM-5-01 wykonany w klasie UL 94V-2 lub MSPM-5-19 wykonany w klasie UL 94V-0.

W przypadku zastosowań, w których wymagana jest konstrukcja podobna do oznaczenia „B” na ilustracji 3, projektanci mogą wziąć pod uwagę element LCBS-2-12-19 w klasie UL 94V-0 lub LCBS-2-12-01 w klasie UL 94V-2.

Podsumowanie

Wsporniki do płytek drukowanych dostępne są w szerokiej gamie kształtów i rozmiarów i są wykonane z kilku rodzajów materiałów. Jeśli dodać do tego konieczność zapewnienia skutecznego i niezawodnego podparcia dla zespołu, proces doboru może być przytłaczający. W większości przypadków najlepsze, co można doradzić projektantom to sięgnięcie po kilka opcji, które wydają się odpowiednie w danej sytuacji i eksperymentowanie z nimi w celu określenia, która najlepiej spełnia wymagania.

Rekomendowane artykuły

1. Użycie złączy elastycznych o dużej gęstości do projektowania kompaktowych i wysokowydajnych urządzeń do monitorowania pacjentów 
2. Użycie złączy z połączeniem wykonywanym przez przerwanie izolacji (IDC) w celu usprawnienia montażu i skrócenia wykazu materiałów BOM
3. Wykorzystanie zalet złączy przewód-płytka w konstrukcjach ultrakompaktowych