¿Se puede utilizar la placa de circuito impreso como parte de la estructura de un producto?

Question

Los diseñadores industriales y de productos con los que trabajo vuelven una y otra vez a la idea de utilizar la placa de circuito impreso como parte integrante de la estructura física de nuestros productos.

Tenemos productos montados en la pared y me resulta bastante incómodo. Mi argumento en contra es que: "No es un buen principio de diseño, la placa de circuito impreso generalmente sólo debería soportar su propio peso y no cosas innecesarias como el marco"

Argumentan que las piezas que se apoyan son relativamente ligeras. Esto incluye incluso el apoyo de un marco delgado de acero inoxidable con cinta adhesiva de doble cara directamente a una parte vacía (sin pistas ni componentes) de la placa de circuito impreso, o a clips de plástico para placas de circuito impreso que se pegan al marco. Hoy han rebatido mi argumento diciendo "¿qué principio de diseño? muéstranos dónde dice esto"

Este tipo de soluciones pueden surgir a menudo de los diseñadores industriales, ya que les resuelve muchos problemas de costes y además traslada parte de la responsabilidad estructural al diseño de la placa de circuito impreso.

En mi opinión, los productos diseñados para "colgarse" de las placas de circuito impreso suelen estar probados y testados para su montaje por el diseñador del producto. Por ejemplo, un gran disipador de calor de GPU es más pesado que cualquier cosa que pensemos colocar. Sin embargo, si estamos "colgando" nuestras propias piezas de las placas de circuito impreso estamos entrando en todo un mundo de diseño del que no sé lo suficiente.

Quizás alguien pueda indicarme algunas respuestas sobre este tipo de cuestiones. Sería bueno conseguir algún material sobre las fuerzas que puede soportar una placa de circuito impreso antes de que la soldadura comience a agrietarse, etc. ¿O tal vez alguien ha visto un producto de producción que utiliza la PCB como parte de la estructura? Somos una pequeña empresa, pero nuestros productos son de grado de producción en masa y tendremos que buscar aprobaciones de normas como la CE.

Answer 1

Los PCB se utilizan como materiales estructurales en muchas aplicaciones. Si se asegura que se carga de la forma correcta -sin cargas de flexión, sólo de tracción- puede ser un material muy fuerte y rígido, útil para muchas aplicaciones. Además, las placas de circuito impreso pueden tener muchos detalles muy finos, lo que permite delegar una gran complejidad mecánica en un proceso muy barato. Esto puede mejorar la capacidad de fabricación y reducir el coste de sus otros componentes mecánicos.

Si tiene intención de utilizar placas de circuito impreso como material estructural, asegúrese de que:

• Tenga en cuenta que la regla número uno del diseño mecánico es: ortogonalizar el diseño. La forma más fácil de comprobarlo es asegurarse de que se puede ensamblar todo el diseño mecánico sin necesidad de un millón de manos que sostengan varias piezas diferentes en su sitio mientras se atornilla una pieza determinada. Cada paso del ensamblaje debe basarse en los pasos anteriores de forma lineal y el resultado final de cada paso de ensamblaje debe ser un producto que pueda manejarse y manipularse fácilmente.
• Aunque utilices una placa de circuito impreso como interconexión mecánica y eléctrica (y, por tanto, tu diseño no sea ortogonal), intenta desacoplar las funciones en la medida de lo posible. No conduzca las tensiones mecánicas a través de zonas (densamente) pobladas, ya que las tensiones pueden deformar la PCB y causar microfisuras. Utiliza las ranuras de la PCB de forma inteligente para conducir las tensiones mecánicas alrededor de la zona poblada, a través del material "menos importante" de la PCB.
• Utilice sujetadores con manguito o sujetadores roscados de paso muy fino en su PCB, NO utilice autorroscantes. El material de la placa de circuito impreso en su conjunto es muy resistente, pero el interior de los agujeros sin revestimiento se daña muy fácilmente, comprometiendo la estabilidad de la conexión.
• Aplique soldadura en el anillo anular de los agujeros de montaje y utilice anillos dentados para autobloquear el sujetador en su lugar.
• muy importante: utilizar vías en las almohadillas de los agujeros de montaje para "clavar" el cobre en la placa. De lo contrario, el anillo anular se soltará fácilmente bajo tensión mecánica.
• Utiliza espesores de placa apropiados y haz un análisis de la tensión en la parte posterior de la envoltura. En condiciones típicas, se desea menos de \$\epsilon = 0.001\$ tensión en su placa de circuito. Se trata de una combinación térmica y mecánica. Utilizando las propiedades mecánicas del material elegido para la placa, calcule la cantidad de tensión que espera en su aplicación. Si las placas son más gruesas, se puede aplicar una fuerza proporcionalmente mayor para la misma cantidad de tensión.
• En las aplicaciones en las que es inevitable una tensión excesiva, trace las líneas con esquinas redondeadas en lugar de bordes afilados, utilice el embalaje de componentes más pequeño disponible y oriente los paquetes en la orientación que pueda soportar la mayor tensión. Las piezas con plomo pueden soportar más tensión que las piezas sin plomo.

Answer 2

El material de la placa de circuito impreso es un compuesto a base de tejido de vidrio y resina epoxi y tiene muy, muy buenas propiedades mecánicas.

Utilizarlo como parte de la construcción mecánica es, en mi opinión, perfectamente correcto y suele dar lugar a soluciones muy elegantes.

La razón por la que no es una práctica habitual es que este enfoque requiere un diseño muy cuidadoso y que especialistas de diferentes perfiles (ingenieros electrónicos y mecánicos) trabajen juntos en el problema.

Es muy difícil crear un equipo combinado de este tipo. Por eso, solo equipos muy pequeños pueden diseñar este tipo de soluciones.

Answer 3

A menos que su PCB sea muy delgada, yo diría que estas son las reglas:

• fuerte en la tensión
• fuerte en la compresión perpendicular a la superficie
• muy vulnerable a la flexión

La flexión de una placa de circuito impreso dañará las juntas de soldadura con el tiempo. Las carcasas insuficientemente rígidas que provocan la flexión de la PCB fueron la causa de la retirada de productos Apple iBook a mediados de la década de 2000: los circuitos de vídeo desarrollaron fallos intermitentes.

Si su producto es algo como un reloj que cuelga de la pared, con un agujero de montaje en la placa de circuito impreso, estaría bien. Si es algo que la gente va a coger con las manos, tal vez por un lado, y tal vez se doble, querrás cierta rigidez del marco exterior.

Otras consideraciones: algunas personas piensan que las placas de circuito impreso tienen un aspecto barato y feo, lo que puede mitigarse con una máscara de soldadura no verde o un chapado en oro. La placa de circuito impreso expuesta también es vulnerable a las descargas electrostáticas, la entrada de agua o suciedad en los bordes y el resto de la placa, etc. Obviamente, no se puede utilizar en un producto que maneje tensión de red; hay que comprobar los requisitos de ensayo de la CE para ver si habrá problemas con los productos alimentados por adaptadores de red.

Posiblemente el principal producto de consumo que se me ocurre con la placa de circuito impreso expuesta son los cartuchos de videojuegos, que son muy duraderos; pero allí está rodeada por una carcasa de plástico duro que le proporciona rigidez.