Piirilevytukien valitseminen ja käyttö kustannustehokkaiden ja luotettavien elektroniikkatuotteiden valmistuksessa

Kokoonpano on yksi viimeisistä vaiheista useimpien elektroniikkalaitteiden valmistuksessa, mukaan lukien kodinkoneet, yleiselektroniikka ja autoteollisuuden sovellukset. Sitä seuraa yleensä ainoastaan lopullinen testaus ja pakkaaminen. Kun laite on valmis kokoonpanoa varten, suurin osa sen valmistuskustannuksista on jo syntynyt. Jos kokoonpanoprosessi ei ole luotettava ja kustannustehokas, se voi heikentää laitteen suorituskykyä ja nostaa sen hintaa tarpeettomasti. Ruiskuvalettujen piirilevytukien käyttö tarjoaa sähköisen erotuksen ja poistaa ruuvien, aluslaattojen ja muttereiden tarpeen samalla kun lopullisesta kokoonpanosta tulee yksinkertaisempi ja nopeampi.

Ruiskuvaletut piirilevytuet ovat petollisen yksinkertaisilta näyttäviä komponentteja. Suunnittelijoiden on kuitenkin harkittava lukuisia tekijöitä niitä valitessaan, mukaan lukien tuen tyyppi, kuten liimakanta, reunalukitus, vastalukitus ja pikalukitus, sekä kiinnitysmenetelmä, mukaan lukien erilaiset lukittuvat ja lukittumattomat mallit, sekä materiaali, esimerkiksi asetaali, erityyppiset polyamidit ja EPDM-kumi.

Valintakriteereitä vaikeuttaa entisestään tarve ottaa huomioon käyttölämpötila, ennakoidun tärinän vaatima jäykkyys/joustavuus sekä vaaditaanko osille UL (Underwriters Laboratories) 94V-0 ‑luokitus vai riittääkö niille edullisempi UL 94V-2 ‑luokitus. Lisäksi autoteollisuuden kokoonpanoissa käytettävien osien pitää täyttää SAE (Society of Automotive Engineers) J1639-luokituksen materiaalivaatimukset.

Jotta suunnittelijat voivat vastata näihin haasteisiin ja nopeuttaa ruiskuvalettujen piirilevytukien valintaa, he tarvitsevat toimittajan, joka tarjoaa laajan valikoiman komponenttityyppejä ja täyttää kaikki piirilevytukitarpeet ”samasta paikasta”.

Tässä artikkelissa tarkastellaan miten piirilevytuet valmistetaan ruiskuvaluprosessilla, luodaan katsaus materiaalistandardeihin ja -valintoihin sekä tarkastellaan kiinnitysrakenteiden tyyppejä ja sitä, miten niitä käytetään piirilevytuissa. Sen jälkeen artikkelissa esitellään tyypillisiä piirilevytukia Essentra Componentsilta ja lopuksi annetaan ehdotuksia valintaprosessiin ja tukien integroimiseen tuotteen kokoonpanoon.

Ruiskuvalu

Kestomuovien ruiskuvalulla saadaan aikaan erittäin toistettavia ja edullisia mekaanisia komponentteja, kuten piirilevytukia. Prosessi tapahtuu viidessä vaiheessa (kuva 1):

1. Kestomuovirakeet syötetään koneeseen ja sulatetaan tarkkaan lämpötilaan.
2. Sulatettu kestomuovi syötetään ruiskutusonteloon valua varten.
3. Kun ruiskutusontelon paine on noussut vaaditulle tasolle, sulatettu kestomuovi ruiskutetaan muottiin useiden porttien kautta virtauksen hallitsemiseksi.
4. Kun muotti on täynnä, alkaa pitovaihe, jonka aikana kestomuoviin kohdistuu jälkipaine yhdenmukaisten osien aikaansaamiseksi. Pitovaiheen toisessa osassa jälkipaine vapautetaan ja osien annetaan jäähtyä.
5. Muotti avataan ja osat työnnetään ulos työkalusta ulostyöntäjätapeilla.

Kuva 1: Ruiskuvalulla voidaan valmistaa edullisia ja toistettavia piirilevytukia. (Kuvan lähde: Essentra Components)

Materiaalistandardit

Piirilevytukien kaksi tärkeintä materiaalistandardia ovat UL 94 ‑syttyvyysvaatimukset ja SAE J1639 ‑luokitusjärjestelmä autoteollisuuden polyamidimuoveille (PA). Nämä ovat yleispäteviä standardeja, jotka pätevät kaikentyyppisiin sovelluksiin, eivät pelkästään piirilevytukiin.

UL 94 on harmonisoitu IEC (International Electrotechnical Commission) -standardien 60695-11-10 ja 60695-11-20 kanssa sekä ISO-standardisoimisjärjestön standardien 9772 ja 9773 kanssa. Nämä standardit luokittelevat materiaaleja sen perusteella, miten ne joko levittävät tai tukahduttavat liekkejä testauskappaleen sytyttämisen jälkeen.

• V-0-luokitus edellyttää, että palo sammuu 10 sekunnin kuluessa pystysuuntaisessa osassa, ja sallii pisaroiden tippumisen materiaalista, kunhan ne eivät pala.
• V-1-luokitus edellyttää, että palo sammuu 30 sekunnin kuluessa pystysuuntaisessa osassa, ja sallii pisaroiden tippumisen materiaalista, kunhan ne eivät pala.
• V-2-luokitus on sallivin ja edellyttää palon sammuvan 30 sekunnin kuluessa pystysuuntaisessa osassa sekä sallii palavien pisaroiden tippumisen materiaalista.

SAE J1639 on suositeltu käytäntö, joka tarjoaa rakenteen autoteollisuudessa käytettävien PA-muovien luokittelulle ja määrittelylle. Se perustuu ASTM:n PA-muovien ruiskuvalu- ja ekstruusiomateriaalien D 4066 ‑luokittelujärjestelmään. J1639 edellyttää autoteollisuudessa käytettäviltä PA-muoveilta lisäksi kuvailevia ominaisuuksia ja tunnuspiirteitä. Sen lisäksi eri autonvalmistajilla on omat OEM-standardinsa. J1639-standardin kolme perusosaa ovat:

• vahvistettujen ja vahvistamattomien polyamidilaatujen standardisointi autoteollisuuden sovelluksissa, mukaan lukien 66, 6 ja 66/6
• kyseisten polyamidimateriaalien ominaisuuksien määrittämiseen käytettävien testausmenetelmien standardisointi
• yhtenäinen rakenne materiaalimäärittelyjen esittämiseen.

Mitä materiaalia valamisessa kannattaa käyttää?

Saatavana on useita muovityyppejä. Yleisimmät piirilevytukien materiaalit ovat asetaali, polyamidit ja EPDM-kumi. Materiaalista riippuen ne tukevat käyttölämpötiloja −40 ... +85 ˚C ja tarjoavat tärinän vaimennuksen, sähköisen erotuksen sekä muita toimintoja. Räätälöityjä malleja varten on saatavilla korkeiden lämpötilojen materiaaleja yli 200 ˚C:n lämpötilaluokituksella. PA66 ja PA66/6 ovat kaksi yleistä polyamidia.

PA66 käy sovelluksiin, joissa voidaan käyttää UL 94V-2 ‑materiaaleja. Polyamidi 66 voi olla erityisen käytännöllinen ruiskuvaluprosesseissa. Siinä yhdistyvät vahvuus, jäykkyys, kestävyys, korkea sulamispiste, hyvä pintavoitelevuus (mikä on tärkeää ruiskuvalussa) ja hankauskestävyys, minkä lisäksi se kestää monia kemikaaleja, kone- ja moottoriöljyjä, liuottimia ja bensiiniä. PA66 on lisäksi verrattain edullista, ja se on halogenoimaton materiaali. PA66-polyamidista valmistetut osat täyttävät SAE J1639 -vaatimukset.

PA66/6 on myös halogenoimaton materiaali, ja sitä voidaan käyttää sovelluksissa, jotka edellyttävät UL 94V-0 ‑luokitusta. Sen mekaaniset ominaisuudet vastaavat PA66-polyamidin ominaisuuksia, mutta sen lujuus on korkeampi matalissa lämpötiloissa. Se voi tarjota paremman pintaviimeistelyn ja värivakauden PA66-polyamidiin verrattuna. PA66/6 täyttää myös SAE J1639 -vaatimukset.

Asennustyypit

Materiaalinvalinnan lisäksi piirilevytukien asennustyypin ja piirilevykiinnityksen määrittelyt ovat tärkeitä. Molemmissa on monia vaihtoehtoja. Kuvassa 2 esiteltyjä yleisimpiä asennustyyppejä ovat:

1. Kierre, mukaan lukien tavalliset aluslaattoja ja muttereita käyttävät mallit, sekä itsekierteittävä, jonka kanssa aluslaattoja ja muttereita ei tarvita.
2. Pikakiinnitys, joka napsahtaa nopeasti runkoon tai paneelin reikään tarjoten tukevan kiinnityksen. Sen muunnelmia ovat reunalukitus, kääntöliitäntä, kuusipuuliitos jne.
3. Pikalukitus voidaan painaa myös runkoon tai paneelin reikään ja se on helposti irrotettavissa.
4. Sokkokiinnitteinen puristussovite, jossa on tukevan pidon takaavat ulokkeet. Ne voivat olla erityisen käytännöllisiä käyttökohteissa, joissa on vähän tilaa.
5. Liimakanta, jossa käytetään teippiä, jolloin kiinnitysreikää ei tarvita.

Kuva 2: On lukuisia vaihtoehtoja, miten piirilevytuet voidaan kiinnittää paneeleihin tai runkoihin, kuvassa on esitetty viisi tapaa. (Kuvan lähde: Essentra Components)

Piirilevyn kiinnitysmenetelmät

Toinen aivan yhtä tärkeä suunnittelupäätös on piirilevyn kiinnitysmenetelmän valinta. Samoin kuin paneelien asennuksessa, myös kiinnitysmenetelmiä on useita. Kuvassa 3 esitetään seuraavat esimerkit:

1. Kaksipiikkinen pikalukitus ja kaksipiikkinen painokiinnitys, jossa toinen puoli lukittuu ja toinen puoli voidaan vapauttaa. Käytetään piirilevyjen pinoamiseen tai piirilevyn kiinnittämiseen runkoon.
2. Nuolenkärki pikalukituksella ja painokiinnitys bajonettikärjellä takaa erittäin lujan pidon ja tukee nopeaa kokoonpanoa pinottavissa sovelluksissa.
3. Tasakiinnike on itsekiinnittyvä piirilevytuki, jossa on pikairrotusliuska.
4. Kuusio/kierretuki kiinnitetään luotettavasti kuusiomutterilla, ja toisella puolella on vapautettava matalaprofiilinen kiinnike.
5. Kääntöpuolelta tehtävä painokiinnitys pikalukituksella tarjoaa pikakiinnityksen piirilevyn tukevaa kiinnitystä varten. Se voidaan asentaa rungon alapuolelta, ja siinä on matala kupukanta, joka minimoi ulkoneman.

Kuva 3: Useita piirilevytukien kiinnitysvaihtoehtoja. (Kuvan lähde: Essentra Components)

Esimerkkejä piirilevytuista

Koska materiaalien, asennustyyppien ja kiinnitysmenetelmien yhdistelmiä on niin valtavasti, täydellistä kuvaa piirilevytukien vaihtoehdoista ei ole mahdollista tarjota tässä artikkelissa. Alla on muutamia sadoista Essentra Componentsilta saatavilla olevista vaihtoehdoista:

CRLCBSRE-10-01, valmistettu polyamidi 66:sta, täyttää UL 94V-2 -luokituksen vaatimukset ja vastaa yllä olevassa kuvassa 3 olevaa osaa E. Yläosa mahtuu 4 millimetrin aukkoon ja alaosa 5,4 mm:n aukkoon. Korotuspalan kokonaispituus on 15,9 mm (0,625 tuumaa).

Myös PSM-10-01 on valmistettu polyamidi 66:sta. Sen yhdellä puolella on tasakiinnitys ja toisella puolella lukittuva nuolenkärki (samanlainen kuin kuvan 3 osan B yläosa), joka sopii 0,125 tuuman reikään vastapuolella. Nuolenkärjen pituus on 0,130 tuumaa ja korotuspalan pituus 15,9 mm (0,625 tuumaa). Se on suunniteltu sopimaan paneeleihin, joiden paksuus on enintään 0,078 tuumaa.

RLEHCBS-7-01BK on kääntöpuolelta asennettava reunaa tukeva tukikappale, joka on valmistettu mustasta polyamidi 66:sta, ja se voidaan asentaa 0,375 x 0,313 tuuman pohjareikään 0,062 tuumaa paksussa paneelissa (kuva 4). Ylemmässä piirilevyssä on 0,156 tuuman reikä, ja se lukittuu 0,062 tuuman paneeliin. Korotuspalan pituus on 0,500 tuumaa.

Kuva 4: RLEHCBS-7-01BK tukee kiinnitettävän piirilevyn reunaa. (Kuvan lähde: Essentra Components)

Valinta UL 94V-0:n ja V-2:n välillä sekä toinen suunnitteluvaihtoehto

Seuraavia tukia on saatavilla sekä PA66/6- että PA66-polyamidista valmistettuna.

Suunnittelijat voivat valita UL 94V-2 ‑luokitellun CBSS-10-01-tuen (kuva 5) tai UL 94V-0 ‑luokitellun CBSS-10-19-tuen sellaisiin asennuskohteisiin, joissa tarvitaan tasakiinnitystä, jossa yhdellä puolella on kiinnitysreikä ja toisella puolella lukittuva nuolenkärki.

Kuva 5: CBSS-10-01 on esimerkki tuesta, jossa on lukittuva nuolenkärki yhdellä puolella ja reiällinen tasakiinnike toisella puolella. (Kuvan lähde: Essentra Components)

Sovelluksissa, joissa tarvitaan kuvan 3 osan A kaltaisia korokepaloja, suunnittelijat voivat käyttää UL 94V-2 ‑luokiteltua MSPM-5-01-tukea tai UL 94V-0 ‑luokiteltua MSPM-5-19-tukea.

Sovelluksissa, joissa tarvitaan kuvan 3 osan B kaltaista mallia, suunnittelijat voivat harkita UL 94V-0 ‑luokiteltua LCBS-2-12-19-tukea tai UL 94V-2 ‑luokiteltua LCBS-2-12-01-tukea.

Yhteenveto

Kuten artikkelissa yllä on esitetty, piirilevytukia on saatavilla eri muotoisina ja eri kokoisina, ja niitä valmistetaan useista materiaalityypeistä. Kun tähän lisätään tarve tukea tehokasta ja luotettavaa kokoonpanoa muiden käyttökohteen vaatimusten lisäksi, voi valintaprosessi olla vaikea. Useimmissa tapauksissa paras neuvo suunnittelijoille on valita yksi tai useampi vaihtoehto, jotka vaikuttavat sopivan käyttökohteeseen, ja sen jälkeen suorittaa testejä sen määrittämiseksi, mikä niistä parhaiten täyttää kokoonpanon kokonaisvaatimukset.

Suositeltavaa luettavaa

1. Suunnittele pienikokoisia, tehokkaita potilasmonitorointilaitteita tiheillä ja joustavilla kytkennöillä 
2. Suoraan kytkettävien eristyksen syrjäyttävien liittimien avulla voidaan virtaviivaistaa kokoonpanoa ja pienentää osaluetteloa 
3. Miten johtimesta korttiin -liittimiä voi hyödyntää erittäin kompakteissa laitteissa