Nyomtatott áramköri lapokhoz való tartók kiválasztása és használata költségtakarékos és megbízható elektronikai termékek létrehozásához

Az összeszerelés a legtöbb elektronikai készülék gyártásának egyik utolsó lépése, beleértve a háztartási gépeket, az általános elektronikát és a gépjárműipari berendezéseket is. Ezt általában már csak a végellenőrzés és a csomagolás követi. Mire az eszköz összeszerelésre kész lesz, az eszköz előállítási költségeinek java része már felmerült. Ha az összeszerelési folyamat nem kellően hatékony és költségtakarékos, az a vártnál rosszabb kivitelezést eredményezhet, vagy szükségtelenül megnövelheti az eszköz költségeit. A nyomtatott áramköri (nyák) lapok fröccsöntött tartóinak használata villamos szigetelést is nyújt, és kiküszöböli a csavarok, alátétek és anyák szükségességét, miközben egyszerűsíti és gyorsítja a végszerelést.

A nyomtatott áramköri lapok fröccsöntött tartói megtévesztően egyszerűnek tűnő alkatrészek. A kiválasztásuk során azonban a tervezőknek számos tényezőt kell figyelembe venniük, beleértve a tartók kialakítását, mint például az öntapadó talp, a nyomtatott áramköri lap szélének tartása (lapszéltartás), a kicsúszásvédett talp és a patentos rögzítés, illetve a nyomtatott áramköri lap felszerelésének módjait, beleértve számos rögzítő és nem rögzítő kialakítást, valamint az anyagválasztékot, amilyen például az acetál, a különböző típusú nejlonok és az EPDM (etilén-propilén-dién-monomer) gumi.

A kiválasztási szempontokat tovább bonyolítja, hogy figyelembe kell venni az üzemi hőmérsékletet, a várható rezgésszintek kezeléséhez megtalálni a kellő egyensúlyt a merevség és a rugalmasság között, és választani kell az Underwriters Laboratories (UL) 94V-0 vagy az olcsóbb UL 94V-2 minősítésű alkatrészek között. Ezenkívül a gépjárműipari részegységekben használt alkatrészeknek meg kell felelniük a SAE J1639 szabvány anyagokra vonatkozó követelményeinek is.

Az ezen szempontoknak való megfelelés, valamint a nyomtatott áramköri lapokhoz való fröccsöntött tartók kiválasztásának és használatának felgyorsítása érdekében a tervezőknek olyan gyártókra van szükségük, amelyek az alkatrésztípusok széles választékát kínálják, és a különféle nyomtatott áramköri lapokhoz szükséges valamennyi tartóra vonatkozó összes igényt kielégítő, egy helyen történő beszerzést tesznek lehetővé.

Ez a cikk áttekinti, hogyan készülnek a nyomtatott áramköri lapokhoz való tartók fröccsöntési eljárással, megvizsgálja az anyagszabványokat és az anyagválasztékot, valamint áttekinti a rögzítési és felszerelési módokat és azok használatát a nyomtatottáramkörilap-tartók esetén. Ezután bemutatja az Essentra Components cég nyomtatott áramköri lapokhoz való jellegzetes tartóit, majd a kiválasztási folyamatra és a tartóknak a termék összeszerelése során való használatára vonatkozó javaslatokkal zárul.

Fröccsöntés

A hőre lágyuló műanyagok fröccsöntésével nagymértékben egyforma és olcsó mechanikai alkatrészeket lehet előállítani. Ilyenek például a nyomtatott áramköri lapok tartói. A folyamat öt egymást követő szakaszból áll (1. ábra):

1. A hőre lágyuló műanyagpelletet a gépbe adagolják, és pontos hőmérsékletre hevítve cseppfolyósítják.
2. A hőre lágyuló olvadt műanyag a fröccsöntés előkészítéseként a befecskendezőkamrába kerül.
3. Amikor a befecskendezőkamrában a nyomás eléri a szükséges értéket, a hőre lágyuló olvadt műanyagot az áramlás szabályozása érdekében egy sor kapun keresztül fecskendezik be a szerszámba (vagy más néven présformába).
4. Amikor a szerszámba bekerült a szükséges anyagmennyiség, egy tartási fázis kezdődik, ahol kezdetben adott nyomás alatt tartják a hőre lágyuló műanyagot, így biztosítva, hogy a legyártott alkatrészek egyformák legyenek. A tartási fázis második részében a nyomást elengedik, és hagyják az alkatrészeket lehűlni.
5. Kinyitják a szerszámot, és kilökőcsapok segítségével kinyomják belőle az alkatrészeket.

1. ábra: Fröccsöntéssel olcsó és egyforma nyomtatottáramkörilap-tartókat lehet gyártani (kép: Essentra Components)

Anyagszabványok

A nyomtatottáramkörilap-tartókra vonatkozó két legfontosabb anyagszabvány az éghetőségre vonatkozó UL 94 előírás és a gépjárműiparban használt poliamid (PA) műanyagokra vonatkozó SAE J1639 besorolási rendszer. Ezek általános szabványok, amelyek mindenfajta eszközre érvényesek, nem csak a nyomtatottáramkörilap-tartókra.

Az UL 94-et összehangolták a Nemzetközi Elektrotechnikai Bizottság (International Electrotechnical Commission, IEC) 60695-11-10 és 60695-11-20 szabványával, valamint a Nemzetközi Szabványügyi Szervezet (International Standards Organization, ISO) 9772 és 9773 szabványával. Ezek a szabványok az anyagokat aszerint sorolják be, hogy a vizsgált alkatrész meggyulladása után a lángok továbbterjednek-e rajtuk, vagy elalszanak.

• A V-0 besorolás megköveteli, hogy az égés a függőleges részeken 10 másodpercen belül megszűnjön, és engedélyezi az anyag lecsepegését, amennyiben a cseppek nem égnek.
• A V-1 besorolás azt követeli meg, az égés a függőleges részeken 30 másodpercen belül megszűnjön, és engedélyezi az anyag lecsepegését, amennyiben a cseppek nem égnek.
• A V-2 a legkevésbé korlátozó, azt követeli meg, az égés a függőleges részeken 30 másodpercen belül megszűnjön, és engedélyezi az égő anyagcseppek lecsepegését.

A SAE J1639 a gépjárműipari berendezésekben használt PA (poliamid) műanyagok besorolását és jellemzőit összefoglaló ajánlott rendszer. Az ASTM (American Society for Testing and Materials, Amerikai Vizsgálati és Anyagminősítő Egylet) fröccsöntött és sajtolt PA (nejlon) anyagokra vonatkozó D 4066 besorolási rendszerén alapul. A J1639 további minősítő tulajdonságokat és jellemzőket ír elő a gépjárműiparban használt poliamidokra. A J1639 szabványt a különböző gépjárműgyártók saját gyártói (OEM) szabványai egészítik ki. A J1639 három alapvető eleme a következő:

• A megerősített és meg nem erősített nejlonok fajtáinak szabványosítása, beleértve a gépjárműipari berendezésekben használt PA66, PA6 és PA66/6 jelű típust.
• Az említett PA anyagok tulajdonságainak jellemzésére használt vizsgálati módszerek szabványosítása.
• Az anyagjellemzők bemutatására szolgáló tömör rendszer elérhetővé tétele.

Milyen anyagot érdemes önteni?

Sokféle műanyag létezik. A nyomtatott áramköri lapok tartóihoz legelterjedtebben használt műanyagok az acetál, a nejlonfélék és az EPDM gumi. Ezek anyaguktól függően –40 °C és +85 °C közötti üzemi hőmérsékletet bírnak el, és rezgéscsillapítást, villamos szigetelést és egyéb funkciókat kínálnak. Egyedi igényekhez magas, +200 °C névleges hőmérséklettűrésű anyagok is elérhetőek. A két leggyakoribb nejlonfajta a PA66 és a PA66/6 jelű.

Az olyan készülékekben, ahol megengedett az UL 94V-2 besorolású anyagok használata, a tervezők használhatják a PA66 jelű nejlonfajtát. A PA66 jelű nejlonfajta különösen hasznos lehet fröccsöntött alkatrészek készítéséhez. Ez az anyag a szilárdság, az ellenálló képesség, a szívósság, a magas olvadáspont, a jó felületi kenőképesség (ami fontos a fröccsöntéshez) és a kopásállóság jó kombinációját kínálja, valamint ellenáll számos vegyszernek, oldószernek, a gép- és motorolajoknak és a benzinnek. Ezenkívül a PA66 viszonylag olcsó, és nem tartalmaz halogéneket. A PA66-ból készült alkatrészek megfelelnek a SAE J1639 szabvány követelményeinek.

A PA66/6 sem tartalmaz halogéneket, és olyan készülékekben is használható, amelyek UL 94V-0 minősítést igényelnek. Mechanikai tulajdonságai hasonlóak a PA66-éihoz, de alacsony hőmérsékleten nagyobb a szívóssága. A PA66-hoz képest jobb felületkezelést és színstabilitást tesz lehetővé. A PA66/6 szintén megfelel a SAE J1639 szabvány követelményeinek.

Házhoz vagy panelhez rögzítési módok

A nyomtatott áramköri lapok tartóinak kiválasztásakor az anyagválasztáson kívül fontos szempont még a nyomtatott áramköri lap házhoz vagy panelhez rögzítésének és felszerelésének módja is. Mindkettőre számos különböző megoldás létezik. A 2. ábrán a házhoz vagy panelhez rögzítés néhány legelterjedtebb módja látható:

1. Menetes, beleértve a szabványos, alátétek és anyák segítségével történő rögzítési megoldásokat, valamint az önmetsző változatot, amelynél nincs szükség alátétekre és anyákra.
2. Patentcsatlakozó, amelyet gyorsan a ház vagy panel furatába tolva hozható létre a biztonságos rögzítés. Ennek változatai: lapszéltartó, bajonettzáras, fenyőfa kialakítású és egyebek.
3. A patentos rögzítésű megoldás szintén a ház vagy panel furatába tolható, de könnyen eltávolítható.
4. Betolva rögzülő, furatba szoruló megoldás, amely lamellákat használ a biztonságos rögzítéshez. Olyan esetekben lehet különösen hasznos, ahol szűkös a hely.
5. Ragasztószalaggal ellátott öntapadó talp – így nincs szükség szerelőfuratokra.

2. ábra: Öt a nyomtatott áramköri lapok tartóinak panelhez vagy házhoz rögzítésére szolgáló számos megoldás közül (kép: Essentra Components)

A nyomtatott áramköri lapok felszerelésének módjai

A másik ugyanilyen fontos tervezési szempont a nyomtatott áramköri lap felszerelési módjának kiválasztása. A házhoz/panelhez rögzítési módokhoz hasonlóan a felszerelési módoknak is széles választéka áll rendelkezésre, a 3. ábrán látható példák a következők:

1. Kétvégű, kétágú patentcsatlakozó, amelynek az egyik vége rögzített, a másik vége oldható kötést tesz lehetővé több nyomtatott áramköri lap egymás fölött történő elhelyezéséhez vagy a nyomtatott áramköri lapnak a házhoz rögzítéséhez.
2. Nyílhegypatentos rögzítés vezetőnyelves patentcsatlakozóval, amely nagyon biztonságos rögzítést tesz lehetővé, és több egymás fölött elhelyezett nyomtatott áramköri lap esetén elősegíti a gyors összeszerelést.
3. A lapos talpú tartó egy öntapadós, gyorskioldó füllel ellátott nyomtatottáramkörilap-tartó.
4. A hatlapú menetes tartó biztonságosan rögzíthető egy hatlapú anyával, a másik végén pedig egy oldható, kis magasságú rögzítőfüllel van ellátva.
5. A két rögzítési helyes kicsúszásvédett patentcsatlakozó patentos rögzítésű felszerelési módot kínál a nyomtatott áramköri lap biztonságos rögzítéséhez. A ház aljáról tolható be, és vékony patentfejjel van ellátva, hogy csak nagyon kicsit álljon ki a nyomtatott áramköri lapból.

3. ábra: A nyomtatott áramköri lapok felszerelésére szolgáló néhány tartófajta(kép: Essentra Components)

Néhány nyomtatott áramköri lapok felszerelésére szolgáló tartó

Tekintettel az anyagok, a tartófajták, a rögzítési és a felszerelési módok kombinációinak széles skálájára lehetetlen teljes képet adni a nyomtatott áramköri lapok felszerelésére szolgáló összes tartófajtáról. Az alábbiakban az Essentra Components több százas választékából mutatunk be néhányat.

A CRLCBSRE-10-01 PA66-os nejlonból készült, az UL 94V-2 szabványnak megfelelő, és a fenti 3. ábrán látható E jelű alkatrészhez hasonló. A felső rész egy 4 mm-es, az alsó pedig egy 5,4 mm-es furatba illeszkedik. A tartó teljes hossza 15,9 mm (0,625 hüvelyk).

A PSM-10-01 szintén PA66-os nejlonból készül. Egyik végén lapos támasztékkal, másik végén pedig egy rögzítő nyílhegypatenttal van ellátva (mint a 3. ábrán látható B jelű alkatrész felső vége), amely egy 0,125 hüvelykes (3,2 mm-es) furatba illeszkedik. A nyílhegypatent hossza 0,130 hüvelyk (3,3 mm), a tartó teljes hossza pedig 15,9 mm (0,625 hüvelyk). Legfeljebb 0,078 hüvelyk (2 mm) vastag házakhoz/panelekhez használható.

Az RLEHCBS-7-01BK egy fekete PA66-os nejlonból készült, kicsúszásvédett talpú lapszéltartó, amelynek talprésze egy 0,062 hüvelyk (1,6 mm) vastag ház/panel 0,375 × 0,313 hüvelykes (9,5 mm × 8 mm) kivágásába tolható be (4. ábra). A nyomtatott áramköri lap szintén 0,062 hüvelyk (1,6 mm) vastag lehet, és 0,156 hüvelyk (4 mm) átmérőjű furatnak kell rajta lennie. A tartó teljes hossza 0,500 hüvelyk (12,7 mm).

4. ábra: Az RLEHCBS-7-01BK a nyomtatott áramköri lap felszereléséhez lapszéltartó támasszal van ellátva (kép: Essentra Components)

UL 94V-0 és V-2 minősítésű, valamint egyéb tartók választéka

A következő tartók PA66/6 vagy PA66 nejlonból készült változatban kaphatóak.

Az olyan elrendezések esetében, ahol lapos tartóra van szükség, az egyik végén egy rögzítőfurattal, a másik végén pedig egy rögzítő nyílhegypatenttal, a tervezők használhatják az UL 94V-2 minősítésű CBSS-10-01 (5. ábra) vagy az UL 94V-0 minősítésű CBSS-10-19 tartót.

5. ábra: A CBSS-10-01 egy olyan tartó, amelynek egyik végén egy rögzítő nyílhegypatent, a másikon pedig egy furattal ellátott lapos tartófelület található (kép: Essentra Components)

Amennyiben a 3. ábrán látható A jelű alkatrészhez hasonló tartóra van szükség, a tervezők választhatják az UL 94V-2 minősítésű MSPM-5-01 vagy az UL 94V-0 minősítésű MSPM-5-19 tartót.

Ha pedig a 3. ábrán látható B jelű alkatrészhez hasonló tartóra van szükség, megfontolhatják az UL 94V-0 minősítésű LCBS-2-12-19 vagy az UL 94V-2 minősítésű LCBS-2-12-01 tartó használatát.

Összegzés

Mint látható, a nyomtatott áramköri lapokhoz való tartók sokféle alakban és méretben kaphatók, és többféle anyagból készülnek. Ha ehhez hozzávesszük, hogy az egyéb használati követelmények mellett a hatékony és megbízható összeszerelést is elő kell segíteniük, a kiválasztási folyamat ijesztő lehet. A legtöbb esetben az a legjobb tanács a tervezők számára, hogy válasszanak ki a felhasználási módhoz alkalmasnak tűnő egy vagy több lehetőséget, majd kísérletezzenek, hogy melyik felel meg legjobban az összeszerelési követelményeknek.

Ajánlott olvasnivaló

1. Use Dense and Flexible Interconnects to Design Compact, High Performance Patient Monitoring Devices (Nagy érintkezősűrűségű, rugalmas csatlakozók használata kis méretű, nagy teljesítményű betegfigyelő eszközök tervezéséhez)
2. Use Direct Plug-in Insulation Displacement Connectors to Streamline Assembly and Lower BOM (Közvetlenül rádugható IDC (szigetelésátszúrásos) csatlakozók használata a szerelés egyszerűsítése és a szükséges anyagmennyiség csökkentése érdekében)
3. How to Leverage the Benefits of Wire-to-Board Connectors in Ultra-Compact Designs (Az áramköri lapra szerelt közvetlen csatlakozók előnyeinek kihasználása a rendkívül kis méretű eszközökben)