Výběr a používání fixačních čepů desek plošných spojů k zajištění nákladově efektivních a spolehlivých elektronických produktů

Montáž je jedním z posledních kroků při výrobě většiny elektronických zařízení, včetně spotřebního bílého zboží, obecné elektroniky a automobilových aplikací. Obvykle po ní následuje již pouze závěrečné testování a balení. V době, kdy je zařízení připraveno k montáži, již byla vynaložena většina nákladů na výrobu zařízení. Pokud není proces montáže robustní a nákladově efektivní, může mít za následek podprůměrný výkon nebo zbytečně zvyšovat náklady na zařízení. Použití vstřikovaných fixačních čepů desek plošných spojů („printed circuit“, PC) zajišťuje elektrickou izolaci a eliminuje potřebu šroubů, podložek a matic a zároveň zjednodušuje a urychluje konečnou montáž.

Vstřikované fixační čepy desek plošných spojů jsou zdánlivě jednoduché součástky. Konstruktéři však musí při jejich výběru zvážit řadu faktorů, včetně způsobů fixace, jako je lepicí základna, zajištění hran, obrácené zajištění a zaklapávací zámek, stejně jako způsoby upevnění včetně několika zamykacích a neuzamykatelných provedení, dále výběr materiálů, jako je acetal, různé typy nylonů a kaučuku s etylen-propylen-dienovým monomerem (EPDM).

Kritéria výběru dále komplikuje potřeba zvažovat provozní teplotu, tuhost versus flexibilitu pro zvládnutí očekávaných úrovní vibrací a volba mezi díly se stupněm 94V-0 Underwriters Laboratories (UL) nebo levnějšími díly se stupněm UL 94V-2. Kromě toho musí být díly používané v automobilových sestavách hodnoceny podle požadavků na materiály J1639 sdružení SAE („Society of Automotive Engineers“, profesního sdružení odborníků z oblasti leteckého, automobilového a dopravního průmyslu).

K řešení těchto problémů a urychlení výběru a použití vstřikovaných fixačních čepů desek plošných spojů potřebují konstruktéři dodavatele, který nabízí širokou škálu typů součástí a který poskytuje „jedno kontaktní místo“ pro všechny potřeby fixačních čepů desek plošných spojů.

V tomto článku je popsáno, jak se fixační čepy desek plošných spojů vyrábějí pomocí procesu vstřikování, jsou zde uvedeny normy materiálů a výběr materiálů a přehled typů montážních struktur a jejich použití ve fixačních čepech desek plošných spojů. Poté jsou zde představeni zástupci fixačních čepů desek plošných spojů od společnosti Essentra Components a na závěr jsou uvedeny návrhy na proces výběru a integraci fixačních čepů do montáže produktu.

Vstřikování

Vstřikováním termoplastů se vyrábějí vysoce opakovatelné a levné mechanické součástky, jako jsou fixační čepy desek plošných spojů. Proces probíhá v pěti fázích (obrázek 1):

1. Termoplastické pelety se přivádějí do stroje a zkapalňují se na přesnou teplotu.
2. Roztavený termoplast vstupuje při přípravě na tváření do vstřikovací dutiny.
3. Po dosažení požadovaného tlaku ve vstřikovací dutině se k regulaci průtoku vstřikuje roztavený termoplast do formy pomocí řady vtokových ústí.
4. Když forma dosáhne správné kapacity, začne fáze dotlaku, kdy se na termoplastu zpočátku udržuje tlak, aby se zajistila výroba konzistentních dílů. Ve druhé části fáze dotlaku se tlak uvolní a díly se nechají vychladnout.
5. Forma se otevře a díly se z nástroje vytlačí vyhazovacími kolíky.

Obrázek 1: Vstřikováním lze vyrábět nízkonákladové a opakovatelné fixační čepy desek plošných spojů. (Zdroj obrázku: společnost Essentra Components)

Materiálové normy

Dvě nejdůležitější materiálové normy pro fixační čepy desek plošných spojů jsou požadavky na hořlavost UL 94 a klasifikační systém SAE J1639 pro polyamidové (PA) plasty pro automobilový průmysl. Jedná se o obecné normy, které platí pro všechny typy aplikací, nejen pro fixační čepy desek plošných spojů.

Stupeň UL 94 byl harmonizován s normami Mezinárodní elektrotechnické komise („International Electrotechnical Commission“, IEC) 60695-11-10 a 60695-11-20 a s normami 9772 a 9773 Mezinárodní organizace pro normalizaci („International Standards Organization“, ISO). Tyto normy klasifikují materiály na základě jejich tendence buď šířit, nebo zhášet plameny po zapálení zkušebního dílu.

• Stupeň V-0 vyžaduje, aby se hoření zastavilo na svislém dílu do 10 s, a umožňuje odkapávání materiálu, pokud se kapky nevznítí.
• Stupeň V-1 vyžaduje, aby se hoření zastavilo na svislém dílu do 30 s, a umožňuje odkapávání materiálu, pokud se kapky nevznítí.
• Stupeň V-2 je nejméně omezující a vyžaduje, aby se hoření zastavilo na svislém dílu do 30 s, a umožňuje odkapávání hořícího materiálu.

Systém SAE J1639 představuje doporučený postup, který poskytuje strukturu pro klasifikaci a specifikaci PA plastů používaných v automobilových aplikacích. Vychází z klasifikačního systému D 4066 Amerického sdružení pro testování a materiály („American Society for Testing and Materials“, ASTM) pro PA (nylonové) vstřikovací a vytlačovací materiály. Pro PA pro automobilový průmysl vyžaduje systém J1639 další popisné vlastnosti a charakteristiky. Systém je doplněn o vlastní standardy OEM od různých výrobců automobilů. Mezi tři základní prvky systému J1639 patří:

• Standardizace tříd vyztužených a nevyztužených nylonů včetně 66, 6 a 66/6 v automobilovém průmyslu.
• Standardizace zkušebních metod používaných k charakterizaci vlastností těchto materiálů PA.
• Poskytnutí stručné struktury pro prezentaci specifikací materiálů.

Jaký materiál formovat?

K dispozici je několik druhů plastů. Mezi nejběžnější fixační čepy desek plošných spojů patří acetalové, nylonové a EPDM kaučukové. V závislosti na materiálu mohou součástky podporovat provozní teploty od −40 °C do +85 °C a poskytují tlumení vibrací, elektrickou izolaci a další funkce. Pro vlastní návrhy jsou k dispozici vysokoteplotní materiály dimenzované na +200 °C. Dvěma běžnými nylony jsou PA66 a PA66/6.

V aplikacích, které mohou používat materiál UL 94V-2, mohou konstruktéři využít PA66. Pro procesy vstřikování může být zvláště užitečný nylon 66. Nabízí dobrou kombinaci pevnosti, tuhosti, houževnatosti, vysokého bodu tání, dobré povrchové mazivosti (důležité pro vstřikování) a odolnosti proti oděru, jakož i odolnosti vůči mnoha chemikáliím, strojním a motorovým olejům, rozpouštědlům a benzínu. Kromě toho je PA66 relativně levný a nehalogenovaný. Součástky vyrobené s PA66 splňují požadavky klasifikace SAE J1639.

PA66/6 je také nehalogenovaný a lze jej použít v aplikacích, které vyžadují stupeň UL 94V-0. Jeho mechanické vlastnosti jsou podobné PA66, ale mají lepší houževnatost při nízkých teplotách. Ve srovnání s PA66 může tento materiál poskytnout lepší povrchovou úpravu a barevnou stálost. PA66/6 také splňuje požadavky klasifikace SAE J1639.

Typy montáže

Kromě výběru materiálu jsou pro fixační čepy desek plošných spojů důležitými faktory také specifikace typu montáže a způsobu upevnění pro připevnění k desce plošných spojů. V obou případech je k dispozici mnoho možností. Mezi nejběžnější formáty montáže, které jsou znázorněny na obrázku 2, patří:

1. Závitové, včetně standardních provedení, která se upevňují pomocí podložek a matic, a samořezných provedení, která potřebu podložek a matic eliminují.
2. Nacvakávací, kdy dochází k rychlému zasunutí do otvoru v šasi nebo panelu, aby byla zajištěna bezpečná montáž. Mezi varianty patří zámek hran, bajonet, „jedle“ a další.
3. Zaklapávací zámek se také zasune do otvoru v šasi nebo panelu, ale lze jej snadno vyjmout.
4. Nalisované uložení, zaslepené uchycení, které k zajištění bezpečného držení využívá žebra. Může být užitečné zvláště v aplikacích s omezeným prostorem.
5. Lepicí základna, která využívá pásku a eliminuje potřebu montážního otvoru.

Obrázek 2: Pět z mnoha možností připojení fixačních čepů desek plošných spojů k panelům nebo šasi. (Zdroj obrázku: společnost Essentra Components)

Způsoby upevnění desky plošných spojů

Druhým a neméně důležitým rozhodnutím návrhu je výběr způsobu upevnění desky plošných spojů. Stejně jako u typů montáže na panel je k dispozici velký výběr způsobů upevnění. Příklady zobrazené na obrázku 3 zahrnují:

1. Zaklapávací zámek se dvěma hroty s nacvaknutím na dva hroty, kde se jedna strana zamyká a druhá strana je uvolnitelná pro stohování desek plošných spojů nebo připojení desky plošných spojů k šasi.
2. Zaklapávací zámek s hlavou ve tvaru šípu s nacvakávacím bajonetovým uzávěrem poskytuje velmi bezpečné držení a podporuje rychlou montáž při stohování.
3. Plochý držák je samolepicí fixační čep desky plošných spojů s rychloupínacím jazýčkem.
4. Šestihranné/závitové uchycení se bezpečně montuje pomocí šestihranné matice a na druhé straně má uvolnitelné nízkoprofilové upevnění.
5. Obrácený dvojitý zámek / nacvakávací západka zajišťuje nacvaknutí pro bezpečné připojení k desce plošných spojů. Lze jej nainstalovat ze spodní strany šasi a má tenkou knoflíkovou hlavu k minimalizaci vyčnívání.

Obrázek 3: Několik možností upevnění fixačních čepů k deskám plošných spojů(Zdroj obrázku: společnost Essentra Components)

Příklady fixačních čepů desek plošných spojů

Vzhledem k široké škále kombinací materiálů, typů montáže a způsobů upevnění není možné podat úplný obrázek o možnostech fixačních čepů desek plošných spojů. Níže jsou uvedeny některé ze stovek možností dostupných od společnosti Essentra Components:

Model CRLCBSRE-10-01, vyrobený z nylonu 66, splňuje stupeň UL 94V-2 a je podobný součástce „E“ na obrázku 3 výše. V horní části je otvor o průměru 4 mm (0,157 palce) a ve spodní části je otvor 5,4 mm (0,213 palce). Celková délka rozpěrky je 15,9 mm (0,625 palce).

Model PSM-10-01 je také vyroben z nylonu 66. Má plochou podložku na jedné straně a uzamykací hlavu ve tvaru šípu (jako vršek části „B“ na obrázku 3), který zapadá do otvoru 3,175 mm (0,125 palce) na opačné straně. Délka hlavy ve tvaru šípu je 3,302 mm (0,130 palce) a délka rozpěrky je 15,9 mm (0,625 palce). Čep je navržen tak, aby pasoval na panely o tloušťce až 1,981 2 mm (0,078 palce).

Model RLEHCBS-7-01BK představuje fixační čep pro reverzní montáž s držením hran, který je vyrobený z černého nylonu 66 a montuje se do spodního otvoru 9,525 × 7,950 2 mm (0,375 × 0,313 palce) v panelu o tloušťce 1,574 8 mm (0,062 palce) (obrázek 4). Horní deska má otvor 3,962 4 mm (0,156 palce) a zajišťuje se na panel o tloušťce 1,574 8 mm (0,062 palce). Délka rozpěrky je 12,7 mm (0,500 palce).

Obrázek 4: Model RLEHCBS-7-01BK má čep držící hrany k upevnění k desce plošných spojů. (Zdroj obrázku: společnost Essentra Components)

Možnost výběru mezi stupni UL 94V-0 nebo V-2 a další varianta provedení

V materiálu PA66/6 nebo PA66 jsou k dispozici následující čepy.

Pro instalace, které vyžadují plochý držák s montážním otvorem na jedné straně a uzamykací hlavou ve tvaru šipky na opačné straně, si konstruktéři mohou vybrat mezi modelem CBSS-10-01 (obrázek 5) se stupněm UL 94V-2 a modelem CBSS-10-19 se stupněm UL 94V-0.

Obrázek 5: Příkladem čepu s uzamykací hlavou ve tvaru šípu na jedné straně a plochým držákem s otvorem na straně druhé je model CBSS-10-01. (Zdroj obrázku: společnost Essentra Components)

Pro aplikace, které vyžadují rozpěrku podobnou modelu „A“ na obrázku 3, mohou konstruktéři využít model MSPM-5-01 se stupněm UL 94V-2 nebo model MSPM-5-19 se stupněm UL 94V-0.

A pro aplikace, kde je potřeba provedení podobné modelu „B“ na obrázku 3 mohou konstruktéři využít model LCBS-2-12-19 se stupněm UL 94V-0 nebo model LCBS-2-12-01 se stupněm UL 94V-2.

Závěr

Jak je uvedeno, fixační čepy desek plošných spojů jsou k dispozici v široké škále tvarů a velikostí a jsou vyráběny z několika typů materiálů. Když k tomu kromě jiných požadavků aplikace připočteme nutnost podporovat efektivní a spolehlivou montáž, může být proces výběru náročný. Ve většině případů je nejlepší radou pro konstruktéry vybrat jednu nebo více možností, které se zdají pro danou aplikaci vhodné, a poté experimentovat a zjistit, která nejlépe vyhovuje celkovým požadavkům na montáž.

Doporučeno k přečtení

1. Návrh kompaktních a vysoce výkonných přístrojů na sledování zdravotního stavu pacientů pomocí hustě osazených a flexibilních propojovacích systémů
2. Používání konektorů posunutí izolace k přímému zapojení ke zjednodušení sestavy a zmenšení kusovníku
3. Jak v ultrakompaktních návrzích využít výhod konektorů pro přímé připojení na desku