¿Está bien usar el PCB como parte de la estructura de un producto?

Los diseñadores industriales y de productos con los que estoy trabajando siguen volviendo a la idea de utilizar el PCB como parte integral de la estructura física de nuestros productos.

Tenemos productos montados en la pared y estoy bastante incómodo con esto. Mi argumento en contra es que: "No es un buen diseño principal, la PCB generalmente solo debe soportar su propio peso y no cosas innecesarias como el marco".

Argumentan que las partes que se apoyan son relativamente ligeras. Esto incluso incluye el soporte de un marco delgado de acero inoxidable usando cinta de doble cara directamente a una parte vacía (sin pistas o componentes) de la PCB, o a clips de plástico de PCB que están pegados al marco. Hoy desafiaron mi argumento diciendo "¿qué diseño principal? Muéstranos dónde dice esto"

Estos tipos de soluciones pueden surgir a menudo de los diseñadores industriales porque les resuelve muchos problemas de costos y también lleva parte de la responsabilidad estructural al diseño de PCB.

En mi opinión, los productos diseñados para "colgarse" de los PCB son generalmente probados y probados para su montaje por el diseñador del producto. Por ejemplo, un disipador de calor de GPU grande es más pesado que cualquier cosa que planeemos colocar. Sin embargo, si estamos "colgando" nuestras propias partes de PCB, estamos entrando en un mundo de diseño que no conozco lo suficiente.

Quizás alguien pueda señalarme algunas respuestas sobre este tipo de problemas. Sería bueno obtener algo de material sobre las fuerzas que una PCB puede tomar antes de que la soldadura comience a agrietarse, etc. ¿O tal vez alguien ha visto un producto de producción que usa la PCB como parte de la estructura? Somos una pequeña empresa, pero nuestros productos son de grado de producción en masa y necesitaremos obtener aprobaciones de estándares como CE.

Los PCB se utilizan como materiales estructurales en muchas aplicaciones. Si se asegura de cargarlo de la manera correcta, sin cargas de flexión, solo tensión, puede ser un material muy fuerte y rígido útil para muchas aplicaciones. Además, puede poner muchos detalles muy finos en los PCB, lo que le permite delegar una gran cantidad de complejidad mecánica a un proceso muy barato. Esto puede mejorar la capacidad de fabricación y reducir el costo de sus otros componentes mecánicos.

Si tiene la intención de utilizar PCB como materiales estructurales, asegúrese de que:

• Tenga en cuenta que la regla número uno del diseño mecánico es: ortogonalizar el diseño. La forma más fácil de verificar esto es asegurarse de que puede ensamblar todo el diseño mecánico sin necesidad de un millón de manos que sostienen varias partes diferentes en su lugar mientras atornilla cierta parte en su lugar. Cada paso en el ensamblaje debe basarse en los pasos anteriores de forma lineal y el resultado final de cada paso del ensamblaje debe ser un producto que se pueda manejar y manipular fácilmente.
• Aunque esté utilizando una PCB como interconexión mecánica y eléctrica (y, por lo tanto, su diseño no es ortogonal), intente desacoplar las funciones tanto como sea posible de todos modos. No conduzca tensiones mecánicas a través de áreas pobladas (densamente), ya que las tensiones pueden deformar la PCB y causar microgrietas. Use ranuras en la PCB de forma inteligente para generar tensiones mecánicas alrededor del área poblada, a través de material de PCB 'menos importante' despoblado
• Use sujetadores con mangas o sujetadores roscados muy finos en su PCB, NO use autorroscantes. El material de la PCB en su conjunto es muy resistente, pero el interior de los agujeros no chapados se daña muy fácilmente, lo que compromete la estabilidad de la conexión.
• Aplique soldadura al anillo anular de los orificios de montaje y use anillos dentados para autobloquear el sujetador en su lugar.
• muy importante: use vías en los orificios de montaje para 'clavar' el cobre en el tablero. De lo contrario, el anillo anular se soltará fácilmente bajo tensión mecánica.
• $\epsilon = 0.001$
• En aplicaciones donde la tensión excesiva es inevitable, encamine sus trazas con esquinas redondeadas en lugar de bordes afilados, use el empaque 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.

El material de PCB es un compuesto a base de tela de vidrio y resina epoxi y tiene muy, muy buenas propiedades mecánicas.

Usarlo como parte de la construcción mecánica es, en mi opinión, perfectamente correcto y generalmente conduce a soluciones muy elegantes.

La razón por la cual no es una práctica común es porque dicho enfoque necesita un diseño muy cuidadoso y especialistas de diferentes perfiles (ingenieros electrónicos y mecánicos) para trabajar juntos en el problema.

Tal equipo combinado es muy difícil de crear. Es por eso que solo equipos muy pequeños pueden diseñar este tipo de soluciones.

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

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

Flexionar una PCB dañará las uniones de soldadura con el tiempo. Los casos de rigidez insuficiente que condujeron a la flexión de PCB fueron la causa del retiro del producto Apple iBook a mediados de la década de 2000: el circuito de video desarrolló fallas intermitentes.

Si su producto es algo así como un reloj que cuelga de la pared, con un orificio de montaje en la PCB, estaría bien. Si es algo que la gente va a recoger en sus manos, tal vez por un lado, y tal vez se doble, querrá algo de rigidez en el marco exterior.

Otras consideraciones: algunas personas piensan que los PCB se ven baratos y feos, lo que puede mitigarse con una máscara de soldadura no verde o chapado en oro. El PCB expuesto también lo deja vulnerable a ESD, el ingreso de agua o suciedad alrededor de los bordes en el resto de la placa, etc. Obviamente no puede usar esto en un producto que maneja el voltaje de la red; debe verificar los requisitos de prueba CE para ver si habrá problemas con los productos alimentados por el adaptador de red.

Posiblemente, el principal producto de consumo que se me ocurre con PCB expuestos son los cartuchos de videojuegos, que son muy duraderos; pero allí está rodeado por una carcasa de plástico duro que proporciona rigidez.