כיצד לבחור ולהשתמש בתומכי לוחות PCB‏ כדי להבטיח מוצרים אלקטרוניים אמינים, יעילים וחסכוניים

תהליך ההרכבה הוא אחד השלבים האחרונים בייצור של מרבית התקני האלקטרוניקה, כולל מוצרי צריכה לבנים, אלקטרוניקה כללית ויישומים בכלי-רכב. לאחריו נותרים בדרך כלל רק בדיקה סופית ואריזה. עד שההתקן מוכן להרכבה, רוב עלויות ייצור ההתקן כבר הושתו. אם תהליך ההרכבה אינו חסון, יעיל וחסכוני, הוא עלול לגרום לביצועים תת-תקניים, או להגדיל את עלות ההתקן שלא לצורך. השימוש בתומכי לוחות מעגלים מודפסים (PCB) יצוקים-בהזרקה מספק בידוד חשמלי ומבטל את הצורך בברגים, טבעות ואומים תוך פישוט והאצת ההרכבה הסופית.

תומכי לוחות PCB‏ יצוקים-בהזרקה הם רכיבים הנראים בטעות פשוטים למדי. עם זאת, המתכננים צריכים להביא בחשבון מספר גורמים בעת בחירתם, כולל סגנונות התמיכה כמו בסיס דבק, נעילת קצה, נעילה הפוכה ונעילה בהצמדה, כמו גם שיטות תיקון כולל מספר תכנים ננעלים ולא-ננעלים, ובחירת חומרים כגון אצטאל, סוגים שונים של ניילון, וגומי מונומר דייאן אתילן פרופילן (EPDM).

קריטריוני הבחירה מסובכים עוד יותר בשל הצורך להביא בחשבון את טמפרטורת הפעולה, נוקשות מול גמישות בטיפול ברמות הרעידות הצפויות, והבחירה בין חלקים בדירוג 94V-0 של Underwriters Laboratories‏ (UL‏) או חלקים פחות יקרים בדירוג UL 94V-2. בנוסף, חלקים המשמשים במכללי כלי-רכב צריכים להיות מדורגים בהתאם לדרישות חומרים J1639‏ של Society of Automotive Engineers‏ (SAE‏).

כדי להתמודד עם האתגרים הללו ולהאיץ את הבחירה והשימוש בתומכי לוחות PCB‏ יצוקים-בהזרקה, המתכננים זקוקים לספק המציע מגוון רחב של סוגי רכיבים ומספק 'תחנה אחת ויחידה' עבור כל צורכי תומכי לוחות PCB‏.

מאמר זה סוקר כיצד מייצרים תומכי לוחות PCB‏ תוך שימוש בתהליך יציקה בהזרקה, בוחן את תקני החומרים ואת מבחר החומרים, וסוקר את סוגי מבני ההרכבה וכיצד הם משמשים בתומכי לוחות PCB‏. לאחר מכן הוא מציג תומכי לוחות PCB‏ מייצגים של Essentra Components ומסיים בהצעות עבור תהליך הבחירה ושילוב התומכים בתוך מכלל המוצר.

יציקה בהזרקה

יציקה בהזרקה של חומרים תרמופלסטיים מייצרת רכיבים מכניים עקיבים ביותר ובעלות נמוכה כדוגמת תומכי לוחות PCB‏. התהליך מתרחש בסדרה של חמישה שלבים (איור 1):

1. הכדוריות התרמופלסטיות מוזנות לתוך מכונה ומונזלות לטמפרטורה מדויקת.
2. החומר התרמופלסטי המותך מוכנס לתא ההזרקה כהכנה עבור היציקה.
3. כאשר הלחץ בתא ההזרקה מגיע לרמה הנדרשת, החומר התרמופלסטי המותך מוזרק לתוך התבנית באמצעות סדרה של שערים לבקרת הזרימה.
4. כאשר התבנית הגיעה לקיבולת המתאימה, מתחיל שלב ההחזקה שבו תחילה הלחץ על החומר התרמופלסטי נשמר כדי להבטיח ייצור של חלקים עקביים. בחלק השני של שלב ההחזקה משחררים את הלחץ ומאפשרים לחלקים להתקרר.
5. התבנית נפתחת, והחלקים נדחפים החוצה מהכלי על ידי פיני פליטה.

איור 1‏: יציקה בהזרקה יכולה לייצר תומכי לוחות PCB‏ עקיבים ובעלות נמוכה. (מקור התמונה:: Essentra Components‏)

תקני החומרים

שניים מתקני החומרים החשובים ביותר עבור תומכי לוחות PCB‏ הם דרישות דליקות UL 94 ומערכת הסיווג SAE J1639 עבור חומרי פלסטיק פוליאמיד (PA) לכלי-רכב. אלו הם תקנים כלליים החלים על כל סוגי היישומים, לא רק תומכי לוחות PCB‏.

תקן UL 94 עבר הרמוניזציה עם תקני International Electrotechnical Commission‏ (IEC‏) ‎60695-11-10‏ ו-‎60695-11-20‏, ועם תקני International Standards Organization‏ (ISO‏) 9772 ו-9773. תקנים אלה מסווגים חומרים על בסיס נטייתם להגדיל או לכבות להבות ברגע שהחלק הנבדק הוצת.

• V-0 דורש שהבעירה תיפסק בתוך 10 שניות בחלק אנכי ויתאפשר טפטוף של החומר כל עוד הוא אינו בוער.
• V-1 דורש שהבעירה תיפסק בתוך 30 שניות בחלק אנכי ויתאפשר טפטוף של החומר כל עוד הוא אינו בוער.
• V-2 הוא הכי פחות מגביל ודורש שהבעירה תיפסק בתוך 30 שניות בחלק אנכי ויתאפשר טפטוף של חומר בוער.

תקן SAE J1639 הוא הפרקטיקה מומלצת המספקת מבנה עבור סיווג ומפרט של פלסטיק PA המשמש ביישומי כלי-רכב. הוא מבוסס על מערכת הסיווג D 4066‏ של ה- American Society for Testing and Materials‏ (ASTM‏) עבור חומרי הזרקה ושיחול PA (ניילון). תקן J1639 דורש מאפיינים ותכונות תיאוריים נוספים עבור PAs לכלי-רכב. את תקן זה משלימים תקני OEM‏ קנייניים של יצרני מכוניות שונים. שלושת האלמנטים הבסיסיים של תקן J1639 כוללים:

• סטנדרטיזציה של דירוגי הניילונים המחוזקים והלא-מחוזקים, כולל 66, 6 ו-66/6 ביישומי כלי-רכב.
• סטנדרטיזציה של שיטות הבדיקה המשמשות לאפיון התכונות והמאפיינים של אותם חומרי PA‏.
• מספקים מבנה תמציתי עבור הצגת מפרטי החומרים.

איזה חומרים ניתן לצקת בתבנית?

קיימים מספר סוגים של פלסטיק. הנפוצים ביותר עבור תומכי לוחות PCB‏ כוללים אצטאל, ניילונים וגומי EPDM. בהתאם לחומר, הם יכולים לתמוך בטמפרטורות פעולה מ-C‏ִ°‏40- עד C‏°‏85+, ולספק שיכוך רעידות, בידוד חשמלי ופונקציות אחרות. קיימים חומרים לטמפרטורה גבוהה בדירוג של C‏°‏200‏+ עבור תכנים מותאמים-במיוחד. שניים מהניילונים הנפוצים הם PA66 ו-PA66/6.

עבור יישומים היכולים להשתמש בחומרי UL 94V-2, המתכננים יכולים להשתמש ב-PA66. ניילון 66 יכול להיות שימושי במיוחד עבור תהליכי יציקה בהזרקה. הוא מציע שילוב טוב של חוזק, קשיחות, קשיחות, נקודת התכה גבוהה, סיכה טובה של פני השטח (חשוב עבור יציקה בהזרקה), ועמידות בפני שחיקה, כמו גם עמידות בפני כימיקלים רבים, שמני מכונות ומנוע, ממיסים ובנזין. בנוסף, PA66 הוא לא-יקר יחסית וללא-הלוגן. חלקים העשויים עם PA66 עומדים בדרישות של SAE J1639.

PA66/6 הוא גם כן ללא-הלוגן וניתן להשתמש בו ביישומים הדורשים דירוג UL 94V-0. התכונות המכניות שלו דומות ל-PA66 אך עם קשיחות משופרת בטמפרטורה נמוכה. הוא יכול להעניק גימור משטח ויציבות צבע טובים יותר בהשוואה ל-PA66. PA66/6 עומד גם בדרישות של SAE J1639.

סוגי הרכבה

בנוסף לבחירת החומרים, המפרט של סוג ההרכבה ושיטת הקיבוע עבור חיבור ללוח המעגלים המודפסים הם שיקולים חשובים עבור תומכי לוחות PCB‏. בשני המקרים ישנן אפשרויות רבות. כמה מפורמטי ההרכבה הנפוצים ביותר המוצגים באיור 2 כוללים:

1. עם תבריג, כולל תכנים סטנדרטיים המהודקים באמצעות טבעות ואומים, וקידוח-עצמי המייתר את הצורך בטבעות ואומים.
2. Snap Fit הנדחף במהירות לתוך חור בשלדה או בפאנל כדי להעניק הרכבה מאובטחת. וריאציות כוללות מנעול קצה, כידון, Fir Tree‏ ואחרים.
3. Snap lock‏ נדחף גם הוא לתוך חור בשלדה או בפאנל, אך הוא ניתן להסרה בקלות.
4. Press Fit‏, חיבור עיוור, המשתמש בסנפירים כדי להעניק אחיזה בטוחה. הם יכולים להיות שימושיים במיוחד ביישומים מוגבלי-מקום.
5. בסיס דבק המשתמש בסרט כדי לייתר את הצורך בחור הרכבה.

איור 2‏: חמש מתוך האפשרויות הרבות לחיבור תומכי לוחות PCB‏ לפאנלים או לשלדה. (מקור התמונה:: Essentra Components‏)

שיטות קיבוע לוחות PCB‏

ההחלטה התכנונית השנייה והחשובה לא פחות היא בחירת שיטת קיבוע לוח PCB‏. בדומה לסוגי הרכבה בפאנל, יש מבחר גדול של שיטות קיבוע, והדוגמאות המוצגות באיור 3 כוללות:

1. Snap lock‏ עם שני-להבים ו-Snap fit‏ עם שני-להבים, כאשר צד אחד ננעל והצד השני ניתן לשחרור עבור גיבוב לוחות PCB‏ או חיבור לוח PCB‏ לשלדה.
2. Snap lock‏ עם ראש חץ ו-Snap fit‏ עם אף כידון מעניקים אחיזה בטוחה ביותר ותומכים בהרכבה מהירה ביישומי גיבוב.
3. הרכבת תושבת שטוחה היא תומך לוח PCB‏ דביק עם לשונית שחרור מהיר.
4. משושה/עם תבריג מורכב באופן מאובטח עם אום משושה ויש לו מהדק ניתן-לשחרור עם פרופיל נמוך בצד השני.
5. Snap fit‏/נעילה-כפולה הפוכים מעניקים Snap fit‏ עבור חיבורים מאובטחים ללוח ה-PCB‏. ניתן להתקין אותו מהצד התחתון של השלדה ויש לו ראש כפתור דק כדי למזער את הבליטה.

איור 3: מספר אפשרויות עבור קיבוע תומכי לוחות PCB‏. (מקור התמונה:: Essentra Components‏)

דוגמאות תומכי לוחות PCB‏

בהתחשב במגוון העצום של שילובים של חומרים, סוגי הרכבה ושיטות קיבוע, לא ניתן להציג תמונה שלמה של אפשרויות תומכי לוחות PCB‏. להלן כמה מתוך מאות האפשרויות הזמינות מ-Essentra Components:

ה-CRLCBSRE-10-01, המיוצר עם ניילון 66, עומד בתקן UL 94V-2 ודומה לחלק "E" באיור 3 לעיל. החלק העליון מתאים לחור של 4 מילימטר (מ"מ) והחלק התחתון מתאים לחור של 5.4 מ"מ. אורך המרווח הכולל הוא 15.9 מ"מ (0.625 אינץ').

ה-PSM-10-01 מיוצר גם הוא עם ניילון 66. יש לו תושבת שטוחה בצד אחד וראש חץ ננעל (כמו החלק העליון של חלק "B" באיור 3) המתאים לתוך חור בגודל 0.125 אינץ' בצד הנגדי. אורך ראש החץ הוא 0.130 אינץ' ואורך המרווח הוא 15.9 מ"מ (0.625 אינץ'). הוא מתוכנן להתאים לפאנלים בעובי של עד 0.078 אינץ'.

ה-RLEHCBS-7-01BK הוא תומך הפוך מחזיק קצה עשוי ניילון שחור 66 ומורכב לתוך חור תחתון של 0.375‏ x‏ 0.313 אינץ' בפאנל עבה של 0.062 אינץ' (איור 4). בלוח העליון יש חור של 0.156 אינץ' והוא ננעל לתוך פאנל של 0.062 אינץ'. אורך המרווח הוא 0.500 אינץ'.

איור 4: ל-RLEHCBS-7-01BK יש תומך-קצה עבור קיבוע ללוח PCB‏. (מקור התמונה:: Essentra Components‏)

בחירה בין UL 94V-0 או V-2 ואפשרות תכן נוסף

התומכים הבאים זמינים ב-PA66/6 או ב-PA66.

עבור התקנות הזקוקות להרכבה שטוחה עם חור הרכבה בצד אחד וראש חץ ננעל בצד הנגדי, המתכננים יכולים לבחור מבין ה-CBSS-10-01 בדירוג UL 94V-2 (איור 5) או ה-CBSS -10-19 בהתקנות UL 94V-0‏.

איור 5‏: ה-CBSS-10-01 הוא דוגמה לתומך עם ראש חץ ננעל בצד אחד ותושבת שטוחה עם חור בצד השני. (מקור התמונה:: Essentra Components‏)

עבור יישומים הזקוקים למרווח הדומה ל-"A" באיור 3, המתכננים יכולים לפנות ל-MSPM-5-01 בדירוג UL 94V-2, או ל-MSPM-5-19 בדירוג UL 94V-0.

ועבור יישומים שבהם יש צורך בתכן הדומה ל-"B" באיור 3, המתכננים יכולים לשקול את ה-LCBS-2-12-19 בדירוג UL 94V-0 או ה-LCBS-2-12-01 בדירוג UL 94V-2‏.

סיכום

כפי שהוצג, תומכי לוחות PCB‏ זמינים במגוון רחב של צורות וגדלים ועשויים מכמה סוגי חומרים. הוסיפו לכך את הצורך לתמוך בתהליך הרכבה יעיל ואמין, בין יתר דרישות היישום, ותהליך הבחירה יכול להיות מרתיע. ברוב המקרים העצה הטובה ביותר למתכננים היא לבחור אפשרות אחת או יותר הנראית מתאימה ליישום, ולאחר מכן לנסות כדי לקבוע איזו מהן תומכת בצורה הטובה ביותר בדרישות ההרכבה הכוללות.

קריאה מומלצת

1. השתמשו בחיברורים צפופים וגמישים כדי לתכנן התקני ניטור מטופלים קומפקטיים ועם ביצועים עיליים 
2. השתמשו במחברי דחיקת בידוד נתקעים ישירות כדי לייעל את ההרכבה ולהקטין את מפרט החומרים (BOM) 
3. כיצד למנף את היתרונות של מחברי חוט-ללוח בתכנים אולטרה-קומפקטיים