Hoe printplaatsteunen selecteren en gebruiken om rendabele en betrouwbare elektronische producten te garanderen

Assemblage is een van de laatste stappen in de productie van de meeste elektronische apparaten, waaronder witgoed voor consumenten, algemene elektronica en toepassingen in de automobielsector. Het wordt meestal alleen gevolgd door een laatste test en verpakking. Tegen de tijd dat het apparaat klaar is voor assemblage, zijn de meeste kosten voor de productie van het apparaat gemaakt. Als het assemblageproces niet robuust en kosteneffectief is, kan het leiden tot ondermaatse prestaties, of de kosten van het apparaat onnodig verhogen. Het gebruik van spuitgegoten printplaatsteunen zorgt voor elektrische isolatie en maakt schroeven, sluitringen en moeren overbodig, terwijl de eindassemblage wordt vereenvoudigd en versneld.

Spuitgegoten printplaatsteunen zijn bedrieglijk eenvoudig ogende onderdelen. Ontwerpers moeten bij hun keuze echter rekening houden met talrijke factoren, zoals steunstijlen zoals zelfklevende basis, randvergrendeling, omgekeerde vergrendeling en snapslot, alsook bevestigingsmethoden zoals verschillende ontwerpen met en zonder vergrendeling, en materiaalkeuzes zoals acetal, verschillende soorten nylon en ethyleenpropyleendieenmonomeer (EPDM) rubber.

De selectiecriteria worden verder gecompliceerd door de noodzaak om rekening te houden met de bedrijfstemperatuur, stijfheid versus flexibiliteit om de verwachte trillingsniveaus aan te kunnen, en de keuze tussen onderdelen met Underwriters Laboratories (UL) 94V-0 classificatie of minder dure onderdelen met UL 94V-2-classificatie. Bovendien moeten onderdelen die in autoassemblages worden gebruikt, worden beoordeeld volgens de materiaalvereisten van de Society of Automotive Engineers (SAE) J1639.

Om deze uitdagingen aan te gaan en de selectie en het gebruik van spuitgegoten printplaatsteunen te versnellen, hebben ontwerpers een leverancier nodig die een breed gamma van componententypes aanbiedt en een "one-stop shop" biedt voor alle behoeften aan printplaatsteunen.

Dit artikel bespreekt hoe printplaatsteunen worden vervaardigd met behulp van het spuitgietproces, behandelt de materiaalnormen en de materiaalkeuzes, en bespreekt de soorten montagestructuren en hoe deze in printplaatsteunen worden gebruikt. Vervolgens worden representatieve printplaatsteunen van Essentra Components gepresenteerd en wordt afgesloten met suggesties voor het selectieproces en de integratie van de steunen in de productassemblage.

Spuitgieten

Het spuitgieten van thermoplasten produceert zeer herhaalbare en goedkope mechanische onderdelen zoals steunen voor printplaten. Het proces verloopt in een reeks van vijf fasen (Afbeelding 1):

1. De thermoplastische korrels worden in de machine gevoerd en tot een precieze temperatuur vloeibaar gemaakt.
2. De gesmolten thermoplast komt in de injectieholte ter voorbereiding op het vormen.
3. Wanneer de vereiste druk in de injectieholte is bereikt, wordt de gesmolten thermoplast in de matrijs gespoten met behulp van een reeks poorten om de stroom te regelen.
4. Wanneer de matrijs de juiste capaciteit heeft bereikt, begint een wachtfase waarin de druk op de thermoplast wordt gehandhaafd om de vervaardiging van consistente onderdelen te garanderen. In het tweede deel van de wachtfase wordt de druk weggenomen en mogen de onderdelen afkoelen.
5. De matrijs wordt geopend, en de onderdelen worden door uitwerppennen uit het gereedschap geduwd.

Afbeelding 1: Spuitgieten kan goedkope en herhaalbare printplaatsteunen produceren. (Bron afbeelding: Essentra Components)

Materiële normen

Twee van de belangrijkste materiaalnormen voor printplaatsteunen zijn de brandbaarheidseisen van UL 94 en het SAE J1639-classificatiesysteem voor polyamide (PA)-kunststoffen voor auto's. Dit zijn algemene normen die gelden voor alle soorten toepassingen, niet alleen voor printplaatsteunen.

UL 94 is geharmoniseerd met de normen 60695-11-10 en 60695-11-20 van de Internationale Elektrotechnische Commissie (IEC) en met de normen 9772 en 9773 van de Internationale Organisatie voor Normalisatie (ISO). Deze normen classificeren materialen op basis van hun neiging om vlammen te verspreiden of te doven zodra het testonderdeel is aangestoken.

• V-0 vereist dat het branden binnen 10 seconden (s) stopt op een verticaal deel en laat materiaaldruppels toe zolang ze niet ontstoken zijn.
• V-1 vereist dat het branden binnen 30 s stopt op een verticaal deel en staat druppels toe zolang ze niet ontstoken zijn.
• V-2 is het minst restrictief en vereist dat het branden binnen 30 s op een verticaal deel stopt en dat druppels brandend materiaal worden toegestaan.

SAE J1639 is een aanbevolen praktijk die een structuur biedt voor de classificatie en specificatie van PA-kunststoffen die worden gebruikt in automobieltoepassingen. Het is gebaseerd op het classificatiesysteem D 4066 van de American Society for Testing and Materials (ASTM) voor PA (nylon) injectie- en extrusiematerialen. J1639 vereist aanvullende beschrijvende eigenschappen en kenmerken voor PA's voor auto's. Het wordt aangevuld met eigen OEM-normen van verschillende autofabrikanten. De drie basiselementen van J1639 omvatten:

• Standaardisatie van de kwaliteiten van versterkte en onversterkte nylons, waaronder 66, 6, en 66/6 in automobieltoepassingen.
• Standaardisatie van de testmethoden die worden gebruikt om de eigenschappen van die PA-materialen te karakteriseren.
• Zorg voor een beknopte structuur voor de presentatie van de materiaalspecificaties.

Welk materiaal om te gieten?

Er zijn verschillende soorten kunststoffen beschikbaar. De meest voorkomende voor printplaatsteunen zijn acetal, nylons en EPDM rubber. Afhankelijk van het materiaal kunnen zij bedrijfstemperaturen van -40 ˚C tot +85 ˚C aan, en zorgen zij voor trillingsdemping, elektrische isolatie en andere functies. Materialen voor hoge temperaturen tot +200 ˚C zijn beschikbaar voor ontwerpen op maat. Twee van de gangbare nylons zijn PA66 en PA66/6.

Voor toepassingen die een UL 94V-2-materiaal kunnen gebruiken, kunnen ontwerpers zich tot PA66 wenden. Nylon 66 kan vooral nuttig zijn voor spuitgietprocessen. Het biedt een goede combinatie van sterkte, stijfheid, taaiheid, een hoog smeltpunt, een goede oppervlaktesmering (belangrijk voor het spuitgieten), en slijtvastheid, alsmede bestendigheid tegen vele chemicaliën, machine- en motorolie, oplosmiddelen en benzine. Bovendien is PA66 relatief goedkoop en niet-gehalogeneerd. Onderdelen gemaakt met PA66 voldoen aan de eisen van SAE J1639.

PA66/6 is ook niet-gehalogeneerd en kan worden gebruikt in toepassingen die een UL 94V-0-classificatie vereisen. De mechanische eigenschappen zijn vergelijkbaar met die van PA66, maar met een verbeterde taaiheid bij lage temperatuur. Het kan een betere oppervlakteafwerking en kleurstabiliteit bieden dan PA66. PA66/6 voldoet ook aan de eisen van SAE J1639.

Typen montage

Naast de materiaalkeuze zijn de specificatie van het montagetype en de bevestigingsmethode voor bevestiging aan de printplaat belangrijke overwegingen voor printplaatsteunen. In beide gevallen zijn er vele mogelijkheden. Enkele van de meest voorkomende montagevormen in Afbeelding 2 zijn:

1. Schroefdraad, waaronder standaard ontwerpen die worden bevestigd met ringen en moeren, en zelftappende die ringen en moeren overbodig maken.
2. Snap fit die snel in een chassis of paneelgat wordt gedrukt voor een veilige montage. Variaties zijn onder andere randvergrendeling, bajonet en fir tree.
3. Snap lock drukt ook in een chassis- of paneelgat, maar is gemakkelijk te verwijderen.
4. Perspassing, blinde bevestiging, die vinnen gebruikt om een veilige grip te bieden. Zij kunnen bijzonder nuttig zijn in toepassingen met weinig ruimte.
5. Zelfklevende basis die tape gebruikt om een montagegat overbodig te maken.

Afbeelding 2: Vijf van de vele mogelijkheden om printplaatsteunen te verbinden met panelen of chassis. (Bron afbeelding: Essentra Components)

Printplaat-bevestigingsmethoden

De tweede, even belangrijke ontwerpbeslissing is de keuze van een bevestigingsmethode voor de printplaat. Net als bij paneelmontage is er een grote keuze aan bevestigingsmethoden, waarvan de voorbeelden in Afbeelding 3 zijn weergegeven:

1. Snap fit met tweetandige kliksluiting, waarbij de ene kant wordt vergrendeld en de andere kant kan worden losgemaakt voor het stapelen van printplaten of het verbinden van een printplaat met een chassis.
2. De kruiskopsluiting met bajonetsluiting biedt een zeer veilige greep en ondersteunt snelle montage bij stapeltoepassingen.
3. De platte steun is een zelfklevende printplaatsteun met een snelkoppelingslipje.
4. De zeskant/schroefdraad wordt veilig bevestigd met een zeskantmoer en heeft aan de andere kant een ontgrendelbare, laagprofiel bevestiging.
5. Omgekeerde dual-locking/snap fit zorgt voor een snap fit voor een veilige verbinding met de printplaat. Hij kan vanaf de onderkant van het chassis worden geïnstalleerd en heeft een dunne knopkop om het uitsteeksel te minimaliseren.

Afbeelding 3: Verschillende mogelijkheden om steunen aan printplaten te bevestigen. (Bron afbeelding: Essentra Components)

Voorbeelden printplaatsteunen

Gezien de grote verscheidenheid aan combinaties van materialen, montagetypes en bevestigingsmethoden is het niet mogelijk een volledig beeld te geven van de opties voor printplaatondersteuning. Hieronder volgen enkele van de honderden mogelijkheden die Essentra Components biedt:

De CRLCBSRE-10-01, vervaardigd met nylon 66, voldoet aan UL 94V-2 en is vergelijkbaar met onderdeel "E" in Afbeelding 3 hierboven. In het bovenste deel past een gat van 4 millimeter (mm) en in het onderste deel een gat van 5,4 mm. De totale lengte van de afstandhouder is 15,9 mm (0,625 inch (in.)).

De PSM-10-01 is ook gemaakt met nylon 66. Het heeft een platte steun aan één kant en een vergrendelingspijlpunt (zoals de bovenkant van deel "B" in Afbeelding 3) die in een gat van 0,125 in. aan de tegenoverliggende kant past. De pijlpuntlengte is 0,130 in. en de afstandsbuslengte is 15,9 mm (0,625 in.). Het is ontworpen voor panelen tot 0,078 in. dik.

De RLEHCBS-7-01BK is een omgekeerd gemonteerde randsteun van zwart nylon 66 die in een bodemgat van 0,375 x 0,313 in. in een 0,062 in. dik paneel wordt gemonteerd (Afbeelding 4). De bovenste plaat heeft een gat van 0,156 in. en sluit op een paneel van 0,062 in. De afstandsbuslengte is 0,500 in.

Afbeelding 4: De RLEHCBS-7-01BK heeft een randsteun voor bevestiging aan de printplaat. (Bron afbeelding: Essentra Components)

Keuze uit UL 94V-0 of V-2 en een andere ontwerpoptie

De volgende steunen zijn verkrijgbaar in PA66/6 of PA66.

Voor installaties die een platte bevestiging nodig hebben met een montagegat aan één kant en een vergrendelingspijl aan de andere kant, kunnen ontwerpers kiezen uit de UL 94V-2 CBSS-10-01 (afbeelding 5) of de UL 94V-0 CBSS-10-19.

Afbeelding 5: De CBSS-10-01 is een voorbeeld van een steun met een vergrendelingspijlpunt aan de ene kant en een platte bevestiging met een gat aan de andere kant. (Bron afbeelding: Essentra Components)

Voor toepassingen die een afstandhouder nodig hebben zoals "A" in Afbeelding 3, kunnen ontwerpers zich wenden tot de MSPM-5-01 met UL 94V-2-classificatie of de MSPM-5-19 met UL 94V-0-classificatie.

En voor toepassingen waar een ontwerp zoals "B" in Afbeelding 3 nodig is, kunnen ontwerpers de UL 94V-0 LCBS-2-12-19 of de UL 94V-2 LCBS-2-12-01 overwegen.

Conclusie

Zoals blijkt, zijn printplaatsteunen verkrijgbaar in een breed scala van vormen en afmetingen en worden zij gemaakt van verschillende materiaalsoorten. Voeg daarbij de noodzaak om efficiënte en betrouwbare assemblage te ondersteunen, naast andere toepassingsvereisten, en het selectieproces kan ontmoedigend zijn. In de meeste gevallen is het beste advies voor ontwerpers om een of meer opties te kiezen die geschikt lijken voor de toepassing, en dan te experimenteren om te bepalen welke optie het beste voldoet aan de algemene montage-eisen.

Aanbevolen lectuur

1. Gebruik dichte en flexibele interconnecties om compacte, hoogperformante patiëntenbewakingsapparatuur te ontwerpen
2. Gebruik directe plug-in isolatieverplaatsingsconnectors om de assemblage te stroomlijnen en de BOM te verlagen
3. Hoe de voordelen van draad-naar-bord-connectors in ultracompacte ontwerpen te benutten