PCB-suunnittelussa on kiinnitettävä huomiota tärinään. Meidän on suunniteltava tärinän väsyminen. Jos näin ei tehdä, piirilevy ei kestä kauan. Monet levyt istuvat paikallaan eivätkä liiku paljon. Toiset levyt toimivat paikoissa, joissa on paljon liikettä. Nämä laitteet voivat olla mitä tahansa pienistä leluista monimutkaisiin avaruusaluksiin. Jotkin piirilevyt eivät liiku, mutta niihin kohdistuu silti valmistuksesta, lämpömuutoksista tai käyttäjiltä saaduista kovista iskuista johtuvia rasituksia. Tämän käsittelemiseksi, PCB-suunnittelijat on tunnettava tärinän väsymisen perusteet suunnittelussaan ja tiedettävä, miten sen vaikutuksia voidaan vähentää. Seuraavassa on muutamia ajatuksia, jotka auttavat.
Ympäristöstressi ja tärinän aiheuttama väsymys
Jopa 20% piirilevyjen vioista johtuu tärinästä ja iskuista. Nämä luvut on ensimmäisenä mainittu ilmavoimissa, mutta monet muut teollisuudenalat raportoivat samankaltaisia lukuja. Tämä osoittaa, kuinka tärkeää on suunnitella piirilevyt kestämään satunnaista tärinän aiheuttamaa väsymisrasitusta. Tämä on entistä tärkeämpää, kun levyjä käytetään tärinälle alttiissa ympäristöissä, kuten ilmailu- ja avaruusalalla.
Ydinlevymateriaalit (esimerkiksi FR-4) kestävät tärinää ja iskuja melko hyvin. Levyyn juotetut elektroniset komponentit eivät kuitenkaan kestä. Tärinä saa levyn taipumaan. Komponenttien johdot voivat katketa taipumisesta ja venymisestä. Myös juotos on altis tärinän aiheuttamalle rasitukselle. Se voi halkeilla ja katkaista johtimen ja levyn välisen sähköisen yhteyden. Pienikin tärinä voi pitkän ajan kuluessa väsyttää komponenttien johtoja ja juotosliitoksia. Ilman hyviä piirilevysuunnittelukäytäntöjä juotosliitokset voivat murtua tärinän aiheuttamasta väsymyksestä.
Valmistusstressi voi aiheuttaa värähtelyväsymystä
Toinen tekijä, joka johtaa tärinän aiheuttamaan väsymisvikaantumiseen, on jännitys, joka aiheutuu PCB-valmistus prosessi. Komponenttien johdot ja juotosliitokset ovat alttiita lämpöshokille. Hyvät DFM-käytännöt (design for manufacture) ovat ratkaisevan tärkeitä näiden vaikutusten käsittelemiseksi. Yksi esimerkki on piirilevyn tyynyjen suunnittelu, jotta komponenttien johtimet voidaan juottaa oikein.
Huonosti suunnitellut tyynyt voivat estää juotetta täyttämästä pintaliitosjohtoja oikein. Juote voi imeytyä pois läpireikäpadista. Nämä ongelmat voivat aiheuttaa huonon juotosliitoksen. Esimerkiksi suuressa lämpöalustassa juotteen siirtyminen pois kattamattomasta läpiviennistä voi estää laitteen maadoitustapin hyvän juotosyhteyden. Kyseinen osa saattaa läpäistä valmistuksen ja testin. Tärinä voi kuitenkin kuluttaa ohutta juotosliitosta, kunnes se pettää ajoittain tai kokonaan kentällä.
Mitä voit tehdä tärinän aiheuttaman väsymyksen ehkäisemiseksi?
Ensimmäinen vaihe on luotettavuussuunnittelu (DFR). DFR on suunnitteluvaiheen työ, jolla varmistetaan piirilevyn luotettavuus ennen levyn rakentamista. Osa tätä työtä on sisällyttää hyvä DFM käytännöt suunnittelussa. Piirilevyvalmistajasi voi auttaa sinua valitsemaan oikeat tyyny- ja pakkauskoot osille. Hän voi antaa sinulle suunnittelusääntöjä, jotta voit noudattaa oikeaa IPC-luokkaa piirilevyäsi varten. Toinen DFR-vaihe on käyttää simulointityökaluja, joilla voidaan ennustaa, missä suunnittelussa voi esiintyä vikoja. Sen jälkeen voit muuttaa suunnittelua ennen valmistusta.
Joka päivä tulee uusia työkaluja ja menetelmiä, joilla voidaan käsitellä värähtelyväsymystä ja suorittaa satunnaisia värähtelyanalyysejä. Silti on tavallista testata uusia malleja fyysisillä tärinä- ja iskutesteillä. Vikaantumiset saadaan nopeasti aikaan käyttämällä suurempaa tärinää ja iskuja kuin mitä tuote kokee normaalikäytössä. Tämä erittäin kiihdytetty käyttöikätesti (HALT) on tärkeä osa uusien tuotteiden kehittämistä. Sillä löydetään mahdolliset tärinään liittyvät viat. Se auttaa varmistamaan, että levyn rakenne toimii luotettavasti.
