Bulginのこの記事では、振動と断続的な衝撃が電子機器に隠れた有害な環境的危険をもたらす仕組みを専門家が検証しています。なぜそうなるのか、また電子システムを保護するために何ができるのかについて詳しく学びましょう。
電子機器への振動の影響を最小限に抑えることが最適なパフォーマンスの鍵です
適切な対策を講じないと、振動や断続的な衝撃によって電子システムが使用不能になったり、破壊されたりする可能性があります。
クラウドとモノのインターネット (IoT) の爆発的な成長の現実の1つは、消費者のニーズに対応するために、より高度なデバイスがますます必要となり、それらのデバイスをサポートするインフラストラクチャがより大規模で複雑になっていることです。これは、通常の操作には非常に厳しい場所や状況に、より多くの電子システムが配備されていることを意味します。
自動車市場や軍事/航空宇宙市場では、複雑な機械にとって非常に厳しい環境でソリューションが展開され、使用されることに長い間慣れてきました。これらの市場スペースには、密閉性、耐久性、耐水性、環境耐性に関する規制が満載です。しかし、医療からエンターテインメントまでさまざまな用途で使用される製品が、過酷な環境に置かれるケースが増えています。
過酷な環境の性質は、すぐには分からないかもしれません。泥だらけ、濡れている、埃っぽい、あるいは目に見えて危険な場所を見つけるのは簡単ですが、すべての環境上の危険がすぐに現れるわけではありません。電子機器にとって最も有害な環境的危険の1つは、シャツの袖をまくった環境でも発生する可能性があります。それは振動と断続的な衝撃です。
振動はさまざまな形で損傷を引き起こしますが、それらは摩耗、完全性、接続性の3つの基本的なカテゴリに分類できます。温度と湿度が管理された環境に保管されているデバイスであっても、振動関連のアーティファクトが原因で故障する可能性があります。特に外部要因により不定期に発生する場合は、その原因を特定するのが難しい場合が多いためです。
初期設計から現場でのメンテナンスまで、あらゆるレベルで対処しないと、振動の問題により機能が失われるだけでなく、関連するシステムに壊滅的な障害が発生する可能性もあります。
消耗する
振動は摩耗を引き起こす非常に強力なメカニズムであるため、サンダー、ドリル、削岩機などの研磨装置に使用されます。意図的であるかどうかにかかわらず、あらゆる動きは振動や共振を引き起こし、予期しない場所に極端な負荷を生み出す可能性があります。
これらの負荷により、回路基板からパッケージに至るまで、システム内の摩耗や劣化が加速される可能性があります。これは、構造部品、さらには回路基板自体の損傷や変形など、さまざまな形で現れる可能性があり、場合によっては壊滅的な故障につながることもあります。
振動による劣化の管理
このような振動による損傷を適切に軽減することは、単独の修正ではなく、システム強化への一般的なアプローチの一部です。コンポーネントの熱ポッティングなど、ボード レベルで振動に対して実行できる対策の一部は、半弾性材料を使用すれば振動吸収にも対処でき、そのソリューションは熱管理に必要な領域だけでなく、適切なすべての領域に展開されます。
振動や断続的な衝撃による損傷の大きなリスクは、障害のスケーラブルな側面です。振動によりワイヤボンドが破損し、同じ振動によって緩んだワイヤが動き回り、重大な短絡リスクが生じ、壊滅的な熱暴走によって電気火災が発生する可能性があります。保護回路がこのような重大な損傷を防いだとしても、結果として生じるシャットオフにより、修理されるまでデバイスはそれ以上動作できなくなります。
この損傷は通常、はんだ付け接合の観点で考えられますが、故障前に予期せず警告なしに摩耗が発生する可能性のある見落とされた場所は、基板にはんだ付けされていないケーブルやコネクタにも見られます。
ねじれたワイヤ、押し込み式コネクタ、およびコネクタまたはコンポーネントを回路基板に接続するその他のはんだ付け以外の方法は、外れたり動いたりする可能性があり、危険です。ねじ止めされたコネクタでも振動により緩んで外れることがあります。
パッケージレベルでは、屈曲が発生する可能性のあるポイントは、過度の摩耗が発生する可能性がある場所であるため、問題となります。一般的な摩耗箇所は、接合部、取り付け金具、ドアの周囲です。その他の場所には、熱管理用の通気口、パススルー用のパッケージ開口部、ケーブル接続ポイントなど、パッケージへのビアがあります。2つ以上の表面が最終的に擦れ合う可能性がある場所には、この問題に対処するためにガスケットやパッドを取り付ける必要があります。
ケーブルやその他のラインがパッケージに入る領域は、それらのワイヤ、ケーブル、および/またはパイプの発生源からの外部振動の影響を受ける可能性があるため、特に脆弱です。ケーブルビアの場合、ガスケットとパッドは摩耗に耐えられる範囲でしか使用できません。
最善の解決策は、振動に強い接続を確保するために、しっかりとした留め具を使用することです。これは、ほこりや湿気からの過酷な環境保護にも役立つため、メリットが拡大したもう1つのソリューションです。
連絡が途絶える
これにより、振動がデバイスの動作パフォーマンスに直接影響を与える可能性があることがわかります (しゃれではありません)。ケーブルとそのビアの振動ストレスは、デバイスの過度の摩耗状態を引き起こすだけでなく、信号や電力の損失を引き起こす可能性もあります。振動によってケーブルが摩耗した場合、結果は決して良いものではありません。
少なくとも、そのケーブルが導通していたものには不連続性があり、最悪の場合、デバイス自体を通して接地を見つけ、制御不能な熱暴走を引き起こす可能性のある短絡イベントが発生します。
このような電力と信号の不連続性は、配線のマクロレベルで発生するだけでなく、はんだ接合のボードレベルでも発生します。コンポーネントが基板にはんだ付けされる時点では、複数の故障モードが発生する可能性があります。これらの故障モードには、はんだ割れ、パッドの浮き、ピンの割れなどがあります。
これらは、必ずしも重大な故障を引き起こすわけではありませんが (湿気の侵入などの他の問題と相まっていない限り)、少なくともパフォーマンスの低下、最悪の場合、動作不能につながります。
繰り返しになりますが、ポッティングなどの緩和策は、振動耐性を通じてシステムにメリットをもたらすだけでなく、熱管理や湿気除去などの問題にも対処できます。このレベルで発生する可能性のある不連続性の問題は、擦れ、ひび割れ、パッドの切断だけではありません。特に電子レンジなどのボード間接続は、振動による隙間やずれによって簡単に途切れることがあります。あらゆる終端は、コスト効率よく適用できる最も堅牢な接続機能について検討する必要があります。
誠実さの喪失
パッケージの完全性の問題は、パッケージの摩耗の問題とは異なり、振動によってパッケージの耐候性が損なわれるためには摩耗が存在する必要はありません。振動や断続的な衝撃により、接合部間のシーリングに隙間が生じたり、ドアや開口部の位置がずれたり、表面が剥離したりすることがあります。これらのいずれかまたはすべてが、パッケージの水、湿気、ほこり、害虫の浸透につながる可能性があります。
これらの問題は、パッケージの剛性を高めるか、反射的にパッケージの柔軟性を高めて、振動イベントを「乗り越える」ことで、整合性へのダメージを少なくすることで解決できます。開口部の数と種類を減らすことで、問題点を最小限に抑えることもできます。
もう1つの緩和アプローチには、すべてのケーブル アクセス ポイントを強化することが含まれます。これにより、ケーブルの連続性の問題も同時に解決されます。すべてのケーブル入口ポイントに頑丈なねじ込み式パネルコネクタを使用すると、電子パッケージが大幅に強化されます。
繰り返しになりますが、さまざまな緩和策を創造的に展開して相互に活用し、利用可能なすべてのメリットを最大限に活用することができます。頑丈なケーブル接続により、ケーブルとそれが接続されるデバイスの両方が保護されます。
前進する
振動は、電子システムの適切な動作に対する重大なリスクであり、見落とされがちです。ポッティングとガスケット、ねじ込み式コネクタの使用、パッケージの剛性と整合性の確保、その他の耐久性向上手法は、適切に導入された場合、すべて相補的なものとなります。階層化された防御は、軍事的立場だけでなく電子機器にも有効です。実際、電子パッケージを保護すべき要塞として考えると、より優れた防御方法論を開発するのに役立つ可能性があります。