Qu'est-ce qui entre dans la conception d'électronique robuste ?

| Créé: Juin 15, 2021

Ordinateur portable pour électronique robuste

Essayez de rechercher « électronique robuste » sur Internet, et vous trouverez probablement beaucoup de vidéos montrant des personnes marchant sur leurs smartphones. L'électronique robuste doit pouvoir encaisser des chocs mécaniques, mais il y a plus à prendre en compte dans un système robuste que la simple capacité à survivre à une chute sur le pavé. Cela concerne autant la conception du boîtier que le choix des composants et les décisions de fabrication.

Les concepteurs en mil-aéro utilisent souvent le terme « environnement sévère » pour décrire un certain nombre de scénarios où la fiabilité et la durée de vie d'un dispositif électronique seront mises à l'épreuve. Si vous souhaitez rendre votre prochain produit véritablement robuste, il est utile d'adopter certaines de leurs stratégies dans la disposition de votre PCB. Dans cet article, nous examinerons certaines des stratégies de conception utilisées dans les conceptions mil-aéro, ainsi que les stratégies utilisées pour les conceptions industrielles.

Qu'est-ce qui Qualifie un Environnement Sévère dans l'Électronique Robuste ?

Le terme « environnement », tel que défini dans certaines normes industrielles, peut se référer à tout, des conditions environnementales réelles (température, humidité, etc.) à l'environnement mécanique (par exemple, vibration) ou à l'environnement électrique (bruit, potentiel pour l'ESD). L'électronique robuste est généralement conçue pour résister à une ou plusieurs conditions typiquement trouvées dans des environnements sévères :

Températures excessivement élevées ou basses
Changements de température extrêmes et fréquentsHumidité et pression haute/basse
Vibration mécanique ou choc
Décharge électrique à haute tension/courant
Particules, telles que la poussière
Gaz oxydants ou explosifs

C'est une liste assez vaste et stupéfiante. Généralement, vous ne pouvez pas concevoir un seul appareil pour résister à chaque facteur de la liste ci-dessus. Les environnements difficiles sont compliqués à gérer simplement parce qu'il y a une telle variété de facteurs qui peuvent détruire un dispositif électronique. Ces problèmes pourraient affecter la carte, les composants, l'ensemble PCBA, ou tout ce qui précède.

Quelques Stratégies de Ruggedisation

Le tableau ci-dessous résume certaines des solutions que vous pouvez mettre en œuvre dans votre conception pour la rendre plus robuste et mieux résister à la liste ci-dessus de facteurs environnementaux.

Facteurs Environnementaux	Stratégies de Conception
Hautes températures	Combinaison de refroidissement par conduction (châssis/radiateur), utiliser des matériaux d'interface thermique et des ventilateurs, éloigner les composants qui chauffent, utiliser des céramiques ou des PCB à âme métallique, refroidissement liquide
Températures basses	Utiliser une protection contre les infiltrations pour prévenir la condensation, appliquer un chauffage en courant continu pour amener les composants à une plage de température de fonctionnement normale
Cyclage thermique extrême	Utilisez des stratifiés à haute Tg, n'utilisez pas de via empilés.
Environnements à haute pression	Prévoyez également de concevoir pour des températures extrêmes, sélectionnez des composants appropriés qui ne vont pas imploser, utilisez un revêtement conforme et remplissez l'enceinte avec un gaz inerte ou un liquide isolant
Vibration ou choc mécanique	Optez pour des composants à travers si possible, concevez la carte de sorte que sa fréquence de vibration résonante d'ordre le plus bas soit au moins triple de la fréquence de choc attendue, soudez les grands CI directement sur la carte au lieu d'utiliser des supports ou des réseaux de grille
Décharge électrique	Gardez la terre proche de votre châssis et les terres TVS, utilisez des circuits de protection ESD
Particules	Utilisez des revêtements conformes pour prévenir l'ESD, utilisez une enceinte scellée à haute pression pour empêcher l'entrée de particules
Corrosion par l'humidité ou les gaz oxydants	Utilisez des revêtements conformes avec la chimie appropriée, concevez une enceinte scellée avec une classification de haute pression
Gaz explosifs	Éliminez tout composant qui pourrait créer une étincelle intentionnelle pendant le fonctionnement (par exemple, les relais), appliquez des mesures de protection ESD

D'après le tableau ci-dessus, il devrait être clair que la robustesse dépasse le niveau de la carte. Certaines solutions ne peuvent être mises en œuvre qu'au niveau de la carte, tandis que d'autres nécessitent de prendre en compte tout, depuis la carte jusqu'aux composants et au boîtier. Certains des standards industriels régissant ces solutions incluent :

Le standard de Protection contre les Ingressions (IP), qui limite l'ingression d'humidité dans l'électronique robuste
MIL-S-901D, spécifiant les exigences de choc mécanique à fort impact pour l'équipement sur les navires
MIL-STD-810G, spécifiant les exigences de test pour l'équipement militaire qui a été adopté commercialement
La National Electrical Manufacturers Association (NEMA), spécifiant les boîtiers, armoires et logements
La National Fire Protection Association (NFPA), spécifiant une gamme d'exigences sur l'électronique dans certains environnements pour assurer la suppression ou le confinement des incendies
Atmosphères Potentiellement Explosives (ATEX), NFPA 497, et HazLoc, spécifiant les exigences de conception pour prévenir l'explosion lorsqu'un dispositif est déployé dans un environnement contenant des gaz explosifs

Le choix de votre boîtier et du style de montage est important

Jusqu'à présent, nous n'avons discuté que de la conception électrique, de l'agencement physique et de l'assemblage de la carte PCB (PCBA). De toute évidence, concevoir de l'électronique robuste nécessite plus que simplement entourer la carte PCB d'un boîtier en plastique plus épais et considérer le travail comme accompli. Le boîtier, le style de montage de la carte et les fixations joueront un rôle majeur dans la détermination de la fiabilité et dans la lutte contre certains des facteurs environnementaux mentionnés précédemment.

Une manière simple d'aborder le choc mécanique et les vibrations à côté des potentiels facteurs électriques/thermiques est d'utiliser un montage antichoc avec un amortisseur de vibrations. L'amortisseur présenté ci-dessous est de qualité loisir, mais il a une structure très similaire aux montures utilisées dans les drones quadricoptères.

Rugged electronics vibration damping — *Exemple de support d'amortissement des vibrations. Ce type de support multi-plateforme est souvent utilisé sur les drones.*

D'autres aspects de la conception du boîtier et du montage devront prendre en compte le facteur environnemental spécifique que vous devez adresser. Adapter un environnement avec un gaz à haute pression n'utilisera pas la même stratégie que celle utilisée dans un environnement liquide à haute pression, même si ces deux solutions sont au niveau du boîtier et reposent sur l'équilibrage de la pression. La conception d'électronique robuste est un excellent exemple où l'équipe de conception électrique doit communiquer étroitement avec l'équipe mécanique pour s'assurer que la stratégie de robustesse n'interfère pas avec les exigences électriques.

Réflexions finales sur l'électronique robuste

Le dernier conseil que je peux donner concernant l'électronique robuste est que vous ne déploierez pas toujours un dispositif dans un scénario qui comprend la liste complète des environnements difficiles. Par conséquent, la première étape dans la conception d'électronique robuste est de considérer les facteurs environnementaux spécifiques qui pourraient endommager le produit et de se concentrer sur ceux-ci dans votre conception. Par exemple, ne vous inquiétez pas de concevoir une protection contre les gaz oxydants si votre principale préoccupation est le cyclage de température (bien que vous pourriez obtenir cette protection comme un avantage secondaire). Concentrez-vous sur ce qui compte pour votre conception et vous pouvez toujours produire quelque chose qui est compact et rentable.

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A propos de l'auteur

Zachariah Peterson possède une vaste expérience technique dans le milieu universitaire et industriel. Avant de travailler dans l'industrie des PCB, il a enseigné à la Portland State University. Il a dirigé son M.S. recherche sur les capteurs de gaz chimisorptifs et son doctorat en physique appliquée, recherche sur la théorie et la stabilité du laser aléatoire. Son expérience en recherche scientifique couvre des sujets tels que les lasers à nanoparticules, les dispositifs électroniques et optoélectroniques à semi-conducteurs, les systèmes environnementaux et l'analyse financière. Ses travaux ont été publiés dans diverses revues spécialisées et actes de conférences et il a écrit des centaines de blogs techniques sur la conception de PCB pour de nombreuses entreprises. Zachariah travaille avec d'autres sociétés de PCB fournissant des services de conception et de recherche. Il est membre de l'IEEE Photonics Society et de l'American Physical Society

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