頑丈な電子機器の設計には何が含まれますか？

「頑丈な電子機器」をインターネットで検索してみると、スマートフォンを踏みつける動画がたくさん見つかるかもしれません。頑丈な電子機器は、機械的に打撃を受けても耐える必要がありますが、舗装道路上に落としても生き残ることができるだけではなく、頑丈なシステムにはそれ以上のものが求められます。これは、エンクロージャーの設計だけでなく、コンポーネントの選択や製造の選択にも関わっています。

軍用・航空宇宙の設計者は、電子デバイスの信頼性と寿命が試されるさまざまなシナリオを説明するために「過酷な環境」という用語をよく使用します。次の製品を本当に頑丈にしたい場合は、PCBレイアウトに彼らの戦略のいくつかを採用することが役立ちます。この記事では、軍用・航空宇宙設計で使用される設計戦略と、産業設計で使用される戦略の両方を見ていきます。

頑丈な電子機器における過酷な環境とは何か？

業界標準で定義される「環境」という用語は、実際の環境条件（温度、湿度など）から、機械的環境（例えば、振動）や電気的環境（ノイズ、ESDの可能性）に至るまで、あらゆるものを指すことがあります。頑丈な電子機器は通常、過酷な環境で一般的に見られる1つ以上の条件に耐えるように設計されています：

• 過度に高いまたは低い温度
• 極端で頻繁な温度サイクリング
• 湿気と高/低圧
• 機械的振動または衝撃
• 高電圧/電流での電気放電
• 粒子状物質、例えばほこり
• 酸化性または爆発性ガス

これはかなり広範で驚くべきリストです。一般的に、上記のリストのすべての要因に耐える単一のデバイスを設計することはできません。厳しい環境は、電子デバイスを破壊することができる要因の範囲が広いため、単純に扱うのが難しいです。これらの問題は、基板、コンポーネント、全体のPCBA、またはそれらすべてに影響を与える可能性があります。

いくつかの頑丈化戦略

下の表は、上記の環境要因のリストにより耐えられるように設計をより頑丈にするために実装できるいくつかの解決策を要約しています。

環境要因	設計戦略
高温	伝導冷却（シャーシ/ヒートシンク）の組み合わせ、熱界面材料とファンの使用、熱いコンポーネントの分散、セラミックスまたは金属コアPCBの使用、液体冷却
低温	結露を防ぐための進入保護の使用、正常な動作温度範囲内にコンポーネントを持ってくるためのDC加熱の適用
極端な熱サイクル	高Tg積層材を使用し、スタックビアは使用しない。
高圧環境	極端な温度にも対応する設計を計画し、内部で破裂しない適切な部品を選択、保護コーティングを施し、筐体を不活性ガスまたは絶縁液で満たす
機械的振動または衝撃	可能な場合はスルーホール部品を選択し、基板が最低次の共振振動周波数が予想される衝撃周波数の少なくとも3倍になるように設計し、大型ICはソケットやグリッドアレイを使用せずに直接基板にはんだ付けする
電気放電	アースグラウンドをシャーシとTVSグラウンドの近くに配置し、ESD保護回路を使用する
微粒子	ESDを防ぐために保護コーティングを使用し、微粒子を遮断するために高圧密閉筐体を使用する
湿気や酸化性ガスによる腐食	適切な化学成分の保護コーティングを使用し、高圧定格の密閉筐体を設計する
爆発性ガス	運用中に意図的な火花を発生させる可能性のある任意の部品（例：リレー）を排除し、ESD保護対策を講じる

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上記の表から、頑丈化が基板レベルを超えて広がっていることが明らかであるべきです。一部のソリューションは基板レベルでのみ実装可能ですが、他のソリューションには基板からコンポーネント、そしてエンクロージャーまで全てを考慮する必要があります。これらのソリューションを規制する業界標準には、次のものが含まれます：

• 耐水性を高めるための電子機器における水分の侵入を制限する国際保護等級（IP）標準
• 船舶搭載機器の高衝撃力要件を指定するMIL-S-901D
• 商業的に採用された軍事装備のテスト要件を指定するMIL-STD-810G
• エンクロージャー、キャビネット、およびハウジングを指定する全米電気製造業者協会（NEMA）
• 特定の環境下での電子機器に関する一連の要件を指定し、火災抑制または封じ込めを保証する全米防火協会（NFPA）
• 爆発性ガスを含む環境でデバイスが展開された際の爆発を防ぐための設計要件を指定する潜在的に爆発性の大気（ATEX）、NFPA 497、およびHazLoc

エンクロージャーと取り付けスタイルが重要です

これまで、電気設計、物理的レイアウト、PCBAについてのみ議論してきました。明らかに、頑丈な電子機器を設計するには、PCBに厚いプラスチックケースをかぶせて終わり、というわけにはいきません。エンクロージャ、ボードの取り付けスタイル、固定具は、信頼性を決定し、前述した環境要因のいくつかと戦う上で重要な役割を果たします。

機械的な衝撃や振動に対処するとともに、潜在的な電気的/熱的要因にも対応する簡単な方法の一つは、振動ダンパー付きのショックマウントを使用することです。以下に示されているダンパーは趣味グレードのものですが、クアッドコプタードローンに使用されているマウントと非常に似た構造をしています。

エンクロージャの設計や取り付けの他の側面では、対処する必要がある特定の環境要因を考慮する必要があります。高圧ガスの環境に対応するのと、高圧液体環境に使用される戦略は同じではありませんが、これらはどちらも圧力平衡に依存するエンクロージャレベルの解決策です。頑丈な電子機器の設計は、電気設計チームが機械チームと密接に連携する必要がある素晴らしい例であり、頑丈化戦略が電気要件と干渉しないようにする必要があります。

頑丈な電子機器に関する最終的な考察

耐久性のある電子機器に関して私が提供できる最後のアドバイスは、常に厳しい環境の全リストを含むシナリオでデバイスを展開するわけではないということです。したがって、耐久性のある電子機器を設計する最初のステップは、製品を損傷させる可能性のある特定の環境要因を考慮し、これらに焦点を当てることです。例えば、主な心配事が温度サイクリングである場合、酸化性ガスからの保護を設計することについて心配する必要はありません（ただし、この保護を副次的な利点として得ることはあります）。設計にとって重要なことに焦点を当てれば、コンパクトでコスト効果の高いものを生産することができます。

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