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使用合適的外殼,保障電子專案的長期安全性與耐天候能力

作者:Patrick Mannion

資料提供者:Digi-Key 北美編輯群

對於許多 DIY 或原型專案設計人員來說,完成電子元件的佈局後,通常會等到最後階段才尋找合適的外殼。如果專案只是暫時用於室內的桌上或掛在牆上,這麼作還說得通。但是,如果專案是為了長時間用於戶外,很快就會在各種天氣因素下報廢,或因為有人不懷好意或單純好奇而刻意或無意地進行破壞。

若僅使用現有材料,要設計合適的外殼並不容易,而且雖然市面上現成的外殼可能符合堅固耐用的要求,但其尺寸可能不合適、容易被破壞且缺乏美感。若產品要裝在住宅或商業大樓的外部,上述最後兩個因素可能會造成問題。

對於放在戶外的小型電子產品外罩或外殼,最好的作法是選擇一系列符合 IP-68 等級的聚碳酸酯外殼,因為這類產品可以有效地密封電子產品,以防各種天氣因素的破壞。

本文將探討雨水、極端溫度與日光對電子系統及其外殼的影響;然後會探討 IP-68 保護的含義,並介紹 Hammond Manufacturing 的外殼及相關墊片,這些產品可符合物理與美觀上的要求。

為何電子產品外殼須具備環境防護功能

戶外使用的電子系統容易因冷、熱、濕度、直射陽光 (特別是紫外線 UV)、振動及實體破壞等因素而導致劣化,而且還會受到許多電氣與電磁雜訊源的影響。設計人員可以適當地設計電路、降低元件額定值,以及使用散熱片、風扇和大幅降低整體功耗等熱管理技巧,來處理極端溫度的問題。將 PC 板裝在振動隔離器上,即可因應振動問題;使用濾波器、扼流圈與適當的接地技巧,則可減少電氣與 RF 雜訊。

不過,濕氣與濕度的破壞力特別明顯。一旦濕氣侵入系統,濕度就會增加,導致冷凝效應,接著便會造成腐蝕。長時間下來,最終會導致半導體頓化層、焊點與實體連接處劣化。若還有灰塵與碎片等污染物在外殼封閉前侵入,則會加劇惡化。濕氣對元件的影響途徑有好幾種,包括電化學、電氣、陽極與陰極等方式。這些方式都會威脅電子產品的可靠度,有些影響比較細微,有些則相當明顯 (圖 1)。

濕氣與濕度對電子元件的影響示意圖圖 1:濕氣與濕度對電子元件、機板與互連元件造成的影響,長時間累積下來可能相當有害。(圖片來源:PCFixit.au)

若將環氧樹脂或凝膠塗在關鍵元件上,可以減輕受潮的影響。對於大量生產系統,在整片 PC 板上覆蓋厚度 20 至 50 µm 之間 (在極端情況下甚至可達 100 µm) 的共形塗層,也是很好的解決方案。但有些元件,如 DIP 開關、可變電阻與電池盒等,則不可使用這種塗層。況且,共形塗層可能無法完全覆蓋邊緣處 (邊緣塗佈不均),會導致走線與連接處腐蝕。

濕氣造成的完整效應,取決於高溫與相對濕度。針對戶外設備的濕氣與濕度測試,其完整準則收錄在 ETSI EN 300 019-1-4 V2.2.1 (2014-04) 「環境工程 (EE);電信設備的環境條件與環境測試;第 1-4 篇:環境條件分類;在無天候防護地點的固定式使用」標準

這對業餘愛好者而言是實用的測試指南,對專業人士來說,則是必備的知識。此標準將裝置可能面臨的各種狀況歸類成地震、衝擊、太陽輻射與溫度因素。另外,還將環境類別的因素細分為水、降雨、黴菌生長、動物攻擊 (即白蟻蟲害) 及大氣鹽度類別。此外,本標準也涵蓋與本文內容直接相關的正確定義,並強調濕度的重要性:

  • 絕對濕度:在空氣/水蒸氣混合氣體中,一立方公尺乾燥空氣中的水蒸氣質量 (克)。
  • 無天候防護地點:設備受天候因素直接影響且無防護的地點。
  • 相對濕度:在指定溫度下,潮濕空氣中的水蒸氣分壓,與相同溫度下飽和空氣中水蒸氣分壓之比。
  • 固定式使用:將設備穩固安裝在結構物或固定裝置上,或永久放在特定地點的使用方式。

不過,對設計人員來說,預防永遠勝於治療。此時就可靠國際防護 (IP) 等級 IP-68 發揮實力。

什麼是 IP-68?

IP-68 代碼亦稱為侵入防護等級,其源自 EN 60529 標準,會分配兩個數字碼,以指明對灰塵與濕氣的防護等級 (圖 2)。代碼的分配對固體物件 (如手指和手) 以及灰塵和水的侵入防護進行分類。目標在於針對含糊且主觀的用語 (如「防水」) 提供明確的定義。

IP 後的第一個數字與固體有關;第二個數字則與液體有關。因此,若是符合 IP-68 等級的系統,則表示系統具備完全的灰塵防護能力 (6),而且可以長時間耐受水柱衝擊或浸泡在指定水壓中 (8)。

IP 代碼以數字表明系統防護等級的表格圖 2:IP 代碼以數字表明系統的灰塵 (左) 與濕氣 (右) 防護等級。(圖片來源:focusondrives.com)

如何符合 IP-68 的要求

雖然 IP-68 外殼可以從頭開始設計,但是 Hammond Manufacturing 等公司已經打好基礎,實在沒有必要重起爐灶。其推出的 1557 系列外殼適用於嚴酷環境,採用 UV 穩定的聚碳酸酯材質進行設計,不僅符合 IP-68 要求,還兼顧美感,展現「現代感」外型以及黑色和淺灰的雙色「柔和」曲線 (圖 3)。

Hammond Manufacturing 的 1557 系列外殼圖片圖 3:1557 系列外殼兼顧 IP-68 要求與設計美感,更提供多種安裝選項。(圖片來源:Hammond Manufacturing)

1557 系列的耐燃等級為 UL94-5VA,並使用兩件式舌槽結構,搭配 UL 認證的耐高溫矽墊片 (型號 1557BGASKET),達到防塵、防油與防水特性 (圖 4)。

Hammond Manufacturing 的 1557BGASKET 墊片採用 UL 認證的矽材質製造示意圖圖 4:1557BGASKET 採用 UL 認證的矽材質製造,有助於 1557 外殼達到 IP-68 合規性。(圖片來源:Hammond Manufacturing)

然後,上蓋是以 M4 不鏽鋼機械螺絲固定,其型號為 SC576-50 (圖 5)。這類螺絲會鎖入抗腐蝕襯套中,可在設計的原型開發階段等情況下重複進行組裝及拆卸。

Hammond Manufacturing 的 SC576-50 型號 M4 機械螺絲圖片圖 5:SC576-50 型號的 M4 機械螺絲會緊緊鎖入抗腐蝕襯套中,因此能重複組裝及拆卸。(圖片來源:Hammond Manufacturing)

1557 系列具有多種尺寸,可符合多種應用要求,並提供多種安裝選項 (包括 PC 板),因此能靈活放置。其尺寸以四種基本的平面尺寸為基礎,每種尺寸有兩種高度。這些平面尺寸是:

  • 80 x 80 mm 平面,高度 45 mm 或 60 mm
  • 120 x 120 mm、160 x 160 mm 和 200 x 200 mm 平面,高度為 45 mm 或 70 mm

安裝選項如圖所示 (再次參閱圖 3):

  • 高負載型凸緣壁掛式安裝 (安裝底腳向外)
  • 平面壁掛式安裝 (安裝底腳當作鎖孔插槽)
  • 桌上型 (含橡膠底腳)

每個選項都有明確的側重點。高負載型壁掛式安裝型號有一組兩個或四個壁掛固定片,牢固地以螺絲鎖緊在外殼背面。固定片從外殼的邊緣突出,因此使用者能使用其自選的五金將外殼牢固地安裝在牆上。對於極為注重安全且永久固定安裝的應用來說,這是十分理想的選擇。

平面安裝式型號有相同的壁掛式固定片,但固定片會翻轉並安裝到外殼背面的空腔中。在此配置中,固定片會當作鎖孔插槽,可提供更優雅的平面安裝外觀。對於要將外殼臨時固定在牆上的應用,此配置也是理想的選擇。

每個外殼均包含四個黏性橡膠底腳,可在桌上型配置中使用。在此配置下,不會使用壁掛式固定片,而是在每個角上放置橡膠底腳。每個角都有一個適合橡膠底腳大小的內凹區域,以確保正確放置、維持較低的高度,並確保各底腳穩固就位。如有需要,可訂購更多橡膠底腳,型號為 1421T6CL

外殼隨附的配件包括液密性線夾/纜線接頭和立桿安裝套件。

結論

設計人員將大多的開發心力耗費在電子元件的設計上,可能低估了為戶外應用挑選合適外殼的重要性。若沒有適當的防護,在濕度、極端溫度、灰塵、油及其他污染物的交互影響下,設計產品的電氣與結構完整性便會受到破壞。

但是,這類外殼不容易設計。設計人員可以挑選符合 IP-68 要求的現成外殼,即可迅速推出能長時間在戶外使用的產品。

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關於作者

Patrick Mannion

自從踏入工程界以來,Patrick Mannion 已經分析電子產業超過 25 年,並且以情報評論為關注焦點,協助工程師控管風險、限制成本並達到最佳化設計。曾任 UBM Tech 電子集團的品牌總監兼副總裁,目前則提供自訂內容服務。

關於出版者

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