구멍 주위의 구리는 와셔가 아닙니다

논쟁을 공정하게 정리하면

첫 번째는 별개의 이유이고 타당한 이유입니다. 아래 내용은 이를 반박하지 않습니다. 나머지 둘은 모순처럼 보이지만 모순이 아닙니다. 서로 다른 두 양에 대해 말하고 있기 때문입니다. 그중 한 양은 계산으로 끝나므로 거기서 시작합니다.

하중 분산은 강성의 문제이고, 강성은 세제곱으로 움직입니다

와셔가 하중을 분산하는 것은 그 아래 재료가 항복하기 전에 머리에서 바깥쪽으로 힘을 전달할 만큼 굽힘 강성이 있기 때문입니다. 단위 폭당 굽힘 강성은 E × t³에 비례하며, 이 세제곱이 논쟁을 결정합니다. 약 117 GPa인 구리가 약 20 GPa인 1.6 mm 기판 위에 있다고 하면 다음과 같습니다.

따라서 거론된 특정 메커니즘, 즉 와셔처럼 하중을 분산하는 것에 관해서는 반박이 옳으며, 그것도 네 자릿수 차이로 옳습니다. 경험으로 뒤집을 수 있는 아슬아슬한 판정이 아닙니다. 세제곱의 문제입니다.

그 관찰이 실제로 가리키는 것

구리가 도움이 된다고 말한 사람은 굽힘 강성에 관한 실험을 설명한 것이 아닙니다. 패드가 없으면 나사 머리는 경화된 수지 위의 솔더 마스크에 닿습니다. 패드가 있으면 풀림 처리된 구리에 닿습니다. 머리가 조여질 때 어느 표면이 더 잘 견디는지는 하중 분산이 아니라 접촉과 표면의 문제이며, 둘 다 “기판이 손상된다”는 말로 끝나기 때문에 혼동됩니다.

어느 쪽으로든 인용할 만한 측정 결과를 찾지 못했습니다. 그래서 이 페이지는 패드가 도움이 된다고도, 도움이 되지 않는다고도 말하지 않습니다. 다만 글타래의 논쟁이 한 번도 같은 양을 두고 벌어진 적이 없었으며, 그래서 어느 쪽도 상대를 설득하지 못했다는 점은 말할 수 있습니다.

글타래에서 아무도 꺼내지 않은 숫자

나사가 적층판을 손상시킬까 걱정된다면 봐야 할 양은 머리가 실제로 닿는 면적입니다. 이 사이트가 다른 곳에서 쓰는 방법과 같이, 표준의 최소 자리면 지름과 ISO 273 볼트 구멍을 대조합니다.

M3 머리 전체가 닿는 면적은 약 11 mm²입니다. 체결 축력이 기판에 전달되는 접촉면은 이것이 전부이며, 그래서 와셔는 상황을 바꾸지만 동박은 바꿀 수 없습니다.

그리고 표준은 이미 제기된 질문에 답하고 있습니다. 평와셔 계열은 세 가지이며, 이 사이트가 앞서 설명했듯 대형 계열은 연한 재료와 큰 구멍을 위해 존재하고 호칭 지름의 약 3배에 이릅니다. 적층판은 연한 재료입니다. 도면에 어떤 와셔 계열을 적을 것인가는 답이 있는 결정이며, 그 답은 구리 면이 아닙니다.

기판에 적용하기 전에 덧붙일 두 가지

• 패드가 연결되어 있다면 다른 설계입니다. 접지된 패드를 지나 금속 스탠드오프로 들어가는 금속 나사는 장식이 아니라 의도된 경로이며, 물려받을 것이 아니라 그렇게 도면에 그려야 합니다. 절연 와셔가 전기적으로 무엇을 하는지, 두 거리 중 어느 것을 바꾸는지는 공간 거리가 아니라 연면 거리에서 다룹니다
• 와셔는 액세서리가 아니라 체결부의 변경입니다. 와셔를 하나 추가하면 체결 길이, 힘의 경로에 있는 표면, 마찰이 바뀌며, 사람들이 건너뛰는 것이 바로 이 부분입니다. 여기서는 와셔의 지름보다 재질과 경도 등급이 더 중요합니다. 사이에 끼인 부품보다 연한 와셔는 그냥 변형되고, 계산한 면적은 사라지기 때문입니다

체결 부품이 아니라 재료가 한계가 되는 연한 모재 문제의 일반형은 플라스틱용 나사에서 다루며, 위의 지압 면적에 쓴 방법은 머리는 생각보다 작습니다에서 자세히 설명합니다.

쓸 수 있는 와셔의 선택지는 보기보다 좁으며, 평와셔 표준 세 가지 중 와셔의 용도를 밝히는 것은 하나뿐입니다. 가장 넓은 계열은 가장 연하기도 하며 강도 등급 6.8을 넘는 용도로는 지정되어 있지 않습니다.

이 글은 3단계: 머리를 다룹니다. 전체 순서는 모재, 나사산, 머리, 구동부, 표면 처리, 문서이며, 순서를 바꾸면 재작업이 되는 이유는 영어 글 Specifying a screw에 설명되어 있습니다.

자주 묻는 질문

나사 구멍 주위의 구리가 PCB를 보호합니까?

흔히 주장되는 메커니즘인 하중 분산으로는 보호하지 못합니다. 굽힘 강성은 두께의 세제곱에 비례하므로 1.6 mm 기판 위의 35 µm 1온스 구리는 기판 굽힘 강성의 약 0.006%만 담당하며, 기판과 맞먹으려면 구리 두께가 약 0.9 mm여야 합니다. 머리가 수지 위 솔더 마스크가 아니라 구리에 닿는 것이 표면 손상에 차이를 만드는지는 별개의 질문이며, 이에 대해 인용할 만한 측정 결과는 찾지 못했습니다.

작은 나사 머리는 실제로 얼마의 면적에 닿습니까?

생각보다 작습니다. M3 머리의 표준 최소 자리면 지름 5.07 mm를 ISO 273 중간 등급 볼트 구멍 3.4 mm와 대조하면 지압 면적은 약 11 mm²입니다. 체결 축력이 기판에 전달되는 면은 이것이 전부이므로, 와셔를 추가하면 상황이 바뀌지만 동박을 추가해도 바뀌지 않습니다.

적층판 위 나사 아래에는 어떤 와셔를 써야 합니까?

평와셔는 바깥지름에 따라 세 계열이 있으며, 대형 계열은 연한 재료와 큰 구멍을 위해 존재하고 호칭 지름의 약 3배에 이릅니다. M3에서는 머리만 있을 때 지압 면적의 약 5배입니다. 치수가 아니라 표준 번호로 지정하고 재질과 경도 등급도 함께 지정하십시오. 주변 부품보다 연한 와셔는 변형되어 늘어난 면적을 도로 잃기 때문입니다.

그렇다면 구리를 남겨 둘 좋은 이유가 있습니까?

있습니다. 원래 글타래에서 가장 많은 추천을 받은 답변이 역학과 무관한 이유를 제시합니다. 구멍 위치를 표시한다는 것입니다. 패드가 플레인에 연결되어 있다면 나사와 스탠드오프를 통한 의도적인 전기 경로이기도 하며, 이는 기본값에서 물려받을 것이 아니라 도면에 그려야 할 설계 결정입니다. 어느 쪽도 하중 분산 주장은 아닙니다.

그 논쟁의 양쪽이 모두 옳게 들린 이유는 무엇입니까?

같은 양을 두고 다투지 않았기 때문입니다. 한쪽은 하중 분산, 즉 두께의 세제곱으로 결론이 나는 굽힘 강성의 문제를 말했습니다. 다른 쪽은 머리가 닿는 표면에서 일어나는 일, 즉 접촉의 문제를 말했습니다. 둘 다 “기판이 손상된다”는 문장으로 끝나므로, 어느 쪽도 자신의 메커니즘에 대해 틀리지 않은 채 논쟁이 이어질 수 있었습니다.

참고 자료

• ISO 14579:2011 — 헥사로뷸러 소켓 헤드 캡 스크루. 위에서 쓴 최소 자리면 지름의 출처인 표 1
• r/AskElectronics — 이 글의 출발점이 된 글타래. 와셔 주장, 반박, 이론 대 경험에 관한 답변 포함

강성 비교는 당사가 직접 한 계산이며, 탄성 계수 두 개와 두께 두 개로 다시 계산할 수 있습니다. 이 탄성 계수는 표준값이 아니라 대표값입니다. 구리는 약 117 GPa, 유리 에폭시 적층판은 면내 약 20 GPa이며, 적층판의 물성은 등급, 직조, 방향에 따라 크게 달라집니다. 그래도 결론은 흔들리지 않습니다. 비율이 네 자릿수 차이이므로, 결론이 바뀌려면 탄성 계수가 수천 배 틀려야 합니다. 구리 중량은 업계 관행이지 표준이 아닙니다. M3의 자리면 지름 5.07 mm는 ISO 14579 표 1에서 공개 미리보기로 읽은 값이며, 볼트 구멍 3.4 mm는 당사의 이전 페이지에 정리한 ISO 273 중간 등급입니다. 대형 와셔 계열의 수치는 근삿값입니다. 표에 실린 바깥지름이 아니라 이 계열을 호칭 지름의 약 3배로 설명한 문장에서 나온 값이며, 도면에는 이 추정값이 아니라 표준 번호를 적어야 합니다. 적층판의 강도, 압축 한계, 유리 전이 온도는 여기에 인용하지 않았습니다. 인용할 수 있는 출처가 없기 때문이며, 같은 이유로 이 페이지는 패드가 덮고 있는 표면을 보호하는지에 대해 입장을 취하지 않습니다.