CN102648672A - 用于表面贴装振动敏感装置的减振和热隔离系统 - Google Patents

用于表面贴装振动敏感装置的减振和热隔离系统 Download PDF

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Abstract

发明的用于振动敏感表面贴装装置的减振系统包括具有导电纤维材料的弹性体材料，所述弹性体材料被设置在印刷电路板（PCB）和表面贴装装置之间。一旦被设置在所述PCB和所述表面贴装装置之间，所述弹性体材料、所述PCB和所述表面贴装装置就借助部件约束系统被压缩到一起，以在导电地附接到所述表面贴装装置和所述PCB的一个或更多个互连焊盘之间提供可靠的电连接。所述弹性体材料允许信号和电流在所述表面贴装装置和所述PCB之间流动而不使用任何附接的电线或导线，与此同时提供用于阻尼借助所述PCB或借助包围所述装置和所述弹性体材料的保护性部件约束系统能被传递到所述表面贴装装置的任何冲击或振动。

Description

用于表面贴装振动敏感装置的减振和热隔离系统
相关申请的交叉引用
本申请要求Karoly Becze等人于2009年11月12日提交的名为“A SHOCKDAMPING SYSTEM FOR A SURFACE MOUNTED VIBRATION SENSITIVEDEVICE”的美国临时专利申请No.61/260,591的权益，该申请以引用的方式并入到本文。
技术领域
本发明总体上涉及用于向表面贴装振动敏感装置提供减振系统的减振和/或振动阻尼设备，所述表面贴装振动敏感装置例如是待被设置在粗糙/高冲击/振动环境中的表面贴装温度控制晶体振荡器。
背景技术
表面贴装温度控制晶体振荡器（SMT-TCXO）是这样的电子电路，该电子电路利用压电材料制成的振荡晶体的机械谐振在宽环境温度范围内产生具有十分精确的频率的电信号。该频率源通常被用于向数字集成电路提供稳定的时钟信号并且使得用于无线电发射器和接收器等的频率稳定。一种最常见类型的压电谐振器是石英晶体。由于SMT-TCXO能够在宽温度范围内被使用，因此它们对于具有需要正时技术规格的应用（例如，用于测量的GNSS（全球导航卫星系统）应用等）而言是理想的。
这些应用可能需要在存在对SMT-TCXO高冲击的风险的环境下利用基于SMT-TCXO的GNSS接收器。例如，在正常使用测量杆设备期间，GNSS接收器在将配置有GNSS的测量杆设置在预定的测点处时能够接收冲击。晶体是机械谐振器。因此，这些晶体可能展示突然的相移，这不利地影响GNSS接收器和其他主回路的性能。除了晶体的极度敏感性之外，SMT-TCXO自身十分小，大约10mm。因此，寻找提供充分的减振特性并且与此同时提供连续电接触的系统已被证实是非常困难的。
在先前设计中，例如橡胶垫圈或垫片的隔振器/隔震器被设置在壳体和印刷电路板（PCB）之间，SMT-TCXO借助焊接工艺被直接贴装到该PCB上，以便吸收与使用该装置相关的振动/冲击的一些。然而，在该系统中，整个PCB被隔离，这使得PCB自身能够在振动/冲击事件期间实现相对于壳体的微小相对运动。因此这不是理想的，因为PCB和SMT-TCXO彼此直接接触。当PCB和SMT-TCXO彼此直接接触时，还难以控制从PCB到SMT-TCXO的热传递。如本领域技术人员已知的，热量能够不利地影响晶体的性能，该热量不能被容易地确定且因此不能基于环境温度的变化被补偿。当贴装有SMT-TCXO的PCB产生过量热量时，这种现象增加。
GNSS接收器跟踪环对于振荡器相变极端敏感。因此，仍存在对于这样的减振系统的需求，该减振系统能够吸收可能被传递到该装置的任何冲击并且同时保护SMT-TCXO免受来自PCB的热传递的影响。
发明内容
当前发明通过提供一种用于设置在粗糙的高冲击/振动环境中的表面贴装温度控制晶体振荡器（SMT-TCXO）的减振和热隔离系统同时提供稳定的电连接来克服现有技术的缺陷。具体地，具有被结合在其内的相对z轴导电纤维材料的弹性体材料能够被设置在印刷电路板（PCB）或其他电气互连的贴装基板与所述SMT-TCXO之间。所述弹性体材料尺寸确定并定位成横跨所述SMT-TCXO的整个底面，以完全保护所述SMT-TCXO使其不直接接触所述PCB。一旦所述弹性体材料被设置在所述PCB和所述SMT-TCXO之间，这些部件借助部件约束系统被压缩到一起。所述部件约束系统有利于附接到所述SMT-TCXO装置和所述弹性体材料的一侧的一个或更多个互连焊盘与附接到所述PCB和所述弹体体材料的相反侧的一个或更多个互连焊盘之间的可靠电连接，与此同时向所述SMT-TCXO提供保护使其免受振动影响，该振动否则会被传递到所述SMT-TCXO。于是，所述弹性体材料允许信号和电流经由所述z轴导电纤维在所述SMT-TCXO和所述PCB之间流动，从而消除对于附接电线或导线的需要，使得贴装所述SMT-TCXO不太复杂。
所述部件约束系统通过从该部件约束系统的合适尺寸内腔的顶侧向所述SMT-TCXO的与所述PCB相反的顶侧施加所需量的压力来将所述弹性体材料和所述SMT-TCXO形成的组件固定到该PCB。从所述内腔的与所述SMT-TCXO相对的顶侧提供的所述压力借助所述弹性体材料确保该SMT-TCXO的一个或更多个互连焊盘与所述PCB的一个或更多个互连焊盘之间的连续电接触。本发明的另选实施方式还在所述部件约束系统和所述SMT-TCXO之间设置附加或第二弹性体材料，以提供用于所述SMT-TCXO的附加阻尼以及防止损坏和振动/冲击从所述约束系统传递到该SMT-TCXO。然而，所述附加弹性体材料不必要向所述SMT-TCXO提供电连接，且因此该材料不必要包括导电纤维。
通过刚性地贴装PCB 120（即，不提供相对运动）并且隔离所述SMT-TCXO 110，能够最优传热通路实现为将所产生的热量借助传导而驱散通过所述PCB120并使其直接进入到所述壳体105中的主要方法。
同一减振系统出于相同理由能够被用于其他表面贴装装置和/或提供高频振动阻尼，否则该高频振动将不利地影响所述装置的性能。
附图说明
本发明的下述说明参考附图，在附图中：
图1是用于SMT-TCXO装置的冲击阻尼系统的说明性实施方式；
图2是能够有利地用于本发明的示例性弹性体材料的说明性实施方式；
图3是能够有利地用于本发明的示例性弹性体材料的说明性实施方式；
图4是用于SMT-TCXO装置的冲击阻尼系统的另选壳体的说明性实施方式。
具体实施方式
图1是用于振动敏感表面贴装的装置（例如，表面贴装温度控制晶体振荡器（SMT-TCXO））的减振系统的说明性实施方式。具体地，弹性体材料115具有由非导电区域分离的相对于z轴导电区域（在此，导电纤维），该弹性体材料115能够设置在印刷电路板（PCB）120或其他电气互连贴装基板与SMT-TCXO装置110之间。弹性体材料115尺寸确定并定位成横跨SMT-TCXO 110的整个底面，以完全保护SMT-TCXO 110不与PCB 120物理接触，并且以其他方式阻尼SMT-TCXO的能够由例如冲击引起的较大振动。一旦被设置在PCB 120和SMT-TCXO 110之间，所有的部件就都借助部件约束系统105被压缩在一起，以维持部件连接点110和PCB连接点125之间的对齐并且在导电地附接到SMT-TCXO 110的一个或更多个互连焊盘130与导电地附接到PCB 120的一个或更多个互连/接合焊盘125提供可靠的电连接。弹性体材料115允许信号和电流在SMT-TCXO 110和PCB 120之间流动而不使用任何附接的电线或导线，与此同时提供阻尼可能通过PCB传递到SMT-TCXO 110的任何冲击或振动的系统。此外，部件贴装被简化，因为弹性体材料仅是z轴导电的，且因此部件焊盘对齐约束变得容易。
如上所述，采用部件约束系统105以向SMT-TCXO 110的与PCB 120相反的顶侧145施加特定量的压力，使得在被固定到PCB 120时，实现弹性体材料115的所需压缩，以提供通过该弹性体材料的连续电接触。这种所需压缩是供应商特定的并且取决于被使用的弹性体材料的类型。为了向在SMT-TCXO 110和PCB 120之间的弹性体材料提供所需压缩，当弹性体材料处于期望压缩状态时，部件约束系统105的内腔（未示出）基本上尺寸确定成包围SMT-TCXO 110以及该弹性体材料。部件约束系统利用螺钉152固定到PCB 120，并且当螺栓被拧紧时从内腔的与SMT-TCXO 110相对的顶侧施加的压力基本上夹紧处于SMT-TCXO 110和PCB 120之间的弹性体材料115，由此提供弹性体材料115所需的压缩，以确保通过弹性体材料在SMT-TCXO上的一个或多个互连焊盘与PCB上的一个或多个互连焊盘之间的连续电接触。
具体地，在本发明中，内腔的合适尺寸与SMT-TCXO的尺寸（尤其是SMT-TCXO的厚度）直接相关。该腔尺寸确定成使得当部件约束系统就位并且固定到PCB 120时，内腔（未示出）的与SMT-TCXO相对的顶侧保持该SMT-TCXO以将该弹性体材料夹紧到期望的压缩状态。在本发明的一个实施方式中，内腔的厚度或高度通过应用下述公式被说明性地确定：
Hcavity=HTCXO+Hcomp
在该说明性公式中，HTCXO是SMT-TCXO 110的厚度，并且Hcomp是处于期望压缩状态的弹性体材料的厚度。处于期望压缩的弹性体材料的高度等于Hnom(1-D)，其中Hnom是弹性体材料115的标称高度并且D是弹性体材料的挠度百分比，所述挠度百分比例如通常在大约10-25%，这取决于所使用的弹性体材料类型。如果内腔高度根据上述计算来确定尺寸，那么压缩约束系统在被固定到PCB 120时将提供对齐以及所需压缩量，以用于在SMT-TCXO上的一个或更多个互连焊盘与所述PCB上的一个或更多个互连焊盘之间的连续电接触。
在本发明的另选实施方式中，还可在部件约束系统105和SMT-TCXO 110之间和/或沿x轴和y轴在SMT-TCXO的每侧上设置附加弹性体材料109。该可选的附加弹性体材料不必要向全部装置提供任何导电用途，并且可能但不需要包含导电纤维。包括可选的材料向SMT-TCXO 110提供附加的阻尼和对齐，由此允许甚至进一步保护该装置例如免受借助部件约束系统105传递的振动的影响。在本发明的该实施方式中，内腔的高度通过应用下述公式来说明性地确定：
Hcavity=HTCXO+Hnom conn(1-D1)+Hnom layer(1-D2)
在上述说明性公式中，Hnom conn是导电弹性体层115的标称高度，Hnom layer是非导电层109的标称高度。此外，D1是导电弹性体材料115的挠度百分比，而D2是附加材料109的挠度百分比。虽然附加材料109能够是与115相同的弹性体材料，但是该附加材料109还可以是具有相同吸收性质的任何其他材料。然而，该材料不必要与导电弹性体材料115具有相同的硬度、厚度或导电性质。
说明性地，两个或更多个螺钉被拧紧穿过壳体105中的两个或更多个孔155并进入到PCB 120中的对应孔155中以将壳体固定到位，与此同时压缩弹性体材料。然而，在另选实施方式中，能够使用粘合剂或任何其他固定设备（例如，直接焊剂）将部件约束系统105附接到PCB 120。此外，虽然上述本发明将弹性体材料105描述为z轴纤维导电材料，但是还能够使用弹性体材料的其他变型。图2至图3示出了能够有利地结合本发明使用的弹性体材料105的示例性另选实施方式。具体地，图2和图3另选地示出了利用这样的示例性组合弹性体材料，该组合弹性体材料具有材料的导电的选择部分206、306以及材料的非导电的其他部分208、308。
弹性体材料205例示了能够有利地代替图1的系统中的弹性体材料105而使用的一种材料。材料205由本领域技术人员已知为“斑马条”的交替的导电条和非导电条制造。在组装该系统时，材料205被定位成使得导电的一个或多个条206与互联焊盘130和125对齐。如上所述，导电条和焊盘的对齐不需要是精确的，因为导电条被设置在非导电条208之间。
另选地，图3的组合材料305被选择性地模制，以匹配互连焊盘125和130的布置，使得导电材料306在焊盘之间延伸，并且非导电材料308围绕导电材料。
虽然上述说明性实施方式利用附接的安装托架和螺钉以将部件约束系统105固定到PCB 120，但是另选的实施方式能够利用粘合剂或任何其他固定设备（例如，直接焊剂）将部件约束系统105附接到PCB 120。例如，图4示出了本发明的另选实施方式，其中螺钉152和孔155被扭转凸片452取代。减振系统400利用扭转凸片452，所述扭转凸片滑入PCB 420的槽451中并接着在槽451的位于SMT TXCO 410相反的一侧422上的边缘上紧密地扭转90度，由此将部件约束系统405固定到位，与此同时将弹性体材料409和/或410抵靠互连焊盘425和430压缩。有利地，该实施方式允许用户快速地移除部件约束系统405，例如以更换上述减振系统的各个部件。
有利地，本发明吸收被传递到SMT-TCXO装置的高冲击和振动，与此同时减轻在SMT-TCXO装置受到过度冲击和振动的情况下与从SMT-TCXO到互连基板或PCB的信号和电流的对齐和中断相关的关系。例如，上述部件约束系统对齐并约束弹性体材料，使得该材料不会在SMT-TCXO 110和PCB 120的导电焊盘130和125之间移动，即使在该装置受外力冲击时也是如此。因此，该装置向用户提供一种对于例如测量环境而言理想的抗粗糙冲击装置。此外，通过刚性地贴装PCB 120（即，不提供相对运动）并且隔离SMT-TCXO 110，能够将最优传热通路实现为将所产生的热量借助传导而驱散通过PCB 120并使其直接进入到壳体105中的主要方法。
本发明的说明性实施方式能够在GNSS接收器中实施，该GNSS接收器被安装在测量杆上，该测量杆经受在单个方向上的冲击力。当携载该杆的测量员塞住测量杆进入到地面的末端时产生冲击力，这可能撞击石块或其他坚硬表面。该冲击沿该杆的长度向上传播到GNSS电子设备的包含振动敏感部件（例如，SMT TXCO 110）的位置。说明性地，PCB 120、弹性体材料115、SMT TCXO 110和部件约束系统105被设置成使得冲击方向经过z轴，且因此经过弹性体材料115到达SMT TCXO 110。换言之，PCB相对于杆的竖直轴线被水平地贴装。在该构造中，弹性体材料105仅需要被设置在SMT TCXO 110下面，因为不能预期来自任何其他方向的冲击。
在其他高振动环境中，例如直升机的情况下，能够预期来自各个方向的高振动和冲击波。在这些环境下，振动敏感元件必须由可压缩的防振材料从所有侧面进行保护。因此，弹性体材料能够被设置在振动敏感部件（例如SMT TCXO）之间并且被设置在预期冲击波的传入方向上。
此外，虽然本发明被描述成在SMT-TCXO中实施，但是本发明还可有利地应用于受振动不利地影响的任何振动敏感装置（例如，惯性传感器、回转仪和加速计等）中。
前述说明已经涉及本发明的具体实施方式。然而将显而易见的是，在获得所述实施方式的一些优势或全部优势的情况下，能够对所述实施方式进行其他变化和修改。例如，明确地构想到的是，本文所述的组件、系统和材料能够以各种形式被实施。此外，在另选的实施方式中，可选第二弹性体层109能够提供导电用途。因此，图1仅作为示例被提供并且应当被认为绝不限制要求保护的本发明。因此，本说明被认为是举例说明的并且不被认为限制本发明的范围。

Claims (20)

1.一种用于表面贴装装置的减振系统，该减振系统包括：
被附接到所述表面贴装装置的一个或更多个互连焊盘以及被附接到电气互连的贴装基板的一个或更多个互连焊盘；
弹性体材料，所述弹性体材料具有被结合在其内的多个导电区域以及设置在所述导电区域之间的非导电区域，所述导电区域允许电流流过所述弹性体材料，所述弹性体材料被设置在所述电气互连的贴装基板与所述表面贴装装置之间；以及
部件约束系统，所述部件约束系统构造成包围所述表面贴装装置和所述弹性体材料并且压缩在所述电气互连的贴装基板与所述表面贴装装置之间的所述弹性体材料，以在被附接到所述表面贴装装置的所述一个或更多个互连焊盘与被附接到所述电气互连的贴装基板的所述一个或更多个互连焊盘之间提供可靠的电连接。
2.根据权利要求1所述的减振系统，其中，所述部件约束系统通过向所述表面贴装装置的与所述电气互连的贴装基板相反的顶侧施加所需量的压力来将所述弹性体材料和所述表面贴装装置形成的组件固定到所述电气互连的贴装基板。
3.根据权利要求2所述的减振系统，其中，所需压缩确保所述表面贴装装置的所述一个或更多个互连焊盘与所述电气互连的贴装基板的所述一个或更多个互连焊盘之间的连续电接触，借助将所述部件约束系统的内腔尺寸确定成使得所述内腔的高度等于所述表面贴装装置的高度加上所述弹性体材料的压缩后的高度，来实现所述所需压缩。
4.根据权利要求1所述的减振系统，该减振系统还包括第二弹性体材料，所述第二弹性体材料被设置在所述部件约束系统与所述表面贴装装置之间。
5.根据权利要求1所述的减振系统，其中，所述表面贴装装置是温度控制晶体振荡器。
6.根据权利要求1所述的减振系统，其中，所述表面贴装装置是振动敏感装置。
7.根据权利要求1所述的减振系统，其中，所述电气互连的贴装基板是印刷电路板。
8.根据权利要求1所述的减振系统，其中，通过如下操作来向所述部件约束系统提供压缩：确定所述部件约束系统的内腔尺寸、利用所述部件约束系统的所述内腔来包围所述表面贴装装置和所述弹性体材料以及利用两个或更多个螺钉将一壳体固定到所述印刷电路板，所述固定将所述表面贴装装置有效地夹紧到所述弹性体材料和所述电气互连的贴装基板。
9.根据权利要求1所述的减振系统，其中，所述导电区域是z轴导电纤维，并且所述弹性体材料借助z轴纤维来传导电流。
10.根据权利要求1所述的减振系统，其中，所述导电区域是所述弹性体材料的作为导电条的部分，并且所述弹性体材料借助所述导电部分来传导电流。
11.根据权利要求10所述的减振系统，其中，所述弹性体材料包括交替的导电条和非导电条。
12.根据权利要求11所述的减振系统，其中，在所述部件约束系统就位之前，所述弹性体材料被定位成使得所述导电条与在所述表面贴装装置上的所述一个或更多个互连焊盘以及在所述电气互连的贴装基板上的所述一个或更多个互连焊盘对齐。
13.根据权利要求10所述的减振系统，其中，所述弹性体材料的所述导电部分被选择性地设置成分别与所述PCB上的所述互连焊盘以及所述表面贴装装置上的所述互连焊盘对应，使得所述导电部分与所述表面贴装装置的所述一个或更多个互连焊盘以及所述电气互连的贴装基板的所述一个或更多个互连焊盘处于相同的位置。
14.一种方法，所述方法包括：
将弹性体材料定位在表面贴装装置和电气互连的贴装基板之间，所述弹性体材料具有被结合在其内的多个导电区域，其中，所述表面贴装装置和所述印刷电路板均附接到一个或多个互连焊盘；
利用部件约束系统将所述电气互连的贴装基板、所述弹性体材料和所述表面贴装装置压缩到一起，以有利于附接到所述表面贴装装置的所述一个或更多个互连焊盘和附接到所述电气互连的贴装基板的所述一个或更多个互连焊盘之间的可靠电连接；以及
借助所述弹性体材料在所述表面贴装装置与所述电气互连的贴装基板之间传导电流和信号。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述压缩还包括向所述表面贴装装置的与所述电气互连的贴装基板相反的顶侧施加所需量的压力。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所需压缩确保所述表面贴装装置的所述一个或更多个互连焊盘与所述电气互连的贴装基板的所述一个或更多个互连焊盘之间的连续接触，通过将所述约束系统腔的尺寸正确地确定成所述弹性体材料的必要压缩来确定所述所需压缩。
17.根据权利要求14所述的方法，所述方法还包括在所述部件约束系统与所述表面贴装装置之间设置附加弹性体材料，所述附加弹性体材料是导电的。
18.根据权利要求14所述的方法，其中，所述压缩还包括利用两个或更多个扭转凸片将壳体以螺栓连接方式固定到所述印刷电路板，所述固定将所述表面贴装装置夹紧到所述弹性体材料和所述电气互连的贴装基板。
19.根据权利要求14所述的方法，其中，所述导电还包括借助所述弹性体材料中的z轴纤维来通过该弹性体材料传导电流和信号。
20.根据权利要求14所述的方法，其中，所述弹性体材料包括交替的导电条和非导电条，所述传导电条与所述表面贴装装置上的所述一个或更多个互连焊盘以及所述电气互连的贴装基板上的所述一个或更多个互连焊盘对齐。
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