CN107770995B

CN107770995B - 用于高振动中的印刷电路板支撑件的框架

Info

Publication number: CN107770995B
Application number: CN201710526875.9A
Authority: CN
Inventors: J·M·汗尼希
Original assignee: Woodward Inc
Current assignee: Woodward Inc
Priority date: 2016-08-22
Filing date: 2017-06-30
Publication date: 2020-10-23
Anticipated expiration: 2037-06-30
Also published as: US20180054912A1; US10561039B2; CN107770995A; EP3288351A1

Abstract

提供一种用于缓冲印刷电路板(PCB)组件中的振动的框架。该框架包括：基板，其具有第一表面和第二表面；以及多个脊部，其从第一和第二表面中的至少一者伸出。脊部限定凹部，并且凹部中的至少一个构造成容纳PCB组件中的PCB的电子器件。还提供一种包括PCB和上述框架的PCB组件。

Description

用于高振动中的印刷电路板支撑件的框架

技术领域

本发明总体上涉及用于振动缓冲的装置，更具体地涉及用于在工业设施中缓冲电气设备中的振动的装置。

背景技术

电子系统中与振动相关的故障典型地是由高加速度水平、高应力水平和大位移振幅引起的。典型地，在电子组件中，印刷电路板(PCB)直接安装至电子组件的壳体，由此节省成本和零件数量。然而，这样允许从壳体至PCB的振动能量的直接传递。PCB处的高加速度水平是被从周围环境直接传递的能量水平驱动的。然后，这些水平被PCB共振和传递率以及无支撑的大和/或高质量的器件放大。在这种条件下，由于发动机上的电子设备的PCB共振的原因，20g RMS输入可能被放大至90g。PCB和器件处的应力水平随着振动水平成比例地提高。大位移振幅与无支撑的PCB跨度的共振直接相关。大位移典型地导致PCB上的电子器件安装处以及PCB安装至壳体的位置处的应力水平更高。

PCB的传递率(即，输出加速度与输入加速度激励的比率)通常是非常高的。典型地，传递率在20至80的量级上，表明传递率是由安装在PCB上的器件中的振动导致的故障的主要原因之一。图7描绘了常规PCB组件100。可以看出，两个PCB 102架设在底座104上。紧固件106将PCB 102附接至底座104上的托架108。这样，PCB 102直接附接至底座104，因此，振动从发动机通过底座104直接传递至PCB 102。

已经进行了各种尝试来减少振动向PCB传递。例如，一些现有方法使用灌封材料或复杂的机械组件来提供PCB支撑和/或缓冲。当灌封材料被使用在较大容积中或者被使用在容积捕留设计(volumetrically captive design)中时，材料之间的热膨胀的匹配系数产生问题，从而由于温度变化导致机械应力的引入。关于现有机械组件，活动部件随着时间而趋于磨损并产生干扰电子设备操作的金属粉尘。其他现有方法包括利用使PCB“漂浮”的垫片来将它们与壳体隔离。这些垫片可能显著增加组件的成本。另外，一些现有设计使用穿过紧邻着敏感器件的PCB的布线，以便为那些器件提供局部应变消除。

总体上，现有方法存在以下缺点中的一个或更多。一些方法需要手动操作的机加工来进行部件的定制成型以便符合PCB几何构型，这是劳动密集的、难以大量生产的并且耗时的。使用具有高热膨胀系数的灌封材料可能导致PCB组件存在上述问题。在电子组件中使用模切的或定制的泡沫部件通常是昂贵的。层压材料趋向于将器件应用限制在PCB的一侧并且/或者改变工业标准制造过程。一些方法需要非传统的PCB布线/孔，这对于布局而言是困难的，并且，具有活动部件或预加载键的机械组件可能在产品的使用寿命终止之前失效。

因此，如下装置将会是期望的：该装置减少或缓冲(特别是安装在工业设施中的组件中的)PCB组件中的振动，并且不包括与其他现有方法相同的缺点。本发明的实施例提供这种用于PCB组件的振动缓冲装置。根据本文提供的本发明的描述，本发明的这些和其他优点以及附加的创造性特征将会是显而易见的。

发明内容

一方面，提供了用于缓冲印刷电路板(PCB)组件中的振动的框架的实施例。在这种实施例中，框架包括：基板，其具有第一表面和第二表面；以及多个脊部，其从第一和第二表面中的至少一者伸出。多个脊部限定一个或更多凹部。一个或更多凹部中的至少一个构造成容纳PCB组件中的PCB的一个或更多电子器件。

另一方面，提供了印刷电路板(PCB)组件的实施例。PCB组件包括至少一个PCB以及框架。至少一个PCB中的每一个包括一个或更多电子器件。框架包括：基板，其具有第一表面和第二表面；以及多个脊部，其从第一和第二表面中的至少一者伸出。多个脊部限定一个或更多凹部，并且一个或更多凹部中的至少一个构造成容纳面向框架的至少一个PCB的表面上的至少一个PCB的电子器件。

根据以下结合附图给出的详细描述，本发明的其他方面、目的和优点将变得更加显而易见。

附图说明

附图并入并形成说明书的一部分，示出本发明的若干方面，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中：

图1是根据示例性实施例的包括振动缓冲框架的PCB组件的横截面图；

图2是根据示例性实施例的PCB组件的横截面图，该PCB组件包括位于PCB与框架之间的界面处的弹性材料；

图3是根据示例性实施例的图2中的PCB组件的PCB和框架之间的界面的详细视图；

图4是根据示例性实施例的PCB组件的分解视图，图中描绘了PCB和框架的附接情况；

图5是根据示例性实施例的PCB组件和底座安装架的分解视图；

图6描绘了根据示例性实施例的PCB组件的实施例的等轴测视图，该PCB组件包括穿过脊部的空气通道；并且

图7是PCB组件的现有技术示意图，其中，PCB直接安装至底座。

虽然将结合某些优选实施例来描述本发明，但不意图将其限制为那些实施例。相反地，意图涵盖包括在如随附的权利要求书所限定的本发明的精神和范围内的全部替代方案、修改方案和等同方案。

具体实施方式

提供了用于支撑印刷电路板(PCB)的框架的实施例。框架可以整合到PCB组件中，以减少振动和机械冲击从底座安装架向PCB的传递。在实施例中，框架增大了PCB组件中的PCB的共振频率，减小了PCB处的峰值剪切应变，并且/或者减小了PCB的峰值挠度。因此，用于支撑PCB的框架的实施例能够减少安装至承受工业级振动的基板的电子组件中的随机振动故障的发生。基于以下公开内容，本领域的普通技术人员将会认识到这些和其他优点。虽然实施例可能是在特定环境或特定应用中被描述的，但本领域的普通技术人员将很容易地意识到，用于支撑PCB的框架可以用于其他环境或应用中。

图1描绘了PCB组件10，该PCB组件包括安装至框架14的上PCB 12和下PCB 13。在示出的实施例中，PCB组件10利用托架17安装至底座16。底座16可以附接到或支撑在例如电组件(未示出)的壳体上，或者底座16可以是电组件本身的壳体的壁。在所公开的实施例的应用中，包括PCB组件10的电组件附接至发动机(未示出)或安装架(未示出)，该安装架支撑或者机械地附接至发动机。此外，例如，电子组件还可以是发动机的进气、排气、冷却或燃料输送管道上的阀门的一部分或者安装在该阀门处的致动器组件的一部分。因此，电组件趋于承受如下振动：该振动由于发动机运转而产生，其从发动机(例如通过安装架)传递至电组件。

在PCB组件中，每个PCB 12、13具有上表面和下表面(‘上’和‘下’是相对于图1所示的PCB的定向而言的)。PCB 12、13包括多个通孔或过孔(未示出)，电子器件22可以安装、焊接或以其他方式附接至上述通孔或过孔中。通孔或过孔之间的电连接提供PCB 12、13的电子器件22之间的电连通。电连接典型地是在PCB 12、13的层中制作的铜路径。铜路径可以铺设在PCB 12、13的不同水平处，从而多条不同的路径可以被限定并且彼此电绝缘。

各种电子器件22可以安装至PCB 12、13，包括电阻器、电位计、电容器、电感器、晶体/振荡器、变压器、电池、保险丝、二极管、晶体管、桥式整流器、集成电路等。此外，例如通过将PCB 12、13连接起来的电线或缆线，可以在上PCB 12与下PCB 13之间进行电连接。如图1所示，电子器件22可以并且典型地具有相对于彼此不同的多种高度。仍然如图1所示，上PCB 12在其上表面上包括多个端子24(例如弹簧笼端子)以及离散电线，用以提供与其他PCB、电组件、控制器、用户接口等的电连通。

如所论述的，图1描绘了上PCB 12和下PCB 13，框架14位于这两个PCB之间。下PCB13的上表面和上PCB 12的下表面指向框架14。框架14包括大致平坦的基板26，该基板具有上表面28和下表面30。多个脊部32从上表面28和下表面30横向地伸出。然而，在其他实施例中，脊部32可以仅从单一表面(即，上表面28或下表面30中的仅一者)伸出。框架14优选非导电材料制成，使得PCB 12、13可以密集地承载电子器件22，而不会由于包括框架14而承受电干扰。在实施例中，框架14由塑性材料制成，更优选地由玻璃填充的塑性材料制成。在具体的实施例中，框架14由玻璃填充的聚酰胺制成。在更具体的实施例中，框架由25％玻璃填充的聚酰胺6/6制成。另外，在优选实施例中，框架14是注塑成型件。使用注塑成型法增强了框架14的再现性，这是因为可以为特定的框架14构造制作模具。

另外，如图1所示，脊部32可以从上表面28伸出高度h，高度h与从下表面30伸出的高度h’不同；然而，在实施例中，高度h可以等于高度h’。脊部32限定多个凹部34。凹部34被设计成容纳从下PCB 13的上表面以及上PCB 12的下表面伸出的电子器件22。横贯框架14的每个表面28、30，由脊部限定的凹部34的形状可以是相同的或不同的，即，凹部34可以包括各种矩形、正方形、三角形或其他多边形或弓形形状。通常，将会基于凹部34被设计来容纳的器件的形状和尺寸来选择凹部34的形状和尺寸。

如图1所示，从基板26的上表面28伸出的脊部32具有相同的高度h，并且从基板26的下表面30伸出的全部脊部28具有相同的高度h’。然而，在其他实施例中，基板26可以是层叠式结构，使得横贯整个上表面28和下表面30脊部32的高度h、h’可以不同。通常，因为凹部34被设计成容纳电子器件22，所以脊部32的高度h或h’会被选择成与安装至面向框架14的PCB 12、13的表面的最高的电子器件22匹配。

框架14和PCB 12、13呈紧密的空间关系，从而在脊部32靠近PCB 12、13的位置和/或电子器件22靠近框架14的位置形成多个界面。如图2所示，下PCB 13的上表面与从框架14的基板26的下表面30伸出的脊部32的峰形成第一界面36。此外，上PCB 12的下表面与从框架14的基板26的上表面28伸出的脊部32的峰形成第二界面38。在框架14的基板26的下表面30与安装在下PCB 13的上表面上的电子器件22的顶部之间形成第三界面40。在框架14的基板26的上表面28与安装在上PCB 12的下表面上的电子器件22之间还可以形成第四界面，但在图中所示的实施例中，没有电子器件22充分地靠近基板26的上表面28以形成这样的界面；然而，可以基于用于上PCB 12的电子器件22的选择并基于脊部32的高度h来制作第四界面。

因为框架14与一个或更多电子器件22可能存在接触(类似于第三界面40或可能的第四界面的情况)，所以框架14优选地能够适当地导热(例如大于0.2W/mK)并且可以起到用于电子器件22的具有中等散热性的散热器的作用。在电子器件22具有间歇性瞬态热峰值的情况下，可以将例如铜或铝板、条带、网状物等散热器(未示出)模制到框架14中，以便热量从电子器件22传导出去。

图3提供了界面36、38、40的放大图。在实施例中，界面36、38、40是使用弹性材料制作的。优选地，弹性材料是不导电的，从而特别是当与非导电的框架14结合起来使用时，PCB12、13可以密集地承载电子器件22，而弹性材料不会引起电干扰。在优选实施例中，弹性材料是室温硫化(RTV)硅橡胶。在另一个优选实施例中，弹性材料是导热间隙填料，例如Berquist Liqui

SA 3505(明尼苏达州昌哈森市的Henkel ElectronicsMaterials，LLC)。弹性材料在上PCB 12与框架14之间、在框架14与下PCB 13之间、以及在电子器件22与框架14之间提供柔性连接。另外，使用弹性材料制作界面36、38、40允许在制造部件过程中的更大公差，以应对框架14的脊部32的高度与PCB 12、13上最高的电子器件22之间的差异。在实施例中，公差最大为+/-0.005″，即，弹性材料可以填充在界面36、38、40中的最大为+/-0.005″的间隙中。在优选实施例中，上述公差可以最大为+/-0.010″。优选地，上述公差保持低于+/-0.010″，以减小电子器件22与框架14之间的热阻。另外，有利地，弹性材料可以利用自动分配系统沉积在框架14的脊部32上、PCB 12及13的电子器件22上、和/或PCB 12及13本身上。

结合弹性材料，还可以使用如图4所示的多个紧固件42将PCB 12、13和框架14保持在一起。如图4所示，紧固件42位于上PCB 12和下PCB 13的四个角部中的每一个角部处。通孔44设置在上和下PCB 12、13的角部处，使得紧固件42可以贯穿上和下PCB 12、13而插入设置在框架14中的插口46中。紧固件42可以以多种适当的方式与插口46配合，这些方式包括螺纹附接、摩擦接合、卡扣配合等。在其他实施例中，紧固件42、通孔44和插口46可以设置为更多或更少的数量，或者设置在PCB 12、13和框架14上的不同位置。

如本发明中论述的，PCB组件10总体上包括PCB 12、13和框架14。一旦这些器件利用弹性材料和/或紧固件42固定在一起，PCB组件10就可以安装至如图5所示的底座16。如图5所示，PCB组件10通过框架14附接至底座16。具体地说，框架14具有至少一个包括凸缘48的侧面。在图5的实施例中，框架14是矩形的，具有四个侧面，在框架14的两个相反的侧面上具有凸缘48。凸缘48利用与托架17接合的紧固件50固定至底座16。紧固件50贯穿凸缘48中的一个或更多开口52。在优选实施例中，开口52设置有增强肋板(span)54。如下文更充分地论述的，增强肋板54的尺寸、形状、间距和厚度可以改变；如图5所示，增强肋板54呈三角形的形状。

在常规PCB组件100(例如图7所示)中，PCB 102直接附接至底座104的托架108，与此相比，所公开的实施例的PCB组件10(如图1中最清楚地示出的)利用框架14安装至底座16。这样，振动从底座16不直接传递至PCB 12、13。这样，框架14为通过底座16传递来的振动提供缓冲。如上文提及的，增强肋板54可以改变尺寸、形状、间距和厚度，以便调节从底座16通过框架14传递来的振动的水平。另外有利地，肋板54可以被调节成与PCB 12、13的共振频率相比显著不同的共振频率，使得通过安装肋板54传来的能量不与PCB 12、13的共振频率耦合。

本文公开的PCB组件10的实施例提供优于(over)常规PCB组件(例如图7所示的PCB组件100)的若干有利特性。例如，常规PCB组件100中的PCB 102具有大约250Hz至300Hz的共振频率。例如图1所示的PCB组件10使PCB 12、13的共振频率增大至少50％。在特定实施例中，PCB组件10使上述共振频率增大至少90％；并且在某些实施例中，PCB组件10使上述共振频率增大多达130％。

例如图1所示的PCB组件10的实施例还减小了PCB 12、13处的峰值剪切应变。对于典型工业应用而言，PCB剪切应变在0.010in/in的量级上。PCB组件10可以使PCB处的峰值剪切应变减小至少50％，并且在一些情况下减小多达70％。此外，框架14有可能在PCB 12、13的区域上提供更多的低应变凹穴(pocket)。操作中的PCB 12、13处的应变水平可能限制敏感器件的置放并且影响布局的效率和/或密度，使PCB占用更大空间。因此，与常规PCB组件100(图7)相比，降低应变水平为敏感器件的置放提供了更多选择，同时也保留了用于放置电子器件22的可用板空间。因此，电子器件22布局的灵活性增强，同时PCB 12、13的占用区或尺寸可以减小。

例如图1的PCB组件10还减小了PCB 12、13的峰值挠度。在典型随机工业振动水平下的典型工业设施中，例如PCB组件100(图7)等常规PCB组件将承受大约0.030″的峰值挠度。在例如图1所示的PCB组件10的实施例中，框架14可以使峰值挠度减小至少50％(即，峰值挠度为0.015″)，并且在一些情况下使峰值挠度减小多达70％(即，峰值挠度小于0.010″)。

在图6所示的框架14’的另一个实施例中，贯穿脊部32中的一个或更多设置冷却通道(由虚线56表示)。这样，在由脊部32’限定的凹部34’之间提供流体连通。如图6所示，横贯框架14’的一个表面设置单一冷却通道56；然而，横贯相同的表面可以设置在多个方向上并连接多个凹部34’的附加冷却通道56。此外，还可以横贯框架14’的相反表面设置冷却通道56。这样，例如空气等冷却剂可以流过框架14’，以便冷却容纳在凹部34’中的电子器件(未示出)。此外，冷却通道56可以被容纳有冷却流体的管或回路(未示出)填充，从而随着冷却流体流经管或回路，冷却流体将热量从凹部34’热传导出去。因此，框架14’的这个实施例提供了许多与前述实施例相同的振动缓冲优点，同时还提供了如下附加优点：冷却容纳在框架14’的凹部34’内的电子器件。

本文引用的全部参考资料(包括公开文献、专利申请和专利)都通过引用的方式并入本文中，就如同单独地并且特别地指出每项参考资料以引用的方式并入本文中。

在描述本发明的主题的语境中(特别是在随附的权利要求书的语境中)，术语“一”、“一个”和“所述”以及类似的所指物应该被理解为涵盖单数和复数的情况，除非文中另有说明或者与语境明显地抵触。术语“包含”、“具有”、“包括”和“含有”应该被理解为开放性的术语(即，意思是“包括但不限于”)，除非另有说明。本文记载的数值的范围仅意图用作单独地引述落入该范围内的各个独立的数值的简化方式，除非文中另有说明，而且每个独立的数值就如同被单独地记载在本文中那样并入说明书中。能够以任何适当的顺序执行本文描述的全部方法，除非文中另有说明或者与语境明显地抵触。文中使用的任何或全部实例、或示例性语言(例如，“例如”)都仅是为了阐述本申请的主题，而不意图限制主题的范围，除非另有要求。说明书中的语句都不应被理解为暗示了作为实施本文描述的主题的必要因素的任何未要求的要素。

本文描述了本申请的主题的优选实施例，包括发明人已知的用于实施本发明的最优模式。对本领域的技术人员而言，在阅读了以上说明之后，这些优选实施例的多种变型可能变得显而易见。发明人期待技术人员适当地采用这些变型，并且发明人意在实施本文描述的主题，而不是本文描述的具体细节。因此，在适用的法律允许的情况下，本文包括随附的权利要求书中记载的主题的全部变型和等同物。此外，上述要素以它们全部可能的变化方式形成的任意组合都被涵盖在本文的范围内，除非文中另有说明或者与语境明显地抵触。

Claims

1.一种印刷电路板组件，包括：

至少一个印刷电路板，所述至少一个印刷电路板中的每一个包括一个或更多电子器件；以及

框架和将印刷电路板和框架保持在一起的多个紧固件，所述框架构造成对传递至所述印刷电路板的振动进行缓冲，其中，所述框架包括：

基板，其具有第一表面和第二表面；以及

多个脊部，其从所述第一和第二表面中的至少一者伸出，所述多个脊部限定一个或更多凹部；

其中，所述一个或更多凹部中的至少一个构造成容纳面向所述框架的所述至少一个印刷电路板的表面上的所述至少一个印刷电路板的电子器件，

其中，所述印刷电路板组件利用所述框架附接至底座，使得所述至少一个印刷电路板不与所述底座直接接触。

2.根据权利要求1所述的印刷电路板组件，其中，所述基板是平坦的。

3.根据权利要求1所述的印刷电路板组件，其中，所述基板是层叠式结构。

4.根据权利要求1所述的印刷电路板组件，其中，所述多个脊部从所述第一和第二表面两者伸出。

5.根据权利要求4所述的印刷电路板组件，其中，所述第一表面上的脊部和所述第二表面上的脊部具有不同的高度。

6.根据权利要求4所述的印刷电路板组件，其中，所述第一表面上的脊部和所述第二表面上的脊部具有相同的高度。

7.根据权利要求1所述的印刷电路板组件，其中，所述多个脊部具有如下高度：所述高度在被容纳的所述印刷电路板的最高的电子器件的高度的+/-0.010英寸内。

8.根据权利要求1所述的印刷电路板组件，其中，所述框架是注塑成型的。

9.根据权利要求1所述的印刷电路板组件，其中，所述框架由玻璃填充的塑性材料构成。

10.根据权利要求1所述的印刷电路板组件，其中，所述框架还包括：至少一个冷却通道，其提供所述一个或更多凹部中的至少一个之间的流体连通。

11.根据权利要求1所述的印刷电路板组件，其中，弹性材料沉积在所述多个脊部的峰上，并且其中，所述弹性材料接触所述至少一个印刷电路板。

12.根据权利要求11所述的印刷电路板组件，其中，所述弹性材料还沉积在至少一个电子器件上，并且其中，所述电子器件上的所述弹性材料接触所述框架的第一和第二表面中的一者。

13.根据权利要求11所述的印刷电路板组件，其中，所述弹性材料是室温硫化硅橡胶。

14.根据权利要求11所述的印刷电路板组件，其中，所述弹性材料是热间隙填料。

15.根据权利要求1所述的印刷电路板组件，其中，当所述印刷电路板组件承受通过所述底座的振动时，所述框架使所述至少一个印刷电路板的共振频率增大至少50％。

16.根据权利要求1所述的印刷电路板组件，其中，所述框架使所述至少一个印刷电路板的共振频率增大至少90％。

17.根据权利要求1所述的印刷电路板组件，其中，当所述印刷电路板组件承受通过所述底座的振动时，所述至少一个印刷电路板处的峰值剪切应变小于0.005in/in。

18.根据权利要求1所述的印刷电路板组件，其中，当所述印刷电路板组件承受通过所述底座的振动时，所述印刷电路板具有小于0.015英寸的峰值挠度。