CN111150445A - 气密密封的印刷电路板 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气密密封的印刷电路板。一种气密密封线束的电子部件并将所述线束集成到手术装置中的方法包括：围绕印刷电路板和线束的第一柔性电缆的第一端区段对管进行定位，使得所述管的第一端部分轴向延伸超过所述第一柔性电缆的所述第一端区段，并且使得所述管的第二端部分轴向延伸超过所述印刷电路板的第二端部分，其中所述第一端区段在第一连接区域处电耦合到所述印刷电路板的第一端部分；以及用封装物填充所述管的至少一部分，以在所述管内形成气密密封。

Description

气密密封的印刷电路板
技术领域
本申请要求2018年11月7日提交的美国临时专利申请第62/756,776号的权益和优先权，其全部公开内容通过引用并入本文。
本公开总体上涉及可重复使用的手术装置。更具体地说，本公开涉及具有增强的耐久性和增加的防潮性的动力手术装置。
背景技术
动力手术装置包括电子元件，例如印刷电路板、开关、传感器等，以增强对手术装置的功能的控制。与目前可获得的一次性单元相比，此类手术装置的智能化导致更高的产品成本。因此，如果此类智能装置是可重复使用的，则将是有益的。
可重复使用的手术装置必须在随后使用之前进行清洗和消毒。然而，清洗和消毒过程本质上是侵蚀性的。清洗(例如洗涤和/或消毒)使用具有高pH值(例如pH为11)的碱性溶液。高压灭菌(通常的灭菌方法)利用高压过热蒸汽(例如30PSI@160℃20分钟)。已知此类环境会损坏各种电子元件。例如，手术装置在清洗和/或消毒过程中可能遭受水分的侵入，这又可能使电子元件腐蚀和/或降解。
可以通过利用例如保形涂层、灌封、密封外壳和/或包覆模制来保护可重复使用手术装置的电子部件免受高温、蒸汽和/或水分的影响。然而，电子元件在清洗和/或消毒过程中可能仍然遭受水分的侵入(例如，保形涂层的破裂或分层)，和/或在施加保护材料期间可能被损坏(例如，在密封外壳期间的热损坏)。
因此，如果增强电子元件的耐久性以提高电子元件的可靠性和/或延长手术装置的有效循环寿命，将是有益的。
发明内容
本公开的手术装置包括印刷电路板，所述印刷电路板具有容纳在气密密封组件内的多个电子部件和多个电连接区域。电子部件和电连接区域因此被保护和构造成经受与高pH清洗和消毒(例如，自动清洗和/或高压灭菌)相关的环境应力，由此使得印刷电路板更耐用以便再次使用。另外，本公开的方法包括将印刷电路板气密密封和/或封装在密封组件内，并将密封的印刷电路板集成到手术装置中。
在本公开的一个方面，一种气密密封线束的电子部件并将线束集成到手术装置中的方法包括：围绕印刷电路板和线束的第一柔性电缆的第一端区段对管进行定位，使得所述管的第一端部分轴向延伸超过第一柔性电缆的第一端区段，并且使得所述管的第二端部分轴向延伸超过印刷电路板的第二端部分，其中所述第一端区段在第一连接区域处电耦合到印刷电路板的第一端部分；以及用封装物填充所述管的至少一部分，以在所述管内形成气密密封，从而在其中封装印刷电路板和第一柔性电缆的第一端区段。
对所述管进行定位可包括覆盖第二柔性电缆的第一端区段，使得管的第二端部分轴向延伸超过第二柔性电缆的第一端区段，其中第一端区段在与所述管连接的第二连接区域处电耦合到印刷电路板的第二端部分。填充所述管可以包括用封装物包围延伸穿过管的第一端部分和第二端部分的第一柔性电缆和第二柔性电缆的部分，从而密封管的第一端部分和第二端部分。
所述方法还可包括施加刺激物以使管内的封装物固化。施加刺激物可以包括将光照射到由透明聚合物形成的管上，以使为光固化树脂的封装物固化。
所述方法可以包括在围绕印刷电路板对管进行定位之前，将印刷电路板和管放置在惰性气体环境中。
所述方法还可以包括将线束放置到手术装置的接头组件中。所述方法可包括将电耦合到第一柔性电缆的第二端区段的近端电连接器电耦合到手术装置的手柄组件和/或将电耦合到第二柔性电缆的第二端区段的远端电连接器电耦合到手术装置的末端执行器。
在本公开的另一方面，线束包括印刷电路板、第一柔性电缆、管和封装物。第一柔性电缆包括在第一连接区域处电耦合到印刷电路板的第一端部分的第一端区段。所述管围绕印刷电路板和第一柔性电缆的第一端区段设置。所述管具有第一端部分和第二端部分，所述第一端部分横向延伸超过限定在第一柔性电缆和印刷电路板之间的第一连接区域。封装物设置在管的第一端部分和第二端部分内，并在管中形成气密密封，从而在其中封装印刷电路板和第一柔性电缆的第一端区段。
线束可以包括第二柔性电缆，所述第二柔性电缆包括在第二连接区域处电耦合到印刷电路板的第二端部分的第一端区段，管的第二端部分横向延伸超过第二连接区域。
第一柔性电缆的第二端区段可以电耦合到近端电连接器和/或第二柔性电缆的第二端部分可以电耦合到远端电连接器。
封装物可以填充整个管并且包围印刷电路板。所述管可以是透明的，并且封装物可以是光固化树脂。填充有封装物的管可以沿其长度具有均匀的厚度。
根据说明书、附图和权利要求书，其它方面、特征和优点将是显而易见的。
附图说明
下面参考附图描述本公开的各个方面，附图并入本说明书并构成本说明书的一部分，其中：
图1是根据本公开的实施例的手术装置的透视图；
图2是图1的手术装置的接头组件的线束的透视图；
图3是图2的线束的一部分的特写视图，示出了设置在以虚线示出的密封组件内的线束的印刷电路板；
图4是图3的线束的一部分的俯视透视图，示出了根据本公开的实施例在将密封组件组装到线束上的过程中位于印刷电路板上方的密封组件的气密密封管；以及
图5是图4的线束的一部分的俯视透视图，示出了设置在气密密封管内的密封组件的封装物。
具体实施方式
根据本公开的实施例的手术装置包括气密密封在密封组件内的印刷电路板，以在例如清洗和/或消毒过程中保护印刷电路板不暴露于水分中，其中手术装置均可经受高温、蒸汽、化学品和/或水分。印刷电路板的电子部件以及它们之间的电连接受到保护，以防止和/或抵抗在手术装置的多次/重复清洗和消毒循环中的分解。
虽然本公开涉及刚性印刷电路板(例如，FR4电路板)，但是本公开的原理同样适用于容纳在可重复使用的手术装置内的一系列印刷电路板(例如，具有或不具有硬化剂的柔性印刷电路板)、电子部件(例如，传感器)和/或电子组件。
现在参考附图详细描述本公开的实施例，其中在几个视图的每个中，相同的附图标记表示相同或相应的元件。在整个说明书中，术语“近端”是指靠近使用者的装置或其部件的一部分，术语“远端”是指远离使用者的装置或其部件的一部分。
现在参考图1，示出了根据本公开的实施例的手术装置1。手术装置1呈动力手持式机电手术器械的形式，并包括动力手柄组件10、接头组件20和工具组件或末端执行器30。动力手柄组件10被构造成用于选择性地与接头组件20连接，并且接头组件20又被构造成用于选择性地与末端执行器30连接。
将仅在公开本公开的各方面所必需的程度上进一步描述手术装置1。对于示范性手术装置的结构和功能的详细描述，可以参考共同拥有的美国专利公开第2016/0296234号(“'234公开”)和第2016/0310134号(“'134公开”)以及美国专利申请第15/972,606号(“'606申请”)，它们各自的全部内容通过引用并入本文。
继续参照图1，手柄组件10包括手柄壳体12和多个致动器14(例如，手指致动的控制按钮、旋钮、拨动件、滑动件、接口等)，手柄壳体12容纳被构造成提供动力并控制手术装置1的各种操作的动力组(未示出)，致动器14用于致动手术装置1的各种功能。接头组件20具有包括被构造成可操作地连接到手柄组件10的旋钮壳体22的近端部分20a和包括被构造成可操作地连接到末端执行器30的外管24的远端部分20b。末端执行器30包括装载单元32和砧座组件34，装载单元32中设置有多个钉(未示出)，砧座组件34包括砧座头34a和砧座杆34b。
对于可用于本公开的手术装置中的示范性手柄组件、接头组件和末端执行器的详细描述，可参考'234和'134公开以及'606申请，它们各自的全部内容先前通过引用并入本文。
现在结合图1参照图2，接头组件20包括用于将手柄组件10和手术装置1的末端执行器30电互连的线束100。接头组件20的线束100被构造成使得手柄组件10和末端执行器30之间能够通信，并且将电力从手柄组件10传递到末端执行器30。例如，这种通信允许在末端执行器30和接头组件20之间以及在接头组件20和手柄组件10之间进行数据和控制信号的校准和通信，从而将与末端执行器30有关的数据传送到手柄组件10，并将信号从手柄组件10传送到末端执行器30。
如图2和图3所示，线束100包括第一柔性电缆或近端柔性电缆110，第二柔性电缆或远端柔性电缆120，以及耦合到第一柔性电缆110和第二柔性电缆120中的每一个的印刷电路板130。近端电连接器140耦合到第一柔性电缆110，并且远端电连接器150耦合到第二柔性电缆120，使得第一柔性电缆110和第二柔性电缆120提供去往印刷电路板130和耦合到近端电连接器140和远端电连接器150的电子组件(未示出)的信令路径和来自印刷电路板130和耦合到近端电连接器140和远端电连接器150的电子组件的信令路径。
第一柔性电缆110和第二柔性电缆120中的每一个包括由一层或多层或一片或多片介电材料或绝缘材料(例如聚合物或陶瓷)和一层或多层导电材料(例如金属或金属合金)制成的主体或衬底112、122，所述一层或多层导电材料形成嵌入绝缘材料内的电迹线(未明确示出)。电迹线在第一柔性电缆110的第一端区段110a和第二柔性电缆120的第一端区段120a处暴露，以便与印刷电路板130电连接，并且在第一柔性电缆110的第二端区段110b和第二柔性电缆120的第二端区段120b处暴露，以便与近端电连接器140和远端电连接器150电连接。
第一柔性电缆110和第二柔性电缆120由对高pH环境(例如消毒化学品如KOH)和/或高温和高压(例如高压釜蒸汽)高度耐受的材料制成。第一柔性电缆110和第二柔性电缆120的绝缘材料可以包括例如液晶聚合物(LCP)、聚醚酰亚胺(PEI，例如Sabic GlobalTechnologies B.V.以商标
Figure BDA0002254004940000051
出售的那些)、聚砜(PSU，例如Solvay SpecialtyPolymers USA，L.L.C.以商标
Figure BDA0002254004940000052
出售的那些)、聚苯砜(PPSU，例如Solvay SpecialtyPolymers USA，L.L.C.以商标
Figure BDA0002254004940000053
出售的那些)、聚醚醚酮(PEEK)以及在本领域技术人员的范围内的其他聚合物(例如，高温和/或高性能聚合物)。第一电缆110和第二电缆120的导电材料可以由例如铜、金、银、铝、铂及其合金以及本领域技术人员范围内的其它导电材料形成。
印刷电路板130包括在其上机械支撑和电连接电子元件134的主体或衬底132。电子元件134可以是例如表面安装技术和/或通孔技术，包括例如集成电路(例如，微芯片、微控制器，微处理器)、电阻器、放大器、电感器、电容器、感测元件(例如，光学传感器、压力传感器、电容传感器)、按钮、开关、电路板、电连接器、电缆和/或电线，以及本领域技术人员范围内的其它元件或电路。
衬底132由至少一层或多层或一片或多片介质材料或绝缘材料和在衬底132中形成导电迹线(未明确示出)的一层或多层导电材料形成。通孔(未示出)可以通过衬底132的不同层使导电迹线互连。电接触区域设置在衬底132的导电迹线的终端处，并且可以包括一个或多个焊盘(例如，焊料隆起焊盘)，电子元件134接合(例如，焊接)到所述一个或多个焊盘，或者与第一柔性电缆110和第二柔性电缆120电连接到所述一个或多个焊盘。虽然所示的印刷电路板130包括具有FR4基底和表面安装电子元件134的刚性基板132，但是也可以设想其它构造。
继续参考图2和图3，第一柔性电缆110的第一端区段或远端区段110a和第二柔性电缆120的第一端部分或近端部分120a在连接区域“C1”，“C2”处电耦合(例如，焊接)到印刷电路板130的相对的端部分130a、130b，从而与印刷电路板130进行电连接。第一柔性电缆110的第二端部分或近端部分110b电耦合到近端电连接器140，并且第二柔性电缆120的第二端区段或远端区段120b电耦合到远端电连接器150。
近端电连接器140包括支撑在印刷电路板144上的多个电接触片142，用于机械连接和电连接到手柄组件10(图1)的电插座(未示出)，所述电插座又与控制手柄组件10的各种操作的动力组核心组件(未示出)电连接，并且因此电连接手术装置1。远端电连接器150包括支撑一对臂154的插头构件152，所述臂154用于与末端执行器30(图1)的芯片组件(未示出)机械连接和电连接，所述芯片组件存储关于末端执行器30的信息并允许手柄组件10向其编码信息。
密封组件160设置在印刷电路板130之上，以及设置在第一柔性电缆110的第一端区段110a和第二柔性电缆120的第一端区段120a与印刷电路板130的端部分130a、130b之间的连接区域“C1”、“C2”之上，以将整个印刷电路板130以及第一柔性电缆110的第一端区段110a和第二柔性电缆120第一端区段120a气密地密封在其中。密封组件160包括围绕印刷电路板130和第一柔性电缆110的第一端区段110a和第二柔性电缆120的一端区段120a定位的套管或管162，使得套管162的端162a、162b轴向延伸超过第一柔性电缆110和第二柔性电缆120与印刷电路板130之间的连接区域“C1”、“C2”。密封组件160还包括设置在管162内并密封其端162a、162b以防止水分进入管162的封装材料或封装物164。
管162由如上所述相对于第一柔性电缆110和第二柔性电缆120的绝缘材料高度耐受高pH环境和/或高温和高压的材料形成。套管160可以由LCP、PEI、PPSU、PEEK以及其他材料(例如，高温和/或高性能聚合物)形成。套管162可以由与第一柔性电缆110和/或第二柔性电缆120相同的材料或不同的材料形成。
封装物164可以是，例如，聚氨酯、丙烯酸树脂、环氧树脂、以及可以形成固体柔性结合件的其它材料，使得封装物164可以随着第一柔性电缆110和第二柔性电缆120和/或印刷电路板130的热移动和机械移动而移动，并且经受清洗和消毒循环。封装物164可以是树脂，例如以Henkel IP&Holding GMBH的商标
Figure BDA0002254004940000071
出售的那些。封装物164可以是密封剂，例如室温硫化(RTV)硅酮。封装物164可以是保形涂层或灌封材料，例如以ColumbiaChase Corporation的商标
Figure BDA0002254004940000072
销售的那些，或John C.Dolph Company公司的商标
Figure BDA0002254004940000073
销售的那些。
在实施例中，封装物164在施加诸如热或水分的刺激物或暴露于光(例如紫外光)时固化。在此类实施例中，管162由透明材料形成，使得封装物164可以在管162内固化。例如，透明聚砜管162可以与丙烯酸光固化树脂封装物164一起使用。在一些实施例中，封装物164是多组件系统(例如，两部分系统)，其中各部分保持彼此隔离，然后组合以形成封装物164。
现在参见图4和图5，示出了根据本公开的实施例的对线束100的印刷电路板130进行气密密封的方法。如最初在图4中看到的，结合图3，围绕印刷电路板130以及第一柔性电缆110和第二柔性电缆120中的每一个的第一端区段110a、120a对管162进行定位。管162限定纵向穿过其中的开口163，所述开口163被构造成在其中容纳印刷电路板130。管162轴向长于印刷电路板130，以还在其中容纳和覆盖第一柔性电缆110的第一端区段110a和第二柔性电缆120的第一端区段120a。
管162可以在第一柔性电缆110或第二柔性电缆120中的一个上朝向印刷电路板130滑动，或者管162可以通过围绕其缠绕材料片并且将所述材料片结合到其自身上以形成管162而围绕印刷电路板130形成。管162围绕印刷电路板130以及第一柔性电缆110的第一端区段110a和第二柔性电缆120的第一端区段120a，使得管162的端162a、162b从印刷电路板130与第一柔性电缆110和第二柔性电缆120之间的连接区域“C1”、“C2”偏移轴向距离。
管162的尺寸和形状与印刷电路板130以及第一柔性电缆110的第一端区段110a和第二柔性电缆120的第一端区段120a的几何形状互补。例如，如图4所示，管162具有与印刷电路板130的弯曲构造互补的弯曲构造。然而，应当理解，可以设想与印刷电路板130的尺寸和形状相对应的其它构造。
如图5所示，结合图3和图4，在管162定位在印刷电路板130上之后，管162的开口163填充有封装物164以密封管162的端162a、162b并形成防潮屏障。通过适合于所使用的封装材料类型的任何方法，使得封装物164处于可流动(例如，液体)状态，用于将封装物164注入或灌注到管162的开口163中，这在本领域技术人员的范围内。例如，封装物164可以搅拌、混合和/或加热以活化或使封装物164可流动。
封装物164可穿过管162的末端162a、162b中的一个以到达末端162a、162b中的另一个，使得封装物164填充管162的整体(或其至少一部分)且覆盖或包围印刷电路板130(例如，完全围绕印刷电路板130延伸)。限定在管162内的开口163的尺寸和形状可以根据例如优化印刷电路板130和与其耦合的电子元件的保护所需的空间而变化。一旦填充完成，允许封装物164凝固和/或固化，并且可以将线束100组装到接头组件20中。在利用在施加刺激物时固化的封装物的实施例中，可以向密封组件160施加适当的刺激物。例如，在光固化树脂的情况下，可以向管162施加光以固化其中的封装物164。
除了填充所述管162之外，封壳件164填充所述管162的端162a、162b(或其至少一部分)，并包围离开所述管162的第一柔性电缆110和第二柔性电缆120的部分，使得密封组件160沿其长度保持基本均匀的厚度(例如，管162的端162a、162b和封装物164终止于与管162和封装物164覆盖印刷电路板130的部分相同的厚度)。这种构造除去了与传统涂覆工艺相关的羽状边缘，从而增强了封装物164与第一柔性电缆110和第二柔性电缆120之间的结合，并提高了封装物164从第一柔性电缆110和第二柔性电缆120上剥离的抵抗力，例如在几次清洗和高压釜循环之后。
线束100或其部分的组装可以使用真空或在惰性气体(例如氩气，氮气等)的存在下进行，这在本领域技术人员的范围内。在实施例中，电子部件134装配到印刷电路板130上，和/或第一柔性电缆110和第二柔性电缆120耦合到印刷电路板130上并在惰性气体环境(诸如惰性手套箱(例如充氮气氛))中密封在密封组件160内，以确保密封组件160的管162内的水分含量为零。
在实施例中，在用密封组件160进行密封之前，可以在电子部件134和/或连接区域“C1”、“C2”上设置涂层。涂层可以是保形涂层，其保护电子元件134和/或连接区域“C1”、“C2”免受水分和/或热的影响。因此，在密封组件160失效并且水分渗透或进入其中的情况下，涂层可以用作附加的保护层。
在实施例中，还可以设想，在用封装物164填充管162之前，可以在管162内提供水汽凝集剂，例如干燥剂。对于适用于本公开的印刷电路板的水汽凝集剂的详细描述，可以参考2018年1月22日提交的美国专利申请序列号15/876,378，其全部内容通过引用并入本文。
应当理解，线束(例如，印刷电路板和/或柔性电缆)的构造可以根据线束的期望功能而变化，并且一个或多个密封组件可以用于保护线束的电子部件和/或电连接。还应当理解，虽然密封组件在上文被示出和描述为设置在手术装置的接头组件内的线束的一部分，但是密封组件可以用于手术装置的其它电子组件和/或部件或者其它手术装置中。
本领域技术人员将理解，在此具体描述并在附图中示出的结构是非限制性师范性实施例，并且描述、披露和附图应当仅被解释为特定实施例的示例。因此，应当理解，本公开不限于所描述的精确实施例，并且在不脱离本公开的范围或精神的情况下，本领域技术人员可以实现各种其他改变和修改。例如，本公开的柔性电缆可以用于其它手术装置中，例如经受灭菌程序(例如，高压灭菌和/或自动清洗)的机器人或动力手术装置/器械。另外，结合某些实施例示出或描述的元件和特征可以与某些其它实施例的元件和特征组合而不脱离本公开的范围，并且此类修改和变化也包括在本公开的范围内。因此，本公开的主题不限于已经具体示出和描述的内容。

Claims (16)

1.一种气密密封线束的电子部件并将所述线束集成到手术装置中的方法，所述方法包括：
围绕印刷电路板和线束的第一柔性电缆的第一端区段对管进行定位，使得所述管的第一端部分轴向延伸超过所述第一柔性电缆的所述第一端区段，并且使得所述管的第二端部分轴向延伸超过所述印刷电路板的第二端部分，其中所述第一端区段在第一连接区域处电耦合到所述印刷电路板的第一端部分；以及
用封装物填充所述管的至少一部分，以在所述管内形成气密密封，从而在其中封装所述印刷电路板和所述第一柔性电缆的所述第一端区段。
2.根据权利要求1所述的方法，其中对所述管进行定位进一步包括覆盖第二柔性电缆的第一端区段，使得所述管的所述第二端部分轴向延伸超过所述第二柔性电缆的所述第一端区段，其中所述第一端区段在与所述管连接的第二连接区域处电耦合到所述印刷电路板的所述第二端部分。
3.根据权利要求2所述的方法，其中填充所述管进一步包括用所述封装物包围延伸穿过所述管的所述第一端部分和所述第二端部分的所述第一柔性电缆和所述第二柔性电缆的部分，从而密封所述管的所述第一端部分和所述第二端部分。
4.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括施加刺激物以使所述管内的所述封装物固化。
5.根据权利要求4所述的方法，其中施加所述刺激物包括将光照射到由透明聚合物形成的所述管上，以使为光固化树脂的所述封装物固化。
6.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括在围绕所述印刷电路板对所述管进行定位之前，将所述印刷电路板和所述管放置在惰性气体环境中。
7.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括将所述线束放置到手术装置的接头组件中。
8.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括将电耦合到所述第一柔性电缆的第二端区段的近端电连接器电连接到所述手术装置的手柄组件。
9.根据权利要求2所述的方法，其进一步包括将电耦合到所述第二柔性电缆的第二端区段的远端电连接器电连接到所述手术装置的末端执行器。
10.一种线束，包括：
印刷电路板；
第一柔性电缆，所述第一柔性电缆包括在第一连接区域处电耦合到所述印刷电路板的第一端部分的第一端区段；
管，所述管围绕所述印刷电路板和所述第一柔性电缆的所述第一端区段设置，所述管具有第一端部分和第二端，所述第一端部分横向延伸超过限定在所述第一柔性电缆和所述印刷电路板之间的所述第一连接区域；以及
封装物，所述封装物设置在所述管的所述第一端和第二端内并且在所述管内形成气密密封，从而在其中封装所述印刷电路板和所述第一柔性电缆的所述第一端区段。
11.根据权利要求10所述的线束，其进一步包括第二柔性电缆，所述第二柔性电缆包括在第二连接区域处电耦合到所述印刷电路板的第二端部分的第一端区段，所述管的所述第二端部分横向延伸超过所述第二连接区域。
12.根据权利要求10所述的线束，其中所述第一柔性电缆的第二端区段电耦合到近端电连接器。
13.根据权利要求11所述的线束，其中所述第二柔性电缆的第二端区段电耦合到远端电连接器。
14.根据权利要求10所述的线束，其中所述封装物填充整个所述管并包围所述印刷电路板。
15.根据权利要求10所述的线束，其中所述管是透明的，并且所述封装物是光固化树脂。
16.根据权利要求10所述的线束，其中填充有所述封装物的所述管沿其长度具有均匀的厚度。
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