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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Schocklagerung von Elektronik, insbesondere für den Einsatz unter Wasser.
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Elektronik, die in der Nähe von Detonationen eingesetzt wird, ist extrem großen Beschleunigungen ausgesetzt. Diese können in der Nähe von 10.000 g, also der 10.000-fachen Erdbeschleunigung, oder sogar darüber liegen. So leitet insbesondere die Phase 1 eines Unterwasserschocks, also der kurzfristigen großen Beschleunigung, hochfrequente mechanische Schwingungen in die Platinen und die darauf befindlichen Bauteile der Elektronik ein. Dadurch kommt es zu großen Verformungen der Platine und entsprechend hohen Lastspitzen in den Lötverbindungen. Die mechanische Stabilität der Lötverbindung ist jedoch nicht ausreichend, um den hohen Lastspitzen und somit dem Schock standzuhalten. Das Bauteil löst sich von der Platine und die Elektronik ist defekt. Es gibt jedoch Anwendungsfälle, bei denen es wichtig ist, dass die Elektronik keinen Schaden nimmt, wenn sie einem Schock ausgesetzt ist. Dies ist z.B. bei Sonar-Anwendungen der Fall. So ist es für die Navigation eines U-Bootes zwingend notwendig, dass die Elektronik, die die Hydrophonsignale verarbeitet, auch nach einem Schock noch zuverlässig funktioniert.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Konzept für die Schocklagerung von Elektronik zu schaffen.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Ausführungsbeispiele zeigen eine Vorrichtung zur Schocklagerung von Elektronik. Als Elektronik wird die Anordnung sowie funktionelle Verschaltung von einem oder mehreren (elektronischen) Bauteilen verstanden. Die Verschaltung kann mittels Leiterbahnen auf einer Platine erfolgen. Die Vorrichtung umfasst einen ersten und einen zweiten Platinenträger sowie eine Platine, auf der die Elektronik angeordnet ist. Die Platine ist zwischen dem ersten und dem zweiten Platinenträger angeordnet. Der erste Platinenträger weist eine Aussparung auf, um ein Bauteil der Elektronik aufzunehmen. Zwischen dem ersten Platinenträger und der Platine ist ein Dämpfungsmaterial angeordnet, wobei das Dämpfungsmaterial einen Spalt zwischen dem ersten Platinenträger und der Platine, insbesondere des Bauteils der Elektronik, ausfüllt. Das Dämpfungsmaterial nimmt Kräfte auf, die auf die Platinenträger wirken und gibt diese nur in abgeschwächter Form an die Platine und die Bauteile darauf weiter. Ferner kann das Dämpfungsmaterial die Wärmeabfuhr von der Elektronik zu den Platinenträgern verbessern.
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Typischerweise weist die Platine eine Vielzahl von Elektronikbauteilen auf, so dass entsprechend eine Vielzahl von Aussparungen in dem Platinenträger vorgesehen sein können. Die Aussparung kann individuell an die zu schützende Platine, insbesondere an die darauf angeordneten Bauteile, angepasst sein. Ferner sind der erste und der zweite Platinenträger (mechanisch) miteinander verbunden, um die Platine zu umschließen. Insbesondere ist zumindest die Elektronik auf der Platine von dem ersten und dem zweiten Platinenträger umschlossen. Von außen betrachtet kann bei verbundenen Platinenträgern ein Platinenrand und/oder das Dämpfungsmaterial zwischen dem ersten und dem zweiten Platinenträger sichtbar sein, die Platinenträger liegen dann auf der Platine auf. Zumindest ein Platinenträger kann jedoch auch eine Nut aufweisen, in die die Platine eingelassen ist, so dass bei verbundenen Platinenträgern von außen nur eine Schnittstelle zwischen dem ersten und dem zweiten Platinenträger sichtbar ist.
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Idee ist es, die Platine, die ein vergleichsweise weiches Material aufweist und somit durch die Schockwellen zum Schwingen angeregt wird, mittels beider Platinenträger abzustützen. Dies gilt für die Platine selber, aber auch für die darauf angeordneten Bauelemente der Elektronik. Eine Tiefe der Aussparung(en) ist demnach so gewählt, dass die Bauteile sich an einem Boden der Aussparung abstützen können. Somit wird die Belastung für die Elektronik reduziert und diese kann den Schock unbeschadet überstehen.
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In Ausführungsbeispielen ist die Platine von dem ersten und dem zweiten Platinenträger formschlüssig eingespannt. D.h., der erste Platinenträger bildet durch die Aussparung oder durch eine Mehrzahl von Aussparungen eine Kontur der Platinenoberfläche ab, in die die Platine hineingelegt wird, wenn der erste Platinenträger mit dem zweiten Platinenträger verbunden ist. Die Kontur wird durch die auf der Platine angeordneten Bauelemente definiert. Das Dämpfungselement füllt die Spalte aus. In der Tiefe ist die Aussparung sehr exakt an die Kontur angepasst, in der Breite können größere Abweichungen auftreten. So ist es möglich, dass mehrere (gleichartigte) Bauteile mit der gleichen Höhe in der gleichen Aussparung Platz finden. Dies ist möglich, da eine Belastung der Elektronik bei einem Schock, dessen Stoßwelle überwiegend parallel zu der Platine auf die Elektronik wirkt, weniger groß ist als ein Schock, dessen Stoßwelle überwiegend senkrecht auf die Platine wirkt. So kann der erste Platinenträger eine Negativform der Platine sein. Dies ist jedoch nicht im Sinne einer Gießform zu verstehen, sondern mit den oben beschriebenen Einschränkungen hinsichtlich der Kontur der Platine.
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In einem Ausführungsbeispiel weist der erste Platinenträger eine zweite Aussparung auf. Die erste Aussparung weist eine erste Tiefe auf und die zweite Aussparung weist eine zweite Tiefe auf. Vorteilhafterweise unterscheidet sich die erste Tiefe von der zweiten Tiefe. Somit ist es möglich, Bauteile mit zwei verschiedenen Höhen mittels des ersten Platinenträgers zu schützen. Die Negativform kann so zwei unterschiedliche, in Ausführungsbeispielen auch eine Vielzahl von verschiedenen Bauteilen schützen.
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Die Vorrichtung weist ist ein Dämpfungsmaterial auf, das zwischen dem ersten Platinenträger und der Platine angeordnet ist. Das Dämpfungsmaterial füllt einen Spalt zwischen dem ersten Platinenträger und der Platine aus. Die Bauteile werden somit noch besser vor einem Schock geschützt. Vorteilhafterweise ist das Dämpfungsmaterial bei verbundenen Platinenträgern bereits komprimiert, wenn das Dämpfungsmaterial in fester Form, insbesondere als separate Schicht, verwendet wird. Dies sollte jedoch keine vollständige Kompression sein, sondern nur eine teilweise, so dass ein zuverlässiger Kontakt des Dämpfungsmaterials sowohl mit dem ersten Platinenträger als auch mit der Elektronik sowie der Platine besteht.
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Als Dämpfungsmaterial kommt z.B. eine Schicht eines Schaumstoffs in Frage. Dies hat den Vorteil, dass die Platine durch Lösen der Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Platinenträger entnehmbar ist und damit einzeln ausgetauscht werden kann. Alternativ ist es auch möglich, insbesondere nachdem der erste mit dem zweiten Platinenträger verbunden ist, beispielsweise einen Kunststoff oder ein Silikon in die Spalte zwischen Platine und erstem Platinenträger einzufüllen. Das Einfüllen kann z.B. durch ein Loch in dem ersten und/oder dem zweiten Platinenträger erfolgen. Wird ein Kunststoff verwendet kann vorteilhafterweise ein Schaumbildner beigemischt werden. Dieser verhindert ein Zusammenziehen des Kunststoffs während des Aushärtens, wodurch Spannungen in der Elektronik bzw. der Platine entstehen könnten.
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In Ausführungsbeispielen ist eine Dicke des ersten Platinenträgers größer als eine Höhe der Elektronik auf der Platine. Die Dicke des Platinenträgers sowie die Höhe der Elektronik (genauer der Bauteile) wird senkrecht zu der Platine ermittelt. Somit ist gewährleistet, dass sich alle Bauteile an dem Platinenträger abstützen können. Andernfalls kann das Formen einer Aussparung mit der notwendige Tiefe für ein Bauteil dazu führen, dass der Platinenträger eine Durchgangsöffnung aufweist. Dieses Bauteil könnte sich dann nicht mehr an dem Platinenträger abstützen und die gesamte Elektronik ist durch den Ausfall des einen Bauteils bei einem Schock gefährdet.
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In Ausführungsbeispielen weist der erste und/oder der zweite Platinenträger ein Material auf, dessen Elastizitätsmodul größer ist als 50 GPa (Giga Pascal), bevorzugt größer oder gleich 70 GPa. In weiteren Ausführungsbeispielen weist der erste und/oder der zweite Platinenträger eine Steifigkeit auf, die mindestens so groß ist die wie Steifigkeit des steifsten Bauteils der Platine. Somit ist gewährleistet, dass die Platinenträger der Platine die notwendige Stabilität geben, um den Schock zu überstehen. Die notwendige Stabilität kann statt eines Materials mit dem genannten Elastizitätmodul auch durch ein Material mit einem geringeren Elastizitätmodul erreicht werden, wenn die Geometrie des Platinenträgers entsprechend angepasst ist. Insbesondere kann das Material des ersten und/oder des zweiten Platinenträgers ein Metall, beispielsweise Aluminium oder Eisen, sein. Metalle, so auch Aluminium und Eisen, sind gute Wärmeleiter. Dies ist vorteilhaft, da somit über den Platinenträger eine Wärmeabfuhr der Bauteile möglich ist. In anderen Worten kann über die Platinenträger so eine Kühlung der Elektronik erzielt werden. Im Beispiel von Sonaranwendungen kann der Platinenträger ferner über eine Wärmekopplung die Wärme an das umgebende Wasser abgeben.
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Insbesondere wenn die Platine auch rückseitig Bauteile aufweist, können die Merkmale, die auf den ersten Platinenträger bezogen sind auch auf den zweiten Platinenträger übertragen werden. Das Dämpfungsmaterial kann auch unabhängig von weiteren rückseitigen Bauteilen zwischen dem zweiten Platinenträger und der Platine angeordnet sein. Dadurch wird die Dämpfungswirkung verbessert. Ferner wird die Platine so besser von den beiden Platinenträgern eingespannt.
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Analog ist ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Schocklagerung von Elektronik mit folgenden Schritten gezeigt: Bereitstellen einer Platine, auf der die Elektronik angeordnet ist; Formen einer Aussparung in einen ersten Platinenträger entsprechend der Elektronik auf der Platine um ein Bauteil (insbesondere die Bauteile) der Elektronik aufzunehmen; Anordnen der Platine zwischen dem ersten Platinenträger und einem zweiten Platinenträger; Verbinden des ersten Platinenträgers mit dem zweiten Platinenträger, so dass die Platine vollständig umschlossen ist.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1: eine schematische perspektivische Darstellung einer Vorrichtung zur Schocklagerung von Elektronik in einer vereinfachten Explosionszeichnung;
- 2: eine schematische perspektivische Darstellung von Ausführungsbeispielen der Vorrichtung aus 1 in einer vereinfachten Explosionszeichnung;
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Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
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1 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung einer Vorrichtung 20 zur Schocklagerung von Elektronik in einer vereinfachten Explosionszeichnung. Die Vorrichtung 20 umfasst einen ersten Platinenträger 22, einen zweiten Platinenträger 24 und eine Platine 26, auf der die Elektronik, hier exemplarisch in Form eines Bauteils 28, angeordnet ist. Die Platine 26 ist zwischen dem ersten Platinenträger 22 und dem zweiten Platinenträger 24 angeordnet. Der erste Platinenträger 22 weist eine Aussparung 30 auf, die das Bauteil 28 aufnimmt (wenn die Platine auf dem ersten Platinenträger 22 aufliegt). Ferner sind der erste und der zweite Platinenträger 22, 24 miteinander verbunden, um die Platine 26 zu umschließen. Die Aussparung 30 ist gestrichelt dargestellt, da sie aus der dargestellten Perspektive nicht sichtbar ist. Die Platinenträger 22, 24 sind in alle Figuren als (ebene) Platte dargestellt. Es sei jedoch angemerkt, dass der Platinenträger beliebig geformt, insbesondere auch gewölbt, sein kann.
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Zwischen der Platine 26 und dem ersten Platinenträger 22 ist das Dämpfungsmaterial 36 angeordnet. Das Dämpfungsmaterial 36 ist hier als separate Schicht dargestellt. Dies ist z.B. unter Verwendung eines Schaumstoffs möglich. Das Dämpfungsmaterial 36 kann allerdings auch in zunächst flüssiger Form in die verbundenen Platinenträger 22, 24 eingefüllt werden und dann aushärten um Spalte zwischen der Platine bzw. den Bauteilen und dem Platinenträger 22 auszufüllen.
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Zum Verbinden der Platinenträger 22, 24 miteinander kann ein Verbindungsmittel 32 verwendet werden. In 1 sind zwei Verbindungsmittel 32 dargestellt, die die Vorrichtung 20 in einer Diagonalen verbinden. Die Verbindungsmittel 32 können durch entsprechende Öffnungen 34 in den Platinenträgern und optional der Platine 26 hindurchgeführt werden. Als Verbindungsmittel können z.B. Schrauben verwendet werden. Die Schrauben können mittels einer Mutter festgezogen werden. Alternativ können die Öffnungen 34, insbesondere die Öffnungen 34 des ersten und/oder der zweiten Platinenträgers 22, 24 auch ein Gewinde aufweisen, in das die Schraube hineingedreht wird. Die Öffnungen 34 sind gestrichelt dargestellt, da sie aus der dargestellten Perspektive nicht sichtbar sind. Ferner ist anzumerken, dass die beiden Verbindungsmittel hier nur beispielhaft dargestellt sind. Optional kann auch eine beliebige Anzahl von Verbindungsmitteln 32 verwendet werden. Pfeile 38 zeigen an, dass die Verbindungsmittel 32 durch die Öffnungen 34 geführt werden, um den ersten Platinenträger 22 mit dem zweiten Platinenträger 24 zu verbinden.
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2 zeigt die Vorrichtung 20 mit weiteren optionalen Merkmalen. So sind insgesamt drei Bauteile 28a, 28b, 28c auf der Platine 26 angeordnet. Das erste Bauteil 28a und das zweite Bauteil 28b sind jedoch gleichartig oder zumindest gleich hoch (und liegen dicht beieinander), so dass diese von einer gemeinsamen Aussparung 30a aufgenommen werden können. Für das dritte Bauteil 28c ist jedoch eine separate zweite Aussparung 30b vorgesehen. Dies ist notwendig, da das dritte Bauteil 28c höher ist als das erste und das zweite Bauteil 28a, 28c. Ferner liegen das dritte Bauteil 28c zu weit entfernt von dem zweiten Bauteil 28b, so dass die Platine in dem Bereich zwischen den beiden Bauteilen 28b, 28c im Falle eines Schocks Schaden nehmen könnte, wenn die Platine dort nicht von dem ersten Platinenträger 22 abgestützt werden würde.
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Zwischen der Platine 26 und dem ersten Platinenträger 22 ist das Dämpfungsmaterial 36 angeordnet. Das Dämpfungsmaterial 36 ist hier als separate Schicht dargestellt. In der gezeigten Form als Schicht ist das Dämpfungsmaterial 36 jedoch nur begrenzt verformbar, ohne seine Dämpfungseigenschaften zu verlieren. So kann die Schicht auf dem ersten und dem zweiten Bauteil 28a, 28b aufliegen und wird in die Aussparung 30a hereingedrückt wenn die beiden Platinenträger 22, 24 miteinander verbunden sind. Dies ist möglich, da die beiden Bauteile 28a, 28b flach sind. Bei dem höheren dritten Bauteil 28c würde das Dämpfungsmaterial 36 beim Hereindrücken in die zweite Aussparung 30b jedoch unkontrolliert reißen oder sich derart Wellen, dass das Dämpfungsmaterial 36 in einem Bereich um das dritte Bauteil 28c nicht mehr glatt zwischen der Platine und dem ersten Platinenträger 22 liegen würde. Daher ist in der zweiten Aussparung 30b eine Ausstanzung 36a aus dem Dämpfungsmaterial (bzw. der Schicht) angeordnet. Das dritte Bauteil 28c ist durch das entstandene Loch 36b hindurchgeführt, wenn die Platine auf dem ersten Platinenträger 22 aufliegt.
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Die offenbarte Elektronik ist in Ausführungsbeispielen ausgebildet, Wasserschallsignale von Wasserschallwandlern zu verarbeiten und/oder Wasserschallsignale für Wasserschallwandler bereitzustellen. In anderen Worten kann die Elektronik eine Signalverarbeitung für Wasserschallwandler bereitstellen. Die (Wasser-) Schallwandler sind für den Einsatz unter Wasser, insbesondere im Meer, ausgelegt. Die Schallwandler sind ausgebildet, Wasserschall in eine dem Schalldruck entsprechenden elektrischen Signal (z.B. Spannung oder Strom), das Wasserschallsignal, umzuwandeln. Überdies sind die Schallwandler ausgebildet, eine anliegende elektrische Spannung in Wasserschall umzuwandeln. Die Schallwandler können demnach als Wasserschallwandler und/oder als Wasserschallsender verwendet werden. Als sensorisches Material weisen die Schallwandler ein piezoelektrisches Material, beispielsweise eine Piezokeramik, auf. Die Schallwandler können für (Aktiv- und/oder Passiv-) Sonar (sound navigation and ranging, dt.: Schall-Navigation und -Entfernungsbestimmung) eingesetzt werden. Die Schallwandler sind nicht für medizinische Anwendungen geeignet.
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Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
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Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
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Bezugszeichenliste
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- 20
- Vorrichtung zur Schocklagerung von Elektronik
- 22
- erster Platinenträger
- 24
- zweiter Platinenträger
- 26
- Platine
- 28
- Bauteil der Elektronik
- 30
- Aussparung
- 32
- Verbindungsmittel
- 34
- Öffnungen
- 36
- Dämpfungsmaterial
- 38
- Pfeile
