WO2023222672A1 - Schwingungsreduktion von elektronischen bauteilen durch vibroakustische metamaterialien - Google Patents

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WO2023222672A1
WO2023222672A1 PCT/EP2023/063088 EP2023063088W WO2023222672A1 WO 2023222672 A1 WO2023222672 A1 WO 2023222672A1 EP 2023063088 W EP2023063088 W EP 2023063088W WO 2023222672 A1 WO2023222672 A1 WO 2023222672A1
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WO
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resonators
arrangement
local
local resonators
electronic component
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PCT/EP2023/063088
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Marvin DROSTE
Sebastian Rieß
Heiko Atzrodt
Daria MANUSHYNA
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Publication date
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    • H05K1/0271—Arrangements for reducing stress or warp in rigid printed circuit boards, e.g. caused by loads, vibrations or differences in thermal expansion
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/0009—Structural features, others than packages, for protecting a device against environmental influences
    • B81B7/0016—Protection against shocks or vibrations, e.g. vibration damping
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Definitions

  • the invention relates to a device for reducing vibrations on electronic components based on vibroacoustic metamaterials.
  • Mechanical vibrations represent a relevant form of stress on electrical components that can reduce their service life and significantly increase their probability of failure. For example, fatigue fractures can occur in contact points due to vibrations In the worst case scenario, this could lead to system failures. High mechanical loads can also temporarily impair the functionality of electronic components. These problems particularly affect capacitors, diodes and transistors, but also more complex components such as sensors and integrated circuits. In addition to the reduced reliability of the affected electronic systems and increased maintenance costs, mechanical vibrations can also become safety-related problems in areas such as automotive or aviation technology.
  • connecting elements made of silicones or elastomers are used, for example, to decouple circuit boards from vibration-transmitting components.
  • a "soft" connection is not practical or desirable under all conditions and is ineffective, for example, when connecting circuit boards to cables.
  • encapsulating the affected components in a casting compound can protect them from the influence of vibrations, but such encapsulations can also
  • the function of some components has a negative impact and usually increases the installation space required.
  • vibrations cannot be avoided or the components cannot be effectively protected, special components are often used. These are designed to be more robust, sometimes oversized and have, for example, additional contacts to ensure a secure connection of the components to a circuit board.
  • it goes without saying that such components have disadvantages in terms of mass and space in many areas of application.
  • vibroacoustic metamaterials can be used. Metamaterials are artificial, usually periodic, structures that are designed to achieve special conductive, insulating, damping or reinforcing properties. In this way, for example, structures can be designed that form stop bands. Stop bands are frequency ranges in which wave propagation is only greatly weakened. In vibroacoustic metamaterials This concept is applied to control and manipulate the propagation of mechanical waves. In this context, the properties of solids, such as density, compression and elastic modulus, are relevant.
  • One way to create stop bands using vibro-acoustic metamaterials is through periodic arrangements of resonant structures, so-called local resonators.
  • the resulting structure behaves in a certain frequency range as if it had a negative effective mass, so that wave propagation is strongly hindered for this range.
  • the individual resonators must all be tuned to the same frequency. Deviations in the periodicity and frequency tuning of the resonators result in a wider but less pronounced stop band.
  • a desired frequency range can be set in which the propagation of mechanical vibrations is dampened.
  • the object of the present protection application is therefore to propose a device that dampens the propagation of mechanical vibrations in a frequency range.
  • this device should have advantages over conventional methods for damping vibrations on electronic components in terms of space requirements, weight, heat dissipation and handling.
  • Such a device for reducing mechanical vibrations on an electronic component comprises an arrangement of local resonators, which are tuned to each have at least one natural frequency in a relevant frequency range, the arrangement of local resonators being configured such that they have at least one stop band for mechanical wave propagation in the electronic component in the relevant frequency range.
  • Electronic components include, for example, electrical components such as capacitors, resistors, coils, diodes, and transistors, but also more complex components such as sensors and integrated circuits. In the context of this application, however, the term “electronic components” is also intended to extend to elements such as connections, cables, switches and relays, as well as other electrical, electromechanical or mechanical components that are used in electronic devices and systems.
  • the electronic component is provided with an arrangement of local resonators.
  • This arrangement of local resonators forms a vibroacoustic metamaterial.
  • the arrangement can be two-dimensional, i.e. in the plane, or three-dimensional in space.
  • the individual resonators each consist of at least one vibrating mass and one spring element.
  • the vibrating mass can have any shape and dimensions and can be made of different materials.
  • the mass of the vibrating mass is an important factor in the frequency tuning of the resonator.
  • the spring element has elastic properties.
  • the spring element can be formed in one piece with the vibrating mass. It can also be a single elastic element, such as a leaf spring.
  • the spring element can have any shape and dimension.
  • the shape and dimensions of the spring element are important factors in the frequency tuning of the resonator.
  • the spring element can be made of the same material as the vibrating mass, or, for example, an elastomer. It should be noted that the vibrating mass and the spring element cannot necessarily be clearly distinguished from one another.
  • the oscillating mass and spring element can be made in one piece and the oscillating mass can also deform in the oscillation.
  • the oscillating mass, the spring element and a certain area of the surroundings of the resonator form a unit cell of the resonator.
  • the arrangement of local resonators consists of a spatial repetition of these unit cells.
  • Each individual resonator has at least a first relevant resonance frequency.
  • the resonance frequency of a resonator is determined by the properties of the entire unit cell.
  • the geometry, mass and elasticity of the surrounding structures also play a role. Frequency tuning of the resonators can therefore be done by varying these properties.
  • the unit cells should be of the order of half a wavelength of the first relevant frequency, or smaller.
  • All local resonators of the metamaterial are tuned to the same, or at least approximately the same, resonance frequency. This creates a stop band around this frequency, which greatly weakens wave propagation in the metamaterial and the electronic component containing it.
  • a stop band can be designed that limits the propagation of mechanical waves in the electronic component. If the resonators have several resonance frequencies in the relevant frequency range, several stop bands can arise around them. These multiple stop bands can separately reduce oscillations in different frequency ranges or overlap to form a large stop band.
  • the arrangement of local resonators can be periodic.
  • a periodic structure results from the spatial repetition of the unit cells of the local resonators.
  • the distance between the local resonators in the arrangement of local resonators can be smaller than half a wavelength of the first relevant frequency in order to ensure advantageous behavior of the arrangement. Together with unit cells of the local resonators in the order of half a wavelength of the first frequency, the dispersion behavior of the arrangement can also be direction-independent.
  • the periodic arrangement of the local resonators with distances less than or equal to half a wavelength can also ensure that at least one further stop band is formed in the tool caused by Bragg scattering at the arrangement. In this way, an additional stop band can be used for another frequency.
  • Additional stop bands can also be generated by designing the local resonators to have multiple resonance frequencies. Furthermore, the arrangement of the local resonators can be chosen so that additional resonance frequencies arise for the arrangement, either by using resonators with different relevant frequencies in the arrangement or by creating additional stop bands due to the shape of the arrangement.
  • the stop band can be broadened by the first resonance frequency. However, it also loses sharpness and the reduction of vibrations in this frequency range is less pronounced. However, these effects may be desirable.
  • slightly different frequency tuning of the resonators can be useful in order to adapt the resonators to their position in the arrangement of local resonators, for example if it is to be expected that additional forces will act on certain areas of the arrangement.
  • the local resonators can be designed as bending beam resonators.
  • This is a beam, i.e. a general cuboid body that is clamped on one side, i.e. fastened, and whose other end can swing freely.
  • This design has advantages in terms of the simplicity of its construction and the ability to adjust its resonance frequency, which can be controlled by the dimensions of the beam and the support point.
  • the beam does not necessarily have to be a classic, elongated beam, but generally a prism that is attached to one side or at a point in such a way that it can swing.
  • the resonator can also be designed as a plate that is machined out of a surrounding material and is connected to it in a corner.
  • resonator Another form of resonator that should be explicitly mentioned is a cross-shaped arrangement that is coupled to the body to be damped in the middle of the cross and has four oscillating masses at the ends of the cross arms.
  • the shape of the individual resonators should not be limited to those described here, but can be chosen according to the respective requirements. In particular, not all resonators of the arrangement of local resonators have to have the same shape, but can be adapted to the conditions of their respective position as long as they have a largely consistent frequency tuning.
  • the local resonators In order to apply the local resonators to an electronic component or a carrier structure, they can be provided with a soldering pin or a soldering surface. By using standardized connections, the application of the resonators can be easily integrated into conventional, industrial manufacturing processes.
  • the local resonators can be applied directly to the electronic component to be damped. In this way, an effective reduction in vibrations can be achieved while saving installation space.
  • the local resonators can be formed in one piece with the electronic component. This increases the design effort, but can save additional installation space. Examples of such a one-piece construction of the local resonators with the electronic component can be curved connecting pins that simultaneously function as bending beam resonators. The arrangement of local resonators can also be carved out of the wafer of a chip.
  • the arrangement of local resonators can also be arranged on a support structure for electronic components. This can have the advantage that the electronic component can be installed unchanged and is not exposed to any additional influences.
  • the arrangement of local resonators can be designed in such a way that they form a stop band for vibrations in several electronic components that are arranged on a support structure.
  • the arrangement of local resonato ren on the support structure of the electronic component can surround it directly in order to dampen mechanical vibrations in the component or to prevent the development of vibrations in it.
  • the arrangement can also be specifically designed at the points or around the points that couple the support structure to the environment in order to dampen the introduction of mechanical vibrations into the support structure and the electronic component.
  • the simplest example of such a support structure can be a printed circuit board.
  • the use of vibroacoustic metamaterials in the form of arrangements of local resonators can eliminate the bending waves that arise at the connection points of circuit boards due to the contact forces on rigid connections.
  • the device for reducing mechanical vibrations can also be easily integrated into existing manufacturing processes.
  • the arrangement of local resonators can also be formed in one piece with a circuit board, i.e. can be machined out of the material of the circuit board.
  • the shape of the resonators already described is particularly suitable for this purpose, in which individual plates are machined out of the material of the circuit board, which are connected to the remaining structure of the circuit board in the area of a corner and are thus mounted to oscillate.
  • a special form in which the arrangement of local resonators is part of the circuit board can be a circuit board in a sandwich structure, in which the local resonators are machined out of one of the inner layers of the circuit board. This design allows additional installation space to be saved because the surface of the circuit board is reserved for the electronic components to be arranged on it.
  • the arrangement of local resonators can be attached to a housing of a device that includes an electronic component.
  • mechanical vibrations in an entire structure can be reduced.
  • it can make sense to connect the locations to which a support structure of an electronic component is connected
  • Housing is coupled to surround it with an arrangement of local resonators to prevent the introduction of mechanical vibrations.
  • the electronic component can be a cable.
  • the arrangement of local resonators can be applied directly to the circumference of the cable. In this way, the conduction of mechanical vibrations in the cable can be dampened.
  • the local resonators can also be integrated into heat sinks. This means that the space requirement can be further reduced by combining the damping of mechanical vibrations with the additional effect of heat dissipation, for which heat sinks are usually already provided. To achieve this effect, the heat sinks or fins must be shaped into a shape in which they can act as local resonators.
  • Another possibility is to implement at least some of the local resonators as active elements, for example as miniaturized piezoelectric loudspeakers.
  • the natural frequency of the local resonators can be actively controlled and thus the properties of the generated stop band or bands can be adapted to specific, even temporary, conditions.
  • Fig. 1 schematically shows a device for reducing mechanical vibrations on an electronic component
  • Fig. 2 shows a further device for reducing mechanical vibrations on a circuit board
  • 3a shows a local resonator with solder pins
  • Fig. 5a is a perspective view of a circuit board from which an arrangement of local resonators is machined
  • Fig. 5b is a top view of the circuit board from Fig. 5a
  • FIG. 6 shows a printed circuit board in a sandwich structure with a middle layer which is provided with an arrangement of local resonators
  • Figure 7a is a perspective view of an electronic component housing
  • Fig. 7b is a top view of the housing from Fig. 7a, in which it can be seen that it is provided with arrangements of local resonators, Figs. 8a-8c schematically represent cables which are provided with arrangements of local resonators,
  • Fig. 10 schematically shows a chip with an integrated arrangement of local resonators.
  • the electronic component can be, for example, a capacitor, a diode, a transistor, a sensor or an integrated circuit .
  • the electronic component 1 is arranged on a circuit board 4.
  • the circuit board 4 is only shown schematically; it could also be provided with other components, as well as with connections and conductor tracks.
  • the circuit board 4 can consist of an electrically insulating material, for example a fiber composite plastic.
  • the electronic component 1 is mechanical and conductive via a plug or solder connection connected to the circuit board 4. It is precisely this connection that can be one of the weak points in the function of the electronic component 1 if it is exposed to mechanical vibrations. For example, fatigue fractures of soldered connections can occur.
  • the arrangement 2 of local resonators 3 is applied directly to the electronic component 1.
  • the local resonators are bending beam resonators in an L shape, with the short beam of the L connecting the longer beam to the surface of the electronic component 1.
  • the arrangement 2 includes a number of local resonators 3 in a periodic pattern.
  • FIG. 2 shows a larger arrangement 2 of local resonators 3 designed as bending beam resonators, which are not applied to an electronic component 1, but rather to a carrier plate 5, and are arranged directly on the circuit board 4 via this.
  • This can be, for example, the back of a circuit board 4, on the front of which an electronic component is arranged that is to be protected from mechanical vibrations. Due to the arrangement 2 of the local resonators 3 on the back of the circuit board 4, the entire installation space on the front of the circuit board 4 can be used for electronic components 1, so that no special layout is required here.
  • all illustrations in the present application show a circuit board 4. However, depending on the application, it can also be a different support structure for electronic components 1, whereby the concepts described can be easily transferred.
  • the arrangements of local resonators shown in FIGS. 1 and 2 work in the same way: all local resonators 3 have approximately the same frequency tuning.
  • the arrangement 2 of local resonators 3 thus forms a vibroacoustic metamaterial which has negative effective mass properties in a frequency range around the resonance frequency of the local resonators 3. If the electronic component 1, or the circuit board 4, is excited from the outside, or by the function of the electronic component 1, to oscillate at this resonance frequency, then this is strongly damped and the oscillation energy is absorbed in the local resonators 3. This creates a stop band, i.e. a frequency range in which wave propagation in electronic component 1 and circuit board 4 is suppressed. Mechanical vibrations that affect the electronic component 1 can thus be greatly reduced.
  • the local resonators can have several resonance frequencies depending on their design, several stop bands around additional frequencies can also be formed. These stop bands can cover different frequency ranges or overlap, creating an enlarged stop band. Likewise, the individual local resonators can be designed with a slightly different frequency tuning. This weakens the vibration reduction in the stop band area, but widens it.
  • FIGS. 3a and 3b show local resonators 3 in a cross-shaped design, each having four arms and crossbars at their ends. Since this version has additional eigenmodes, it can be used to attenuate additional frequency ranges. However, the functionality of this embodiment of the local resonators 3 otherwise corresponds to the bending beam resonators from FIGS. 1 and 2. In addition, FIGS. 3a and 3b show how the local resonators 3 can be arranged on a circuit board 4. In Fig. 3a, the local resonator 3 has solder pins 6 for this purpose. In Fig. 3b, the local resonator has solder pads 7.
  • the local resonator 3 like any other components, can be attached to a circuit board 4 via the soldering pins 6 or the soldering pads 7. Although the local resonators 3 can be soldered in place, this is primarily a mechanical connection since the resonators 3 shown do not require an electrical connection. Things would be different if active elements, for example piezo loudspeakers, were used as local resonators 3. In order to control these and thus be able to adjust their natural frequency, soldering pins 6/soldering pads 7 could also be designed for electrical connections. By using conventional fastening methods such as soldering pins 6 or soldering pads 7, the local resonators can be integrated into common circuit board manufacturing processes without much effort.
  • Fig. 4a provides an overview and shows a circuit board 4 with an electronic component 1 applied to it. This corresponds to the representation of Fig. 1 without an arrangement 2 of local resonators 3. Figs.
  • 4b-4f represent the same circuit board in plan view and show further possibilities as to how arrangements 2 of local resonators 3 can be distributed thereon in order to reduce mechanical vibrations on the electronic component 1.
  • the arrangements 2 of local resonators 3 are shown here as hatched areas.
  • Fig. 4b the arrangement 2 of local resonators 3 is applied directly to the electronic component 1. This corresponds to the embodiment according to FIG. 1. With this embodiment, the relevant mechanical vibrations are dampened directly on the electronic component 1 and no additional installation space on the circuit board 4 is required.
  • the arrangement 2 surrounds the electronic component 1 on the circuit board 4, so that a stop band is formed in the relevant frequency range. This enables a larger arrangement 2.
  • Fig. 4d shows an embodiment in which the arrangement 2 is limited to areas around the connection points of the circuit board 4 and thus has a damping effect directly at the points where the majority of the mechanical vibrations are introduced into the circuit board 4.
  • FIG. 4e and 4f additionally show a plug connection 8 on the circuit board 4. Since mechanical vibrations can also be introduced into the system of circuit board 4 and electronic component 1 via such plug connections 8, it may make sense to dampen these separately. In Fig. 4 e, this is achieved by an arrangement 2 of local resonators 3, which is arranged between the plug connection 8 and the electronic component 1 and thus suppressing the spread of mechanical vibrations towards it.
  • FIGS. 4b-4f can also be combined with one another in order to protect the electronic component 1 from mechanical vibrations from different sources.
  • FIGS. 5a and 5b show a circuit board 4 with integrated local resonators 3.
  • the local resonators 3 are formed in one piece with the circuit board 4 and are machined directly from it, for example by conventional drilling or milling.
  • the individual resonators 3 consist of square plates that are connected to the surrounding circuit board 4 via a corner and are mounted so that they can oscillate. Recesses between vibrating masses and the rest of the circuit board 4 can also be filled with an elastic damping mass.
  • a stop band can in turn form in the circuit board 4.
  • this embodiment is shown in a very simplified manner in FIGS. 5a and 5b, since the arrangement 2 of the local resonators 3 extends over the entire circuit board. However, this should also accommodate at least one electronic component 1.
  • the deposition patterns shown in Figures 4c-4d can be used.
  • FIG. 6 Another embodiment with integrated local resonators 3 is shown in FIG. 6. It is a circuit board 4 in a sandwich structure, which consists of at least three layers.
  • the middle layer 9 is provided with an arrangement 2 of local resonators 3 and its function corresponds to the circuit board 4 shown in FIGS. 5a and 5b.
  • the arrangement 2 of the local resonators does not have to be limited to areas of the circuit board, since the two cover layers 10 serve to hold electronic components.
  • 7a and 7b represent a further embodiment in which the arrangement 2 of local resonators 3 is attached neither directly to the electronic component 1 nor to a circuit board 4, but to a housing 11.
  • the housing 11 surrounds a circuit board 4 and an electronic component 1.
  • the housing can also enclose other elements.
  • the housing 11 directly encapsulates an electronic component 1 without this being arranged on a circuit board 4.
  • the area surrounding the connection points at which the circuit board 4 is coupled to the housing 11 is provided with arrangements 2 of local resonators 3. This is particularly useful since the connection between the housing 11 and the circuit board 4 is usually solved via rigid connections, so that mechanical vibrations are conducted to the electronic component 1 via these points.
  • FIG. 8a-8c show how arrangements 2 of local resonators 3 can also be attached to cables 12 in order to dampen the propagation of mechanical vibrations therein.
  • the local resonators are disk-shaped, with the edge of the disk forming the oscillating mass of the resonator.
  • Fig. 8b shows a cross section through this cable.
  • the circumference of the cable is provided with an array 2 of bending beam resonators 3. Through these arrangements 2 of local resonators 3, a stop band for the propagation of mechanical vibrations in the cable 12 can also be generated.
  • FIGS. 9a and 9b show a heat sink 13, the cooling fins 14 of which also function as local resonators 3.
  • sections of the cooling fins 14 are designed in the form of bending beam resonators.
  • the heat sink 13 comprises a plurality of these ribs, an arrangement 2 of local resonators 3 can be realized in a simple manner. Since corresponding heat sinks are already provided in a large number of electronic systems, no additional installation space is required and there is no additional effort in construction and assembly.
  • Figure 10 shows a miniaturized embodiment of the concept.
  • a MEMS sensor 15 is shown, which is surrounded by an arrangement 2 of local resonators 3, which is machined directly from the wafer of the sensor chip.
  • the arrangement 2 of local resonators 3 is thus formed in one piece with the electronic component 1 and the size of the local resonators 3 can be selected so that they form a stop band for mechanical wave propagation in a frequency range relevant for the MEMS sensor.

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Abstract

Vorrichtung zur Reduktion von mechanischen Schwingungen an einem elektronischen Bauteil (1), umfassend eine Anordnung (2) von lokalen Resonatoren (3), die darauf abgestimmt sind, jeweils mindestens eine Eigenfrequenz in einem relevanten Frequenzbereich aufzuweisen, wobei die Anordnung (2) von lokalen Resonatoren (3) so konfiguriert ist, dass sie mindestens ein Stoppband für mechanische Wellenausbreitung in dem elektronischen Bauteil (1) in dem relevanten Frequenzbereich erzeugt.

Description

Schwingungsreduktion von elektronischen Bauteilen durch vibroakustische Metamaterialien
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Schwingungsreduktion an elektro- nischen Bauteilen auf Basis von vibroakustischen Metamaterialien.
Mechanische Schwingungen stellen eine relevante Belastungsform elektrischer Komponenten dar, die deren Lebensdauer verringern und ihre Ausfallwahrscheinlichkeit maßgeblich erhöhen können. So kann es zum Beispiel auf Grund von Vibrationen zu Ermüdungsbrüchen in Kontaktstellen kommen, die im schlimmsten Fall zu Ausfällen von System führen könnten. Ebenso können hohe mechanische Belastungen auch temporär die Funktionalität von elektronischen Komponenten beeinträchtigen. Betroffen von diesen Problemen sind insbesondere Kondensatoren, Dioden und Transistoren, aber auch komplexere Komponenten wie Sensoren und integrierte Schaltungen. Neben der verringerten Zuverlässigkeit der betroffenen elektronischen Systeme und erhöhtem Wartungsaufwand können mechanische Schwingungen daher in Bereichen wie der Automobil- oder Luftfahrttechnik auch zu sicherheitsrelevanten Problemen werden.
Um die Belastung dieser elektronischen Komponenten auf Grund von mechanischen Schwingungen zu reduzieren, werden beispielsweise Verbindungselemente aus Silikonen oder Elastomeren verwendet, um Leiterplatten von schwingungsübertragenden Bauteilen zu entkoppeln. Eine solche „weiche" Verbindung ist jedoch nicht unter allen Bedingungen zweckmäßig oder erwünscht und beispielsweise bei der Verbindung von Leiterplatten mit Kabeln ineffektiv. Ebenso kann eine Einkapselung der betroffenen Bauteile in einer Vergussmasse diese vor dem Einfluss von Vibrationen schützen, solche Einkapselungen können jedoch auch die Funktion mancher Bauteile negativ beeinflussen und erhöhen in der Regel den Bauraumbedarf. Wenn sich Vibrationen jedoch nicht vermeiden, oder die Bauteile nicht effektiv schützen lassen, werden oftmals spezielle Komponenten verwendet. Diese sind robuster gestaltet, teils überdimensioniert und weisen zum Beispiel zusätzliche Kontakte auf, um eine sichere Verbindung der Bauteile mit einer Leiterplatte zu gewährleisten. Es versteht sich jedoch von selbst, dass solche Komponenten in vielen Anwendungsbereichen Nachteile bezüglich Masse- und Raumaufwand haben.
Um die Nachteile herkömmlicher Methoden zur Schwingungsdämpfung an elektronischen Bauteilen zu umgehen können vibroakustische Metamaterialien verwendet werden. Bei Metamaterialien handelt es sich um künstliche, meist periodische, Strukturen, die dazu ausgelegt sind, besondere leitende, isolierende, dämpfende oder verstärkende Eigenschaften zu erzielen. Auf diese Weise lassen sich zum Beispiel Strukturen gestalten, die Stoppbänder ausbilden. Stoppbänder sind Frequenzbereiche in denen Wellenausbreitung nur stark abgeschwächt stattfindet. Bei vibroakustischen Metamaterialien wird dieses Konzept angewendet, um die Ausbreitung von mechanischen Wellen zu kontrollieren und zu manipulieren. In diesem Rahmen sind dabei die Eigenschaften von Festkörpern, wie Dichte, Kompressions- und Elastizitätsmodul relevant. Eine Möglichkeit zur Erzeugung von Stoppbändern durch vibroa- kustische Metamaterialien sind periodische Anordnungen von resonanten Strukturen, sogenannte lokale Resonatoren. Durch die Interaktionen der lokalen Resonatoren mit ihrer Umgebung verhält sich die resultierende Struktur in einem bestimmten Frequenzbereich, als hätte sie eine negative effektive Masse, sodass die Wellenausbreitung für diesen Bereich stark behindert wird. Um ein stark ausgeprägtes Stoppband zu erzeugen, müssen die einzelnen Resonatoren alle auf dieselbe Frequenz abgestimmt sein. Bei Abweichungen in der Periodizität und Frequenzabstimmung der Resonatoren ergibt sich ein breiteres, aber weniger stark ausgeprägtes Stoppband. Durch geschicktes Design von vibroakustischen Metamaterialien lässt sich so ein gewünschter Frequenzbereich einstelle, in dem die Ausbreitung mechanischer Schwingungen gedämpft wird.
Aufgabe der vorliegenden Schutzanmeldung ist es daher, eine Vorrichtung vorzuschlagen, die die Ausbreitung von mechanischen Schwingungen in einem Frequenzbereich dämpft. Gleichzeitig soll diese Vorrichtung gegenüber herkömmlichen Methoden zur Schwingungsdämpfung an elektronischen Bauteilen Vorteile in Bezug auf Bauraumbedarf, Gewicht, Wärmeableitung und Handhabung aufweisen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Reduktion von mechanischen Schwingungen an einem elektronischen Bauteil gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst.
Eine solche Vorrichtung zur Reduktion von mechanischen Schwingungen an einem elektronischen Bauteil, umfasst eine Anordnung von lokalen Resonatoren, die darauf abgestimmt sind, jeweils mindestens eine Eigenfrequenz in einem relevanten Frequenzbereich aufzuweisen, wobei die Anordnung von lokalen Resonatoren so konfiguriert ist, dass sie mindestens ein Stoppband für mechanische Wellenausbreitung in dem elektronischen Bauteil in dem relevanten Frequenzbereich erzeugt. Elektronische Bauteile sind zum Beispiel elektrische Bauelemente wie Kondensatoren, Widerstände, Spulen, Dioden, und Transistoren, aber auch komplexere Komponenten wie Sensoren und integrierte Schaltungen. Im Rahmen dieser Anmeldung soll sich der Begriff „elektronische Bauteile" jedoch auch auf Elemente wie Anschlüsse, Kabel, Schalter und Relais, sowie auf weitere elektrische, elektromechanische oder mechanische Bauteile erstrecken, die in elektronischen Geräten und Anlagen Anwendung finden.
Zur Schwingungsreduktion ist das elektronische Bauteil mit einer Anordnung von lokalen Resonatoren versehen. Diese Anordnung von lokalen Resonatoren bildet ein vibroakustisches Metamaterial aus. Die Anordnung kann zweidimensional, also in der Ebene, oder dreidimensional im Raum sein. Die einzelnen Resonatoren bestehen jeweils mindestens aus einer schwingenden Masse und einem Federelement. Die schwingende Masse kann eine beliebige Form und Abmessung haben und aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Die Masse der schwingenden Masse ist ein wichtiger Faktor bei der Frequenzabstimmung des Resonators. Das Federelement hat elastische Eigenschaften. Das Federelement kann einteilig mit der schwingenden Masse ausgebildet. Es kann sich ebenso um ein einzelnes elastisches Element, wie zum Beispiel um eine Blattfeder, handeln. Das Federelement kann eine beliebige Form und Abmessung haben. Insbesondere sind Form und Abmessung des Federelements wichtige Faktoren bei der Frequenzabstimmung des Resonators. Das Federelement kann aus demselben Material wie die schwingende Masse, oder beispielsweise auch um ein Elastomer handeln. Es ist anzumerken, dass schwingende Masse und Federelement nicht unbedingt klar voneinander abzugrenzen sind. Schwingende Masse und Federelement können einteilig ausgebildet sein und auch die schwingende Masse kann sich in der Schwingung verformen. Die schwingende Masse, das Federelement und ein gewisser Bereich der Umgebung des Resonators bilden eine Einheitszelle des Resonators. Die Anordnung von lokalen Resonatoren besteht aus einer räumlichen Wiederholung dieser Einheitszellen.
Jeder einzelne Resonator besitzt mindestens eine erste relevante Resonanzfrequenz. Bei einer Anregung mit einer Resonanzfrequenz wird die Amplitude der Schwingung des Resonators maximal. Die Resonanzfrequenz eines Resonators wird dabei durch die Eigenschaften der gesamten Einheitszelle bestimmt. Es spielt also neben der Masse der schwingenden Masse und des Federelements und den elastischen Eigenschaften des Federelements auch die Geometrie, Masse und Elastizität der umgebenden Strukturen eine Rolle. Eine Frequenzabstimmung der Resonatoren kann also durch Variation dieser Eigenschaften erfolgen. Die Einheitszellen sollten in der Größenordnung einer halben Wellenlänge der ersten relevanten Frequenz, oder kleiner, dimensioniert sein.
Alle lokalen Resonatoren des Metamaterials sind auf die gleiche, oder zumindest annähernd gleiche, Resonanzfrequenz abgestimmt. So entsteht ein Stoppband um diese Frequenz, das eine Wellenausbreitung im Metamaterial und im damit versehenen elektronischen Bauteil stark abschwächt. Durch die Abstimmung der Resonanzfrequenz der lokalen Resonatoren lässt sich so ein Stoppband gestalten, das die Ausbreitung von mechanischen Wellen in dem elektronischen Bauteil einschränkt. Weisen die Resonatoren mehrere Resonanzfrequenzen in dem relevanten Frequenzbereich auf, so können mehrere Stoppbänder um diese entstehen. Diese mehreren Stoppbänder können getrennt Schwingungen in unterschiedlichen Frequenzbereichen reduzieren cider sich überlappen und so ein großes Stoppband bilden.
Die Anordnung von lokalen Resonatoren kann periodisch sein. Eine periodische Struktur ergibt sich aus der räumlichen Wiederholung der Einheitszellen der lokalen Resonatoren.
Der Abstand der lokalen Resonatoren zueinander in der Anordnung von lokalen Resonatoren kann kleiner sein als eine halbe Wellenlänge der ersten relevanten Frequenz, um ein vorteilhaftes Verhalten der Anordnung zu gewährleisten. Zusammen mit Einheitszellen der lokalen Resonatoren in der Größenordnung einer halben Wellenlänge der ersten Frequenz kann so auch das Dispersionsverhalten der Anordnung richtungsunabhängig sein.
Durch die periodische Anordnung der lokalen Resonatoren mit Abständen kleiner oder gleich einer halben Wellenlänge kann außerdem erreicht werden, dass sich mindestens ein weiteres Stoppband in dem Werkzeug ausbildet, das durch Bragg-Streuung an der Anordnung entsteht. Auf diese Weise lässt sich ein zusätzliches Stoppband um eine weitere Frequenz ausnutzen.
Weitere Stoppbänder lassen sich auch erzeugen, in dem die lokalen Resonatoren so ausgebildet sind, dass sie mehrere Resonanzfrequenzen aufweisen. Des Weiteren kann die Anordnung der lokalen Resonatoren so gewählt werden, dass sich zusätzliche Resonanzfrequenzen für die Anordnung ergeben, indem entweder Resonatoren mit verschiedenen relevanten Frequenzen in der Anordnung verwendet werden oder sich weitere Stoppbänder durch die Form der Anordnung ergeben.
Sind die einzelnen lokalen Resonatoren leicht unterschiedlich abgestimmt, lässt sich das Stoppband um die erste Resonanzfrequenz verbreitern. Es verliert dabei jedoch auch an Schärfe, die Reduktion von Schwingungen in diesem Frequenzbereich fällt weniger stark aus. Diese Effekte können jedoch erwünscht sein. Außerdem können leicht unterschiedliche Frequenzabstimmungen der Resonatoren sinnvoll sein, um die Resonatoren an ihre Position in der Anordnung von lokalen Resonatoren anzupassen, beispielsweise, wenn zu erwarten ist, dass auf bestimmte Bereiche der Anordnung zusätzliche Kräfte wirken.
Zumindest einige der lokalen Resonatoren können als Biegebalkenresonatoren ausgeführt sein. Dabei handelt es sich um einen Balken, also einen allgemeinen quaderförmigen Körper, der einseitig eingespannt, also befestigt, ist und dessen anderes Ende frei schwingen kann. Diese Ausführung hat Vorteile in Bezug auf die Einfachheit ihrer Konstruktion und die Einsteilbarkeit ihrer Resonanzfrequenz, die sich durch die Maße des Balkens und des Auflagepunktes steuern lässt. Es ist dabei anzumerken, dass es sich bei den Balken nicht zwingend um einen klassischen, länglichen Balken handeln muss, sondern allgemein um ein Prisma, das an einer Seite oder an einem Punkt so befestigt ist, dass es schwingen kann. Insbesondere kann der Resonator auch als Platte gestaltet sein, die aus einem umgebenden Material herausgearbeitet ist und mit diesem in einer Ecke verbunden ist. Eine weitere Form eines Resonators, die explizit erwähnt werden soll, ist eine kreuzförmige Anordnung, die mit dem zu dämpfenden Körper in der Mitte des Kreuzes gekoppelt ist und an den Enden der Kreuzarme vier schwingende Massen aufweist. Durch die Wahl der Form der Resonatoren können die Eigenmoden der Schwingung der Resonatoren und ihre Eigenfrequenzen und damit auch der Frequenzbereich des in der Anordnung entstehenden Stoppbandes bestimmt werden. Die Form der einzelnen Resonatoren soll dabei nicht auf die hier beschriebenen beschränkt werden, sondern kann nach den jeweiligen Anforderungen gewählt werden. Insbesondere müssen auch nicht alle Resonatoren der Anordnung von lokalen Resonatoren die gleiche Form aufweisen, sondern können an die Gegebenheiten ihrer jeweiligen Position angepasst sein, solange sie eine weitestgehend übereinstimmende Frequenzabstimmung aufweisen.
Um die lokalen Resonatoren auf einem elektronischen Bauteil oder einer Trägerstruktur aufzubringen, können sie mit einem Lötpin oder einer Lötfläche versehen sein. Durch die Verwendung standardisierter Verbindungen kann das Aufbringen der Resonatoren auf einfache Weise in herkömmliche, industrielle Herstellungsprozesse eingebunden werden.
Die lokalen Resonatoren können direkt auf das zu dämpfende elektronische Bauteil aufgebracht werden. Auf diese Weise lässt sich eine effektive Reduktion von Schwingungen bei Einsparung von Bauraum erreichen.
Insbesondere können die lokalen Resonatoren einteilig mit dem elektronischen Bauteil ausgebildet sein. Diese erhöht den Konstruktionsaufwand, kann aber weiteren Bauraum einsparen. Beispiele für eine solche einteilige Konstruktion der lokalen Resonatoren mit dem elektronischen Bauteil können gebogene Verbindungspins sein, die gleichzeitig als Biegebalkenresonatoren fungieren. Ebenso kann die Anordnung von lokalen Resonatoren aus dem Wafer eines Chips herausgearbeitet sein.
Stattdessen kann die Anordnung von lokalen Resonatoren auch auf einer Trägerstruktur für elektronische Bauteile angeordnet sein. Dies kann den Vorteil haben, dass das elektronische Bauteil unverändert verbaut werden kann und keinen zusätzlichen Einflüssen ausgesetzt ist. Außerdem kann die Anordnung von lokalen Resonatoren so ausgeführt werden, dass sie ein Stoppband für Schwingungen in mehreren elektronischen Bauteilen, die auf einer Trä- gerstruktur angeordnet sind, ausbildet. Die Anordnung von lokalen Resonato- ren auf der Trägerstruktur des elektronischen Bauteils kann dieses direkt umgeben, um mechanische Schwingungen in dem Bauteil zu dämpfen oder die Entstehung von Vibrationen in diesem zu unterbinden. Die Anordnung kann auch gezielt an den Punkten, oder um die Punkte herum ausgebildet sein, die die Trägerstruktur mit der Umgebung koppeln, um die Einleitung von mechanischen Schwingungen in die Trägerstruktur und das elektronische Bauteil zu dämpfen.
Das einfachste Beispiel einer solchen Trägerstruktur kann eine Leiterplatte sein. Insbesondere können durch die Verwendung von vibroakustischen Metamaterialien in Form von Anordnungen lokaler Resonatoren die Biegewellen, welche an den Anbindungspunkten von Leiterplatten durch die Kontaktkräfte an starren Verbindungen entstehen, eliminiert werden. Durch das Aufbringen einer Anordnung von lokalen Resonatoren auf eine herkömmliche Leiterplatte lässt sich außerdem die Vorrichtung zur Reduktion von mechanischen Schwingungen auf einfache Weise in bestehende Herstellungsprozesse integrieren.
Die Anordnung von lokalen Resonatoren kann auch einteilig mit einer Leiterplatte ausgebildet sein, also aus dem Material der Leiterplatte herausgearbeitet sein. Dazu bietet sich insbesondere die bereits beschriebene Form der Resonatoren an, in der einzelne Platten aus dem Material der Leiterplatte herausgearbeitet werden, die im Bereich einer Ecke mit der verbleibenden Struktur der Leiterplatte verbunden sind und so schwingend gelagert sind. Eine besondere Form, in der die Anordnung von lokalen Resonatoren Teil der Leiterplatte ist, kann eine Leiterplatte in Sandwichstruktur sein, in der die lokalen Resonatoren aus einer der inneren Lagen der Leiterplatte herausgearbeitet sind. Durch diese Ausführung kann weiterer Bauraum gespart werden, da die Oberfläche der Leiterplatte den darauf anzuordnenden elektronischen Komponenten vorbehalten bleibt.
In einer weiteren Form kann die Anordnung von lokalen Resonatoren an einem Gehäuse eines Geräts, dass ein elektronisches Bauteil umfasst, angebracht sein. Auf diese Weise können die mechanischen Schwingungen in einem gesamten Aufbau reduziert werden. Insbesondere kann es sinnvoll sein, die Stellen, an die eine Trägerstruktur eines elektronischen Bauteils mit einem Gehäuse gekoppelt ist, mit einer Anordnung von lokalen Resonatoren zu umgeben, um die Einleitung von mechanischen Schwingungen zu unterbinden.
Das elektronische Bauteil kann ein Kabel sein. In diesem Fall kann die Anordnung von lokalen Resonatoren direkt auf dem Umfang des Kabels aufgebracht sein. Auf diese Weise lässt sich die Leitung von mechanischen Schwingungen in dem Kabel dämpfen.
Die lokalen Resonatoren können auch in Kühlkörper integriert sein. Somit lässt sich der Raumbedarf weiter reduzieren, in dem die Dämpfung von mechanischen Schwingungen mit dem zusätzlichen Effekt der Wärmeableitung kombiniert wird, für den in der Regel bereits Kühlkörper vorgesehen sind. Um diesen Effekt zu erreichen, müssen die Kühlkörper oder -rippen in eine Form gebracht werden, in der sie als lokale Resonatoren fungieren können.
Eine weitere Möglichkeit ist es, zumindest einige der lokalen Resonatoren als aktive Elemente, beispielsweise als miniaturisierte piezoelektrische Lautsprecher, aufzuführen. Auf diese Weise lässt sich die Eigenfrequenz der lokalen Resonatoren aktiv steuern und somit auch die Eigenschaften des erzeugten Stoppbandes oder der erzeugten Stoppbänder an spezifische, auch temporäre, Gegebenheiten anpassen.
Die beschriebenen Ausführungsformen des Gegenstandes der vorliegenden Anmeldung können dabei sowohl einzeln verwendet als auch kombiniert werden, um zusätzliche Effekte zu erzielen und eine Vorrichtung zu bieten, die zur Reduktion von mechanischen Schwingungen an elektronischen Bauteilen mit einer Anordnung von lokalen Resonatoren versehen ist.
Die erwähnten, sowie weitere Aspekte der Erfindung werden ersichtlich anhand der detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die mit Hilfe der folgenden Zeichnungen gegeben wird, von welchen:
Fig. 1 eine Vorrichtung zur Reduktion von mechanischen Schwingungen auf einem elektronischen Bauteil schematisch darstellt, Fig. 2 eine weitere Vorrichtung zur Reduktion von mechanischen Schwingungen auf einer Leiterplatte darstellt, Fig. 3a einen lokalen Resonator mit Lötpins darstellt und Fig. 3b einen lokalen Resonator mit einem Lötpad darstellt, Fig. 4a-4f verschieden Möglichkeiten zur Anbringung einer Anordnung von lokalen Resonatoren auf einem elektronischen Bauteil oder auf einer Leiterplatte darstellen,
Fig. 5a eine perspektivische Ansicht einer Leiterplatte, aus der eine Anordnung von lokalen Resonatoren herausgearbeitet ist, Fig. 5b eine Draufsicht der Leiterplatte aus Fig. 5a ist,
Fig. 6 eine Leiterplatte in Sandwichstruktur mit einer mittleren Lage, die mit einer Anordnung von lokalen Resonatoren versehen ist, darstellt,
Fig. 7a eine perspektivische Ansicht eines Gehäuses eines elektronischen Bauteils ist, und
Fig. 7b eine Draufsicht des Gehäuses aus 7a ist, in der zu erkennen ist, dass dieses mit Anordnungen von lokalen Resonatoren versehen ist, Fig. 8a-8c Kabel, die mit Anordnungen von lokalen Resonatoren versehen sind, schematisch darstellen,
Fig. 9a und 9b Kühlkörper, in die lokale Resonatoren integriert sind, schematisch darstellen, und
Fig. 10 einen Chip mit integrierter Anordnung von lokalen Resonatoren schematisch darstellt.
Im Folgenden sollen die beanspruchten Gegenstände auf Basis der begleitenden Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente.
In Fig. 1 ist eine vereinfachte, schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Reduktion von mechanischen Schwingungen auf einem elektronischen Bauteil 1. Bei dem elektronischen Bauteil kann es sich um beispielsweise um einen Kondensator, eine Diode, einen Transistor, einen Sensor oder um einen integrierten Schaltkreis handeln. Das elektronische Bauteil 1 ist auf einer Leiterplatte 4 angeordnet. Die Leiterplatte 4 ist nur schematisch dargestellt, sie könnte auch mit weiteren Bauteilen, sowie mit Anschlüssen und Leiterbahnen versehen sein. Die Leiterplatte 4 kann aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise aus einem Faserverbundkunstoff bestehen. Das elektronische Bauteil 1 ist über eine Steck- oder Lötverbindung mechanisch und leitend mit der Leiterplatte 4 verbunden. Eben diese Verbindung kann einer der Schwachpunkt in der Funktion des elektronischen Bauteils 1 sein, wenn dieses mechanischen Schwingungen ausgesetzt ist. Beispielweise kann es zu Ermüdungsbrüchen von Lötverbindungen kommen. Um die Belastung des elektronischen Bauteils 1 durch mechanische Schwingungen zu reduzieren, ist dieses mit einer Anordnung 2 von lokalen Resonatoren 3 versehen. Die Anordnung 2 von lokalen Resonatoren 3 ist direkt auf dem elektronischen Bauteil 1 aufgebracht. Bei den lokalen Resonatoren handelt es sich um Biegebalkenresonatoren in L-Form, wobei der kurze Balken des L den längeren Balken mit der Oberfläche des elektronischen Bauteils 1 verbindet. Die Anordnung 2 umfasst eine Anzahl von lokalen Resonatoren 3 in einem periodischen Muster.
Ein ähnlicher Aufbau ist auch in Fig. 2 gezeigt. In dieser Darstellung ist eine größere Anordnung 2 von als Biegebalkenresonatoren ausgeführten lokalen Resonatoren 3 gezeigt, die nicht auf einem elektronischen Bauteil 1, sondern auf einer Trägerplatte 5 aufgebracht, und über diese direkt auf der Leiterplatte 4 angeordnet sind. Es kann sich hier beispielsweise um die Rückseite einer Leiterplatte 4 handeln, auf deren Vorderseite ein elektronisches Bauteil angeordnet ist, das vor mechanischen Schwingungen geschützt werden soll. Durch die Anordnung 2 der lokalen Resonatoren 3 auf der Rückseite der Leiterplatte 4 kann der vollständige Bauraum auf der Vorderseite der Leiterplatte 4 für elektronische Bauteile 1 aufgewendet werden, sodass hier kein spezielles Layout benötigt wird. Es ist außerdem anzumerken, dass alle Darstellungen der vorliegenden Anmeldung eine Leiterplatte 4 zeigen. Es kann sich jedoch, je nach Anwendung, auch um eine andere Trägerstruktur für elektronische Bauteile 1 handeln, wobei sich die beschriebenen Konzepte einfach übertragen lassen.
Die in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Anordnungen von lokalen Resonatoren wirken auf die gleiche Weise: Alle lokalen Resonatoren 3 weisen eine annähernd gleiche Frequenzabstimmung auf. Die Anordnung 2 von lokalen Resonatoren 3 bildet so ein vibroakustisches Metamaterial aus, das in einem Frequenzbereich um die Resonanzfrequenz der lokalen Resonatoren 3 negative effektive Masseeigenschaften aufweist. Wird das elektronische Bauteil 1, oder die Leiterplatte 4 von außen, oder auch durch die Funktion des elektronischen Bauteiles 1, zu einer Schwingung mit dieser Resonanzfrequenz angeregt, so wird diese stark gedämpft und die Schwingungsenergie wird in den lokalen Resonatoren 3 aufgenommen. So entsteht ein Stoppband, also ein Frequenzbereich, in dem eine Wellenausbreitung in elektronischen Bauteil 1 und Leiterplatte 4 unterdrückt wird. Somit lassen mechanische Schwingungen, die auf das elektronische Bauteil 1 wirken, stark reduzieren. Da die lokalen Resonatoren je nach ihrer Ausführung mehrere Resonanzfrequenzen haben können, können sich so auch mehrere Stoppbänder um weitere Frequenzen ausbilden. Dabei können diese Stoppbänder verschiedenen Frequenzbereich abdecken, oder sich überlappen, sodass ein vergrößertes Stoppband entsteht. Ebenso können die einzelnen lokalen Resonatoren mit einer leicht unterschiedlichen Frequenzabstimmung ausgeführt werden. Dadurch wird die Schwingungsreduktion im Stoppbandbereich zwar geschwächt, dieses wird jedoch verbreitert.
Fig. 3a und 3b stellen lokale Resonatoren 3 in kreuzförmiger Ausführung dar, die jeweils vier Arme und Querbalken an deren Enden aufweisen. Da diese Ausführung zusätzliche Eigenmoden aufweist, können mit ihr zusätzliche Frequenzbereiche gedämpft werden. Die Funktionsweise dieser Ausführung der lokalen Resonatoren 3 entspricht jedoch ansonsten der Biegebalkenresonatoren aus Fig. 1 und 2. Außerdem ist in Fig. 3a und 3b dargestellt, wie die lokalen Resonatoren 3 auf einer Leiterplatte 4 angeordnet werden können. In Fig. 3a weist der lokale Resonator 3 zu diesem Zweck Lötpins 6 auf. In Fig. 3b weist der lokale Resonator Lötpads 7 auf. Über die Lötpins 6 oder die Lötpads 7 kann der lokale Resonator 3 wie jegliche andere Komponenten auf einer Leiterplatte 4 befestigt werden. Obwohl die lokalen Resonatoren 3 festgelötet werden können, handelt es sich hier in erster Linie um eine mechanische Verbindung, da die gezeigten Resonatoren 3 keine elektrische Verbindung benötigen. Anders sähe es bei der Verwendung von aktiven Elementen, beispielsweise von Piezolautsprechern, als lokalen Resonatoren 3 aus. Um diese anzusteuern, und so ihre Eigenfrequenz einstellen zu können, könnten Lötpins 6/ Lötpads 7 auch für elektrische Verbindungen ausgelegt sein. Durch die Verwendung herkömmlicher Befestigungsmethoden wie Lötpins 6 oder Lötpads 7 können die lokalen Resonatoren ohne größeren Aufwand in gängige Herstellungsprozesse von Leiterplatten integriert werden. So können beispielweise herkömmliche Bestückungsmaschinen zum Platzieren der Resonatoren 3 verwendet werden und diesen dann automatisiert aufgelötet werden. Um die die Ausbildung eines Stoppbandes zu gewährleisten, sollte die Anordnung 2 der lokalen Resonatoren 3 annähernd periodisch sein und der Abstand der lokalen Resonatoren 3 zueinander weniger als eine halbe Wellenlänge einer relevanten Frequenz bemessen. Des Weiteren ist jedoch auch die Position der Anordnung 2 von lokalen Resonatoren 3 relevant. Dies ist in Fig. 4a-4f dargestellt. Fig. 4a dient zur Übersicht und zeigt eine Leiterplatt 4 mit einem darauf aufgebrachten elektronischen Bauteil 1. Dies entspricht der Darstellung von Fig. 1 ohne einer Anordnung 2 von lokalen Resonatoren 3. Fig. 4b-4f stellen die gleiche Leiterplatte in Draufsicht dar und zeigen weitere Möglichkeiten, wie Anordnungen 2 von lokalen Resonatoren 3 auf dieser verteilt werden können, um mechanische Schwingungen an dem elektronischen Bauteil 1 zu reduzieren. Die Anordnungen 2 von lokalen Resonatoren 3 sind hier als schraffierte Bereiche dargestellt.
In Fig. 4b ist die Anordnung 2 von lokalen Resonatoren 3 direkt auf dem elektronischen Bauteil 1 aufgebracht. Dies entspricht der Ausführung nach Fig. 1. Durch diese Ausführung werden die relevanten mechanischen Schwingungen direkt an dem elektronischen Bauteil 1 gedämpft und es wird kein zusätzlicher Bauraum auf der Leiterplatte 4 benötigt.
In Fig. 4c umgibt die Anordnung 2 das elektronische Bauteil 1 auf der Leiterplatte 4, sodass in dieser ein Stoppband in dem relevanten Frequenzbereich ausgebildet wird. Diese ermöglicht eine großflächigere Anordnung 2.
Fig. 4d zeigt eine Ausführung, in der die Anordnung 2 auf Bereiche um die Anbindungsstellen der Leiterplatte 4 beschränkt ist und so direkt an den Stellen dämpfend wirkt, an denen der Großteil der mechanischen Schwingungen in die Leiterplatte 4 eingeleitet werden.
Fig. 4e und 4f zeigen zusätzlich eine Steckverbindung 8 auf der Leiterplatte 4. Da auch über solche Steckverbindungen 8 mechanische Schwingungen in das System aus Leiterplatte 4 und elektronischen Bauteil 1 eingebracht werden können, kann es sinnvoll sein, diese gesondert zu dämpfen. In Fig. 4 e wird dies durch eine Anordnung 2 von lokalen Resonatoren 3 erreicht, die zwischen der Steckverbindung 8 und dem elektronischen Bauteil 1 angeordnet ist und so die Ausbreitung von mechanischen Schwingungen zu diesem hin unterdrückt.
In Fig. 4f ist die Anordnung 2 von lokalen Resonatoren 3 direkt auf der Steckverbindung 8 vorgesehen, um die hier eingeleiteten Schwingungen zu dämpfen.
Natürlich lassen sich die in Fig. 4b-4f dargestellten Aufbringungsmuster auch miteinander kombinieren, um das elektronische Bauteil 1 vor mechanischen Schwingungen aus unterschiedlichen Quellen zu schützen.
Fig. 5a und 5b zeigen eine Leiterplatte 4 mit integrierten lokalen Resonatoren 3. In dieser Darstellung sind die lokalen Resonatoren 3 einteilig mit der Leiterplatte 4 ausgebildet und direkt aus dieser, beispielsweise durch herkömmliches Bohren oder Fräsen, aus dieser herausgearbeitet. Die einzelnen Resonatoren 3 bestehen so aus quadratischen Plättchen, die über eine Ecke mit der umgebenden Leiterplatte 4 verbunden und so schwingfähig gelagert sind. Aussparungen zwischen schwingenden Massen und restlicher Leiterplatte 4 kann auch mit einer elastischen Dämpfungsmasse gefüllt werden. Durch die Anregung der lokalen Resonatoren 3 bei ihrer Eigenfrequenz kann sich so wiederum ein Stoppband in der Leiterplatte 4 ausbilden. Es ist anzumerken, dass diese Ausführungsform in Fig. 5a und 5b stark vereinfacht dargestellt ist, da sich die Anordnung 2 der lokalen Resonatoren 3 über die gesamte Leiterplatte erstreckt. Diese soll jedoch auch mindestens ein elektronisches Bauteil 1 aufnehmen. Zu diesem Zweck können für eine tatsächliche Ausführung mit integrierten lokalen Resonatoren die in Fig. 4c-4d gezeigten Aufbringungsmuster verwendet werden.
Eine weitere Ausführungsform mit integrierten lokalen Resonatoren 3 ist in Fig. 6 dargestellt. Es handelt sich um eine Leiterplatte 4 in Sandwichstruktur, die aus mindestens drei Lagen besteht. Dabei ist die mittlere Lage 9 mit einer Anordnung 2 von lokalen Resonatoren 3 versehene und entspricht in ihrer Funktion der in Fig. 5a und 5b gezeigten Leiterplatte 4. Allerdings muss in dieser Ausführungsform die Anordnung 2 der lokalen Resonatoren nicht auf Bereiche der Leiterplatte beschränkt werden, da die beiden Deckschichten 10 zur Aufnahme von elektronischen Bauteilen dienen. Fig. 7a und 7b stellen eine weitere Ausführungsform dar, in der die Anordnung 2 von lokalen Resonatoren 3 weder direkt an dem elektronischen Bauteil 1, noch auf einer Leiterplatte 4, sondern an einem Gehäuse 11 angebracht ist. Das Gehäuse 11 umgibt in dieser Darstellung eine Leiterplatte 4 und ein elektronisches Bauteil 1. Das Gehäuse kann aber auch weitere Elemente umschließen. Ebenso ist es denkbar, dass das Gehäuse 11 ein elektronisches Bauteil 1 direkt umkapselt, ohne dass dieses auf einer Leiterplatte 4 angeordnet ist. In der Draufsicht in Fig. 7b ist zu erkennen, dass die Umgebung der Anbindungspunkte, an denen die Leiterplatte 4 mit dem Gehäuse 11 gekoppelt ist, mit Anordnungen 2 von lokalen Resonatoren 3 versehen ist. Dies ist besonders zweckmäßig, da die Verbindung von Gehäuse 11 und Leiterplatte 4 in der Regel über starre Verbindungen gelöst ist, sodass über diese Punkte mechanische Schwingungen zu dem elektronischen Bauteil 1 geleitet werden. Ebenso könnte es jedoch auch sinnvoll sein, andere Bereiche des Gehäuses 11 mit Anordnungen 2 von lokalen Resonatoren zu versehen, zum Beispiel wenn in dem Gehäuse weitere Komponenten angeordnet sind, die Vibrationen erzeugen.
Fig. 8a-8c stellen dar, wie Anordnungen 2 von lokalen Resonatoren 3 auch an Kabeln 12 angebracht werden können, um die Ausbreitung von mechanischen Schwingungen in diesen zu dämpfen. In Fig. 8a sind die lokalen Resonatoren scheibenförmig ausgebildet, wobei der Rand der Scheibe die schwingende Masse des Resonators bildet. Fig. 8b zeigt einen Querschnitt durch dieses Kabel. In Fig. 8c ist der Umfang des Kabels mit einer Anordnungen 2 von Biegebalkenresonatoren 3 versehen. Durch diese Anordnungen 2 von lokalen Resonatoren 3 kann so auch ein Stoppband für die Ausbreitung von mechanischen Schwingungen in dem Kabel 12 erzeugt werden.
Fig. 9a und 9b zeigen einen Kühlkörper 13, dessen Kühlrippen 14 zusätzlich als lokale Resonatoren 3 fungieren. Zu diesem Zweck sind Abschnitte der Kühlrippen 14 in Form von Biegebalkenresonatoren ausgebildet. Da der Kühlkörper 13 eine Mehrzahl dieser Rippen umfasst, lässt sich so auf einfache Weise eine Anordnung 2 von lokalen Resonatoren 3 realisieren. Da entsprechende Kühlkörper ohnehin in einer Vielzahl von elektronischen Systemen vorgesehen sind, wird kein zusätzlicher Bauraum benötigt und es entsteht kein zusätzlicher Aufwand in Konstruktion und Zusammenbau. Fig. 10 zeigt eine miniaturisierte Ausführung des Konzepts. Es ist ein MEMS- Sensor 15 dargestellt, der von einer Anordnung 2 von lokalen Resonatoren 3 umgeben ist, die direkt aus dem Wafer des Chips des Sensors herausgearbeitet ist. Die Anordnung 2 von lokalen Resonatoren 3 ist somit einteilig mit dem elektronischen Bauteil 1 ausgebildet und die Größenordnung der lokalen Resonatoren 3 kann so gewählt werden, dass sie ein Stoppband für mechanische Wellenausbreitung in einem für den MEMS-Sensor relevanten Frequenzbereich ausbilden.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele machen ersichtlich, dass sich durch die Verwendung von vibroakustischen Metamaterialien, ausgebildet von Anordnungen 2 von lokalen Resonatoren 3, eine raumsparende Möglichkeit mit geringem Konstruktionsaufwand ergibt, um mechanische Schwingungen an einem elektronischen Bauteil 1 zu reduzieren. Ebenso ist ersichtlich, dass es eine Vielzahl von Möglichkeiten solche vibroakustischen Metamaterialien so an elektronischen Bauteilen 1, Leiterplatten 4 und Gehäusen 11 anzubringen, dass ein vorteilhafter Effekt entsteht.
Die hier gezeigten Ausführungsbeispiele sind daher nicht begrenzend. Insbesondere können diese Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden, um zusätzliche Effekte zu erzielen. Für den Fachmann ist offensichtlich, dass Änderungen an diesen Ausführungsbeispielen vorgenommen werden können, ohne die grundlegenden Prinzipien des Gegenstandes dieser Schutzanmeldung zu verlassen, deren Bereich in den Ansprüchen definiert ist.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Reduktion von mechanischen Schwingungen an einem elektronischen Bauteil (1), umfassend eine Anordnung (2) von lokalen Resonatoren (3), die darauf abgestimmt sind, jeweils mindestens eine Eigenfrequenz in einem relevanten Frequenzbereich aufzuweisen, wobei die Anordnung (2) von lokalen Resonatoren (3) so konfiguriert ist, dass sie mindestens ein Stoppband für mechanische Wellenausbreitung in dem elektronischen Bauteil (1) in dem relevanten Frequenzbereich erzeugt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (2) von lokalen Resonatoren (3) periodisch ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand der lokalen Resonatoren (3) zueinander kleiner als eine halbe Wellenlänge in einem relevanten Frequenzbereich ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne lokale Resonatoren (3) eine geringfügig unterschiedliche Frequenzabstimmung aufweisen, so dass das mindestens eine Stoppband verbreitert wird.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der lokalen Resonatoren (3) als Biegebalkenresonatoren ausgeführt sind.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lokalen Resonatoren (3) mit einem Lötpin (6) cider mit einer Lötfläche (7) versehen sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung von lokalen Resonatoren direkt auf dem elektronischen Bauteil (1) angebracht ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (2) von lokalen Resonatoren (3) einteilig mit dem elektronischen Bauteil (1) ausgebildet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Anordnung (2) von lokalen Resonatoren (3) auf einer Trä- gerstruktur für elektronische Bauteile angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur eine Leiterplatte (4) ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (2) von lokalen Resonatoren (3) einteilig mit der Leiterplatte (4) ausgebildet ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (2) von lokalen Resonatoren (3) in einem Gehäuse (11) des elektronischen Bauteils (1) angebracht ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (2) von lokalen Resonatoren (3) an einem Kabel (12) angebracht ist.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lokalen Resonatoren (3) in Kühlkörper (13) integriert sind.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der lokalen Resonatoren (3) als aktive Elemente ausgeführt sind.
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