ЭЛЕКТРОННЫЙ МОДУЛЬ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2007 года по МПК H05K7/02 

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано при изготовлении радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Наиболее целесообразно его использовать при изготовлении электронных модулей (ЭМ) для бортовой РЭА, которая подвергается при эксплуатации значительным механическим воздействиям (вибрации, ударам, линейным ускорениям).

Из современного уровня техники известен ЭМ, содержащий печатную плату с электрорадиоэлементами (ЭРЭ), в том числе многовыводными электрическими разъемами, соединенными с упомянутой платой механически и электрически, а также два клиновых замка и панель, механически соединенные с печатной платой и предназначенные для закрепления печатной платы в корпусе РЭА [стандарт IEEE1102.2, конструктив Евромеханика 6U].

Способ изготовления такого ЭМ включает установку на печатную плату ЭРЭ, выполнение механических и электрических соединений ЭРЭ с печатной платой и механическое закрепление на печатной плате клиновых замков и панели, являющихся для ЭМ элементами бескаркасной несущей конструкции.

Недостатком известного ЭМ и способа его изготовления является низкая надежность, так как при действии вибрации, ударов и линейных ускорений в направлении, перпендикулярном плоскости печатной платы, в ней возникают деформации, в том числе знакопеременные, способные разрушить печатные проводники, металлизированные отверстия, паяные соединения и ЭРЭ.

Недостатком ЭМ является также большая масса и габариты из-за необходимости размещения и установки на плате клиновых замков и панели.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является ЭМ, содержащий закрепленную в бескаркасной несущей конструкции с помощью направляющих печатную плату с ЭРЭ, расположенными на упомянутой плате и соединенными с нею механически и электрически [ГОСТ 26765.12-86 Конструкции базовые несущие первого уровня радиоэлектронных средств. Конструкции и размеры, с.22, черт.23]. Направляющие печатной платы, встроенные в корпус РЭА, являются элементами бескаркасной несущей конструкции ЭМ [ГОСТ 26765.16-87 Конструкции базовые несущие второго и третьего уровней бортовых авиационных радиоэлектронных средств. Общие технические условия, с.83, п.п.37, 38].

Способ изготовления такого ЭМ включает установку ЭРЭ на печатную плату, выполнение механических и электрических соединений ЭРЭ с печатной платой, установку и закрепление печатной платы в несущую конструкцию с помощью направляющих, встроенных в корпус блока РЭА [ГОСТ 26.765.16-87, с.71 черт.45, с.72 черт.46].

Недостатком прототипа является низкая надежность при внешних механических воздействиях (вибрации, ударах, ускорениях), направленных перпендикулярно плоскости платы и приводящих к разрушению паяных соединений, ЭРЭ, металлизированных отверстий и печатных проводников.

Целью изобретения является повышение надежности ЭМ за счет увеличения устойчивости платы к внешним механическим воздействиям.

Поставленная цель достигается тем, что в ЭМ, содержащем закрепленную в несущей конструкции печатную плату, а также ЭРЭ, расположенные на упомянутой плате и соединенные с нею механически и электрически, печатная плата изогнута с радиусом не менее 100 см.

Поставленная цель достигается также тем, что согласно способу изготовления ЭМ включающему установку на печатную плату ЭРЭ, выполнение механических и электрических соединений ЭРЭ с печатной платой, установку и закрепление печатной платы в несущую конструкцию, при установке печатной платы в несущую конструкцию упомянутую плату изгибают с радиусом не менее 100 см.

Поставленная цель достигается также тем, что радиус изгиба печатной платы задают формой элементов несущей конструкции, например формой направляющих.

Такое выполнение ЭМ обеспечивает повышение его надежности, так как изгиб платы позволяет снизить уровень вибрации и исключить появление знакопеременных динамических деформаций платы при внешних механических воздействиях за счет увеличения ее жесткости. Кроме того, повышение надежности ЭМ связано с тем, что изгиб платы позволяет своевременно выявить и устранить потенциально ненадежные паяные соединения [РД11 0679-89. Платы печатные. Конструирование и монтаж на поверхность. Общие требования, с.23, 24. Издание ФГУП ЦКБ ″Дейтон″, Москва].

Предложенное техническое решение имеет широкий потребительский спрос и промышленное применение. Объем выпуска и использования ЭМ, к которым предъявляются повышенные требования по надежности функционирования в условиях действия внешних механических факторов, растет, например, для бортовых авиационных радиоэлектронных средств.

Сущность предложения поясняется чертежами.

На фиг.1 показан ЭМ, выполненный на основе бескаркасной несущей конструкции и содержащий печатную плату 1, ЭРЭ 2, электрический соединитель 3, панель 4. На фиг.1 показан также фрагмент корпуса РЭА 5 с закрепленными в нем направляющими 6, имеющими изгиб с радиусом г, а также резьбовые крепежные отверстия 7 и винты крепления 8.

Направляющие 6 являются встроенными элементами несущей конструкции для бескаркасного ЭМ. Механическое сопряжение ЭМ с корпусом РЭА 5 обеспечивается направляющими 6 и винтами 8.

На фиг.2 показан ЭМ, выполненный с использованием каркасной несущей конструкции и содержащий печатную плату 1 со смонтированными на ней ЭРЭ 2 и многоконтактным электрическим соединителем 3. При этом печатная плата 1 закреплена механически на раме 9, боковые стороны 10 которой в местах установки платы 1 выполнены с радиусом г, посредством крепежных резьбовых отверстий 7 и винтов 8. На фиг.2б и 2в показано сечение А-А ЭМ, изображенного на фиг.2а до и после изгиба платы соответственно. Пример конкретной реализации способа.

На стеклоэпоксидную печатную плату известными методами устанавливают и монтируют ЭРЭ [Мэнгин Ч.-Г, Макклелланд С. Технология поверхностного монтажа. Будущее технологии сборки в электронике. Перевод с англ., М.: Мир, 1990, с.142, 143]. После этого к плате крепят панель 4.

Необходимым условием реализации сборки и монтажа ЭРЭ на плату является отсутствие значительных прогибов платы. Величина прогиба не должна превышать 0,1 мм на 100 мм длины платы [РД11 0679-89. Платы печатные. Конструирование и монтаж на поверхность. Общие требования, с.4, п.3.1].

Далее печатную плату 1 вставляют в направляющие и вдвигают по ним до упора панели 4 в корпус 5 (положение 2 фиг.1). При этом плату 1 путем чистого изгиба без натяга изгибают с радиусом r=120 см, равным радиусу направляющих 6.

При использовании каркасной несущей конструкции печатную плату устанавливают в раму 9 (фиг.2а). Боковые стороны 10 рамы 9 на участках сопряжения с платой 1 выполнены с радиусом r=120 см (фиг.2б). При закреплении платы 1 в раме 9 винтами 8 плату изгибают без натяга с радиусом 120 см, равным радиусу боковых сторон 10 рамы 9 (фиг.2в).

Такое выполнение ЭМ позволяет повысить его устойчивость к механическим воздействиям (вибрации, ударам, линейным ускорениям) за счет увеличения изгибной жесткости (Д) печатной платы. Известно, что величина коэффициента передачи вибрации от точек крепления платы к области максимальной вибрации К_П обратно пропорциональна Д, а низшая резонансная (собственная) частота f - прямо пропорциональна корню квадратному из Д [Гелль П.П., Иванов-Есипович Н.К. Конструирование и микроминиатюризация РЭА, Энергоатомиздат, Л., 1984, стр.134, 135]. Таким образом, с увеличением Д повышается низшая резонансная (собственная) частота колебаний f и снижается коэффициент передачи вибрации К_П.

Жесткость плоской платы составляет:

где Е и μ - модуль Юнга и коэффициент Пуассона материала платы;

h и b - толщина и ширина платы.

При изгибе плата приобретает свойства упругой оболочки, жесткость Д_И которой в сечении изгиба определяется формулой [Писаренко Г.С., Яковлев А.П, Матвеев В.В. Справочник по сопротивлению материалов, Наукова думка, Киев, 1975, стр.63]:

где r - радиус изгиба платы;

α=0,5br^-1 - угол изгиба платы.

Увеличение жесткости платы при изгибе составляет:

Отношение Д_И/Д растет при уменьшении радиуса г и стремится к 1 при r, стремящемся к бесконечности. Следовательно, механическая устойчивость платы тем выше, чем меньше радиус изгиба r.

Увеличивая механическую устойчивость, печатную плату изгибают до некоторого минимального радиуса, дальнейшее уменьшение которого может привести к возникновению дефектов элементов ЭМ. Критерием определения величины минимального радиуса изгиба может служить относительная деформация печатных проводников, расположенных на внешней поверхности печатной платы. При этом относительная деформация упомянутых проводников должна быть, по крайней мере, на порядок меньше предельно допустимой деформации материала печатных проводников. Минимальный радиус изгиба выбран равным радиусу, который рекомендован для неразрушающего контроля качества паяных соединений по РД 11 0679-89 и составляет r_мин=100 см. Он заведомо соответствует указанному критерию, т.к. не приводит к значительным деформациям печатных проводников. Относительная деформация печатных проводников на плате в этом случае более чем на порядок меньше предельно допустимой величины относительной деформации материала проводников.

Известно, что амплитуда вибрации на более высоких частотах меньше амплитуды вибрации платы на низшей резонансной частоте [ОСТ 4Г 0.010.009-84 Модули электронные первого и второго уровней радиоэлектронных средств. Конструирование, стр.50]. Поэтому для исключения динамических знакопеременных нагрузок при вибрации изогнутой платы ее максимальный прогиб за счет уменьшения радиуса изгиба r выбирают близким или равным динамической амплитуде вибрации (А) плоской платы на низшей резонансной частоте. Величину этой амплитуды определяют экспериментально или по известному эмпирическому соотношению А≤(0,003-0,02)b [Гелль П.П., Иванов-Есипович Н.К. Конструирование и микроминиатюризация РЭА, Энергоатомиздат, Л., 1984, стр.133].

В частности, предполагая наиболее характерные значения b=200 мм и h=1,5 мм, по формуле (3) находим, что максимальный изгиб платы (r=100 см) снижает коэффициент передачи вибрации К_П в 12 раз и повышает низшую резонансную частоту f в 3,5 раза; при меньшем изгибе платы, например при r=250 см, коэффициент К_П уменьшится в 2 раза, а величина f возрастет в 1,4 раза.

Таким образом, изгиб платы обеспечивает эффективное повышение ее механической устойчивости при внешних механических воздействиях. Механическая устойчивость повышается за счет снижения коэффициента К_П, повышения низшей резонансной частоты f и исключения знакопеременных напряжений в плате, инициирующих расслоение многослойных печатных плат и повреждение внутренних слоев и электрических связей. Кроме того, изгиб платы позволяет своевременно выявлять и устранять потенциально ненадежные паяные соединения на плате. Другие преимущества предлагаемого способа состоят в возможности повышения уровня интеграции, снижении массы и габаритов ЭМ, т.к. не требуется установка на печатной плате ребер жесткости и деталей их крепления.

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано при изготовлении электронных модулей радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). В электронном модуле, содержащем закрепленную в несущей конструкции печатную плату, а также электрорадиоэлементы, расположенные на упомянутой плате и соединенные с нею механически и электрически, печатная плата изогнута с радиусом не менее 100 см. Способ изготовления электронного модуля включает установку на печатную плату электрорадиоэлементов, выполнение механических и электрических соединений электрорадиоэлементов с печатной платой, установку и закрепление печатной платы в несущую конструкцию, при установке и закреплении печатной платы в несущую конструкцию упомянутую плату изгибают с радиусом не менее 100 см, при этом радиус изгиба печатной платы задают формой элементов несущей конструкции, например формой направляющих. Такое исполнение повышает надежность ЭМ за счет увеличения жесткости платы и исключения появления знакопеременных динамических деформаций платы в условиях резонанса при внешних механических воздействиях. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Электронный модуль, содержащий закрепленную в несущей конструкции печатную плату, а также электрорадиоэлементы, расположенные на упомянутой плате и соединенные с нею механически и электрически, отличающийся тем, что печатная плата изогнута с радиусом не менее 100 см.2. Способ изготовления электронного модуля по п.1, включающий установку на печатную плату электрорадиоэлементов, выполнение механических и электрических соединений электрорадиоэлементов с печатной платой, установку и закрепление печатной платы в несущую конструкцию, отличающийся тем, что при установке и закреплении печатной платы в несущую конструкцию упомянутую плату изгибают с радиусом не менее 100 см.3. Способ по п.2, отличающийся тем, что радиус изгиба печатной платы задают формой элементов несущей конструкции, например формой направляющих.