Каркас печатного узла

Полезная модель относится к конструктивным элементам блоков радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), а именно к элементам, построенным по модульному принципу, в которых металлические рамки электронных модулей являются частью корпуса радиоэлектронного блока, и может быть использована для создания электронных модулей, компонуемых в блоки бортовой радиоэлектронной аппаратуры и подвергающихся интенсивным механическим нагрузкам.
Модульный принцип построения радиоэлектронных блоков с применением рамочных конструкций для установки печатных схем широко известен в настоящее время и активно используется при построении бортовой радиоэлектронной аппаратуры.
Известна конструкция блока радиоэлектронной аппаратуры по пат. РФ 2365070, Н05К 1/00, Н05К 5/06, Н05К 7/14, реализующая модульный принцип построения. Недостатками такой конструкции являются низкая устойчивость печатных плат к механическим нагрузкам, возникающим в направлении, параллельном плоскости основания радиоэлектронного блока, и повышенные массогабаритные показатели, а также сложность изготовления, связанная с вынесением внешних разъемов в отдельную полость.
Наряду с этим известен также радиоэлектронный блок по пат. РФ 2367124, Н05К 1/00, Н05К 7/10, Н05К 7/12, реализующий модульный принцип построения с использованием межплатных соединителей. Недостатками такого блока является увеличенное количество крепежных элементов для закрепления каждого модуля, присутствие излишней детали-основания и низкая устойчивость печатных плат к механическим нагрузкам, возникающим в направлении, параллельном плоскости основания радиоэлектронного блока.
В каждом из представленных аналогов используются рамочные конструкции в качестве корпусных элементов для создания отдельных электронных модулей.
Также известен радиоэлектронный блок по пат. РФ 174943 Н05К9/00, включающий в себя корпус, крышку верхнюю и крышку нижнюю. Достоинство данного блока состоит в высокой устойчивости к внешним электромагнитным воздействиям, а недостатком является низкая устойчивость к ударным нагрузкам и невозможность компоновки предлагаемой конструкции в пакет модулей для создания сложных радиоэлектронных блоков.
Наряду с этим известен радиоэлектронный блок по пат. РФ 197320 H05K 9/00, H05K 5/02, содержащий плату питания и управления, на которой расположены элементы питания и управления, и системную плату с расположенными на ней чувствительными аналоговыми радиоэлементами; выходные разъемы, выполненные на платах; межплатные соединения и модуль крепления.
Недостатком данного блока является недостаточное обеспечение температурного режима для тепловыделяющих электрорадиоизделий (ЭРИ), а также невозможность сборки радиоэлектронного блока в виде пакета печатных узлов.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является радиоэлектронный блок, представляющий собой корпус, состоящий из металлических рамок, крышки и основания, соединенных в пакет винтами по пат. РФ 2513121, Н05К 7/14, принятый за прототип.
Схема устройства-прототипа приведена на фиг. 1а и фиг.1б, где обозначено:
1 - металлическая рамка;
6 – основание;
11 – металлическая рамка;
12 – винты;
13 – втулка;
14 – разъемный соединитель;
15 –охватывающий выступ;
16 - охватываемый выступ;
17 –дополнительная втулка;
18 – верхний печатный узел;
19 –печатный узел;
20 –планка;
21 –винты;
22 – крышка.
23 – дополнительный разъемный соединитель;
Устройство-прототип содержит как минимум одну металлическую рамку 1, на которой размещается печатный узел 19, собираемую совместно с верхним печатным узлом 18, крышкой 22 и основанием 6 в пакет винтами 12, втулками 13 и разъёмными соединителями 14 и 23.
Устройство-прототип собирается следующим образом.
Каждая металлическая рамка 1 (фиг. 1а) выполнена с охватывающим 15 и охватываемым 16 ступенчатыми выступами (фиг 1б), на которой посредством втулок 13 закреплен печатный узел 19, при этом высота охватывающего 15 выступа выполнена меньше высоты охватываемого 16. Со стороны внешней поверхности основания 6 в местах крепления к опоре (на фиг.1 не показана) выполнены отверстия, в которых соосно втулкам 13 установлены дополнительные втулки 17. Форма втулок 17 представляет собой два цилиндра с различным диаметром резьбового отверстия. Винты 12 закреплены во втулках 17. Разъемный соединитель 14 закреплен непосредственно на рамку 11 при помощи планки 20 и винтов 21. На крышке 22 установлен дополнительный разъемный соединитель 23.
Недостатками указанного прототипа являются:
- равномерная толщина стенок рамок, приводящая к повышению массогабаритных показателей при размещении аппаратуры на термостатируемых поверхностях;
- присутствие значительных смещений печатного узла под воздействием ударных механических нагрузок, способных вызвать размыкание или деформацию соединительных разъемов;
- высокие показатели массы конструкции, обусловленные применением избыточного винтового соединения модулей в блок РЭА;
- малая толщина модулей без возможности размещения внешних выводов с печатных узлов, находящихся в центральных частях блока;
- горизонтальное размещение составных печатных узлов, ухудшающее температурный режим для радиоэлектронных компонентов по мере удаления от основания.
Задачей предлагаемого устройства является повышение механической прочности печатного узла при упрощении компоновки радиоэлектронного блока и обеспечении качественного теплоотвода для размещаемых ЭРИ.
Для решения поставленной задачи в каркасе печатного узла, состоящего из соединенных в пакет, по крайней мере, одной металлической рамки с разъемными соединителями, а также основания, при этом в каждой рамке закреплен один печатный узел и, по крайней мере, один дополнительный разъемный соединитель для соединения с внешними устройствами, согласно полезной модели, каждая рамка снабжена пересекающимися в центре продольным и поперечным ребрами жесткости, на которых расположены крепежные отверстия в виде утолщений материала цилиндрической формы, при этом по периметру и в середине боковых сторон рамки расположены сквозные отверстия для сопряжения нескольких печатных узлов в пакет, а по внутренней стороне рамки размещены крепежные элементы для фиксации печатного узла, при этом одна из сторон рамки выполнена утолщенной с возможностью использования в качестве основания, кроме того, по периметру рамки проходит дополнительное ребро жесткости.
На фиг. 2 представлен общий вид каркаса печатного узла; на фиг. 3а – фрагмент рамки; фиг. 3б – сечение в области боковой стенки А-А; фиг. 3в – сечение в области точки крепления печатной платы Б-Б.
На фиг. 2, 3, 4 представлены схема общего вида каркаса печатного узла и его фрагментов со следующими обозначениями:
1 – металлическая рамка;
2 – сквозные отверстия;
3 – точка крепления печатного узла;
4 –продольное ребро жесткости;
5 – цилиндрическое утолщение с крепежным отверстием;
6 – утолщенная сторона-основание металлической рамки;
7 – поперечное ребро жесткости;
8 – дополнительное ребро жесткости.
Предлагаемый каркас печатного узла представляет собой металлическую рамку 1 прямоугольной формы с утолщенной стороной-основанием 6, продольным 4 и поперечным 7 ребрами жесткости, на которых расположены цилиндрические утолщения с крепежными отверстиями 5, а также дополнительное ребро жесткости 8, расположенное по всему периметру рамки 1.
Предлагаемое устройство собирается следующим образом.
Прямоугольная металлическая рамка 1 по периметру обхватывает печатный узел (на фиг. 2 не показан), при этом жесткость рамки обеспечивают продольное 4 и поперечное 7 ребра жесткости, а также дополнительное ребро жесткости 8, проходящее по периметру рамки 1. Утолщенная сторона-основание 6 рамки 1 является составной частью установочной поверхности и используется в качестве теплоотвода для теплонагруженных компонентов в составе каждого модуля радиоэлектронного блока. Сторона-основание рамки 6, предназначенная для сопряжения с посадочным местом блока, выполняется утолщенной, при этом ее толщина составляет 0,8 см, что в два раза превышает толщину боковых стенок (фиг. 3а), и обеспечивает распределение тепловых потоков внутри блока. Толщина боковых сторон каркаса печатного узла и стороны с условного «верха» снижена до минимальных показателей и составляет максимум 1/2 от толщины стороны-основания 6. На продольных 4 и поперечных 7 ребрах жесткости на расстоянии 0,5 от собственной длины созданы утолщения материала цилиндрической формы с расположением крепежных отверстий 5, применяемых для крепления печатного узла.
В углах рамки 1 и посередине каждой боковой стороны рамки 1 расположены сквозные отверстия 2, предназначенные для конструктивного сопряжения нескольких печатных узлов (фиг. 2. и фиг. 3а). В сквозные отверстия 2 могут быть вставлены крепежные элементы, например, шпильки, которые будут формировать из набора данных каркасов радиоэлектронный блок, при этом рамки 1 с закрепленными в них печатными узлами располагаются вертикально в пакет. Это повышает эффективность теплоотвода за счет возможности размещения тепловыделяющих радиоэлектронных компонентов вблизи теплоотводящего посадочного места для радиоэлектронного блока.
Точки крепления 3 и 5, расположенные на расстояниях 0,25 и 0,75см (фиг. 4) по длине и высоте рамки 1 каркаса, обеспечивают собственную частоту резонанса печатного узла в области 250 – 300 Гц при массе до 1-1,5 кг печатной платы и ЭРИ. По внутренней стороне рамки 1 размещены точки крепления 3 для фиксации печатного узла. Габариты внутреннего объема каркаса превышают габариты печатного узла.
Каркас может быть изготовлен одним из следующих способов: литьем с последующей механической обработкой, из поковки с последующей механической обработкой, фрезерованием из цельной плиты или печатью металлом на 3D принтере. Материалом для исполнения каркаса печатного узла могут быть: алюминиевые конструкционные сплавы (АЛ9, Д16, В95 и др.); магниевые конструкционные сплавы (МА15, МА18, МА20, МА22 и др.); конструкционные стали (45, 40Х, 30ХГСА и др.), высокопрочные титановые сплавы (ВТ6С, ВТ14, ВТ20, ВТ22 и др.).
Рассмотрим порядок изготовления печатного узла на основе печатной платы, ЭРИ и каркаса печатного узла:
1. Размещение каркаса печатного узла.
2. Установка внешних разъемов, на боковых, или верхней стороне каркаса печатного узла.
3. Установка печатного узла на дополнительном ребре жесткости 8 рамки (фиг. 2), расположенном по внутренней стороне периметра рамки 1.
4. Фиксация осуществляется крепежными винтами в точках крепления 3 и 5 (фиг. 2 и фиг. 3в).
5. Установка ЭРИ, располагаемых теплоотводами на стороне-основании 6 или боковых сторонах рамки 1 (фиг.2).
6. Пайка выводов ЭРИ и внешних разъемов в печатную плату.
Таким образом, по сравнению с прототипом, предлагаемое устройство обеспечивает меньшие значения деформаций для зафиксированного печатного узла при механическом воздействии. Предлагаемое конструктивное решение изменяет схему крепления печатного узла и обеспечивает устойчивость к продольным ударам до 1400g, с длительностью импульса 0.3 мс. Кроме того, в отличие от прототипа предлагаемый каркас печатного узла содержит в своей рамке утолщенную сторону-снование, которая позволяет обеспечивать монтаж блока и теплоотвод выделяемой тепловой энергии при составлении пакета из печатных узлов.