1. 引言
随着微电子技术的高速发展,由芯片构成的数字电子系统朝着规模大、体积小、速度快的方向发展,而且发展的速度越来越快 [1] 。人们对于其重要结构件PCB板提出了更为严格的功能要求(PCB板是电子产品中电路元件和器件的支撑件,它提供电路元件和器件之间的电气连接):PCB板在250 N的压力载荷下不发生溃缩,在378 N的压力载荷下发生溃缩,PCB板的结构设计对其产品的功能影响很大。因此在进行PCB板设计时,不能遵循PCB板设计的一般原则,要使得能够满足溃缩性能的要求,PCB板的结构设计很重要 [2] [3] 。
1.1. PCB板有限元模型建立
空调控制器整体结构(如图1所示):PCB板组件9支撑于下壳体5上,旋钮底座通过螺钉锁在PCB板9上,旋钮支架7通过扣位固定于旋钮底座8上,旋钮3通过扣位固定于旋钮支架7上,导光体2通过扣位固定于旋钮3上,导光体6固定于旋钮支架7上,按键帽1通过扣位固定于旋钮支架7上,最后上壳体4通过扣位与下壳体5进行扣合。空调控制器进行溃缩实验时,其力的传递形式为:载荷通过按键帽1传递给旋钮支架7,然后传递给旋钮底座8,最后由PCB板组件9来承受载荷并达到溃缩力的要求。
1.按键帽,2.导光体1,3.旋钮,4.上壳体,5.下壳体,6.导光体2,7.旋钮支架,8.旋钮底座,9.PCB板组件
Figure 1. Air conditioning controller structure form
图 1. 空调控制器结构形式
1.2. PCB板溃缩实验的受力分析
选用空调控制器中的PCB板进行静力学结构分析,以初步分析PCB板的应力分布情况。
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Table 1. Main parameters of PCB board
表1. PCB板主要参数
根据上表1数据,笔者在CATIA软件中建立了PCB板实体三维模型。根据以往的软件使用经验,简化了一些特征使得计算分析更加简便 [4] 。将三维实体导入到Mesh中对PCB板进行网格划分,共得到13,238个单元和25,569个节点。PCB板的有限元模型如图2所示。
![](//html.hanspub.org/file/8-2340584x10_hanspub.png)
Figure 2. Finite element mesh model of PCB board
图 2. PCB板有限元网格划分模型
在分析PCB板应力时,假设250 N的压力通过按钮帽、旋钮支座及旋钮底座传递到PCB上,此时PCB上的压力载荷为:
(1)
式中:P为压力,F为作用在按钮帽上的集中载荷,S为旋钮底座与PCB板的接触面积
空调控制器在进行溃缩实验时,PCB板是通过四个螺钉锁紧在下壳体上的,所以在锁紧部位采用固定约束。其约束形式与载荷分布如图3所示:
![](//html.hanspub.org/file/8-2340584x12_hanspub.png)
Figure 3. Load distribution and constraint form of PCB board
图 3. PCB板载荷分布与约束形式
1.3. PCB强度计算结果及分析
根据上述边界条件对模型进行加载,并进行求解分析,得到PCB板等效应力云图,如图4所示。PCB板在受到0.782 Mpa的压力时,PCB板的四个固定区域承受了主要的载荷,载荷由四个固定区域处向外逐渐减小。此外PCB板中四个近端处的支撑筋应力大于四个远端处的支撑筋应力,最大应力发生在四个近端处的支撑筋的中间部位,为398.85 Mpa。设计采用玻纤布基材料,其屈服极限σs £ 350 MPa。根据工程应用的实际经验,此PCB板结构难以满足250N的压力时不发生溃缩的要求,因此必须对PCB板进行结构的优化。
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Figure 4. Equivalent stress contours of PCB plate
图 4. PCB板等效应力云图
2. PCB板的结构优化设计
在保证PCB板厚度不变的情况下,使其能够满足溃缩力的要求。PCB板的溃缩力大小主要取决于支撑筋的厚度与宽度,因为其厚度不能发生变化,故选定PCB板的宽度作为优化设计变量,PCB板的应力以及临界屈服极限作为边界条件。PCB板更改后的结构(如图5所示),分别加宽了八个支撑筋,使其支撑筋成为扇形结构形式。
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Figure 5. PCB changed structure form
图 5. PCB更改后的结构形式
PCB板结构优化后有限元计算及分析
在PCB板改进后,其约束条件及载荷大小均匀改变。首先将PCB板进行250 N的压力下,经过计算得到其PCB等效应力云图,如图6所示。可见其最大应力为292.21 MPa。因其其屈服极限σs £ 350 MPa。根据工程应用的实际经验,取安全系数n = 1.5,材料的许用应力[σ] =σs/1.5 = 233.33 MPa,小于材料的屈服极限,因此不会发生溃缩现象,满足实验要求。
![](//html.hanspub.org/file/8-2340584x15_hanspub.png)
Figure 6. Equivalent stress contours of PCB plate
图 6. PCB板等效应力云图
其次,在满足上述溃缩力要求的前提下,PCB板进行378 N压力载荷下发生溃缩的实验,经过计算得到其PCB等效应力云图,如图7所示。可见其最大应力为442.06 MPa。因其屈服极限σs £ 350 MPa,远大于材料的屈服极限,因此会发生溃缩现象,故而满足实验要求。
![](//html.hanspub.org/file/8-2340584x16_hanspub.png)
Figure 7. Equivalent stress contours of PCB plate
图 7. PCB板等效应力云图
3. PCB板结构优化前后的数据分析
将同为250 N压力载荷下的溃缩实验,分别取更改前后PCB板支撑筋处的10个节点,并将其等效应力列在表2、表3上,并生成对比图(如图8)。
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Table 2. Equivalent stress of 10 nodes in the original support tendons
表2. 原支撑筋处10节点等效应力
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 3. Equivalent stress of 10 nodes in the present support tendons
表3. 现支撑筋处10节点等效应力
![](//html.hanspub.org/file/8-2340584x17_hanspub.png)
Figure 8. Comparison of stress before and after changes of PCB board
图 8. PCB板更改前后应力比较
通过表2、表3和图8可以明显的看出,同等约束、载荷作用下,PCB板更改前比更改后在等效应力数值上要大的多,且在最大值处超出了材料的屈服强度350 Mpa。可见更改后的PCB板结构,其支撑筋起到了很好的加强作用。
将同为更改后的PCB板进行溃缩实验,分别取250 N压力及378 N压力下,PCB板支撑筋处的10个节点,并将其等效应力列在表4、表5上,并生成对比图(如图9) [5] 。
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Table 4. Equivalent stress for 10 nodes at 250 N
表4. 250 N压力下10节点等效应力
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 5. Equivalent stress for 10 nodes at 378 N
表5. 378 N压力下10节点等效应力
![](//html.hanspub.org/file/8-2340584x18_hanspub.png)
Figure 9. Comparison of stress under different pressure of PCB board
图 9. PCB板不同压力下应力比较
通过表4、表5和图9可以明显的看出,同等约束、载荷作用下,PCB板在378 N压力下要比250 N压下在等效应力数值上要大的多,且在最大值处超出了材料的屈服强度350 Mpa。可见378 N的压力下,PCB会发生破坏,因此能够满足溃缩力的要求,更改后的结构有效。
4. 结论
由以上的分析可知:在同为250 N的压力下,更改后的PCB板在支撑筋处的等效应力值要小于材料的屈服强度极限,且小于更改前的数值,使得PCB板能够满足不发生溃缩的要求。在同为更改后的结构情况,在378 N的压力下,更改后的PCB板在支撑筋处的最大等效应力值442.06 MPa > 350 MPa,同样可以满足溃缩力的实验要求。基于以上结论,更改后的PCB板结构符合了设计的要求,且能够满足一定压力条件下发生溃缩的功能,其为设计提供了指导方向。