新能源電驅動系統PCBA裝配應力的分析與控制

丁揚帆，肖潔，陳竹，羅家運

湖南中車商用車動力科技有限公司，湖南株洲，412001

0 引言

隨著電子電氣產品在汽車工業領域日益廣泛的應用，高集成度、高可靠性的要求已越來越凸顯，同時也進一步提升了人們對關鍵零部件PCBA（印制電路板）可裝配性設計（DFA）及裝配應力的關注，尤其是控制方式的優化與控制要求的提高[1]。以新能源汽車電驅動系統為例，由于受系統安裝接觸面、支撐底板等零部件加工工藝與控制精度的影響，PCBA在裝配過程中及裝配后均會受到不同程度裝配應力的影響，尤其在應變控制不到位的情況下，會對控制系統的可靠性產生不良影響[2]。

1 PCBA應用現狀

PCBA裝配過程中，因受力載荷等外因影響而發生形變時，其內部各零件之間會產生相互作用的內力，以抵抗外因的作用，并力圖使物體從形變后的狀態恢復至形變前的狀態[3]。

電驅動系統主控PCBA與系統外部相連的信號連接器為1～2個。根據《電子組件的可接受性》（IPC-A-610G）標準要求，直插型連接器裝配時應與PCB板面持平，即PCB與連接器引腳互相垂直[4]。而在實際應用中，為控制或消除PCBA本身所承受的裝配應力，確保不會因應變而影響PCBA及系統的可靠性，電子裝配時通過人為調整PCBA對外信號連接器的安裝角度，從而被動滿足箱體、支撐板、支撐柱等零部件加工或裝配偏差所導致的安裝間隙，如圖1所示。通常情況下，連接器焊裝后應滿足負偏差要求，否則其裝配翹曲度將變大而不合格[5]。

圖1 PCBA 裝配翹曲度檢測示意圖

上述解決方法雖然可以緩解裝配應力所帶來的不良影響，但存在一定的缺陷與未知性，如無法評估PCBA本身所承受的應力變化及不良影響，尤其是PCBA本身返修無故障型問題的根因判定和解決。此外，不同PCBA承制方對人為偏差的控制與檢測方式各異，以及承制方對PCBA和相關元器件的具體裝配情況及裝配應力的現場控制策略，尤其是新承制方導入前期暴露的質量問題等等，雙方均需花費很多時間和精力進行磨合，以上因素無形中都會給產品帶來相應的質量隱患。

2 翹曲度及應力分析

如前所述，通過人為調整PCB與連接器引腳的安裝角度，一定程度上可以緩解PCBA所承受的裝配應力。但因控制精度、安裝偏差等因素的影響，系統裝配時PCBA翹曲度仍會出現一定的偏差，從而影響PCBA的裝配應力與產品使用質量。如表1所示為PCBA人為調整偏移量與裝配后實際翹曲度之間的變化，采取隨機抽樣方式。

表1 PCBA 翹曲度變化統計表

結合圖1翹曲度檢測示意圖與表1翹曲度變化測試數據，當人為偏移量選取正向偏差時，PCBA的裝配翹曲度會越來越大，PCBA承受的裝配應力也越來越大。當人為偏移量選取負向偏差時，其翹曲度也會變小，同理所承受的裝配應力也會變小。

如圖2所示，PCBA正常裝配至電驅動系統的箱體后，由于受系統箱體等其他機械零部件加工工藝及加工精度的影響，PCBA會自然向上翹起一定的高度，若強行下壓PCBA，并緊固安裝螺釘，則PCBA肯定會受到一個向上的裝配應力，長時間使用并受行車過程中的機械振動和沖擊影響，PCB、焊點及貼片元器件內部均會出現不同程度的裂痕[6]，從而影響PCBA和系統的正常工作與運行可靠性，甚至提前出現電氣功能失效的現象。

圖2 安裝結構剖面示意圖

3 優化控制

3.1 安裝結構設計優化

如圖3所示，保持支撐柱形狀及高度不變，支撐底板增加與傾斜夾角α相匹配的安裝斜面。同時在保證斜面機械強度的基礎上，適當增強斜面材質的柔韌度，進一步彌補機械加工精度所帶來的偏差，并緩解行車過程中振動和沖擊所帶來的機械應力影響，此外也規避安裝斜面因材質柔韌度過大而產生“共振”應力。

圖3 新型安裝結構示意圖

其中，L0：支撐底板的水平參照面，此處默認水平度為0。L1：支撐底板的安裝斜面。α：PCBA自然裝配后相對于水平參照面產生的傾斜夾角，也即L0與L1之間的夾角。

圖4和圖5分別為新型安裝斜面的側視與頂視圖。其中安裝斜面的外形可根據系統結構設計的緊湊性、PCBA形狀等因素綜合確定，支撐柱的位置分布及數量則根據應力控制要求與PCB尺寸、形狀共同確定，基本分布方式采取“四角+中間”的布局，有時PCB長邊中點位置也會分布兩個，如圖5虛線圓圈所示。

圖4 新型安裝結構側視圖

圖5 新型安裝結構頂視圖

3.2 受力分析及材質選擇

如圖6受力分析示意圖所示，支撐底板安裝斜面的受力主要包括自身及承載物（此處指PCBA、支撐柱）所產生的重力分力，以及螺釘緊固時施加的壓力，具體計算如下。

圖6 支撐板斜面受力分析示意圖

G合：支撐板安裝斜面所受重力之和。即PCBA重力G1（m1g）+安裝斜面自身重力G2（m2g）+支撐柱重力G3（n·m3g），其中m1、m2、m3分別為PCBA、安裝斜面及支撐柱的質量，n為支撐柱總數量，則：

F分1：重力G合在垂直于支撐板安裝斜面方向的分力。

F分2：重力G合在平行于支撐板安裝斜面方向的分力。

M：PCBA螺釘緊固所施加的標準力矩。

Lx：在標準力矩M作用下至螺釘完全緊固所產生的距離矢量，即：

基于上述受力情況分析，安裝斜面需承載的最小受力Fmin應滿足下式要求：

綜合式（1）—（4），得出：

式（5）結合安裝斜面各承載物及斜面材質、工藝加工特性，可進一步計算出安裝斜面的厚度。在實際應用中，同步結合電驅動系統的安裝結構與可靠性驗證，確定斜面厚度選型一般在2～3mm范圍內。

3.3 裝配工藝優化及檢測

PCBA裝配時，優化后的安裝斜面結構設計及高度檢測較優化前更簡單。其中PCBA與斜面之間的安裝間隙可用專用塞尺或細小厚度檢測工裝進行檢測，如圖7所示。而結構設計關鍵參數如傾斜角度和傾斜高度等，則可通過模擬PCBA緊固后上翹的自然狀態，采取隨機、多次測量再取其平均值的方式來確定[7]。此外針對斜面支撐柱與PCBA之間的細微偏差，可通過增加彈墊和平墊的方式來進行微調，以進一步緩解行車過程中PCBA振動和沖擊所帶來的沖擊力，具體圖示見圖8。

圖7 翹曲度檢測示意圖

圖8 安裝匹配度微調示意圖

4 結語

本文基于同PCBA機械裝配后自然狀態相匹配的斜面支撐結構，在保證機械零部件加工工藝及加工精度的基礎上，可使PCBA處于“無壓”狀態而自然地鎖緊于支撐板之上。在進一步規避裝配應力對PCBA所帶來的質量隱患的同時，也有效提升了PCBA的DFA和可制造性設計（DFM），包括使用壽命和應用可靠性設計（DFR）等[8]。與此同時，PCBA裝配翹曲度的測試方式也更簡單和精確，一定程度上降低了優化前人為調整和目視檢查所帶來的誤差，并規避了翹曲度的放大及由此所帶來的不利影響。