新能源电驱动系统PCBA装配应力的分析与控制

丁扬帆，肖洁，陈竹，罗家运

湖南中车商用车动力科技有限公司，湖南株洲，412001

0 引言

随着电子电气产品在汽车工业领域日益广泛的应用，高集成度、高可靠性的要求已越来越凸显，同时也进一步提升了人们对关键零部件PCBA（印制电路板）可装配性设计（DFA）及装配应力的关注，尤其是控制方式的优化与控制要求的提高[1]。以新能源汽车电驱动系统为例，由于受系统安装接触面、支撑底板等零部件加工工艺与控制精度的影响，PCBA在装配过程中及装配后均会受到不同程度装配应力的影响，尤其在应变控制不到位的情况下，会对控制系统的可靠性产生不良影响[2]。

1 PCBA应用现状

PCBA装配过程中，因受力载荷等外因影响而发生形变时，其内部各零件之间会产生相互作用的内力，以抵抗外因的作用，并力图使物体从形变后的状态恢复至形变前的状态[3]。

电驱动系统主控PCBA与系统外部相连的信号连接器为1～2个。根据《电子组件的可接受性》（IPC-A-610G）标准要求，直插型连接器装配时应与PCB板面持平，即PCB与连接器引脚互相垂直[4]。而在实际应用中，为控制或消除PCBA本身所承受的装配应力，确保不会因应变而影响PCBA及系统的可靠性，电子装配时通过人为调整PCBA对外信号连接器的安装角度，从而被动满足箱体、支撑板、支撑柱等零部件加工或装配偏差所导致的安装间隙，如图1所示。通常情况下，连接器焊装后应满足负偏差要求，否则其装配翘曲度将变大而不合格[5]。

图1 PCBA 装配翘曲度检测示意图

上述解决方法虽然可以缓解装配应力所带来的不良影响，但存在一定的缺陷与未知性，如无法评估PCBA本身所承受的应力变化及不良影响，尤其是PCBA本身返修无故障型问题的根因判定和解决。此外，不同PCBA承制方对人为偏差的控制与检测方式各异，以及承制方对PCBA和相关元器件的具体装配情况及装配应力的现场控制策略，尤其是新承制方导入前期暴露的质量问题等等，双方均需花费很多时间和精力进行磨合，以上因素无形中都会给产品带来相应的质量隐患。

2 翘曲度及应力分析

如前所述，通过人为调整PCB与连接器引脚的安装角度，一定程度上可以缓解PCBA所承受的装配应力。但因控制精度、安装偏差等因素的影响，系统装配时PCBA翘曲度仍会出现一定的偏差，从而影响PCBA的装配应力与产品使用质量。如表1所示为PCBA人为调整偏移量与装配后实际翘曲度之间的变化，采取随机抽样方式。

表1 PCBA 翘曲度变化统计表

结合图1翘曲度检测示意图与表1翘曲度变化测试数据，当人为偏移量选取正向偏差时，PCBA的装配翘曲度会越来越大，PCBA承受的装配应力也越来越大。当人为偏移量选取负向偏差时，其翘曲度也会变小，同理所承受的装配应力也会变小。

如图2所示，PCBA正常装配至电驱动系统的箱体后，由于受系统箱体等其他机械零部件加工工艺及加工精度的影响，PCBA会自然向上翘起一定的高度，若强行下压PCBA，并紧固安装螺钉，则PCBA肯定会受到一个向上的装配应力，长时间使用并受行车过程中的机械振动和冲击影响，PCB、焊点及贴片元器件内部均会出现不同程度的裂痕[6]，从而影响PCBA和系统的正常工作与运行可靠性，甚至提前出现电气功能失效的现象。

图2 安装结构剖面示意图

3 优化控制

3.1 安装结构设计优化

如图3所示，保持支撑柱形状及高度不变，支撑底板增加与倾斜夹角α相匹配的安装斜面。同时在保证斜面机械强度的基础上，适当增强斜面材质的柔韧度，进一步弥补机械加工精度所带来的偏差，并缓解行车过程中振动和冲击所带来的机械应力影响，此外也规避安装斜面因材质柔韧度过大而产生“共振”应力。

图3 新型安装结构示意图

其中，L0：支撑底板的水平参照面，此处默认水平度为0。L1：支撑底板的安装斜面。α：PCBA自然装配后相对于水平参照面产生的倾斜夹角，也即L0与L1之间的夹角。

图4和图5分别为新型安装斜面的侧视与顶视图。其中安装斜面的外形可根据系统结构设计的紧凑性、PCBA形状等因素综合确定，支撑柱的位置分布及数量则根据应力控制要求与PCB尺寸、形状共同确定，基本分布方式采取“四角+中间”的布局，有时PCB长边中点位置也会分布两个，如图5虚线圆圈所示。

图4 新型安装结构侧视图

图5 新型安装结构顶视图

3.2 受力分析及材质选择

如图6受力分析示意图所示，支撑底板安装斜面的受力主要包括自身及承载物（此处指PCBA、支撑柱）所产生的重力分力，以及螺钉紧固时施加的压力，具体计算如下。

图6 支撑板斜面受力分析示意图

G合：支撑板安装斜面所受重力之和。即PCBA重力G1（m1g）+安装斜面自身重力G2（m2g）+支撑柱重力G3（n·m3g），其中m1、m2、m3分别为PCBA、安装斜面及支撑柱的质量，n为支撑柱总数量，则：

F分1：重力G合在垂直于支撑板安装斜面方向的分力。

F分2：重力G合在平行于支撑板安装斜面方向的分力。

M：PCBA螺钉紧固所施加的标准力矩。

Lx：在标准力矩M作用下至螺钉完全紧固所产生的距离矢量，即：

基于上述受力情况分析，安装斜面需承载的最小受力Fmin应满足下式要求：

综合式（1）—（4），得出：

式（5）结合安装斜面各承载物及斜面材质、工艺加工特性，可进一步计算出安装斜面的厚度。在实际应用中，同步结合电驱动系统的安装结构与可靠性验证，确定斜面厚度选型一般在2～3mm范围内。

3.3 装配工艺优化及检测

PCBA装配时，优化后的安装斜面结构设计及高度检测较优化前更简单。其中PCBA与斜面之间的安装间隙可用专用塞尺或细小厚度检测工装进行检测，如图7所示。而结构设计关键参数如倾斜角度和倾斜高度等，则可通过模拟PCBA紧固后上翘的自然状态，采取随机、多次测量再取其平均值的方式来确定[7]。此外针对斜面支撑柱与PCBA之间的细微偏差，可通过增加弹垫和平垫的方式来进行微调，以进一步缓解行车过程中PCBA振动和冲击所带来的冲击力，具体图示见图8。

图7 翘曲度检测示意图

图8 安装匹配度微调示意图

4 结语

本文基于同PCBA机械装配后自然状态相匹配的斜面支撑结构，在保证机械零部件加工工艺及加工精度的基础上，可使PCBA处于“无压”状态而自然地锁紧于支撑板之上。在进一步规避装配应力对PCBA所带来的质量隐患的同时，也有效提升了PCBA的DFA和可制造性设计（DFM），包括使用寿命和应用可靠性设计（DFR）等[8]。与此同时，PCBA装配翘曲度的测试方式也更简单和精确，一定程度上降低了优化前人为调整和目视检查所带来的误差，并规避了翘曲度的放大及由此所带来的不利影响。