鄭大安

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036)

1 引 言

對(duì)于現(xiàn)代很多電子設(shè)備，功能成倍增加，體積及重量要求成倍減少。為了適應(yīng)這些形勢(shì)的發(fā)展需要，有限空間最大化的利用是解決這個(gè)主要矛盾的必由之路，隨之而來的就是高密度、集成化、無引線的立體組裝技術(shù)［1］。在模塊化整機(jī)立體互聯(lián)時(shí)，需要母板、背板等進(jìn)行電路模塊之間互聯(lián)。

分離式互聯(lián)母板由剛性印制母板和互聯(lián)連接器組成，兩者之間通過互聯(lián)觸點(diǎn)接觸實(shí)現(xiàn)電信號(hào)傳輸。根據(jù)互聯(lián)模塊的數(shù)量，可以重復(fù)循環(huán)地加以擴(kuò)展，連續(xù)傳輸各模塊之間的電信號(hào)，形成物理意義的母板［2］。

國(guó)內(nèi)外在常規(guī)的模塊電路互聯(lián)中，通常采用不可分離的母板進(jìn)行模塊之間的電信號(hào)通信，可分離母板技術(shù)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中未見報(bào)道。

本文將介紹一種全新的分離母板技術(shù)——單方向分離式母板互聯(lián)技術(shù)，在單方向(Z 向)隨電路模塊快速可分離及平整、可靠地互聯(lián)，達(dá)到模塊接口擴(kuò)展目的。該技術(shù)屬于母板互聯(lián)的一種新形式，它具有架構(gòu)緊湊、協(xié)作緊密、互聯(lián)離合快捷、維修方便等優(yōu)點(diǎn)［2］。

2 問題提出

圖1 模塊化整機(jī)Fig.1 Separated motherboard and motherboard

在常規(guī)的模塊電路互聯(lián)中，通常采用母板進(jìn)行模塊之間的電信號(hào)通信，主要有一體化不可分離的總線剛性母板和剛撓互聯(lián)母板等。這些母板是由一塊整體母板組成，即不能分離的母板，采用這種不能分離的母板互聯(lián)，限制了電路模塊只能在某個(gè)單邊進(jìn)行互聯(lián)。

在某通信設(shè)備中，電路模塊之間就采用了母板互聯(lián)，每個(gè)模塊在互聯(lián)的母板上插件通道/端口芯數(shù)最大數(shù)量為300 芯，屬于密度較高的母板接口。但在其改進(jìn)設(shè)計(jì)型號(hào)中，要求模塊總數(shù)量減少，其中還有幾個(gè)模塊需要進(jìn)一步擴(kuò)展電路功能，導(dǎo)致這些模塊需要更多的通道/端口支撐對(duì)外互聯(lián)的通信，原有的母板接口300 芯已經(jīng)不能滿足要求，嚴(yán)重制約了這些模塊電路性能的擴(kuò)展。唯一能滿足模塊增加對(duì)外電路通道/端口的方法，就是在模塊的其他面增加母板來進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。該方法理論上是可行的，但是實(shí)際上每個(gè)電路模塊裝在整機(jī)機(jī)箱中，只能在一個(gè)方向進(jìn)行拔插，增加傳統(tǒng)意義的母板進(jìn)行模塊互聯(lián)根本行不通，研究一種可以分離的互聯(lián)母板來增加電路模塊對(duì)外進(jìn)行電路信號(hào)的通道/端口顯得非常迫切和必要。

分離式母板互聯(lián)技術(shù)主要體現(xiàn)在快速可分離及平整、可靠的互聯(lián)，達(dá)到模塊接口擴(kuò)展目的?；ヂ?lián)后平整性和可靠性是互聯(lián)母板設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)，本文就立足于該目標(biāo)，介紹分離式母板設(shè)計(jì)技術(shù)。

3 分離式母板互聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)

互聯(lián)母板設(shè)計(jì)包括互聯(lián)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、印制板設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)等。由于分離母板在分離的組合方式設(shè)計(jì)、互聯(lián)區(qū)域和空間、互聯(lián)母板互聯(lián)點(diǎn)的設(shè)計(jì)以及分離母板的可靠性均不同于傳統(tǒng)的互聯(lián)母板，因此，互聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)屬于全新的技術(shù)。

3.1 互聯(lián)母板互聯(lián)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的母板技術(shù)，由于是整個(gè)印制板的設(shè)計(jì)，不需要進(jìn)行電氣信號(hào)線的劃分，分離母板就必須將原本一塊印制板的通信信號(hào)原理圖進(jìn)行“切斷”，便于物理意義的分離。

互聯(lián)根據(jù)所有模塊需要進(jìn)行通信的信號(hào)原理圖，以模塊為單位，在分離式母板之間接口處進(jìn)行的信號(hào)線的“切斷”。在設(shè)計(jì)PCB 中，“切斷”位置即互聯(lián)區(qū)域，設(shè)計(jì)成與互聯(lián)方式相對(duì)應(yīng)的交錯(cuò)形式，如圖2中所示，便于分離式母板整體互聯(lián)的平整性。

圖2 分離式母板互聯(lián)示意Fig.2 Separated motherboard interconnection

每個(gè)獨(dú)立的分離單元，互聯(lián)區(qū)域設(shè)計(jì)成臺(tái)階形式，是實(shí)現(xiàn)分離式母板整體互聯(lián)的平整性關(guān)鍵。

大豆主根具有明晰的粗度變化，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以看作是從上至下半徑逐漸縮小的圓柱體，主根的每一段可以用一個(gè)倒置的圓臺(tái)進(jìn)行表示，主根的每個(gè)斷面都是一個(gè)圓截面；主根可以由無數(shù)個(gè)圓臺(tái)組合逼近來表示，圓臺(tái)的長(zhǎng)度l越小則得到的圖形就越平滑，就越接近于真實(shí)大豆主根。

分離式母板的互聯(lián)設(shè)計(jì)中，互聯(lián)方式可以采用微型插針垂直互聯(lián)或新型微型連接器進(jìn)行互聯(lián)。

(1)微型插針垂直互聯(lián)

當(dāng)采用微型插針垂直互聯(lián)時(shí)，在分離式母板互聯(lián)處，兩塊母板上互聯(lián)位置均設(shè)計(jì)與互聯(lián)插針相匹配的盲孔，在其中一塊母板上盲孔位置組裝插針，與母板分離方向一致，便于快速分離(如圖3)。主要考慮插針的平行性、共面性和精度，以及插針的材料的研究，其中插針的平行性、共面性和精度以設(shè)計(jì)相應(yīng)的工裝夾具保證，插針的材料根據(jù)具有一定的強(qiáng)度、耐磨性和導(dǎo)電性的要求進(jìn)行綜合考慮選取。

圖3 微型插針垂直互聯(lián)Fig.3 Minute pin interconnection

(2)微型連接器互聯(lián)

兩塊母板互聯(lián)采用微型連接器互聯(lián)時(shí)，兩塊母板互聯(lián)位置之間必須設(shè)計(jì)便于固定微型連接器的位置和空間(如圖4)。微型連接器的種類很多，尺寸各異，必須根據(jù)其結(jié)構(gòu)尺寸來設(shè)計(jì)每塊母板在交錯(cuò)區(qū)域的結(jié)構(gòu)參數(shù)，才能保證互聯(lián)處的平整性。

圖4 微型連接器互聯(lián)Fig.4 Minute interconnection

(3)組合方式設(shè)計(jì)

即基于上述兩種方案組合方式設(shè)計(jì)。為了便于模塊更換，母板按照?qǐng)D4的排列方式進(jìn)行組合。在更換兩端的模塊時(shí)，只需要直接更換，抽取模塊數(shù)量最少為1 塊;在更換中間的模塊時(shí)，需要把兩端的模塊取下才能進(jìn)行更換，抽取模塊數(shù)量至少為2 塊，這樣，在有很多模塊互聯(lián)的情況下，保證了在上述母板設(shè)計(jì)形式下抽取模塊數(shù)量最少為1 塊，最多為2 塊。

3.2 互聯(lián)母板互聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

前文提到，互聯(lián)區(qū)域必須是“臺(tái)階”形式，因此，分離母板的設(shè)計(jì)還得借助于三維立體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，才能達(dá)到設(shè)計(jì)需要的效果。這也是不同于傳統(tǒng)母板只需要平面設(shè)計(jì)的地方。

根據(jù)電路模塊尺寸，確定分離式母板的基本外形，根據(jù)微型連接器的尺寸，確定互聯(lián)臺(tái)階的幾何尺寸，結(jié)合組合形式及平整性要求，通過UG 三維設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)出分離式母板互聯(lián)臺(tái)階的厚度、互聯(lián)橫向?qū)挾鹊染唧w的尺寸。

現(xiàn)以厚度為1 mm 微型連接器為例來說明具體設(shè)計(jì)。微型連接器厚度決定了互聯(lián)區(qū)域Z 向最大空間是1 mm，那么，分離式母板承載微型連接器的厚度根據(jù)其機(jī)械應(yīng)力確定，這里暫且設(shè)定為1 mm。最后確定分離式母板總厚度為3 mm。微型連接器的寬度確定了互聯(lián)的X 方向的結(jié)構(gòu)尺寸。分離式母板的實(shí)際設(shè)計(jì)效果如圖5和圖6所示。

圖5 分離式母板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例Fig.5 Separated motherboard structure

圖6 分離式母板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)整體Fig.6 Separated motherboard interconnection

3.3 分離式母板的印制板設(shè)計(jì)

目前所有印制板設(shè)計(jì)軟件如Protel、mentor 等，都只能將元器件布置在頂層(Top)和底層(Botm)，而分離式母板需要在臺(tái)階上布置微型連接器，將會(huì)有多個(gè)頂層(Top)和底層(Botm)，與軟件的功能有些沖突，如果按照一般的設(shè)計(jì)，器件永遠(yuǎn)不能放置在臺(tái)階上。分離母板必須突破該設(shè)計(jì)障礙，才能做出相應(yīng)的印制板。

分離式母板外形確定后，可以在印制板設(shè)計(jì)軟件上進(jìn)行布局及布線設(shè)計(jì)。通過分析研究，之所以元器件只能布置在頂層(Top)和底層(Botm)，是由于元器件的焊盤庫(kù)設(shè)計(jì)中，通常要求焊盤只能設(shè)計(jì)在頂層(Top)，在布局時(shí)只可以改變?yōu)榈讓?Botm)，其他中間層不能接受。要解決這樣的問題，辦法只有兩個(gè):要么進(jìn)行印制板設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)，使元器件能在任何一層進(jìn)行定義;要么對(duì)于臺(tái)階上的元器件進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)處理，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。通過論證研究，發(fā)現(xiàn)在每種印制板設(shè)計(jì)軟件中，通孔能滿足同時(shí)在每個(gè)圖層任意放置要求，如果將微型連接器的焊盤設(shè)計(jì)成通孔，定義成“Multilayer”，同時(shí)孔徑設(shè)置為“0”，就可以建立能在每個(gè)圖層任意放置的貼片微型連接器的庫(kù)文件，就可滿足放置在包括臺(tái)階層的中間層、頂層(Top)和底層(Botm)，從設(shè)計(jì)上滿足布線要求。圖7是分離母板設(shè)計(jì)實(shí)例。

圖7 分離式母板印制板設(shè)計(jì)圖(分別對(duì)應(yīng)圖6中的3 塊分離母板)Fig.7 Separated motherboard design drawing

3.4 臺(tái)階母板互聯(lián)的可靠性分析與設(shè)計(jì)

由于分離式母板與傳統(tǒng)意義的整體總線母板相比，可能互聯(lián)可靠性不如總線母板，因此，對(duì)分離式母板進(jìn)行可靠性分析與設(shè)計(jì)顯得尤為重要?？煽啃苑治雠c設(shè)計(jì)中，主要對(duì)分離式母板互聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析和隨機(jī)振動(dòng)分析。通過模態(tài)分析，知道了互聯(lián)點(diǎn)接觸力滿足可靠性要求的力學(xué)條件;通過隨機(jī)振動(dòng)分析，知道了最大應(yīng)力出現(xiàn)位置［1，3］。這些結(jié)論為分離式母板可靠設(shè)計(jì)提供有力的理論支撐。該部分內(nèi)容是與別的單位合作研究的，具體見文獻(xiàn)［2］，此處不再贅述。

通過可靠性分析與設(shè)計(jì)，在互聯(lián)區(qū)域采用緊固螺釘增加相應(yīng)法向力，保證了可靠接觸，增強(qiáng)了抗振動(dòng)能力［1，3］。依此設(shè)計(jì)后的分離母板樣件，對(duì)分離母板的互聯(lián)點(diǎn)進(jìn)行串聯(lián)后通電來驗(yàn)證電性能可靠性，如圖8所示。因?yàn)樵诖?lián)中，有某個(gè)點(diǎn)出現(xiàn)失效，整個(gè)分離母板就失效。在隨機(jī)振動(dòng)耐久試驗(yàn)過程中及試驗(yàn)后，測(cè)試的電信號(hào)均保持正常，沒有發(fā)現(xiàn)任何互聯(lián)欠缺，證明了設(shè)計(jì)的可靠性滿足要求。

圖8 分離式母板試驗(yàn)測(cè)試Fig.8 Separated motherboard test

4 分析與討論

分離式互聯(lián)母板從分離方向可以分單方向分離互聯(lián)母板和多方向分離互聯(lián)母板，文中主要論述的是單方向分離互聯(lián)母板技術(shù)，也是目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了的一種分離式母板互聯(lián)技術(shù)。另外，本文基本上是以單方向分離式母板中的彈性接觸互聯(lián)為例，介紹了分離式母板可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)，技術(shù)上顯得有點(diǎn)單薄，但是文中的設(shè)計(jì)思路和方法對(duì)其他互聯(lián)設(shè)計(jì)還是具有指導(dǎo)意義。

5 結(jié)束語

本文介紹的單方向分離式母板互聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)適合于組合式電路模塊之間的互聯(lián)。由于分離式母板互聯(lián)技術(shù)涉及的技術(shù)面很多，本文單獨(dú)論述了設(shè)計(jì)方面的相關(guān)技術(shù)，對(duì)于分離式母板互聯(lián)技術(shù)的互聯(lián)實(shí)現(xiàn)等技術(shù)將另文論述。相對(duì)于單方向分離母板技術(shù)，對(duì)于多方向(X、Y、Z 方向)分離互聯(lián)母板［2，4］，也有相應(yīng)的探索與研究，適用可能要好些，但會(huì)有可靠性的問題需要解決。

［1］ 周德儉.分離母板互聯(lián)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選設(shè)計(jì)與可靠性分析［D］.桂林:桂林電子科技大學(xué)，2010.ZHOU Dejian. Parameter Optimization Design and Reliability Analysis of interconnection structure of separated motherboard［D］. Guilin:Guilin University of Electronic Technology，2010.(in Chinese)

［2］ 鄭大安. 單方向分離式可擴(kuò)展互聯(lián)母板:中國(guó)，ZL200910059842.3［P］.2011－06－22.ZHENG Da'an.Single direction Separated motherboard:China，ZL200910059842.3［P］.2011－06－22 .(in Chinese)

［3］ 陳田海，周德儉，吳兆華，等.分離母板互聯(lián)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真研究［J］.電子元件與材料，2010，29(2):62－65.CHEN Tianhai，ZHOU Dejian，WU Zhaohua，et al. Study on dynamics simulation of interconnection structure of separated motherboard［J］. Electronic Components and Materials，2010，29(2):62－65.(in Chinese)

［4］ 鄭大安. 多方向分離式可擴(kuò)展互聯(lián)母板:中國(guó)，ZL200910059841.9［P］.2010－12－29.ZHENG Da'an.Multi－direction Separated motherboard:China，ZL200910059841.9［P］.2010－12－29.(in Chinese)