姜志國， 陳玉玲， 史巖峰， 李國珍， 于 洋

(北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076)

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剛撓印制板技術(shù)在軍用傳感器中的應(yīng)用

姜志國， 陳玉玲， 史巖峰， 李國珍， 于 洋

(北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076)

將剛撓結(jié)合印制板的設(shè)計(jì)理念引入到航天產(chǎn)品的電路板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，四塊剛性印制板和三塊撓性板進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了接口的高可靠性連接，并極大地節(jié)省了傳感器的內(nèi)部空間，便于傳感器微型化。剛性印制板采用四層板設(shè)計(jì)，撓性板采用雙層板設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了小電路板上含有多種信號通道的目的。通過振動試驗(yàn)、加速度試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、高低溫循環(huán)試驗(yàn)等試驗(yàn)證明了高可靠性剛撓印制板可以應(yīng)用于航天器等軍用型號。

剛撓結(jié)合印制板； 傳感器； 四層板； 航天器

0 引 言

自20世紀(jì)80年代初期，剛撓結(jié)合板首次使用在高可靠性軍事電子設(shè)備中以來，它在高科技領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如今已成為印制板工業(yè)中的研究熱點(diǎn)之一。剛撓結(jié)合板兼具了剛性板的支撐功能和撓性板的高密度可撓曲功能，實(shí)現(xiàn)不同裝配條件下的三維組裝，適應(yīng)了電子產(chǎn)品的輕、薄、短、小的要求，因而應(yīng)用前景廣闊[1～3]。

航天型號等軍用三軸振動傳感器電路板功能復(fù)雜且傳感器內(nèi)部安裝空間有要求，不得不分為幾塊電路板共同實(shí)現(xiàn)電路功能[4]。一般設(shè)計(jì)是將各個(gè)電路板分別設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行對接和聯(lián)調(diào)。傳統(tǒng)的電路板連接方式主要包括飛線連接和剛性板插針連接兩種方式，飛線連接具有可靠性低，操作性差等缺點(diǎn)，剛性插針連接方式空間利用率低，插針易斷裂，裝配困難，可靠性差[5]。針對傳統(tǒng)電路板連接方式的缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種新型的軍用電路板。應(yīng)用該剛撓結(jié)合板設(shè)計(jì)的三軸振動傳感器通過了振動試驗(yàn)、加速度試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、高低溫循環(huán)試驗(yàn)等試驗(yàn)的考核，可靠性高，可適應(yīng)火箭、導(dǎo)彈等不同型號的環(huán)境需要。

1 剛撓印制板的特點(diǎn)

所謂剛撓印制板是指一塊印制板上包含一個(gè)或多個(gè)剛性區(qū)和一個(gè)或多個(gè)撓性區(qū)，由剛性板和撓性板有序地層壓在一起組成，并以金屬化孔形成電氣連接。剛撓印制板既有提供剛性印制板應(yīng)有的支撐作用，又有撓性板的彎曲性，能夠滿足三維組裝的要求，為電氣互聯(lián)領(lǐng)域提供了新的解決方案[6～7]。

剛撓印制板具有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：l)便于電氣性能的維修與管理;2)滿足高密度化的發(fā)展與要求;3)體積小、重量輕，減少了系統(tǒng)內(nèi)連所需的硬件，具有更高的裝配可靠性;4)有利于三維立體組裝，提高了電路設(shè)計(jì)和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的自由度;5)保證了整個(gè)系統(tǒng)連接的可靠性。

2 剛撓結(jié)合電路板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文針對航天型號用三軸振動傳感器的功能和需求特性，設(shè)計(jì)了一種新型的軍用剛撓結(jié)合電路板，印制板實(shí)物圖如圖1所示，剛撓結(jié)合板主要由4塊剛性板和3塊撓性板一體化壓接生產(chǎn)而成。剛性板采用4層板設(shè)計(jì)，頂層為信號層，中間2層為內(nèi)部信號1層和內(nèi)部信號2層，底層不布線，并進(jìn)行絕緣處理，保證了電路信號層與殼體隔離。3塊敏感芯體分別焊接在3塊不同的剛性板上，另外一塊剛性板為信號調(diào)理電路板。4塊剛性板通過撓性板進(jìn)行連接，撓性板具有優(yōu)良的彎曲自由度，通過3塊撓性板的不同彎曲度，便可以組成不同結(jié)構(gòu)的加速度傳感器。

圖1 剛撓印制電路板Fig 1 Flexible-rigid PCB

其中，4塊剛性板的厚度均為1.4 mm，質(zhì)量非常輕，容易與殼體牢固粘接。剛性板選用環(huán)氧玻璃布壓板作為材料，強(qiáng)度較大，可提供支撐作用，撓性板選用柔性度較好的聚酰亞胺作為材料，做成雙層板，連接長度為6 mm，寬度為4 mm，這樣保證了印制板整體在一定范圍內(nèi)有較大的彎曲自由度，不易因應(yīng)力作用而受傷，也節(jié)省了傳感器的內(nèi)部空間，為高頻響的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了保障。

3 剛撓板在傳感器上的應(yīng)用

應(yīng)用該剛撓印制板設(shè)計(jì)了一種三軸向振動傳感器的結(jié)構(gòu)，傳感器的實(shí)物圖如圖2所示。將3塊敏感芯體分別焊接在3塊不同的剛性板上，4塊剛性板通過撓性板正交彎曲成90°安裝在殼體內(nèi)部，從而實(shí)現(xiàn)3個(gè)方向測試的目的。整機(jī)結(jié)構(gòu)剛性好，體積小，質(zhì)量輕，便于安裝，能夠滿足火箭、導(dǎo)彈等航天使用要求。

圖2 傳感器實(shí)物圖Fig 2 Physical map of sensor

將4塊剛性印制板和3塊撓性板進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了接口的高可靠性連接，并極大地節(jié)省了傳感器的內(nèi)部空間，便于傳感器微型化，有利于提高整機(jī)的頻響性能。剛性印制板采用4層板設(shè)計(jì)，撓性板采用雙層板設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了小電路板上含有多種信號通道的目的，并保證了電路的高可靠性能。

4 效果檢查與試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 效果檢查

為檢驗(yàn)項(xiàng)目的效果，將新設(shè)計(jì)的剛撓結(jié)合板應(yīng)用于三軸加速度傳感器上，對傳感器進(jìn)行了性能指標(biāo)的驗(yàn)證，在帶內(nèi)不平度小于1 dB的條件下，傳感器的頻響特性均能達(dá)到5 kHz。圖2為編號1302001傳感器X方向的頻響曲線圖。從圖中可看出:傳感器的帶內(nèi)曲線平穩(wěn)，不平度小，帶外衰減快，頻響特性良好。傳感器的濾波功能和電壓調(diào)整電路功能均工作正常，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足要求。綜上說明，剛撓結(jié)合電路板的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了加速度傳感器的三軸一體化和體積微型化，并將3個(gè)方向的頻響特性提高到5 kHz，傳感器可以滿足型號的技術(shù)指標(biāo)要求。

圖3 幅頻特性檢驗(yàn)效果Fig 3 Checkout effect of amplitude-frequency characteristic

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

我國標(biāo)準(zhǔn)體系中涉及剛撓印制板檢驗(yàn)的有SJ20604—96《撓性和剛撓印制板總規(guī)范》和GB/T18335—2001《有貫穿連接的剛撓多層印制板規(guī)范》，國外標(biāo)準(zhǔn)有IPC—6018B,MIL31032/5和MIL31032/6等標(biāo)準(zhǔn)。通過實(shí)際生產(chǎn)以及航天型號的特殊要求，結(jié)合上述標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了以下試驗(yàn)來檢驗(yàn)剛撓印制板的可靠性。

4.2.1 振動試驗(yàn)

航天器在發(fā)射過程和太空使用中可能會遭受非常惡劣的情形，如穿過大氣層時(shí)的振動或被沖擊。通常航天產(chǎn)品的組裝件在試驗(yàn)階段都要求通過振動試驗(yàn)，而對于新研制的剛撓印制板，將其焊接元器件組裝成傳感器后進(jìn)行整機(jī)的驗(yàn)收和典試振動試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如表1所示。

表1 隨機(jī)振動試驗(yàn)條件

驗(yàn)收試驗(yàn)時(shí)間T=3 min/每個(gè)方向；典試試驗(yàn)時(shí)間T=6 min/每個(gè)方向。試驗(yàn)沿產(chǎn)品3個(gè)方向進(jìn)行。使用編號為1302001的傳感器參加試驗(yàn)，振動試驗(yàn)結(jié)束后，在常規(guī)條件(溫度：20 ℃，濕度：40 %RH)下加電測試該傳感器的各項(xiàng)電性能，結(jié)果均和振動前的指標(biāo)保持一致，表2列舉了該傳感器試驗(yàn)后的2項(xiàng)關(guān)鍵測試數(shù)據(jù)，說明該剛撓板可以經(jīng)受振動試驗(yàn)的考核。

表2 振動試驗(yàn)后測試數(shù)據(jù)

4.2.2 沖擊試驗(yàn)

使用參加上述振動試驗(yàn)的傳感器進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，條件見表3。

表3 沖擊試驗(yàn)條件

試驗(yàn)沖擊響應(yīng)譜Q=10，允許的最大偏差6.0 dB。加載方向及次數(shù)：沿產(chǎn)品3個(gè)方向各2次，共6次。試驗(yàn)后測試該傳感器的關(guān)鍵參數(shù)如表4所示，說明使用新研剛撓板研制的傳感器可以經(jīng)受沖擊試驗(yàn)的考核。

表4 沖擊試驗(yàn)后測試數(shù)據(jù)

4.2.3 加速度試驗(yàn)

將參試產(chǎn)品按照如下條件進(jìn)行加速度試驗(yàn):1)試驗(yàn)條件：X軸為+30，-15gn；Y,Z軸為±62.5gn。2)試驗(yàn)要求：在加速度值穩(wěn)定后保持1 min后測試傳感器的直流輸出。

經(jīng)測試，試驗(yàn)中的直流輸出正常，試驗(yàn)后產(chǎn)品結(jié)構(gòu)完好，功能檢查后發(fā)現(xiàn)傳感器均保持了原來的電氣性能指標(biāo)，表5列舉了試驗(yàn)后傳感器的部分關(guān)鍵參數(shù)。

表5 加速度試驗(yàn)后測試數(shù)據(jù)

4.2.4 高溫試驗(yàn)

將傳感器安放在高溫試驗(yàn)箱中的試驗(yàn)架上，并連接好檢測儀器設(shè)備。在常溫下完成試驗(yàn)前測試后，將設(shè)備升至試驗(yàn)條件中的溫度。當(dāng)達(dá)到規(guī)定的溫度后，保持規(guī)定的時(shí)間后對產(chǎn)品進(jìn)行加電監(jiān)測，并做好記錄，試驗(yàn)條件如下：1)試驗(yàn)條件：高溫+120 ℃，升溫率<10 ℃/min。2)試驗(yàn)時(shí)間：高溫+120 ℃，保溫570 s。

試驗(yàn)過程中傳感器的零位輸出電壓正常，試驗(yàn)后進(jìn)行全面的電氣性能測試均無異常，表6列舉了試驗(yàn)后傳感器的部分關(guān)鍵參數(shù)。

表6 高溫試驗(yàn)后測試數(shù)據(jù)

4.2.5 高、低溫循環(huán)試驗(yàn)

將傳感器放入高低溫溫度試驗(yàn)箱中，連接好檢測儀器設(shè)備后進(jìn)行表7所示的高、低溫循環(huán)試驗(yàn)。

表7 溫度循環(huán)試驗(yàn)條件

試驗(yàn)中的直流輸出正常，試驗(yàn)后產(chǎn)品結(jié)構(gòu)完好，檢查傳感器的各項(xiàng)功能均保持了原來的電氣性能指標(biāo)，表8列舉了溫度循環(huán)試驗(yàn)后傳感器的部分關(guān)鍵參數(shù)。

表8 溫循試驗(yàn)后測試數(shù)據(jù)

4.2.6 電磁兼容試驗(yàn)

電磁兼容試驗(yàn)按照GJB151A—1997《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射敏感度要求》、GJB152A—1997《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射敏感度測量》及GJB3590—1999《航天系統(tǒng)電磁兼容性要求》的要求進(jìn)行，考核的試驗(yàn)項(xiàng)目包括CE102,CS101,CS114,CS115,CS116,RE102,RS103和ESD測試。

GJB 3590—1999中對傳感器應(yīng)承受的尖峰、浪涌規(guī)定：傳感器應(yīng)至少經(jīng)受住正向10 ms、負(fù)向200 ms的輸入浪涌電壓。當(dāng)輸入電壓從零躍變到額定電壓的175 %和從額定電壓的120 %躍變到零時(shí)，傳感器不應(yīng)損壞。當(dāng)電壓從零躍變到額定電壓時(shí)，傳感器瞬時(shí)啟動電流不能超過穩(wěn)態(tài)輸入電流均值的10倍。

試驗(yàn)中傳感器未發(fā)生異常現(xiàn)象，試驗(yàn)后傳感器的電氣性能輸出均正常，表9為試驗(yàn)后傳感器的部分關(guān)鍵參數(shù)，證明應(yīng)用該剛撓印制板研制的傳感器其可靠性可以滿足航天型號中電磁輻射環(huán)境的要求。

表9 電磁兼容試驗(yàn)后測試數(shù)據(jù)

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種新型結(jié)構(gòu)的剛撓結(jié)合印制電路板，并將其應(yīng)用于航天、武器等軍用型號用三軸振動傳感器中，實(shí)現(xiàn)了傳感器的微型化、輕量化和高可靠性。傳感器的性能指標(biāo)均能滿足型號任務(wù)方的要求。通過振動、沖擊、加速度、高溫、高低溫循環(huán)和電磁兼容等試驗(yàn)的驗(yàn)證考核，證明其結(jié)構(gòu)可靠性可以滿足火箭、導(dǎo)彈等航天型號惡劣環(huán)境的測試需求。

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Applications of flexible-rigid PCB technology in military sensor

JIANG Zhi-guo, CHEN Yu-ling, SHI Yan-feng, LI Guo-zhen, YU Yang

(Beijing Institute of Structure and Environment Engineering,Beijing 100076,China)

The idea of flexible-rigid PCB is introduced into structure design of circuit board for aerospace products.Integrating four rigid boards with three flexible boards realizes high reliable connect of interface and infinitely saves inner space of the sensor and convenient for miniazation of sensor.The design of four-layered rigid boards and double-layered flexible board implements that small circuit board can include multichannel of signal.Through vibration test,acceleration test,shock test,thermal cycle test,It is proved that the high reliability flexible-rigid PCB can be applied to military products such as aerospace.

flexible-rigid PCB; sensor; four-layered board; aerospace product

2015—12—01

10.13873/J.1000—9787(2016)10—0155—03

TP 212

B

1000—9787(2016)10—0155—03

姜志國(1983-)，男，河北邯鄲人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楹教煊谜駝宇悅鞲衅鞯难兄坪驮O(shè)計(jì)。