欒壹俠

(上海航天科工電器研究院有限公司，上海，200331)

1 引言

現(xiàn)代通訊系統(tǒng)中，離不開印制板的使用，印制板作為電子元件的載板，具有固定元件和傳輸信號(hào)等基本功能。根據(jù)使用板材狀態(tài)的不同，印制板分為剛性板和柔性板。隨著整機(jī)對(duì)輕重量和小體積的需求不斷增加，柔性板優(yōu)勢(shì)凸顯。柔性板相比剛性板可彎曲、可折疊，具有重量輕、占用空間小的優(yōu)勢(shì)。本論文中介紹了一款剛?cè)峤Y(jié)合印制板上安裝連接器的柔板互連組件，用于某雷達(dá)組控機(jī)箱內(nèi)TR組件模塊和DBF板的互連，傳輸信號(hào)類型為200MHz射頻信號(hào)和低速控制信號(hào)。

2 柔板互連組件結(jié)構(gòu)介紹

某雷達(dá)組控機(jī)箱內(nèi)柔板互連結(jié)構(gòu)見圖1所示，原來機(jī)箱內(nèi)各模塊的互連是采用電纜組件，后來采用了柔板互連組件進(jìn)行互連，以滿足集成化和減重的要求。

圖2為柔板互連組件示意圖，該組件主要由3個(gè)連接器、剛?cè)峤Y(jié)合板、導(dǎo)向柱、安裝螺釘?shù)冉M成。其中柔板一端有2個(gè)射頻混裝連接器，用來連接2個(gè)TR組件，柔板另一端有一個(gè)連接器，用來連接DBF板。機(jī)箱內(nèi)TR組件模塊與DBF板之間通過柔板互連組件實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)和低速控制信號(hào)的通信。

圖1 柔板互連組件安裝示意圖

3 柔板互連組件材料選擇和疊層設(shè)計(jì)

3.1 柔板特點(diǎn)

?可撓曲性：柔板最顯著的優(yōu)勢(shì)是可彎曲和折疊，方便在三維空間進(jìn)行布線或立體安裝。

(a)正面45°俯視圖 (b)側(cè)視圖 (c)背面45°俯視圖圖2 柔板互連組件安裝后形態(tài)

?體積?。号c電纜導(dǎo)線相比，柔板的導(dǎo)體截面薄而扁平，減少了導(dǎo)線尺寸。

?重量輕：柔板的材料決定了產(chǎn)品的重量輕，和電纜導(dǎo)線或剛性印制板相比，在相同載流力下，柔板重量可減輕50%以上。

?安裝簡便：柔板可避免使用電纜導(dǎo)線，消除了電纜組件的裝接出錯(cuò)，導(dǎo)線纏繞等問題。

柔板非常薄，如果接插件直接焊接在上面，在生產(chǎn)和使用時(shí)，焊盤容易損壞，所以，在接插件焊接安裝處應(yīng)具有一定的厚度和剛性，那么剛?cè)峤Y(jié)合板是最好的選擇。本文中柔板兩個(gè)端部是剛性印制板，連接器焊接安裝在剛性印制板上。

3.2 板材選擇

在柔性板設(shè)計(jì)中，材料的類型和結(jié)構(gòu)非常重要。材料主要決定著柔性板的柔軟性、電氣特性和機(jī)械特性等。

柔板材料分為有膠板材和無膠板材，兩者區(qū)別在于中間是否有膠。如圖3(a)和圖3(b)所示。一般產(chǎn)品使用有膠板材，無膠板材使用在彎折要求高，或高溫工作環(huán)境下，但無膠板材價(jià)格貴。

(a) 有膠板材 (b) 無膠板材圖3 柔性板材

柔性板基材有聚酰亞胺(PI，分有膠和無膠)、聚酯(PET，有膠)、聚四氟乙烯(PTFE)三種，各有優(yōu)缺點(diǎn)。本文中柔板層數(shù)較多，且外形長度較短，為了具有更好的彎折性，柔性材料選擇杜邦無膠PI材料。

最常用、最經(jīng)濟(jì)的導(dǎo)體材料是銅箔。板材的銅箔有兩種，一種是壓延銅箔(RA),另一種是電解銅箔(ED)。壓延銅箔柔曲性能好，可進(jìn)行上千次以上的動(dòng)態(tài)柔曲，用于對(duì)柔曲性能要求高的產(chǎn)品上，但壓延銅箔板材價(jià)格貴；電解銅箔易發(fā)生斷裂，常用于一次性柔曲產(chǎn)品上。除了銅箔以外，柔性板的其它導(dǎo)體材料還有銅鎳合金和導(dǎo)電涂料。

設(shè)計(jì)者和柔板加工廠家必須依據(jù)成本、性能和可制造性來選擇材料。本文中柔板選擇的材料如下表：

表1 剛?cè)岚宀牧线x擇列表

3.3 層疊設(shè)計(jì)

根據(jù)電路規(guī)模、印制板尺寸，確定柔性板層數(shù)。從布線方面來說，層數(shù)越多越有利于布線，但是制板成本和難度也會(huì)隨之增加。所以層數(shù)的選擇需要考慮線寬的電流承載能力、電壓爬電距離、EMC要求、特性阻抗要求、壓降要求等等因素。

一般剛?cè)峤Y(jié)合板的剛性板部分層數(shù)比柔性板部分層數(shù)至少要多2層，頂層和底層分別多1層。

該剛?cè)峤Y(jié)合板層疊設(shè)計(jì)如圖4所示，剛性板設(shè)計(jì)為10層，柔性板設(shè)計(jì)為8層，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，8層的柔板分布在不同平面區(qū)域，實(shí)際同一平面區(qū)域內(nèi)最多只有4層柔板，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是為了在狹小空間內(nèi)提高柔板的彎折性。

圖4 剛?cè)峤Y(jié)合板層疊設(shè)計(jì)

4 電性能設(shè)計(jì)

互連組件不僅要能夠正確安裝在機(jī)箱內(nèi)，同時(shí)電氣性能要滿足技術(shù)要求。

該柔板互連組件工作頻率200MHz，需要控制的電性能參數(shù)主要有特性阻抗、插損、隔離度。要求如表2所示。

表2 射頻參數(shù)要求

由于互連板走線長度≤50mm和傳輸速率為200MHz，憑經(jīng)驗(yàn)判斷插損≤1dB，可以滿足不大于1.2dB的要求，因此不再進(jìn)行仿真分析，這里隔離度參數(shù)是分析的重點(diǎn)和難點(diǎn)。該柔板互連組件用于雷達(dá)控制機(jī)箱內(nèi)，整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)隔離度要求≤-65dB,對(duì)于該互連柔板組件要求射頻信號(hào)隔離度≤-75dB。對(duì)于柔性印制板來說，-75dB隔離度要求有一定難度。

4.1 特性阻抗設(shè)計(jì)

互連結(jié)構(gòu)中特性阻抗參數(shù)是控制其它傳輸參數(shù)的基礎(chǔ)。需要考慮互連結(jié)構(gòu)中整個(gè)鏈路的阻抗匹配情況，組件內(nèi)信號(hào)傳輸所經(jīng)過的路徑順序?yàn)椋哼B接器-連接器焊接處-剛性印制板-柔性印制板-剛性印制板-連接器焊接處-連接器。

信號(hào)在互連結(jié)構(gòu)傳輸路徑中，連接器是過孔安裝，為阻抗突變點(diǎn)，因此連接器封裝對(duì)信號(hào)匹配和隔離度有很大的影響。印制板走線按照傳輸線阻抗匹配設(shè)計(jì)就可以，不多作介紹。

圖5 射頻傳輸路徑的特性阻抗仿真模型

圖6 連接器封裝模型

圖7 射頻傳輸路徑的特性阻抗仿真結(jié)果

射頻傳輸線采用PCB帶狀線結(jié)構(gòu)，銅厚為0.5oz，基材選用PI，介電常數(shù)ε=3.4。選取相鄰最近的走線進(jìn)行仿真建模。仿真模型如圖5所示。連接器和印制板焊接處的封裝設(shè)計(jì)為本傳輸路徑中控制重點(diǎn)，是優(yōu)化特性阻抗的關(guān)鍵，圖6為連接器封裝圖，通過仿真優(yōu)化封裝設(shè)計(jì)。仿真結(jié)構(gòu)如圖7所示。射頻特性阻抗仿真出來為49Ω～52Ω。滿足技術(shù)要求。

4.2 隔離度設(shè)計(jì)

射頻信號(hào)隔離度反映射頻信號(hào)之間干擾情況。隔離度設(shè)計(jì)需要考慮信號(hào)的整個(gè)傳輸鏈路，保證處處具有好的信號(hào)隔離，處理好每一處的泄露點(diǎn)。柔板互連組件重點(diǎn)優(yōu)化傳輸線設(shè)計(jì)和連接器設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。

①增加傳輸線之間間距或在走線之間使用地過孔屏蔽可以提高信號(hào)之間隔離度，這里印制板有柔性部分，柔性區(qū)域無法使用地過孔，因此采取增大走線間距方法。

②連接器射頻接觸件為同軸連接器，連接器和印制板焊接處為射頻泄露點(diǎn)，需要重點(diǎn)分析。

常規(guī)相鄰的兩個(gè)連接器焊腳布局設(shè)計(jì)如圖8所示，這里為了增大隔離度，連接器焊腳布局旋轉(zhuǎn)45度，增加兩射頻信號(hào)之間地隔離，優(yōu)化后為圖9所示。

圖8 常用相鄰射頻連接器焊腳布局

圖9 優(yōu)化后相鄰射頻連接器焊腳布局

在通常情況下，通常焊接印制板的連接器考慮到焊接時(shí)焊錫會(huì)爬高，因此，連接器底面和印制板表面不是完全貼合，會(huì)留有一點(diǎn)間隙，如圖10所示。這個(gè)間隙尺寸d也是重點(diǎn)分析參數(shù)。同時(shí)，連接器安裝面的印制板表層設(shè)為射頻地層，使射頻信號(hào)在此處有更近的回路，這樣更有利于增大隔離度。還需要考慮連接器焊腳長度，在焊接可靠情況下，焊腳長度盡量短，這樣寄生電容越小。

圖10 連接器底面與印制板表面間距d

確定分析重點(diǎn)后，進(jìn)行仿真分析，并優(yōu)化仿真結(jié)果。仿真模型如上圖5所示。通過多次優(yōu)化，兩路射頻傳輸串?dāng)_優(yōu)化后仿真結(jié)果圖如下圖11所示，這是選取了遠(yuǎn)端和近端中串?dāng)_最大的仿真結(jié)果，射頻傳輸串?dāng)_可以滿足≥100dB。此仿真結(jié)果下，各優(yōu)化后參數(shù)如下：①射頻信號(hào)在印制板上走線間距≥1.2mm；②連接器底面和印制板表面間距需要滿足d≤0.35mm；③印制板厚度為1.9mm情況時(shí),焊腳伸出印制板的長度≤1.2mm。

圖11 射頻傳輸隔離度仿真結(jié)果

5 樣品實(shí)測(cè)

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和TDR對(duì)樣品進(jìn)行實(shí)測(cè)，圖12分別為樣品正面圖和背面圖。圖13為兩路傳輸線的特性阻抗測(cè)試圖，阻抗范圍是44Ω-55Ω；圖13為兩路傳輸線插入損耗IL測(cè)試圖，IL≤0.48dB(20MHz-200MHz)；圖14為隔離度IS測(cè)試圖，隔離度≥82dB(20MHz-200MHz)。

圖12 柔板組件實(shí)物圖

圖13 特性阻抗

圖14 插入損耗

圖15 隔離度

6 總結(jié)

本論文闡述了柔板互連組件的技術(shù)要求、工藝設(shè)計(jì)、性能設(shè)計(jì)、樣品測(cè)試四個(gè)方面。通過計(jì)算和仿真優(yōu)化完善互連組件的射頻特性，最后將產(chǎn)品的工藝參數(shù)和電性能參數(shù)總結(jié)列表。表3為主要制板工藝參數(shù)，表4為基本電氣參數(shù)，表5為射頻性能參數(shù)，表中對(duì)比了測(cè)試參數(shù)與仿真參數(shù)和技術(shù)，結(jié)果顯示互連組件滿足了技術(shù)要求。

表3 工藝參數(shù)表

表4 電氣參數(shù)測(cè)試結(jié)果

表5 射頻參數(shù)