潘 穎,楊 璐,段 喬,梁 穎,孫亞芬,庾同文,周克鳴

(西安北方光電科技防務有限公司,陜西 西安 710043)

1 引言

目前,導引頭內(nèi)部各電子組件可通過非規(guī)則線纜進行電氣互連,實現(xiàn)電子組件間可靠連接與信號的穩(wěn)定傳輸。非規(guī)則線纜的組成有導線、接線片、標識套管、屏蔽線和防波套等,制作工藝流程主要包括屏蔽線處理、排線、捆扎、絕緣處理和電氣安裝等,在當今電子產(chǎn)品小型化、輕量化、集成化發(fā)展趨勢下,劣勢明顯,主要表現(xiàn)為:1)生產(chǎn)制作工藝流程繁冗復雜;2)純手工制作,在批量生產(chǎn)時使用大量人工,制作周期長;3)使用導線多,重量、體積隨之增大;4)與電子組件裝配連接周期長。

由以上可知,使用傳統(tǒng)非規(guī)則線纜實現(xiàn)電氣互連,制作難度大,裝配周期長,也不利于導引頭產(chǎn)品小型化、輕量化、集成化的發(fā)展。

隨著電子產(chǎn)品的不斷升級更新,“輕、薄、短、小”和立體化組裝已成為當今電子產(chǎn)品的發(fā)展趨勢之一。傳統(tǒng)的導線連接已不滿足越來越小型化的整機要求,而剛柔結合印制板作為一種特殊的電子互連新載體,有十分顯著的優(yōu)越性,主要優(yōu)點有:1)整體結構具有更好的彎折性、柔曲性;2)可實現(xiàn)不同裝配條件下的三維組裝;3)配線密度高,重量輕,厚度薄,可大大縮小產(chǎn)品的體積,減輕重量;4)可采用PCB電路的設計方法進行電路設計,提升裝配質量及準確性。

因此,本文開展了可代替?zhèn)鹘y(tǒng)非規(guī)則線纜的,適用電子產(chǎn)品向高密度、小型化、高可靠性方向發(fā)展需要的,具有良好導通性、抗過載能力的電子組件柔性互連技術研究。

2 電子組件柔性互連設計分析

2.1 剛柔結合印制板結構分析

某型號導引頭電子組件三維結構示意圖如圖1所示。傳統(tǒng)模式是通過一組非規(guī)則線纜(見圖2)均勻分布在電子組件四周卡槽處,貫穿各層電子組件,連通各電子組件間相對應的信號點,進行電信號傳輸,實現(xiàn)各電子組件互連及信號處理。而電子組件柔性互連采用先進的剛柔結合印制板代替?zhèn)鹘y(tǒng)非規(guī)則線纜(見圖3),使用PCB電路設計方法取代傳統(tǒng)模式非規(guī)則線纜制作中屏蔽線處理、排線、捆扎、絕緣處理等工序,且充分考慮裝配空間與結構合理性,更準確、更高效地實現(xiàn)電信號傳輸。

圖1 某型導引頭電子組件三維模型

圖2 4種非規(guī)則線纜外形結構圖

圖3 剛柔結合印制板三維模型

2.2 剛柔結合印制板電氣關系分析

電子組件作為導引頭的重要組成部件,通過對探測器輸出信號進行處理,計算內(nèi)外區(qū)跟蹤指令信號,產(chǎn)生導引頭時序控制信號,提供陀螺啟動驅動信號,實現(xiàn)目標識別和舵機控制等,是產(chǎn)品電信號傳輸主體。剛柔結合印制板作為新型信號傳輸載體,在設計時應充分考慮信號傳輸可靠性及信號間抗干擾需求,從印制板制作工藝流程、材料選擇、剛柔設計參數(shù)、布線規(guī)則、信號間抗干擾設計、焊盤設計等進行優(yōu)選,選擇能滿足高可靠性導通及抗過載需求的設計方式。

3 剛柔結合印制板設計方案

3.1 剛柔結合印制板制作工藝流程

剛柔結合印制板將剛性和柔性板層壓在一起,同時具備剛性和柔性板特點,軟板可彎曲,硬板承載重的器件,可實現(xiàn)不同裝配條件下的三維組裝,具有輕薄短小的特點,優(yōu)化內(nèi)部空間,提高產(chǎn)品性能,適合小型化、智能化和高度集成化發(fā)展。本文采用剛柔結合印制板制造形式,實現(xiàn)電子組件電氣互連,剛柔結合印制板基本結構[1]如圖4所示。

圖4 剛柔結合板基本結構

因剛柔結合印制板將剛性和柔性板層壓在一起而成,故本文詳細描述了柔性印制板、剛柔結合印制板兩種印制板的制作工藝流程。圖5所示為單、雙面柔性印制板制作流程,圖6所示為剛柔結合印制板制作流程。柔性印制板制作各工序具體內(nèi)容見表1,剛柔結合印制板制作各工序具體內(nèi)容見表2。

表1 單、雙面柔性印制板制作具體工作內(nèi)容

表2 剛柔結合印制板制作具體工作內(nèi)容

圖5 單、雙面柔性印制板制作流程

圖6 剛柔結合印制板制作流程

3.2 剛柔結合印制板材料選擇

印制板基本選材[2]需求見表3。

表3 印制板選材

參照表3所述,本文應用剛柔結合印制板[3],硬板材料選用環(huán)氧玻璃布作為基材,電解銅作為導體材料;柔板材料選擇聚酰亞胺PI無膠作為基材[4],聚酰亞胺膜作為覆蓋膜,環(huán)氧樹脂膠作為膠黏劑[5]。

3.3 剛柔結合印制板剛柔設計

為對抗振動、沖擊等惡劣環(huán)境,設計剛柔結合印制板時應充分考慮剛柔結合部的外形[6]特點,優(yōu)選弧狀結構[7](見圖7a),次選項為圖7b所示結構,應杜絕圖7c所示結構?；罱Y構在承受張力時,張力分散到整個弧形,剛性與柔性結合處的單點張力大大減小,增強了線連印制板的抗振動、抗沖擊能力。圖7b所示結構剛性部分突出柔性部分,可以承受一定張力,具有一定的抗振動沖擊能力,但與圖7a所示結構相比,在承受側向剪切力方面大為減弱。圖7c所示結構剛性部分與柔性部分縱向尺寸相同,容易使得剛柔結合部分撕裂,應杜絕使用此種結構形式。

a) 弧狀結構

剛柔結合印制板是將剛性印制電路板與柔性印制電路板結合在一起,制成一塊完整的印制電路板。它同時兼有剛性板與柔性板的特點。它剛柔結合,能彎曲、折疊和收縮。每塊剛柔結合印制板上有一個或多個剛性區(qū)和一個或多個柔性區(qū)[8]。本文剛柔結合印制板實物結構圖如圖8所示。

圖8 剛柔結合印制板實物圖

3.4 剛柔結合印制板布線規(guī)則及焊盤設計

綜合考慮剛柔結合印制板制造及材料的使用情況,在布線時柔性板上避免過孔,撓折線路采用圓弧式逐漸過渡,鋪銅時采用網(wǎng)格形式,以此保障柔性板部分走線順暢,且增加彎折壽命,提高可靠性。

剛柔結合印制板導通孔、插件孔、撓折線路、鋪銅布線對比情況分別如圖9～圖12所示。

a) 不推薦 b) 推薦

a) 不推薦 b) 推薦

a) 不推薦 b) 推薦

a) 不推薦 b) 推薦

3.5 信號間抗干擾設計

在PCB布線時,相鄰層的走線方向成正交結構,避免將不同的信號線在相鄰層走成同一方向,以減少不必要的層間串擾,若PCB布線受到結構限制出現(xiàn)平行布線時,考慮使用地平面隔離布線層,用地線隔離各信號線[9]。同時,控制走線長度,開展接地系統(tǒng)的合理設計,并結合布線的一些工藝要求(包括布線范圍尺寸要求、布線的線寬和線距、線寬與電流的關系、內(nèi)層PCB導線的自熱等),達到減少PCB上信號串擾、避免信號間干擾的目的。具體如圖13和圖14所示。

圖13 推薦的布線形式

圖14 接地保護走線

剛柔結合印制板布線設計遵循信號傳輸網(wǎng)絡要求[10],并結合PCB布線時信號間抗干擾設計,合理開展線連印制板布線設計,實現(xiàn)信號間屏蔽,減少不必要的信號串擾等,具體如圖15所示。

a) 02-1

4 試驗驗證

根據(jù)上述剛柔結合印制板設計及實物制作,將剛柔結合印制板與各電子組件連接,實現(xiàn)電子組件間柔性互連,并在連接狀態(tài)進行電性能檢測、各項試驗及抗載能力驗證。具體驗證試驗項目見表4。

表4 驗證試驗項目

經(jīng)過一系列導通性和絕緣性試驗、環(huán)境試驗考核后,進行電性能檢測,產(chǎn)品電氣性能指標正常,滿足要求。具體情況見表5。

表5 驗證試驗結果

5 結語

針對導引頭系列產(chǎn)品中,非規(guī)則線纜的大批量需求及純手工制作這一瓶頸問題,本文采用電子組件柔性互連技術,結合剛柔結合印制板制造形式,實現(xiàn)電信號在導引頭內(nèi)的穩(wěn)定傳輸與可靠連接,經(jīng)過抗載驗證,各項試驗結果均符合產(chǎn)品要求。結果表明,剛柔結合印制板制造形式實現(xiàn)電子組件間柔性互連,不僅實現(xiàn)了導引頭生產(chǎn)裝配的自動化發(fā)展需求,而且為導引頭系列產(chǎn)品小型化、輕量化、集成化發(fā)展提供了新型電氣互連方式,對軍事武器的小型化研究具有參考意義。