剛撓印制板電氣性能仿真技術研究

孟凡琢 陳 峰 張海礁 王立峰

（北京新風航天裝備有限公司，北京 100854）

剛撓印制板是一種兼具剛性PCB的耐久力和柔性PCB的適應力的新型印刷電路板[1]，具有配線密度高、超薄、超輕、可折疊以及組裝靈活度高等優點，可以在立體空間任意移動和伸縮，可實現元器件裝配和導線連接的一體化。在所有類型的PCB中，剛撓印制板對惡劣應用環境的抵抗力最強，受到工業控制、醫療和軍事設備生產商的青睞。隨著新質飛行器對續航能力、機動能力要求的提高，飛行器逐漸向輕小型、集成化發展，其內部空間逐漸變小，因此對內部各系統體積、質量提出了更高要求。由于傳統電氣互聯系統存在大量導線，導致系統體積和質量較大，已無法滿足新質飛行器的發展需求，因此剛撓印制板互聯技術逐漸得到應用。

由于剛撓印制板采用整體“壓合”方式生產，其可維修性低于傳統導線電纜，因此對設計的準確性提出了更高要求。剛撓印制板設計過程包括“機、電、熱”等多種指標，但現階段主要通過實物匹配方式對結構尺寸、電氣性能和工作溫升等指標的設計準確性進行驗證，不僅降低了剛撓印制板研制速度，還增加了研制成本。該文針對剛撓印制板設計過程中電氣性能指標達到性設計進行仿真技術研究，為剛撓印制板設計提供技術支持。

1 剛撓印制板電氣仿真內容

以某飛行器內剛撓印制板設計為例，其外型尺寸為1400mm，電氣性能指標見表1。

表1 某飛行器內剛撓印制板電氣性能指標

在剛撓印制板設計過程中，主要設計難點如下：1）導通阻抗精準設計。部分供電信號要求導通電阻≤0.2Ω，根據導通阻抗計算公式，導通阻抗與走線長度成反比，與剛撓印制電纜溫升成正比。因此，進行剛撓印制電纜導通阻抗設計時，不僅需要考慮1.4m走線長度下的布線寬度設置，還需要考慮溫升對剛撓印制電纜導通阻抗的影響。2）特性阻抗設計。因為剛撓印制板部分通信信號需要進行特性阻抗設計，所以需要計算通信信號布線寬度、線間距，還需結合剛撓印制電纜成品厚度要求對通信信號參考平面進行設計，以同時滿足結構和電氣需求。3）載流量精準計算。剛撓印制電纜中存在20A供電線路，需要對回路載流能力進行設計和計算，以滿足供電要求。

剛撓印制板設計仿真技術優勢如下：1）提高一次設計準確性。通過仿真手段，提高結構、電氣性能一次設計準確性，尤其是對低導通阻抗線路的設計。2）縮短研制周期。可完全替代前期剛撓印制電纜結構、電氣樣件匹配，縮短研制周期約15～20天。3）節約研制成本。可省略前期部分樣件生產制作費用，單件產品視復雜程度，可節約成本約2000～7000元。

剛撓印制板設計仿真流程如圖1所示，為保證產品設計準確性和仿真結果準確性，該文項目在原有結構、電氣獨立設計和仿真基礎上，提出結構、電氣一體化設計仿真思路，即在結構設計過程中充分考慮電氣連接關系對鋪設結構、尺寸等的需求，在電氣設計過程中考慮有限空間下剛撓印制板厚度對結構匹配的影響。

圖1 剛撓印制板設計仿真流程

結構仿真方案分為布線前仿真和布線后仿真，仿真平臺均為Creo 2.0。首先，布線前仿真主要對剛撓印制板如下參數進行驗證：1）結構匹配性。剛撓印制板結構尺寸與設備內部空間的匹配性。2）彎折點識別。識別剛撓印制板實際裝配過程中的結構彎折點，用于指導后續結構補強設計。3）電子元器件安裝方向和位置識別。受安裝方式影響，個別電子元器件需要識別其主體結構鋪設到位情況下的安裝方向，避免剛撓印制板出現翻折情況。其次，布線后主要對剛撓印制板如下參數進行仿真驗證：1）剛撓印制板厚度仿真。根據板層信息和板材參數信息，完善剛撓印制板三維模型，增加厚度信息，用于仿真狹小空間下剛撓印制板裝配。2）電氣性能仿真。根據印制板布線情況，對其導通阻抗、特性阻抗、載流量以及絕緣性能進行仿真，提前識別設計錯誤，提高產品設計指標達到性。

該文以ADS、Sigrity仿真軟件為工具，以某剛撓印制板為對象，主要介紹剛撓印制板設計仿真過程中RS485信號時域特性阻抗（TDR）、電源回路導通阻抗和載流量仿真方法。尤其針對無法直觀得到仿真結果的導通阻抗、載流量，基于軟件現有功能，提出計算方法，從而判讀仿真結果。

1.1 TDR仿真

印制導線在低頻電路中呈現電阻特性，其在聲頻以上的高頻、高速電路中作為信號傳輸線時，則呈現有特性阻抗，并且隨著頻率或速度的提高，其中的感抗成分越來越大，甚至會超過導線的電阻。這時應考慮特性阻抗與電路是否匹配，并控制阻抗在需要的范圍內。如果信號沿印制導線傳播時所受的瞬態阻抗發生變化，就會引起信號失真，造成信號不完整或傳輸時間延遲[2]。

微帶線、帶狀線的特性阻抗由印制導線的寬度和厚度、介質層的厚度和介電常數決定，該文項目采用的基材相關參數如下：板材VT-901PPLE的介電常數為3.7@5GHz，損耗因子為0.02@5GHz；板材為R-F775的介電常數為3.7@5GHz，損耗因子為0.02@5GHz。

通過在ADS軟件中輸入相關參數，對RS485總線數據傳輸、同步時鐘特性阻抗進行仿真，仿真結果如圖2、圖3所示。

圖2 總線數據傳輸TDR仿真結果

圖3 總線同步時鐘TDR仿真結果

由圖2、圖3TDR仿真結果可以看出，該文項目總線信號在5ns時間內，特性阻抗基本保持在115Ω，可以滿足預設技術指標要求。對實際產品進行TDR阻抗測試，總線數據傳輸TDR測試結果為114Ω，總線同步時鐘TDR測試結果為115Ω，表明該文仿真方法準確、可行。

1.2 導通阻抗仿真

印制導線的導通阻抗符合歐姆定律，由導體長度、寬度和厚度、導體的電阻率以及允許的導線溫升限定值來確定[3]。剛撓印制板導通阻抗可根據公式（1）、公式（2）進行計算，而在剛撓印制板實際布線過程中，由于空間限制，同一回路印制導線寬度可能不同，并且由于引入過孔，因此導通阻抗理論值計算準確性不高。

式中：R為導線電阻，Ω；RU為方塊電阻，Ω；L為導線長度，mm；W為導線寬度，mm；ρ為銅在25℃時的電阻率，ρ=1.8×10-5Ω，mm；t為導線厚度，mm（本批印制導線厚度35×10-3mm）。

導通阻抗及其變化率是反映剛撓印制板可靠性和加工質量的重要特性，導通阻抗組成如下：1）同一網絡中串聯的金屬化孔（過孔）電阻。2）導體電阻。3）金屬化孔壁與內層導線連接的界面電阻。4）導線鍍層電阻。

正常情況下，金屬化孔壁與內層導線連接的界面電阻很小，互聯電阻主要由其他3項決定，但是對導通阻抗值要求較小的網絡來說，進行導通阻抗計算時需要考慮上述4項因素。

該文根據Sigrity軟件功能，提出由回路線壓降情況仿真回路導通阻抗。在回路首端施加模擬電源，檢測末端電壓降低情況，并通過公式（3）對導通阻抗進行計算。

式中：ΔU為回路首、末兩端壓降，V；I為回路模擬電流，A。

對于電源回路，由于傳輸功率較大，剛撓印制板存在工作過程中溫升的情況，而銅導體電阻率與溫度成正比，因此進行電源回路導通阻抗設計時，需要同步考慮工作溫升對導通阻抗的影響。該文項目在Sigrity軟件功能基礎上，對剛撓印制板電源回路工作溫升進行仿真，以預測工作溫升，用于指導電源回路導通阻抗設計。電源回路工作溫升仿真結果如圖4所示。常溫下，電源回路線壓降仿真結果如圖5所示，溫升后電源回路線壓降仿真結果如圖6所示。

圖4 電源回路工作溫升仿真結果（mm）

圖5 常溫下電源回路線壓降仿真結果（mm）

圖6 溫升后電源回路線壓降仿真結果（mm）

圖4左側圖像為模擬剛撓印制電纜工作溫升，不同深淺對應的工作溫升標注在圖右側。由圖4可知，該文項目剛撓印制板整體溫升約為70℃，窄區局部溫升約為170℃。圖5、圖6左側不同深淺為工作線壓降，右側標注了對應線壓降。理想狀態下剛撓印制板供電線路線壓降最大值為 23mV（如圖5所示）。由公式（3）可以計算出4A電流下回路導通阻抗約為6mΩ。根據銅導體不同溫度下的電阻率，可對剛撓印制板不同區域溫升后線壓降進行仿真。由圖6可知，引入溫升后，剛撓印制板最大線壓降約為50mV，導通阻抗約為12.5mΩ，可以滿足“導通阻抗≤0.2Ω”的要求。

1.3 載流能力仿真

多層剛撓印制板中厚度和寬度相同的印制導線的內層導線和表層導線的負載電流能力基本相同，但是在實際應用條件下，內層的散熱不如表層導線的散熱，并且內層的熱量要通過印制板的絕緣材料和其他導線來散發，不但散熱效果差，還會引起整個印制板的溫度升高，局部熱膨脹會使印制板承受相當大的機械應力[4]，降低多層印制板的層間結合力，嚴重時還會影響元器件的正常工作，因此應根據理論電流負載能力降額一半進行設計。

在剛撓印制板中，導體載流能力由導體在某一位置電流密度間接反映，載流能力與電流密度的對應關系如公式（4）所示。

式中：I為導體某一位置電流，35μm銅厚下允許最大電流密度為55.34A/mm2；S為導體截面積，mm2。

該文項目中，使用Sigrity軟件對剛撓印制板電源回路電流密度進行仿真，仿真結果如圖7所示。

圖7 剛撓印制板電流密度仿真結果

圖7中的不同深淺表示剛撓印制板不同區域的電流密度，其中圖的右側為各深淺對應的電流密度值。由圖7仿真結果可知，該文項目的剛撓印制板載流密度集中在窄區位置，最大電流密度約為65A/mm2。根據公式（4）計算可得，窄區實際通過電流約為57A，后期需要對窄區布線進行優化，以滿足傳輸電流20A的要求。

2 仿真結果分析

由圖2、圖3仿真結果可知，RS485總線數據傳輸、同步時鐘特性阻抗為115Ω，可滿足技術指標中100Ω～120Ω的要求。在產品實際測試中，特性阻抗為114Ω，表明該文中的仿真結果準確。

常溫下剛撓印制板各電源信號導通阻抗見表2。各電源信號回路工作溫升見表3，溫升后各電源信號導通阻抗見表4。

表2 常溫下剛撓印制板各電源回路導通阻抗

表3 剛撓印制板各電源回路工作溫升

表4 溫升后剛撓印制板各電源回路導通阻抗

通過比較產品導通阻抗實測值，以線壓降方式對電源回路導通阻抗的仿真方案具備可行性，并且仿真結果準確性、仿真誤差均滿足設計需求。

該文在剛撓印制板載流能力仿真過程中發現28V/20A信號在窄區載流能力略顯不足（如圖6所示），窄區電流約為57A，遠大于20A載流要求，因此需要對剛撓印制板窄區載流能力進行優化設計。通過比較優化后剛撓印制板產品加電測試結果，剛撓印制板寬區載流能力仿真結果與實際載流能力相同，仿真結果準確。

3 結論

該文以ADS、Sigrity工程軟件為基礎，針對剛撓印制電纜電氣布線設計過程中導通阻抗、特性阻抗和載流能力的關鍵指標，進行剛撓印制板電氣設計仿真技術研究與驗證。為保證仿真結果準確性，在導通阻抗仿真中采取首、末端線壓降方式，有效避免了不同導體寬度下導通阻抗計算不準確的情況。同時說明了工作溫升對導通阻抗的影響，為導通阻抗冗余設計提供了技術借鑒。該文提出的仿真方案均經產品實際測量對比，仿真結果準確，仿真思路可為剛撓印制板電氣設計提供技術支持。