某型號導引頭電子組件柔性互連技術研究

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,導引頭內部各電子組件可通過非規則線纜進行電氣互連,實現電子組件間可靠連接與信號的穩定傳輸。非規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,在當今電子產品小型化、輕量化、集成化發展趨勢下,劣勢明顯,主要表現為:1)生產制作工藝流程繁冗復雜;2)純手工制作,在批量生產時使用大量人工,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,使用傳統非規則線纜實現電氣互連,制作難度大,裝配周期長,也不利于導引頭產品小型化、輕量化、集成化的發展。

隨著電子產品的不斷升級更新,“輕、薄、短、小”和立體化組裝已成為當今電子產品的發展趨勢之一。傳統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,有十分顯著的優越性,主要優點有:1)整體結構具有更好的彎折性、柔曲性;2)可實現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,本文開展了可代替傳統非規則線纜的,適用電子產品向高密度、小型化、高可靠性方向發展需要的,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。傳統模式是通過一組非規則線纜(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傳統非規則線纜(見圖3),使用PCB電路設計方法取代傳統模式非規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,計算內外區跟蹤指令信號,產生導引頭時序控制信號,提供陀螺啟動驅動信號,實現目標識別和舵機控制等,是產品電信號傳輸主體。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、布線規則、信號間抗干擾設計、焊盤設計等進行優選,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,可實現不同裝配條件下的三維組裝,具有輕薄短小的特點,優化內部空間,提高產品性能,適合小型化、智能化和高度集成化發展。本文采用剛柔結合印制板制造形式,實現電子組件電氣互連,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容見表1,剛柔結合印制板制作各工序具體內容見表2。

表1 單、雙面柔性印制板制作具體工作內容

表2 剛柔結合印制板制作具體工作內容

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。弧狀結構在承受張力時,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和一個或多個柔性區[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,實現電子組件間柔性互連,并在連接狀態進行電性能檢測、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

經過一系列導通性和絕緣性試驗、環境試驗考核后,進行電性能檢測,產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

針對導引頭系列產品中,非規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,實現電信號在導引頭內的穩定傳輸與可靠連接,經過抗載驗證,各項試驗結果均符合產品要求。結果表明,剛柔結合印制板制造形式實現電子組件間柔性互連,不僅實現了導引頭生產裝配的自動化發展需求,而且為導引頭系列產品小型化、輕量化、集成化發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。