剛撓印制板技術在軍用傳感器中的應用

姜志國， 陳玉玲， 史巖峰， 李國珍， 于 洋

(北京強度環(huán)境研究所，北京 100076)

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剛撓印制板技術在軍用傳感器中的應用

姜志國， 陳玉玲， 史巖峰， 李國珍， 于 洋

(北京強度環(huán)境研究所，北京 100076)

將剛撓結(jié)合印制板的設計理念引入到航天產(chǎn)品的電路板結(jié)構(gòu)設計中，四塊剛性印制板和三塊撓性板進行一體化設計，實現(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計，撓性板采用雙層板設計，實現(xiàn)了小電路板上含有多種信號通道的目的。通過振動試驗、加速度試驗、沖擊試驗、高低溫循環(huán)試驗等試驗證明了高可靠性剛撓印制板可以應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備中以來，它在高科技領域得到了廣泛的應用，如今已成為印制板工業(yè)中的研究熱點之一。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，實現(xiàn)不同裝配條件下的三維組裝，適應了電子產(chǎn)品的輕、薄、短、小的要求，因而應用前景廣闊[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現(xiàn)電路功能[4]。一般設計是將各個電路板分別設計，最后進行對接和聯(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，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，本文設計了一種新型的軍用電路板。應用該剛撓結(jié)合板設計的三軸振動傳感器通過了振動試驗、加速度試驗、沖擊試驗、高低溫循環(huán)試驗等試驗的考核，可靠性高，可適應火箭、導彈等不同型號的環(huán)境需要。

1 剛撓印制板的特點

所謂剛撓印制板是指一塊印制板上包含一個或多個剛性區(qū)和一個或多個撓性區(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)領域提供了新的解決方案[6～7]。

剛撓印制板具有如下幾個優(yōu)點：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，提高了電路設計和機械結(jié)構(gòu)設計的自由度;5)保證了整個系統(tǒng)連接的可靠性。

2 剛撓結(jié)合電路板的結(jié)構(gòu)設計

本文針對航天型號用三軸振動傳感器的功能和需求特性，設計了一種新型的軍用剛撓結(jié)合電路板，印制板實物圖如圖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層板設計，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)設計提供了保障。

3 剛撓板在傳感器上的應用

應用該剛撓印制板設計了一種三軸向振動傳感器的結(jié)構(gòu)，傳感器的實物圖如圖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，從而實現(xiàn)3個方向測試的目的。整機結(jié)構(gòu)剛性好，體積小，質(zhì)量輕，便于安裝，能夠滿足火箭、導彈等航天使用要求。

圖2 傳感器實物圖Fig 2 Physical map of sensor

將4塊剛性印制板和3塊撓性板進行一體化設計，實現(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，有利于提高整機的頻響性能。剛性印制板采用4層板設計，撓性板采用雙層板設計，實現(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 效果檢查與試驗驗證

4.1 效果檢查

為檢驗項目的效果，將新設計的剛撓結(jié)合板應用于三軸加速度傳感器上，對傳感器進行了性能指標的驗證，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，各項技術指標均滿足要求。綜上說明，剛撓結(jié)合電路板的設計實現(xiàn)了加速度傳感器的三軸一體化和體積微型化，并將3個方向的頻響特性提高到5 kHz，傳感器可以滿足型號的技術指標要求。

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

4.2 試驗驗證

我國標準體系中涉及剛撓印制板檢驗的有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》，國外標準有IPC—6018B,MIL31032/5和MIL31032/6等標準。通過實際生產(chǎn)以及航天型號的特殊要求，結(jié)合上述標準，進行了以下試驗來檢驗剛撓印制板的可靠性。

4.2.1 振動試驗

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，如穿過大氣層時的振動或被沖擊。通常航天產(chǎn)品的組裝件在試驗階段都要求通過振動試驗，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行整機的驗收和典試振動試驗，試驗條件如表1所示。

表1 隨機振動試驗條件

驗收試驗時間T=3 min/每個方向；典試試驗時間T=6 min/每個方向。試驗沿產(chǎn)品3個方向進行。使用編號為1302001的傳感器參加試驗，振動試驗結(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電性能，結(jié)果均和振動前的指標保持一致，表2列舉了該傳感器試驗后的2項關鍵測試數(shù)據(jù)，說明該剛撓板可以經(jīng)受振動試驗的考核。

表2 振動試驗后測試數(shù)據(jù)

4.2.2 沖擊試驗

使用參加上述振動試驗的傳感器進行沖擊試驗，條件見表3。

表3 沖擊試驗條件

試驗沖擊響應譜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個方向各2次，共6次。試驗后測試該傳感器的關鍵參數(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)受沖擊試驗的考核。

表4 沖擊試驗后測試數(shù)據(jù)

4.2.3 加速度試驗

將參試產(chǎn)品按照如下條件進行加速度試驗:1)試驗條件：X軸為+30，-15gn；Y,Z軸為±62.5gn。2)試驗要求：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，試驗中的直流輸出正常，試驗后產(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，表5列舉了試驗后傳感器的部分關鍵參數(shù)。

表5 加速度試驗后測試數(shù)據(jù)

4.2.4 高溫試驗

將傳感器安放在高溫試驗箱中的試驗架上，并連接好檢測儀器設備。在常溫下完成試驗前測試后，將設備升至試驗條件中的溫度。當達到規(guī)定的溫度后，保持規(guī)定的時間后對產(chǎn)品進行加電監(jiān)測，并做好記錄，試驗條件如下：1)試驗條件：高溫+120 ℃，升溫率<10 ℃/min。2)試驗時間：高溫+120 ℃，保溫570 s。

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

表6 高溫試驗后測試數(shù)據(jù)

4.2.5 高、低溫循環(huán)試驗

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

表7 溫度循環(huán)試驗條件

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

表8 溫循試驗后測試數(shù)據(jù)

4.2.6 電磁兼容試驗

電磁兼容試驗按照GJB151A—1997《軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射敏感度要求》、GJB152A—1997《軍用設備和分系統(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》的要求進行，考核的試驗項目包括CE102,CS101,CS114,CS115,CS116,RE102,RS103和ESD測試。

GJB 3590—1999中對傳感器應承受的尖峰、浪涌規(guī)定：傳感器應至少經(jīng)受住正向10 ms、負向200 ms的輸入浪涌電壓。當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，傳感器不應損壞。當電壓從零躍變到額定電壓時，傳感器瞬時啟動電流不能超過穩(wěn)態(tài)輸入電流均值的10倍。

試驗中傳感器未發(fā)生異?，F(xiàn)象，試驗后傳感器的電氣性能輸出均正常，表9為試驗后傳感器的部分關鍵參數(shù)，證明應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 電磁兼容試驗后測試數(shù)據(jù)

5 結(jié) 論

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

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[2] Lang K D，Wolf M J，Thomasius R，et al.Assembly and integration technologies for miniaturized sensor systems]∥The 13th International Conference on Sensor，Germany，2007:187-192.

[3] Lars Martin.Evolution of a wiring concept：30 years of flex-rigid circuit board production].Circuitree,2006,11:22-24.

[4] 樊尚春.傳感器技術及應用].北京:北京航空航天大學出版社,2004:10-12.

[5] 劉少強,張 靖.傳感器設計與應用實例].北京:中國電力出版社,2008:4-5.

[6] 原 稔.剛撓印制線路板].電子實裝技術，2006，22(3):55-57.

[7] 陳長生.提高剛撓結(jié)合多層印制板的可靠性]∥第六屆全國印制電路學術年會論文匯編,中國電子學會生產(chǎn)技術學分會印制電路專委會，2000：237-241.

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，主要研究方向為航天用振動類傳感器的研制和設計。