FPC在機(jī)載嵌入式計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用

劉驍

摘要：本文綜述了FPC在機(jī)載嵌入式計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用，介紹了 FPC優(yōu)缺點(diǎn)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。通過使用能滿足更小型和更高密度安裝技術(shù)的需要，也有助于減少組裝工序和增強(qiáng)可靠性的FPC，提升機(jī)載嵌入式計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的可靠性、維修性、環(huán)境適應(yīng)性、空間尺寸等。

關(guān)鍵詞：FPC DFM撓性嵌入式計(jì)算機(jī)

1引言

隨著航空機(jī)載嵌入式計(jì)算機(jī)產(chǎn)品日益小型化、集成化、多功能化的發(fā)展;以及嚴(yán)格的抗振動、耐鹽霧、耐霉菌、耐濕熱等環(huán)境適應(yīng)性需求。傳統(tǒng)的線纜束焊接的機(jī)箱背板已無法滿足產(chǎn)品功能性能需求以及DFM（設(shè)計(jì)可制造性）需求。

撓性印制電路板（Flexible Printed Circuit Board，F(xiàn)PCB，習(xí)慣簡稱為FPC）的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，是因?yàn)榕c剛性線路板相比，F(xiàn)PC有著顯著的優(yōu)越性，F(xiàn)PC是為提高空間利用率和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的靈活性而設(shè)計(jì)的，它能滿足更小型和更高密度安裝技術(shù)的需要。也有助于減少組裝工序和增強(qiáng)可靠性。它是滿足電子產(chǎn)品小型化和移動要求的現(xiàn)行大量使用的有效解決方法。對于需要又薄又輕、結(jié)構(gòu)緊湊的航空產(chǎn)品而言，其設(shè)計(jì)解決的技術(shù)方案包括從單面導(dǎo)電線路到復(fù)雜的多層的三維封裝。撓性封裝的總質(zhì)量和體積比傳統(tǒng)的配線方法要減少70%空間。撓性電路還可以通過使用增強(qiáng)材料或補(bǔ)強(qiáng)襯板的方法增強(qiáng)其基板的強(qiáng)度，以取得附加的機(jī)械穩(wěn)定性。

2 FPC簡介

2.1 FPC優(yōu)缺點(diǎn)

FPC的優(yōu)點(diǎn)：

（1）可以自由彎曲、卷繞、摺疊，可依照空間來布局，并在三維空間任意移動和伸縮，從而達(dá)到元器件裝配和導(dǎo)線連接的一體化。

（2）利用FPC可縮小電子產(chǎn)品的體積和重量，適用電子產(chǎn)品向高密度、薄型化、小型化、高可靠方向發(fā)展的需要。

（3） FPC還具有良好的散熱性和可焊性以及易于組裝、綜合成本較低等優(yōu)點(diǎn)，軟硬結(jié)合的設(shè)計(jì)也在一定程度上彌補(bǔ)了軟性基材在元件承載能力上的略微不足。

FPC的缺點(diǎn)：

（1） -次性初始成本高

由于FPC是為特殊應(yīng)用而設(shè)計(jì)、制造的，所以開始的電路設(shè)計(jì)、布線和底片、模具所需的費(fèi)用較高。

（2）FPC的更改和修補(bǔ)比較困難

FPC -旦制成后，要更改必須從底片繪制開始，因此不易更改。功能上短斷路不良無法比照PCB硬板做修補(bǔ)。

（3）操作不當(dāng)易損壞

組裝人員操作不當(dāng)易引起FPC的損壞，其錫焊和返工需要經(jīng)過訓(xùn)練的人員操作。

總結(jié)：由于航空嵌入式計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)是小批次，多型號，高可靠性，高價值;所以在嵌入式計(jì)算機(jī)產(chǎn)品空間尺寸受限的情況下，F(xiàn)PC的一次性成本、組裝要求高等缺點(diǎn)不會造成產(chǎn)品功能性能問題。在航空嵌入式計(jì)算機(jī)產(chǎn)品中使用FPC，可以實(shí)現(xiàn)其減重、小型化、高可靠、散熱性高等設(shè)計(jì)意圖。

2.2 FPC結(jié)構(gòu)

FPC主要有單面板、雙面板、純銅板、多層板、軟硬結(jié)合板等結(jié)構(gòu)形式，其中航空嵌入式計(jì)算機(jī)產(chǎn)品最常使用的是軟硬結(jié)合板（軟硬復(fù)合板）。

FPC主要由覆蓋膜層、銅箔、基材層、結(jié)合膠組成。主要有單面板疊構(gòu)和雙面板疊構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)示意圖見下圖。

3常用的機(jī)載嵌入式計(jì)算機(jī)模塊架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于系統(tǒng)維修性設(shè)計(jì)需求，航空機(jī)載嵌入式計(jì)算機(jī)一般由整機(jī)LRU、可替換模塊SRU組成。整機(jī)LRU用于外場快速維修，模塊SRU用戶內(nèi)場快速維修。

航空機(jī)載嵌入式計(jì)算機(jī)的模塊一般由FIB、MB、E3M、其他功能模塊組成。

機(jī)載嵌入式計(jì)算機(jī)常用模塊架構(gòu)設(shè)計(jì)方法有4種：

（1）使用一塊PCB正反面安裝THT連接器，在同一塊PCB上安裝矩形或圓形航空連接器，對內(nèi)一側(cè)安裝板件連接器（一般為直插孔型矩形連接器）。

優(yōu)點(diǎn)：可使用散熱性能好的背板PCB，使用一塊背板將FIB與MB功能集成在一張PCB上，可以設(shè)計(jì)大功率印制板線。

缺點(diǎn)：集成度低，THT浪費(fèi)PCB板面積;工藝路線長，一個PCB需要經(jīng)過兩次波峰焊或一次波峰焊一次手工焊，降低了PCB使用壽命。

也有設(shè)計(jì)采用單面THT的設(shè)計(jì)縮短了工藝路線，但該設(shè)計(jì)具有使用場景的局限性。

（2）使用獨(dú)立FIB模塊與MB模塊，用板件連接器（直插或彎插）實(shí)現(xiàn)模塊對插

優(yōu)點(diǎn)：集成度較高，安裝形式多樣化

缺點(diǎn)：經(jīng)濟(jì)型差，每臺產(chǎn)品需多安裝至少2個板間連接器;環(huán)境適應(yīng)性差。

（3）航插使用壓接式或焊杯式接觸體連接軟線，通過焊線方式將航插與1塊MB模塊連接在一起

優(yōu)點(diǎn)：經(jīng)濟(jì)性高，安裝形式多樣化，集成度較高

缺點(diǎn)：三防性能較差;工藝路線長;需要手工焊線，無法保障產(chǎn)品一致性

（4）使用FPC剮撓板結(jié)構(gòu)，將FIB、MB、E3M功能集成在一個PCB上。

優(yōu)點(diǎn)：電裝過程工藝路線短。

缺點(diǎn)：整板PCB制作周期較長，一次性投入較多。

4 FPC在機(jī)載嵌入式計(jì)算機(jī)中的設(shè)計(jì)實(shí)例

使用l塊FPC橋連2塊剛性PCB-塊剛板用于安裝對外連接器，另一塊用于安裝對內(nèi)連接器，使整個模塊同時具備E3M與MB的功能。

安裝時，將整塊PCB進(jìn)行180°彎折，通過機(jī)箱前蓋板或墊柱對其進(jìn)行固定成為一體，再將其固定在機(jī)箱框體上。

總結(jié)：該方案實(shí)現(xiàn)了高可靠性、維修性、環(huán)境適應(yīng)性等設(shè)計(jì)要素，還在實(shí)現(xiàn)功能性能前提下將產(chǎn)品尺寸縮減到了最小。

參考文獻(xiàn)

Joseph Fjelstad. Flexible Circuit Technology （THIRD EDITION）[M].2006.