某型號(hào)導(dǎo)引頭電子組件柔性互連技術(shù)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(wù)有限公司,陜西 西安 710043)

1 引言

目前,導(dǎo)引頭內(nèi)部各電子組件可通過非規(guī)則線纜進(jìn)行電氣互連,實(shí)現(xiàn)電子組件間可靠連接與信號(hào)的穩(wěn)定傳輸。非規(guī)則線纜的組成有導(dǎo)線、接線片、標(biāo)識(shí)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(dāng)今電子產(chǎn)品小型化、輕量化、集成化發(fā)展趨勢(shì)下,劣勢(shì)明顯,主要表現(xiàn)為:1)生產(chǎn)制作工藝流程繁冗復(fù)雜;2)純手工制作,在批量生產(chǎn)時(shí)使用大量人工,制作周期長;3)使用導(dǎo)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(shí)現(xiàn)電氣互連,制作難度大,裝配周期長,也不利于導(dǎo)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(jí)更新,“輕、薄、短、小”和立體化組裝已成為當(dāng)今電子產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)之一。傳統(tǒng)的導(dǎo)線連接已不滿足越來越小型化的整機(jī)要求,而剛?cè)峤Y(jié)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(diǎn)有:1)整體結(jié)構(gòu)具有更好的彎折性、柔曲性;2)可實(shí)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(shè)計(jì)方法進(jìn)行電路設(shè)計(jì),提升裝配質(zhì)量及準(zhǔn)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(dǎo)通性、抗過載能力的電子組件柔性互連技術(shù)研究。

2 電子組件柔性互連設(shè)計(jì)分析

2.1 剛?cè)峤Y(jié)合印制板結(jié)構(gòu)分析

某型號(hào)導(dǎo)引頭電子組件三維結(jié)構(gòu)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(duì)應(yīng)的信號(hào)點(diǎn),進(jìn)行電信號(hào)傳輸,實(shí)現(xiàn)各電子組件互連及信號(hào)處理。而電子組件柔性互連采用先進(jìn)的剛?cè)峤Y(jié)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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)合理性,更準(zhǔn)確、更高效地實(shí)現(xiàn)電信號(hào)傳輸。

圖1 某型導(dǎo)引頭電子組件三維模型

圖2 4種非規(guī)則線纜外形結(jié)構(gòu)圖

圖3 剛?cè)峤Y(jié)合印制板三維模型

2.2 剛?cè)峤Y(jié)合印制板電氣關(guān)系分析

電子組件作為導(dǎo)引頭的重要組成部件,通過對(duì)探測(cè)器輸出信號(hào)進(jìn)行處理,計(jì)算內(nèi)外區(qū)跟蹤指令信號(hào),產(chǎn)生導(dǎo)引頭時(shí)序控制信號(hào),提供陀螺啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)信號(hào),實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別和舵機(jī)控制等,是產(chǎn)品電信號(hào)傳輸主體。剛?cè)峤Y(jié)合印制板作為新型信號(hào)傳輸載體,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮信號(hào)傳輸可靠性及信號(hào)間抗干擾需求,從印制板制作工藝流程、材料選擇、剛?cè)嵩O(shè)計(jì)參數(shù)、布線規(guī)則、信號(hào)間抗干擾設(shè)計(jì)、焊盤設(shè)計(jì)等進(jìn)行優(yōu)選,選擇能滿足高可靠性導(dǎo)通及抗過載需求的設(shè)計(jì)方式。

3 剛?cè)峤Y(jié)合印制板設(shè)計(jì)方案

3.1 剛?cè)峤Y(jié)合印制板制作工藝流程

剛?cè)峤Y(jié)合印制板將剛性和柔性板層壓在一起,同時(shí)具備剛性和柔性板特點(diǎn),軟板可彎曲,硬板承載重的器件,可實(shí)現(xiàn)不同裝配條件下的三維組裝,具有輕薄短小的特點(diǎn),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?cè)峤Y(jié)合印制板制造形式,實(shí)現(xiàn)電子組件電氣互連,剛?cè)峤Y(jié)合印制板基本結(jié)構(gòu)[1]如圖4所示。

圖4 剛?cè)峤Y(jié)合板基本結(jié)構(gòu)

因剛?cè)峤Y(jié)合印制板將剛性和柔性板層壓在一起而成,故本文詳細(xì)描述了柔性印制板、剛?cè)峤Y(jié)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?cè)峤Y(jié)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?cè)峤Y(jié)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?cè)峤Y(jié)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?cè)峤Y(jié)合印制板制作流程

3.2 剛?cè)峤Y(jié)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(yīng)用剛?cè)峤Y(jié)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(dǎo)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?cè)峤Y(jié)合印制板剛?cè)嵩O(shè)計(jì)

為對(duì)抗振動(dòng)、沖擊等惡劣環(huán)境,設(shè)計(jì)剛?cè)峤Y(jié)合印制板時(shí)應(yīng)充分考慮剛?cè)峤Y(jié)合部的外形[6]特點(diǎn),優(yōu)選弧狀結(jié)構(gòu)[7](見圖7a),次選項(xiàng)為圖7b所示結(jié)構(gòu),應(yīng)杜絕圖7c所示結(jié)構(gòu)?；罱Y(jié)構(gòu)在承受張力時(shí),張力分散到整個(gè)弧形,剛性與柔性結(jié)合處的單點(diǎn)張力大大減小,增強(qiáng)了線連印制板的抗振動(dòng)、抗沖擊能力。圖7b所示結(jié)構(gòu)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(dòng)沖擊能力,但與圖7a所示結(jié)構(gòu)相比,在承受側(cè)向剪切力方面大為減弱。圖7c所示結(jié)構(gòu)剛性部分與柔性部分縱向尺寸相同,容易使得剛?cè)峤Y(jié)合部分撕裂,應(yīng)杜絕使用此種結(jié)構(gòu)形式。

a) 弧狀結(jié)構(gòu)

剛?cè)峤Y(jié)合印制板是將剛性印制電路板與柔性印制電路板結(jié)合在一起,制成一塊完整的印制電路板。它同時(shí)兼有剛性板與柔性板的特點(diǎn)。它剛?cè)峤Y(jié)合,能彎曲、折疊和收縮。每塊剛?cè)峤Y(jié)合印制板上有一個(gè)或多個(gè)剛性區(qū)和一個(gè)或多個(gè)柔性區(qū)[8]。本文剛?cè)峤Y(jié)合印制板實(shí)物結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

圖8 剛?cè)峤Y(jié)合印制板實(shí)物圖

3.4 剛?cè)峤Y(jié)合印制板布線規(guī)則及焊盤設(shè)計(jì)

綜合考慮剛?cè)峤Y(jié)合印制板制造及材料的使用情況,在布線時(shí)柔性板上避免過孔,撓折線路采用圓弧式逐漸過渡,鋪銅時(shí)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?cè)峤Y(jié)合印制板導(dǎo)通孔、插件孔、撓折線路、鋪銅布線對(duì)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(hào)間抗干擾設(shè)計(jì)

在PCB布線時(shí),相鄰層的走線方向成正交結(jié)構(gòu),避免將不同的信號(hào)線在相鄰層走成同一方向,以減少不必要的層間串?dāng)_,若PCB布線受到結(jié)構(gòu)限制出現(xiàn)平行布線時(shí),考慮使用地平面隔離布線層,用地線隔離各信號(hào)線[9]。同時(shí),控制走線長度,開展接地系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì),并結(jié)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(guān)系、內(nèi)層PCB導(dǎo)線的自熱等),達(dá)到減少PCB上信號(hào)串?dāng)_、避免信號(hào)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(hù)走線

剛?cè)峤Y(jié)合印制板布線設(shè)計(jì)遵循信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)要求[10],并結(jié)合PCB布線時(shí)信號(hào)間抗干擾設(shè)計(jì),合理開展線連印制板布線設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)信號(hào)間屏蔽,減少不必要的信號(hào)串?dāng)_等,具體如圖15所示。

a) 02-1

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述剛?cè)峤Y(jié)合印制板設(shè)計(jì)及實(shí)物制作,將剛?cè)峤Y(jié)合印制板與各電子組件連接,實(shí)現(xiàn)電子組件間柔性互連,并在連接狀態(tài)進(jìn)行電性能檢測(cè)、各項(xiàng)試驗(yàn)及抗載能力驗(yàn)證。具體驗(yàn)證試驗(yàn)項(xiàng)目見表4。

表4 驗(yàn)證試驗(yàn)項(xiàng)目

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

表5 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)語

針對(duì)導(dǎo)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(shù),結(jié)合剛?cè)峤Y(jié)合印制板制造形式,實(shí)現(xiàn)電信號(hào)在導(dǎo)引頭內(nèi)的穩(wěn)定傳輸與可靠連接,經(jīng)過抗載驗(yàn)證,各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果均符合產(chǎn)品要求。結(jié)果表明,剛?cè)峤Y(jié)合印制板制造形式實(shí)現(xiàn)電子組件間柔性互連,不僅實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)引頭生產(chǎn)裝配的自動(dòng)化發(fā)展需求,而且為導(dǎo)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(duì)軍事武器的小型化研究具有參考意義。