刚挠印制板技术在军用传感器中的应用

姜志国， 陈玉玲， 史岩峰， 李国珍， 于 洋

(北京强度环境研究所，北京 100076)



刚挠印制板技术在军用传感器中的应用

姜志国， 陈玉玲， 史岩峰， 李国珍， 于 洋

(北京强度环境研究所，北京 100076)

将刚挠结合印制板的设计理念引入到航天产品的电路板结构设计中，四块刚性印制板和三块挠性板进行一体化设计，实现了接口的高可靠性连接，并极大地节省了传感器的内部空间，便于传感器微型化。刚性印制板采用四层板设计，挠性板采用双层板设计，实现了小电路板上含有多种信号通道的目的。通过振动试验、加速度试验、冲击试验、高低温循环试验等试验证明了高可靠性刚挠印制板可以应用于航天器等军用型号。

刚挠结合印制板； 传感器； 四层板； 航天器

0 引 言

自20世纪80年代初期，刚挠结合板首次使用在高可靠性军事电子设备中以来，它在高科技领域得到了广泛的应用，如今已成为印制板工业中的研究热点之一。刚挠结合板兼具了刚性板的支撑功能和挠性板的高密度可挠曲功能，实现不同装配条件下的三维组装，适应了电子产品的轻、薄、短、小的要求，因而应用前景广阔[1～3]。

航天型号等军用三轴振动传感器电路板功能复杂且传感器内部安装空间有要求，不得不分为几块电路板共同实现电路功能[4]。一般设计是将各个电路板分别设计，最后进行对接和联调。传统的电路板连接方式主要包括飞线连接和刚性板插针连接两种方式，飞线连接具有可靠性低，操作性差等缺点，刚性插针连接方式空间利用率低，插针易断裂，装配困难，可靠性差[5]。针对传统电路板连接方式的缺点，本文设计了一种新型的军用电路板。应用该刚挠结合板设计的三轴振动传感器通过了振动试验、加速度试验、冲击试验、高低温循环试验等试验的考核，可靠性高，可适应火箭、导弹等不同型号的环境需要。

1 刚挠印制板的特点

所谓刚挠印制板是指一块印制板上包含一个或多个刚性区和一个或多个挠性区，由刚性板和挠性板有序地层压在一起组成，并以金属化孔形成电气连接。刚挠印制板既有提供刚性印制板应有的支撑作用，又有挠性板的弯曲性，能够满足三维组装的要求，为电气互联领域提供了新的解决方案[6～7]。

刚挠印制板具有如下几个优点：l)便于电气性能的维修与管理;2)满足高密度化的发展与要求;3)体积小、重量轻，减少了系统内连所需的硬件，具有更高的装配可靠性;4)有利于三维立体组装，提高了电路设计和机械结构设计的自由度;5)保证了整个系统连接的可靠性。

2 刚挠结合电路板的结构设计

本文针对航天型号用三轴振动传感器的功能和需求特性，设计了一种新型的军用刚挠结合电路板，印制板实物图如图1所示，刚挠结合板主要由4块刚性板和3块挠性板一体化压接生产而成。刚性板采用4层板设计，顶层为信号层，中间2层为内部信号1层和内部信号2层，底层不布线，并进行绝缘处理，保证了电路信号层与壳体隔离。3块敏感芯体分别焊接在3块不同的刚性板上，另外一块刚性板为信号调理电路板。4块刚性板通过挠性板进行连接，挠性板具有优良的弯曲自由度，通过3块挠性板的不同弯曲度，便可以组成不同结构的加速度传感器。

图1 刚挠印制电路板Fig 1 Flexible-rigid PCB

其中，4块刚性板的厚度均为1.4 mm，质量非常轻，容易与壳体牢固粘接。刚性板选用环氧玻璃布压板作为材料，强度较大，可提供支撑作用，挠性板选用柔性度较好的聚酰亚胺作为材料，做成双层板，连接长度为6 mm，宽度为4 mm，这样保证了印制板整体在一定范围内有较大的弯曲自由度，不易因应力作用而受伤，也节省了传感器的内部空间，为高频响的结构设计提供了保障。

3 刚挠板在传感器上的应用

应用该刚挠印制板设计了一种三轴向振动传感器的结构，传感器的实物图如图2所示。将3块敏感芯体分别焊接在3块不同的刚性板上，4块刚性板通过挠性板正交弯曲成90°安装在壳体内部，从而实现3个方向测试的目的。整机结构刚性好，体积小，质量轻，便于安装，能够满足火箭、导弹等航天使用要求。

图2 传感器实物图Fig 2 Physical map of sensor

将4块刚性印制板和3块挠性板进行一体化设计，实现了接口的高可靠性连接，并极大地节省了传感器的内部空间，便于传感器微型化，有利于提高整机的频响性能。刚性印制板采用4层板设计，挠性板采用双层板设计，实现了小电路板上含有多种信号通道的目的，并保证了电路的高可靠性能。

4 效果检查与试验验证

4.1 效果检查

为检验项目的效果，将新设计的刚挠结合板应用于三轴加速度传感器上，对传感器进行了性能指标的验证，在带内不平度小于1 dB的条件下，传感器的频响特性均能达到5 kHz。图2为编号1302001传感器X方向的频响曲线图。从图中可看出:传感器的带内曲线平稳，不平度小，带外衰减快，频响特性良好。传感器的滤波功能和电压调整电路功能均工作正常，各项技术指标均满足要求。综上说明，刚挠结合电路板的设计实现了加速度传感器的三轴一体化和体积微型化，并将3个方向的频响特性提高到5 kHz，传感器可以满足型号的技术指标要求。

图3 幅频特性检验效果Fig 3 Checkout effect of amplitude-frequency characteristic

4.2 试验验证

我国标准体系中涉及刚挠印制板检验的有SJ20604—96《挠性和刚挠印制板总规范》和GB/T18335—2001《有贯穿连接的刚挠多层印制板规范》，国外标准有IPC—6018B,MIL31032/5和MIL31032/6等标准。通过实际生产以及航天型号的特殊要求，结合上述标准，进行了以下试验来检验刚挠印制板的可靠性。

4.2.1 振动试验

航天器在发射过程和太空使用中可能会遭受非常恶劣的情形，如穿过大气层时的振动或被冲击。通常航天产品的组装件在试验阶段都要求通过振动试验，而对于新研制的刚挠印制板，将其焊接元器件组装成传感器后进行整机的验收和典试振动试验，试验条件如表1所示。

表1 随机振动试验条件

验收试验时间T=3 min/每个方向；典试试验时间T=6 min/每个方向。试验沿产品3个方向进行。使用编号为1302001的传感器参加试验，振动试验结束后，在常规条件(温度：20 ℃，湿度：40 %RH)下加电测试该传感器的各项电性能，结果均和振动前的指标保持一致，表2列举了该传感器试验后的2项关键测试数据，说明该刚挠板可以经受振动试验的考核。

表2 振动试验后测试数据

4.2.2 冲击试验

使用参加上述振动试验的传感器进行冲击试验，条件见表3。

表3 冲击试验条件

试验冲击响应谱Q=10，允许的最大偏差6.0 dB。加载方向及次数：沿产品3个方向各2次，共6次。试验后测试该传感器的关键参数如表4所示，说明使用新研刚挠板研制的传感器可以经受冲击试验的考核。

表4 冲击试验后测试数据

4.2.3 加速度试验

将参试产品按照如下条件进行加速度试验:1)试验条件：X轴为+30，-15gn；Y,Z轴为±62.5gn。2)试验要求：在加速度值稳定后保持1 min后测试传感器的直流输出。

经测试，试验中的直流输出正常，试验后产品结构完好，功能检查后发现传感器均保持了原来的电气性能指标，表5列举了试验后传感器的部分关键参数。

表5 加速度试验后测试数据

4.2.4 高温试验

将传感器安放在高温试验箱中的试验架上，并连接好检测仪器设备。在常温下完成试验前测试后，将设备升至试验条件中的温度。当达到规定的温度后，保持规定的时间后对产品进行加电监测，并做好记录，试验条件如下：1)试验条件：高温+120 ℃，升温率<10 ℃/min。2)试验时间：高温+120 ℃，保温570 s。

试验过程中传感器的零位输出电压正常，试验后进行全面的电气性能测试均无异常，表6列举了试验后传感器的部分关键参数。

表6 高温试验后测试数据

4.2.5 高、低温循环试验

将传感器放入高低温温度试验箱中，连接好检测仪器设备后进行表7所示的高、低温循环试验。

表7 温度循环试验条件

试验中的直流输出正常，试验后产品结构完好，检查传感器的各项功能均保持了原来的电气性能指标，表8列举了温度循环试验后传感器的部分关键参数。

表8 温循试验后测试数据

4.2.6 电磁兼容试验

电磁兼容试验按照GJB151A—1997《军用设备和分系统电磁发射敏感度要求》、GJB152A—1997《军用设备和分系统电磁发射敏感度测量》及GJB3590—1999《航天系统电磁兼容性要求》的要求进行，考核的试验项目包括CE102,CS101,CS114,CS115,CS116,RE102,RS103和ESD测试。

GJB 3590—1999中对传感器应承受的尖峰、浪涌规定：传感器应至少经受住正向10 ms、负向200 ms的输入浪涌电压。当输入电压从零跃变到额定电压的175 %和从额定电压的120 %跃变到零时，传感器不应损坏。当电压从零跃变到额定电压时，传感器瞬时启动电流不能超过稳态输入电流均值的10倍。

试验中传感器未发生异常现象，试验后传感器的电气性能输出均正常，表9为试验后传感器的部分关键参数，证明应用该刚挠印制板研制的传感器其可靠性可以满足航天型号中电磁辐射环境的要求。

表9 电磁兼容试验后测试数据

5 结 论

本文设计了一种新型结构的刚挠结合印制电路板，并将其应用于航天、武器等军用型号用三轴振动传感器中，实现了传感器的微型化、轻量化和高可靠性。传感器的性能指标均能满足型号任务方的要求。通过振动、冲击、加速度、高温、高低温循环和电磁兼容等试验的验证考核，证明其结构可靠性可以满足火箭、导弹等航天型号恶劣环境的测试需求。

[1] Jong E C W de,Ferreira J A,Bauer P.3D integration with PCB technology]∥The 21st Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition,Dallas,2006:857-863.

[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.传感器技术及应用].北京:北京航空航天大学出版社,2004:10-12.

[5] 刘少强,张 靖.传感器设计与应用实例].北京:中国电力出版社,2008:4-5.

[6] 原 稔.刚挠印制线路板].电子实装技术，2006，22(3):55-57.

[7] 陈长生.提高刚挠结合多层印制板的可靠性]∥第六届全国印制电路学术年会论文汇编,中国电子学会生产技术学分会印制电路专委会，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

姜志国(1983-)，男，河北邯郸人，硕士研究生，主要研究方向为航天用振动类传感器的研制和设计。