某型号导引头电子组件柔性互连技术研究

潘 颖,杨 璐,段 乔,梁 颖,孙亚芬,庾同文,周克鸣

(西安北方光电科技防务有限公司,陕西 西安 710043)

1 引言

目前,导引头内部各电子组件可通过非规则线缆进行电气互连,实现电子组件间可靠连接与信号的稳定传输。非规则线缆的组成有导线、接线片、标识套管、屏蔽线和防波套等,制作工艺流程主要包括屏蔽线处理、排线、捆扎、绝缘处理和电气安装等,在当今电子产品小型化、轻量化、集成化发展趋势下,劣势明显,主要表现为:1)生产制作工艺流程繁冗复杂;2)纯手工制作,在批量生产时使用大量人工,制作周期长;3)使用导线多,重量、体积随之增大;4)与电子组件装配连接周期长。

由以上可知,使用传统非规则线缆实现电气互连,制作难度大,装配周期长,也不利于导引头产品小型化、轻量化、集成化的发展。

随着电子产品的不断升级更新,“轻、薄、短、小”和立体化组装已成为当今电子产品的发展趋势之一。传统的导线连接已不满足越来越小型化的整机要求,而刚柔结合印制板作为一种特殊的电子互连新载体,有十分显著的优越性,主要优点有:1)整体结构具有更好的弯折性、柔曲性;2)可实现不同装配条件下的三维组装;3)配线密度高,重量轻,厚度薄,可大大缩小产品的体积,减轻重量;4)可采用PCB电路的设计方法进行电路设计,提升装配质量及准确性。

因此,本文开展了可代替传统非规则线缆的,适用电子产品向高密度、小型化、高可靠性方向发展需要的,具有良好导通性、抗过载能力的电子组件柔性互连技术研究。

2 电子组件柔性互连设计分析

2.1 刚柔结合印制板结构分析

某型号导引头电子组件三维结构示意图如图1所示。传统模式是通过一组非规则线缆(见图2)均匀分布在电子组件四周卡槽处,贯穿各层电子组件,连通各电子组件间相对应的信号点,进行电信号传输,实现各电子组件互连及信号处理。而电子组件柔性互连采用先进的刚柔结合印制板代替传统非规则线缆(见图3),使用PCB电路设计方法取代传统模式非规则线缆制作中屏蔽线处理、排线、捆扎、绝缘处理等工序,且充分考虑装配空间与结构合理性,更准确、更高效地实现电信号传输。

图1 某型导引头电子组件三维模型

图2 4种非规则线缆外形结构图

图3 刚柔结合印制板三维模型

2.2 刚柔结合印制板电气关系分析

电子组件作为导引头的重要组成部件,通过对探测器输出信号进行处理,计算内外区跟踪指令信号,产生导引头时序控制信号,提供陀螺启动驱动信号,实现目标识别和舵机控制等,是产品电信号传输主体。刚柔结合印制板作为新型信号传输载体,在设计时应充分考虑信号传输可靠性及信号间抗干扰需求,从印制板制作工艺流程、材料选择、刚柔设计参数、布线规则、信号间抗干扰设计、焊盘设计等进行优选,选择能满足高可靠性导通及抗过载需求的设计方式。

3 刚柔结合印制板设计方案

3.1 刚柔结合印制板制作工艺流程

刚柔结合印制板将刚性和柔性板层压在一起,同时具备刚性和柔性板特点,软板可弯曲,硬板承载重的器件,可实现不同装配条件下的三维组装,具有轻薄短小的特点,优化内部空间,提高产品性能,适合小型化、智能化和高度集成化发展。本文采用刚柔结合印制板制造形式,实现电子组件电气互连,刚柔结合印制板基本结构[1]如图4所示。

图4 刚柔结合板基本结构

因刚柔结合印制板将刚性和柔性板层压在一起而成,故本文详细描述了柔性印制板、刚柔结合印制板两种印制板的制作工艺流程。图5所示为单、双面柔性印制板制作流程,图6所示为刚柔结合印制板制作流程。柔性印制板制作各工序具体内容见表1,刚柔结合印制板制作各工序具体内容见表2。

表1 单、双面柔性印制板制作具体工作内容

表2 刚柔结合印制板制作具体工作内容

图5 单、双面柔性印制板制作流程

图6 刚柔结合印制板制作流程

3.2 刚柔结合印制板材料选择

印制板基本选材[2]需求见表3。

表3 印制板选材

参照表3所述,本文应用刚柔结合印制板[3],硬板材料选用环氧玻璃布作为基材,电解铜作为导体材料;柔板材料选择聚酰亚胺PI无胶作为基材[4],聚酰亚胺膜作为覆盖膜,环氧树脂胶作为胶黏剂[5]。

3.3 刚柔结合印制板刚柔设计

为对抗振动、冲击等恶劣环境,设计刚柔结合印制板时应充分考虑刚柔结合部的外形[6]特点,优选弧状结构[7](见图7a),次选项为图7b所示结构,应杜绝图7c所示结构。弧状结构在承受张力时,张力分散到整个弧形,刚性与柔性结合处的单点张力大大减小,增强了线连印制板的抗振动、抗冲击能力。图7b所示结构刚性部分突出柔性部分,可以承受一定张力,具有一定的抗振动冲击能力,但与图7a所示结构相比,在承受侧向剪切力方面大为减弱。图7c所示结构刚性部分与柔性部分纵向尺寸相同,容易使得刚柔结合部分撕裂,应杜绝使用此种结构形式。

a) 弧状结构

刚柔结合印制板是将刚性印制电路板与柔性印制电路板结合在一起,制成一块完整的印制电路板。它同时兼有刚性板与柔性板的特点。它刚柔结合,能弯曲、折叠和收缩。每块刚柔结合印制板上有一个或多个刚性区和一个或多个柔性区[8]。本文刚柔结合印制板实物结构图如图8所示。

图8 刚柔结合印制板实物图

3.4 刚柔结合印制板布线规则及焊盘设计

综合考虑刚柔结合印制板制造及材料的使用情况,在布线时柔性板上避免过孔,挠折线路采用圆弧式逐渐过渡,铺铜时采用网格形式,以此保障柔性板部分走线顺畅,且增加弯折寿命,提高可靠性。

刚柔结合印制板导通孔、插件孔、挠折线路、铺铜布线对比情况分别如图9～图12所示。

a) 不推荐 b) 推荐

a) 不推荐 b) 推荐

a) 不推荐 b) 推荐

a) 不推荐 b) 推荐

3.5 信号间抗干扰设计

在PCB布线时,相邻层的走线方向成正交结构,避免将不同的信号线在相邻层走成同一方向,以减少不必要的层间串扰,若PCB布线受到结构限制出现平行布线时,考虑使用地平面隔离布线层,用地线隔离各信号线[9]。同时,控制走线长度,开展接地系统的合理设计,并结合布线的一些工艺要求(包括布线范围尺寸要求、布线的线宽和线距、线宽与电流的关系、内层PCB导线的自热等),达到减少PCB上信号串扰、避免信号间干扰的目的。具体如图13和图14所示。

图13 推荐的布线形式

图14 接地保护走线

刚柔结合印制板布线设计遵循信号传输网络要求[10],并结合PCB布线时信号间抗干扰设计,合理开展线连印制板布线设计,实现信号间屏蔽,减少不必要的信号串扰等,具体如图15所示。

a) 02-1

4 试验验证

根据上述刚柔结合印制板设计及实物制作,将刚柔结合印制板与各电子组件连接,实现电子组件间柔性互连,并在连接状态进行电性能检测、各项试验及抗载能力验证。具体验证试验项目见表4。

表4 验证试验项目

经过一系列导通性和绝缘性试验、环境试验考核后,进行电性能检测,产品电气性能指标正常,满足要求。具体情况见表5。

表5 验证试验结果

5 结语

针对导引头系列产品中,非规则线缆的大批量需求及纯手工制作这一瓶颈问题,本文采用电子组件柔性互连技术,结合刚柔结合印制板制造形式,实现电信号在导引头内的稳定传输与可靠连接,经过抗载验证,各项试验结果均符合产品要求。结果表明,刚柔结合印制板制造形式实现电子组件间柔性互连,不仅实现了导引头生产装配的自动化发展需求,而且为导引头系列产品小型化、轻量化、集成化发展提供了新型电气互连方式,对军事武器的小型化研究具有参考意义。