彭小琴，任龍泉

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽(yáng)，550009)

1 引言

導(dǎo)引頭內(nèi)部由供電系統(tǒng)、信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)、角測(cè)量系統(tǒng)、天線系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)等組成，通過(guò)各個(gè)系統(tǒng)的相互配合實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈制導(dǎo)。在傳統(tǒng)的電氣連接中，導(dǎo)引頭內(nèi)部相互獨(dú)立的電氣模塊通過(guò)導(dǎo)線電纜實(shí)現(xiàn)的。電纜的組成主要有線纜、各種保護(hù)套管、元器件、防波套等，該連接方式在小型化的發(fā)展趨勢(shì)中劣勢(shì)明顯，主要表現(xiàn)為：

a)生產(chǎn)復(fù)雜，設(shè)備多，接線關(guān)系復(fù)雜，各種線束處理工藝復(fù)雜；

b)備料周期長(zhǎng)，在批量生產(chǎn)時(shí)使用大量人工，制作周期長(zhǎng)；

c)線束體積大，不方便小型化的布線；

d)線束由于導(dǎo)線多，不利于減重，重量重；

e)電線電纜的設(shè)計(jì)、制作工藝也隨其結(jié)構(gòu)和接線關(guān)系的復(fù)雜程度而難度增加。

由上可知，使用傳統(tǒng)的導(dǎo)線電纜作為設(shè)備結(jié)構(gòu)的互連介質(zhì)，結(jié)構(gòu)繁重，裝配難度大，占用裝配空間較大，即不利于武器、設(shè)備飛行速度的提升，也不利于小型化的發(fā)展。

隨著科技的進(jìn)步，在小型化、輕量化需求的推動(dòng)下，輕薄的撓性材料受到越來(lái)越多人的關(guān)注。其結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)有：

a)既薄又輕、結(jié)構(gòu)緊湊復(fù)雜的器件而言，其設(shè)計(jì)解決方案包括從單面導(dǎo)電線路到復(fù)雜的多層三維組裝。

b)柔性電路可移動(dòng)、彎曲、扭轉(zhuǎn)而不會(huì)損壞導(dǎo)線，可以遵從不同形狀和特殊的封裝尺寸。

c)可采用PCB電路的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，方便、高效、減小錯(cuò)誤率。

因此，本論文開(kāi)展替代傳統(tǒng)電纜的、具備承受特殊負(fù)載特性的柔性互連設(shè)計(jì)工作。

2 柔板互連設(shè)計(jì)分析

2.1 柔板互連結(jié)構(gòu)分析

某導(dǎo)引頭各模塊等效三維模型如下圖1所示。圖中各個(gè)模塊外露的元器件位置即為模塊自身的外部接口，通過(guò)物理結(jié)構(gòu)上的接口連接以及一定的電氣接線關(guān)系，即可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引頭模塊之間的互連。但由于各模塊接口的位置空間并不在同一平面，故需進(jìn)行特殊的三維設(shè)計(jì)，以滿足結(jié)構(gòu)空間充分利用的要求。

圖1 導(dǎo)引頭等效三維結(jié)構(gòu)模型

2.2 柔板電氣關(guān)系分析

根據(jù)項(xiàng)目提供接線關(guān)系表的信號(hào)電壓及過(guò)電流要求可知，柔板互連主要用于連接電源模塊，流經(jīng)的信號(hào)為電源信號(hào)，地信號(hào)。電源信號(hào)的總電流較大，為150A，設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)互連柔板(即剛撓性印制板)的過(guò)載能力進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。

由于根據(jù)三維空間排布的柔板互連結(jié)構(gòu)尺寸有限，需根據(jù)QJ 3103設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)排布點(diǎn)位走線位置及走線寬度，此為柔板互連設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。

3 柔板互連設(shè)計(jì)方案

3.1 柔板互連結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由導(dǎo)引頭各系統(tǒng)模塊組成結(jié)構(gòu)可知，各模塊外部接口的相互連接是在三維空間內(nèi)進(jìn)行的。同時(shí)，為了滿足小型化和一體化的要求，需要盡可能的縮小互連空間，并盡可能使互連柔板設(shè)計(jì)成一個(gè)整體。FPC剛撓性印制板集成線路的特點(diǎn)，可將導(dǎo)引頭復(fù)雜的電氣接線關(guān)系簡(jiǎn)化為印制板內(nèi)的電氣走線關(guān)系。同時(shí)，隨著電子產(chǎn)品繼續(xù)縮小和立體組裝變成關(guān)鍵，采用無(wú)粘結(jié)層覆銅箔基材和可撓性的覆蓋膜，使撓性印制電路板的質(zhì)量和可靠性保證提高的情況下，可以變曲成半徑為3.18mm的圓筒形時(shí)也不會(huì)損壞元件和失去可靠性。因此，撓性印制板可以制成各種各樣的形狀，以適應(yīng)各種三維組裝空間的結(jié)構(gòu)要求。因此，撓性印制板可根據(jù)三維空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行撓曲和立體組裝，取代很多轉(zhuǎn)接部件，達(dá)到有效空間最大化使用目的。

綜上所述，導(dǎo)引頭互連柔板可設(shè)計(jì)為FPC剛撓性印制板的連接結(jié)構(gòu)。根據(jù)導(dǎo)引頭三維空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及FPC剛撓性印制板自身的材料特性，為增強(qiáng)撓性印制板的可靠性，F(xiàn)PC剛撓性印制板設(shè)計(jì)中采取了以下措施：

a)為增強(qiáng)防撕裂能力，在撓性印制板拐角處鋪假銅，同時(shí)內(nèi)角的半徑盡量設(shè)計(jì)大，撓性印制板的覆蓋膜與剛性板交疊至少2mm，柔片之間的裂縫或開(kāi)槽的必須終止于一個(gè)不小于1.6mm直徑的圓孔；

b)過(guò)孔或焊盤距撓性區(qū)至少0.5mm；

c)為保證印制線電阻符合要求，撓性印制板布線時(shí)考慮走線長(zhǎng)度和線寬；

d)為保證走線的可靠性，所有過(guò)孔焊盤進(jìn)行淚滴處理，撓性區(qū)布線采用圓弧過(guò)渡；

e)撓性印制板的柔片貼近用戶結(jié)構(gòu)外殼的一面外增加壓制一層保護(hù)膜，防止線路磨損。

剛撓性印制板的三維立體圖如圖2所示。剛撓性印制板的紫色區(qū)域?yàn)閾闲詤^(qū)，綠色區(qū)域?yàn)閯傂詤^(qū)。在剛撓性印制板剛性區(qū)焊接元器件。

圖2 剛撓性印制板三維立體圖

互連柔板在彎折過(guò)程中容易出現(xiàn)互連系統(tǒng)模塊彎曲部位撕裂等問(wèn)題，嚴(yán)重影響整裝功能。同時(shí)，由于互連柔板是緊貼導(dǎo)引頭三維結(jié)構(gòu)表面安裝，在彈體運(yùn)輸或工作過(guò)程中易出現(xiàn)不同程度的磨損現(xiàn)象。為保證電氣互連系統(tǒng)的功能可靠性，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，考慮裝配、工作過(guò)程可能出現(xiàn)的問(wèn)題，提出互連系統(tǒng)模塊在撓性區(qū)拐角處鋪假銅，同時(shí)內(nèi)角的半徑盡量設(shè)計(jì)大，撓性印制板的覆蓋膜與剛性板交疊至少2mm，柔片之間的裂縫或開(kāi)槽的必須終止于一個(gè)不小于1.6mm直徑的圓孔；為防止裝配、振動(dòng)、工作過(guò)程中的磨損，撓性印制板的柔片貼近用戶結(jié)構(gòu)外殼的一面外增加壓制一層保護(hù)膜，并增加無(wú)走線設(shè)計(jì)的空層柔片，防止線路磨損。

3.2 柔板過(guò)大電流設(shè)計(jì)

印制板傳輸信號(hào)主要包含控制信號(hào)、電源信號(hào)等。對(duì)于控制信號(hào)及其它普通IO信號(hào)，信號(hào)盡量保證單根走線≥10mil保證連接可靠性。而對(duì)于電源信號(hào)的設(shè)計(jì)，主要考慮的是降額設(shè)計(jì)。按照QJ3103-99《印制電路板設(shè)計(jì)規(guī)范》中5.4.2條進(jìn)行印制線路設(shè)計(jì)。

不同層的印制線路過(guò)電流能力是不一樣的：對(duì)于表層來(lái)說(shuō)，根據(jù)印制導(dǎo)線制作工藝、銅箔厚度、導(dǎo)線寬度等允許的范圍內(nèi)，QJ3103中5.4.2條圖14中參數(shù)已經(jīng)降額了10%，為了產(chǎn)品的可靠性，在設(shè)計(jì)中有根據(jù)溫升等條件，對(duì)其再降額15%；對(duì)于內(nèi)層來(lái)說(shuō)，內(nèi)層散熱不如表層，內(nèi)層需要通過(guò)印制板本身來(lái)進(jìn)行散熱，這樣會(huì)抬升印制板上元器件實(shí)際工作溫度，建議按QJ3103中5.4.2條圖14中參數(shù)降額50%使用。柔板的柔性區(qū)加工成分層結(jié)構(gòu)，利于彎折和散熱，柔性區(qū)印制線路過(guò)電流能力按表層設(shè)計(jì)。

柔板互連用于連接電源模塊，流經(jīng)的信號(hào)為電源信號(hào)和地信號(hào)。根據(jù)信號(hào)流向和電流需求，對(duì)各電源信號(hào)分配合理的信號(hào)層。其中，電源信號(hào)的150A總電流較大，需要對(duì)其印制線路的過(guò)電流能力進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注，設(shè)計(jì)分布如下：

將柔板的柔性區(qū)在電源端連接器剛板的出口處分成6個(gè)分支，見(jiàn)圖3所示，使從2個(gè)元器件10XS03、10XS05流向16個(gè)元器件10XS06～10XS21的電流分成6路，從而分?jǐn)倻p小流經(jīng)每一路的電流。

分支1、2包含3張柔片，柔片6、7用于28V電源和28V地布線，柔片5用于5V/7V電源和5V地布線，電流全部流向控制端4個(gè)元器件10XS20、10XS21、10XS06、10XS07；

分支3、4包含3張柔片，柔片3、4用于28V電源和28V地布線，柔片2用于5V/7V電源和5V地布線，電流全部流向控制端4個(gè)元器件10XS18、10XS19、10XS08、10XS09；

分支5、6包含6張柔片：柔片3～7，以及用于28V電源和28V地布線的柔片1，電流沿分支5流向控制端4個(gè)元器件10XS14、10XS15、10XS16、10XS17，電流沿分支6流向控制端4個(gè)元器件10XS10、10XS11、10XS12、10XS13。

3.3 柔板PCB走線設(shè)計(jì)

柔板互連選用輕薄材料的FPC剛撓性印制板，因此互連柔板的線路設(shè)計(jì)過(guò)程也就是剛撓性印制板根據(jù)每種信號(hào)過(guò)電流大小的要求設(shè)計(jì)走線的過(guò)程。

根據(jù)公式I=KT*0.44Wh*0.75可得到印制板走線的通流容量。其中，K為修正系數(shù)，一般覆銅線在內(nèi)層時(shí)取值0.024，在外層時(shí)取值0.048；T為最大溫升，單位為℃；W為印制板走線寬度，單位mil；h為印制板銅厚，單位為oz；I為容許的最大電流，單位為A。由公式可知，印制板的載流能力取決于線路設(shè)計(jì)的線寬、線厚、容許溫升，走線寬度越大，印制板的載流能力越大，散熱性也越好。有時(shí)，為了盡可能滿足散熱要求，可將走線寬度最大化，即進(jìn)行整體覆銅設(shè)計(jì)。

在對(duì)互連柔板各種信號(hào)過(guò)電流要求的降額設(shè)計(jì)后，可根據(jù)計(jì)算公式I=KT*0.44Wh*0.75反向推導(dǎo)在已知過(guò)電流的要求下，印制板走線應(yīng)走多寬、多厚，才能滿足要求。

由于剛撓性印制板的最窄處寬度為5.9mm，遠(yuǎn)小于走線寬度設(shè)計(jì)要求，因此，線路設(shè)計(jì)過(guò)程中需采用整塊覆銅、多層覆銅的方式才能滿足過(guò)電流要求，特別需要柔板上全部鋪銅網(wǎng)(實(shí)銅)來(lái)走電源信號(hào)和地。如圖3所示。

圖3 柔板走線設(shè)計(jì)圖示

4 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

4.1 高溫大電流仿真分析

根據(jù)以上的設(shè)計(jì)，對(duì)柔板的結(jié)構(gòu)和過(guò)大電流發(fā)熱情況使用ANSYS軟件進(jìn)行了仿真。仿真時(shí)，主要對(duì)產(chǎn)品動(dòng)力學(xué)和工作溫度性能進(jìn)行分析，具體情況如下。

仿真時(shí)，按照功率84W給柔板設(shè)定功率密度載荷，整體環(huán)境溫度為125℃，外表面設(shè)定對(duì)流和輻射載荷，邊界條件設(shè)定如圖4所示。

圖4 溫度分析邊界條件設(shè)定

將整個(gè)導(dǎo)引頭系統(tǒng)的環(huán)境溫度設(shè)置為125℃高溫情況下，按照通電28V，電流150A的過(guò)電流要求得到電氣互連柔板溫度分布圖和溫度變化曲線，如圖5所示。

從圖5可以看出，電氣互連柔板置于125℃高溫環(huán)境中，接通28V、150A電流工作，在2分鐘左右溫度達(dá)到穩(wěn)定值，最高溫度為179℃，對(duì)應(yīng)溫升為54℃。剛撓印制板中撓性區(qū)的PI材料的最高耐溫達(dá)260℃，剛性區(qū)的FR4材料最大耐溫達(dá)180℃。產(chǎn)品溫升最高值均小于產(chǎn)品本身材料的耐溫值，因此，高溫情況下，產(chǎn)品可承受通大電流引起的溫升。

圖5 溫度分布圖及變化曲線

經(jīng)過(guò)仿真，產(chǎn)品在高溫情況下通大電流產(chǎn)生的溫升在剛撓印制板基材的耐溫范圍內(nèi)，不影響電氣接線的正常工作。

4.2 實(shí)物驗(yàn)證

2018年10月，我公司對(duì)電氣互連柔板產(chǎn)品進(jìn)行高溫大電流測(cè)試試驗(yàn)驗(yàn)證，詳見(jiàn)表1。高溫大電流測(cè)試是將電氣互連柔板產(chǎn)品按導(dǎo)引頭的三維模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行組裝，將產(chǎn)品放置在125℃的試驗(yàn)設(shè)備中，通28V、150A電流，15min后測(cè)試產(chǎn)品的最高溫度為139℃，產(chǎn)品外觀無(wú)發(fā)白、分層、氣泡、開(kāi)裂等異常現(xiàn)象，試驗(yàn)后對(duì)產(chǎn)品電氣性能指標(biāo)正常。

表1 仿真與實(shí)物試驗(yàn)對(duì)比情況

5 結(jié)論

針對(duì)導(dǎo)引頭電氣互連的電纜式連接方法的弊端，本文選用剛撓性印制板材料替代傳統(tǒng)電纜連接，針對(duì)存在的大電流設(shè)計(jì)技術(shù)問(wèn)題，采用ANSYS軟件對(duì)產(chǎn)品高溫下通電的溫升進(jìn)行了仿真分析。同時(shí)還采用產(chǎn)品實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

結(jié)果表明，在撓板上全部鋪銅網(wǎng)(實(shí)銅)來(lái)走電源信號(hào)和地，可減小走線電阻，提高散熱能力，滿足導(dǎo)引頭過(guò)大電流要求，柔性組裝的總重量和體積比傳統(tǒng)的導(dǎo)線電纜方法要減少70%。通過(guò)對(duì)實(shí)物的驗(yàn)證，在高溫125℃工作下，柔性互連剛?cè)岚鍦厣秊?0℃，滿足指標(biāo)要求。該柔性互連技術(shù)研究對(duì)軍事武器的小型化研究具有參考意義。