某型號導引頭電氣柔板互連技術研究

彭小琴，任龍泉

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009)

1 引言

導引頭內部由供電系統、信號檢測系統、角測量系統、天線系統、信號處理系統等組成，通過各個系統的相互配合實現導彈制導。在傳統的電氣連接中，導引頭內部相互獨立的電氣模塊通過導線電纜實現的。電纜的組成主要有線纜、各種保護套管、元器件、防波套等，該連接方式在小型化的發展趨勢中劣勢明顯，主要表現為：

a)生產復雜，設備多，接線關系復雜，各種線束處理工藝復雜；

b)備料周期長，在批量生產時使用大量人工，制作周期長；

c)線束體積大，不方便小型化的布線；

d)線束由于導線多，不利于減重，重量重；

e)電線電纜的設計、制作工藝也隨其結構和接線關系的復雜程度而難度增加。

由上可知，使用傳統的導線電纜作為設備結構的互連介質，結構繁重，裝配難度大，占用裝配空間較大，即不利于武器、設備飛行速度的提升，也不利于小型化的發展。

隨著科技的進步，在小型化、輕量化需求的推動下，輕薄的撓性材料受到越來越多人的關注。其結構的優點有：

a)既薄又輕、結構緊湊復雜的器件而言，其設計解決方案包括從單面導電線路到復雜的多層三維組裝。

b)柔性電路可移動、彎曲、扭轉而不會損壞導線，可以遵從不同形狀和特殊的封裝尺寸。

c)可采用PCB電路的設計方法進行電路設計，方便、高效、減小錯誤率。

因此，本論文開展替代傳統電纜的、具備承受特殊負載特性的柔性互連設計工作。

2 柔板互連設計分析

2.1 柔板互連結構分析

某導引頭各模塊等效三維模型如下圖1所示。圖中各個模塊外露的元器件位置即為模塊自身的外部接口，通過物理結構上的接口連接以及一定的電氣接線關系，即可實現導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，故需進行特殊的三維設計，以滿足結構空間充分利用的要求。

圖1 導引頭等效三維結構模型

2.2 柔板電氣關系分析

根據項目提供接線關系表的信號電壓及過電流要求可知，柔板互連主要用于連接電源模塊，流經的信號為電源信號，地信號。電源信號的總電流較大，為150A，設計時需要對互連柔板(即剛撓性印制板)的過載能力進行重點關注。

由于根據三維空間排布的柔板互連結構尺寸有限，需根據QJ 3103設計標準來排布點位走線位置及走線寬度，此為柔板互連設計的核心內容。

3 柔板互連設計方案

3.1 柔板互連結構設計

由導引頭各系統模塊組成結構可知，各模塊外部接口的相互連接是在三維空間內進行的。同時，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計成一個整體。FPC剛撓性印制板集成線路的特點，可將導引頭復雜的電氣接線關系簡化為印制板內的電氣走線關系。同時，隨著電子產品繼續縮小和立體組裝變成關鍵，采用無粘結層覆銅箔基材和可撓性的覆蓋膜，使撓性印制電路板的質量和可靠性保證提高的情況下，可以變曲成半徑為3.18mm的圓筒形時也不會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，以適應各種三維組裝空間的結構要求。因此，撓性印制板可根據三維空間結構進行撓曲和立體組裝，取代很多轉接部件，達到有效空間最大化使用目的。

綜上所述，導引頭互連柔板可設計為FPC剛撓性印制板的連接結構。根據導引頭三維空間結構特點以及FPC剛撓性印制板自身的材料特性，為增強撓性印制板的可靠性，FPC剛撓性印制板設計中采取了以下措施：

a)為增強防撕裂能力，在撓性印制板拐角處鋪假銅，同時內角的半徑盡量設計大，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槽的必須終止于一個不小于1.6mm直徑的圓孔；

b)過孔或焊盤距撓性區至少0.5mm；

c)為保證印制線電阻符合要求，撓性印制板布線時考慮走線長度和線寬；

d)為保證走線的可靠性，所有過孔焊盤進行淚滴處理，撓性區布線采用圓弧過渡；

e)撓性印制板的柔片貼近用戶結構外殼的一面外增加壓制一層保護膜，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域為撓性區，綠色區域為剛性區。在剛撓性印制板剛性區焊接元器件。

圖2 剛撓性印制板三維立體圖

互連柔板在彎折過程中容易出現互連系統模塊彎曲部位撕裂等問題，嚴重影響整裝功能。同時，由于互連柔板是緊貼導引頭三維結構表面安裝，在彈體運輸或工作過程中易出現不同程度的磨損現象。為保證電氣互連系統的功能可靠性，在產品設計時，考慮裝配、工作過程可能出現的問題，提出互連系統模塊在撓性區拐角處鋪假銅，同時內角的半徑盡量設計大，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槽的必須終止于一個不小于1.6mm直徑的圓孔；為防止裝配、振動、工作過程中的磨損，撓性印制板的柔片貼近用戶結構外殼的一面外增加壓制一層保護膜，并增加無走線設計的空層柔片，防止線路磨損。

3.2 柔板過大電流設計

印制板傳輸信號主要包含控制信號、電源信號等。對于控制信號及其它普通IO信號，信號盡量保證單根走線≥10mil保證連接可靠性。而對于電源信號的設計，主要考慮的是降額設計。按照QJ3103-99《印制電路板設計規范》中5.4.2條進行印制線路設計。

不同層的印制線路過電流能力是不一樣的：對于表層來說，根據印制導線制作工藝、銅箔厚度、導線寬度等允許的范圍內，QJ3103中5.4.2條圖14中參數已經降額了10%，為了產品的可靠性，在設計中有根據溫升等條件，對其再降額15%；對于內層來說，內層散熱不如表層，內層需要通過印制板本身來進行散熱，這樣會抬升印制板上元器件實際工作溫度，建議按QJ3103中5.4.2條圖14中參數降額50%使用。柔板的柔性區加工成分層結構，利于彎折和散熱，柔性區印制線路過電流能力按表層設計。

柔板互連用于連接電源模塊，流經的信號為電源信號和地信號。根據信號流向和電流需求，對各電源信號分配合理的信號層。其中，電源信號的150A總電流較大，需要對其印制線路的過電流能力進行重點關注，設計分布如下：

將柔板的柔性區在電源端連接器剛板的出口處分成6個分支，見圖3所示，使從2個元器件10XS03、10XS05流向16個元器件10XS06～10XS21的電流分成6路，從而分攤減小流經每一路的電流。

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個元器件10XS14、10XS15、10XS16、10XS17，電流沿分支6流向控制端4個元器件10XS10、10XS11、10XS12、10XS13。

3.3 柔板PCB走線設計

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計過程也就是剛撓性印制板根據每種信號過電流大小的要求設計走線的過程。

根據公式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，一般覆銅線在內層時取值0.024，在外層時取值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計的線寬、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，為了盡可能滿足散熱要求，可將走線寬度最大化，即進行整體覆銅設計。

在對互連柔板各種信號過電流要求的降額設計后，可根據計算公式I=KT*0.44Wh*0.75反向推導在已知過電流的要求下，印制板走線應走多寬、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，遠小于走線寬度設計要求，因此，線路設計過程中需采用整塊覆銅、多層覆銅的方式才能滿足過電流要求，特別需要柔板上全部鋪銅網(實銅)來走電源信號和地。如圖3所示。

圖3 柔板走線設計圖示

4 設計驗證

4.1 高溫大電流仿真分析

根據以上的設計，對柔板的結構和過大電流發熱情況使用ANSYS軟件進行了仿真。仿真時，主要對產品動力學和工作溫度性能進行分析，具體情況如下。

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

圖4 溫度分析邊界條件設定

將整個導引頭系統的環境溫度設置為125℃高溫情況下，按照通電28V，電流150A的過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℃高溫環境中，接通28V、150A電流工作，在2分鐘左右溫度達到穩定值，最高溫度為179℃，對應溫升為54℃。剛撓印制板中撓性區的PI材料的最高耐溫達260℃，剛性區的FR4材料最大耐溫達180℃。產品溫升最高值均小于產品本身材料的耐溫值，因此，高溫情況下，產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

經過仿真，產品在高溫情況下通大電流產生的溫升在剛撓印制板基材的耐溫范圍內，不影響電氣接線的正常工作。

4.2 實物驗證

2018年10月，我公司對電氣互連柔板產品進行高溫大電流測試試驗驗證，詳見表1。高溫大電流測試是將電氣互連柔板產品按導引頭的三維模型結構進行組裝，將產品放置在125℃的試驗設備中，通28V、150A電流，15min后測試產品的最高溫度為139℃，產品外觀無發白、分層、氣泡、開裂等異常現象，試驗后對產品電氣性能指標正常。

表1 仿真與實物試驗對比情況

5 結論

針對導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電纜連接，針對存在的大電流設計技術問題，采用ANSYS軟件對產品高溫下通電的溫升進行了仿真分析。同時還采用產品實際試驗結果進行對比。

結果表明，在撓板上全部鋪銅網(實銅)來走電源信號和地，可減小走線電阻，提高散熱能力，滿足導引頭過大電流要求，柔性組裝的總重量和體積比傳統的導線電纜方法要減少70%。通過對實物的驗證，在高溫125℃工作下，柔性互連剛柔板溫升為40℃，滿足指標要求。該柔性互連技術研究對軍事武器的小型化研究具有參考意義。