本文摘要：摘要:導引頭作為制導導彈的重要組成部分，內(nèi)部由信號檢測系統(tǒng)、角測量系統(tǒng)、天線系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)等模塊組成，通過各個系統(tǒng)模塊的相互配合實現(xiàn)導彈制導。這些系統(tǒng)模塊之間的信號傳遞和供電傳輸則是導引頭完美制導的核心紐帶。由于近年來武器系統(tǒng)一體化、小
摘要:導引頭作為制導導彈的重要組成部分，內(nèi)部由信號檢測系統(tǒng)、角測量系統(tǒng)、天線系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)等模塊組成，通過各個系統(tǒng)模塊的相互配合實現(xiàn)導彈制導。這些系統(tǒng)模塊之間的信號傳遞和供電傳輸則是導引頭完美制導的核心紐帶。由于近年來武器系統(tǒng)一體化、小型化設計需求，導引頭內(nèi)部多個模塊間的連接空間也極為緊張，傳統(tǒng)導線電纜連接的劣勢明顯，在結構內(nèi)部無纜化設計的需求強烈。本文采用輕薄的撓性材料替代傳統(tǒng)的導線電纜，經(jīng)過仿真分析和實物驗證，表明柔板互連方案可以替代傳統(tǒng)導線電纜，方案合理可行。
關鍵詞:柔板互連;傳統(tǒng)導線電纜
1引言
導引頭內(nèi)部由供電系統(tǒng)、信號檢測系統(tǒng)、角測量系統(tǒng)、天線系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)等組成，通過各個系統(tǒng)的相互配合實現(xiàn)導彈制導。在傳統(tǒng)的電氣連接中，導引頭內(nèi)部相互獨立的電氣模塊通過導線電纜實現(xiàn)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(fā)展趨勢中劣勢明顯，主要表現(xiàn)為：
a)生產(chǎn)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(chǎn)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(tǒng)的導線電纜作為設備結構的互連介質(zhì)，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(fā)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(yōu)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(zhuǎn)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(tǒng)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
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(xiàn)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。
2.2柔板電氣關系分析
根據(jù)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(jīng)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(jù)三維空間排布的柔板互連結構尺寸有限，需根據(jù)QJ3103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(nèi)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(tǒng)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(nèi)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(nèi)的電氣走線關系。同時，隨著電子產(chǎn)品繼續(xù)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(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(jù)三維空間結構進行撓曲和立體組裝，取代很多轉(zhuǎn)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(jù)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，F(xiàn)PC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(nèi)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(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(qū)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。
剛撓性印制板的紫色區(qū)域為撓性區(qū)，綠色區(qū)域為剛性區(qū)。在剛撓性印制板剛性區(qū)焊接元器件。互連柔板在彎折過程中容易出現(xiàn)互連系統(tǒng)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(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)品設計時，考慮裝配、工作過程可能出現(xiàn)的問題，提出互連系統(tǒng)模塊在撓性區(qū)拐角處鋪假銅，同時內(nèi)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(guī)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(jù)印制導線制作工藝、銅箔厚度、導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，在設計中有根據(jù)溫升等條件，對其再降額15%;對于內(nèi)層來說，內(nèi)層散熱不如表層，內(nèi)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(shù)降額50%使用。柔板的柔性區(qū)加工成分層結構，利于彎折和散熱，柔性區(qū)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(jīng)的信號為電源信號和地信號。根據(jù)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(qū)在電源端連接器剛板的出口處分成6個分支，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(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(jù)每種信號過電流大小的要求設計走線的過程。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(jù)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(wǎng)(實銅)來走電源信號和地。
4設計驗證
4.1高溫大電流仿真分析
根據(jù)以上的設計，對柔板的結構和過大電流發(fā)熱情況使用ANSYS軟件進行了仿真。仿真時，主要對產(chǎn)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(huán)境溫度為125℃，外表面設定對流和輻射載荷。將整個導引頭系統(tǒng)的環(huán)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。
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分鐘左右溫度達到穩(wěn)定值，最高溫度為179℃，對應溫升為54℃。剛撓印制板中撓性區(qū)的PI材料的最高耐溫達260℃，剛性區(qū)的FR4材料最大耐溫達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。經(jīng)過仿真，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實物驗證
2018年10月，我公司對電氣互連柔板產(chǎn)品進行高溫大電流測試試驗驗證。高溫大電流測試是將電氣互連柔板產(chǎn)品按導引頭的三維模型結構進行組裝，將產(chǎn)品放置在125℃的試驗設備中，通28V、150A電流，15min后測試產(chǎn)品的最高溫度為139℃，產(chǎn)品外觀無發(fā)白、分層、氣泡、開裂等異常現(xiàn)象，試驗后對產(chǎn)品電氣性能指標正常。
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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(tǒng)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(chǎn)品高溫下通電的溫升進行了仿真分析。同時還采用產(chǎn)品實際試驗結果進行對比。結果表明，在撓板上全部鋪銅網(wǎng)(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(tǒng)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?cè)岚鍦厣秊?0℃，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。
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作者：彭小琴，任龍泉
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