谈FPC复杂阻抗产品过程管控的影响因素

2020-07-21陈造诣

印制电路信息 2020年6期

陈造诣刘文

（深圳市景旺电子股份有限公司，广东宝安 518102）

0 前言

随着电子技术的飞速发展，信号的上升沿时间越来越短，FPC（挠性印制电路板）信号传输频率和速度也不断提高[1]。信号在传输过程中更容易出现串扰、反射等问题，为保持信号的完整性、降低传输损耗，这就要求FPC在设计、制造过程中提高阻抗控制精度，保证一致性[2]。对于FPC阻抗控制而言，除了阻抗线宽及介质层厚度为主要影响因素之外，不同的掩膜层材料（局部贴合）和阻抗布线、结构设计也会对阻抗匹配有着一定的影响。为了实现高精度阻抗控制，提高单元内阻抗一致性，减少阻抗不连续、损耗增加等信号完整性问题，必须了解影响阻抗的因素，并针对性的进行分析优化。本文主要针对单元内阻抗一致性的影响因素进行探讨分析，从产品的阻抗布线设计、局部掩膜层的结构等因素探讨其对阻抗的影响，从而得出各因素对FPC阻抗影响的变化规律，为FPC阻抗产品的工程设计、材料搭配以及制作控制提供参考。

1 特性阻抗简介

高频讯号或电磁波在电路之间传输时所受到的阻力，即传输线的任一点对传输波产生的阻力称为特性阻抗，它是指电阻、电感和电容三者对交流电流的共同阻碍作用的大小，其符号为Zo，简称阻抗。在高频范围内，信号传输过程中，信号沿到达的地方，信号线和参考平面（电源或地平面）间由于电场的建立，信号在传输过程中始终存在一个感应电流I，而如果信号的输出电压为V，在信号传输过程中传输线就会等效成一个电阻，大小为V/I，把这个等效的电阻称为传输线的特性阻抗Zo。

2 特殊结构及布线设计对阻抗的影响

但实际FPCB阻抗产品影响因素远远不止以上几点，正如常规FPC都会在产品上贴合EMI，导电热固胶钢片、导电3M胶纸、钢片等，试验证明此类具有导电性能和屏蔽功能的辅料会改变阻抗的波形图，在设计时需要针对此类辅料贴合位置的阻抗做优化，以此来消除对阻抗的影响。同时，当阻抗线上设计焊盘和导通孔，参考层残铜率不同，“Y”字型阻抗设计时，阻抗亦会出现不一样的变化。本文主要针对以上几种特殊情况下阻抗变化进行阐述，给出特殊情况下阻抗设计方法供参考。

2.1 局部掩膜层对阻抗的影响分析

掩膜层作为FPC不可或缺的组成部分，对外层传输线的特性阻抗控制和降低传输线损耗均有较大影响[3]。对于FPC设计和生产制造而言，了解掩膜层对特性阻抗控制的影响程度以及如何减少掩膜层对FPC电性能的影响具有重要意义[4]。

FPC的掩膜层除了常见的覆盖膜和电磁膜之外，为达到产品的某些功能，其局部还将会贴一些导电性辅料，如钢片、导电胶纸等材料，这些材料可看成是FPC的一种特殊的掩膜层，主要起接地和补强的作用。根据产品的类型及其功能性的不同，这些掩膜层会以局部贴合的方式附着于FPC上（见图1）。此时整个产品的介质厚度变得不一致，当产品整条阻抗线宽设计相同时，局部掩膜层存在的的区域（主要针对于阻抗线面），由于材质不同、厚度不同，会对阻抗控制结果产生一定的影响，其阻抗波形会呈下凹状，造成阻抗一致性无法得到保证（见图2）。

图1 局部导电性辅料图

图2 局部导电性辅料阻抗波形图

对于局部贴合导电性掩膜层产品，需要根据阻抗衰减程度对阻抗线路做分段补偿，确保整段阻抗波形图一致性，图3是经过分段补偿后阻抗波形图近乎平稳的效果图。

图3 局部优化波形图

2.2 信号线布线的差异对阻抗的影响

FPC功能的多样性决定了其布线设计的多样性，为了达到某些功能，一些产品走线处会设计有器件焊盘，或者通过过孔连接到另一面（见图4）。当该部分走线恰好为阻抗线时，由于焊盘处截面积较大，相当于此处阻抗线宽变大，已知线路的线宽与阻抗成反比关系，线宽变大则阻抗变小，整条阻抗线波形也呈下凹状，造成阻抗一致性无法得到保证。因此，在实际设计中，应尽量避免在关键信号线（阻抗线）上设计焊盘，以减少其阻抗损耗。

图4 阻抗线上设计焊盘以及焊盘位置的波形图

2.3 过孔对阻抗的影响

过孔是对不同层间走线起到电气连接的作用，其在传输线上表现为传输线阻抗不连续的断点[5]。过孔通常为中空的圆柱体，在信号层用于连接信号走线的圆盘结构为焊盘，平面层上为避让过孔挖空的部分称为反焊盘，其结构示意图（见图5）。

图5 过孔结构示意图

过孔对阻抗造成不连续的因素主要为其产生的寄生电容和寄生电感会延长信号的上升时间，降低电路的速度；而寄生电感会削弱旁路电容的贡献，减弱整个电源系统的滤波效用[6]，其不连续性表现该处阻抗骤然变小（见图6）。除此之外，我们还可以从单个过孔结构进行分析，由于过孔通常为中空的圆柱体，当过孔经过镀铜后，其孔壁厚度在12 μm以上，将孔剖开（垂直剖开），其剖面可近似看成一个矩形（见图7），此时信号线中间就如同连接一个矩形焊盘，过孔孔径越大，过孔长度（板厚）越大，孔壁铜厚越厚，该处阻抗会越小。

图7 过孔剖开后示意图

对于阻抗线上存在过孔的产品，应在成本及工艺条件的允许下，信号线尽量不换层，减少不必要的过孔，同时应尽量减小过孔长度及合理选择过孔直径，以减弱寄生参数带来的影响。

2.4 参考层的设计对阻抗的影响

参考层是信号电流的回流路径，其位置一般为阻抗线所在层最近的上下铜面层，可能是电源层，也可能是地层。理想的参考层可以提供最短的回流路径，保证实际做出来的阻抗与模型计算出来的阻抗一致，达到阻抗匹配的目的。参考层的残铜率大小直接影响着阻抗的大小及稳定性，由于实铜参考层残铜率较网格铜参考层的残铜率大，其对应的信号线阻抗较为稳定，但阻抗会比网格参考层小（见图8）。

因此，在FPC设计中，要想产品阻抗稳定性得到保证，在产品无弯折要求的情况下，实铜参考层将会是一种理想的设计。

2.5 ‘Y’字型阻抗的研究

“Y”字形阻抗为一种较为特殊的阻抗布线设计，其表现形式一般为当阻抗产品两面线路（针对双面板而言）均设计阻抗线时，一面阻抗线的有效取值区间内通过过孔连接另一面阻抗线，此时整个产品的阻抗布线大致呈“Y”字型布线，如图9（A）所示。

图8 实铜参考层阻抗与网格参考层阻抗对比

图9 “Y”字型阻抗布线和阻抗波形图

由于两面阻抗线均在有效取值区间内，如果将阻抗线当成一个整体来测试，其阻抗波形会出现明显的波峰和波谷现象，无法形成连续的阻抗波形，如上图9（B）所示。造成此异常的原因为分枝阻抗线在过孔处的阻抗损耗增加，导致该区域阻抗变小，阻抗波形呈下凹状，整段阻抗波形出现不连续现象。通过实验发现即时将阻抗线宽减小，阻抗也不会有太大变化，然而从分枝处切开，分别测量两面阻抗时，其波形趋于稳定（如图中圈出为切断位置）（如图10和11所示）。