超薄FPC版图设计方法研究

李钱赞，徐明亮，高雄

（1.浙江大华技术股份有限公司中央研究院，浙江 杭州 310053；2.浙江省视觉物联融合应用重点实验室，浙江 杭州 310053；3.浙江大华技术股份有限公司产品研发部，浙江 杭州 310053）

0 引 言

目前柔性电路板FPC（Flexible Printed Circuit）技术已经应用非常广泛，随着PCB制造技术和材料技术的发展，一种全新的超薄FPC（层间厚度小于1 mil）开始应用。由于层间厚度变小，随之而来的是FPC版图设计的挑战。

目前FPC的版图设计，常用的有3种方式：（1）单层无参考平面；（2）网格参考平面；（3）实铜参考平面。

由于平行板电容效应，超薄的FPC会出现较大寄生电容，产生的结果是直接导致信号质量变差，甚至无法正确传输信号。信号边沿速率被严重削弱，导致时序等信号完整性问题，而以往传统的FPC由于层间距较大（大约2mil），这个问题不会很严重。

此外，目前FPC的版图设计方法中，大量的实测与仿真都已经证明无参考面单层超薄FPC或常规网格铜参考面超薄FPC都存在EMC性能较差，抗干扰能力差。

综上，目前超薄FPC版图设计中的存在以下2个问题：

（1）实铜参考面超薄FPC走线会产生较大的寄生电容，影响走线信号质量，降低信号边沿速率，影响信号的正常传输；

（2）无参考层或网格铜参考面FPC，信号速率正常，但EMC性能较差，容易自身辐射并易受外界干扰；

由于无参考层设计方法，无法改进EMC性能，所以本文不对此方式进行讨论，只讨论网格铜参考面与实铜参考面2种设计方法。

1 版图设计方法分析

本文针对超薄FPC主要分析集中在两个方面：

（1）走线寄生电容研究分析。此方面为了保证走线的信号完整性，以通用的（玻璃纤维环氧树脂覆铜板FR-4）材质印刷电路板为基准。通过设计，使得超薄FPC的走线电容与之接近，从而保障FPC的信号完整性。

（2）网格参考面的EMC屏蔽隔离度分析。此方面为了获取更好的EMC屏蔽效果，针对网格参考面进行网格大小，网格比例，网格形式方面的分析和研究，提出更良好的设计方法。

1.1 实铜参考面分析

实铜参考面由于整个平面完整，所以会拥有非常良好的EMC屏蔽性能。但是由于超薄FPC的层间距减小，走线的寄生电容势必会增大，从而影响传输信号的边沿速率，降低传输带宽，带来比较严重的信号完整性问题。寄生电容计算如图1所示。

图1 寄生电容计算结果

图1（a）为实铜参考面FR4走线（层间距3.8 mil，走线宽度8 mil）寄生电容C约为3 pF/Inch。图1（b）为实铜参考面的FPC走线（层间距0.4 mil，走线宽度8 mil）寄生电容C约为19 pF/Inch。

产品使用的FPC线缆一般长度会达到8 Inch左右，那么将会产生150 pF的寄生电容，这个量级的寄生电容传输损耗将非常严重，甚至无法正常传输信号。

为解决上述问题，下文将尝试改变走线的宽从而达到减小寄生电容。

根据电容公式计算走线寄生电容：

正常FR4走线电容（实铜参考面，为3.8 mil以上，线宽3.5～8 mil）；

为走线在参考面上的投影面积，为层间距，与为介电常数。投影面积为线宽乘线长。

FPC走线寄生电容′（实铜参考面）：

′为走线在参考面上的投影面积，实铜参考面时数值与FR4走线投影面积相同，′为FPC层间距。

设计方法目标是让实铜参考面FPC的走线电容与正常FR4走线电容接近，即令′/=1。

当线长一定时，则FPC走线与正常FR4走线的线宽比例需满足′/=′/，正常宽度为3.5～8 mil，′/为一般为4 ～ 8 mil 左右，则′需要小于2 mil，目前制板厂的生产工艺无法实现这样的线宽，且可靠性很低，弯折时极易断裂。

因此，对于超薄的FPC设计3种方式中，实铜参考面的设计方式也已经无法适用，想要设计传输高速信号，并且拥有良好EMC性能的超薄FPC，只能采用网格铜参考面设计。

1.2 网格铜参考面分析

网格参考面是常用的设计方法之一，他具有两个方面的优势。其一，网格参考面可以使成品线缆更柔软，其二，其对EMC有一定的效果。但目前的常用网格参考面设计，存在一些缺陷，并且比较设计随意。针对网格大小，网格比例，网格形式，这几个方面缺少研究，从而经常导致制作的网格参考面屏蔽效果不佳，甚至出现信号完整性与EMC效果同时不好的情况。本文主要针对此方面做研究分析，力图实现网格设计的最优化。具体分析如下：

目前的常规网格铜参考面设计如图2所示，基本上都是采用45度均匀斜网格。

图2 常规网格铜参考面设计

为了达到设计目标′/=1，又不改变线宽，只能采用网格参考面。于是有FPC走线电容″（网格参考面）：

″为FPC走线在网格参考面上的投影面积，层间距与实铜参考面FPC相同，间距也为′。由（1）和（3）式做比值可以得到：

设计目标变为实现′/=1。将网格分解分析，即：

S为单网格投影面积；

A为单网格非投影面积；

″为FPC走线在网格参考面上的投影面积总和， 为走线非投影面积总和；

令占空比：= /″，得到=A/S；（网格均匀）

再由=″+ ，带入（4）式得到：

令′/=1，则得到：=/′-1

由上述分析可得，网格参考面的占空比取值与FPC层间距和正常实铜FR4的层间距相关，本文中d的取值近似为4 mil，′的取值最大为1 mil，最小为0.4 mil，由此可以得到，的取值范围为：[3→10]。本文上述分析，默认FPC与FR4的材质介电常数相等，实际上两者有差异，在数值上会出现偏差，的取值范围会缩小且是小数形式，而在使用网格铜参考面时，通常以整数做可选数值。因此，实际设计中按照本文所述，占空比的允许的取值为：4、5、6、7、8这五个整数。

1.3 网格铜参考面EMC分析

由大量已有的实践已经证明EMC性能效果与以下2点有关：

（1）网格间隙，间隙越小性能越好。

（2）屏蔽面的铜面积有关面积越大，性能越好。

由上述，为了获得更好的EMC特性，可知：

（1）式（5）中的S取值越小越好，（6）式中的A取值越小越好。

（2）参考网格面的占空比越小越好。

而=A/S。上述可知的取值越小，EMC性能效果就会越好。但是，本文中的取值因为需要保障走线的信号完整性，已经固定了取值范围，即1.2中给出的取值，与FPC层间距直接相关并且为确定的整数，所以的最优取值为4。

优化目标为：S的取值最小化，A取值最小化。本文对同过对比相同占空比的不同形式网格进行分析。

同样长度走线，45度网格线如图3（a）所示，出现了14次重叠，而垂直网格如图3（b）所示出现了20次重叠，但重叠的面积总和一样。

图3 占空比相同的两种形式的网格

由此可知垂直网格的S取值比45度网格的S小，总面积″不变，可以得到推论：

同占空比下，垂直网格EMC效果会优于45度网格。

由上述对比可知，目前常用的45度网格铜参考面设计方式有较大的改进空间，将与走线呈45度交叉的网格改为垂直于走线的网格，能够改善EMC效果。

另外，上文所述中，由于的取值，是针对走线投影面积计算得到的，是均匀网格的占空比。但在实际进行版图设计时，整体网格参考面的占空比是可以降低的。具体方法是：通过将信号走线之间的间距空隙所投影的参考面填充为实铜，即网格参考面非走线投影区填充实铜。其结果就是整体网格参考面变为不均匀网格，只有走线投影区网格为均匀网格。

使用这种方式降低整体占空比后，对走线电容没有影响。但根据上文分析，整体参考平面占空比的降低可以有效的提高EMC性能。

本文对此进行了建模并仿真，使用的取值为4。

具体建模：FPC层厚0.8 mil；网格线宽5 mil，并垂直于走线，网格间隙20 mil；网格参考面非走线投影区填充实铜。建模结果如图4（a）所示，并得到了网格参考面的隔离度仿真结果如图4（b）所示。

仿真结果可知，网格改进后，FPC线缆的屏蔽隔离度明显提高。图4（b）中蓝色为普通网格铜（45度斜网格，参考面均匀网格），红色为本文改进后的设计方法（垂直网格，参考面不均匀网格，仅走线投影区域为均匀网格） 。

图4 优化后建模与仿真结果

此仿真结果验证了本文对网格参考面的网格形式，网格大小，网格比例的设计方法研究是正确有效的，并且可以为超薄FPC的版图设计提供切实可行的方法。

2 结 论

随着可穿戴设备的蓬勃发展，FPC应用得到了极大的普及，也在向着更轻，更薄，更柔软的方向发展，但随之而来的新问题也亟待解决，本文讨论了超薄FPC在应用领域内遇到的普遍问题，即信号完整性问题与ECM问题。本文通过拆解分析，并建模仿真，得到了一些相关结论，优化了设计方法，保证了FPC传输的信号完整性，同时改进了FPC的EMC性能。主要集中在两点，其一是对FPC走线的寄生电容进行分析研究，为使得FPC与普通FR4寄生电容接近，得到了占空比的取值方法；其二是根据EMC的特性，重新设计网格，使用垂直于走线的网格，并且将信号走线之间的间距空隙所投影的参考面填充为实铜，其结果就是整体网格变为不均匀网格，只有走线投影区网格为均匀网格。最后通过仿真网格参考面的隔离度，确认了其EMC方面的效果改进非常明显。