談FPC復(fù)雜阻抗產(chǎn)品過程管控的影響因素

陳造詣 劉 文

（深圳市景旺電子股份有限公司，廣東 寶安 518102）

0 前言

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，信號的上升沿時間越來越短，F(xiàn)PC（撓性印制電路板）信號傳輸頻率和速度也不斷提高[1]。信號在傳輸過程中更容易出現(xiàn)串擾、反射等問題，為保持信號的完整性、降低傳輸損耗，這就要求FPC在設(shè)計、制造過程中提高阻抗控制精度，保證一致性[2]。對于FPC阻抗控制而言，除了阻抗線寬及介質(zhì)層厚度為主要影響因素之外，不同的掩膜層材料（局部貼合）和阻抗布線、結(jié)構(gòu)設(shè)計也會對阻抗匹配有著一定的影響。為了實現(xiàn)高精度阻抗控制，提高單元內(nèi)阻抗一致性，減少阻抗不連續(xù)、損耗增加等信號完整性問題，必須了解影響阻抗的因素，并針對性的進行分析優(yōu)化。本文主要針對單元內(nèi)阻抗一致性的影響因素進行探討分析，從產(chǎn)品的阻抗布線設(shè)計、局部掩膜層的結(jié)構(gòu)等因素探討其對阻抗的影響，從而得出各因素對FPC阻抗影響的變化規(guī)律，為FPC阻抗產(chǎn)品的工程設(shè)計、材料搭配以及制作控制提供參考。

1 特性阻抗簡介

高頻訊號或電磁波在電路之間傳輸時所受到的阻力，即傳輸線的任一點對傳輸波產(chǎn)生的阻力稱為特性阻抗，它是指電阻、電感和電容三者對交流電流的共同阻礙作用的大小，其符號為Zo，簡稱阻抗。在高頻范圍內(nèi)，信號傳輸過程中，信號沿到達的地方，信號線和參考平面（電源或地平面）間由于電場的建立，信號在傳輸過程中始終存在一個感應(yīng)電流I，而如果信號的輸出電壓為V，在信號傳輸過程中傳輸線就會等效成一個電阻，大小為V/I，把這個等效的電阻稱為傳輸線的特性阻抗Zo。

2 特殊結(jié)構(gòu)及布線設(shè)計對阻抗的影響

但實際FPCB阻抗產(chǎn)品影響因素遠遠不止以上幾點，正如常規(guī)FPC都會在產(chǎn)品上貼合EMI，導(dǎo)電熱固膠鋼片、導(dǎo)電3M膠紙、鋼片等，試驗證明此類具有導(dǎo)電性能和屏蔽功能的輔料會改變阻抗的波形圖，在設(shè)計時需要針對此類輔料貼合位置的阻抗做優(yōu)化，以此來消除對阻抗的影響。同時，當阻抗線上設(shè)計焊盤和導(dǎo)通孔，參考層殘銅率不同，“Y”字型阻抗設(shè)計時，阻抗亦會出現(xiàn)不一樣的變化。本文主要針對以上幾種特殊情況下阻抗變化進行闡述，給出特殊情況下阻抗設(shè)計方法供參考。

2.1 局部掩膜層對阻抗的影響分析

掩膜層作為FPC不可或缺的組成部分，對外層傳輸線的特性阻抗控制和降低傳輸線損耗均有較大影響[3]。對于FPC設(shè)計和生產(chǎn)制造而言，了解掩膜層對特性阻抗控制的影響程度以及如何減少掩膜層對FPC電性能的影響具有重要意義[4]。

FPC的掩膜層除了常見的覆蓋膜和電磁膜之外，為達到產(chǎn)品的某些功能，其局部還將會貼一些導(dǎo)電性輔料，如鋼片、導(dǎo)電膠紙等材料，這些材料可看成是FPC的一種特殊的掩膜層，主要起接地和補強的作用。根據(jù)產(chǎn)品的類型及其功能性的不同，這些掩膜層會以局部貼合的方式附著于FPC上（見圖1）。此時整個產(chǎn)品的介質(zhì)厚度變得不一致，當產(chǎn)品整條阻抗線寬設(shè)計相同時，局部掩膜層存在的的區(qū)域（主要針對于阻抗線面），由于材質(zhì)不同、厚度不同，會對阻抗控制結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，其阻抗波形會呈下凹狀，造成阻抗一致性無法得到保證（見圖2）。

圖1 局部導(dǎo)電性輔料圖

圖2 局部導(dǎo)電性輔料阻抗波形圖

對于局部貼合導(dǎo)電性掩膜層產(chǎn)品，需要根據(jù)阻抗衰減程度對阻抗線路做分段補償，確保整段阻抗波形圖一致性，圖3是經(jīng)過分段補償后阻抗波形圖近乎平穩(wěn)的效果圖。

圖3 局部優(yōu)化波形圖

2.2 信號線布線的差異對阻抗的影響

FPC功能的多樣性決定了其布線設(shè)計的多樣性，為了達到某些功能，一些產(chǎn)品走線處會設(shè)計有器件焊盤，或者通過過孔連接到另一面（見圖4）。當該部分走線恰好為阻抗線時，由于焊盤處截面積較大，相當于此處阻抗線寬變大，已知線路的線寬與阻抗成反比關(guān)系，線寬變大則阻抗變小，整條阻抗線波形也呈下凹狀，造成阻抗一致性無法得到保證。因此，在實際設(shè)計中，應(yīng)盡量避免在關(guān)鍵信號線（阻抗線）上設(shè)計焊盤，以減少其阻抗損耗。

圖4 阻抗線上設(shè)計焊盤以及焊盤位置的波形圖

2.3 過孔對阻抗的影響

過孔是對不同層間走線起到電氣連接的作用，其在傳輸線上表現(xiàn)為傳輸線阻抗不連續(xù)的斷點[5]。過孔通常為中空的圓柱體，在信號層用于連接信號走線的圓盤結(jié)構(gòu)為焊盤，平面層上為避讓過孔挖空的部分稱為反焊盤，其結(jié)構(gòu)示意圖（見圖5）。

圖5 過孔結(jié)構(gòu)示意圖

過孔對阻抗造成不連續(xù)的因素主要為其產(chǎn)生的寄生電容和寄生電感會延長信號的上升時間，降低電路的速度；而寄生電感會削弱旁路電容的貢獻，減弱整個電源系統(tǒng)的濾波效用[6]，其不連續(xù)性表現(xiàn)該處阻抗驟然變小（見圖6）。除此之外，我們還可以從單個過孔結(jié)構(gòu)進行分析，由于過孔通常為中空的圓柱體，當過孔經(jīng)過鍍銅后，其孔壁厚度在12 μm以上，將孔剖開（垂直剖開），其剖面可近似看成一個矩形（見圖7），此時信號線中間就如同連接一個矩形焊盤，過孔孔徑越大，過孔長度（板厚）越大，孔壁銅厚越厚，該處阻抗會越小。

圖7 過孔剖開后示意圖

對于阻抗線上存在過孔的產(chǎn)品，應(yīng)在成本及工藝條件的允許下，信號線盡量不換層，減少不必要的過孔，同時應(yīng)盡量減小過孔長度及合理選擇過孔直徑，以減弱寄生參數(shù)帶來的影響。

2.4 參考層的設(shè)計對阻抗的影響

參考層是信號電流的回流路徑，其位置一般為阻抗線所在層最近的上下銅面層，可能是電源層，也可能是地層。理想的參考層可以提供最短的回流路徑，保證實際做出來的阻抗與模型計算出來的阻抗一致，達到阻抗匹配的目的。參考層的殘銅率大小直接影響著阻抗的大小及穩(wěn)定性，由于實銅參考層殘銅率較網(wǎng)格銅參考層的殘銅率大，其對應(yīng)的信號線阻抗較為穩(wěn)定，但阻抗會比網(wǎng)格參考層?。ㄒ妶D8）。

因此，在FPC設(shè)計中，要想產(chǎn)品阻抗穩(wěn)定性得到保證，在產(chǎn)品無彎折要求的情況下，實銅參考層將會是一種理想的設(shè)計。

2.5 ‘Y’字型阻抗的研究

“Y”字形阻抗為一種較為特殊的阻抗布線設(shè)計，其表現(xiàn)形式一般為當阻抗產(chǎn)品兩面線路（針對雙面板而言）均設(shè)計阻抗線時，一面阻抗線的有效取值區(qū)間內(nèi)通過過孔連接另一面阻抗線，此時整個產(chǎn)品的阻抗布線大致呈“Y”字型布線，如圖9（A）所示。

圖8 實銅參考層阻抗與網(wǎng)格參考層阻抗對比

圖9 “Y”字型阻抗布線和阻抗波形圖

由于兩面阻抗線均在有效取值區(qū)間內(nèi)，如果將阻抗線當成一個整體來測試，其阻抗波形會出現(xiàn)明顯的波峰和波谷現(xiàn)象，無法形成連續(xù)的阻抗波形，如上圖9（B）所示。造成此異常的原因為分枝阻抗線在過孔處的阻抗損耗增加，導(dǎo)致該區(qū)域阻抗變小，阻抗波形呈下凹狀，整段阻抗波形出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象。通過實驗發(fā)現(xiàn)即時將阻抗線寬減小，阻抗也不會有太大變化，然而從分枝處切開，分別測量兩面阻抗時，其波形趨于穩(wěn)定（如圖中圈出為切斷位置）（如圖10和11所示）。

圖10 切斷右側(cè)分枝后，左側(cè)阻抗線波形圖

圖11 切斷左側(cè)分枝后，右側(cè)阻抗線波形圖

因此，對于“Y”字型阻抗布線產(chǎn)品，無法通過調(diào)整阻抗線寬以及其他參數(shù)來消除分支對阻抗的損耗影響，實際生產(chǎn)過程中必須將“Y”字型阻抗線切斷測試。

3 結(jié)論

通過以上幾點分析不難發(fā)現(xiàn)，影響FPCB阻抗的因素不僅僅是阻抗計算公式所提到的幾個因素，還會受到很多其它因素的影響，對于多層結(jié)構(gòu)的阻抗產(chǎn)品影響因素又會增多，在此不加贅述。實際生產(chǎn)中需要做更多的數(shù)據(jù)收集和DOE測試，找到更多的潛在影響因子，為阻抗產(chǎn)品的生產(chǎn)提供支持。