覆蓋膜對高速FPCB信號損耗影響分析

余振中 莫欣滿 陳 蓓

覆蓋膜對高速FPCB信號損耗影響分析

余振中 莫欣滿 陳 蓓

目前FPCB高速產(chǎn)品的需求十分旺盛，有必要針對FPC高速材料進(jìn)行系統(tǒng)測試和研究。本文通過對撓性高速材料和PI材料產(chǎn)品壓覆蓋膜前后電學(xué)性能的研究，運(yùn)用反推法對其介電常數(shù)進(jìn)行校正，并重點(diǎn)分析了覆蓋膜對不同材料特性阻抗差異和信號損耗變化的影響，對比不同材料傳輸性能優(yōu)劣，總結(jié)出高頻高速條件下的損耗變化規(guī)律。

高頻高速；撓性材料；信號損耗；撓性印制板

1 前言

近年來隨著電子技術(shù)和集成電路技術(shù)的不斷進(jìn)步，高速數(shù)字信號在傳輸中帶來越來越嚴(yán)重的信號完整性問題，一是由于PCB板上銅導(dǎo)線和介質(zhì)材料的損耗隨著頻率的升高而顯著加大；二是由于走線之間串?dāng)_隨著頻率的增加而明顯加?。?］，如何解決PCB高速產(chǎn)品的信號完整性問題是近年來國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)課題。

通過已有的研究資料可知［2］，在信號傳輸過程中的PCB介質(zhì)材料對高速信號傳輸?shù)耐暾杂兄浅Ｖ匾挠绊?，其中介質(zhì)材料中由電磁場誘發(fā)介質(zhì)分子發(fā)生極化偏轉(zhuǎn)帶來的介質(zhì)損耗和電流通過介電導(dǎo)體所帶功率減少的導(dǎo)體損耗是影響PCB高速信號傳輸能力的決定性因素。同時阻抗不匹配所帶來的損耗和高速信號在傳輸線的銅箔表面產(chǎn)生的“趨膚效應(yīng)”，對高速信號完整性也產(chǎn)生了一定的影響。目前通常采用的撓性材料聚酰亞胺（PI）基材介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因子高，信號損耗大，不適用使用頻率超過10 GHz的FPCB高速產(chǎn)品［3］。市場出現(xiàn)的高速撓性材料主要為PTFE基（聚四氟乙烯）和LCP（液晶聚合物）基材料，由于具有更低的損耗因子其在信號損耗方面具有明顯優(yōu)勢。

本文通過對撓性高速材料和PI材料產(chǎn)品覆蓋膜壓合前后電學(xué)性能的研究，運(yùn)用反推法對其介電常數(shù)進(jìn)行校正，并重點(diǎn)分析了覆蓋膜對不同材料特性阻抗差異和信號損耗變化的影響，對比不同材料傳輸性能優(yōu)劣，總結(jié)出高頻高速條件下的損耗變化規(guī)律。

2 試驗設(shè)計

目前業(yè)界使用的PCB 損耗測試方法，從使用的儀器角度可分兩類：基于時域或基于頻域。時域測試儀器為時域反射計（簡稱TDR）或時域傳輸計（簡稱TDT）；頻域測試儀器為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（簡稱VNA）。在IPC-TM650試驗規(guī)范中，推薦了5種試驗方法用于PCB信號損耗的測試：頻域法、有效帶寬法、根脈沖能量法、短脈沖傳播法、單端TDR差分插入損耗法。

本次試驗主要采用頻域法（VNA），采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行損耗測試，同時避免測試中信號過孔帶來的誤差，通過設(shè)計TRL校準(zhǔn)模塊，延伸測試端直接從線路兩端開始測量，使測試結(jié)果更能反映材料的介電性能。試驗設(shè)計單端50 Ω；差分100 Ω的阻抗線作為測量線，允許阻抗在±10%以內(nèi)波動。

2.1 試驗材料

本次測試的撓性高速材料分別為PI與PTFE混合型（簡稱P-P型）、PTFE型和LCP型的FCCL板材，其中規(guī)格和性能指標(biāo)如表1所示，同時使用的PI型覆蓋膜規(guī)格為：PI厚25 μm（1 mil），膠厚35 μm。

2.2 試驗、測試設(shè)備

金相顯微鏡、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。

2.3 試驗設(shè)計

（1）參數(shù)設(shè)計

如下圖1和2所示，試驗采用不同的撓性材料制作雙層撓性板，其中頂層為表層微帶線信號層，底層為大銅皮屏蔽層；設(shè)計長度分別為101.6 mm、203.2 mm、254 mm的單端和差分阻抗線，其中單端阻抗要求50 Ω，差分阻抗要求100 Ω，同時在板邊設(shè)計多個阻抗條模塊用于特性阻抗和介電常數(shù)計算。

圖1　試驗板疊層結(jié)構(gòu)圖

圖2　阻抗線示意圖

（2）流程設(shè)計

開料→鉆孔→Plasma處理→PI調(diào)整→沉銅→電鍍→外層線路→測試1→覆蓋膜壓合→表面處理（沉金）→測試2；

（3）結(jié)果表征

①特性阻抗：采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測試，每種材料取25組測量值平均結(jié)果；

②信號損耗：采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測試。

表1 材料特性表

3 結(jié)果分析

3.1 不同軟板材料介電常數(shù)的校正測試

在低頻電路中，一般不考慮傳輸線的匹配關(guān)系，只考慮信號源跟負(fù)載之間的情況，因為低頻信

號的波長相對于傳輸線來說很長，傳輸線可以看成是“短線”，反射可以不考慮，所以對信號傳輸影響不大；在高頻高速電路中，由于信號的頻率很高導(dǎo)致傳輸信號的波長變短，當(dāng)波長降低至跟傳輸線長度可以比擬時，反射信號疊加在原信號上將會改變原信號的形狀，此時對信號傳輸便會產(chǎn)生嚴(yán)重影響。綜合考慮，為了研究覆蓋膜對信號傳輸損耗的影響程度，所以必須在阻抗匹配條件下進(jìn)行試驗驗證。

其中影響阻抗精度的因素主要有線寬/間距、介質(zhì)層厚度、介電常數(shù)、銅厚，而通常材料供應(yīng)商提供的Dk標(biāo)準(zhǔn)值（介電常數(shù)）運(yùn)用在實(shí)際生產(chǎn)過程中會存在一定的偏差，容易造成阻抗線達(dá)不到±10%甚至更高±5%的設(shè)計要求，需要對實(shí)際Dk值進(jìn)行測試和校正。

本次試驗通過網(wǎng)絡(luò)分析儀測試阻抗值，通過金相顯微鏡測量切片的線寬/間距、介質(zhì)層厚度、銅厚，利用阻抗計算軟件反推算出介電常數(shù)，對試驗結(jié)果進(jìn)行驗證，以期得出最適合的高速軟板材料介電常數(shù)取值，每種材料單端和差分各取25組數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖3、表2所示。

圖3　反推法測試Dk值參考圖

表2 不同撓性板材料Dk值（供應(yīng)商提供）

如表2，三種高速軟板材料的Dk標(biāo)準(zhǔn)值（供應(yīng)商提供）分別為2.50、2.65和2.80，而運(yùn)用反推法計算三種材料測試的單端線Dk值分別為2.55、2.65和2.70，差分線Dk值分別為2.56、2.57和2.80，表明各種材料Dk實(shí)際值與標(biāo)準(zhǔn)值差異不大。

P-P、PTFE和LCP材料采用標(biāo)準(zhǔn)DK值分別為2.50、2.65和2.80，設(shè)計單端阻抗45、50，差分95、100進(jìn)行驗證測試，每組各取25個數(shù)據(jù)，結(jié)果如表3所示。

表3 不同撓性板材料阻抗驗證測試結(jié)果

阻抗驗證結(jié)果顯示，測試值均在±10%的公差范圍內(nèi)，證明采用反推法對不同材料的Dk值進(jìn)行校正是合理的。

3.2 覆蓋膜壓合前后特性阻抗變化

本試驗設(shè)計單端50 Ω；差分100 Ω的阻抗線作為測量線，由于需進(jìn)行覆蓋膜壓合前后傳輸線信號損耗對比，為保證阻抗在±10%以內(nèi)波動，故進(jìn)行覆蓋膜壓合前后特性阻抗變化測試，設(shè)計如表4所示。

如表4，每種阻抗傳輸線各設(shè)計50組進(jìn)行測試并取均值，覆蓋膜壓合前后阻抗變化如表5所示。

表4 阻抗設(shè)計參數(shù)

由表5可得，P-P型、PTFE型和LCP型材料蓋覆蓋膜前后的阻抗值能夠保持在規(guī)定波動±10%范圍以內(nèi)，同時覆蓋膜壓合前后三種撓性高速材料的單端阻抗差值分別為4.70 Ω、4.44 Ω和3.99 Ω，差分阻抗差值分別為11.83 Ω、11.33 Ω和12.18 Ω。

表5 阻抗測試結(jié)果

通過此次測試結(jié)果表明，可以設(shè)計不同高速軟板材料壓合覆蓋膜前單端和差分阻抗值分別為55 Ω和105 Ω，能夠使覆蓋膜壓合前后的阻抗測量線均保持在測量需要的單端50 Ω、差分100 Ω阻抗值±10%以內(nèi)，減少信號損耗測試過程的阻抗不匹配影響。

3.3 覆蓋膜壓合前后信號損耗變化

根據(jù)撓性板疊層結(jié)構(gòu)，設(shè)計表層單端50 Ω、差分100 Ω的微帶線，其中不同傳輸線各設(shè)定長度分別為4 in、8 in和10in，并設(shè)計TRL 校準(zhǔn)模塊。采用TRL校準(zhǔn)件分別對表層單端和差分進(jìn)行校準(zhǔn)，分別測量PI和三種高速軟板材料的單端和差分的損耗數(shù)據(jù)見下表。測試數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)分析儀自動捕捉5 GHz、10 GHz、15 GHz和20 GHz 下的損耗值，同時設(shè)置PI材料為對照組（圖4、表6）。

圖4 信號損耗測試示意圖

3.3.1 不同撓性材料覆蓋膜壓合前信號損耗變化

如表6參數(shù)設(shè)計所示，本次試驗采用頻域法（VNA），并通過設(shè)計TRL校準(zhǔn)模塊，分別測量覆蓋膜壓合前表層走線長度為4 in、8 in、10 in阻抗線的單端和差分損耗，并根據(jù)結(jié)果計算不同長度傳輸線的平均損耗，結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5　

表6 損耗設(shè)計參數(shù)

圖6　

從圖6結(jié)果可得，覆蓋膜壓合前5G、10G、15G、20G條件下：

（1）PI材料的單端線損耗分別為（0.554、0.775、0.980、1.397）dB/in；P-P材料的單端損耗分別為（0.401、0.505、0.767、1.105）dB/in；PTFE材料的單端損耗分別為（0.333、0.610、0.772、0.958）dB/in；LCP材料的單端損耗分別為（0.381、0.610、0.716、0.998）dB/in；

（2）PI材料的差分線損耗分別為（0.470、0.815、1.105、1.356）dB/in；P-P材料的差分線損耗分別為（0.450、0.688、0.782、1.059）dB/in；PTFE材料的差分線損耗分別為（0.343、0.508、0.732、0.968）dB/in；LCP材料的差分線損耗分別為（0.391、0.612、0.869、1.102）dB/in。

由上述測試結(jié)果可知，相同條件下同種材料單端線和差分線損耗差異相差不大，同時信號損耗程度均隨著頻率的提高而增大；相同頻率條件下三種撓性高速材料相比普通PI材料信號損耗能夠減少15%～30%。

根據(jù)微帶線的經(jīng)典理論計算公式［4］，當(dāng)微帶線的相對介電常數(shù)較大，以及傳輸線寬高比w/h比值較大時，微帶線的總損耗（衰減）可近似等于導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗之和，即表示為式（1）。

導(dǎo)體損耗中，公式（1）中的R0和Z0主要由介質(zhì)厚度、導(dǎo)體線寬、銅厚及信號傳輸?shù)念l率所決定，由表1和表4參數(shù)設(shè)計可知各撓性材料傳輸線導(dǎo)體損耗可認(rèn)為近似相等；

而在介質(zhì)損耗中，不同材料的線寬和介厚相等設(shè)計等同，介電常數(shù)相差不大，可由公式（1）可變換為式（2）。

在本試驗組中參數(shù)相等條件下k可認(rèn)為是相位常數(shù)，各材料介質(zhì)損耗變化僅與介質(zhì)損耗正切值（損耗因子）tanδc有關(guān)，圖5和圖6信號損耗高到低表現(xiàn)為PI＞P-P＞LCP＞PTFE，而PI、P-P、LCP和PTFE型材料損耗因子分別為0.003、0.002、0.0016和0.0012，實(shí)際測試結(jié)果能夠與理論公式形成對應(yīng)關(guān)系，由此表明在相同條件下各撓性材料微帶線在高頻高速進(jìn)行信號傳輸時，信號損耗（衰減）差異主要與其材料性質(zhì)相關(guān)的介質(zhì)損耗和損耗因子關(guān)系更大。

3.3.2 不同撓性材料覆蓋膜壓合后信號損耗變化

壓合覆蓋膜后，不同撓性材料的信號損耗測試結(jié)果如圖7和8所示。

圖7　

從圖7結(jié)果可得，覆蓋膜壓合后5 G、10 G、15 G、20 G條件下：

（1）PI材料的單端線損耗分別為（0.650、1.189、1.483、1.854）dB/in；P-P材料的單端損耗分別為（0.521、0.909、1.069、1.481）dB/in；PTFE材料的單端損耗分別為（0.361、0.747、0.955、1.184）dB/in；LCP材料的單端損耗分別為（0.549、0.848、1.041、1.326）dB/ in；

圖8　

（2）PI材料的差分線損耗分別為（0.706、1.118、1.435、1.760）dB/in；P-P材料的差分線損耗分別為（0.549、0.925、1.194、1.760）dB/in；PTFE材料的差分線損耗分別為（0.411、0.721、0.935、1.105）dB/in；LCP材料的差分線損耗分別為（0.513、0.790、1.013、1.387）dB/in。

相同頻率條件下，各撓性材料傳輸線信號損耗趨勢由高到低為PI＞P-P＞LCP＞PTFE，與3.3.1覆蓋膜壓合前測試結(jié)果表現(xiàn)保持一致。

同時發(fā)現(xiàn)同種撓性材料傳輸線相比覆蓋膜壓合前信號損耗會增加15%～25%，標(biāo)準(zhǔn)微帶線傳輸?shù)碾姶挪ㄐ盘柍嬖谟诮橘|(zhì)基片中外，還有一部分處在空氣介質(zhì)中，因而微帶線中的介質(zhì)是由空氣和介質(zhì)基片組成的混合介質(zhì)，其介質(zhì)損耗比全介質(zhì)填充時要低，由公式（1）可知存在介電校正系數(shù)εe；而傳輸線表面存在覆蓋膜保護(hù)時，其可認(rèn)為處于全介質(zhì)填充的空間中進(jìn)行信號傳輸，由微帶線理論公式可知［4］，其介質(zhì)損耗公式為式（3）。

其中tanδe表示混合介質(zhì)層損耗正切值（損耗因子）。

由于覆蓋膜由純膠和PI組成，其損耗因子超過普通PI的標(biāo)準(zhǔn)值，使混合介質(zhì)層的損耗因子tanδe大于公式（1）的tanδc標(biāo)準(zhǔn)值，介質(zhì)損耗會出現(xiàn)大幅度的提高，所以有覆蓋膜保護(hù)的導(dǎo)線信號傳輸?shù)膿p耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無覆蓋膜保護(hù)的信號傳輸損耗。

4 結(jié)論

以上試驗結(jié)果分析，可以得出：

（1）通過對P-P、PTFE和LCP三種撓性高速材料導(dǎo)線覆蓋膜壓合前后特性阻抗對比發(fā)現(xiàn)，單端阻抗分別提高4.70 Ω、4.44 Ω和3.99 Ω，差分阻抗分別提高11.83 Ω、11.33 Ω和12.18 Ω；

（2）通過對P-P、PTFE和LCP三種撓性高速材料導(dǎo)線損耗對比發(fā)現(xiàn)，相同頻率條件下單端和差分線損耗差異不大，損耗會隨頻率的升高而增大，同時三種材料相比普通PI材料信號損耗能夠減少15%～30%，高頻高速條件下各撓性材料傳輸線間信號損耗差異更多的與介質(zhì)損耗相關(guān)；

（3）通過對三種材料導(dǎo)線覆蓋膜壓合前后信號損耗對比發(fā)現(xiàn)，同種撓性材料導(dǎo)線相比覆蓋膜壓合前信號損耗會增加15%～25%，有覆蓋膜保護(hù)的傳輸線信號傳輸?shù)膿p耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無覆蓋膜保護(hù)的信號傳輸損耗。

［1］劉學(xué)觀. 高速數(shù)字信號在PCB中的傳輸特性分析［J］. 電波科學(xué)學(xué)報，2009，24（3）:498-500.

［2］粟俊華. 低介電常數(shù)和低介質(zhì)損耗覆銅板材料的介紹［J］. 印制電路信息，2011，4:17-24.

［3］莫欣滿，陳蓓. FPC高頻材料信號損耗分析［C］. 2010秋季國際PCB技術(shù)信息論壇:168-177.

［4］唐玉芳. 南京理工大學(xué)， 微帶線損耗的理論研究及工程應(yīng)用［M］. 碩士論文，2009.

［5］趙志超. 西安電子科技大學(xué)， 高速差分傳輸線模型的分析與設(shè)計［M］. 碩士論文，2012.

［6］何淼. 高頻高密度互連剛撓結(jié)合板制作技術(shù)介紹［J］. 印制電路信息，2014，3:30-33.

［7］曾紅. 高密度高頻微波制作研究［J］. 2008秋季國際PCB技術(shù)信息論壇:270-287.

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［9］John Coorrod. Deterining dielectric properties of high frequency PCB laminate materials［J］. Advanced circuit materials division.

余振中，碩士研究生，技術(shù)中心研發(fā)工程師，從事剛撓板技術(shù)研究。

（廣州興森快捷電路科技有限公司，廣東 廣州 510663）

The analysis of coverlay on signal loss impact of high-speed FPCB

YU Zhen-zhong MO Xin-man CHEN Bei

Now market demand for high-speed FPCB proved very strong. It is necessary to make a research for high speed materials. In this article， through the electrical property study of PI and high flexible material FPCB before and after coverlay lamination， we check the dielectric constant of flexible materials by inverse method，analyze differences of characteristic impedance and changes of signal loss impact by laminating coverlay， and finally sum up the change regularity of signal loss under high frequency/speed condition.

High-Frequency/Speed； Flexible Material； Signal Loss； FPCB

TN41

A

1009-0096（2015）11-0021-06