基于手機(jī)USB3.1應(yīng)用的FPC信號(hào)傳輸研究

胡珂珂 鄭澤紅

（深圳市景旺電子股份有限公司，廣東 深圳 518100）

0 前言

計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展離不開通用串行總線（USB）的技術(shù)的推廣與支持，IT產(chǎn)業(yè)的接口重大革命正是USB出現(xiàn)的原因。如今在USB2.0的基礎(chǔ)之上，USB3.1增加了許多物理總線，由4線增加到9線，用來(lái)實(shí)現(xiàn)并行模式，這也使USB3.1有了超速的性能，以滿足當(dāng)前5G智能手機(jī)的通訊朝向高頻高速化發(fā)展，同時(shí)也對(duì)基于手機(jī)USB3.1應(yīng)用的撓性印制電路板（FPC）的材料和設(shè)計(jì)提出了更高規(guī)格要求。本文基于以往USB3.1應(yīng)用的FPC的制作經(jīng)驗(yàn)，從疊構(gòu)設(shè)計(jì)、材料搭配、過(guò)程控制。損耗測(cè)試等展開一系列研究。

1 試驗(yàn)方法及材料

1.1 試驗(yàn)方法

根據(jù)在加工過(guò)程中對(duì)損耗影響因子的經(jīng)驗(yàn)以及最終產(chǎn)品功能指標(biāo)對(duì)材料的指向選擇要求，本次試驗(yàn)將首先對(duì)不同廠商高頻覆蓋膜（CVL）材料的性能進(jìn)行測(cè)試，然后再?gòu)牟煌W(wǎng)格設(shè)計(jì)、線寬設(shè)計(jì)，不同廠商高頻覆蓋膜對(duì)阻抗與損耗的影響變化進(jìn)行研究（見(jiàn)表1）。

1.2 試驗(yàn)材料及測(cè)試設(shè)備

主要試驗(yàn)材料及測(cè)試設(shè)備見(jiàn)表2。

表1 測(cè)試方法及具體項(xiàng)目

表2 主要試驗(yàn)材料及測(cè)試設(shè)備

1.3 產(chǎn)品疊構(gòu)

FPC產(chǎn)品疊夠圖見(jiàn)圖1所示。

圖1 FPCB產(chǎn)品疊構(gòu)圖

1.4 工藝流程

開料→減銅→鉆孔→線路→AOI→覆蓋膜→阻焊→表面處理→電磁膜→激光刻→FQA

2 測(cè)試結(jié)果分析

3.1 不同高頻覆蓋膜Dk和Df測(cè)試

將廠商A和B的高頻覆蓋膜的樣品裁切成7 cm×7 cm的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試樣件，測(cè)試常規(guī)條件（21±2）℃，（65±5）%RH）在2.5 GHz、5 GHz、10 GHz頻率下的Dk與Df。具體測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3 。

從表3數(shù)據(jù)可以看出：廠商A的高頻覆蓋膜比廠商B的Dk大0.2，不利于后續(xù)阻抗與損耗的管控；不同頻率下，材料的Dk與Df值基本無(wú)變化，后續(xù)可以采用一個(gè)頻率來(lái)評(píng)估材料。

2.2 不同線寬設(shè)計(jì)阻抗對(duì)比

采用同一疊構(gòu)測(cè)試，傳輸線長(zhǎng)設(shè)計(jì)115 mm，使用廠商B高頻覆蓋膜材料制作產(chǎn)品，線寬設(shè)計(jì)75 μm、85 μm、95 μm，網(wǎng)格設(shè)計(jì)0.15 mm×0.30 mm，阻抗管控在（90±10）Ω條件下，阻抗數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，具體如圖2。

從圖2數(shù)據(jù)可以分析得出：隨著線寬增大，阻逐漸降低；85 μm和95 μm設(shè)計(jì)線寬的阻抗相差3Ω，說(shuō)明線寬增大到95 μm后，阻抗開始趨于穩(wěn)定。

2.3 不同線寬設(shè)計(jì)損耗對(duì)比

采用同一疊構(gòu)測(cè)試，傳輸線長(zhǎng)設(shè)計(jì)115 mm，使用廠商B高頻覆蓋膜材料制作產(chǎn)品，線寬設(shè)計(jì)75 μm、85 μm、95 μm，網(wǎng)格設(shè)計(jì)0.15 mm×0.30 mm，阻抗管控在（90±10）Ω條件下，損耗數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，具體如圖3。

表3 不同頻率下不同廠商高頻覆蓋膜的Dk與Df

圖2 不同線寬設(shè)計(jì)阻抗對(duì)比

圖3 不同線寬設(shè)計(jì)損耗對(duì)比

從圖3數(shù)據(jù)可以分析得出：（1）75 μm設(shè)計(jì)線寬下，5 GHz損耗最大值為-3.95 dB，最小值為-3.79 dB，平均值為-3.87 dB，極差0.16 dB；（2）85 μm設(shè)計(jì)線寬下，5 GHz損耗最大值為-4.4 1 d B，最小值為-4.2 6 d B，平均值為-4.33 dB，極差0.15 dB；（3）95 μm設(shè)計(jì)線寬下，5 GHz損耗最大值為-4.22 dB，最小值為-4.10 dB，平均值為-4.16 dB，極差0.12 dB；（4）同頻率時(shí)，75 μm線寬設(shè)計(jì)損耗最小，85 μm設(shè)計(jì)線寬損耗最大，隨著線寬逐漸增加，損耗先增加后降低；（5）在同時(shí)滿足阻抗與損耗的條件下，設(shè)計(jì)線寬選擇75 μm。

2.4 不同網(wǎng)格設(shè)計(jì)阻抗對(duì)比

采用同一疊構(gòu)測(cè)試，傳輸線長(zhǎng)設(shè)計(jì)115 mm，使用廠商B高頻覆蓋膜材料制作產(chǎn)品，設(shè)計(jì)線寬為75 μm、85 μm、95 μm，設(shè)計(jì)網(wǎng)格為0.15 mm×0.30 mm和0.15 mm×0.25 mm，阻抗管控在90±10 Ω條件下，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)圖4所示。從圖4中的損耗數(shù)據(jù)可以看出，0.15 mm×0.25 mm網(wǎng)格的阻抗略小于0.15 mm×0.30 mm網(wǎng)格；0.15 mm×0.30 mm網(wǎng)格設(shè)計(jì)阻抗數(shù)據(jù)穩(wěn)定性優(yōu)于0.15 mm×0.25 mm網(wǎng)格。

2.5 不同網(wǎng)格設(shè)計(jì)損耗對(duì)比

采用同一疊構(gòu)測(cè)試，傳輸線長(zhǎng)設(shè)計(jì)115 mm，使用廠商B高頻覆蓋膜材料制作產(chǎn)品，線寬設(shè)計(jì)75 μm、85 μm、95 μm，網(wǎng)格設(shè)計(jì)0.15 mm×0.30 mm和0.15 mm×0.25 mm條件，損耗數(shù)據(jù)具體見(jiàn)圖5。

圖4 不同網(wǎng)格設(shè)計(jì)阻抗對(duì)比

圖5 不同網(wǎng)格設(shè)計(jì)損耗對(duì)比

從圖5的損耗數(shù)據(jù)可以看出，在三種設(shè)計(jì)線寬下，兩種不同網(wǎng)格設(shè)計(jì)對(duì)損耗影響不大，結(jié)合前面網(wǎng)格對(duì)阻抗的影響，可以選擇0.15 mm×0.30 mm的網(wǎng)格設(shè)計(jì)。

2.6 不同高頻覆蓋膜阻抗對(duì)比

采用同一疊構(gòu)測(cè)試，傳輸線長(zhǎng)設(shè)計(jì)115 mm，使用廠商A和廠商B高頻覆蓋膜材料制作產(chǎn)品，線寬設(shè)計(jì)75 μm，網(wǎng)格設(shè)計(jì)0.15 mm×0.30 mm的條件，阻抗數(shù)據(jù)具體見(jiàn)圖6所示。

從圖6數(shù)據(jù)分析得出：75 μm設(shè)計(jì)線寬下,廠商A阻抗最大值為104 Ω，最小值為93 Ω，平均值為98 Ω，極差11 Ω；廠商B阻抗最大值為103 Ω，最小值為93Ω，平均值為98 Ω，極差10 Ω；從阻抗波動(dòng)范圍來(lái)看，廠商B的阻抗相對(duì)穩(wěn)定。

2.7 不同高頻覆蓋膜損耗對(duì)比

采用同一疊構(gòu)測(cè)試，傳輸線長(zhǎng)設(shè)計(jì)115 mm，使用廠商A和廠商B高頻覆蓋膜材料制作產(chǎn)品，線寬設(shè)計(jì)75 μm，網(wǎng)格設(shè)計(jì)0.15 mm×0.30 mm條件，損耗數(shù)據(jù)具體如圖7。從圖7的損耗數(shù)據(jù)可以看出，廠商B的高頻覆蓋膜的損耗低于廠商A的，結(jié)合前面阻抗的影響，選材廠商B有利于阻抗穩(wěn)定與降低損耗。

圖6 不同覆蓋膜阻抗數(shù)據(jù)對(duì)比

圖7 不同高頻覆蓋膜損耗對(duì)比

3 總結(jié)

從線寬設(shè)計(jì)、網(wǎng)格設(shè)計(jì)、覆蓋膜這三個(gè)角度探討了其與產(chǎn)品阻抗、損耗的因果關(guān)系，為USB3.1的設(shè)計(jì)和選材提供了充分的數(shù)據(jù)支撐，得到具體結(jié)論如下：

（1）隨著線寬設(shè)計(jì)的增加，阻抗逐漸減低，損耗先增加后降低，線寬設(shè)計(jì)增加到95 μm后，阻抗趨于穩(wěn)定，75 μm設(shè)計(jì)線寬損耗最低；

（2）隨著網(wǎng)格含銅率降低，阻抗有所增加，損耗差別不大，0.15 mm×0.30 mm網(wǎng)格的阻抗略大于0.15 mm×0.25 mm，兩者損耗相近；

（3）覆蓋膜Dk、Df越小，越有利于阻抗穩(wěn)定與降低損耗。