撓性印制板高精度阻抗設(shè)計(jì)影響因素研究

黃建娣 彭羅平 肖治理

（景旺電子科技（龍川）有限公司，廣東 河源 517362）

0 前言

要使印制電路板（PCB）傳輸信號(hào)保持完整，并得到可靠、精確的傳輸，對(duì)PCB工藝流程上所使用的材料及其設(shè)計(jì)搭配非常嚴(yán)格。撓性印制板（FPC）的特性阻抗受材料及設(shè)計(jì)搭配復(fù)雜許多因素影響，如線寬、覆蓋膜厚度、PI（聚酰亞胺）厚度、不同電磁膜、不同參考層等一種或多種材料和設(shè)計(jì)搭配等，阻抗難以精確管控?，F(xiàn)通過(guò)試驗(yàn)不同參考層相同線寬、參考層相同不同線寬、同等規(guī)格不同供應(yīng)商基材、不同基材PI厚度，以及不同品牌型號(hào)屏蔽膜、不同覆蓋膜膠厚等因素對(duì)阻抗的影響，為FPC高精度阻抗設(shè)計(jì)提供最佳建議方案。

1 試驗(yàn)方法

1.1 設(shè)備與材料

設(shè)備：安捷倫阻抗測(cè)試儀、二次元、金相顯微鏡1000倍。

材料：撓性覆銅板（銅箔：12 μm、雙面無(wú)膠ED銅，聚酰亞胺（PI）厚度：12.5 μm/20 μm/25 μm）、電磁膜（型號(hào)A/B/C/D）、覆蓋膜（黃色PI：12 μm，粘合劑：15 μm/20 μm/25 μm）。

1.2 試驗(yàn)流程

開(kāi)料→鉆孔→鍍銅→圖形→覆蓋膜→沉金→電磁膜/鋼片（各工序正常參數(shù)，圖形蝕刻量為20 μm）

1.3 試驗(yàn)方法

（1）參考層實(shí)銅相同，不同線寬的影響；（2）參考層的網(wǎng)格相同，不同線寬的影響；（3）參考層網(wǎng)格，線寬相同，不同膠厚覆蓋膜的影響；（4）參考層網(wǎng)格，線寬相同，不同型號(hào)電磁膜影響；（5）參考層網(wǎng)格，線寬相同，不同供應(yīng)商基材特性影響；（6）參考層網(wǎng)格，線寬相同，不同基材PI介質(zhì)層影響；（7）參考層網(wǎng)格，線寬相同，阻抗線面不同背膠方式鋼片影響；（8）線寬相同，不同參考層影響。測(cè)試項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表1所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 參考層實(shí)銅，不同線寬對(duì)阻抗的影響

參考層實(shí)銅，不同線寬阻抗試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。參考層為實(shí)銅設(shè)計(jì)時(shí)，線寬對(duì)阻抗的影響約1 μm線寬=0.7Ω阻抗變化值。貼膜后阻抗比貼膜前平均約小10Ω，且線寬越大差值越小。沉金后沉金前約小3.4Ω，且線寬越大，沉金對(duì)阻抗的影響越小，貼電磁膜后比貼電磁膜前平均約小18.9Ω，且線寬越大，電磁膜的影響越小。貼電磁膜后與蝕刻后的光板阻抗平均約小33Ω，且線寬越大，阻抗差值越?。ㄒ?jiàn)圖1所示）。

表1 測(cè)試項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案

2.2 參考層0.1 mm×0.3 mm網(wǎng)格，不同線寬對(duì)阻抗的影響

參考層0.1 mm×0.3 mm網(wǎng)格，不同線寬阻抗的試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。參考層層為網(wǎng)格時(shí)，線寬對(duì)阻抗的影響約為1 μm線寬=1Ω阻抗變化值。對(duì)比得知，貼膜后阻抗比貼膜前平均約小19Ω，且線寬越大差值越小。沉金后比沉金前約小3.5Ω，且線寬越大，沉金對(duì)阻抗的影響越小。貼電磁膜后比貼電磁膜前平均約小24Ω，且線寬越大，電磁膜的影響越小。貼EMI（電磁膜）后的半成品與蝕刻后的光板阻抗平均約小47Ω，且線寬越大，阻抗差值越小。

圖1 參考層實(shí)銅，不同線寬阻抗Ω數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖

圖2 參考層網(wǎng)格，不同線寬阻抗數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖

2.3 參考層網(wǎng)格，線寬相同，不同膠厚覆蓋膜的試驗(yàn)

參考層網(wǎng)格，線寬相同，不同膠厚覆蓋膜的試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。在參考層網(wǎng)格設(shè)計(jì)時(shí)，不同厚度的覆蓋膜搭配相同的電磁膜，隨著覆蓋膜膠厚的增加阻抗值會(huì)越來(lái)越大，差異值為5 μm≈3Ω，覆蓋膜膠厚度與阻抗成正比。

2.4 參考層網(wǎng)格，線寬相同，不同型號(hào)電磁膜的試驗(yàn)

參考層網(wǎng)格，線寬相同，不同型號(hào)電磁膜的試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。不同型號(hào)電磁膜對(duì)阻抗影響不同，其中C≈D≤A≤B。

圖3 參考層網(wǎng)格，不同覆蓋膜膠厚度阻抗趨勢(shì)圖

圖4 參考層網(wǎng)格，不同電磁膜型號(hào)阻抗趨勢(shì)

2.5 參考層網(wǎng)格，線寬相同，不同銅箔介質(zhì)層的測(cè)試

參考層網(wǎng)格，線寬相同，不同供應(yīng)商基材特性測(cè)試結(jié)果如圖5所示。對(duì)比同等規(guī)格供應(yīng)商基材阻抗數(shù)據(jù)，蝕刻后不同供應(yīng)商阻抗H≥E≥G≈I≈F。從數(shù)據(jù)上分析不同材料供應(yīng)商之間，銅箔厚度12 μm雙面無(wú)膠ED銅 基材不同供應(yīng)商，各家略有差異，差異3～5Ω。目前我們使用的常規(guī)無(wú)膠主要是TPI材料，TPI材料介電常數(shù)一般≤4，實(shí)際上是在3.1～3.3，同等規(guī)格普通PI系，影響在3～5Ω。

2.6 參考層0.1×0.3 mm網(wǎng)格，線寬相同，不同基材介質(zhì)層測(cè)試

參考層0.1 mm×0.3 mm網(wǎng)格，線寬相同，不同基材PI厚度測(cè)試如圖6所示。不同基材PI厚度阻抗數(shù)據(jù)對(duì)比25 μm≥20 μm≥12.5 μm從數(shù)據(jù)分析得出，基材PI介質(zhì)層厚度是影響阻抗重要因素，增加介質(zhì)層厚度可以提高阻抗，阻抗與材料介質(zhì)層厚度成正比，PI越厚阻抗越大（見(jiàn)圖6所示）。

2.7 參考層0.1×0.3 mm網(wǎng)格，阻抗線面不同鋼片背膠方式測(cè)試

參考層0.1 mm×0.3 mm網(wǎng)格，不同鋼片背膠方式測(cè)試結(jié)果如圖7所示。從數(shù)據(jù)可以看出導(dǎo)電膠鋼片對(duì)阻抗的影響大于非導(dǎo)電膠鋼片，當(dāng)阻抗線面貼鋼片，非導(dǎo)電膠阻抗比導(dǎo)電膠阻抗大，參考層網(wǎng)格0.1 mm×0.3 mm時(shí)，1 μm約影響約1Ω。

2.8 測(cè)試不同參考層，相同線寬設(shè)計(jì)，參考層對(duì)阻抗及阻抗線背面貼EMI的影響

測(cè)試不同參考層，相同線寬設(shè)計(jì)，參考層對(duì)阻抗及阻抗線背面貼EMI的影響，如圖8所示。

阻抗與參考層越大，阻抗越大，參考層阻抗關(guān)系：實(shí)銅≤0.2 mm×0.2 mm≤0.1 mm×0.3 mm≤0.1 mm×0.6 mm≤0.1 mm×0.9 mm。

2.9 覆蓋膜快壓后與固化化差異

相同銅箔，不同基材PI厚度匹配不同覆蓋膜膠厚，快壓后與固化后阻抗變化測(cè)試，如表2所列。在同等厚度銅箔下，不同厚度覆蓋膜下降的阻抗值無(wú)差異。兩種基材貼覆蓋膜后與固化后阻抗無(wú)太大變化。

圖5 雙面無(wú)膠ED不同供應(yīng)商基材阻抗變化趨勢(shì)圖

圖6 基材銅厚相同不同PI厚度阻抗變化趨勢(shì)圖

3 結(jié)論

圖7 0.1 mm×0.3 mm網(wǎng)格不同鋼片背膠方式

圖8 相同線寬，不同參考層阻抗變化

表2 覆蓋膜快壓后與固化后差異測(cè)試

通過(guò)上述試驗(yàn)和分析，影響阻抗的因素主要有參考層、線寬、銅箔介質(zhì)層、銅箔PI厚度、覆蓋膜膠厚，阻抗線面有無(wú)EMI，鋼片/非鋼片等，影響阻抗因素關(guān)系：阻抗線面電磁膜≈阻抗線面導(dǎo)電鋼片≥阻抗線面非導(dǎo)電鋼片＞參考層＞銅箔PI厚度高＞覆蓋膜膠厚＞線寬＞介質(zhì)層（普通PI系）。精度FPC阻抗在設(shè)計(jì)時(shí)需同時(shí)考慮以上因素進(jìn)行阻抗線匹配設(shè)計(jì)。

（1）銅箔厚度、介質(zhì)層、PI厚度、覆蓋膠厚、參考層相同時(shí)，每增加1 μm線寬，減少1 Ω阻抗進(jìn)行補(bǔ)償。線寬與阻抗成反比。

（2）銅箔厚度、介質(zhì)層、PI厚度、覆蓋膠厚、參考層相同時(shí)，導(dǎo)電鋼片比非導(dǎo)電鋼片小10 Ω，導(dǎo)電鋼片阻抗線寬需比非導(dǎo)電鋼片設(shè)計(jì)小10 μm。

（3）銅箔厚度、介質(zhì)層、PI厚度、覆蓋膠厚、參考層網(wǎng)格越大，阻抗越大。

（4）銅箔厚度、介質(zhì)層、PI厚度、覆蓋膠厚、參考層網(wǎng)格越大，覆蓋膜膠厚越厚，實(shí)銅阻抗比0.1×0.3網(wǎng)格偏小。

（4）基材PI越厚，阻抗越大。增加基材PI厚度，可以增加阻抗。

（5）不同基材、不同膠厚快壓后與固化后無(wú)差異，圖形蝕刻后模擬流程仿成品快壓后測(cè)試阻抗，通過(guò)蝕刻速度調(diào)整阻抗線寬，管控成品。