影響撓性印制板插入損耗的幾種因素

林均秀 胡 可 劉志勇 吳浩俊 盧起斌

（珠海中京元盛電子科技有限公司，廣東 珠海 519060）

現(xiàn)代通信技術(shù)已進(jìn)入到第五代（5G），電磁波頻率也提高到5 GHz、10 GHz、24 GHz甚至79 GHz。為避免信號(hào)損失過(guò)大影響性能，作為連接用的撓性印制板（FPCB）也要求有較低的插入損耗（插損，IL：Insertion Loss）。本文設(shè)計(jì)統(tǒng)一的測(cè)試板，應(yīng)用同樣的設(shè)備和測(cè)試方法對(duì)影響FPCB插損的一些因素進(jìn)行探討。

1 測(cè)試方案設(shè)計(jì)

1.1 測(cè)試板

測(cè)試板設(shè)計(jì)采用三層板疊構(gòu)（如圖1所示），中間層是特性阻抗信號(hào)線(xiàn)，匹配50 Ω特性阻抗，信號(hào)線(xiàn)邊都圍繞地層，信號(hào)層外上、下兩層除了連接器焊盤(pán)外都是地層屏蔽，三層地相互連通。兩連接器中心之間信號(hào)線(xiàn)長(zhǎng)度為100 mm。

圖1 測(cè)試板結(jié)構(gòu)

說(shuō)明，如果是LCP（液晶聚合物）膜之類(lèi)可熔的材料則不需要膠膜層。

1.2 測(cè)試設(shè)備

測(cè)試板兩端各接一個(gè)適用于40 GHz的射頻插座，通過(guò)適用于26.5 GHz電纜連接到網(wǎng)絡(luò)分析儀，然后測(cè)量測(cè)試板的S21數(shù)據(jù)。如圖2、圖3所示。

圖2 測(cè)試板和測(cè)試設(shè)備

圖3 插損測(cè)量示意圖

2 FPCB插損各種影響因素測(cè)試

2.1 不同材料對(duì)插損影響

2.1.1 LCP材料

高頻通信下低損耗材料首先要提的是LCP（Liquid Crystal Poylmer，液晶聚合物），LCP吸水率較低，具有比PI更低的介電常數(shù)Dk和介質(zhì)損耗Df，并且Dk、Df隨著頻率升高相對(duì)保持穩(wěn)定，更適合應(yīng)用于高頻通信領(lǐng)域。LCP是熱塑性材料，利用LCP薄膜與銅箔熱壓成的覆銅板是典型的無(wú)膠材料。利用LCP膜類(lèi)覆銅板制作成多層FPCB，其層與層之間也可以不需要黏接膠膜。LCP膜類(lèi)覆銅板制作的測(cè)試板疊構(gòu)如圖4所示。

圖4 LCP膜類(lèi)測(cè)試板疊構(gòu)

圖5測(cè)試板采用100 μm厚LCP覆銅板，不增加粘接膠膜，層與層之間經(jīng)高溫壓制結(jié)合。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)插損大約是-2.25 dB/100 mm@10 GHz，更高頻率時(shí)大約是-3.93 dB/100 mm@20 GHz。

圖5 LCP膜類(lèi)插損

由于適合FPCB使用的LCP薄膜制造技術(shù)要求高，有廠(chǎng)家另外開(kāi)發(fā)涂布型LCP覆銅板，Dk、Df與LCP膜類(lèi)覆銅板相當(dāng)。涂布型LCP一般情況下不容易熔化，因此制作多層板時(shí)多采用膠膜進(jìn)行層間黏接。

圖6顯示了測(cè)試板的信號(hào)層采用LCP厚度100 μm的覆銅板進(jìn)行了兩種測(cè)試，都采用25 μm膠膜粘接。系列1是反射層LCP厚度為50 μm的數(shù)據(jù)，插損大約是-2.92 dB/100 mm@10 GHz，更高的頻率插損是-5.04 dB/100 mm@20 GHz；系列2是反射層LCP厚度為100 μm的數(shù)據(jù)，插損大約是-2.14 dB/100 mm@10 GHz，更高的頻率插損是-3.61 dB/100 mm@20 GHz。隨著反射層絕緣層厚度增加FPCB插損降低。

圖6 LCP涂布類(lèi)插損

2.1.2 無(wú)膠型改性聚酰亞胺（MPI）

由于常規(guī)PI（聚酰亞胺）的Dk、Df較大，在信號(hào)頻率提高后將出現(xiàn)較大的插損，并不適合直接應(yīng)用于5G高頻通信場(chǎng)合。隨著對(duì)PI進(jìn)行改性，獲得插損比常規(guī)PI要低的MPI材料。采用基材厚度為50 μm的MPI材料制作測(cè)試板。

對(duì)三家MPI覆銅板插損測(cè)試如圖7。這三家50 μm厚MPI材料的插損最小的是系列1，大約是-3.72 dB/100 mm@10 GHz，更高頻率的插損是-4.55/100 mm@20 GHz。

圖7 無(wú)膠型MPI材料插損

2.1.3 有膠型改性聚酰亞胺（MPI）

高頻通信應(yīng)用一般需要較厚的基材，采用純粹的改性PI做基材將面臨成本和技術(shù)問(wèn)題。為降低成本甚至進(jìn)一步改善MPI高頻性能，廠(chǎng)家推出了不同技術(shù)路線(xiàn)的“有膠”型MPI覆銅板。這類(lèi)MPI材料的基材可以采用常規(guī)PI或MPI，見(jiàn)圖8所示。

圖8 改性PI膠類(lèi)MPI測(cè)試板疊構(gòu)

在基材上涂布MPI膠，再與銅箔壓合制造成PI膠類(lèi)MPI材料，對(duì)這類(lèi)材料的插損進(jìn)行測(cè)試。

圖9顯示，改性PI膠類(lèi)MPI材料的插損大約是-2.41 dB/100 mm@10 GHz，更高頻率的插損是-4.22/100 mm@20 GHz。

圖9 不同MPI膠類(lèi)材料插損

從高分子物理性能看醚類(lèi)材料的Dk和Df在高頻時(shí)有一定優(yōu)勢(shì)，利用醚類(lèi)材料（例如TPE）對(duì)膠粘劑改性制造成含醚膠的MPI材料。對(duì)這類(lèi)材料插損進(jìn)行測(cè)試。含醚類(lèi)材料插損大約是-2.28 dB/100 mm@10 GHz，更高頻率的插損大約是-4.28/100 mm@20 GHz。

高分子材料聚四氟乙烯（PTFE）具有令人矚目的性能，其Dk和Df都非常搶眼，如能應(yīng)用于FPCB將對(duì)于降低插損作出貢獻(xiàn)。但由于PTFE的極性問(wèn)題難以直接用來(lái)制造覆銅板，也不容易與傳統(tǒng)的FPCB生產(chǎn)工藝匹配，因此引入氟元素對(duì)覆銅板的膠粘劑改性，再與PI或MPI一起制造含氟膠粘劑的MPI材料是制造高頻材料技術(shù)路線(xiàn)之一。

含氟膠粘劑可以涂布在中間（基材與基材間）用于黏接PI，也可以涂布在外側(cè)與銅箔（銅箔與基材間）粘接。對(duì)這兩種不同結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行插損測(cè)試。圖10中測(cè)試的三種材料，除系列2是含氟膠粘劑在中間的覆銅板材料外，另兩條曲線(xiàn)是含氟膠粘劑在外側(cè)的覆銅板材料。膠粘劑在外側(cè)的兩種材料插損介乎（-1.83～-1.97）dB/100 mm@10 GHz，更高頻率的插損是（-3.4～-3.57）dB/100 mm@20 GHz，兩種材料數(shù)據(jù)比較接近。膠粘劑在中間的系列2插損大約是-3.3 dB/100 mm@10 GHz，插損偏大不一定是疊構(gòu)原因。

圖10 含氟膠類(lèi)材料插損

將前面幾種不同材料測(cè)試板的插損放在一起對(duì)比（如圖11所示）。各系列材料如下。

圖11 各種材料插損對(duì)比

系列1是含改性PI膠的MPI材料；系列2是含氟膠粘劑在外側(cè)的MPI材料；系列3是含醚膠粘劑的MPI材料；系列4是膜類(lèi)LCP材料；系列5是涂布LCP材料。各系列疊構(gòu)參考層基材總厚度100 μm，反射層基材總厚是100 μm；其中系列1、2、3、5加膠層25 μm，如圖8；系列4沒(méi)有膠層，如圖4。系列5（涂布LCP）插損比系列4（薄膜類(lèi)LCP）更低一點(diǎn)，是由于反射層有膠層，理論厚度要厚25 μm；上述測(cè)試所使用的膠膜都是高頻專(zhuān)用膠膜。

2.2 仿真設(shè)計(jì)對(duì)插損影響

信號(hào)頻率比較低時(shí)不一定要仿真插損，頻率提高后設(shè)計(jì)上一些小失調(diào)都可能對(duì)插損帶來(lái)較大影響，因此高頻用FPCB設(shè)計(jì)完成后應(yīng)該仿真模擬，從設(shè)計(jì)上保障能獲得較低的插損。這一步測(cè)試采用含PI膠的MPI材料和測(cè)試板疊構(gòu)，對(duì)仿真模擬與否的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較。

圖12中系列1是進(jìn)行過(guò)仿真的FPCB測(cè)試板，系列2是沒(méi)有嚴(yán)格仿真的。從數(shù)據(jù)可見(jiàn)經(jīng)嚴(yán)格仿真設(shè)計(jì)的插損較小，曲線(xiàn)比較平緩；未經(jīng)嚴(yán)格仿真的插損較大，尤其是頻率增高時(shí)更加明顯。數(shù)據(jù)顯示兩者在10 GHz時(shí)插損相差64%，在20 GHz時(shí)相差117%。

圖12 仿真設(shè)計(jì)對(duì)插損的影響

2.3 材料厚度對(duì)插損影響

高頻FPCB的材料厚度一般都比較厚，從測(cè)試結(jié)果也可以看出材料厚度對(duì)插損的明顯影響。采用不同的厚度的LCP膜和含氟膠粘劑的MPI材料按測(cè)試板的疊構(gòu)對(duì)不同材料厚度的插損進(jìn)行測(cè)試。

圖13中，系列1是參考層和反射層都是LCP膜厚100 μm的材料，系列2是參考層和反射層都是LCP膜厚75 μm的材料。從數(shù)據(jù)看LCP越厚插損越小。

圖13 不同LCP厚度對(duì)插損的影響

圖14是含氟膠粘劑的MPI材料，兩種材料基材總厚都是100 μm，只是覆銅板膠厚膠薄不一樣，系列1的膠層比系列2的要厚。

圖14 不同MPI厚度對(duì)插損的影響

2.4 材料長(zhǎng)度對(duì)插損影響

一般來(lái)講信號(hào)線(xiàn)長(zhǎng)度小于電磁波波長(zhǎng)1/4時(shí)插損很小，信號(hào)線(xiàn)長(zhǎng)度超過(guò)1/4波長(zhǎng)時(shí)插損與長(zhǎng)度關(guān)系如何？下面采用涂布LCP材料按測(cè)試板疊構(gòu)對(duì)不同長(zhǎng)度測(cè)試板進(jìn)行插損測(cè)試。

圖15測(cè)試板系列1長(zhǎng)度是50 mm，系列2長(zhǎng)度是100 mm。測(cè)試結(jié)果顯示插損隨著長(zhǎng)度增加而增加，兩者接近正比關(guān)系。

圖15 不同長(zhǎng)度對(duì)插損的影響

2.5 過(guò)孔類(lèi)型對(duì)插損影響

一般情況下信號(hào)線(xiàn)都采用盲孔類(lèi)型（見(jiàn)圖16所示），這樣信號(hào)的參考層可以覆蓋住信號(hào)的孔盤(pán)對(duì)孔盤(pán)屏蔽。但畢竟盲孔加工還是比通孔復(fù)雜，尤其是板的層數(shù)多時(shí)對(duì)鉆孔和鍍銅的徑厚比還有一定的限制。這里采用改性PI膠型MPI材料對(duì)信號(hào)線(xiàn)盲孔和通孔進(jìn)行插損測(cè)試。

圖16 通孔型測(cè)試板疊構(gòu)及導(dǎo)通孔類(lèi)型

圖17中系列1是信號(hào)為盲孔的插損曲線(xiàn)，系列2是信號(hào)線(xiàn)為通孔的插損曲線(xiàn)。從曲線(xiàn)看到兩種不同過(guò)孔類(lèi)型的測(cè)試板插損很接近，沒(méi)有明顯差別。

圖17 不同過(guò)孔類(lèi)型插損對(duì)比

2.6 過(guò)孔質(zhì)量對(duì)插損影響

盲孔電鍍有較高的技術(shù)要求，盲孔電鍍質(zhì)量好壞對(duì)FPCB插損是否有影響？采用100 μm厚LCP膜類(lèi)測(cè)試板測(cè)試盲孔質(zhì)量對(duì)插損的影響，見(jiàn)圖18所示。

圖18 盲孔質(zhì)量

圖19中，系列1的盲孔底部導(dǎo)通不良，存在似連非連的情況，系列2是盲孔導(dǎo)通較好的測(cè)試板。測(cè)試結(jié)果顯示，盲孔導(dǎo)通良好的測(cè)試板插損相對(duì)較低，信號(hào)線(xiàn)盲孔導(dǎo)通良好時(shí)插損降低大約14%/100 mm，10 GHz和20 GHz基本都是這樣。

圖19 盲孔質(zhì)量對(duì)插損影響

2.7 阻抗值大小對(duì)插損影響

測(cè)試板按5 0 Ω 特性阻抗匹配，那么在50±5Ω的常規(guī)阻抗控制范圍內(nèi)，阻抗值高低對(duì)插損是否有影響？這里采用LCP膜厚100 μm的材料和改性PI膠類(lèi)MPI材料（基材絕緣層總厚100 μm）測(cè)試阻抗值對(duì)插損的影響。圖20和圖21中，都是從系列1到系列3信號(hào)線(xiàn)阻抗值在（50±5）Ω范圍內(nèi)依次降低。測(cè)試結(jié)果顯示，LCP膜類(lèi)材料和MPI材料插損都是隨著阻抗值的增加而增加。LCP膜材料插損差別約是15%，10 GHz和20 GHz差不多；MPI材料差別要大點(diǎn)，頻率高時(shí)更明顯。

圖20 LCP膜類(lèi)FPCB阻抗值對(duì)插損影響

圖21 改性PI膠類(lèi)FPCB阻抗值對(duì)插損影響

3 結(jié)論

本文所有圖表數(shù)據(jù)都是基于設(shè)備測(cè)試的原始數(shù)據(jù)，但為了方便查看只是選擇部分頻率節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)制圖，采用5組原始數(shù)據(jù)取平均值。雖然制圖的曲線(xiàn)與原始曲線(xiàn)不盡相同，但同樣頻率節(jié)點(diǎn)的插損數(shù)據(jù)一樣，曲線(xiàn)發(fā)展趨勢(shì)一樣。通過(guò)對(duì)以上各種因素測(cè)試結(jié)果分析，可以得出如下幾點(diǎn)。

（1）FPCB的插損與材料種類(lèi)有關(guān)，含氟膠類(lèi)MPI材料插損最低。并且膠層越厚，插損越低；（2）FPCB的插損與材料厚度、長(zhǎng)度有關(guān)，一般情況下厚度增加，插損降低；長(zhǎng)度增加，插損增加；（3）FPCB設(shè)計(jì)對(duì)插損有明顯影響，設(shè)計(jì)完成要進(jìn)行仿真測(cè)試。制造FPCB時(shí)慎重修改原始設(shè)計(jì)，哪怕有些是工藝性修改都要注意；（4）FPCB過(guò)孔類(lèi)型對(duì)插損影響不明顯，原始設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)化和選擇。（5）如果信號(hào)線(xiàn)是盲孔方案，則盲孔鍍銅質(zhì)量對(duì)插損有一定影響，F(xiàn)PCB制造時(shí)要確保盲孔導(dǎo)通良好，或?qū)?dǎo)通不良的盲孔識(shí)別出來(lái)；（6）FPCB阻抗值對(duì)插損有一定影響，如果可能的話(huà)選擇偏低的阻抗值有利于降低插損。