剛撓印制電路板的參考層設計對阻抗值穩(wěn)定性的影響研究

王宏瑞 黨新獻 劉新發(fā)

（惠州中京電子科技有限公司，廣東 惠州 519029）

0 前言

市場上高端消費類及工業(yè)類電子產品的剛撓結合印制電路板（剛撓板）對阻抗匹配要求越來越多，當發(fā)射端、傳輸線以及接收端的阻抗相匹配時，訊號損失最小，傳輸?shù)浇邮斩说挠嵦栕詈谩Ｒ晕覀內粘Ｉ钪谐Ｒ娛殖謷叽a設備為例，如果掃碼槍內掃描頭轉接板與主板之間的阻抗不匹配,就會發(fā)生掃描傳輸漏碼等問題。為了保證剛撓板線路的阻抗匹配一致性，本文主要針對影響阻抗值穩(wěn)定性之因素參考層（屏蔽層、接地層、ground）進行了探討。通過改變參考層，可較大提升阻抗線寬及其阻值穩(wěn)定性，在介質層厚度及阻抗線調整區(qū)間有限的情況下，對于參考層網格的調試是剛撓結合板阻抗控制變異最大的因素。

1 阻抗影響分析

1.1 阻抗影響因素

阻抗匹配是信號完整性的重要組成部分，阻抗影響因素包括絕緣的介電常數(shù)Er、介質厚度H1/H2、走線寬度W1（線底）、W2（線頂）和銅厚T1等，如圖1、圖2所示。分析研究表明，對阻抗影響最大的是介質厚度。

圖1 SI90000模擬界面（25 μm PI基材差分阻抗模擬）

圖2 SI90000模擬界面（25 μm PI基材特性阻抗模擬）

在屏蔽層為實銅阻抗模擬時，50 Ω特性和100 Ω差分阻抗介質厚度H1≥50 μm才能滿足實際生產需求；例如使用常用H1＝25 μm的介質厚度來測算時，模擬得出線寬僅為40 μm，無法滿足部分產品高電流承載度的最小線寬要求，或考量到剛撓板組裝后軟區(qū)耐彎折性能，且細線路制程良率成本較高。如表1中不同介質厚度在參考層為實銅時的阻抗線寬對比。

表1 參考層為實銅時不同介質厚度模擬理論線寬結果對比表

1.2 剛撓板阻抗參考層網格設計原因

由于剛撓板設計時為了提升其彎折性能，在選材和產品成本考量上盡量要求薄，普通消費類電子產品選材通常選PI厚度≤25 μm的FCCL（撓性覆銅板），產品既要滿足軟、薄，又要滿足阻抗需求，于是諸多線路設計者選擇了阻抗網格參考地層設計方案。如圖3所示目前業(yè)界網格交錯阻抗設計均為斜45°陣列方形網格，當阻抗線貫穿網格空隙時，該段阻抗會突變，傳輸延時會變大，所以理論上在滿足制造條件下，網格密度越大阻值越高。

圖3 斜45°陣列方形網格圖

如圖4所示，有6根阻抗線通過網格,但有3根線（1,3,5），剛好在網格上方，也就形成實銅效應；而另外3根線（2,4,6）則是網格形式，這會形成1-3-5的阻抗明顯低于2-4-6的阻抗。參考層為45°網格也會有此現(xiàn)象。

圖4 不恰當?shù)木W格分布圖

2 實驗部分

2.1 參考層網格密度對阻抗值的影響

行業(yè)內調試阻抗設計都是在確定產品疊構方案與Polar軟件模擬理論阻抗值后使用變化參考層網格設計密度來調試阻抗值，下面的測試首先來驗證阻抗線參考層網格覆銅率相同的情況下網格密度對阻抗值的影響，使用表2中條件進行測試：

表2 測試條件表

實驗小結：表3所示為阻抗線寬82.5 μm的實測阻值隨網格密度變化趨勢圖,測試結果顯示在對應參考層網格鋪銅率不變的情況下阻值均無明顯的變化趨勢。網格密度對阻值影響較小。無法完全通過調整網格密度來達到調試阻抗的目的。

表3 82.5 μm阻抗線寬在不同網格密度下阻值測量結果表

2.2 阻抗線參考層屏蔽面積對于阻抗值的影響

由于上述測試結論，即無法完全通過調整參考層網格密度來達到阻抗匹配一致性。因此以下通過剛撓板常見的多組阻抗線陣列設計的實驗案例來測試說明。行業(yè)常規(guī)的45°角方形陣列網格會造成每條阻抗線對應的參考層屏蔽面積不一致，導致多組阻抗線并排設計時各組之間阻值差異性大，圖5所示為4組對應網格不同位置的相同差分阻抗線貫穿不同網格位置，并對其阻抗進行實測分析。

圖5 45°角陣列方形網格

如表4所示測試條件通過軟件模擬成品阻值100 Ω，得出阻抗線W/S=108/146 μm，網格W/P=68.6/304 μm。如圖6所示模擬圖。

圖6 SI90000網格阻抗模擬界面圖

表4 測試條件表

實驗小結：如表5所示的測試數(shù)據(jù)表明，參考層45°角方形陣列網格對于阻抗線屏蔽位置不同，參考面積存在明顯差異，導致阻值波動范圍極差11.3 Ω，實際生產當中無法精準管控阻抗穩(wěn)定性。參考網格對應多組阻抗線貫穿位置不同會導致阻抗線屏蔽面積存在差異，對于阻值的影響較大。

表5 四組相同阻抗線在對應網格屏蔽面積不同時阻值測量結果表

2.3 解決阻抗走線對應網格屏蔽面積不一致問題

為了解決多組阻抗線對應參考層網格屏蔽面積不一致的情況，現(xiàn)在對網格進行重新設計，其他設計要素均不做改變，只把陣列網格改為錯位互補網格（如圖7所示）。

圖7 45°角陣列錯位互補網格圖

錯位互補網格看成由一個個菱形錯位組成，把每個方框基材區(qū)域做上標識，通過計算得出：1/2/3面積之和等于3/4/5面積之和，且1/3/5面積之和等于2/4/6面積之和。不管阻抗線位置如何變化，面積之和的總值不會改變。多組阻抗設計如圖8所示，阻抗線阻值測量結果見表6所示。

圖8 45°角互補方形網格圖

實驗小結：表6中測試數(shù)據(jù)分析表明，錯位互補網格由于網格的互補性，走線貫穿網格時，任意位置網格屏蔽面積均一致，測試成品阻值極差1.1 Ω，阻值波動控制在5%范圍內，滿足實際產品需求，可實現(xiàn)對剛撓板多組阻抗值的穩(wěn)定控制。

表6 四組相同W/S阻抗線在網格屏蔽面積相同時測量結果表

3 結論

綜上實驗結果可以得出，為保證剛撓板的阻抗匹配一致性，在復雜陣列形多對阻抗調試過程中，通過改變參考層網格設計,達到阻抗規(guī)格要求及阻值管控穩(wěn)定性。

在介質性能、線寬等阻抗影響因子受結構及產品應用限制時，錯位互補網格設計相比傳統(tǒng)的陣列網格，可改善板內阻抗極差偏大現(xiàn)像，降低生產過程中阻抗超差風險，減少客戶端電子產品的不良返修概率。