超薄FPC版圖設(shè)計方法研究

李錢贊，徐明亮，高雄

（1.浙江大華技術(shù)股份有限公司中央研究院，浙江 杭州 310053；2.浙江省視覺物聯(lián)融合應(yīng)用重點實驗室，浙江 杭州 310053；3.浙江大華技術(shù)股份有限公司產(chǎn)品研發(fā)部，浙江 杭州 310053）

0 引 言

目前柔性電路板FPC（Flexible Printed Circuit）技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用非常廣泛，隨著PCB制造技術(shù)和材料技術(shù)的發(fā)展，一種全新的超薄FPC（層間厚度小于1 mil）開始應(yīng)用。由于層間厚度變小，隨之而來的是FPC版圖設(shè)計的挑戰(zhàn)。

目前FPC的版圖設(shè)計，常用的有3種方式：（1）單層無參考平面；（2）網(wǎng)格參考平面；（3）實銅參考平面。

由于平行板電容效應(yīng)，超薄的FPC會出現(xiàn)較大寄生電容，產(chǎn)生的結(jié)果是直接導(dǎo)致信號質(zhì)量變差，甚至無法正確傳輸信號。信號邊沿速率被嚴(yán)重削弱，導(dǎo)致時序等信號完整性問題，而以往傳統(tǒng)的FPC由于層間距較大（大約2mil），這個問題不會很嚴(yán)重。

此外，目前FPC的版圖設(shè)計方法中，大量的實測與仿真都已經(jīng)證明無參考面單層超薄FPC或常規(guī)網(wǎng)格銅參考面超薄FPC都存在EMC性能較差，抗干擾能力差。

綜上，目前超薄FPC版圖設(shè)計中的存在以下2個問題：

（1）實銅參考面超薄FPC走線會產(chǎn)生較大的寄生電容，影響走線信號質(zhì)量，降低信號邊沿速率，影響信號的正常傳輸；

（2）無參考層或網(wǎng)格銅參考面FPC，信號速率正常，但EMC性能較差，容易自身輻射并易受外界干擾；

由于無參考層設(shè)計方法，無法改進(jìn)EMC性能，所以本文不對此方式進(jìn)行討論，只討論網(wǎng)格銅參考面與實銅參考面2種設(shè)計方法。

1 版圖設(shè)計方法分析

本文針對超薄FPC主要分析集中在兩個方面：

（1）走線寄生電容研究分析。此方面為了保證走線的信號完整性，以通用的（玻璃纖維環(huán)氧樹脂覆銅板FR-4）材質(zhì)印刷電路板為基準(zhǔn)。通過設(shè)計，使得超薄FPC的走線電容與之接近，從而保障FPC的信號完整性。

（2）網(wǎng)格參考面的EMC屏蔽隔離度分析。此方面為了獲取更好的EMC屏蔽效果，針對網(wǎng)格參考面進(jìn)行網(wǎng)格大小，網(wǎng)格比例，網(wǎng)格形式方面的分析和研究，提出更良好的設(shè)計方法。

1.1 實銅參考面分析

實銅參考面由于整個平面完整，所以會擁有非常良好的EMC屏蔽性能。但是由于超薄FPC的層間距減小，走線的寄生電容勢必會增大，從而影響傳輸信號的邊沿速率，降低傳輸帶寬，帶來比較嚴(yán)重的信號完整性問題。寄生電容計算如圖1所示。

圖1 寄生電容計算結(jié)果

圖1（a）為實銅參考面FR4走線（層間距3.8 mil，走線寬度8 mil）寄生電容C約為3 pF/Inch。圖1（b）為實銅參考面的FPC走線（層間距0.4 mil，走線寬度8 mil）寄生電容C約為19 pF/Inch。

產(chǎn)品使用的FPC線纜一般長度會達(dá)到8 Inch左右，那么將會產(chǎn)生150 pF的寄生電容，這個量級的寄生電容傳輸損耗將非常嚴(yán)重，甚至無法正常傳輸信號。

為解決上述問題，下文將嘗試改變走線的寬從而達(dá)到減小寄生電容。

根據(jù)電容公式計算走線寄生電容：

正常FR4走線電容（實銅參考面，為3.8 mil以上，線寬3.5～8 mil）；

為走線在參考面上的投影面積，為層間距，與為介電常數(shù)。投影面積為線寬乘線長。

FPC走線寄生電容′（實銅參考面）：

′為走線在參考面上的投影面積，實銅參考面時數(shù)值與FR4走線投影面積相同，′為FPC層間距。

設(shè)計方法目標(biāo)是讓實銅參考面FPC的走線電容與正常FR4走線電容接近，即令′/=1。

當(dāng)線長一定時，則FPC走線與正常FR4走線的線寬比例需滿足′/=′/，正常寬度為3.5～8 mil，′/為一般為4 ～ 8 mil 左右，則′需要小于2 mil，目前制板廠的生產(chǎn)工藝無法實現(xiàn)這樣的線寬，且可靠性很低，彎折時極易斷裂。

因此，對于超薄的FPC設(shè)計3種方式中，實銅參考面的設(shè)計方式也已經(jīng)無法適用，想要設(shè)計傳輸高速信號，并且擁有良好EMC性能的超薄FPC，只能采用網(wǎng)格銅參考面設(shè)計。

1.2 網(wǎng)格銅參考面分析

網(wǎng)格參考面是常用的設(shè)計方法之一，他具有兩個方面的優(yōu)勢。其一，網(wǎng)格參考面可以使成品線纜更柔軟，其二，其對EMC有一定的效果。但目前的常用網(wǎng)格參考面設(shè)計，存在一些缺陷，并且比較設(shè)計隨意。針對網(wǎng)格大小，網(wǎng)格比例，網(wǎng)格形式，這幾個方面缺少研究，從而經(jīng)常導(dǎo)致制作的網(wǎng)格參考面屏蔽效果不佳，甚至出現(xiàn)信號完整性與EMC效果同時不好的情況。本文主要針對此方面做研究分析，力圖實現(xiàn)網(wǎng)格設(shè)計的最優(yōu)化。具體分析如下：

目前的常規(guī)網(wǎng)格銅參考面設(shè)計如圖2所示，基本上都是采用45度均勻斜網(wǎng)格。

圖2 常規(guī)網(wǎng)格銅參考面設(shè)計

為了達(dá)到設(shè)計目標(biāo)′/=1，又不改變線寬，只能采用網(wǎng)格參考面。于是有FPC走線電容″（網(wǎng)格參考面）：

″為FPC走線在網(wǎng)格參考面上的投影面積，層間距與實銅參考面FPC相同，間距也為′。由（1）和（3）式做比值可以得到：

設(shè)計目標(biāo)變?yōu)閷崿F(xiàn)′/=1。將網(wǎng)格分解分析，即：

S為單網(wǎng)格投影面積；

A為單網(wǎng)格非投影面積；

″為FPC走線在網(wǎng)格參考面上的投影面積總和， 為走線非投影面積總和；

令占空比：= /″，得到=A/S；（網(wǎng)格均勻）

再由=″+ ，帶入（4）式得到：

令′/=1，則得到：=/′-1

由上述分析可得，網(wǎng)格參考面的占空比取值與FPC層間距和正常實銅FR4的層間距相關(guān)，本文中d的取值近似為4 mil，′的取值最大為1 mil，最小為0.4 mil，由此可以得到，的取值范圍為：[3→10]。本文上述分析，默認(rèn)FPC與FR4的材質(zhì)介電常數(shù)相等，實際上兩者有差異，在數(shù)值上會出現(xiàn)偏差，的取值范圍會縮小且是小數(shù)形式，而在使用網(wǎng)格銅參考面時，通常以整數(shù)做可選數(shù)值。因此，實際設(shè)計中按照本文所述，占空比的允許的取值為：4、5、6、7、8這五個整數(shù)。

1.3 網(wǎng)格銅參考面EMC分析

由大量已有的實踐已經(jīng)證明EMC性能效果與以下2點有關(guān)：

（1）網(wǎng)格間隙，間隙越小性能越好。

（2）屏蔽面的銅面積有關(guān)面積越大，性能越好。

由上述，為了獲得更好的EMC特性，可知：

（1）式（5）中的S取值越小越好，（6）式中的A取值越小越好。

（2）參考網(wǎng)格面的占空比越小越好。

而=A/S。上述可知的取值越小，EMC性能效果就會越好。但是，本文中的取值因為需要保障走線的信號完整性，已經(jīng)固定了取值范圍，即1.2中給出的取值，與FPC層間距直接相關(guān)并且為確定的整數(shù)，所以的最優(yōu)取值為4。

優(yōu)化目標(biāo)為：S的取值最小化，A取值最小化。本文對同過對比相同占空比的不同形式網(wǎng)格進(jìn)行分析。

同樣長度走線，45度網(wǎng)格線如圖3（a）所示，出現(xiàn)了14次重疊，而垂直網(wǎng)格如圖3（b）所示出現(xiàn)了20次重疊，但重疊的面積總和一樣。

圖3 占空比相同的兩種形式的網(wǎng)格

由此可知垂直網(wǎng)格的S取值比45度網(wǎng)格的S小，總面積″不變，可以得到推論：

同占空比下，垂直網(wǎng)格EMC效果會優(yōu)于45度網(wǎng)格。

由上述對比可知，目前常用的45度網(wǎng)格銅參考面設(shè)計方式有較大的改進(jìn)空間，將與走線呈45度交叉的網(wǎng)格改為垂直于走線的網(wǎng)格，能夠改善EMC效果。

另外，上文所述中，由于的取值，是針對走線投影面積計算得到的，是均勻網(wǎng)格的占空比。但在實際進(jìn)行版圖設(shè)計時，整體網(wǎng)格參考面的占空比是可以降低的。具體方法是：通過將信號走線之間的間距空隙所投影的參考面填充為實銅，即網(wǎng)格參考面非走線投影區(qū)填充實銅。其結(jié)果就是整體網(wǎng)格參考面變?yōu)椴痪鶆蚓W(wǎng)格，只有走線投影區(qū)網(wǎng)格為均勻網(wǎng)格。

使用這種方式降低整體占空比后，對走線電容沒有影響。但根據(jù)上文分析，整體參考平面占空比的降低可以有效的提高EMC性能。

本文對此進(jìn)行了建模并仿真，使用的取值為4。

具體建模：FPC層厚0.8 mil；網(wǎng)格線寬5 mil，并垂直于走線，網(wǎng)格間隙20 mil；網(wǎng)格參考面非走線投影區(qū)填充實銅。建模結(jié)果如圖4（a）所示，并得到了網(wǎng)格參考面的隔離度仿真結(jié)果如圖4（b）所示。

仿真結(jié)果可知，網(wǎng)格改進(jìn)后，F(xiàn)PC線纜的屏蔽隔離度明顯提高。圖4（b）中藍(lán)色為普通網(wǎng)格銅（45度斜網(wǎng)格，參考面均勻網(wǎng)格），紅色為本文改進(jìn)后的設(shè)計方法（垂直網(wǎng)格，參考面不均勻網(wǎng)格，僅走線投影區(qū)域為均勻網(wǎng)格） 。

圖4 優(yōu)化后建模與仿真結(jié)果

此仿真結(jié)果驗證了本文對網(wǎng)格參考面的網(wǎng)格形式，網(wǎng)格大小，網(wǎng)格比例的設(shè)計方法研究是正確有效的，并且可以為超薄FPC的版圖設(shè)計提供切實可行的方法。

2 結(jié) 論

隨著可穿戴設(shè)備的蓬勃發(fā)展，F(xiàn)PC應(yīng)用得到了極大的普及，也在向著更輕，更薄，更柔軟的方向發(fā)展，但隨之而來的新問題也亟待解決，本文討論了超薄FPC在應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)遇到的普遍問題，即信號完整性問題與ECM問題。本文通過拆解分析，并建模仿真，得到了一些相關(guān)結(jié)論，優(yōu)化了設(shè)計方法，保證了FPC傳輸?shù)男盘柾暾?，同時改進(jìn)了FPC的EMC性能。主要集中在兩點，其一是對FPC走線的寄生電容進(jìn)行分析研究，為使得FPC與普通FR4寄生電容接近，得到了占空比的取值方法；其二是根據(jù)EMC的特性，重新設(shè)計網(wǎng)格，使用垂直于走線的網(wǎng)格，并且將信號走線之間的間距空隙所投影的參考面填充為實銅，其結(jié)果就是整體網(wǎng)格變?yōu)椴痪鶆蚓W(wǎng)格，只有走線投影區(qū)網(wǎng)格為均勻網(wǎng)格。最后通過仿真網(wǎng)格參考面的隔離度，確認(rèn)了其EMC方面的效果改進(jìn)非常明顯。