王宏瑞 黨新獻(xiàn) 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(chǎn)品的剛撓結(jié)合印制電路板（剛撓板）對阻抗匹配要求越來越多，當(dāng)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?。以我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ娛殖謷叽a設(shè)備為例，如果掃碼槍內(nèi)掃描頭轉(zhuǎn)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(jìn)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(zhì)層厚度及阻抗線調(diào)整區(qū)間有限的情況下，對于參考層網(wǎng)格的調(diào)試是剛撓結(jié)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(zhì)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(zhì)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(zhì)厚度H1≥50 μm才能滿足實際生產(chǎn)需求；例如使用常用H1＝25 μm的介質(zhì)厚度來測算時，模擬得出線寬僅為40 μm，無法滿足部分產(chǎn)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(xì)線路制程良率成本較高。如表1中不同介質(zhì)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(zhì)厚度模擬理論線寬結(jié)果對比表

1.2 剛撓板阻抗參考層網(wǎng)格設(shè)計原因

由于剛撓板設(shè)計時為了提升其彎折性能，在選材和產(chǎn)品成本考量上盡量要求薄，普通消費類電子產(chǎn)品選材通常選PI厚度≤25 μm的FCCL（撓性覆銅板），產(chǎn)品既要滿足軟、薄，又要滿足阻抗需求，于是諸多線路設(shè)計者選擇了阻抗網(wǎng)格參考地層設(shè)計方案。如圖3所示目前業(yè)界網(wǎng)格交錯阻抗設(shè)計均為斜45°陣列方形網(wǎng)格，當(dāng)阻抗線貫穿網(wǎng)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(wǎng)格密度越大阻值越高。

圖3 斜45°陣列方形網(wǎng)格圖

如圖4所示，有6根阻抗線通過網(wǎng)格,但有3根線（1,3,5），剛好在網(wǎng)格上方，也就形成實銅效應(yīng)；而另外3根線（2,4,6）則是網(wǎng)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(wǎng)格也會有此現(xiàn)象。

圖4 不恰當(dāng)?shù)木W(wǎng)格分布圖

2 實驗部分

2.1 參考層網(wǎng)格密度對阻抗值的影響

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

表2 測試條件表

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

表3 82.5 μm阻抗線寬在不同網(wǎng)格密度下阻值測量結(jié)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(jié)論，即無法完全通過調(diào)整參考層網(wǎng)格密度來達(dá)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(shè)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(wǎng)格會造成每條阻抗線對應(yīng)的參考層屏蔽面積不一致，導(dǎo)致多組阻抗線并排設(shè)計時各組之間阻值差異性大，圖5所示為4組對應(yīng)網(wǎng)格不同位置的相同差分阻抗線貫穿不同網(wǎng)格位置，并對其阻抗進(jìn)行實測分析。

圖5 45°角陣列方形網(wǎng)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(wǎng)格W/P=68.6/304 μm。如圖6所示模擬圖。

圖6 SI90000網(wǎng)格阻抗模擬界面圖

表4 測試條件表

實驗小結(jié)：如表5所示的測試數(shù)據(jù)表明，參考層45°角方形陣列網(wǎng)格對于阻抗線屏蔽位置不同，參考面積存在明顯差異，導(dǎo)致阻值波動范圍極差11.3 Ω，實際生產(chǎn)當(dāng)中無法精準(zhǔn)管控阻抗穩(wěn)定性。參考網(wǎng)格對應(yīng)多組阻抗線貫穿位置不同會導(dǎo)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(yīng)網(wǎng)格屏蔽面積不同時阻值測量結(jié)果表

2.3 解決阻抗走線對應(yīng)網(wǎng)格屏蔽面積不一致問題

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

圖7 45°角陣列錯位互補網(wǎng)格圖

錯位互補網(wǎng)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(biāo)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(shè)計如圖8所示，阻抗線阻值測量結(jié)果見表6所示。

圖8 45°角互補方形網(wǎng)格圖

實驗小結(jié)：表6中測試數(shù)據(jù)分析表明，錯位互補網(wǎng)格由于網(wǎng)格的互補性，走線貫穿網(wǎng)格時，任意位置網(wǎng)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(nèi)，滿足實際產(chǎn)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(wǎng)格屏蔽面積相同時測量結(jié)果表

3 結(jié)論

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

在介質(zhì)性能、線寬等阻抗影響因子受結(jié)構(gòu)及產(chǎn)品應(yīng)用限制時，錯位互補網(wǎng)格設(shè)計相比傳統(tǒng)的陣列網(wǎng)格，可改善板內(nèi)阻抗極差偏大現(xiàn)像，降低生產(chǎn)過程中阻抗超差風(fēng)險，減少客戶端電子產(chǎn)品的不良返修概率。