FPC高速信號的應用實例解析

FPC簡介

柔性線路板（FPC）以其重量輕、配線密度高、厚度薄、易彎折等特點，被廣泛應用于電子產品中。

FPC表面有一層樹酯薄膜，起到線路保護和阻焊等作用，是FPC 產品的重要組成部分。

因其主要成分為聚酰亞氨（Polyimide，PI），故在該領域又被稱之為?PI 覆蓋膜，它是一種分子主鏈上含有酰亞胺環(huán)狀結構的耐高溫聚合物，在高溫下具有突出的介電性能、機械性能、耐輻射性能和耐磨性能等，被廣泛應用于航空、電子、電器等精密電子領域。

根據(jù)需求的不同，柔性電路板使用的板材也不一樣?？梢詮膽玫膱龊霞俺杀镜确矫婕右跃C合考慮?；?a target="_blank">Substrate 在材料上區(qū)分為PI (Polymide ) （聚酰亞胺） 及PET (Polyester) （聚酯）兩種，PI價格較高但其耐燃性較佳，PET價格較低但不耐熱。因此若有焊接需求時大部分均選用PI。

聚酰亞胺（簡稱PI）是柔性電路加工中最常用的熱固化絕緣材料。材料的厚度范圍一般是12.5μm(0.5mil) 和125μm(5mil) 。分為有膠和無膠，有膠的介電常數(shù)是3.5（大概），無膠的介電常數(shù)是3.3（大概）。部分廠家可以提供7 mil厚度的，常用的規(guī)格是25μm(1mil) 和12.5μm(0.5mil) 。

Polyester 是由polyethylene terephthalate（簡寫PET，聚對苯二甲酸乙二醇酯）來制成的。它應用于柔性板的厚度范圍一般是25μm（1mil）～125μm（5mil）。它和Polyimide 一樣具有極好的柔軟性和電氣性能。它的介電常數(shù)是3.4（大概）。
　　 覆蓋膜由基材+膠組合而成，如上面所說，其基材亦區(qū)分為PI 與PET 兩種。視銅箔基材之材質選用搭配之覆蓋膜，覆蓋膜之膠亦與銅箔基材之膠相同，厚度則由0.5~1.4mil。

膠Adhesive 一般有Acrylic 膠及Expoxy 膠兩種，最常使用Expoxy 膠厚度上由0.4~1mil 均有，一般使用1mil 膠厚。

以下通過一個實例說明。

疊層設計

按照剛性區(qū)4層板，柔性區(qū)2層設計。

查看PI材料的規(guī)格書，只有1MHz的DK、Df數(shù)值，沒有10GHz數(shù)值。不過DK、Df值都很低，參考M6板材1GHz與10GHz時的差異，預計這款材料高頻下?lián)p耗也不會太大。

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阻抗計算

通常PCB板廠計算阻抗都是使用Polar SI9000，那么柔性板除一面正常GND參考，還有一面是有兩層覆蓋膜的，如何計算阻抗呢？不清楚的可以咨詢一下對應板廠。依然是Polar軟件，只是不同板廠計算方式不同罷了。比如A廠，計算時會先忽略了覆蓋膜，然后根據(jù)工廠經驗統(tǒng)一減去一個固定數(shù)值。就是使用正常的1B模型，單端減去4歐，差分減去10歐。我代入試算了一下，的確很吻合。這里我想說的是，如果你事先不了解板廠的計算方式，或者你事先不清楚要投哪家板廠，總得自己要去評估一下設計阻抗吧，要不然怎么仿真？所以介紹另一個模型1B2A，用這個模型計算也可以。

測試板設計

沒什么好說的，就是正常lay上你想走的線，單端50的，差分85的、95的、100的等等，加工……就是加工周期有點長，比普通板要多個十天八天的。一定要評估好項目周期，柔性版最好先投。話不多說，上圖。

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測試板測試

1.阻抗 單端50和差分85。差分部分柔性阻抗偏高了5歐，剛性部分又偏低了3歐。這種剛柔板結合對板廠阻抗控制能力要求較高。

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順便提一下網格銅設計，由于參考平面不完整，阻抗會偏高更多，設計的時候需要注意阻抗控制。再就是跟板廠確認計算模型，很有可能板廠計算時是不會考慮網格銅的。

2.損耗 采用AFR去嵌，最終得到剛柔板中間2inch長度純柔性部分的損耗。

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換算成dB/inch自行除以2即可，有沒有發(fā)現(xiàn)，跟M6板材損耗差不多吧。

FPC仿真

大家都知道仿真非常重要的一步就是設置疊層，那么DK、Df值怎么填？

這還不簡單嗎，比如找板廠要M6材料的參數(shù)，@10GHz DK 3.61，Df 0.004，填上不就行了嗎？

還真不是！導體損耗、介質損耗、銅箔粗糙度、趨膚效應，看似很多東西要考慮。填原始數(shù)據(jù)，那么忽略的東西太多，結果必然不準，比實際情況要理想很多。很有可能你仿真有很大余量，實際加工出來就gg了。那么，又有人問了，仿真時候銅箔粗糙度怎么設？不知道你仿真對象是有多高速，也不知道是不是搞學術研究，這里不做研究。只想說25Gbps以下的速率，就別折騰了。

單說做項目，不就是一個目的嗎?

仿真跟實測能對得起來不就行了么。嗨……

怎么讓仿真跟實測對得起來，這就是仿測擬合，擬合出等效介質常數(shù)和介質損耗值。這樣不管你仿真哪條Trace，必然都跟測試結果是一致的。結果都一致了，誰還有空去糾結銅箔粗糙度這玩意兒。

用同一套參數(shù)分別擬合了單端和差分，跟測試結果對比，無論損耗還是相位都一致。

單端

差分

得到的Df值是0.009，而手冊給的值是0.004，兩倍還多。如果按照原始數(shù)據(jù)仿真，那結果是不是太理想了，很有可能仿真結果就是一個錯誤的導向,失去了仿真的價值。

仿真驗證

這就完了嗎？No，按照工程師的嚴謹態(tài)度，只有正向逆向都經得起考驗，才算bug被徹底消除，要不然那些調試階段看似問題已經解了，一量產就呼呼出問題的案例就不會層出不窮了。所以要得出一條結論，必須是要經得起反復推敲的。我們把擬合數(shù)據(jù)再代回設計數(shù)據(jù)中。

THRU線仿真與測試對比

DUT線仿真與測試對比

將仿真得到的兩個S參數(shù)再進行去嵌，與測試板測試去嵌的結果進行二次對比，

各個頻段均能吻合。

至此，從測試→去嵌→擬合→仿真→去嵌→擬合，整個鏈路閉環(huán)。擬合的參數(shù)準確有效，往后只要是此種材料的項目，仿真的結果就是測試的結果，這才是仿真的意義！

FPC應用

從以上仿真與測試結果可以看到，F(xiàn)PC用對了材料，本身損耗是沒有問題的，跟M6差不多等級。別說10Gbps信號，25Gbps的信號也不在話下。前提是選好連接器，設計好剛柔結合處的阻抗，以及管控好板廠加工阻抗。舉一個栗子，一款PCIe3.0的轉接板。柔性區(qū)域線長約6-7INCH。

主板原始信號波形

接上PCIe轉接卡后波形

符合預期，使用正常。

編輯：黃飛

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