FPC高速信號(hào)的應(yīng)用實(shí)例解析

FPC簡(jiǎn)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(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品中。

FPC表面有一層樹酯薄膜，起到線路保護(hù)和阻焊等作用，是FPC 產(chǎn)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(lǐng)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(jié)構(gòu)的耐高溫聚合物，在高溫下具有突出的介電性能、機(jī)械性能、耐輻射性能和耐磨性能等，被廣泛應(yīng)用于航空、電子、電器等精密電子領(lǐng)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?yīng)用的場(chǎng)合及成本等方面加以綜合考慮?；?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(jià)格較高但其耐燃性較佳，PET價(jià)格較低但不耐熱。因此若有焊接需求時(shí)大部分均選用PI。

聚酰亞胺（簡(jiǎn)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(wú)膠，有膠的介電常數(shù)是3.5（大概），無(wú)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(jiǎn)寫PET，聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯）來(lái)制成的。它應(yīng)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(shuō)，其基材亦區(qū)分為PI 與PET 兩種。視銅箔基材之材質(zhì)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(guò)一個(gè)實(shí)例說(shuō)明。

疊層設(shè)計(jì)

按照剛性區(qū)4層板，柔性區(qū)2層設(shè)計(jì)。

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(guò)DK、Df值都很低，參考M6板材1GHz與10GHz時(shí)的差異，預(yù)計(jì)這款材料高頻下?lián)p耗也不會(huì)太大。

阻抗計(jì)算

通常PCB板廠計(jì)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(jì)算阻抗呢？不清楚的可以咨詢一下對(duì)應(yīng)板廠。依然是Polar軟件，只是不同板廠計(jì)算方式不同罷了。比如A廠，計(jì)算時(shí)會(huì)先忽略了覆蓋膜，然后根據(jù)工廠經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)一減去一個(gè)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(shuō)的是，如果你事先不了解板廠的計(jì)算方式，或者你事先不清楚要投哪家板廠，總得自己要去評(píng)估一下設(shè)計(jì)阻抗吧，要不然怎么仿真？所以介紹另一個(gè)模型1B2A，用這個(gè)模型計(jì)算也可以。

測(cè)試板設(shè)計(jì)

沒什么好說(shuō)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(diǎn)長(zhǎng)，比普通板要多個(gè)十天八天的。一定要評(píng)估好項(xiàng)目周期，柔性版最好先投。話不多說(shuō)，上圖。

測(cè)試板測(cè)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?cè)岚褰Y(jié)合對(duì)板廠阻抗控制能力要求較高。

順便提一下網(wǎng)格銅設(shè)計(jì)，由于參考平面不完整，阻抗會(huì)偏高更多，設(shè)計(jì)的時(shí)候需要注意阻抗控制。再就是跟板廠確認(rèn)計(jì)算模型，很有可能板廠計(jì)算時(shí)是不會(huì)考慮網(wǎng)格銅的。

2.損耗采用AFR去嵌，最終得到剛?cè)岚逯虚g2inch長(zhǎng)度純?nèi)嵝圆糠值膿p耗。

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(shè)置疊層，那么DK、Df值怎么填？

這還不簡(jiǎn)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(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗、銅箔粗糙度、趨膚效應(yīng)，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(jié)果必然不準(zhǔn)，比實(shí)際情況要理想很多。很有可能你仿真有很大余量，實(shí)際加工出來(lái)就gg了。那么，又有人問了，仿真時(shí)候銅箔粗糙度怎么設(shè)？不知道你仿真對(duì)象是有多高速，也不知道是不是搞學(xué)術(shù)研究，這里不做研究。只想說(shuō)25Gbps以下的速率，就別折騰了。

單說(shuō)做項(xiàng)目，不就是一個(gè)目的嗎?

仿真跟實(shí)測(cè)能對(duì)得起來(lái)不就行了么。嗨……

怎么讓仿真跟實(shí)測(cè)對(duì)得起來(lái)，這就是仿測(cè)擬合，擬合出等效介質(zhì)常數(shù)和介質(zhì)損耗值。這樣不管你仿真哪條Trace，必然都跟測(cè)試結(jié)果是一致的。結(jié)果都一致了，誰(shuí)還有空去糾結(jié)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(cè)試結(jié)果對(duì)比，無(wú)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(cè)給的值是0.004，兩倍還多。如果按照原始數(shù)據(jù)仿真，那結(jié)果是不是太理想了，很有可能仿真結(jié)果就是一個(gè)錯(cuò)誤的導(dǎo)向,失去了仿真的價(jià)值。

仿真驗(yàn)證

這就完了嗎？No，按照工程師的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度，只有正向逆向都經(jīng)得起考驗(yàn)，才算bug被徹底消除，要不然那些調(diào)試階段看似問題已經(jīng)解了，一量產(chǎn)就呼呼出問題的案例就不會(huì)層出不窮了。所以要得出一條結(jié)論，必須是要經(jīng)得起反復(fù)推敲的。我們把擬合數(shù)據(jù)再代回設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中。

THRU線仿真與測(cè)試對(duì)比

DUT線仿真與測(cè)試對(duì)比

將仿真得到的兩個(gè)S參數(shù)再進(jìn)行去嵌，與測(cè)試板測(cè)試去嵌的結(jié)果進(jìn)行二次對(duì)比，

各個(gè)頻段均能吻合。

至此，從測(cè)試→去嵌→擬合→仿真→去嵌→擬合，整個(gè)鏈路閉環(huán)。擬合的參數(shù)準(zhǔn)確有效，往后只要是此種材料的項(xiàng)目，仿真的結(jié)果就是測(cè)試的結(jié)果，這才是仿真的意義！

FPC應(yīng)用

從以上仿真與測(cè)試結(jié)果可以看到，F(xiàn)PC用對(duì)了材料，本身?yè)p耗是沒有問題的，跟M6差不多等級(jí)。別說(shuō)10Gbps信號(hào)，25Gbps的信號(hào)也不在話下。前提是選好連接器，設(shè)計(jì)好剛?cè)峤Y(jié)合處的阻抗，以及管控好板廠加工阻抗。舉一個(gè)栗子，一款PCIe3.0的轉(zhuǎn)接板。柔性區(qū)域線長(zhǎng)約6-7INCH。