超薄FPC版圖設計方法研究

李錢贊，徐明亮，高雄

（1.浙江大華技術股份有限公司中央研究院，浙江 杭州 310053；2.浙江省視覺物聯融合應用重點實驗室，浙江 杭州 310053；3.浙江大華技術股份有限公司產品研發部，浙江 杭州 310053）

0 引 言

目前柔性電路板FPC（Flexible Printed Circuit）技術已經應用非常廣泛，隨著PCB制造技術和材料技術的發展，一種全新的超薄FPC（層間厚度小于1 mil）開始應用。由于層間厚度變小，隨之而來的是FPC版圖設計的挑戰。

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

由于平行板電容效應，超薄的FPC會出現較大寄生電容，產生的結果是直接導致信號質量變差，甚至無法正確傳輸信號。信號邊沿速率被嚴重削弱，導致時序等信號完整性問題，而以往傳統的FPC由于層間距較大（大約2mil），這個問題不會很嚴重。

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

綜上，目前超薄FPC版圖設計中的存在以下2個問題：

（1）實銅參考面超薄FPC走線會產生較大的寄生電容，影響走線信號質量，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；

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

1 版圖設計方法分析

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（玻璃纖維環氧樹脂覆銅板FR-4）材質印刷電路板為基準。通過設計，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，針對網格參考面進行網格大小，網格比例，網格形式方面的分析和研究，提出更良好的設計方法。

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。

產品使用的FPC線纜一般長度會達到8 Inch左右，那么將會產生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到減小寄生電容。

根據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。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，實銅參考面時數值與FR4走線投影面積相同，′為FPC層間距。

設計方法目標是讓實銅參考面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，目前制板廠的生產工藝無法實現這樣的線寬，且可靠性很低，彎折時極易斷裂。

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

1.2 網格銅參考面分析

網格參考面是常用的設計方法之一，他具有兩個方面的優勢。其一，網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。但目前的常用網格參考面設計，存在一些缺陷，并且比較設計隨意。針對網格大小，網格比例，網格形式，這幾個方面缺少研究，從而經常導致制作的網格參考面屏蔽效果不佳，甚至出現信號完整性與EMC效果同時不好的情況。本文主要針對此方面做研究分析，力圖實現網格設計的最優化。具體分析如下：

目前的常規網格銅參考面設計如圖2所示，基本上都是采用45度均勻斜網格。

圖2 常規網格銅參考面設計

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

″為FPC走線在網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：

設計目標變為實現′/=1。將網格分解分析，即：

S為單網格投影面積；

A為單網格非投影面積；

″為FPC走線在網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，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FPC與FR4的材質介電常數相等，實際上兩者有差異，在數值上會出現偏差，的取值范圍會縮小且是小數形式，而在使用網格銅參考面時，通常以整數做可選數值。因此，實際設計中按照本文所述，占空比的允許的取值為：4、5、6、7、8這五個整數。

1.3 網格銅參考面EMC分析

由大量已有的實踐已經證明EMC性能效果與以下2點有關：

（1）網格間隙，間隙越小性能越好。

（2）屏蔽面的銅面積有關面積越大，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層間距直接相關并且為確定的整數，所以的最優取值為4。

優化目標為：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格進行分析。

同樣長度走線，45度網格線如圖3（a）所示，出現了14次重疊，而垂直網格如圖3（b）所示出現了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格

由此可知垂直網格的S取值比45度網格的S小，總面積″不變，可以得到推論：

同占空比下，垂直網格EMC效果會優于45度網格。

由上述對比可知，目前常用的45度網格銅參考面設計方式有較大的改進空間，將與走線呈45度交叉的網格改為垂直于走線的網格，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，是均勻網格的占空比。但在實際進行版圖設計時，整體網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，即網格參考面非走線投影區填充實銅。其結果就是整體網格參考面變為不均勻網格，只有走線投影區網格為均勻網格。

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；網格線寬5 mil，并垂直于走線，網格間隙20 mil；網格參考面非走線投影區填充實銅。建模結果如圖4（a）所示，并得到了網格參考面的隔離度仿真結果如圖4（b）所示。

仿真結果可知，網格改進后，FPC線纜的屏蔽隔離度明顯提高。圖4（b）中藍色為普通網格銅（45度斜網格，參考面均勻網格），紅色為本文改進后的設計方法（垂直網格，參考面不均勻網格，僅走線投影區域為均勻網格） 。

圖4 優化后建模與仿真結果

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

2 結 論

隨著可穿戴設備的蓬勃發展，FPC應用得到了極大的普及，也在向著更輕，更薄，更柔軟的方向發展，但隨之而來的新問題也亟待解決，本文討論了超薄FPC在應用領域內遇到的普遍問題，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，得到了一些相關結論，優化了設計方法，保證了FPC傳輸的信號完整性，同時改進了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EMC的特性，重新設計網格，使用垂直于走線的網格，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，其結果就是整體網格變為不均勻網格，只有走線投影區網格為均勻網格。最后通過仿真網格參考面的隔離度，確認了其EMC方面的效果改進非常明顯。