撓性印制板拐角防撕裂結(jié)構(gòu)信號(hào)傳輸性能分析

從廣義上講，信號(hào)完整性指電子產(chǎn)品中由傳輸線(xiàn)引起的所有問(wèn)題，主要研究互連線(xiàn)的電氣特性對(duì)數(shù)字信號(hào)波形所造成的不同影響。信號(hào)波形的失真可能由多種不同的原因引起，但是反射、串?dāng)_和地彈這3種干擾問(wèn)題最受關(guān)注。撓性印制板(FPC)的走線(xiàn)與其毗鄰的參考接地面形成了簡(jiǎn)單的傳輸線(xiàn)，F(xiàn)PC印制線(xiàn)拐角防撕裂結(jié)構(gòu)是一種常見(jiàn)的傳輸線(xiàn)特性阻抗不連續(xù)性結(jié)構(gòu)，在高頻電子產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用，如圖1所示。研究其信號(hào)完整性問(wèn)題有助于提高電子整機(jī)的電可靠性。

    目前電子設(shè)備的工作頻率越來(lái)越高，信號(hào)傳輸路徑的信號(hào)完整性問(wèn)題，特別是FPC的信號(hào)完整性問(wèn)題尤為突出。文中針對(duì)FPC拐角不同防撕裂結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)傳輸性能的影響問(wèn)題進(jìn)行了研究。分析了FPC印制線(xiàn)圓弧拐角特性阻抗的突變及其對(duì)信號(hào)完整性的影響，采用時(shí)域有限差分法，研究了內(nèi)直角結(jié)構(gòu)，內(nèi)圓角結(jié)構(gòu)，內(nèi)角鉆孔結(jié)構(gòu)，內(nèi)角圓環(huán)銅堤結(jié)構(gòu)，內(nèi)角線(xiàn)性銅堤結(jié)構(gòu)5種不同結(jié)構(gòu)的多端口理論傳輸特性，并從電磁場(chǎng)分布情況分析了多種FPC印制線(xiàn)拐角防撕裂結(jié)構(gòu)的特性。

1 FPC圓弧拐角模型分析
    HFSS可以精確地計(jì)算傳輸線(xiàn)的電磁特性，得到其S參數(shù)。S參數(shù)指的是建立在入射波、反射波關(guān)系基礎(chǔ)上的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，以器件端口的反射信號(hào)以及從該端口傳向另一端口的信號(hào)來(lái)描述電路網(wǎng)絡(luò)。
    首先建立FPC圓弧拐角的結(jié)構(gòu)模型，為了更好地分析拐角結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?，將拐角處一段結(jié)構(gòu)不同的兩條傳輸線(xiàn)單獨(dú)提取出來(lái)，如圖2所示。

    為了分析其全波傳輸特性，輸入輸出的電壓電流可用一個(gè)4端口網(wǎng)絡(luò)來(lái)描述，其等效形式如圖3所示。

    網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)的定義可由bi(i=1，4)和ai(j=1，4)之間的關(guān)系給出，即
   
    或?qū)懗删仃囆问?，有：b=Sa
    圖4為描述這種電路的S參數(shù)矩陣，這種S參數(shù)所描述的網(wǎng)絡(luò)可被看作是單端網(wǎng)絡(luò)。

    為了量化分析這些結(jié)構(gòu)的影響，文中選擇了頻域的S參數(shù)S21(插入損耗)、S31來(lái)分析印制線(xiàn)的傳輸性能。S21表示單根印制線(xiàn)信號(hào)衰減的量級(jí)，S31表示近端串?dāng)_的大小，因?yàn)檫h(yuǎn)端串?dāng)_影響因素比較復(fù)雜，本文中分析串?dāng)_大小時(shí)采用近端串?dāng)_曲線(xiàn)。

2 仿真分析
2．1 仿真模型
    在三維電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS中建立兩條耦合傳輸線(xiàn)及其他布線(xiàn)的仿真模型，5種不同的圓弧拐角結(jié)構(gòu)模型為：①內(nèi)直角結(jié)構(gòu)。②內(nèi)圓角結(jié)構(gòu)。③內(nèi)角鉆孔結(jié)構(gòu)。④內(nèi)角圓環(huán)銅堤結(jié)構(gòu)。⑤內(nèi)角線(xiàn)型銅堤結(jié)構(gòu)。如圖5所示。其中結(jié)構(gòu)①是未經(jīng)防撕裂處理的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)②～⑤都是為了防止撓性印制板拐角處撕裂，增強(qiáng)撓性板強(qiáng)度的常見(jiàn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

    FPC的結(jié)構(gòu)從上到下依次為銅印制線(xiàn)、粘結(jié)膠、聚酰亞胺薄膜、粘結(jié)膠和參考地，如圖6所示。銅印制線(xiàn)厚度T=70μm=2．756 mil，線(xiàn)寬W=20 mil，間距S=20 mil，兩段耦合線(xiàn)長(zhǎng)L1=L2=220 mil。粘結(jié)膠的介電常數(shù)為εr=4．0，厚度為h=1．5 mil；聚酰亞胺基材的介電常數(shù)為εr=3．4，厚度為h=2 mil。

2．2 不同結(jié)構(gòu)的S參數(shù)特性
    通過(guò)仿真，得到5種圓弧拐角模型的S參數(shù)頻域曲線(xiàn)，如圖7～圖10所示。

    從圖7中可以得出，引入銅堤對(duì)信號(hào)傳輸?shù)牟迦霌p耗影響很大。頻率為0～5 GHz時(shí)，如圖5所標(biāo)出的5個(gè)結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憦男〉酱蟮捻樞蛞来螢棰佗邰冖茛?。頻率>4 GHz后，①②③的插入損耗比較接近，④⑤的插入損耗比較接近，但(①②③的插入損耗明顯偏小。
    截取頻率1．9～2．1 GHz的插入損耗進(jìn)行比較，如圖8所示。在頻率為2 GHz時(shí)，與①相比，其中影響最小的結(jié)構(gòu)為③，由內(nèi)角鉆孔結(jié)構(gòu)減小的插入損耗為0．04 dB。而對(duì)信號(hào)傳輸影響最大的結(jié)構(gòu)為④，圓環(huán)銅堤結(jié)構(gòu)減小的插入損耗達(dá)0．25 dB。
    由圖7和圖8可知，對(duì)于傳輸線(xiàn)的插入損耗，防撕裂的②內(nèi)圓角結(jié)構(gòu)、③內(nèi)角鉆孔結(jié)構(gòu)、④內(nèi)角圓環(huán)銅堤結(jié)構(gòu)、⑤內(nèi)角線(xiàn)型銅堤結(jié)構(gòu)都比①內(nèi)直角結(jié)構(gòu)要好，說(shuō)明引入防撕裂結(jié)構(gòu)對(duì)傳輸線(xiàn)的插入損耗是有益的。在FPC設(shè)計(jì)時(shí)，在考慮工藝能力，成本的前提下，為了得到較大的插入損耗，應(yīng)優(yōu)先考慮使用內(nèi)角鉆孔結(jié)構(gòu)，內(nèi)角圓環(huán)銅堤結(jié)構(gòu)。
    從圖9中可以得出，圓弧拐角模型的近端串?dāng)_隨頻率增大而改變。頻率在0～3 GHz時(shí)，最好的方案是內(nèi)直角結(jié)構(gòu)，與最差方案內(nèi)角圓環(huán)銅堤結(jié)構(gòu)相比，其對(duì)于串?dāng)_噪聲的抑制最高達(dá)大約5 dB。頻率在3～5 GHz時(shí)，5種方案的近端串?dāng)_值比較相近。5個(gè)結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)傳輸的影響從小到大的順序依次為①③②④⑤。
    截取頻率1．5～2．1 GHz的近端串?dāng)_進(jìn)行比較，如圖10所示。在頻率為2 GHz時(shí)，與內(nèi)直角結(jié)構(gòu)相比，影響最小的結(jié)構(gòu)為③，由內(nèi)圓角結(jié)構(gòu)增加的近端串?dāng)_為0．45 dB。影響最大的結(jié)構(gòu)為⑤，內(nèi)角圓環(huán)銅堤結(jié)構(gòu)的近端串?dāng)_為0．9 dB。
    由圖9和圖10可知，對(duì)于傳輸線(xiàn)的近端串?dāng)_，頻率在0～5 GHz內(nèi)時(shí)，防撕裂的4種結(jié)構(gòu)能一定的減少串?dāng)_，其中②內(nèi)圓角結(jié)構(gòu)。③內(nèi)角鉆孔結(jié)構(gòu)由于在結(jié)構(gòu)上變化不大，效果不明顯。而④內(nèi)角圓環(huán)銅堤結(jié)構(gòu)。⑤內(nèi)角線(xiàn)型銅堤結(jié)構(gòu)在拐角處引入銅箔，對(duì)拐角邊緣印制線(xiàn)起到電場(chǎng)分散的作用。在1 GHz時(shí)④內(nèi)角圓環(huán)銅堤結(jié)構(gòu)比①內(nèi)直角結(jié)構(gòu)的近端串?dāng)_值小了大約6 dB，說(shuō)明高頻下引入防撕裂結(jié)構(gòu)對(duì)傳輸線(xiàn)的有益于減少近端串?dāng)_。設(shè)計(jì)時(shí)為了降低近端串?dāng)_，應(yīng)優(yōu)先考慮使用內(nèi)角圓環(huán)銅堤結(jié)構(gòu)，其次是內(nèi)角線(xiàn)形銅堤結(jié)構(gòu)。
2．3 不同結(jié)構(gòu)的電磁特性
    通過(guò)仿真得到5種不同結(jié)構(gòu)下的FPC表面的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的最大值，如表1所示。

    從表1中可以明顯的看出防撕裂的4種結(jié)構(gòu)的最大電場(chǎng)磁強(qiáng)度值，最大磁場(chǎng)強(qiáng)度值都小于內(nèi)直角結(jié)構(gòu)，其中內(nèi)圓角結(jié)構(gòu)的最大電場(chǎng)磁強(qiáng)度值，最大磁場(chǎng)強(qiáng)度值最理想。
    同時(shí)得到5種不同結(jié)構(gòu)下的FPC表面的電場(chǎng)圖，為了直觀的比較不同防撕裂結(jié)構(gòu)FPC的電場(chǎng)分布圖，對(duì)電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行均勻劃分，其中最高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域定義為3．600 0 e+004 V／m，最小電場(chǎng)定義為1．000 0 e+002 V／m，如圖11所示。

    由圖11可以看出，①內(nèi)直角結(jié)構(gòu)的高電場(chǎng)強(qiáng)度區(qū)域面積最大，④內(nèi)角圓環(huán)銅堤結(jié)構(gòu)的高電場(chǎng)強(qiáng)度區(qū)域面積最小，與表1的結(jié)果相吻合。5種不同結(jié)構(gòu)在信號(hào)開(kāi)始進(jìn)入圓弧拐角處附近的電場(chǎng)強(qiáng)度有一定的減小，是由于平行傳輸線(xiàn)變?yōu)閳A弧傳輸線(xiàn)產(chǎn)生的阻抗不連續(xù)產(chǎn)生，因此在FPC設(shè)計(jì)是應(yīng)避免過(guò)多的拐彎。④內(nèi)角圓環(huán)銅堤結(jié)構(gòu)、⑤內(nèi)角線(xiàn)型銅堤結(jié)構(gòu)由于添加了銅堤，這兩種結(jié)構(gòu)的抗撕裂效果是最理想的，所以在FPC高彎折頻率的情況下，綜合考慮電子產(chǎn)品的性能指標(biāo)應(yīng)優(yōu)先使用。

3 結(jié)束語(yǔ)
    通過(guò)全波電磁仿真研究了撓性印制板5種圓弧拐角結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)直角、內(nèi)圓角、內(nèi)角鉆孔、內(nèi)角圓環(huán)銅堤、內(nèi)角線(xiàn)型銅堤5種結(jié)構(gòu)的插入損耗、近端串?dāng)_及電磁場(chǎng)分布情況。從仿真結(jié)果的對(duì)比分析中得出，防止撓性印制板彎曲處撕裂，增強(qiáng)撓性板強(qiáng)度的4種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的插入損耗較理想，其中內(nèi)角圓環(huán)銅堤結(jié)構(gòu)插入損耗值最優(yōu)。內(nèi)角圓環(huán)銅堤結(jié)構(gòu)顯著降低了近端串?dāng)_噪聲，是保證系統(tǒng)信號(hào)完整性的最佳選擇。在FPC設(shè)計(jì)時(shí)，在考慮工藝能力和成本的前提下，同時(shí)考慮防撕裂，增強(qiáng)撓性板強(qiáng)度，并對(duì)產(chǎn)品的電可靠性有一定要求時(shí)，應(yīng)優(yōu)先使用內(nèi)角線(xiàn)型銅堤結(jié)構(gòu)，內(nèi)角圓環(huán)銅堤結(jié)構(gòu)。文中僅分析了圓弧拐角不防撕裂結(jié)構(gòu)的影響情況，對(duì)于其他拐角情況的防撕裂結(jié)構(gòu)有待進(jìn)一步的研究。