基于FPC精密電路關鍵技術對電路板阻抗影響的研究

【摘要】本論文主要研究撓性電路板（FPC）特征阻抗的控制，從軟件的分析，電路板的設計，制造過程關鍵工藝的控制來研究阻抗板的特征阻抗，通過時域反射儀（TDR）的測試，得出，電路板線寬的精密控制是阻抗精度控制的關鍵因素之一，同時通過實驗也可以看出屏蔽膜的覆蓋為信號的完整性提供有利的保障。

【關鍵詞】撓性電路板;特征阻抗;屏蔽膜

一、前言

IT行業發展日新月異，電子產品快速輕薄短小化，印制電路板也面臨著高精度、高密度、細線化的挑戰。剛性線路板（PCB）的生產技術已經非常的成熟，但撓性板（FPC）仍處于起步階段，除了在PCB技術比較先進的美國、日本、韓國等國已經進行投產外，很多國家對該技術還比較陌生，我國的FPC技術還處于照抄照搬階段，自主研發的能力不強。FPC被廣泛的應用于IC封裝，計算機及其周邊設備，消費類電子產品、航空航天、軍事等各個領域。

隨著FPC的技術發展，特別是在3G通訊及計算機技術的持續推動下，電路訊號傳輸向高頻（射頻）類、高速（邏輯）類發展的需求量猛增，整個系統的信號傳輸完整、可靠、精確、無干擾、低噪音的保證性要求提高，這就要求電路性能必須能夠使信號在傳輸過程中不發生反射現象、信號保持完整、降低傳輸損耗、阻抗良好匹配。且當訊號線長度越長，訊號線傳輸的信號頻率越高，驅動端、訊號線與接收端的阻抗匹配需求和信號完整性（SI）要求就越強烈，而特性阻抗是解決信號完整性問題的核心所在。

特性阻抗的直接影響因素有：板材的介電常數（Er）、訊號線線寬（W）、訊號線間距（S）、訊號線線厚（T）、介質厚度（H）、阻焊層厚度（H1）等，各種影響因素的貢獻度并不是一成不變的，過程控制建議針對不同的特性阻抗板抓住重點控制因子。所以，通過控制電路板的制造工藝來控制線路的W、T、H及使用不同的PCB基材，就能有效控制電路板的特性阻抗，為信號的完整性提供有利的保障。

圖1 阻抗設計軟件仿真設計線寬

圖2 阻抗設計頻率特性曲線

二、高精度特性阻抗板的工程設計

特性阻抗理論設計主要有三種途徑：通過理論公式計算、通過模擬仿真評估、通過專業軟件分析;第一種方式控制精度不高;第二種方法速度慢，但在特殊情形下很有效;第三種方法運作速度快且分析精度高。

但眾所周知，其實在任何多層PCB疊層結構中，訊號線周圍的電介質在一定程度上來講均是各向異性的，通常玻纖的相對介電常數（Er）在6.0左右、樹脂的Er在3.1左右，各類core及PP的Er在4.2左右，本次研究要求特征阻抗值為50W±10%，本次設計選用行業中制造阻抗板12/25/12軟板制作，再通過Polar-Si9000來模擬得出所需要的線寬，如圖1，線寬設計為52mm。同時由軟件仿真圖2所示，本次設計的特征阻抗當頻率超過1GB時隨著頻率的增加而衰減明顯。

三、基板精細線路制作關鍵工藝研究

圖形轉移工藝是將所需要的電路圖形制成掩膜（或照相底版），然后通過曝光將掩膜上的電路圖形轉移到涂覆有感光抗蝕層的覆銅板上，最后通過顯影工藝制成所需要的電路圖形。圖形轉移工藝的具體工藝流程如下：

光致抗蝕劑的選擇→涂覆抗蝕層→曝光→顯影

本次實驗技術資料采用市場上的聯茂電路板樣品，最小線路寬度達到45μm，單件CAD圖形如圖3所示，中間單獨線為阻抗線。

圖3 本次實驗線路板樣圖

圖4 蝕刻過程中出現的三種線路形貌

影響精細線路線寬制作的主要工藝參數有：曝光級數、顯影速度、蝕刻速度及蝕刻噴淋壓力等，因此選擇這四個參數作為正交試驗的四個因素，每個因素選取三個水平。根據干膜分辨率和結合力性能研究，得到曝光級數的范圍;根據生產經驗和初步測定，得到其他因素的工藝參數范圍;最后得出最佳工藝參數組合如表1所示。蝕刻時線路有三種形貌，最開始會出現蝕刻不足，繼而是正常蝕刻，最后就會造成過度蝕刻，這三種線路形貌如圖4所示。通過最佳工藝參數得出的6個樣品的線寬如表2所示。

圖5 沒有覆蓋膜時阻抗測試結果波形圖

圖6 有覆蓋膜時阻抗測試結果波形圖

四、高精度特性阻抗的測試結果

目前，測試印制電路板特性阻抗最常用的儀器是TDR（時域反射計）。TDR使用階躍信號發生儀和示波器，在被測的傳輸線上發送一個快速的上升沿，在特定的點上用示波器觀察反射電壓波形。TDR允許測量阻抗隨線路的長度而改變，用一個上升時間很快的脈沖來模擬高速邏輯功能方面的測試。利用阻抗不連續產生的反射的電壓來表示出阻抗的變化，并利用反射電壓來計算出整個線路上面的特性阻抗。當傳輸線上存在寄生電容、電感（如過孔、線寬變化、近距離鋪銅等）時，在TDR曲線上可以反映出寄生參數引起的阻抗不連續（阻抗值降低、升高），為提高特性阻抗測試精度，必須減少TDR測試誤差源。而TDR儀器的階越脈沖上升時間是影響其分辨率的最關鍵因素。TDR的上升沿時間越短，其分辨率就越高。

本次研究采用泰克阻抗測試儀Tektronix DSA8200，測試的數值結果如表3，從表3可以看出，很好地控制好線寬能得到比較理想的特征阻抗，線寬精確控制，特征抯抗的誤差能控制在±10%范圍內，同時由表3可以看出，覆蓋膜的增加，相當于并連一個電容，使整個阻抗板的電磁干擾減少，同時可以使特征阻抗值降低，由TDR測試設備的波形圖可以看出沒有覆蓋膜的板有一些缺陷、干擾因素，導致的阻抗測試曲線不連續性隨之明顯增大，通過覆蓋膜能補償部分缺陷或干擾影響，使阻抗測試連續性更好。

表3 特征阻抗的測試結果

特征阻抗值（W）

線寬（mm） 二、蝕刻（3.2m/s） 三、覆蓋膜（10mpa，150s）

1 0.049 54.1 49.8

0.053

2 0.046 52.8 49.7

0.058

3 0.045 53.4 49.8

0.046

4 0.044 56.2 50.1

0.053

5 0.051 55.1 49.9

0.053

6 0.058 53.1 49.8

0.059

五、結論

特性阻抗的直接影響因素有：板材的介電常數（Er）、訊號線線寬（W）、訊號線間距（S）、訊號線線厚（T）、介質厚度（H）、阻焊層厚度（H1）等，各種影響因素的貢獻度并不是一成不變的，過程控制建議針對不同的特性阻抗板抓住重點控制因子。在其它條件不變時，精確控制電路板的制造工藝來控制線路的W，就能有效控制電路板的特性阻抗，同時屏蔽膜的覆蓋為信號的完整性提供有利的保障。

參考文獻

[1]何波，崔浩，何為，等.COF（Chip on Film）30μm/30μm 精細線路的研制.印制電路信息，2008，（3）：29-31。

[2]劉尊奇，張勝濤.COF 精細線路的制作與相關技術.印制電路資訊，2009，（3）：85-91.

[3]周蕓，柯敏毅.高速PCB板設計研究[J].通信電源技術，2008，2：23-26.

[4]秦庚，鄔寧彪，李小明.印制電路板特性阻抗的測試技術[J].印制電路信息， 2004，11：55-57.

[5]Peter C.Salmon. Chip on flex with 5-micron features. Conference on Micromachining and microfabrication process technology VIII， 2003，295-306.