FPC高速信号的应用实例解析

FPC简介

柔性线路板（FPC）以其重量轻、配线密度高、厚度薄、易弯折等特点，被广泛应用于电子产品中。

FPC表面有一层树酯薄膜，起到线路保护和阻焊等作用，是FPC 产品的重要组成部分。

因其主要成分为聚酰亚氨（Polyimide，PI），故在该领域又被称之为 PI 覆盖膜，它是一种分子主链上含有酰亚胺环状结构的耐高温聚合物，在高温下具有突出的介电性能、机械性能、耐辐射性能和耐磨性能等，被广泛应用于航空、电子、电器等精密电子领域。

根据需求的不同，柔性电路板使用的板材也不一样。可以从应用的场合及成本等方面加以综合考虑。基材Substrate 在材料上区分为PI (Polymide ) （聚酰亚胺） 及PET (Polyester) （聚酯）两种，PI价格较高但其耐燃性较佳，PET价格较低但不耐热。因此若有焊接需求时大部分均选用PI。

聚酰亚胺（简称PI）是柔性电路加工中最常用的热固化绝缘材料。材料的厚度范围一般是12.5μm(0.5mil) 和125μm(5mil) 。分为有胶和无胶，有胶的介电常数是3.5（大概），无胶的介电常数是3.3（大概）。部分厂家可以提供7 mil厚度的，常用的规格是25μm(1mil) 和12.5μm(0.5mil) 。

Polyester 是由polyethylene terephthalate（简写PET，聚对苯二甲酸乙二醇酯）来制成的。它应用于柔性板的厚度范围一般是25μm（1mil）～125μm（5mil）。它和Polyimide 一样具有极好的柔软性和电气性能。它的介电常数是3.4（大概）。
　　 覆盖膜由基材+胶组合而成，如上面所说，其基材亦区分为PI 与PET 两种。视铜箔基材之材质选用搭配之覆盖膜，覆盖膜之胶亦与铜箔基材之胶相同，厚度则由0.5~1.4mil。

胶Adhesive 一般有Acrylic 胶及Expoxy 胶两种，最常使用Expoxy 胶厚度上由0.4~1mil 均有，一般使用1mil 胶厚。

以下通过一个实例说明。

叠层设计

按照刚性区4层板，柔性区2层设计。

查看PI材料的规格书，只有1MHz的DK、Df数值，没有10GHz数值。不过DK、Df值都很低，参考M6板材1GHz与10GHz时的差异，预计这款材料高频下损耗也不会太大。

 

阻抗计算

通常PCB板厂计算阻抗都是使用Polar SI9000，那么柔性板除一面正常GND参考，还有一面是有两层覆盖膜的，如何计算阻抗呢？不清楚的可以咨询一下对应板厂。依然是Polar软件，只是不同板厂计算方式不同罢了。比如A厂，计算时会先忽略了覆盖膜，然后根据工厂经验统一减去一个固定数值。就是使用正常的1B模型，单端减去4欧，差分减去10欧。我代入试算了一下，的确很吻合。这里我想说的是，如果你事先不了解板厂的计算方式，或者你事先不清楚要投哪家板厂，总得自己要去评估一下设计阻抗吧，要不然怎么仿真？所以介绍另一个模型1B2A，用这个模型计算也可以。

测试板设计

没什么好说的，就是正常lay上你想走的线，单端50的，差分85的、95的、100的等等，加工……就是加工周期有点长，比普通板要多个十天八天的。一定要评估好项目周期，柔性版最好先投。话不多说，上图。

 

测试板测试

1.阻抗 单端50和差分85。差分部分柔性阻抗偏高了5欧，刚性部分又偏低了3欧。这种刚柔板结合对板厂阻抗控制能力要求较高。

 

顺便提一下网格铜设计，由于参考平面不完整，阻抗会偏高更多，设计的时候需要注意阻抗控制。再就是跟板厂确认计算模型，很有可能板厂计算时是不会考虑网格铜的。

2.损耗 采用AFR去嵌，最终得到刚柔板中间2inch长度纯柔性部分的损耗。

 

换算成dB/inch自行除以2即可，有没有发现，跟M6板材损耗差不多吧。

FPC仿真

大家都知道仿真非常重要的一步就是设置叠层，那么DK、Df值怎么填？

这还不简单吗，比如找板厂要M6材料的参数，@10GHz DK 3.61，Df 0.004，填上不就行了吗？

还真不是！导体损耗、介质损耗、铜箔粗糙度、趋肤效应，看似很多东西要考虑。填原始数据，那么忽略的东西太多，结果必然不准，比实际情况要理想很多。很有可能你仿真有很大余量，实际加工出来就gg了。那么，又有人问了，仿真时候铜箔粗糙度怎么设？不知道你仿真对象是有多高速，也不知道是不是搞学术研究，这里不做研究。只想说25Gbps以下的速率，就别折腾了。

单说做项目，不就是一个目的吗?

仿真跟实测能对得起来不就行了么。嗨……

怎么让仿真跟实测对得起来，这就是仿测拟合，拟合出等效介质常数和介质损耗值。这样不管你仿真哪条Trace，必然都跟测试结果是一致的。结果都一致了，谁还有空去纠结铜箔粗糙度这玩意儿。

用同一套参数分别拟合了单端和差分，跟测试结果对比，无论损耗还是相位都一致。

单端

差分

得到的Df值是0.009，而手册给的值是0.004，两倍还多。如果按照原始数据仿真，那结果是不是太理想了，很有可能仿真结果就是一个错误的导向,失去了仿真的价值。

仿真验证

这就完了吗？No，按照工程师的严谨态度，只有正向逆向都经得起考验，才算bug被彻底消除，要不然那些调试阶段看似问题已经解了，一量产就呼呼出问题的案例就不会层出不穷了。所以要得出一条结论，必须是要经得起反复推敲的。我们把拟合数据再代回设计数据中。

THRU线仿真与测试对比

DUT线仿真与测试对比

将仿真得到的两个S参数再进行去嵌，与测试板测试去嵌的结果进行二次对比，

各个频段均能吻合。

至此，从测试→去嵌→拟合→仿真→去嵌→拟合，整个链路闭环。拟合的参数准确有效，往后只要是此种材料的项目，仿真的结果就是测试的结果，这才是仿真的意义！

FPC应用

从以上仿真与测试结果可以看到，FPC用对了材料，本身损耗是没有问题的，跟M6差不多等级。别说10Gbps信号，25Gbps的信号也不在话下。前提是选好连接器，设计好刚柔结合处的阻抗，以及管控好板厂加工阻抗。举一个栗子，一款PCIe3.0的转接板。柔性区域线长约6-7INCH。

主板原始信号波形

接上PCIe转接卡后波形

符合预期，使用正常。

编辑：黄飞