覆盖膜对高速FPCB信号损耗影响分析

余振中 莫欣满 陈 蓓

覆盖膜对高速FPCB信号损耗影响分析

余振中 莫欣满 陈 蓓

目前FPCB高速产品的需求十分旺盛，有必要针对FPC高速材料进行系统测试和研究。本文通过对挠性高速材料和PI材料产品压覆盖膜前后电学性能的研究，运用反推法对其介电常数进行校正，并重点分析了覆盖膜对不同材料特性阻抗差异和信号损耗变化的影响，对比不同材料传输性能优劣，总结出高频高速条件下的损耗变化规律。

高频高速；挠性材料；信号损耗；挠性印制板

1 前言

近年来随着电子技术和集成电路技术的不断进步，高速数字信号在传输中带来越来越严重的信号完整性问题，一是由于PCB板上铜导线和介质材料的损耗随着频率的升高而显著加大；二是由于走线之间串扰随着频率的增加而明显加剧［1］，如何解决PCB高速产品的信号完整性问题是近年来国内外研究的热点课题。

通过已有的研究资料可知［2］，在信号传输过程中的PCB介质材料对高速信号传输的完整性有着非常重要的影响，其中介质材料中由电磁场诱发介质分子发生极化偏转带来的介质损耗和电流通过介电导体所带功率减少的导体损耗是影响PCB高速信号传输能力的决定性因素。同时阻抗不匹配所带来的损耗和高速信号在传输线的铜箔表面产生的“趋肤效应”，对高速信号完整性也产生了一定的影响。目前通常采用的挠性材料聚酰亚胺（PI）基材介电常数和介质损耗因子高，信号损耗大，不适用使用频率超过10 GHz的FPCB高速产品［3］。市场出现的高速挠性材料主要为PTFE基（聚四氟乙烯）和LCP（液晶聚合物）基材料，由于具有更低的损耗因子其在信号损耗方面具有明显优势。

本文通过对挠性高速材料和PI材料产品覆盖膜压合前后电学性能的研究，运用反推法对其介电常数进行校正，并重点分析了覆盖膜对不同材料特性阻抗差异和信号损耗变化的影响，对比不同材料传输性能优劣，总结出高频高速条件下的损耗变化规律。

2 试验设计

目前业界使用的PCB 损耗测试方法，从使用的仪器角度可分两类：基于时域或基于频域。时域测试仪器为时域反射计（简称TDR）或时域传输计（简称TDT）；频域测试仪器为矢量网络分析仪（简称VNA）。在IPC-TM650试验规范中，推荐了5种试验方法用于PCB信号损耗的测试：频域法、有效带宽法、根脉冲能量法、短脉冲传播法、单端TDR差分插入损耗法。

本次试验主要采用频域法（VNA），采用矢量网络分析仪进行损耗测试，同时避免测试中信号过孔带来的误差，通过设计TRL校准模块，延伸测试端直接从线路两端开始测量，使测试结果更能反映材料的介电性能。试验设计单端50 Ω；差分100 Ω的阻抗线作为测量线，允许阻抗在±10%以内波动。

2.1 试验材料

本次测试的挠性高速材料分别为PI与PTFE混合型（简称P-P型）、PTFE型和LCP型的FCCL板材，其中规格和性能指标如表1所示，同时使用的PI型覆盖膜规格为：PI厚25 µm（1 mil），胶厚35 µm。

2.2 试验、测试设备

金相显微镜、矢量网络分析仪。

2.3 试验设计

（1）参数设计

如下图1和2所示，试验采用不同的挠性材料制作双层挠性板，其中顶层为表层微带线信号层，底层为大铜皮屏蔽层；设计长度分别为101.6 mm、203.2 mm、254 mm的单端和差分阻抗线，其中单端阻抗要求50 Ω，差分阻抗要求100 Ω，同时在板边设计多个阻抗条模块用于特性阻抗和介电常数计算。

图1　试验板叠层结构图

图2　阻抗线示意图

（2）流程设计

开料→钻孔→Plasma处理→PI调整→沉铜→电镀→外层线路→测试1→覆盖膜压合→表面处理（沉金）→测试2；

（3）结果表征

①特性阻抗：采用矢量网络分析仪进行测试，每种材料取25组测量值平均结果；

②信号损耗：采用矢量网络分析仪进行测试。

表1 材料特性表

3 结果分析

3.1 不同软板材料介电常数的校正测试

在低频电路中，一般不考虑传输线的匹配关系，只考虑信号源跟负载之间的情况，因为低频信

号的波长相对于传输线来说很长，传输线可以看成是“短线”，反射可以不考虑，所以对信号传输影响不大；在高频高速电路中，由于信号的频率很高导致传输信号的波长变短，当波长降低至跟传输线长度可以比拟时，反射信号叠加在原信号上将会改变原信号的形状，此时对信号传输便会产生严重影响。综合考虑，为了研究覆盖膜对信号传输损耗的影响程度，所以必须在阻抗匹配条件下进行试验验证。

其中影响阻抗精度的因素主要有线宽/间距、介质层厚度、介电常数、铜厚，而通常材料供应商提供的Dk标准值（介电常数）运用在实际生产过程中会存在一定的偏差，容易造成阻抗线达不到±10%甚至更高±5%的设计要求，需要对实际Dk值进行测试和校正。

本次试验通过网络分析仪测试阻抗值，通过金相显微镜测量切片的线宽/间距、介质层厚度、铜厚，利用阻抗计算软件反推算出介电常数，对试验结果进行验证，以期得出最适合的高速软板材料介电常数取值，每种材料单端和差分各取25组数据，结果如图3、表2所示。

图3　反推法测试Dk值参考图

表2 不同挠性板材料Dk值（供应商提供）

如表2，三种高速软板材料的Dk标准值（供应商提供）分别为2.50、2.65和2.80，而运用反推法计算三种材料测试的单端线Dk值分别为2.55、2.65和2.70，差分线Dk值分别为2.56、2.57和2.80，表明各种材料Dk实际值与标准值差异不大。

P-P、PTFE和LCP材料采用标准DK值分别为2.50、2.65和2.80，设计单端阻抗45、50，差分95、100进行验证测试，每组各取25个数据，结果如表3所示。

表3 不同挠性板材料阻抗验证测试结果

阻抗验证结果显示，测试值均在±10%的公差范围内，证明采用反推法对不同材料的Dk值进行校正是合理的。

3.2 覆盖膜压合前后特性阻抗变化

本试验设计单端50 Ω；差分100 Ω的阻抗线作为测量线，由于需进行覆盖膜压合前后传输线信号损耗对比，为保证阻抗在±10%以内波动，故进行覆盖膜压合前后特性阻抗变化测试，设计如表4所示。

如表4，每种阻抗传输线各设计50组进行测试并取均值，覆盖膜压合前后阻抗变化如表5所示。

表4 阻抗设计参数

由表5可得，P-P型、PTFE型和LCP型材料盖覆盖膜前后的阻抗值能够保持在规定波动±10%范围以内，同时覆盖膜压合前后三种挠性高速材料的单端阻抗差值分别为4.70 Ω、4.44 Ω和3.99 Ω，差分阻抗差值分别为11.83 Ω、11.33 Ω和12.18 Ω。

表5 阻抗测试结果

通过此次测试结果表明，可以设计不同高速软板材料压合覆盖膜前单端和差分阻抗值分别为55 Ω和105 Ω，能够使覆盖膜压合前后的阻抗测量线均保持在测量需要的单端50 Ω、差分100 Ω阻抗值±10%以内，减少信号损耗测试过程的阻抗不匹配影响。

3.3 覆盖膜压合前后信号损耗变化

根据挠性板叠层结构，设计表层单端50 Ω、差分100 Ω的微带线，其中不同传输线各设定长度分别为4 in、8 in和10in，并设计TRL 校准模块。采用TRL校准件分别对表层单端和差分进行校准，分别测量PI和三种高速软板材料的单端和差分的损耗数据见下表。测试数据通过网络分析仪自动捕捉5 GHz、10 GHz、15 GHz和20 GHz 下的损耗值，同时设置PI材料为对照组（图4、表6）。

图4 信号损耗测试示意图

3.3.1 不同挠性材料覆盖膜压合前信号损耗变化

如表6参数设计所示，本次试验采用频域法（VNA），并通过设计TRL校准模块，分别测量覆盖膜压合前表层走线长度为4 in、8 in、10 in阻抗线的单端和差分损耗，并根据结果计算不同长度传输线的平均损耗，结果如图5、图6所示。

图5　

表6 损耗设计参数

图6　

从图6结果可得，覆盖膜压合前5G、10G、15G、20G条件下：

（1）PI材料的单端线损耗分别为（0.554、0.775、0.980、1.397）dB/in；P-P材料的单端损耗分别为（0.401、0.505、0.767、1.105）dB/in；PTFE材料的单端损耗分别为（0.333、0.610、0.772、0.958）dB/in；LCP材料的单端损耗分别为（0.381、0.610、0.716、0.998）dB/in；

（2）PI材料的差分线损耗分别为（0.470、0.815、1.105、1.356）dB/in；P-P材料的差分线损耗分别为（0.450、0.688、0.782、1.059）dB/in；PTFE材料的差分线损耗分别为（0.343、0.508、0.732、0.968）dB/in；LCP材料的差分线损耗分别为（0.391、0.612、0.869、1.102）dB/in。

由上述测试结果可知，相同条件下同种材料单端线和差分线损耗差异相差不大，同时信号损耗程度均随着频率的提高而增大；相同频率条件下三种挠性高速材料相比普通PI材料信号损耗能够减少15%～30%。

根据微带线的经典理论计算公式［4］，当微带线的相对介电常数较大，以及传输线宽高比w/h比值较大时，微带线的总损耗（衰减）可近似等于导体损耗和介质损耗之和，即表示为式（1）。

导体损耗中，公式（1）中的R0和Z0主要由介质厚度、导体线宽、铜厚及信号传输的频率所决定，由表1和表4参数设计可知各挠性材料传输线导体损耗可认为近似相等；

而在介质损耗中，不同材料的线宽和介厚相等设计等同，介电常数相差不大，可由公式（1）可变换为式（2）。

在本试验组中参数相等条件下k可认为是相位常数，各材料介质损耗变化仅与介质损耗正切值（损耗因子）tanδc有关，图5和图6信号损耗高到低表现为PI＞P-P＞LCP＞PTFE，而PI、P-P、LCP和PTFE型材料损耗因子分别为0.003、0.002、0.0016和0.0012，实际测试结果能够与理论公式形成对应关系，由此表明在相同条件下各挠性材料微带线在高频高速进行信号传输时，信号损耗（衰减）差异主要与其材料性质相关的介质损耗和损耗因子关系更大。

3.3.2 不同挠性材料覆盖膜压合后信号损耗变化

压合覆盖膜后，不同挠性材料的信号损耗测试结果如图7和8所示。

图7　

从图7结果可得，覆盖膜压合后5 G、10 G、15 G、20 G条件下：

（1）PI材料的单端线损耗分别为（0.650、1.189、1.483、1.854）dB/in；P-P材料的单端损耗分别为（0.521、0.909、1.069、1.481）dB/in；PTFE材料的单端损耗分别为（0.361、0.747、0.955、1.184）dB/in；LCP材料的单端损耗分别为（0.549、0.848、1.041、1.326）dB/ in；

图8　

（2）PI材料的差分线损耗分别为（0.706、1.118、1.435、1.760）dB/in；P-P材料的差分线损耗分别为（0.549、0.925、1.194、1.760）dB/in；PTFE材料的差分线损耗分别为（0.411、0.721、0.935、1.105）dB/in；LCP材料的差分线损耗分别为（0.513、0.790、1.013、1.387）dB/in。

相同频率条件下，各挠性材料传输线信号损耗趋势由高到低为PI＞P-P＞LCP＞PTFE，与3.3.1覆盖膜压合前测试结果表现保持一致。

同时发现同种挠性材料传输线相比覆盖膜压合前信号损耗会增加15%～25%，标准微带线传输的电磁波信号除存在于介质基片中外，还有一部分处在空气介质中，因而微带线中的介质是由空气和介质基片组成的混合介质，其介质损耗比全介质填充时要低，由公式（1）可知存在介电校正系数εe；而传输线表面存在覆盖膜保护时，其可认为处于全介质填充的空间中进行信号传输，由微带线理论公式可知［4］，其介质损耗公式为式（3）。

其中tanδe表示混合介质层损耗正切值（损耗因子）。

由于覆盖膜由纯胶和PI组成，其损耗因子超过普通PI的标准值，使混合介质层的损耗因子tanδe大于公式（1）的tanδc标准值，介质损耗会出现大幅度的提高，所以有覆盖膜保护的导线信号传输的损耗远远大于无覆盖膜保护的信号传输损耗。

4 结论

以上试验结果分析，可以得出：

（1）通过对P-P、PTFE和LCP三种挠性高速材料导线覆盖膜压合前后特性阻抗对比发现，单端阻抗分别提高4.70 Ω、4.44 Ω和3.99 Ω，差分阻抗分别提高11.83 Ω、11.33 Ω和12.18 Ω；

（2）通过对P-P、PTFE和LCP三种挠性高速材料导线损耗对比发现，相同频率条件下单端和差分线损耗差异不大，损耗会随频率的升高而增大，同时三种材料相比普通PI材料信号损耗能够减少15%～30%，高频高速条件下各挠性材料传输线间信号损耗差异更多的与介质损耗相关；

（3）通过对三种材料导线覆盖膜压合前后信号损耗对比发现，同种挠性材料导线相比覆盖膜压合前信号损耗会增加15%～25%，有覆盖膜保护的传输线信号传输的损耗远远大于无覆盖膜保护的信号传输损耗。

［1］刘学观. 高速数字信号在PCB中的传输特性分析［J］. 电波科学学报，2009，24（3）:498-500.

［2］粟俊华. 低介电常数和低介质损耗覆铜板材料的介绍［J］. 印制电路信息，2011，4:17-24.

［3］莫欣满，陈蓓. FPC高频材料信号损耗分析［C］. 2010秋季国际PCB技术信息论坛:168-177.

［4］唐玉芳. 南京理工大学， 微带线损耗的理论研究及工程应用［M］. 硕士论文，2009.

［5］赵志超. 西安电子科技大学， 高速差分传输线模型的分析与设计［M］. 硕士论文，2012.

［6］何淼. 高频高密度互连刚挠结合板制作技术介绍［J］. 印制电路信息，2014，3:30-33.

［7］曾红. 高密度高频微波制作研究［J］. 2008秋季国际PCB技术信息论坛:270-287.

［8］粟俊华. 低介电常数和低介质损耗覆铜板材料的介绍［J］. 印制电路信息，2011，4:17-24.

［9］John Coorrod. Deterining dielectric properties of high frequency PCB laminate materials［J］. Advanced circuit materials division.

余振中，硕士研究生，技术中心研发工程师，从事刚挠板技术研究。

（广州兴森快捷电路科技有限公司，广东 广州 510663）

The analysis of coverlay on signal loss impact of high-speed FPCB

YU Zhen-zhong MO Xin-man CHEN Bei

Now market demand for high-speed FPCB proved very strong. It is necessary to make a research for high speed materials. In this article， through the electrical property study of PI and high flexible material FPCB before and after coverlay lamination， we check the dielectric constant of flexible materials by inverse method，analyze differences of characteristic impedance and changes of signal loss impact by laminating coverlay， and finally sum up the change regularity of signal loss under high frequency/speed condition.

High-Frequency/Speed； Flexible Material； Signal Loss； FPCB

TN41

A

1009-0096（2015）11-0021-06