用于阻抗受控设计的刚柔结合 PCB 堆叠件

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刚柔结合印刷电路板设计中的阻抗控制电路是整个行业在广泛应用中的共同要求。然而,阻抗控制对于有非常苛刻的最小弯曲要求的设计来说,确实是一个额外的挑战。

在这篇博文中,我们将回顾满足客户要求的一些更常见的刚柔结合电路板结构的设计和构造细节:阻抗控制电路配置及其对柔性/最小弯曲能力、线宽和间距、材料、铜厚和常见构造的影响。

阻抗控制电路配置

迄今为止,最常见的配置是微带和带状线的 4 种变化,如下图所示。这些配置满足了我们生产的所有柔性电路设计中 95% 以上的需求。

嵌入式微带

边缘耦合嵌入式微

边缘耦合带状线

在两种常见配置中,微带是刚柔结合设计中挠性区域的首选配置。它只需要两个挠性层(1 个信号层 + 1 个参考平面层),而且使用的挠性芯厚度较薄。这样就能实现尽可能小的弯曲半径,而这往往是满足特定设计的封装要求所必需的。不过,这种配置无法在阻抗控制电路的两侧提供 EMI/RF 屏蔽。

带状线配置的另一个好处是在电路两侧提供屏蔽,但它对最小弯曲半径能力和灵活性有负面影响。所需的 3 层结构(1 个参考平面 + 1 个信号层 + 1 个参考平面)会大大增加挠性区域的厚度。此外,为达到阻抗值,3 层之间需要更厚的挠性芯。只有在设计要求双面屏蔽的情况下,才能使用这种配置。

线宽/线距、铜厚和材料

线路宽度和间距以及挠性层的铜厚度相互作用,以达到所需的阻抗值。铜厚度越薄,线路宽度/间距越小,挠性芯厚度越薄。这就使得挠性区域更薄,从而具有最高的柔韧性和最紧凑的最小弯曲能力。

首选的铜厚度为 ½ OZ 铜。微带配置的挠性芯厚度为 0.002 英寸,带状线配置的挠性芯厚度为 0.003 英寸。

以下是使用 ½ OZ 铜时,较常见阻抗值的典型线宽和间距:

50 欧姆单端: 0.004 英寸线。
90 欧姆差分对:0.004 英寸线宽/0.0055 英寸间距。
100 欧姆差分对:0.004 英寸线/0.006 英寸间距。
120 欧姆差分对:0.0037 英寸线/0.0075 英寸间距。

如果要求使用 1 OZ 铜,通常是由于非阻抗线路的载流要求较高,则上述线宽无效,因为 0.004 英寸线宽低于 1 OZ 铜的可制造极限。这就需要增加线宽/线距以及挠性芯的厚度,从而对柔性产生负面影响。

聚酰亚胺挠性材料非常适合阻抗控制设计。这种材料质地均匀,DK 值低(3.2-3.4),非常均匀,厚度控制严格。聚酰亚胺覆盖层还可用于封装挠性层。

最小弯曲半径要求

所有挠性结构设计都需要确定设计的最小弯曲要求,并对材料和结构进行审查,以确保成品部件在安装时具有可靠的机械性能。这一点对于阻抗控制设计更为重要,因为阻抗要求总是需要更厚的挠性结构。

举例来说,一个标准结构的 2 层挠性区域采用 0.001 英寸挠性芯和 ½ OZ 铜以及 0.001 英寸覆盖层,层压后的成品厚度为 0.006 英寸。如果需要,还可以使用更薄的 1/2 密耳挠性磁芯和覆盖层,将厚度降至 0.004 英寸。阻抗控制微带配置采用 0.002″ 柔性磁芯,可将柔性厚度增加到 0.007″。由于增加了第三层电路和 2 x 0.003″ 柔性磁芯,三层带状线将柔性厚度进一步大幅增加到 0.012″。

常见的刚柔结合结构

刚柔结合结构和配置种类繁多。其组合数量之多,本博客无法一一介绍。以下结构是一些较常用的结构,适用于电路复杂程度一般的设计。对于更高级的设计,可采用刚性和/或柔性层数更高的结构。对于这些设计,我们建议客户与我们的工程团队进行初步设计审查讨论,以审查设计的具体布线和弯曲要求,从而确定满足设计需求的最佳结构。

应用: 连接器对连接器微带阻抗控制。无有源元件。

阻抗线下降到紧邻 SMT 焊盘的挠性层,或直接从 PTH 连接器孔伸出,无需外部层阻抗线。如果电路布线超过 1 个柔性层,则可使用额外的柔性层进行微带配置。第二层信号层无需阻抗控制,从而可以减少第二层挠性芯的厚度,使挠性部分更薄。也可采用条带阻抗配置。通常仅限于 1 个信号层,以防止挠性区域厚度过大。

应用: 有源元件区域刚性区域。

一个或两个刚性电路板区域上的有源元件,同时需要在外部层上进行阻抗控制信号布线。通常至少需要 6 层配置,以便在外部层的有效距离内设置额外的刚性区域参考平面,并允许实用的阻抗线宽。柔性层区域可配置为微带或带状线。根据上述 5 层微带示例,微带可根据需要增加信号层。

摘要

阻抗控制挠性电路板设计需要更厚的挠性芯层和严格控制的线路宽度和间距,以满足特定的阻抗要求。对于刚柔结合电路板设计中的挠性区域,这会导致挠性区域厚度增加,进而影响零件满足最小弯曲要求的能力。

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