CN103477505A - 包括通过具有受控阻抗的柔性电路互连的pcb的电子设备 - Google Patents

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Abstract

提供了一种扁平柔性印刷电路电缆，所述电缆设计成在不同印刷电路板之间传送高速数字总线信号而没有显著的信号衰减。所述扁平柔性印刷电路电缆可以包括：聚酰亚胺基底；聚酰亚胺基底上作为实心接地面的第一铜层；介电连续层；第二铜层，作为不同印刷电路板之间高速数字总线信号的传送层；以及电缆的端部处的连接器，具有接地端子，第一层接触所述接地端子。

Description

包括通过具有受控阻抗的柔性电路互连的PCB的电子设备
相关申请的交叉引证
本申请要求2011年1月5日递交的美国临时申请61/460,575的优先权，该申请的全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本发明涉及一种用于高速信号传送(routing)的柔性印刷电路电缆。
背景技术
作为最广为使用及支持的以太网硬件，传统的以太网标准100BASE-TX正迅速被更快的千兆比特以太网标准取代，千兆比特以太网标准也被称为Gig E。由于Gig E以太网能够比100BASE-TX以太网快10倍，所以Gig E以太网是优选的。
尽管Gig E以太网具有比100BASE-TX以太网快一个数量级的优点，但是发明人已经认识到其在应用于使用多个电路板的机顶盒等装置中时的复杂性和/或缺点。具体地，当在电路板通过传统带状电缆相互电连通的多电路板系统中使用Gig E以太网协议时，传统带状电缆导致高速数字信号在板与板之间的显著信号衰减。
目前，没有经济有效的方法来在电路板之间传送HS数字信号。由于不能实现受控阻抗，所以传统扁平柔性电路(FFC)的实施方式生产出的结果很差。
在100BASE-TX以太网中，一种避免可能的信号衰减的方法是简单地避免多个板的使用且令所有功能在一个板上。然而，该方法的问题是如果该板上的某个功能失效，则可能需要替换整个板，相反，在多板机顶盒等装置中仅仅替换单个发生故障的板。另外，多板系统允许功能的一些扩展或互换。
鉴于多板电子设备相较于单板电子器件具有一定优势以及Gig E以太网协议正变得更流行的事实，需要改进的带状电缆系统来连接各板且没有信号衰减。
发明内容
因为在印刷电路板(PCB)之间传送高速数字信号由于不具备受控阻抗而往往被抑制，所以提供了一种新的扁平柔性电缆，所述电缆设计成在不同印刷电路板之间传送高速(HS)数字信号而没有信号衰减。该电缆在聚酰亚胺基底上具有2层沉积铜。其中一层是实心(solid)的接地面。其中一层传送高速数字总线信号。该结构允许精确受控的迹线阻抗。
具体地，设计成在不同印刷电路板之间传送高速数字信号的扁平柔性印刷电路电缆包括：聚酰亚胺基底；聚酰亚胺基底上作为实心接地面的第一铜层；介电常数为4或更大的介电连续层；第二铜层，作为不同印刷电路板之间高速数字总线信号的传送层；以及电缆的端部处的连接器，具有接地端子，第一层接触所述接地端子。
本发明的实施例可以包括一种电子设备，该电子设备包括：第一和第二印刷电路板；以及扁平柔性电缆组件，用于第一和第二印刷电路板之间的电信号传输。扁平柔性电缆组件可以具有连接到第一印刷电路板的第一端、连接到第二印刷电路板的第二端、以及第一和第二端之间的中央柔性电缆部。中央柔性电缆部可以包括：电绝缘基底；电绝缘基底上的第一金属层，该第一层是地；第一金属层上的介电连续层；介电连续层上的第二金属层，其中第二层被分为由绝缘间隙分隔的单独导线，且导线传输电信号；以及第二金属层上的保护涂层。电子设备也可以具有扁平柔性电缆组件，该扁平柔性电缆组件在扁平柔性电缆的两端包括头连接部，其中头连接部包括：相应的信号传送层引脚，所述引脚连接到各导线，并将各导线电桥接到印刷电路板上的相应电路板电接触部；以及接地层片(sheet)或引脚，所述接地层片或引脚连接到第一金属层，并将第一金属层电桥连到印刷电路板上的相应接地接触部。扁平柔性电缆组件还可以包括连接到相应印刷电路板的外壳，其中所述外壳包括：至少一个突出部(tab)，把外壳固定在相应的印刷电路板上；以及头接收孔，第一头连接部插入该头接收孔中。头接收孔可以具有相应的电引脚以及至少一个接地桩，所述引脚将信号传送层引脚电连接到相应的电路板电接触部，所述接地桩将接地层片或引脚电连接到印刷电路板上的相应接地接触部。此外，扁平柔性电缆组件可以包括：沿着外壳的壁的至少一个孔，所述壁垂直于相应的印刷电路板；以及头连接部上的至少一个凸出的锁梢(locktab)，所述锁梢相应地咬合到所述至少一个孔，因此将头连接部锁定在外壳的孔中。在电子设备中，第一印刷电路板可以是主电路板，且通过相应的扁平柔性电缆组件可以将多个板连接到主电路板上，其中所述板可以是USB板和/或HDMI板。
总之，可以调整电子设备的尺寸特征，以便允许传输Gig E电信号而没有衰减。例如，可以调整第一金属层、第二金属层和介电连续层的厚度以及导线和绝缘间隙的宽度的大小，以便允许扁平柔性电缆组件具有90欧姆的+/-15％或者100欧姆的15％的差分阻抗控制，以避免信号衰减。可以选择导线的大小使得一些导线具有70+/-10欧姆的受控单端阻抗，且一些导线具有100+/-10欧姆的受控差分阻抗。
根据本发明的扁平柔性印刷电路电缆还提供非常薄、坚固以及柔性的优点，因此满足潜在的空间约束要求，所述空间约束要求可以出现在可能要求多个电路板以及可能需要尽量小以便满足消费者喜好的电子设备中。
附图说明
现在将结合附图，通过示例的方式，描述本发明，附图如下：
图1示出了根据本发明的连接到电路板的带状连接外壳的透视后视图；
图2示出了根据本发明的带状连接外壳和扁平柔性电缆及其与印刷电路板的关系的示意图；
图3示出了根据本发明的扁平柔性电缆带状组件的透视后视图；
图4示出了根据本发明的图3中的扁平柔性电缆的横截面图；
图5示出了根据本发明的扁平柔性电缆的信号传送层和接地层的平面图；
图6示出了根据本发明的为扁平柔性电缆的信号传送层的连接引脚提供示例参数的表格；以及
图7示出了根据本发明的具有多个电路板和扁平柔性电缆带状组件的机顶盒的框图。
具体实施方式
设计并公开了柔性印刷电路(FPC)电缆带状组件。这些组件在不同印刷电路板之间传送高速(HS)数字信号方面取得了成功。
包括扁平柔性电缆和相关连接器的柔性印刷电路(FPC)电缆带状组件允许沿着高速数字总线如通用串行总线(USB)、高分辨率多媒体接口(HDMI)以及以太网介质相关接口(MDI)等的整个信号路径，维持精确受控阻抗。这使得在从一个印刷电路板(PCB)到另一个PCB排布总线时，能够实现最小的阻抗不连续。因此从源到目的地可以将信号完整性保持在规定内，从而允许维持完全带宽/比特率。
扁平柔性电缆可以构建成非常相似于在适当柔性基底上适当地应用金属层的PCB等。在顶层上排布HS数字总线信号迹线，并在底层上排布连续接地面。这允许电磁场线受到控制，并且因此设计成维持指定的目标阻抗。对于以太网MDI和HDMI，指定差分阻抗为100欧姆+/-15％。USB需要90欧姆+/-15％。使用所公开的电缆组件，可以实现这些总线的阻抗目标。
适当的连接器如Molex连接器被认为是本新颖组件的必要部分，以便通过该连接器维持信号阻抗，并提供从扁平柔性电缆到PCB的低电感接地接触。
一种适当的连接器是带状连接外壳10。参考图1-3，现在将描述该连接器。图1和3示出了具有外壳框架13的带状连接外壳10的透视后视图，所述外壳框架13连接到电路板9上。图1示出了其中未装配扁平柔性电缆21的带状连接外壳10，且图3示出了装配有扁平柔性电缆21的视图。图2示出了带状连接外壳10的三个平面视图，其中图2A是外壳框架13的竖直后侧视图，图2B是外壳框架13的竖直前侧视图，且图2C是外壳框架13沿图2B的横截面2-2以及相关的扁平柔性电缆21和电路板9的截面图。
更具体地，带状连接外壳10可以包括直立的矩形外壳框架13，该框架在框架13的相对的竖直短边处具有两个连接槽11。这两个连接槽11各自均具有用于将带状连接外壳10结合到电路板的连接突出部12。通过分别将突出部焊接到接收垫(pad)33或者将突出部咬合到接收垫33或挂钩，可以将突出部12焊接或者咬合到电路板9。带状连接外壳10还可以在外壳的后侧壁上具有竖直朝向的电气桩15。桩15在带状连接外壳10的底部接触接地端子14，并电连接到或接触扁平柔性电缆的接地面24。可以具有3个接地端子14和桩15的组合，且接地端子14与电路板9上的地接触。接地或者其它电信号可以由板9上的电路板电接触部36提供。接地电接触部36g和电信号接触部36s在图2C中示出，以便更清楚地示出它们与带状连接外壳10的关系。带状连接外壳10还可以包括凸片部16，该凸片部16从外壳框架13的上表面向上延伸，可用于手持、对准和锁定目的。该凸片部16可以包括锁梢孔18，锁梢孔18设计成接收并保持扁平柔性电缆21的锁梢32，从而将扁平柔性电缆21固定在外壳10上。带状连接外壳10也可以包括从外壳框架13的底面突出的导向杆19。导向杆19通过配合电路板9中的设计孔34，帮助带状连接外壳10在电路板9上定位。图2A和2B示出了带状连接外壳10的电引脚8，电引脚8从或者在外壳框架13的底面延伸。电引脚8可以分别具有与电路板9上适当设计的电接触部36s或部件配合的下部或远端。电引脚8设计成具有延伸进入带状连接外壳10中并与扁平柔性电缆21中从信号传送层26延伸的适当设计的连接引脚29相配合的近端，这在稍后描述。
扁平柔性电缆21可以包括中央柔性电缆部30和头部31。在图2(C)、3、4及5中示出了中央柔性电缆部30。中央柔性电缆部30是非常薄并且柔性的部件，为大约0.2+/-0.02mm厚，长度可以为大约3-6英寸(76-152mm)，且宽度可以为大约0.5-1英寸(12.7-25.4mm)。图3示出了扁平柔性电缆21的透视后视图，其中中央柔性电缆部30延伸进入头部31中。
图4是图3中的扁平柔性电缆21的中央柔性电缆部30沿着线4-4的横截面视图。图4示出了聚酰亚胺基底23，其后表面22在图3中与桩15朝向相同方向。图4还示出了聚酰亚胺基底上的第一金属层，该第一层金属可以是铜，且可以是在实心(solid)或裂口(split)的接地面层。接地面层24可以在其中包括至少一个绝缘间隙28，该绝缘间隙28能够沿着电缆21的长度延伸。介电连续层25位于接地面层24上，并能够设计成例如具有为4或更大的介电常数。第二金属层如铜位于介电连续层25之上。第二层是信号传送层26，且具有多条导线26a，导线通过绝缘间隙27相互隔离和/或分隔。第一和第二金属层的厚度可以是0.016+/-0.002mm。为简单起见，在图4中只示出了9根导线26a；然而，根据信号寻址要求，扁平柔性电缆21可以具有更多导线26a。确定基底23和介电连续层25的厚度以便调整目标阻抗。信号传送层26允许高速数字总线信号在不同印刷电路板之间传输。保护涂层或钝化层41可以覆盖信号传送层26。
图5A是信号传送层26的平面图，且图5B是接地面24的平面图。结合图3和图2C，图5A和5B还示出了由中央柔性电缆部30和头部31组成的扁平柔性电缆21，其中在中央柔性电缆部30的两端处设置头部31。头部31可以包括上头部31a和窄的下头部31b。图2c是图3中的扁平柔性电缆21的2-2横截面以及图2(B)和3中的外壳10，图2C示出了中央柔性电缆部30如何终止于头部31中，并示出了下头部31b如何装配到外壳10的接收孔17中。将头部31放下到外壳10中，并且凸片16向外弯曲，使得在头部31完全配合且凸片16向内弹回时，上头部31a上的保持锁梢32咬合到锁定孔18中，从而使保持锁梢32牢固地插入锁定孔18中。当保持锁梢32牢固地插入锁定孔18中时，信号传送层26及其部件导线26a进入上头部31a，向下头部31b过渡，且接触带状连接外壳10的适当电引脚8。更具体地，在图2C中，头部31或下头部31b的信号传送层引脚26b表示从中央柔性电缆部30中的信号传送层26到头部31的过渡或连接，其中信号传送层引脚26b将电连接到电引脚8，从而提供用于提供高速信号的装置。
同样地，当保持锁梢32牢固地插入锁定孔18中时，接地面层24进入上头部31a，向下头部31b过渡，且接触适当的桩15，桩15又电连接到带状连接外壳10的接地端子14。更具体地，在图2C中，头部31或下头部31b的接地层片或引脚24a表示从中央柔性电缆部30中的接地面层24到头部31的过渡或连接，其中接地层片或引脚24a将电连接到地和/或桩15，从而提供用于提供屏蔽特征的装置，以针对高速信号传输实现优越的信号线路阻抗一致性以及串扰和噪音发射的降低。
图6通过数据表格示出了本发明的示例，该表格针对两个具体板之间根据本发明的扁平柔性电缆的信号传送层的连接引脚，提供了示例参数。该表格针对图5中的两个金属层24、26的布线，以便在利用Gig E以太网协议在两个电路板之间传输高速电信号的系统中实现精确受控的迹线阻抗。
图7示出了本发明的应用，其中在机顶盒700等装置中使用8个新颖的扁平柔性电缆带状组件20。图7中的框图表示具有多个板的机顶盒700或者其它电子设备。在该具体示例中，扁平柔性电缆带状组件20被示出为互连从主板701到以下子卡的各高速总线：
1)面板组件(FPA)(702)；
2)条件访问卡1：智能卡(703)；
3)条件访问卡2：电缆卡(704)；
4)前端(705)
5)USB(706)；
6)音频-视频(AV)输出(707)；以及
7)HDMI输入(708)。
针对每个扁平柔性电缆带状组件20的信号可以配置为具有图6中所示的特性，其中数据表格包括连接引脚编号和迹线阻抗。数据表格中所示的数据可以是向HDMI输入卡708和主板701的信号连接和传送。在该示例中，扁平柔性电缆带状组件20可以具有6英寸的长度，并且可以包括例如4个引脚/传送线的差分对、6个单端引脚/传送线、20mils(0.5mm)的4条接地迹线、以及20mils(0.5mm)的2条电源迹线。
以上仅说明了实施本发明的一些可能性。在本发明的范围和精神内，多个其它实施例是可能的。因此，以上描述应被视为说明性的，而不是限制，并且由所附权利要求及其全部等同物给出本发明的范围。

Claims (20)

1.一种电子设备，包括：
第一和第二印刷电路板；以及
扁平柔性电缆组件，用于第一和第二印刷电路板之间的电信号传输，所述扁平柔性电缆组件具有连接到第一印刷电路板的第一端、连接到第二印刷电路板的第二端、以及第一和第二端之间的中央柔性电缆部，其中所述中央柔性电缆部包括：
电绝缘基底；
电隔离基底上的第一金属层，该第一层是地；
第一金属层上的介电连续层；
介电连续层上的第二金属层，其中第二层被分为由绝缘间隙分隔的单独导线，且所述导线传输电信号；以及
第二金属层上的保护涂层。
2.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述扁平柔性电缆组件包括扁平柔性电缆的第一端处的第一头连接部，其中第一头连接部包括：
第一信号传送层引脚，所述第一信号传送层引脚连接到所述单独导线，并且将所述单独导线电桥接到第一印刷电路板上的第一电路板电接触部；以及
第一接地层片或引脚，所述第一接地层片或引脚连接到第一金属层，并将第一金属层电桥接到第一印刷电路板上的至少一个第一接地接触部。
3.根据权利要求2所述的电子设备，其中所述扁平柔性电缆组件包括扁平柔性电缆的第二端处的第二头连接部，其中第二头连接部包括：
第二信号传送层引脚，所述第二信号传送层引脚连接到所述单独导线，并且将所述单独导线电桥接到第二印刷电路板上的第二电路板电接触部；以及
第二接地层片或引脚，所述第二接地层片或引脚连接到第一金属层，并将第一金属层电桥接到第二印刷电路板上的至少一个第二接地接触部。
4.根据权利要求2所述的电子设备，其中所述扁平柔性电缆组件进一步包括连接到第一印刷电路板的第一外壳，所述第一外壳包括：
至少一个突出部，把第一外壳固定在第一印刷电路板上；以及
头接收孔，所述第一头连接部插入所述头接收孔中，其中所述头接收孔具有相应的第一电引脚以及至少一个接地桩，所述第一电引脚将第一信号传送层引脚电连接到第一电路板电接触部，所述至少一个接地桩将第一接地层片或引脚电连接到第一印刷电路板上的所述至少一个第一接地接触部。
5.根据权利要求4所述的电子设备，其中所述扁平柔性电缆组件进一步包括：
沿着第一外壳的壁的至少一个孔，所述壁垂直于第一印刷电路板；以及
头连接部上的至少一个凸出的锁梢，所述至少一个锁梢相应地咬合到所述至少一个孔中，因此将第一头连接部锁定在第一外壳的孔中。
6.根据权利要求1所述的电子设备，其中电绝缘基底是聚酰亚胺材料。
7.根据权利要求1所述的电子设备，其中第一金属层是铜。
8.根据权利要求1所述的电子设备，其中介电连续层具有至少为4的介电常数。
9.根据权利要求1所述的电子设备，其中第二金属层是铜。
10.根据权利要求1所述的电子设备，其中第一和第二金属层是铜。
11.根据权利要求1所述的电子设备，其中第一和第二金属层的厚度以及导线和绝缘间隙的宽度的大小允许扁平柔性电缆组件根据Gig E以太网协议传输电信号而没有信号衰减。
12.根据权利要求1所述的电子设备，其中第一金属层、第二金属层和介电连续层的厚度以及导线和绝缘间隙的宽度的大小允许扁平柔性电缆组件根据Gig E以太网协议传输电信号而没有信号衰减。
13.根据权利要求1所述的电子设备，其中第一印刷电路板是主电路板，且第二印刷电路板是USB板。
14.根据权利要求13所述的电子设备，其中第一金属层、第二金属层和介电连续层的厚度以及导线和绝缘间隙的宽度的大小允许扁平柔性电缆组件具有90欧姆的+/-15％的差分阻抗控制。
15.根据权利要求1所述的电子设备，其中第一印刷电路板是主电路板，且第二印刷电路板是HDMI板。
16.根据权利要求15所述的电子设备，其中第一金属层、第二金属层和介电连续层的厚度以及导线和绝缘间隙的宽度的大小允许扁平柔性电缆组件具有100欧姆+/-15欧姆的受控差分阻抗。
17.根据权利要求1所述的电子设备，其中第一金属层、第二金属层和介电连续层的厚度以及导线和绝缘间隙的宽度的大小允许扁平柔性电缆组件具有90欧姆+/-13.5欧姆的受控差分阻抗。
18.根据权利要求1所述的电子设备，进一步包括：
第三印刷电路板；以及
另一扁平柔性电缆组件，用于第一和第三印刷电路板之间的电信号传输，所述另一扁平柔性电缆组件具有连接到第一印刷电路板的一端、连接到第三印刷电路板的另一端、以及所述一端和另一端之间的另一中央柔性电缆部，其中所述另一中央柔性电缆部包括：
另一电绝缘基底；
电绝缘基底上的另一第一金属层，该另一第一层是地；
所述另一第一金属层上的另一介电连续层；
所述另一介电连续层上的另一第二金属层，其中该另一第二层被分为由另外的绝缘间隙分隔的另外的单独导线，且所述另外的导线传输电信号；以及
所述另一第二金属层上的另一保护涂层。
19.根据权利要求18所述的电子设备，其中第一印刷电路板是主电路板，第二印刷电路板是HDMI板，且第三印刷电路板是USB板。
20.根据权利要求1所述的电子设备，其中一些导线具有70+/-10欧姆的受控单端阻抗，且一些导线具有100+/-10欧姆的受控差分阻抗。
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