CN110602868A - 一种柔性电路板及相应的光模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柔性电路板及相应的光模块，该柔性电路板包括：信号传输线、阻抗匹配线和焊盘，所述阻抗匹配线连接所述信号传输线和所述焊盘；其中，所述信号传输线对应的宽度小于所述焊盘对应的宽度，所述阻抗匹配线呈渐变性变化，所述阻抗匹配线的宽度在沿靠近所述焊盘的方向上逐渐增大。本发明所提供的柔性电路板，通过阻抗匹配线连接焊盘与信号传输线，其中，阻抗匹配线呈渐变性变化，避免了信号传输线与焊盘之间的阻抗突变，实现了阻焊段高速信号匹配传输。同时，对于制作加工的精度要求相对较低，降低了制作难度和加工成本。

Description

一种柔性电路板及相应的光模块
技术领域
本发明属于光通信技术领域，更具体地，涉及一种柔性电路板及相应的光模块。
背景技术
柔性印刷电路板(Flexible Printed Circuit，简写为FPC)自问世以来，由于具有轻薄、灵活、占用空间小和弯折自由度高等优点，广泛应用于电子、电器、汽车和医疗等产品领域。特别是在光通信领域，在光电器件和光电模块的小型化、高集成和高速率的要求下，FPC的应用越来越多，也对FPC的高速信号传输特性和高可靠性提出了更高的要求。
目前，常规的高速FPC，在焊盘与高速信号传输线阻焊段之间，存在着高速信号失配的难题。如图1和图2所示，连接焊盘与信号传输线的连接线，是通过直线段连接焊盘和信号传输线的，其中，焊盘与信号传输线以焊盘面的GND作为参考GND，连接线所处的阻焊段无参考GND，而且阻焊段的长度由加工工艺决定，长度一般大于0.15mm，会严重影响走线的阻抗匹配，由于阻焊段没有GND参考地，具有较大的寄生感抗，阻焊段的等效阻抗在60Ω到80Ω之间，存在高速信号失配的难题。对于焊盘与传输线阻抗失配问题，一般采用提升加工精度，减小阻焊段的方式，但随着加工精度的提升，产品成本也随之增加，而且存在着阻焊段变短，电子迁移导致产品短路失效的风险。
鉴于此，克服该现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种柔性电路板及相应的光模块，其目的在于通过阻抗匹配线连接焊盘与信号传输线，其中，阻抗匹配线呈渐变性变化，避免了信号传输线与焊盘之间的阻抗突变，实现了阻焊段高速信号匹配传输，由此解决焊盘与传输线阻抗失配的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种柔性电路板，所述柔性电路板包括：信号传输线1、阻抗匹配线2和焊盘3，所述阻抗匹配线2连接所述信号传输线1和所述焊盘3；
其中，所述信号传输线1对应的宽度小于所述焊盘3对应的宽度，所述阻抗匹配线2呈渐变性变化，所述阻抗匹配线2的宽度在沿靠近所述焊盘3的方向上逐渐增大。
优选地，所述柔性电路板还包括基板4，所述基板4包括第一面和与所述第一面相背的第二面，所述焊盘3具体包括第一焊盘31和第二焊盘32；
所述信号传输线1、所述阻抗匹配线2和所述第一焊盘31设置在所述基板4的第一面，所述第二焊盘32设置在所述基板4的第二面，其中，所述第一焊盘31与所述第二焊盘32在垂直于所述基板4的方向上的投影相互重合。
优选地，所述第一焊盘31和所述第二焊盘32之间设置有至少一个金属化通孔5，所述第一焊盘31与所述第二焊盘32通过所述金属化通孔5形成连接。
优选地，所述阻抗匹配线2的边界线包括第一渐变曲线和第二渐变曲线，所述第一渐变曲线与所述第二渐变曲线相对于所述阻抗匹配线2的中心线呈对称。
优选地，所述第一渐变曲线满足公式一，其中公式一具体为：
所述第二渐变曲线满足公式二，其中，公式二具体为：
其中，a为焊盘3的宽度，w为信号传输线1的宽度，a为焊盘3与所述信号传输线1之间的间距，τ为常数，k1为常数，k2为常数，且k1+k2＝w。其中，τ满足0<τ≤2。
优选地，所述柔性电路板还包括覆盖膜，所述覆盖膜设置在所述阻抗匹配线2上，其中，所述覆盖膜覆盖所述阻抗匹配线2，所述覆盖膜还覆盖部分所述焊盘3和部分所述信号传输线1。
优选地，所述覆盖膜的介电常数大于1。
优选地，所述覆盖膜完全覆盖所述阻抗匹配线2后，分别向所述焊盘3侧和所述信号传输线1侧延伸L，其中，0.05mm≤L≤0.5mm。
优选地，所述阻抗匹配线2一端的宽度与所述信号传输线1的宽度相等，所述阻抗匹配线2另一端的宽度与所述焊盘3的宽度相等。
按照本发明的另一方面，提供了一种光模块，所述光模块包括本发明所述的柔性电路板
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：本发明提供一种柔性电路板及相应的光模块，所述柔性电路板包括：信号传输线、阻抗匹配线和焊盘，所述阻抗匹配线连接所述信号传输线和所述焊盘；其中，所述信号传输线对应的宽度小于所述焊盘对应的宽度，所述阻抗匹配线呈渐变性变化，所述阻抗匹配线的宽度在沿靠近所述焊盘的方向上逐渐增大。本发明所提供的柔性电路板，通过阻抗匹配线连接焊盘与信号传输线，其中，阻抗匹配线呈渐变性变化，避免了信号传输线与焊盘之间的阻抗突变，实现了阻焊段高速信号匹配传输。同时，对于制作加工的精度要求相对较低，降低了制作难度和加工成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种焊盘与传输线之间连接方式的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的图1中阻抗变化示意图；
图3是本发明实施例提供的一种柔性电路板的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的另一种柔性电路板的结构示意图；
图5是本发明实施提供的焊盘、阻抗匹配线和信号传输线的曲线连接关系示意图；
图6是本发明实施例提供的图3中阻抗变化示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1：
目前，高速信号传输网络在焊盘和信号线连接处存在走线宽度差跳变，跳变处阻抗不连续，激发的电磁辐射不仅减弱有效信号传输，同时带来寄生串扰，为解决此问题，本实施例提供了一种柔性电路板。
参阅图3，本发明实施例提供一种柔性电路板，所述柔性电路板包括：信号传输线1、阻抗匹配线2和焊盘3，所述阻抗匹配线2连接所述信号传输线1和所述焊盘3。
其中，所述信号传输线1对应的宽度小于所述焊盘3对应的宽度，所述阻抗匹配线2呈渐变性变化，所述阻抗匹配线2的宽度在沿靠近所述焊盘3的方向上逐渐增大。
在实际应用场景下，所述信号传输线1用于传输高速信号，所述焊盘3用于与外部器件或电路连接。由于高速信号对于阻抗较敏感，当走线之间阻抗不匹配时，容易影响高速信号的传输质量。在本实施例中，通过阻抗匹配线2连接焊盘3与信号传输线1，其中，阻抗匹配线2呈渐变性变化，避免了信号传输线1与焊盘3之间的阻抗突变，实现了阻焊段高速信号匹配传输。同时，对于制作加工的精度要求相对较低，降低了制作难度和加工成本。
在本实施例中，焊盘3的宽度大于信号传输线1的宽度，其中，焊盘3的宽度(a)的取值范围为0.2mm～0.4mm，信号传输线1的宽度(w)的取值范围为0.08mm～0.12mm，由此可以看出，焊盘3的宽度与信号传输线1的宽度存在较大差异，如果直接将焊盘3与信号传输线1连接在一起，阻抗突变会严重影响高速信号的传输。在采用了本实施例的阻抗匹配线2后，可以实现信号传输线1与焊盘3之间的阻抗匹配，消除阻抗突变对高速信号的影响。
在优选的方案中，如图4所示，所述柔性电路板还包括基板4，所述基板4包括第一面和与所述第一面相背的第二面，所述焊盘3具体包括第一焊盘31和第二焊盘32；所述信号传输线1、所述阻抗匹配线2和所述第一焊盘31设置在所述基板4的第一面，所述第二焊盘32设置在所述基板4的第二面，其中，所述第一焊盘31与所述第二焊盘32在垂直于所述基板4的方向上的投影相互重合。
其中，所述第一面可以为Top面，所述第二面可以为Bottom面，即，所述焊盘3可以分布在Top面和Bottom面，采用双面设置焊盘3的方式，在后续使用中，柔性电路板可以正反双向使用，更灵活。
在实际应用场景下，所述第一焊盘31和所述第二焊盘32之间设置有至少一个金属化通孔5，所述第一焊盘31与所述第二焊盘32通过所述金属化通孔5形成连接。其中，所述金属化通孔5贯穿所述第一焊盘31和所述第二焊盘32，使得所述第一焊盘31和所述第二焊盘32形成电性连接。在实际制作中，金属化通孔5可以设置在焊盘3的中心区域，所述金属化通孔5的数目可为多个，例如，三个或者其他数值，具体依据实际情况而定。在实际制作中，为了保证性能，在实际制作中，需保证所述金属化通孔5不破孔，漏锡良好。
在本实施例中，所述信号传输线1和所述焊盘3一般为长条形，所述焊盘3的宽度大于所述信号传输线1的宽度，所述阻抗匹配线2的两端分别与所述信号传输线1和所述焊盘3平滑无缝连接，所述阻抗匹配线2一端的宽度与所述信号传输线1的宽度相等，所述阻抗匹配线2另一端的宽度与所述焊盘3的宽度相等。
其中，所述阻抗匹配线2的边界轮廓包括第一渐变曲线和第二渐变曲线，所述第一渐变曲线与所述第二渐变曲线相对于所述阻抗匹配线2的中心线呈对称。其中，以图5为例，阻抗匹配线2的中心线指的是在y轴方向上，y＝-w/2所在的直线。通过所述第一渐变曲线与所述信号传输线1的其中一个边界线和所述焊盘3的其中一个边界线连接，通过所述第二渐变曲线与所述信号传输线1的另一个边界线和所述焊盘3的另一个边界线连接。
在本实施例中，根据电磁场传播理论，所述第一渐变曲线满足公式一，其中公式一具体为：
所述第一渐变曲线与所述第二渐变曲线为相对于X轴呈对称的对称函数，所述第二渐变曲线满足公式二，其中，公式二具体为：
其中，a为焊盘3的宽度，w为信号传输线1的宽度，a为焊盘3与所述信号传输线1之间的间距，τ为常数，k1为常数，k2为常数，且k1+k2＝w。
在实际应用场景下，如图2所示，由于阻焊段没有GND参考地，具有较大的寄生感抗，通过TDR(Time-Domain Reflectometry，简写为TDR)分析，阻焊段的等效阻抗在60Ω到80Ω之间。本实施例的阻抗匹配线为平滑渐变过度曲线，减少了高速信号传输过程中的电子矢量变化，有利于降低电磁波的激发，减小电磁损耗和散射；结合FPC板材的厚度，介电常数指标，根据前述公式计算的渐变区域，产生的寄生容抗，能较好的与寄生感抗共轭匹配。通过该设计，能将该阻抗匹配线2的渐变补偿区的阻抗控制在50Ω±10％范围内(如图6所示)，实物测试与设计相符，能满足高速信号高质量传输需求。
在实际应用场景下，当坐标系的建立存在差异时，k1与k2的具体值也会随之改变，相当于曲线在y轴方向是做平移，不过，k1与k2的取值始终满足k1+k2＝w，使得阻抗匹配线2一端的宽度与信号传输线1一端的宽度相等。
在实际应用场景下，前述可以按照图5所示的坐标系计算曲线，其中，k1＝0，k2＝w，即，以信号传输线1的其中一个边界线为X轴，Y轴与焊盘3的边界线重合，其中，x的取值范围为[0，a]。按照图5建立坐标系，得到第一渐变曲线满足的曲线公式和第二渐变曲线满足的曲线公式，从而得到第一渐变曲线和第二渐变曲线，以得到阻抗匹配线2。
在实际制作过程中，所述基板4采用稳定性高的低损耗正切值PI板材，板材厚度为h，板材介电常数为εr，信号传输线1铜箔厚度为t，覆盖膜介电常数εs，则可以按照如下公式计算信号传输线1的宽度w，在如下公式中，w’为等效线宽值，Z0为信号传输线1的阻抗控制值。
因此，在已知板材厚度为h，板材介电常数为εr，信号传输线1铜箔厚度为t，覆盖膜介电常数εs时，可以计算得到信号传输线1的宽度w。焊盘3的宽度a、焊盘3与信号传输线1之间的间距a可以依据实际情况而设置，进而可以确定渐变曲线满足的公式。
目前，在焊盘3和信号传输线1连接端存在信号跳跃传输，现在业内的设计主要是补泪滴，为pcb(电路板)设计软件自带功能属性，仅起到保护连接处易折断的作用，且保护效果有限，无法改善连接处阻抗跳变造成的高速信号传输性能变差的现象。本实施例所提供的基于渐变线设计的阻抗匹配线2，可以按照前述公式，针对不同尺寸的焊盘3和信号传输线1，进行渐变线区域的阻抗变换，不仅能起到连接端不易折断的作用，同时能完成低阻抗(焊盘3处)到高阻抗(图1中的阻焊段处)区域的阻抗变换，有效提升高速信号传输质量。
具体地，本实施例的阻抗匹配线2结合FPC具体尺寸，根据阻抗匹配线2两端的焊盘3宽度、信号传输线1宽度、焊盘3与信号传输线1之间的间距、高速板材的厚度及介电常数，进行阻抗变换设计，改变以前被动用电路图软件补泪滴形式，主动实现阻抗匹配，根据公式设计后的渐变段，通过容抗加载，能与渐变段的寄生感抗共轭匹配，实现高速信号高质量传输。
在实际应用场景下，焊盘3连接处易折断，目前多采用延长焊盘3和补泪滴的方法分散应力，由于FPC高速焊盘3在设计时，会以焊接PCB的GND作为参考GND，延长焊盘3，会使得延长部分没有参考GND而进一步增加高速信号失配，而补泪滴虽然能改进焊盘3连接处易折断的问题，但补泪滴的走线会进一步加大阻抗失配。
为解决前述问题，本实施例对现有的方式进行了改进，具体地，所述柔性电路板还包括覆盖膜，所述覆盖膜设置在所述阻抗匹配线2上，其中，所述覆盖膜覆盖所述阻抗匹配线2，所述覆盖膜还覆盖部分所述焊盘3和部分所述信号传输线1。其中，所述覆盖膜的介电常数大于空气的介电常数，在理想状态下，所述覆盖膜的介电常数大于1，由于覆盖膜介电常数高于空气，能有效减弱渐变段传输线的电力线辐射。
在优选的实施例中，所述覆盖膜完全覆盖所述阻抗匹配线2后，分别向所述焊盘3侧和所述信号传输线1侧延伸L，其中，0.05mm≤L≤0.5mm，本实施例的覆盖膜两端同时延长，信号传输线1传输部分做亮铜处理，有利于高速信号的低插损传输。
在本实施例中，在阻抗匹配线2上设置覆盖膜，并将覆盖膜延伸至焊盘3和信号传输线1上，由于覆盖膜的韧性效果，分散了焊盘3连接处的应力，有着保护FPC焊接连接端免折断风险的效果。此外，覆盖膜延伸至焊盘3和信号传输线1上，还能屏蔽电磁信号的散射。
实施例2：
基于前述实施例的描述，以一套具体的参数进行配套解释说明。在此，以单端50欧姆阻抗线传输25Gbit/s高速信号为实例，其中，基板的板材厚度为0.05mm±0.01mm，基板的板材介电常数为3.2±0.05，损耗正切角0.002±0.001，焊盘宽度0.25mm±0.01mm(即，a＝0.25mm±0.01mm)，焊盘与信号传输线间距为0.2mm±0.01mm(即，a＝0.2mm±0.01mm)，覆盖膜厚度0.025mm±0.01mm，覆盖膜介电常数3.5±0.05。
结合前述参数，根据实施例1的公式三，计算得到信号传输线的线宽为0.1mm(即，w＝0.1mm)，将a＝0.25mm±0.01mm、w＝0.1mm及a＝0.2mm±0.01mm代入到公式一和公式二中，得到阻抗匹配线的第一渐变曲线和第二渐变曲线，通过第一渐变曲线连接焊盘的其中一个边界线和信号传输线的其中一个边界线，通过第二渐变曲线连接焊盘的另一个边界线和信号传输线的另一个边界线，从而实现阻抗匹配线与焊盘和信号传输线的无缝平滑连接。
在实际应用场景下，信号传输线、焊盘以及阻抗匹配线对应的尺寸及精度要求均在常规FPC制版厂家工艺范围内。
在制作完成信号传输线、焊盘以及阻抗匹配线后，在阻抗匹配线对应的区域制作覆盖膜，其中，覆盖膜完全覆盖所述阻抗匹配线，所述覆盖膜还覆盖部分所述焊盘和部分所述信号传输线。具体地，所述覆盖膜完全覆盖所述阻抗匹配线后，分别向所述焊盘侧和所述信号传输线侧延伸L，其中，0.05mm≤L≤0.5mm。
在本实施例中，通过信号传输线的宽度、焊盘的宽度以及信号传输线之间的间距，设计阻抗匹配线所满足的曲线公式，使得阻抗匹配线呈渐变性变化，通过阻抗匹配线平滑过渡连接信号传输线与焊盘，实现高速信号在阻焊段平滑无反射传输。同时，在阻抗匹配线上延伸覆盖膜，覆盖膜的介电常数大于空气的介电常数，有利于抑制高速信号在渐变线段传输时的电力线发散，亦能提升高速信号的传输质量。进一步地，覆盖膜对焊盘应力的分解作用，也能起到保护焊盘不易折断的效果。
基于上述实施例1和实施例2，本发明实施例还提供一种光模块，其中该光模块包括高速芯片等器件，在实际制作中可以将前述高速芯片设置在所述柔性电路板上，高速芯片对应的高速信号经由焊盘、阻抗匹配线和信号传输线进行传输，由于该柔性电路板具有阻抗匹配的特点，可以保证高速信号的高质量传输。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种柔性电路板，其特征在于，所述柔性电路板包括：信号传输线(1)、阻抗匹配线(2)和焊盘(3)，所述阻抗匹配线(2)连接所述信号传输线(1)和所述焊盘(3)；
其中，所述信号传输线(1)对应的宽度小于所述焊盘(3)对应的宽度，所述阻抗匹配线(2)呈渐变性变化，所述阻抗匹配线(2)的宽度在沿靠近所述焊盘(3)的方向上逐渐增大。
2.根据权利要求1所述的柔性电路板，其特征在于，所述柔性电路板还包括基板(4)，所述基板(4)包括第一面和与所述第一面相背的第二面，所述焊盘(3)具体包括第一焊盘(31)和第二焊盘(32)；
所述信号传输线(1)、所述阻抗匹配线(2)和所述第一焊盘(31)设置在所述基板(4)的第一面，所述第二焊盘(32)设置在所述基板(4)的第二面，其中，所述第一焊盘(31)与所述第二焊盘(32)在垂直于所述基板(4)的方向上的投影相互重合。
3.根据权利要求2所述的柔性电路板，其特征在于，所述第一焊盘(31)和所述第二焊盘(32)之间设置有至少一个金属化通孔(5)，所述第一焊盘(31)与所述第二焊盘(32)通过所述金属化通孔(5)形成连接。
4.根据权利要求1～3任一项所述的柔性电路板，其特征在于，所述阻抗匹配线(2)的边界线包括第一渐变曲线和第二渐变曲线，所述第一渐变曲线与所述第二渐变曲线相对于所述阻抗匹配线(2)的中心线呈对称。
5.根据权利要求4所述的柔性电路板，其特征在于，所述第一渐变曲线满足公式一，其中公式一具体为：
所述第二渐变曲线满足公式二，其中，公式二具体为：
其中，a为焊盘(3)的宽度，w为信号传输线(1)的宽度，a为焊盘(3)与所述信号传输线(1)之间的间距，τ为常数，k1为常数，k2为常数，且k1+k2＝w。
6.根据权利要求5所述的柔性电路板，其特征在于，所述柔性电路板还包括覆盖膜，所述覆盖膜设置在所述阻抗匹配线(2)上，其中，所述覆盖膜覆盖所述阻抗匹配线(2)，所述覆盖膜还覆盖部分所述焊盘(3)和部分所述信号传输线(1)。
7.根据权利要求6所述的柔性电路板，其特征在于，所述覆盖膜的介电常数大于1。
8.根据权利要求6所述的柔性电路板，其特征在于，所述覆盖膜完全覆盖所述阻抗匹配线(2)后，分别向所述焊盘(3)侧和所述信号传输线(1)侧延伸L，其中，0.05mm≤L≤0.5mm。
9.根据权利要求1～3任一项所述的柔性电路板，其特征在于，所述阻抗匹配线(2)一端的宽度与所述信号传输线(1)的宽度相等，所述阻抗匹配线(2)另一端的宽度与所述焊盘(3)的宽度相等。
10.一种光模块，其特征在于，所述光模块包括如权利要求1～9任一项所述的柔性电路板。
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