撓性板的低損耗純膠與高頻基材匹配研究

何明展 徐筱婷 鐘福偉 許芳波

（鵬鼎控股(深圳)股份有限公司，廣東 深圳 518105）

0 前言

除通訊板外，終端使用的MIPI模塊 ，對高頻需求也在不斷提升，到了2020年對各組件頻率需求USB 3.1達5 GHz、內(nèi)存存儲UFS3.0達5.8 GHz、CSI （Camera）與DSI（Display）達1 GHz需求，見圖1?；谏鲜鍪謾C發(fā)展趨勢，對高頻模塊PCB有新的要求。

1 高頻模塊撓性PCB的性能特點

1.1 高頻模塊PCB的傳輸關(guān)鍵技術(shù)指標

圖1 高頻模塊發(fā)展趨勢 （source:MIPI.ORG/DEVCON, 2018）

高頻模塊PCB的傳輸關(guān)鍵技術(shù)指標包含：（1）傳輸損耗為關(guān)鍵性指標；（2）輕薄短小， LCP（液晶聚合物）或低損耗PI（聚酰亞胺）撓性PCB可取代較厚的傳統(tǒng)同軸電纜天線傳輸線，具有更高的空間效率；（3）具有更好柔性達到更小的彎折半徑，提高空間利用率和彎折產(chǎn)品可靠性；（4）多層化也是高頻高速傳輸PCB發(fā)展的主力方向，例如在多家品牌手機中的攝像頭模塊多層結(jié)構(gòu)，并且可以自由彎曲和成型；（5）高密度與集成化，隨著5G的發(fā)展和推動，頻段的增加及速率的提升的需求帶來更多的天線及MIMO的需求，傳輸線的設(shè)計方式也從單一信道演變?yōu)槎嗑€傳輸。 為達到這些需求，PCB從新材料、新技術(shù)、新產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域做出變革，以實現(xiàn)高頻傳輸發(fā)展趨勢。

1.2 高頻傳輸關(guān)鍵損耗影響因子

想要實現(xiàn)上述的高頻高速傳輸，最關(guān)鍵的就是低損耗因子的介質(zhì)層材料。隨使用頻率越高，訊號傳播路損也提高，尤其在3 GHz以上頻率，介質(zhì)損耗的影響遠大于導(dǎo)體損耗的影響，可由圖2（a）顯示 。

由圖2（b）介質(zhì)損耗公式所示，當(dāng)傳輸頻率越高，或是當(dāng)絕緣層材料的介電常數(shù)（Dk）及介電損耗（Df）值越高，介質(zhì)損耗就越大。此外，材料的介電常數(shù)也直接影響到阻抗的控制，例如當(dāng)使用到介電常數(shù)大的材料時（如FR-4的Dk4.2），就需減小導(dǎo)體寬（W）和增加介質(zhì)層厚（h）來維持阻抗的控制，過細的線路會使制程難度提高，降低良率，而介質(zhì)過厚不只使層間導(dǎo)通孔電鍍不易，成為技術(shù)開發(fā)瓶頸，也違背了產(chǎn)品輕薄短小的趨勢。

當(dāng)阻抗不匹配時，信號反射大幅增加，例如當(dāng)端口阻抗為50Ω，互連阻抗為60Ω時，最壞情況會有9.1%的能量被反射，這使插入損耗也增大。因此，對于PCB的阻抗控制亦是高頻板的管控重點，在加工和設(shè)計時我們一般控制的主要因素有：（1）Dk—介電常數(shù)，（2）H—介質(zhì)厚度,（3）W—導(dǎo)線寬度，（4）t—導(dǎo)線厚度，（5）線路種類。

圖2 (a) 傳輸線中的導(dǎo)線損耗和介質(zhì)損耗關(guān)系圖 (b) 特性阻抗Z0

1.3 多層板需求與連接方式（All LCP/LCP +BS/PI+BS ）

高頻段的使用越來越廣泛，為了降低損耗，而增厚介質(zhì)層；再者高階手機傾向使用多合一的訊號傳輸板與高集成化的模組板，以提高空間利用率。這些革新皆使得連接層（純膠）需求增大。

目前多層高頻傳輸板有幾種疊構(gòu)，見圖3。

（1）全液晶聚合物疊構(gòu)（All LCP）：電性最佳，但有以下三個主要問題：①漲縮控制不易；②壓合需要高于290℃高溫，制造多層板多次壓合后材料容易脆化；③LCP 剝離強度偏低（原材料規(guī)格4.9 N）。導(dǎo)致制程操作難度高，成本高且多層板可靠性較差。

將機電一體化技術(shù)充分應(yīng)用個到工程機械工作裝置中，可通過該技術(shù)對機械工程的傳統(tǒng)系統(tǒng)、發(fā)動機、液壓系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等情況進行實時監(jiān)控，一旦其在運行的過程中，發(fā)生異?，F(xiàn)象，該技術(shù)就會準確找出故障發(fā)生的位置，并通過報警系統(tǒng)發(fā)生警報提示；可以說，通過機電一體化技術(shù)的應(yīng)用，可以及時發(fā)現(xiàn)機械設(shè)備運行過程中出現(xiàn)的故障，并采取有效的解決措施，保障生產(chǎn)的順利進行。同時，也在一定程度上提高了設(shè)備的使用壽命，為企業(yè)節(jié)省了一定的資金。

（2）液晶聚合物與低損耗純膠疊構(gòu) （LCP +lowDkBS）：其電性佳且制程容易，僅受限于LCP材料產(chǎn)量有限。

（3）聚酰亞胺與低損耗純膠疊構(gòu)（normal PI +lowDkBS）：其電性相對較差，但基板成本相對低，因此在產(chǎn)品電性需求允許范圍，可考慮之選項。

（4）低損耗聚酰亞胺與低損耗純膠疊構(gòu)（low loss PI +lowDkBS）：其電性尚可，但能選用的low loss PI 并且與之可搭配的 lowDkBS材料十分有限。

圖3 高頻多層板疊構(gòu)

2 材料說明與材料測試

2.1 高頻柔性材料現(xiàn)況瓶頸

綜觀現(xiàn)有高頻方案，LCP撓性板基材擁有電性佳的優(yōu)點，但制程難度高，在一般的制程條件下漲縮控制僅能維持在1.0%～2.0%，造成產(chǎn)品線路及阻焊曝光對位與貼片對位困難；此外All LCP疊構(gòu)的剝離力強度化4.9 N，使得多層板可靠性有限。

因此使用液晶聚酰與低損耗純膠疊構(gòu)就成為一優(yōu)先選用的方案，并成為一重要課題。目前用于高頻的純膠不如一般電性能的軟板純膠有較長的量產(chǎn)經(jīng)驗，這些純膠材料在制程上也還有諸多問題（爆板/剝離強度化/對基材有選擇性）有待克服。本文評估五款低損耗純膠，并使用低損耗純膠制作出手機高頻傳輸模塊之三層撓性板產(chǎn)品。

2.2 低損耗純膠原材料電性評比

高頻軟板純膠一般直接貼合在訊號線上，因此其材料電性對傳輸損耗的影響重大。在挑選純膠材料時，首要評估其介電常數(shù)（Dk）及介電損耗（Df）值，并選擇低吸水率的材料。常用高頻軟板純膠（見表1）。其中D純膠與E純膠有最低的Dk值，D純膠有最低的Df值.

2.3 低損耗純膠與基板材料匹配技術(shù)

高頻軟板純膠膠厚除了需與軟板銅厚匹配外，越厚的純膠會降低整體疊構(gòu)的插入損耗。然為了保持良好的動態(tài)撓折性，純膠在滿足電性能的條件下，應(yīng)越薄越好。

除此之外，為滿足手機高可靠性要求，低損耗純膠的選用原則應(yīng)遵循以下兩點：高剝離強度與高耐熱性。如表2所示，僅有其中A的HF**及B的ZI**低損耗純膠與PI 和LCP兩種類型的基板有良好工藝匹配性。在耐熱方面，B純膠顯示優(yōu)異的耐熱性能，由其搭配LCP可通過320 ℃ 30 s。C、D、E純膠則顯示對基板有選擇性， C純膠可PI搭配通過288 ℃ 10 s 耐熱性，D、E純膠與LCP搭配，耐熱性皆可達300 ℃ 以上的優(yōu)異水平。所有純膠與基板在適當(dāng)?shù)呐鋵ο?，皆具備良好的加工性?/p>

3 高頻產(chǎn)品制作

3.1 高頻疊構(gòu)電性仿真

針對高頻高速開發(fā)流程見圖4。使用仿真軟件進行材料、疊構(gòu)及l(fā)ayout輔助設(shè)計，通過仿真結(jié)果修正設(shè)計，以模擬最優(yōu)化電性。確認電性符合需求后，接著進行樣品制作和功能測試。由于高頻傳輸產(chǎn)品電性需匹配客戶手機模塊需求，屬于客制化，從設(shè)計到制作的全流程完善方案，提供給客戶選擇最適合手機模塊的方案。仿真A、B及D三款純膠，比對操作性最佳之A、B純膠，與電性最好的（Dk、Df值最低）D純膠的插入損耗（S21）進行比對，A、B及D純膠在需求傳輸頻段5 GHz時的S21分別為-1.117、-1.183和-1.137 dB，純膠之間的損耗差異小于0.07 dB（見圖5），因此選擇操作性最佳之A、B純膠進行實際產(chǎn)品制作。

表1 高頻軟板中常用低損耗純膠

表2 常用低損耗純膠相關(guān)信息

3.2 測試產(chǎn)品疊構(gòu)說明（三層板射頻（RF）模塊高頻軟板疊構(gòu)）

圖4 高頻高速傳輸線開發(fā)流程圖

圖5 仿真A、B及D三款純膠

由于雙面板對于信號噪聲控制、阻抗的控制、串?dāng)_的控制與EMC控制均存在風(fēng)險，因此樣品設(shè)計三層板疊構(gòu)。三層板采用雙+單疊構(gòu)設(shè)計，信號線在L2層的帶狀線設(shè)計。雖然微帶線有更低的傳輸損耗，為避免受外界信號干擾的影響本產(chǎn)品測試仍采用帶狀線。疊構(gòu)的電源放置于L1層，與信號層分層設(shè)計，過孔采用盲孔設(shè)計。詳細疊構(gòu)與材料如圖6所示，選用A的HF**及B的ZI**低損耗純膠，進行比對測試。

圖6 三層板射頻（RF）傳輸高頻軟板測試疊構(gòu)

3.3 產(chǎn)品電學(xué)性能結(jié)果

為了得到最大功率輸出， 這類產(chǎn)品都有阻抗要求，一般公差都在±10% ，控制線寬進行阻抗調(diào)整。因應(yīng)高頻的產(chǎn)品需求，阻抗公差控制將提升到單線 ：±0.05Ω及雙線：±0.075Ω。本測試阻抗需求為（50±0.1）Ω，線長100 mm，其線寬0.125 mm時阻抗可以達需求。

插入損耗（insertion loss）為衡量高頻傳輸損耗最主要的數(shù)據(jù)之一，傳輸訊號的頻率越高，路徑損耗就越大，這會縮短高頻訊號的無線傳輸距離。例如在戶外空曠環(huán)境里，2.4 GHz無線裝置就比915 MHz裝置多出大約8.4 dB的路徑損耗 。因此傳輸損耗在高頻段，不同材料間的差異會越顯著。對比不同材料在需求頻段時的插入損耗，其值越接近零代表損耗越小。一般常用的wifi 頻段為2.4及5.8 GHz。

實測樣品采用keysight的E5071C網(wǎng)絡(luò)分析儀進行插損實測，采用Murata的同軸連接器，如圖6可以清楚看到，B的插入損耗在1 GHz頻段以后皆優(yōu)于A疊構(gòu)，且使用頻率越高，優(yōu)勢越顯著，見圖7。

圖6 網(wǎng)分儀量測損耗

圖7 A與B純膠插入損耗測試比對

4 總結(jié)

文章提供了RF傳輸?shù)母哳l三層軟板的低損耗純膠+LCP疊構(gòu)方案，此方案可以避免All LCP疊構(gòu)的制程技術(shù)難題。由選材評估顯示，現(xiàn)有市售的低損耗純膠在對不同類型的高頻基板仍有局限性，因此在客戶認證階段需要謹慎評估。其中B純膠顯示優(yōu)異的耐熱性能，由其搭配LCP可通過320℃ 30s熱沖擊，并且兼具良好的工藝匹配性。