超低損耗空氣電路板的工藝研究

何明展 胡先欽 沈芾云 徐筱婷

（鵬鼎控股（深圳）股份有限公司，廣東 深圳 518105）

1 撓性高頻傳輸線

1.1 高頻需求

隨著5 G商用化進程的推進，人工智能（AI）、自動駕駛、物聯(lián)網(wǎng)，工業(yè)4.0等科技技術(shù)及服務(wù)也都益。VR/AR（虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實）、車聯(lián)網(wǎng)、智能制造、智能能源、無線醫(yī)療、無線家庭娛樂、聯(lián)網(wǎng)無人機、社交網(wǎng)絡(luò)、個人AI 助手、智慧城市等將成為5 G 十大最具潛力的應(yīng)用場景。到2025年預(yù)計將有1,000億個5 G設(shè)備連接。高頻高速相關(guān)材料與傳輸領(lǐng)域必定會隨之更受到矚目。

根據(jù)2018年中信建投證卷數(shù)據(jù)顯示，過去iPhone X總共使用了多片高頻電路板，用于上部天線、下部天線、中繼天線和攝像頭模塊等。其中，兩個LCP天線位于頂部和底部，用于將信號從主板末端傳遞到上部和下部天線；中繼線位于主板上，用于中繼線路板兩側(cè)的電話信號。最新的iPhone XR、iPhone XS和iPhone XS Max，更是均配備六片隨著全面屏、更多功能組件及更大電池容量驅(qū)使持續(xù)壓縮手機空間，天線可用空間越來越小，天線小型化需求日益迫切。據(jù)臺灣電路板協(xié)會公布統(tǒng)計，若以1年15億只5 G智能型手機預(yù)估，每只智能型手機初估使用1～2片之LCP軟板，則每年將有30億片以上之手機LCP軟板需求，未來市場值可望達到數(shù)十億美元規(guī)模以上（如圖1）。

1.2 撓性電路板優(yōu)勢

傳統(tǒng)的同軸電纜傳輸，在電子產(chǎn)品輕薄需求下，出現(xiàn)使用電路板傳輸線取代的趨勢，實測厚度可以下降超過66% [如圖2(a)(b)]。文獻指出，當(dāng)同軸電纜傳輸線用柔性電路板取代時，可以節(jié)省65% 體積，文中也證實電路板傳輸線的使用能降低整體手機厚度，這讓許多高階手機終端趨之若鶩（如圖2）。

1.3 高頻柔性基材現(xiàn)況瓶頸

目前這類超薄型高頻傳輸疊構(gòu)如圖3所示，訊號線四周被絕緣層基材包覆，因此絕緣層的介電性能決定了傳輸損耗，尤其在高頻段使用下，更為顯著。目前軟板高頻材料有以下三大類：

圖1 iPhone X LCP傳輸線解說圖 （資料來源：中信建投證券，2018）

圖2 同軸電纜與電路板傳輸線

圖3 電路板傳輸線示意圖

1.3.1 液晶高分子（LCP）軟板基材

電性佳，但制程難度高，價格昂貴，且目前全球僅有每月約五十萬平方米的軟板基材產(chǎn)能，十分有限；此外LCP軟板的剝離力不佳，造成多層板信賴性有限。

1.3.2 高頻改性PI（Modified PI）軟板基材

吸水率高，對高頻應(yīng)用不利，且添加填料或聚四氟乙烯（PTFE），導(dǎo)致制程難度增加，且影響軟板撓折特性。

1.3.3 聚醚醚酮（PEEK）軟板基材

目前供貨來源數(shù)量極少，使用275～350 ℃高溫與銅箔進行壓合（熱塑性材料），使基材產(chǎn)品翹曲，平整性不佳如圖3、見表1所示。

2 空氣介質(zhì)板設(shè)計機理

當(dāng)前最熱門的高頻LCP材料（Dk2.9），我們知道自然界最小的介電常數(shù)是真空ε0，最接近的就是空氣，如果可以借由空氣這種介質(zhì)應(yīng)用在傳輸線當(dāng)中，充當(dāng)部分介質(zhì)，將大幅度提升傳輸線的性能，減少介質(zhì)的損耗。正是基于這樣的理念，

3 測試流程與方法

3.1 本實驗實施樣品及3D模擬疊構(gòu)圖

本實驗所有F C C L 介質(zhì)均使用聚酰亞胺（Polyimide），所使用迭構(gòu)采單+雙之三層板結(jié)構(gòu)，迭構(gòu)中L1-3接地區(qū)由通孔導(dǎo)通接地，表面安裝用焊盤均設(shè)計在L1層。訊號線采單線設(shè)計，阻抗需求為50±2.5Ω，訊號線全長為99.8 mm，測試板寬度為3.2 mm。

本實驗仿真支撐區(qū)材料、電路設(shè)計（Layout）與電性如圖5所示。每2 mm長度的訊號線空氣簍空區(qū)間，設(shè)置一0.4 mm寬的感光型覆蓋膜（PICL）局部支撐區(qū)，以加強產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強度，并同時維持優(yōu)異的電性表現(xiàn)（如圖5）。

3.2 產(chǎn)品訊號線連接頭與接地設(shè)計要點

優(yōu)良的電性傳輸需要連接處阻抗匹配與正確的接地設(shè)計，才不會影響損耗的表現(xiàn)或是出現(xiàn)諧振點。其中主要在零件與信號線之間的過孔設(shè)計，以及電磁屏蔽接地（EMI GND）的布置。（如圖6說明）在設(shè)計迭構(gòu)的同時，產(chǎn)品的制作可我們開發(fā)高速傳輸線，來解決目前使用高頻LCP的困局。如圖4（a）是開發(fā)的空氣介質(zhì)傳輸線結(jié)構(gòu)，（b）是不同介電材料的電性數(shù)據(jù)比較。行性以及產(chǎn)品的平整性也需要列入全盤性考慮。

表1 三大類高頻柔性基材現(xiàn)況比對

圖4 （a）本方案疊構(gòu)示意截面圖；（b）關(guān)鍵材料說明與習(xí)知材料電性比對

圖5 （a）3D 俯視圖（b）空氣區(qū)與支撐區(qū)截面圖

圖6 連接處阻抗匹配與接地設(shè)計要點

3.3 制作流程

三層空氣電路板制造流程與一般電路板制造流程相同。（1）取一單面軟性銅箔基板（FCCL）；（2）接著進行內(nèi)層線路制作；（3）壓合上外層覆銅板；（4）鉆孔進行孔金屬化導(dǎo)通內(nèi)外層導(dǎo)通層；（5）外層線路制作；（6）在外層覆蓋上防焊、覆蓋膜及表面處理（如圖7）。

3.4 空氣 電路板 傳輸線與LCP傳輸損號實際對比

從圖8的插入損耗圖可以清楚比較，圖8（a）為三層空氣電路板傳輸線疊構(gòu)與目前高頻最優(yōu)的LCP材料（b）為三層板 LCP 電路板傳輸線疊構(gòu)相比，在2.5 GHz時（常用的wifi頻段），本實驗發(fā)明板損耗為0.464 dB，LCP電路板傳輸線損耗為0.845 dB，與目前電性最優(yōu)異的LCP（Dk/Df= 2.9/0.002）比較，使用空氣電路板傳輸線的傳輸損耗可以降低82%。

4 結(jié)果與討論

4.1 關(guān)鍵制程說明

空氣電路板傳輸線制造在第三項壓合流程，因為有空氣層，所以在制程上，本實驗突破三項技術(shù)瓶頸：

圖7 三層空氣電路板制造流程圖

圖8 插入損耗（S21）模擬（a）三層空氣電路板傳輸線；（b）三層LCP電路板傳輸線

圖9 （a）優(yōu)化前的產(chǎn)品截面圖；（b）壓合模具說明與優(yōu)化后產(chǎn)品截面圖

（1）感光覆蓋膜（PICL）阻膠+薄膠設(shè)計：為了防止空氣區(qū)塌陷，內(nèi)層線路制作完成后，先使用感光覆蓋膜成形在GND上，在用薄膠壓合外層覆銅板，此法可以避免厚膠壓合時溢流填充空腔。

（2）膠內(nèi)縮設(shè)計：膠在壓合固化前，因溫度上升會出現(xiàn)最低黏度，這時膠會溢流到空腔，所以layout設(shè)計時，建議0.2 mm。

（3）壓合制具：壓合制具保護再簍空區(qū)，使壓合后不塌陷，用以維持電性（如圖9）。

4.2 良率控管關(guān)鍵

（1）內(nèi)層線路形成后，要做表面處理，避免線路氧化。（2）訊號線（S）到接地線（GND）距離：有時受限于客戶選材限制，可于layout減少空氣槽寬度（即訊號線（S）到接地線（GND）距離），以防止空氣槽壓合塌陷。

5 總結(jié)

本文提供一種在高頻高速傳輸產(chǎn)品需求爆發(fā)，然而高頻材料不足的制程新思路。以突破日系PCB原材料長期壟斷市場之窘境，打破全球原依賴日系的供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)，“在不打擾競爭對手”的理念下，制作滿足客戶多元化需求的PCB產(chǎn)品。