何明展 胡先钦 沈芾云 徐筱婷

（鹏鼎控股（深圳）股份有限公司，广东 深圳 518105）

1 挠性高频传输线

1.1 高频需求

随着5 G商用化进程的推进，人工智能（AI）、自动驾驶、物联网，工业4.0等科技技术及服务也都益。VR/AR（虚拟现实/增强现实）、车联网、智能制造、智能能源、无线医疗、无线家庭娱乐、联网无人机、社交网络、个人AI 助手、智慧城市等将成为5 G 十大最具潜力的应用场景。到2025年预计将有1,000亿个5 G设备连接。高频高速相关材料与传输领域必定会随之更受到瞩目。

根据2018年中信建投证卷数据显示，过去iPhone X总共使用了多片高频电路板，用于上部天线、下部天线、中继天线和摄像头模块等。其中，两个LCP天线位于顶部和底部，用于将信号从主板末端传递到上部和下部天线；中继线位于主板上，用于中继线路板两侧的电话信号。最新的iPhone XR、iPhone XS和iPhone XS Max，更是均配备六片随着全面屏、更多功能组件及更大电池容量驱使持续压缩手机空间，天线可用空间越来越小，天线小型化需求日益迫切。据台湾电路板协会公布统计，若以1年15亿只5 G智能型手机预估，每只智能型手机初估使用1～2片之LCP软板，则每年将有30亿片以上之手机LCP软板需求，未来市场值可望达到数十亿美元规模以上（如图1）。

1.2 挠性电路板优势

传统的同轴电缆传输，在电子产品轻薄需求下，出现使用电路板传输线取代的趋势，实测厚度可以下降超过66% [如图2(a)(b)]。文献指出，当同轴电缆传输线用柔性电路板取代时，可以节省65% 体积，文中也证实电路板传输线的使用能降低整体手机厚度，这让许多高阶手机终端趋之若鹜（如图2）。

1.3 高频柔性基材现况瓶颈

目前这类超薄型高频传输叠构如图3所示，讯号线四周被绝缘层基材包覆，因此绝缘层的介电性能决定了传输损耗，尤其在高频段使用下，更为显着。目前软板高频材料有以下三大类：

图1 iPhone X LCP传输线解说图 （资料来源：中信建投证券，2018）

图2 同轴电缆与电路板传输线

图3 电路板传输线示意图

1.3.1 液晶高分子（LCP）软板基材

电性佳，但制程难度高，价格昂贵，且目前全球仅有每月约五十万平方米的软板基材产能，十分有限；此外LCP软板的剥离力不佳，造成多层板信赖性有限。

1.3.2 高頻改性PI（Modified PI）软板基材

吸水率高，对高频应用不利，且添加填料或聚四氟乙烯（PTFE），导致制程难度增加，且影响软板挠折特性。

1.3.3 聚醚醚酮（PEEK）软板基材

目前供货来源数量极少，使用275～350 ℃高温与铜箔进行压合（热塑性材料），使基材产品翘曲，平整性不佳如图3、见表1所示。

2 空气介质板设计机理

当前最热门的高频LCP材料（Dk2.9），我们知道自然界最小的介电常数是真空ε0，最接近的就是空气，如果可以借由空气这种介质应用在传输线当中，充当部分介质，将大幅度提升传输线的性能，减少介质的损耗。正是基于这样的理念，

3 测试流程与方法

3.1 本实验实施样品及3D模拟叠构图

本实验所有F C C L 介质均使用聚酰亚胺（Polyimide），所使用迭构采单+双之三层板结构，迭构中L1-3接地区由通孔导通接地，表面安装用焊盘均设计在L1层。讯号线采单线设计，阻抗需求为50±2.5Ω，讯号线全长为99.8 mm，测试板宽度为3.2 mm。

本实验仿真支撑区材料、电路设计（Layout）与电性如图5所示。每2 mm长度的讯号线空气篓空区间，设置一0.4 mm宽的感光型覆盖膜（PICL）局部支撑区，以加强产品结构强度，并同时维持优异的电性表现（如图5）。

3.2 产品讯号线连接头与接地设计要点

优良的电性传输需要连接处阻抗匹配与正确的接地设计，才不会影响损耗的表现或是出现谐振点。其中主要在零件与信号线之间的过孔设计，以及电磁屏蔽接地（EMI GND）的布置。（如图6说明）在设计迭构的同时，产品的制作可我们开发高速传输线，来解决目前使用高频LCP的困局。如图4（a）是开发的空气介质传输线结构，（b）是不同介电材料的电性数据比较。行性以及产品的平整性也需要列入全盘性考虑。

表1 三大类高频柔性基材现况比对

图4 （a）本方案叠构示意截面图；（b）关键材料说明与习知材料电性比对

图5 （a）3D 俯视图（b）空气区与支撑区截面图

图6 连接处阻抗匹配与接地设计要点

3.3 制作流程

三层空气电路板制造流程与一般电路板制造流程相同。（1）取一单面软性铜箔基板（FCCL）；（2）接着进行内层线路制作；（3）压合上外层覆铜板；（4）钻孔进行孔金属化导通内外层导通层；（5）外层线路制作；（6）在外层覆盖上防焊、覆盖膜及表面处理（如图7）。

3.4 空气 电路板 传输线与LCP传输损号实际对比

从图8的插入损耗图可以清楚比较，图8（a）为三层空气电路板传输线叠构与目前高频最优的LCP材料（b）为三层板 LCP 电路板传输线叠构相比，在2.5 GHz时（常用的wifi频段），本实验发明板损耗为0.464 dB，LCP电路板传输线损耗为0.845 dB，与目前电性最优异的LCP（Dk/Df= 2.9/0.002）比较，使用空气电路板传输线的传输损耗可以降低82%。

4 结果与讨论

4.1 关键制程说明

空气电路板传输线制造在第三项压合流程，因为有空气层，所以在制程上，本实验突破三项技术瓶颈：

图7 三层空气电路板制造流程图

图8 插入损耗（S21）模拟（a）三层空气电路板传输线；（b）三层LCP电路板传输线

图9 （a）优化前的产品截面图；（b）压合模具说明与优化后产品截面图

（1）感光覆盖膜（PICL）阻胶+薄胶设计：为了防止空气区塌陷，内层线路制作完成后，先使用感光覆盖膜成形在GND上，在用薄胶压合外层覆铜板，此法可以避免厚胶压合时溢流填充空腔。

（2）胶内缩设计：胶在压合固化前，因温度上升会出现最低黏度，这时胶会溢流到空腔，所以layout设计时，建议0.2 mm。

（3）压合制具：压合制具保护再篓空区，使压合后不塌陷，用以维持电性（如图9）。

4.2 良率控管关键

（1）内层线路形成后，要做表面处理，避免线路氧化。（2）讯号线（S）到接地线（GND）距离：有时受限于客户选材限制，可于layout减少空气槽宽度（即讯号线（S）到接地线（GND）距离），以防止空气槽压合塌陷。

5 总结

本文提供一种在高频高速传输产品需求爆发，然而高频材料不足的制程新思路。以突破日系PCB原材料长期垄断市场之窘境，打破全球原依赖日系的供应链结构，“在不打扰竞争对手”的理念下，制作满足客户多元化需求的PCB产品。