挠性板的低损耗纯胶与高频基材匹配研究

何明展 徐筱婷 钟福伟 许芳波

（鹏鼎控股(深圳)股份有限公司，广东 深圳 518105）

0 前言

除通讯板外，终端使用的MIPI模块 ，对高频需求也在不断提升，到了2020年对各组件频率需求USB 3.1达5 GHz、内存存储UFS3.0达5.8 GHz、CSI （Camera）与DSI（Display）达1 GHz需求，见图1。基于上述手机发展趋势，对高频模块PCB有新的要求。

1 高频模块挠性PCB的性能特点

1.1 高频模块PCB的传输关键技术指标

图1 高频模块发展趋势 （source:MIPI.ORG/DEVCON, 2018）

高频模块PCB的传输关键技术指标包含：（1）传输损耗为关键性指标；（2）轻薄短小， LCP（液晶聚合物）或低损耗PI（聚酰亚胺）挠性PCB可取代较厚的传统同轴电缆天线传输线，具有更高的空间效率；（3）具有更好柔性达到更小的弯折半径，提高空间利用率和弯折产品可靠性；（4）多层化也是高频高速传输PCB发展的主力方向，例如在多家品牌手机中的摄像头模块多层结构，并且可以自由弯曲和成型；（5）高密度与集成化，随着5G的发展和推动，频段的增加及速率的提升的需求带来更多的天线及MIMO的需求，传输线的设计方式也从单一信道演变为多线传输。 为达到这些需求，PCB从新材料、新技术、新产品结构等领域做出变革，以实现高频传输发展趋势。

1.2 高频传输关键损耗影响因子

想要实现上述的高频高速传输，最关键的就是低损耗因子的介质层材料。随使用频率越高，讯号传播路损也提高，尤其在3 GHz以上频率，介质损耗的影响远大于导体损耗的影响，可由图2（a）显示 。

由图2（b）介质损耗公式所示，当传输频率越高，或是当绝缘层材料的介电常数（Dk）及介电损耗（Df）值越高，介质损耗就越大。此外，材料的介电常数也直接影响到阻抗的控制，例如当使用到介电常数大的材料时（如FR-4的Dk4.2），就需减小导体宽（W）和增加介质层厚（h）来维持阻抗的控制，过细的线路会使制程难度提高，降低良率，而介质过厚不只使层间导通孔电镀不易，成为技术开发瓶颈，也违背了产品轻薄短小的趋势。

当阻抗不匹配时，信号反射大幅增加，例如当端口阻抗为50Ω，互连阻抗为60Ω时，最坏情况会有9.1%的能量被反射，这使插入损耗也增大。因此，对于PCB的阻抗控制亦是高频板的管控重点，在加工和设计时我们一般控制的主要因素有：（1）Dk—介电常数，（2）H—介质厚度,（3）W—导线宽度，（4）t—导线厚度，（5）线路种类。

图2 (a) 传输线中的导线损耗和介质损耗关系图 (b) 特性阻抗Z0

1.3 多层板需求与连接方式（All LCP/LCP +BS/PI+BS ）

高频段的使用越来越广泛，为了降低损耗，而增厚介质层；再者高阶手机倾向使用多合一的讯号传输板与高集成化的模组板，以提高空间利用率。这些革新皆使得连接层（纯胶）需求增大。

目前多层高频传输板有几种叠构，见图3。

（1）全液晶聚合物叠构（All LCP）：电性最佳，但有以下三个主要问题：①涨缩控制不易；②压合需要高于290℃高温，制造多层板多次压合后材料容易脆化；③LCP 剥离强度偏低（原材料规格4.9 N）。导致制程操作难度高，成本高且多层板可靠性较差。

将机电一体化技术充分应用个到工程机械工作装置中，可通过该技术对机械工程的传统系统、发动机、液压系统、制动系统等情况进行实时监控，一旦其在运行的过程中，发生异常现象，该技术就会准确找出故障发生的位置，并通过报警系统发生警报提示；可以说，通过机电一体化技术的应用，可以及时发现机械设备运行过程中出现的故障，并采取有效的解决措施，保障生产的顺利进行。同时，也在一定程度上提高了设备的使用寿命，为企业节省了一定的资金。

（2）液晶聚合物与低损耗纯胶叠构 （LCP +lowDkBS）：其电性佳且制程容易，仅受限于LCP材料产量有限。

（3）聚酰亚胺与低损耗纯胶叠构（normal PI +lowDkBS）：其电性相对较差，但基板成本相对低，因此在产品电性需求允许范围，可考虑之选项。

（4）低损耗聚酰亚胺与低损耗纯胶叠构（low loss PI +lowDkBS）：其电性尚可，但能选用的low loss PI 并且与之可搭配的 lowDkBS材料十分有限。

图3 高频多层板叠构

2 材料说明与材料测试

2.1 高频柔性材料现况瓶颈

综观现有高频方案，LCP挠性板基材拥有电性佳的优点，但制程难度高，在一般的制程条件下涨缩控制仅能维持在1.0%～2.0%，造成产品线路及阻焊曝光对位与贴片对位困难；此外All LCP叠构的剥离力强度化4.9 N，使得多层板可靠性有限。

因此使用液晶聚酰与低损耗纯胶叠构就成为一优先选用的方案，并成为一重要课题。目前用于高频的纯胶不如一般电性能的软板纯胶有较长的量产经验，这些纯胶材料在制程上也还有诸多问题（爆板/剥离强度化/对基材有选择性）有待克服。本文评估五款低损耗纯胶，并使用低损耗纯胶制作出手机高频传输模块之三层挠性板产品。

2.2 低损耗纯胶原材料电性评比

高频软板纯胶一般直接贴合在讯号线上，因此其材料电性对传输损耗的影响重大。在挑选纯胶材料时，首要评估其介电常数（Dk）及介电损耗（Df）值，并选择低吸水率的材料。常用高频软板纯胶（见表1）。其中D纯胶与E纯胶有最低的Dk值，D纯胶有最低的Df值.

2.3 低损耗纯胶与基板材料匹配技术

高频软板纯胶胶厚除了需与软板铜厚匹配外，越厚的纯胶会降低整体叠构的插入损耗。然为了保持良好的动态挠折性，纯胶在满足电性能的条件下，应越薄越好。

除此之外，为满足手机高可靠性要求，低损耗纯胶的选用原则应遵循以下两点：高剥离强度与高耐热性。如表2所示，仅有其中A的HF**及B的ZI**低损耗纯胶与PI 和LCP两种类型的基板有良好工艺匹配性。在耐热方面，B纯胶显示优异的耐热性能，由其搭配LCP可通过320 ℃ 30 s。C、D、E纯胶则显示对基板有选择性， C纯胶可PI搭配通过288 ℃ 10 s 耐热性，D、E纯胶与LCP搭配，耐热性皆可达300 ℃ 以上的优异水平。所有纯胶与基板在适当的配对下，皆具备良好的加工性。

3 高频产品制作

3.1 高频叠构电性仿真

针对高频高速开发流程见图4。使用仿真软件进行材料、叠构及layout辅助设计，通过仿真结果修正设计，以模拟最优化电性。确认电性符合需求后，接着进行样品制作和功能测试。由于高频传输产品电性需匹配客户手机模块需求，属于客制化，从设计到制作的全流程完善方案，提供给客户选择最适合手机模块的方案。仿真A、B及D三款纯胶，比对操作性最佳之A、B纯胶，与电性最好的（Dk、Df值最低）D纯胶的插入损耗（S21）进行比对，A、B及D纯胶在需求传输频段5 GHz时的S21分别为-1.117、-1.183和-1.137 dB，纯胶之间的损耗差异小于0.07 dB（见图5），因此选择操作性最佳之A、B纯胶进行实际产品制作。

表1 高频软板中常用低损耗纯胶

表2 常用低损耗纯胶相关信息

3.2 测试产品叠构说明（三层板射频（RF）模块高频软板叠构）

图4 高频高速传输线开发流程图

图5 仿真A、B及D三款纯胶

由于双面板对于信号噪声控制、阻抗的控制、串扰的控制与EMC控制均存在风险，因此样品设计三层板叠构。三层板采用双+单叠构设计，信号线在L2层的带状线设计。虽然微带线有更低的传输损耗，为避免受外界信号干扰的影响本产品测试仍采用带状线。叠构的电源放置于L1层，与信号层分层设计，过孔采用盲孔设计。详细叠构与材料如图6所示，选用A的HF**及B的ZI**低损耗纯胶，进行比对测试。

图6 三层板射频（RF）传输高频软板测试叠构

3.3 产品电学性能结果

为了得到最大功率输出， 这类产品都有阻抗要求，一般公差都在±10% ，控制线宽进行阻抗调整。因应高频的产品需求，阻抗公差控制将提升到单线 ：±0.05Ω及双线：±0.075Ω。本测试阻抗需求为（50±0.1）Ω，线长100 mm，其线宽0.125 mm时阻抗可以达需求。

插入损耗（insertion loss）为衡量高频传输损耗最主要的数据之一，传输讯号的频率越高，路径损耗就越大，这会缩短高频讯号的无线传输距离。例如在户外空旷环境里，2.4 GHz无线装置就比915 MHz装置多出大约8.4 dB的路径损耗 。因此传输损耗在高频段，不同材料间的差异会越显着。对比不同材料在需求频段时的插入损耗，其值越接近零代表损耗越小。一般常用的wifi 频段为2.4及5.8 GHz。

实测样品采用keysight的E5071C网络分析仪进行插损实测，采用Murata的同轴连接器，如图6可以清楚看到，B的插入损耗在1 GHz频段以后皆优于A叠构，且使用频率越高，优势越显著，见图7。

图6 网分仪量测损耗

图7 A与B纯胶插入损耗测试比对

4 总结

文章提供了RF传输的高频三层软板的低损耗纯胶+LCP叠构方案，此方案可以避免All LCP叠构的制程技术难题。由选材评估显示，现有市售的低损耗纯胶在对不同类型的高频基板仍有局限性，因此在客户认证阶段需要谨慎评估。其中B纯胶显示优异的耐热性能，由其搭配LCP可通过320℃ 30s热冲击，并且兼具良好的工艺匹配性。