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        超低損耗空氣電路板的工藝研究

        2019-04-20 03:38:10何明展胡先欽沈芾云徐筱婷
        印制電路信息 2019年4期
        關(guān)鍵詞:電性傳輸線制程

        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、個人AI 助手、智慧城市等將成為5 G 十大最具潛力的應用場景。到2025年預計將有1,000億個5 G設備連接。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,對高頻應用不利,且添加填料或聚四氟乙烯(PTFE),導致制程難度增加,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)板設計機理

        當前最熱門的高頻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)應用在傳輸線當中,充當部分介質(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)由通孔導通接地,表面安裝用焊盤均設計在L1層。訊號線采單線設計,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計,以及電磁屏蔽接地(EMI GND)的布置。(如圖6說明)在設計迭構(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通內(nèi)外層導通層;(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。

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