高频软性印刷电路板v1

高頻軟性印刷電路板

摘要

電路板產業中的軟性電路板已成為產業成長的主要推動力，伴隨資通訊行動化的產業與技術趨勢，軟板的發展政方興未艾。隨者應用產品功能強化及整合，高寬頻及高速的新一代軟板將被期待成為下一波市場成長的主力，可以想像在高階智慧手機及平板電腦等攜帶式電子裝置的推波助瀾下，高頻軟板的需限將逐漸浮上檯面。本文將就軟板的技術市場趨勢做導入，再從高頻的定義與需求做說明，接著帶出高頻軟板材料的種類與發展，並以高頻軟板應用的重點－阻抗匹配做詳細說明，以強化高頻軟板對材料及製程的相互依存性，最後再將影響高頻訊號傳輸的關鍵要因做陳述。軟板的高頻化已成為軟板產品與技術的必然，這一趨勢將使軟板由材料、製程及設計端都必須做不同的選擇及思考，對軟板的發展將是重要的里程碑，也是軟板產業及業者必須要面對的重要議題，希望本文可以提供大家一個深入此一議題的開端，及早對高頻軟板做佈局與準備。

前言

這些年來隨著資通訊行動化及個人化的發展越趨蓬勃，具有輕量薄型的軟性印刷電路板(軟板－FPC)市場與需求遽增，使得原本在電路板產業中屬於寡眾的軟板一夕成為當紅炸子雞，不僅在市場成長比例增加最快，也在整體產業比例由過去的個位數成長到接近20%。由應用產品的驅動來看，行動通訊的智慧手機及平板電腦已經成為現代人必備工具，恰好這二種終端應用產品使用到的軟板數量最多，一般每支(每台)都會使用超過10塊以上的軟板(圖一及圖二)，在這一股成長勢力及風潮帶動下，軟板的榮景將會再持續好一段時間。

圖一軟板在終端電子產品應用的分類(來源:台新投顧2012.09)

圖二各類資通訊電子產品使用軟板的狀況(來源:台新投顧2012.09)

再由技術發展趨勢來看，隨著終端應用產品的功能整合越來越強、解析度越來要求越高、反應速度必須越來越快、儲存容量越來越大的整體需求下，軟板技術也必須做搭配。因此，軟板高頻高速化、功能化的趨勢發展越發明顯，但不論軟板技術需求如何演進，軟板薄型化是永遠不變的必要。亦即，所有的軟板新技術發展都必須考慮與薄型化一起考慮，因為應用產品的薄型永遠是王道，這也緊緊牽動軟板技術的發展動向。高頻軟板已經是軟板技術的三大趨勢之一，主要在迎合行動通訊電子產品功能的強化及整合，例如，手機整合越來越多的功能，除了一般的聲音及影像功能外，包括照相、藍芽、Wi-Fi、3G上網等，未來包括指紋辨識及各項感測原件的整合進來，使得所需的頻寬是必要增加，當然做為訊號傳輸的軟板高頻高速的需求浮現。電路訊號傳輸的高頻化，基板材料將是主要的關鍵,於是，低介電與低傳輸損失的軟性基板材料，成為這一波軟板高頻化的主要訴求。

高頻的定義與需求

在電路訊號的傳輸領域裏，一般是定義傳輸頻率大於300MHz時稱之為高頻(傳輸波長小於1m的短波)。高頻訊號傳輸需求的動力有以下幾個原因：1.原屬軍事用途的高頻通訊頻道,部分讓給民用(1990‘s)，使遠距高頻通訊、導航、醫療、運輸、交通等迅速發展；2.高保密、高傳輸品質使行動通訊往高頻化發展，高劃質、高傳輸容量使衛星、微波及光纖通訊高頻化；3.計算機技術處理能力增加，訊號記憶容量增大,訊號傳送高速化需求迫切。電子產品的高速高頻化，對於傳輸電路的特性上產生很大的變化。

高頻電路的需求內涵就是傳輸訊號的速度及品質。而影響這二項的主要因素是傳輸材料的電氣特性，亦即材料的介電常數(Dielectric constant)與介電損失(Dielectric loss)，我們由以下的電氣訊號傳輸公式來說明：

Ｖ＝Ｋ×Ｃ/(Ｄk)1/2Ｔd＝Ｌ×(Ｄk)1/2/Ｃ

Transmission Loss＝Ｋ×ｆ×(Ｄk)1/2× tanδ

其中V:訊號傳輸速度；T d:訊號傳輸延遲；C:光速；K:常數；Dk:介電常數(Dielectric constant)；tanδ:介電損失(Df，Dielectric loss)，以高速傳輸來說，若要提高訊號傳速度，必須要有低的材料介電常數；同理，若要降低訊號傳輸的延遲，也一樣要藉由低介電常數的材料來達成。若以訊號傳輸的品質而言，要有優質的訊號傳輸

損失特性，就必須有低的訊號傳輸損失，就必須要有低的材料介電常數及介電損失。一般來說在資訊傳輸應用領域，需要高速的計算處理，介電常數是主要的考量，使用較低介電常數的材料可以達成需求；屬於較高頻(GHz)的通訊應用領域，考慮的是訊號傳輸的品質，所以要同時考慮材料的介電常數及介電損失。我們以訊號傳輸延遲為例，選擇一般FR-4基材(Dk約在4.5)及對比的低介電常數材料(Dk<3.0)做比較,由圖三的示意圖來看，FR-4基板其訊號延遲的時間較低介電基板材料每inch多30ps，若是傳輸線的長度是5 inches，則總體訊號的延遲將多出150ps，這對於講求高速傳輸的電子行動裝置而言，將是一個很大的訊號言持現象。圖四則是不同的介電材料基板與訊號傳輸損失的相關圖示，其中PTFE(Teflon，鐵氟龍)因同時具有低介電特性(Dk約為2.0，Df約為0.002)，所以此種基材的電路板將會具有最低的訊號傳輸損失，尤其是在高頻(>5GHz)下的傳輸損失比較更會有明顯的差異。圖中的Epoxy基板就是傳統所謂的FR-4基板，因具有較高的介電特性(Dk約為4.5，Df約為0.02)，當然呈現出較高的訊號傳輸損失。因為基板材料的介電常數與介電損失是影響訊號傳輸速度與品質的重要因 素，在此再將這二種材料電氣特性稍做一簡單說明：介電常數(Dk)-電極間充以某種物質為介質時的電容與同樣結構以真空為介質時的電容比值。當介電常數大時，表示介質儲存電能能力大，電路中訊號傳輸速度會下降。介電損失(Df)-介電材料在交流電場的作用下，由於發熱而引起的能量損耗。一般介電損失是和介電常數成正比的。

圖三 不同介電基板的訊號傳輸延遲比較(來源:工研院電光所)

圖四 不同介電基板材料訊號傳輸損失的比較

高頻軟板技術與材料

上節中將影響高頻訊號傳輸的要因與材料電氣特性做了說明，本節將以軟板為主題,闡述一下在軟板產業裡關於軟板材料與技術對於高頻的對應與發展。現今最常被拿來做為解決軟板高頻訊號傳輸的軟板材料是液晶高分子材料(Liquid crystalline polymer)，原因無它，就是因為LCP具有高頻傳輸所需的低介電常數(Dk=2.9)及低介電損失(Df=0.001-0.002)。除了具備高頻訊號傳輸的優異電氣特性外，LCP同時也其低吸濕性(吸濕率約為0.01-0.02%，只有一般軟板基材PI的1/10)而使其具有良好的基板高可靠性，過去被認為有機會取代PI，但近年來在市場的能見度依然有限，但近來高頻傳輸的需求浮現，LCP成為軟板基材的呼聲似乎又再起。

2010 JPCA Show Japan Gore-Tex這家公司竟然以LCP軟板材料榮獲展出大賞，推敲原因是近來環保綠色當道，加上節能減碳議題正紅，LCP因屬於熱可塑型材料，可以使用後加熱回收使用(當然其回收效率及成本，是否划算還未定論)，加上LCP材料原本白色的外觀，正好可以做為LED光反射之用，即基板就具備有高反射率之效能，被認為在LED封裝上具有利基。所以可以想見環保的訴求，已經逐漸融入各項新產品開發的進程設計中。而今年的JPCA Show 中日本Primatec公司展出的BIAC RF-Clad(圖五)外，同時展出的還有新日鐵的Expanex L、松電工的FELIOS、Kuraray的Vestar等，都有展出LCP做為軟板基材的樣品。其中YFLEX公司還以Kuraray的LCP材料製作成LCP軟板(圖六)，看來順著這波高頻與環保議題，使得LCP可以奮力一博，找出長久期盼的市場應用機會。另外，Primatec公司還展出以LCP做為FPC補強板的應用，厚度由1-5mil都有，強調具有柔軟及低反彈力特色，也因為LCP的白色而特別適用時LED封裝的應用領域。高頻部份因為智慧手機領導品牌-蘋果的iPhone，經拆解分析後，可以在其所使用的16條FPC中找到2條使用LCP軟板，用於做為高速訊號傳輸的Cable，高頻傳輸的導入行動通訊，在智慧手機這一塊以經逐漸發酵。個人認為，LCP除了需要在成本上與傳統以PI為基材的FPC有競爭外(目前還是LCP較PI 為貴，原因可能在於生產量的問題)，下游FPC業者如何由過去已熟悉的PI基材製程，轉換到LCP材料製程，二者在設備及製程技術上的差異，是否可以順利克服？相信是LCP未來應用成功與否的重要關鍵。

圖五 Japan Gore-Tex的BIAC RF-Clad 圖六 YFLEX的LCP軟板