iPhoneX 天線采用的LCP究竟是一種怎樣的材料呢？

iPhone X 天線采用了LCP？這個(gè)LCP是一種怎樣的材料呢？又為什么能取代PI？

一、無(wú)線連接技術(shù)的發(fā)展，促使天線行業(yè)的快速成長(zhǎng)

智能手機(jī)是當(dāng)今世界上使用最廣泛、最通用的電子設(shè)備。據(jù)IHS預(yù)計(jì)，自2017年起全球智能手機(jī)年出貨量將超過(guò)15億部。當(dāng)前市場(chǎng)上用戶更關(guān)注手機(jī)的功能，如屏幕、相機(jī)、內(nèi)存、處理器和軟件等；而位于射頻前端的天線由于處于遠(yuǎn)離用戶的通信技術(shù)底層，因此通常會(huì)被用戶忽略，但它實(shí)際上正是智能手機(jī)的關(guān)鍵。作為無(wú)線通信不可缺少的基礎(chǔ)一環(huán)，天線的技術(shù)革新是推動(dòng)無(wú)線連接向前發(fā)展的核心引擎之一。在5G和物聯(lián)網(wǎng)趨勢(shì)下，天線是未來(lái)成長(zhǎng)最快且最確定的行業(yè)之一。

天線是用于收發(fā)射頻信號(hào)的無(wú)源器件，決定了通信質(zhì)量、信號(hào)功率、信號(hào)帶寬、連接速度等通信指標(biāo)，因此是通信系統(tǒng)的核心。智能手機(jī)包含的Cellular（LTE/ TD-SCDMA/ FD-SCDMA/ WCDMA/ CDMA2000/ GSM等）、BT、Wi-Fi、GPS、NFC等諸多射頻前端功能模塊使得文字／語(yǔ)音／視頻通信、上網(wǎng)、音視頻瀏覽、定位、文件傳輸、刷卡、廣播等應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)，而這些功能的實(shí)現(xiàn)又直接依賴于天線進(jìn)行信號(hào)的發(fā)射與接收，因此天線成為終端設(shè)備無(wú)線通信的重要基礎(chǔ)。以iPhone 6s為例，其通信模塊包括：2/3/4G Cellular模塊，用于無(wú)線局域網(wǎng)連接的Wi-Fi模塊，用于無(wú)線私域網(wǎng)連接的BT模塊（藍(lán)牙模塊），用于全球定位系統(tǒng)的GPS模塊，以及用于近場(chǎng)通信的NFC模塊（功能包括信息識(shí)別、文件傳輸、刷卡消費(fèi)等）。

圖 iphone 6s天線構(gòu)架及其Cellular/WIFI/BT/GPS/NFC天線設(shè)計(jì)

二、軟板是終端天線主流工藝

終端設(shè)備天線具有多樣化的應(yīng)用環(huán)境和工藝方案，軟板已成為主流工藝。按照在通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，天線可分為網(wǎng)絡(luò)覆蓋傳輸天線和終端天線。其中網(wǎng)絡(luò)覆蓋傳輸天線主要為基站天線，終端天線即無(wú)線通信終端天線，主要包括手機(jī)天線、手機(jī)電視天線、筆記本電腦天線、數(shù)據(jù)卡天線、AP 天線、GPS天線等。對(duì)于智能手機(jī)天線應(yīng)用，隨著手機(jī)外觀設(shè)計(jì)的一體化和內(nèi)部設(shè)計(jì)的集成化，手機(jī)天線已從早期的外置天線發(fā)展為內(nèi)置天線，并且形成了以軟板為主流工藝的市場(chǎng)格局，目前軟板天線市場(chǎng)占有率已超過(guò)7成。

圖 天線分類以及智能手機(jī)主流天線工藝方案比較

軟板又名柔性電路板，是以柔性覆銅板（FCCL）制成的一種具有高度可靠性，絕佳可撓性的印刷電路板，具有配線密度高、重量輕、厚度薄、彎折性好的特點(diǎn)。軟板的應(yīng)用幾乎涉及所有電子產(chǎn)品，如硬盤驅(qū)動(dòng)器的帶狀引線、汽車電子、照相機(jī)、數(shù)碼 攝像機(jī)、儀器儀表、辦公自動(dòng)化設(shè)備、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。對(duì)于智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦等，軟板被用于制造射頻天線和高速傳輸線。隨著手機(jī)、平板、筆記本電腦和可穿戴設(shè)備等高端小型化電子產(chǎn)品的發(fā)展，對(duì)軟板的需求越來(lái)越大，市場(chǎng)空間已超120億美元。

圖 軟板在智能手機(jī)、筆記本電腦中的應(yīng)用舉例

三、傳統(tǒng)軟板遭遇瓶頸，LCP成為新的軟板工藝

從通信網(wǎng)絡(luò)到終端應(yīng)用，通信頻率全面高頻化，高速大容量應(yīng)用層出不窮。近年來(lái)隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)從4G向5G過(guò)渡，網(wǎng)絡(luò)頻率不斷提升。根據(jù)5G發(fā)展路線圖，未來(lái)通信頻率將分兩個(gè)階段進(jìn)行提升。第一階段的目標(biāo)是在2020年前將通信頻率提升到6GHz，第二階段的目標(biāo)是在2020年后進(jìn)一步提升到30-60GHz。在市場(chǎng)應(yīng)用方面，智能手機(jī)等終端天線的信號(hào)頻率不斷提升，高頻應(yīng)用越來(lái)越多，高速大容量的需求也越來(lái)越多。為適應(yīng)當(dāng)前從無(wú)線網(wǎng)絡(luò)到終端應(yīng)用的高頻高速趨勢(shì)，軟板作為終端設(shè)備中的天線和傳輸線，亦將迎來(lái)技術(shù)升級(jí)。

圖 2017-2025年期間，終端應(yīng)用的通信頻率和數(shù)據(jù)速率不斷提高

圖 左：軟板數(shù)據(jù)傳輸速度增長(zhǎng)示意圖，右：尺寸、數(shù)據(jù)容量變化趨勢(shì)

傳統(tǒng)軟板具有由銅箔、絕緣基材、覆蓋層等構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)，使用銅箔作為導(dǎo)體電路材料，PI膜作為電路絕緣基材，PI膜和環(huán)氧樹脂粘合劑作為保護(hù)和隔離電路的覆蓋層，經(jīng)過(guò)一定的制程加工成PI軟板。由于絕緣基材的性能決定了軟板最終的物理性能和電性能，為了適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)景和不同功能，軟板需要采用各種性能特點(diǎn)的基材。目前應(yīng)用較多的軟板基材主要是聚酰亞胺(PI)，但是由于PI基材的介電常數(shù)和損耗因子較大、吸潮性較大、可靠性較差，因此PI軟板的高頻傳輸損耗嚴(yán)重、結(jié)構(gòu)特性較差，已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)當(dāng)前的高頻高速趨勢(shì)。

圖 PI軟板與LCP軟板的剖面結(jié)構(gòu)

液晶聚合物(LCP)是一種新型熱塑性有機(jī)材料，可在保證較高可靠性的前提下實(shí)現(xiàn)高頻高速軟板。LCP具有優(yōu)異的電學(xué)特征：（1）在高達(dá)110GHz的全部射頻范圍幾乎能保持恒定的介電常數(shù)，一致性好；（2）正切損耗非常小，僅為0.002，即使在110 GHz時(shí)也只增加到0.0045，非常適合毫米波應(yīng)用；（3）熱膨脹特性非常小，可作為理想的高頻封裝材料。目前LCP主要應(yīng)用在高頻電路基板、COF基板、多層板、IC封裝、u-BGA、高頻連接器、天線、揚(yáng)聲器基板等領(lǐng)域。隨著高頻高速應(yīng)用趨勢(shì)的興起，LCP將替代PI成為新的軟板工藝。

圖 LCP軟板相比PI軟板更具優(yōu)勢(shì)

四、替代PI軟板和同軸電纜，LCP軟板可實(shí)現(xiàn)更高程度的小型化

隨著全面屏、更多功能組件、更大電池容量等趨勢(shì)持續(xù)壓縮手機(jī)空間，天線可用設(shè)計(jì)空間越來(lái)越小，天線小型化需求日益迫切。（1）全面屏并不意味手機(jī)有更多主板空間，雖然手機(jī)長(zhǎng)寬變大，但厚度繼續(xù)下降。（2）智能手機(jī)集成的功能組件越來(lái)越多，比如傳感器和攝像頭等，擠占了寶貴空間。（3）更大屏幕尺寸和更多功能組件對(duì)電量的消耗急劇增加，而電池密度通常每年只增加10%，增加的電能需求使電池體積越來(lái)越大。以上三點(diǎn)變化的結(jié)果是，盡管智能手機(jī)被加入更多的射頻功能，但是天線的空間卻保持不變，甚至被壓縮。因此，智能手機(jī)廠商對(duì)高集成度天線模組的需求也越來(lái)越強(qiáng)烈。

圖 近十年手機(jī)厚度變化和手機(jī)天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)小型化趨勢(shì)

LCP軟板具有更好的柔性性能，相比PI軟板可進(jìn)一步提高空間利用率。柔性電子可利用更小的彎折半徑進(jìn)一步輕薄化，因此對(duì)柔性的追求也是小型化的體現(xiàn)。以電阻變化大于10%為判斷依據(jù)，同等實(shí)驗(yàn)條件下，LCP軟板相比傳統(tǒng)的PI軟板可以耐受更多的彎折次數(shù)和更小的彎折半徑，因此LCP軟板具有更好的柔性性能和產(chǎn)品可靠性。優(yōu)良的柔性性能使LCP軟板可以自由設(shè)計(jì)形狀，從而充分利用智能手機(jī)中的狹小空間，進(jìn)一步提高空間利用效率。以村田制作所的MetroCirc產(chǎn)品為例，對(duì)于跨越電池的軟板連線，其LCP軟板可以完美貼合，而傳統(tǒng)PI軟板在回彈效應(yīng)的影響下無(wú)法較好的貼合電池表面，造成空間浪費(fèi)。

圖 LCP軟板相比PI軟板具有更好的柔性性能，進(jìn)一步提高空間利用率和軟板可靠性

LCP軟板替代天線傳輸線可減小65%厚度，進(jìn)一步提高空間利用率。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)使用天線傳輸線（同軸電纜）將信號(hào)從天線傳輸?shù)街靼?，隨著多模多頻技術(shù)的發(fā)展，在狹小空間內(nèi)放置多根天線傳輸線的需求愈發(fā)迫切。LCP軟板擁有與天線傳輸線同等優(yōu)秀的傳輸損耗，可在僅0.2毫米的3層結(jié)構(gòu)中攜帶若干根傳輸線，并將多個(gè)射頻線一并引出，從而取代肥厚的天線傳輸線和同軸連接器，并減小65％的厚度，具有更高的空間效率。

圖LCP軟板替代天線傳輸線，具有更高的空間效率