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

一、無線連接技術的發展，促使天線行業的快速成長

智能手機是當今世界上使用最廣泛、最通用的電子設備。據IHS預計，自2017年起全球智能手機年出貨量將超過15億部。當前市場上用戶更關注手機的功能，如屏幕、相機、內存、處理器和軟件等；而位于射頻前端的天線由于處于遠離用戶的通信技術底層，因此通常會被用戶忽略，但它實際上正是智能手機的關鍵。作為無線通信不可缺少的基礎一環，天線的技術革新是推動無線連接向前發展的核心引擎之一。在5G和物聯網趨勢下，天線是未來成長最快且最確定的行業之一。

天線是用于收發射頻信號的無源器件，決定了通信質量、信號功率、信號帶寬、連接速度等通信指標，因此是通信系統的核心。智能手機包含的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／語音／視頻通信、上網、音視頻瀏覽、定位、文件傳輸、刷卡、廣播等應用得以實現，而這些功能的實現又直接依賴于天線進行信號的發射與接收，因此天線成為終端設備無線通信的重要基礎。以iPhone 6s為例，其通信模塊包括：2/3/4G Cellular模塊，用于無線局域網連接的Wi-Fi模塊，用于無線私域網連接的BT模塊（藍牙模塊），用于全球定位系統的GPS模塊，以及用于近場通信的NFC模塊（功能包括信息識別、文件傳輸、刷卡消費等）。

圖 iphone 6s天線構架及其Cellular/WIFI/BT/GPS/NFC天線設計

二、軟板是終端天線主流工藝

終端設備天線具有多樣化的應用環境和工藝方案，軟板已成為主流工藝。按照在通信網絡中的應用，天線可分為網絡覆蓋傳輸天線和終端天線。其中網絡覆蓋傳輸天線主要為基站天線，終端天線即無線通信終端天線，主要包括手機天線、手機電視天線、筆記本電腦天線、數據卡天線、AP 天線、GPS天線等。對于智能手機天線應用，隨著手機外觀設計的一體化和內部設計的集成化，手機天線已從早期的外置天線發展為內置天線，并且形成了以軟板為主流工藝的市場格局，目前軟板天線市場占有率已超過7成。

圖 天線分類以及智能手機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。軟板的應用幾乎涉及所有電子產品，如硬盤驅動器的帶狀引線、汽車電子、照相機、數碼 攝像機、儀器儀表、辦公自動化設備、醫療器械等領域。對于智能手機、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、平板、筆記本電腦和可穿戴設備等高端小型化電子產品的發展，對軟板的需求越來越大，市場空間已超120億美元。

圖 軟板在智能手機、筆記本電腦中的應用舉例

三、傳統軟板遭遇瓶頸，LCP成為新的軟板工藝

從通信網絡到終端應用，通信頻率全面高頻化，高速大容量應用層出不窮。近年來隨著無線網絡從4G向5G過渡，網絡頻率不斷提升。根據5G發展路線圖，未來通信頻率將分兩個階段進行提升。第一階段的目標是在2020年前將通信頻率提升到6GHz，第二階段的目標是在2020年后進一步提升到30-60GHz。在市場應用方面，智能手機等終端天線的信號頻率不斷提升，高頻應用越來越多，高速大容量的需求也越來越多。為適應當前從無線網絡到終端應用的高頻高速趨勢，軟板作為終端設備中的天線和傳輸線，亦將迎來技術升級。

圖 2017-2025年期間，終端應用的通信頻率和數據速率不斷提高

圖 左：軟板數據傳輸速度增長示意圖，右：尺寸、數據容量變化趨勢

傳統軟板具有由銅箔、絕緣基材、覆蓋層等構成的多層結構，使用銅箔作為導體電路材料，PI膜作為電路絕緣基材，PI膜和環氧樹脂粘合劑作為保護和隔離電路的覆蓋層，經過一定的制程加工成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，為了適應不同應用場景和不同功能，軟板需要采用各種性能特點的基材。目前應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重、結構特性較差，已經無法適應當前的高頻高速趨勢。

圖 PI軟板與LCP軟板的剖面結構

液晶聚合物(LCP)是一種新型熱塑性有機材料，可在保證較高可靠性的前提下實現高頻高速軟板。LCP具有優異的電學特征：（1）在高達110GHz的全部射頻范圍幾乎能保持恒定的介電常數，一致性好；（2）正切損耗非常小，僅為0.002，即使在110 GHz時也只增加到0.0045，非常適合毫米波應用；（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、揚聲器基板等領域。隨著高頻高速應用趨勢的興起，LCP將替代PI成為新的軟板工藝。

圖 LCP軟板相比PI軟板更具優勢

四、替代PI軟板和同軸電纜，LCP軟板可實現更高程度的小型化

隨著全面屏、更多功能組件、更大電池容量等趨勢持續壓縮手機空間，天線可用設計空間越來越小，天線小型化需求日益迫切。（1）全面屏并不意味手機有更多主板空間，雖然手機長寬變大，但厚度繼續下降。（2）智能手機集成的功能組件越來越多，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越大。以上三點變化的結果是，盡管智能手機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，智能手機廠商對高集成度天線模組的需求也越來越強烈。

圖 近十年手機厚度變化和手機天線結構設計小型化趨勢

LCP軟板具有更好的柔性性能，相比PI軟板可進一步提高空間利用率。柔性電子可利用更小的彎折半徑進一步輕薄化，因此對柔性的追求也是小型化的體現。以電阻變化大于10%為判斷依據，同等實驗條件下，LCP軟板相比傳統的PI軟板可以耐受更多的彎折次數和更小的彎折半徑，因此LCP軟板具有更好的柔性性能和產品可靠性。優良的柔性性能使LCP軟板可以自由設計形狀，從而充分利用智能手機中的狹小空間，進一步提高空間利用效率。以村田制作所的MetroCirc產品為例，對于跨越電池的軟板連線，其LCP軟板可以完美貼合，而傳統PI軟板在回彈效應的影響下無法較好的貼合電池表面，造成空間浪費。

圖 LCP軟板相比PI軟板具有更好的柔性性能，進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，進一步提高空間利用率。傳統設計使用天線傳輸線（同軸電纜）將信號從天線傳輸到主板，隨著多模多頻技術的發展，在狹小空間內放置多根天線傳輸線的需求愈發迫切。LCP軟板擁有與天線傳輸線同等優秀的傳輸損耗，可在僅0.2毫米的3層結構中攜帶若干根傳輸線，并將多個射頻線一并引出，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