適用於 5G 與毫米波天線的軟性電路板：高頻應用的射頻設計指南

<p>2025 年，5G 軟性電路板市場規模已達 42.5 億美元，預計到 2035 年將成長至 [150 億美元](https://www.wiseguyreports.com/reports/5g-flexible-pcb-market)，年複合成長率為 13.4%。</p> <p>這股成長動能來自一項工程現實：硬質電路板無法將共形天線陣列安裝到曲面手機、穿戴式無線電或運作於 28 GHz 及更高頻率的基地台模組中。</p> <p>針對射頻與毫米波頻率設計軟性電路板，是一門與標準軟板設計截然不同的學科。</p> <p>走線幾何形狀、材料介電特性以及接地平面的連續性，對天線效能的影響程度，是 1 GHz 設計從未要求的。在 28 GHz 時，0.1 mm 的佈線誤差就會導致可量測的插入損耗。在 60 GHz 時，錯誤的基材選擇會扼殺天線效率。</p> <p>本指南涵蓋了設計規則、材料選擇與製造考量，這些正是區分可運作 5G 軟性天線與永遠無法通過射頻驗證的原型之間的關鍵。</p> <h2>軟性電路板解決 5G 天線問題之處</h2> <p>硬質電路板適用於 3 GHz 以下的天線，因為波長較長且外形尺寸為次要考量。</p> <p>在毫米波頻率（24-100 GHz）下，波長縮短至個位數毫米，天線陣列必須放置在裝置的特定位置，以維持波束覆蓋範圍。這種定位通常需要硬質電路板無法實現的共形形狀。</p> <table> <thead> <tr><th>應用</th><th>頻率範圍</th><th>為何使用軟性電路板</th></tr> </thead> <tbody> <tr><td>5G 智慧型手機天線模組</td><td>24.25-29.5 GHz (n257/n258/n261)</td><td>貼合曲面手機邊緣，實現多陣列位置</td></tr> <tr><td>小型基地台</td><td>24-40 GHz</td><td>在電桿、牆壁和天花板上共形安裝</td></tr> <tr><td>相位陣列雷達</td><td>24-77 GHz</td><td>曲面孔徑實現寬廣掃描角覆蓋</td></tr> <tr><td>穿戴式 5G 數據機</td><td>Sub-6 GHz + mmWave</td><td>環繞貼合身體的裝置外殼</td></tr> <tr><td>具備 5G 回傳的 IoT 感測器</td><td>3.3-4.2 GHz (n77/n78)</td><td>在不規則外殼中緊湊整合</td></tr> <tr><td>衛星終端 (LEO)</td><td>17.7-20.2 GHz (Ka-band)</td><td>具輕微曲率的平面相位陣列</td></tr> </tbody> </table> <blockquote> <p><strong>「大多數來自 sub-1 GHz 軟板設計領域的工程師，都低估了毫米波頻率下的變化有多大。您的介電常數容差從 ±10% 變為 ±2%。走線寬度容差從 25 微米變為 10 微米。材料、製造和測試全都改變了。」</strong></p> <p>—— Hommer Zhao，FlexiPCB 工程總監</p> </blockquote> <h2>材料：射頻軟板效能的基石</h2> <p>標準 [聚醯亞胺基材](/blog/flex-pcb-materials-polyimide-pet-lcp) 在數位軟性電路中表現良好。</p> <p>對於 6 GHz 以上的射頻應用，材料選擇決定了天線的成敗。兩個特性最為關鍵：介電常數 (Dk) 的穩定性與損耗因子 (Df)。</p> <h3>5G 軟性電路板材料比較</h3> <table> <thead> <tr><th>材料</th><th>Dk (於 10 GHz)</th><th>Df (於 10 GHz)</th><th>最高頻率</th><th>彎曲能力</th><th>相對成本</th></tr> </thead> <tbody> <tr><td>標準聚醯亞胺 (Kapton)</td><td>3.4</td><td>0.008</td><td>6 GHz</td><td>極佳</td><td>1x</td></tr> <tr><td>改質聚醯亞胺 (低損耗)</td><td>3.3</td><td>0.004</td><td>15 GHz</td><td>極佳</td><td>1.5x</td></tr> <tr><td>LCP (液晶聚合物)</td><td>2.9</td><td>0.002</td><td>77 GHz+</td><td>良好</td><td>2.5x</td></tr> <tr><td>PTFE 基軟板</td><td>2.2</td><td>0.001</td><td>77 GHz+</td><td>有限</td><td>3x</td></tr> <tr><td>MPI (改質聚醯亞胺)</td><td>3.2</td><td>0.005</td><td>20 GHz</td><td>非常好</td><td>1.8x</td></tr> </tbody> </table> <p><strong>LCP 是毫米波軟性天線的領先材料。</strong>其低且穩定的 Dk（跨頻率均為 2.9）能在 DC 至 77 GHz 範圍內產生一致的阻抗。其吸濕率低於 0.04%，相較之下標準聚醯亞胺為 2.8%，這意味著在潮濕環境中的 Dk 漂移可忽略不計。</p> <p>基於此原因，主要智慧型手機 OEM 廠商在其毫米波 5G 手機中採用 LCP 軟性天線。</p> <p><strong>何時使用每種材料：</strong></p> <ul> <li><strong>Sub-6 GHz（低於 6 GHz）：</strong>標準或改質聚醯亞胺具有成本效益且效能良好。適用於 IoT 和工業應用中的 n77/n78/n79 頻段天線。</li> <li><strong>6-20 GHz：</strong>改質聚醯亞胺或 MPI 可處理室內小型基地台和 CPE 裝置的 FR2-1 頻段。對於短訊號路徑，損耗在可接受範圍內。</li> <li><strong>20-77 GHz：</strong>LCP 或 PTFE 基材。在這些頻率下，沒有其他替代方案能提供可接受的插入損耗。從第一天起就將成本溢價納入您的 BOM 中。</li> </ul> <blockquote> <p><strong>「我們收到一些工程團隊的請求，他們使用標準聚醯亞胺設計天線，卻納悶為何 28 GHz 的增益比模擬低了 4 dB。答案始終如一：聚醯亞胺在 28 GHz 的 Df，比他們模擬器從 1 GHz 資料表數值所假設的高出三到四倍。在選定材料之前，請在您的工作頻率下量測 Dk 和 Df。」</strong></p> <p>—— Hommer Zhao，FlexiPCB 工程總監</p> </blockquote> <h2>軟性射頻電路中的阻抗控制</h2> <p>每個射頻軟性電路都需要控制阻抗。</p> <p>在毫米波頻率下，容差窗口縮小到標準軟板製造流程若無特定設計調整便無法達成的程度。</p> <h3>軟性電路板的傳輸線選項</h3> <p><strong>微帶線</strong>是軟性天線最常見的選擇。頂層的訊號走線透過聚醯亞胺或 LCP 介質，參考底層的接地平面。微帶線非常適合天線饋線、匹配網路和短互連。</p> <p><strong>接地共面波導 (GCPW)</strong>在訊號走線兩側增加接地走線，再加上下方的接地平面。GCPW 提供比微帶線更好的隔離度，且對基材厚度變化較不敏感，使其成為 20 GHz 以上毫米波軟性電路的首選結構。</p> <p><strong>帶狀線</strong>將訊號走線夾在兩個接地平面之間。它提供最佳的隔離度和最低的輻射損耗，但需要至少 3 層的軟板疊構，並增加總厚度。</p> <table> <thead> <tr><th>結構</th><th>所需層數</th><th>隔離度</th><th>對軟板的影響</th><th>最適合</th></tr> </thead> <tbody> <tr><td>微帶線</td><td>2</td><td>中等</td><td>最小</td><td>Sub-6 GHz 饋線、簡單天線連接</td></tr> <tr><td>GCPW</td><td>2</td><td>高</td><td>中等（佔用面積較寬）</td><td>毫米波饋線、24-77 GHz 互連</td></tr> <tr><td>帶狀線</td><td>3+</td><td>最高</td><td>顯著（較厚）</td><td>敏感射頻走線、[多層軟板建構](/blog/multilayer-flex-pcb-design-stackup-guide)</td></tr> </tbody> </table> <h3>5G 軟板的阻抗設計規則</h3> <p><strong>1. 在您的工作頻率下指定 Dk。</strong>材料資料表中 1 MHz 的數值對 28 GHz 設計毫無用處。請向基板供應商索取目標頻率下的 Dk 和 Df 量測數據。</p> <p><strong>2. 考量蝕刻容差。</strong>軟性電路板的走線寬度容差通常為 ±15-25 微米。在 28 GHz 下，50 歐姆微帶線於 50 微米 LCP 上的寬度約為 120 微米。25 微米的偏差會使阻抗改變 5-7 歐姆。</p> <p><strong>3. 控制介質厚度。</strong>基材厚度變化 ±10% 會使阻抗偏移 3-5%。針對毫米波應用，指定嚴格的厚度容差（±5%）。</p> <p><strong>4. 積極使用接地導孔。</strong>對於 GCPW 結構，每隔四分之一波長（在 28 GHz 時為 0.6 mm）放置接地導孔，以抑制平行板模態。</p> <h2>5G 軟性天線架構</h2> <h3>採用軟板的天線封裝 (AiP)</h3> <p>毫米波 5G 智慧型手機的主流架構使用天線封裝模組，其中軟性電路板直接承載貼片天線陣列。射頻 IC（波束成形晶片）安裝在軟板的一側，天線陣列則從另一側或連接的硬質部分輻射。</p> <p><strong>典型的 AiP 軟板疊構：</strong></p> <ul> <li>第 1 層：貼片天線元件（LCP 上的銅）</li> <li>第 2 層：帶耦合槽的接地平面</li> <li>第 3 層：饋線網路與波束成形器互連</li> <li>第 4 層：用於射頻 IC 連接的 BGA 焊墊（搭配 [補強板](/blog/flex-pcb-stiffener-guide-types-materials-design) 以安裝元件）</li> </ul> <p>此架構可在小於 15 mm x 15 mm 的封裝中提供 4x4 或 8x8 天線陣列，並具備 ±60 度的波束轉向能力。</p> <h3>共形相位陣列</h3> <p>基地台和雷達系統使用軟性電路板來創建曲面天線孔徑。軟性電路圍繞圓柱形或球形形狀彎曲，將天線元件放置在共形表面上，提供比平面陣列更寬廣的角度覆蓋範圍。</p> <p>共形陣列的設計考量：</p> <ul> <li><strong>元件間距必須考慮表面曲率。</strong>在曲面上，有效元件間距會隨位置變化。請模擬彎曲幾何形狀，而非平面佈局。</li> <li><strong>饋線網路相位必須補償路徑長度差異。</strong>曲線上不同位置的元件到饋入點的距離不同。您的波束成形演算法或固定相位網路必須修正此差異。</li> <li><strong>彎曲半徑限制天線尺寸。</strong>可靠 LCP 軟板的最小 [彎曲半徑](/blog/flex-pcb-design-guidelines) 為總疊構厚度的 5-10 倍。這限制了可實現的曲率。</li> </ul> <h3>與纜線整合的軟性天線</h3> <p>對於天線遠離射頻模組的應用，單一軟性電路板可同時整合天線元件和饋線電纜。天線部分保持平坦（帶有補強板背襯），而電纜部分則彎曲以在裝置內佈線。</p> <p>這消除了射頻連接器轉接，該轉接在 28 GHz 時會增加 0.3-0.5 dB 的插入損耗。</p> <h2>射頻軟板的製造考量</h2> <p>製造符合射頻規格的軟性電路板，需要比數位軟板製造更嚴格的製程控制。以下是關鍵差異。</p> <h3>銅箔選擇</h3> <p><strong>壓延退火 (RA) 銅</strong>是動態軟板應用的標準，但射頻軟性電路因其相較於電解 (ED) 銅更光滑的表面而受益。表面粗糙度會透過集膚效應在高頻下導致導體損耗。</p> <p>在 28 GHz 時，銅的集膚深度約為 0.4 微米，因此 1-2 微米的表面粗糙度（ED 銅的典型值）與光滑的 RA 銅相比，會使損耗增加 20-40%。</p> <p>對於 40 GHz 以上的毫米波應用，請指定表面粗糙度 (Rz) 低於 1.5 微米的<strong>超低輪廓 (ULP) 或極低輪廓 (VLP) 銅箔</strong>。</p> <h3>覆蓋膜與表面處理</h3> <p>標準聚醯亞胺覆蓋膜會在天線走線上增加一層介電層，導致天線失諧。對於必須輻射的天線元件，請使用<strong>裸銅搭配化學鎳金 (ENIG)</strong> 或<strong>選擇性覆蓋膜</strong>，在天線區域開口，同時保護饋線和元件區域。</p> <p>裸露天線元件的表面處理會影響耐腐蝕性和射頻效能。ENIG 是標準選擇，會增加約 3-5 微米的鎳和 0.05-0.1 微米的金。鎳層具有鐵磁性且略帶損耗，因此對於 40 GHz 以上頻率的最高效能，請考慮<strong>化學銀</strong>或<strong>OSP</strong> 搭配敷形塗層。</p> <h3>對位與校準</h3> <p>[多層軟性電路板](/blog/multilayer-flex-pcb-design-stackup-guide) 中的層間對位會影響天線和饋線網路效能。貼片天線層與其接地平面之間 50 微米的錯位，會在 28 GHz 時使天線諧振頻率偏移 100-200 MHz。</p> <p>針對毫米波軟板設計，請指定 ±25 微米的層間對位容差。標準軟板製造可達到 ±50-75 微米，因此在定案設計前，請確認您的製造商能滿足更嚴格的要求。</p> <blockquote> <p><strong>「我們所見最大的製造差距，在於射頻工程師的設計與軟板製造商在量產中能維持的標準之間。一個走線容差 ±10 微米的 28 GHz 天線設計在模擬中可行，但在量產中卻失敗。我們與客戶合作，尋找射頻效能與製造良率兼具的設計點。」</strong></p> <p>—— Hommer Zhao，FlexiPCB 工程總監</p> </blockquote> <h2>毫米波下的 EMI 與訊號完整性</h2> <p>5G 軟性電路的 [EMI 屏蔽](/blog/flex-pcb-emi-shielding-materials-design-guide) 與低頻方法不同。在毫米波波長下，在 1 GHz 可接受的屏蔽孔徑會變成顯著的輻射源。</p> <h3>屏蔽策略</h3> <table> <thead> <tr><th>方法</th><th>28 GHz 下的效能</th><th>厚度影響</th><th>成本</th></tr> </thead> <tbody> <tr><td>實心銅接地平面</td><td>極佳 (>60 dB)</td><td>18-35 µm</td><td>低</td></tr> <tr><td>銀填充導電油墨</td><td>良好 (30-50 dB)</td><td>10-15 µm</td><td>中</td></tr> <tr><td>濺鍍金屬屏蔽</td><td>極佳 (>50 dB)</td><td>1-3 µm</td><td>高</td></tr> <tr><td>EMI 吸收片</td><td>中等 (15-25 dB)</td><td>50-200 µm</td><td>中</td></tr> </tbody> </table> <p>對於同時承載毫米波訊號和數位數據的軟性電路（在 AiP 模組中常見），請使用接地圍籬隔離射頻部分與數位部分：一排連接頂層和底層接地平面的導孔，間距為最高頻率下的 λ/10 或更小。</p> <h3>導孔轉接</h3> <p>射頻訊號路徑中的每個導孔轉接都會增加寄生電感和電容。在 28 GHz 下，一個標準導孔（0.3 mm 鑽孔、0.6 mm 焊墊）可能增加 0.3-0.5 dB 的損耗，並造成阻抗不連續。</p> <p>盡量減少射頻訊號路徑中的導孔轉接。若導孔無可避免：</p> <ul> <li>使用微導孔（雷射鑽孔，0.1 mm 或更小）以降低寄生效應</li> <li>在訊號導孔周圍以環形放置接地導孔，以控制回流電流</li> <li>在製造前使用 3D 電磁模擬器模擬導孔轉接</li> </ul> <h2>測試與驗證</h2> <p>射頻軟性電路板需要超越標準 [可靠度測試](/blog/flex-pcb-reliability-testing-quality-standards) 的測試。請將以下項目加入您的驗證計畫中。</p> <h3>射頻特定測試</h3> <p><strong>1. 阻抗驗證：</strong>沿每條射頻走線在多個點進行 TDR 量測。規格：sub-6 GHz 為 50 歐姆 ±5 歐姆，毫米波為 ±3 歐姆。</p> <p><strong>2. 插入損耗：</strong>在工作頻寬內量測 S21。預算：LCP 在 28 GHz 時為 0.3-0.5 dB/cm，在 sub-6 GHz 時為 0.1-0.2 dB/cm。</p> <p><strong>3. 回波損耗：</strong>在天線工作頻寬（通常以載波為中心的 400-800 MHz）內，S11 優於 -10 dB。</p> <p><strong>4. 天線場型量測：</strong>遠場或近場掃描，驗證增益、波束寬度和旁瓣位準與模擬相符。</p> <p><strong>5. Dk/Df 特性分析：</strong>使用分裂柱介質諧振器或傳輸線方法，在工作頻率下驗證材料特性。</p> <h3>5G 軟性天線的環境測試</h3> <table> <thead> <tr><th>測試</th><th>條件</th><th>允收標準</th></tr> </thead> <tbody> <tr><td>熱循環</td><td>-40 至 85°C，500 次循環</td><td>28 GHz 頻率偏移 < 50 MHz，插入損耗變化 < 0.3 dB</td></tr> <tr><td>濕度暴露</td><td>85°C/85% RH，168 小時</td><td>Dk 偏移 < 3%，天線增益變化 < 0.5 dB</td></tr> <tr><td>彎曲循環</td><td>2 倍最小彎曲半徑下 100 次循環</td><td>無裂紋，阻抗變化 < 2 歐姆</td></tr> <tr><td>跌落/振動</td><td>IEC 60068-2-6</td><td>無連接器故障，無分層</td></tr> </tbody> </table> <h2>成本最佳化策略</h2> <p>5G 軟性電路板的成本高於數位軟性電路。材料成本（LCP 對比聚醯亞胺）和更嚴格的容差推升了溢價。以下策略可在不犧牲射頻效能的情況下降低成本。</p> <p><strong>1. 僅在必要處使用 LCP。</strong>採用混合疊構，天線層使用 LCP，電纜/互連部分使用聚醯亞胺，可節省 20-30% 的材料成本。</p> <p><strong>2. 最小化層數。</strong>對於 28 GHz 下的短走線（低於 20 mm），2 層 GCPW 設計通常可匹配 4 層帶狀線的效能。層數越少，成本越低，柔韌性越好。</p> <p><strong>3. 面板利用率。</strong>毫米波軟性電路尺寸小。最大化拼板以降低單位成本。一個 300 mm x 500 mm 的面板可產出 100 個以上的典型智慧型手機 AiP 軟板單元。</p> <p><strong>4. 測試策略。</strong>對每個單元進行完整天線場型量測並不可行。設計內嵌射頻測試點，以便在面板層級進行阻抗和插入損耗篩選，並對統計樣本執行完整天線測試。</p> <h2>開始您的 5G 軟性電路板設計</h2> <p>針對 5G 和毫米波應用設計軟性電路板，需要天線工程師與軟板製造商之間比任何其他軟板應用都更緊密的協作。材料特性數據、製造容差能力和射頻測試能量，都會影響設計的成敗。</p> <p>從以下步驟開始：</p> <p><strong>1. 在選擇材料之前，先定義您的頻段和效能目標。</strong></p> <p><strong>2. 向基板供應商索取工作頻率下的材料 Dk/Df 數據。</strong></p> <p><strong>3. 與您的製造合作夥伴確認製造容差</strong>（走線寬度、介質厚度、對位）。</p> <p><strong>4. 使用實測材料數據進行模擬</strong>，而非資料表數值。</p> <p><strong>5. 在投入量產前，先建構原型並進行量測。</strong></p> <p>[聯絡 FlexiPCB](/contact) 以進行 5G 軟性電路板設計審查與原型製作。我們製造 LCP 和 MPI 軟性電路，阻抗容差達 ±5%，適用於 sub-6 GHz 和毫米波應用，並具備最高 67 GHz 的內部射頻測試能力。</p> <h2>常見問題</h2> <h3>毫米波軟性電路板天線的最佳材料是什麼？</h3> <p>LCP（液晶聚合物）是工作於 20 GHz 以上軟性電路板天線的首選基材。它提供低介電損耗（10 GHz 時 Df 為 0.002）、跨頻率和溫度穩定的介電常數，以及低於 0.04% 的吸濕率。</p> <p>對於 20 GHz 以下的應用，改質聚醯亞胺或 MPI 能以較低成本提供足夠的射頻效能。</p> <h3>標準聚醯亞胺軟性電路板可用於 5G 應用嗎？</h3> <p>標準聚醯亞胺適用於訊號路徑較短的 sub-6 GHz 5G 頻段（n77、n78、n79）。對於毫米波頻段（24 GHz 及以上），標準聚醯亞胺會為天線應用帶來過高的介電損耗。其在 10 GHz 時的損耗因子為 0.008，在 28 GHz 時升至 0.012-0.015，會將天線效率和增益降至可接受水準以下。</p> <h3>5G 軟性電路板的阻抗容差必須多嚴格？</h3> <p>Sub-6 GHz 軟性電路需要 ±10% 的阻抗容差（50 歐姆 ±5 歐姆）。24 GHz 以上的毫米波軟性電路需要 ±5-7%（50 歐姆 ±2.5-3.5 歐姆）。要達到這些容差，需要嚴格控制走線寬度（±10-15 微米）和介質厚度（±5%）。</p> <h3>5G 軟性電路板相較於標準軟板的成本溢價是多少？</h3> <p>基於 LCP 的毫米波軟性電路板，成本是同等複雜度標準聚醯亞胺軟性電路的 2-3 倍。溢價來自材料成本（LCP 基板是聚醯亞胺的 2.5 倍）、更嚴格的製造容差以及射頻測試要求。僅在天線部分使用 LCP、互連部分使用聚醯亞胺的混合設計，可將溢價降至 1.5-2 倍。</p> <h3>如何在毫米波頻率下測試軟性電路板天線？</h3> <p>毫米波軟性天線測試需要具備毫米波頻率能力的向量網路分析儀 (VNA)，以及用於場型量測的電波暗室或近場掃描儀。線上生產測試重點在於阻抗 (TDR)、插入損耗 (S21) 和回波損耗 (S11)，於軟性電路內設計的射頻測試點進行量測。</p> <p>完整的 3D 場型量測則對每個生產批次的樣品執行。</p> <h3>軟性電路板能處理 5G 的相位陣列波束成形嗎？</h3> <p>是的。軟性電路板支援具備 4x4 至 8x8 元件陣列的相位陣列架構，用於毫米波 5G。軟性電路承載天線元件、饋線網路以及連接波束成形 IC 的相位控制互連。LCP 軟板基材能維持波束轉向精度所需的相位一致性，範圍達 ±60 度。多家智慧型手機 OEM 廠商已出貨搭載軟板式相位陣列模組的毫米波手機。</p> <h2>參考文獻</h2> <p>1. [5G 軟性電路板市場分析 2025-2035](https://www.wiseguyreports.com/reports/5g-flexible-pcb-market) - WiseGuy Reports<br/> 2. [5G PCB 天線整合與射頻指南](https://www.protoexpress.com/blog/antenna-integration-rf-design-guidelines-for-5g-pcbs/) - Sierra Circuits<br/> 3. [用於 5G/毫米波應用的積層製造軟性相位陣列天線](https://www.nature.com/articles/s41598-023-39476-w) - Nature Scientific Reports<br/> 4. [用於 5G 毫米波應用的高頻 PCB 材料](https://www.novapcba.com/2026/02/27/high-frequency-pcb-materials-5g-mmwave-automotive-radar/) - NOVA PCBA</p>