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ECWC15 第 2 天 :5G PCB 技术与材料挑战

二月 15, 2021 | I-Connect007
ECWC15 第 2 天 :5G PCB 技术与材料挑战

5G PCB技术与材料挑战

第15届世界电子电路世界大会的第二天首先由Prismark的执行合伙人姜旭高博士作主题演讲,姜博士阐述了第5代蜂窝无线通信网络的推行对PCB技术的要求及材料挑战。尽管疫情尚未结束,但5G网络的推广仍在持续进行。

电子工业正处于一个彻底变革的时期,主要激励因素是基础设施设备的根本性升级,印制电路受高速、高频需求驱动以实现更快的无线通信。一旦数据中心投资周期和5G建设完成,发展动力可能会重新转向智能和便携式消费产品。姜博士预测,未来几年,该行业的复合增长率将继续超过5%。

从产品的角度来看,虽然其他领域的价值在下降,但由于对计算机相关领域所用元件的需求,封装载板显示出相对强劲的增长,包括中央处理器单元、图形处理器单元、人工智能和大型设备的高阶封装。在接下来的几年里,预计封装载板、高密度互连、挠性电路和多层板将继续增长。

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多层板将继续在5G基础设施、服务器和网络系统中发挥非常重要的作用,但其材料特性和制造工艺需要改进,以满足高速需求。HDI和挠性电路的发展将受到便携式系统和倒装芯片BGA和5G终端设备所需载板开发,特别是5G智能手机中使用的封装内天线(AIP)模块的推动。姜博士认为,该行业正处于基础设施转型的中间阶段,5G是这一变革的关键要素。

基础设施升级最重要的特点是信号将以更高的速度和频率传播。“板内高速,空气中高频”这点几乎适用于所有设备,且对PCB行业提出了挑战:开发新技术、新材料和新的加工方法,以避免信号损耗,并确保数据在不失真或不受干扰的情况下以更高的速率传输。

5G不同于3G及4G的主要特点是高频和多输入多输出(MIMO),这就要求多个天线能够在特定方向上改变和增强信号。基站电路板的设计需要多个天线单元和能够接收、处理和发射高频信号。终端设备,例如移动电话同样需要以高频接收和发送信号,使得PCB比之前4G的更复杂(并且具有更高的价值)。此外,还需要高价值的挠性电路和馈电线路,这些电路和馈电线路由能够承载高频信号且不失真或损耗的材料制成。高阶低损耗刚性和挠性材料对层压材料供应商提出了挑战。

但5G系统所涉及的远不止终端设备和基站之间的高频通信:网络系统将信号传递给数据中心、服务器、数据处理、数据存储或数据重新定向给其他用户。整个基站的体系结构发生了重大变化。过去,天线、功率放大器和收发器通常是独立的功能单元,天线位于塔顶,其他单元位于基站。或者,除了基带单元之外的所有东西都可以与天线一起并入塔盒中。

姜博士明确表示,5G系统的实质性挑战取决于工作的频率范围以及所考虑的电路板属于哪个功能单元。5G实际上可以看作是两种不同的系统:小于6GHz的系统被归类为“中低频”系统,毫米波被归类为“高频”系统。在中低频级别,架构实际上与4G基站相似,主要区别在于需要更多的天线单元,但这个频段实际上与4G相似,而且业界在设计、制造和组装该频段的PCB方面有着丰富的经验。主要趋势是将收发机、功率放大器和天线集成在一起作为有源天线。

相比之下,在高达70Ghz的频率下工作的5G需要新的材料,通常是用于天线的高频材料和用于基带单元的高速材料。在过去的2年至3年里,已经引进了许多不同的低损耗材料,一些是基于聚四氟乙烯的,一些是改性的类似聚四氟乙烯的材料,具有低Dk和低Df特性。这些材料是可加工的,适合于将天线功能、功率放大器功能和收发功能集成到一个有源天线单元中。细间距电路和HDI是典型的设计特点,具有高层数和高元件密度。

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5G基站的有源天线单元有多个天线单元,每个单元的尺寸都很小,因为它们处理的波长较短,而且都安装在主板上以减少电缆损耗。收发机组件放在主板的背面,与其他主动、被动组件一起完成有源天线功能。这种类型的集成变得越来越普遍,不仅在5G基站中,而且由于消费者生成的数据迅速增加,还会与其他通信设备和处理器、存储器和服务器连接。

随着无线通信向5G标准转移,用于计算和处理设备的有线通信也在向新标准转移,以实现更高的数据速率和容量。从PCIe 3.0到PCIe 4.0再到PCIe 5.0的数据传输标准的进步要求层压板从中损耗升级到低损耗再到非常低损耗,而业界目前正处于这一过渡过程中。同样,随着网络系统的发展,标准的不断变化使得行业从非常低的损耗过渡到具有更低Dk和更低Df的超低损耗层压板非常有必要。通常,材料分为两类:高速材料,一般用于服务器、基站和基带单元;射频高频、低损耗材料,一般用于天线功能。这两组单元合并在一起可实现超低损耗、介电性能接近射频材料的介电性能。

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总的来说,材料性能不断改善,满足了更高频率和更高速度应用的需要。在超低损耗材料的开发中,具有更低Dk和Df值的材料正在商业化。不仅基站带来了实质性的挑战,5G终端设备也有特定的要求。

姜博士的团队研究了新发布的具有5G毫米波功能的iPhone12的工作原理。对于6GHz以下的频率,天线结构通常与4G类似,但对于高频5G信号需要单独的天线,iPhone12有3个独立的天线:面向正面和背面的无源单元和面向侧面的封装内天线模块,对于不同频率具有不同结构。被动式天线与主板上其他地方的有源元件相连。封装内天线模块集成了收发机和无源器件,形成了完整的天线功能。这个模块的剖面显示了一个非常复杂的低损耗材料16层任意层电路板,其元件侧朝内,天线部分朝外。

其中两个天线通过馈电线路与主板相连,挠性电路由超低损耗材料制成,类似于5G基站中使用的类PTFE的天线电路板,这是专门为5G应用开发的新材料。液晶聚合物作为一种低损耗的挠性电路材料已成为市场热门。

虽然通过对树脂配方和添加剂进行改性可以获得低Dk和低Df值,但低Dk玻纤织物可以进一步改善介质性能,尽管成本高且供应有限。使用低轮廓铜箔可以改善信号完整性,并通过集肤效应降低传输损耗。姜博士展示了从通用铜箔到兼容毫米波频率的超光滑H-VLP2材料的不同箔等级的对比图。也可使用反向铜箔。

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姜博士的主题演讲对不断变化的电子行业以及材料供应商和PCB制造商在满足5G技术需求方面所面临的挑战进行了详细而全面的概述。

ECWC15线上会议第二天的演讲内容丰富、令人振奋。感谢香港线路板协会主办和组织了如此精彩的活动。

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线上研讨会将开放注册到2月底

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