5G、IOT時代來臨 應(yīng)對需求天線PCB材料新趨勢有哪些？
日期：2017-01-16
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根據(jù)各大運營商的公開時間表，盡管要到2020年日本的東京奧運會5G業(yè)務(wù)才有可能商用，但這個時間可能會進一步加快。據(jù)了解，在2018年的韓國冬奧會上，韓國運營商就會提前提供5G服務(wù)。美國的Verizon也已搶先確定5G頻段。
由于5G、IOT等應(yīng)用將采用更高的頻率，從過去的3GHz以下逐漸上升為6GHz甚至2～30GHz，這將給天線射頻材料帶來新的技術(shù)趨勢。在日前由羅杰斯與元器件分銷商世強聯(lián)合主辦的“2016羅杰斯亞洲先進互聯(lián)連接解決方案天線研討會”上，羅杰斯先進線路板材料事業(yè)部副總裁Jeff Grudzien表示，頻率不斷升高的過程中對板材損耗有非常高的要求。在高頻率下如何做到更低損耗成為5G天線板材的一大挑戰(zhàn)。此外，由于5G的Massive MiMO天線數(shù)目和復雜度要遠遠高于4G的有源天線系統(tǒng)。所以對于降低天線的尺寸，提出了更高的要求。另外由于需要在更小的尺寸集成更多的東西，5G相對4G對于材料的導熱率也提出了更高的要求。
除了功率提升以及設(shè)備小型化之外，另一個挑戰(zhàn)是如何在更小的空間布局內(nèi)完成散熱的功能。“我們公司在更高導熱率值的板材上有更多的研究，因為頻率的上升，板材的選型會比較薄。如何在非常薄的材料上能夠完成我們的高導熱率值也是一個挑戰(zhàn)。”Jeff Grudzien同時表示，隨著5G通信在天線中加入越來越多的頻段，基站的鐵塔上已經(jīng)布置非常多的天線，天線設(shè)計變得越來越復雜。因為功率提升，工程師希望把有源電路放到天線系統(tǒng)里，形成有源天線系統(tǒng)，這就需要將更多的部件放在一個有限的空間內(nèi)。這種情況下多層PCB板開始替代過去的電纜滿足復雜天線設(shè)計需求。
Jeff Grudzien表示，羅杰斯獨有的熱固型樹脂可以滿足以上提到的高頻、多頻，復雜天線系統(tǒng)的需求。在射頻領(lǐng)域，羅杰斯占有很大的市場份額。2014年，羅杰斯收購了天線領(lǐng)域的優(yōu)秀廠商雅龍，將其天線產(chǎn)品線進行了更大擴展。在沒收購雅龍之前，羅杰斯在天線上的解決方案就是熱固型樹脂。因為這種材料之前并不為國內(nèi)大多數(shù)工程師所熟悉，主要還是使用特氟龍材料(PTFE熱塑型樹脂)。
高溫處理通常是高頻線路板加工制造的重要環(huán)節(jié)。從開始形成的電介質(zhì)半固化片到覆銅層壓板，以及終加工成型的電路元件，印刷電路板(PCB)材料的制作過程都需要加熱。熱塑型和熱固型兩種類型的復合材料通常用于PCB的介電層，或者作為粘合劑用于制造覆銅板，它們各自具有自己的特征和特性。熱塑性材料通常是剛性或呈現(xiàn)硬化狀態(tài)，但隨著溫度升高接近熔點材料會慢慢變軟。熱塑性材料可用填料來做增強，如玻璃纖維或陶瓷材料。熱固性材料變硬過程是熱化學反應(yīng)的結(jié)果，例如，將兩種環(huán)氧樹脂混合在一起時會發(fā)生化學反應(yīng)，材料會變硬。由于它們開始時是軟的或液態(tài)的，所以熱固性材料與填充材料可以通過一個簡單的過程混合達到增強的目的。但是一旦硬化或固化，熱固性材料通常比熱塑性材料更硬。熱固性材料硬化過程是不可逆的熱化學反應(yīng)過程，它不能像熱塑性材料那樣再次融化。熱塑性材料在常溫下是穩(wěn)定的，但熱固性材料在固化之前的保質(zhì)期是有限的。
熱塑性材料與熱固性材料相比，通常具有較小的電氣損耗。另外，隨著時間推移和溫度不斷升高，熱塑性材料電性能變化相對于熱固性材料要小。而熱固性材料會隨時間氧化。氧化過程可導致PCB材料的介電常數(shù)(DK)和損耗因子(DF)發(fā)生變化，并導致射頻/微波頻率等性能產(chǎn)生潛在的變化。通過不斷研究和改進，羅杰斯公司的科學家們，同時提高了熱塑性和熱固性材料在PCB中的性能。通過添加合適的填充材料，無論電氣性能還是機械性能都有很大幅度提高。例如，RO3000系列線路板材料是熱塑性陶瓷填充聚四氟乙烯(PTFE)復合材料，介電常數(shù)(DK)值可從3.0到10.2。作為熱塑性材料，它受時間和溫度影響較小，有著非常穩(wěn)定的電氣性能及機械性能，具有較低的介電常數(shù)溫度系數(shù)(TCDk)。這相對于早期基于聚四氟乙烯(PTFE)的熱塑性線路板材料是一個巨大的改進。與熱塑性材料相比，盡管熱固性材料不具有低電氣損耗優(yōu)勢，但RO4835熱固性材料具有較低的介電損耗，使其能夠應(yīng)用于500MHz以上的低成本電路。它在10GHz頻率下Z軸介電常數(shù)為3.48，并且保證±0.05的公差。RO4835層壓板的金屬化過孔可以使用標準的加工工藝來完成，因為該材料實現(xiàn)了Z軸31ppm/°C的膨脹系數(shù)(CTE)，基本上與銅的膨脹系數(shù)(CTE)17Dpm/℃接近。
“羅杰斯的優(yōu)勢在于有非常強的知識和經(jīng)驗來給板材進行測試，對它的指標進行定性。我們的一致性非常高，有非常廣泛的多種產(chǎn)品選擇。我們的質(zhì)量控制體系能使我們在不同的地點都能生產(chǎn)出品質(zhì)和一致性非常高的產(chǎn)品。所以大家在使用板材的時候不必擔心，我們會提供本土化的支持。”Jeff Grudzien表示，羅杰斯的獨特價值在于不僅容易地加工生成多層板，這種材料同時還有輕便、低插損、低互調(diào)的優(yōu)勢。“我們的RO3003已經(jīng)在77GHz的汽車雷達(汽車射頻傳感器)得到了廣泛的應(yīng)用。這表明我們的產(chǎn)品已經(jīng)可以用于7～80GHz的應(yīng)用。”
物聯(lián)網(wǎng)通常由兩部分組成，一部分是基站，一部分是終端設(shè)備。“羅杰斯的產(chǎn)品已經(jīng)在基礎(chǔ)設(shè)施中廣泛應(yīng)用，其中窄帶物聯(lián)網(wǎng)的基站已經(jīng)用到我們的產(chǎn)品。從終端設(shè)備來講，汽車里面，我們常見的水表、電表里已經(jīng)有所應(yīng)用。借助以前的軍用技術(shù)，羅杰斯有望降低MIMO和有源天線系統(tǒng)的成本，使它們更廣泛地運用到5G領(lǐng)域，以提升數(shù)據(jù)容量。”Jeff Grudzien表示，目前市場在羅杰斯的業(yè)務(wù)中已經(jīng)占到了50%。“我們熱固型樹脂的銷售額比所有的特氟龍板材加起來還要多。我們有足夠的涂覆線和壓和線，可以滿足足夠的生產(chǎn)需求。”Jeff Grudzien認為，過去5年市場發(fā)生了巨大變化，以往歐美設(shè)計、生產(chǎn)的模式逐漸轉(zhuǎn)變成更多本土的設(shè)計。為了應(yīng)對亞洲市場新增的客戶需求，羅杰斯在蘇州建有兩大工廠，并采用大數(shù)據(jù)分析生產(chǎn)的全程運作，提高了板材的生產(chǎn)效率，能夠滿足客戶下端生產(chǎn)線的需求，且未來還將以TS-16949體系作為質(zhì)量標準。以RO3000系列為例，其生產(chǎn)周期將會縮短至18天。
羅杰斯目前主要針對三個重要領(lǐng)域：能源、保護、連接提供相應(yīng)的高性能等級材料。羅杰斯有三大核心事業(yè)部門：包括應(yīng)用于高效電機驅(qū)動、汽車電氣化和可再生能源的電力電子解決方案;在移動設(shè)備、機車內(nèi)飾、工業(yè)設(shè)備和功能性服裝中具有密封、振動管理和沖擊保護作用的高性能泡沫，以及用于無線基礎(chǔ)設(shè)施、汽車安全及雷達系統(tǒng)的先進線路板材料。
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