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应对5G、物联网需求 天线PCB材料新趋势有哪些?

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供稿:中国工控网 2017/1/18 14:30:39
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根据全球各大运营商的公开时间表,尽管要到2020年日本的东京奥运会5G业务才有可能商用,但这个时间可能会进一步加快。据了解,在2018年的韩国冬奥会上,韩国运营商就会提前提供5G服务。美国的Verizon也已抢先确定5G频段。

由于5G、IOT等应用将采用更高的频率,从过去的3GHz以下逐渐上升为6GHz甚至2~30GHz,这将给天线射频材料带来新的技术趋势。在日前由罗杰斯与元器件分销商世强联合主办的“2016罗杰斯亚洲先进互联连接解决方案天线研讨会”上,罗杰斯先进线路板材料事业部副总裁Jeff Grudzien表示,频率不断升高的过程中对板材损耗有非常高的要求。在高频率下如何做到更低损耗成为5G天线板材的一大挑战。此外,由于5G的Massive MiMO天线数目和复杂度要远远高于4G的有源天线系统。所以对于降低天线的尺寸,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东西,5G相对4G对于材料的导热率也提出了更高的要求。

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除了功率提升以及设备小型化之外,另一个挑战是如何在更小的空间布局内完成散热的功能。“我们公司在更高导热率值的板材上有更多的研究,因为频率的上升,板材的选型会比较薄。如何在非常薄的材料上能够完成我们的高导热率值也是一个挑战。”Jeff Grudzien同时表示,随着5G通信在天线中加入越来越多的频段,基站的铁塔上已经布置非常多的天线,天线设计变得越来越复杂。因为功率提升,工程师希望把有源电路放到天线系统里,形成有源天线系统,这就需要将更多的部件放在一个有限的空间内。这种情况下多层PCB板开始替代过去的电缆满足复杂天线设计需求。

Jeff Grudzien表示,罗杰斯独有的热固型树脂可以满足以上提到的高频、多频,复杂天线系统的需求。在射频领域,罗杰斯占有很大的市场份额。2014年,罗杰斯收购了天线领域的优秀厂商雅龙,将其天线产品线进行了更大扩展。在没收购雅龙之前,罗杰斯在天线上的解决方案就是热固型树脂。因为这种材料之前并不为国内大多数工程师所熟悉,主要还是使用特氟龙材料(PTFE热塑型树脂)。

高温处理通常是高频线路板加工制造的重要环节。从开始形成的电介质半固化片到覆铜层压板,以及最终加工成型的电路元件,印刷电路板(PCB)材料的制作过程都需要加热。热塑型和热固型两种类型的复合材料通常用于PCB的介电层,或者作为粘合剂用于制造覆铜板,它们各自具有自己的特征和特性。热塑性材料通常是刚性或呈现硬化状态,但随着温度升高接近熔点材料会慢慢变软。热塑性材料可用填料来做增强,如玻璃纤维或陶瓷材料。热固性材料变硬过程是热化学反应的结果,例如,将两种环氧树脂混合在一起时会发生化学反应,材料会变硬。由于它们开始时是软的或液态的,所以热固性材料与填充材料可以通过一个简单的过程混合达到增强的目的。但是一旦硬化或固化,热固性材料通常比热塑性材料更硬。热固性材料硬化过程是不可逆的热化学反应过程,它不能像热塑性材料那样再次融化。热塑性材料在常温下是稳定的,但热固性材料在固化之前的保质期是有限的。

热塑性材料与热固性材料相比,通常具有较小的电气损耗。另外,随着时间推移和温度不断升高,热塑性材料电性能变化相对于热固性材料要小。而热固性材料会随时间氧化。氧化过程可导致PCB材料的介电常数(DK)和损耗因子(DF)发生变化,并导致射频/微波频率等性能产生潜在的变化。通过不断研究和改进,罗杰斯公司的科学家们,同时提高了热塑性和热固性材料在PCB中的性能。通过添加合适的填充材料,无论电气性能还是机械性能都有很大幅度提高。例如,RO3000系列线路板材料是热塑性陶瓷填充聚四氟乙烯(PTFE)复合材料,介电常数(DK)值可从3.0到10.2。作为热塑性材料,它受时间和温度影响较小,有着非常稳定的电气性能及机械性能,具有较低的介电常数温度系数(TCDk)。这相对于早期基于聚四氟乙烯(PTFE)的热塑性线路板材料是一个巨大的改进。与热塑性材料相比,尽管热固性材料不具有低电气损耗优势,但RO4835热固性材料具有较低的介电损耗,使其能够应用于500MHz以上的低成本电路。它在10GHz频率下Z轴介电常数为3.48,并且保证±0.05的公差。RO4835层压板的金属化过孔可以使用标准的加工工艺来完成,因为该材料实现了Z轴31ppm/°C的膨胀系数(CTE),基本上与铜的膨胀系数(CTE)17Dpm/℃接近。

“罗杰斯的优势在于有非常强的知识和经验来给板材进行测试,对它的指标进行定性。我们的一致性非常高,有非常广泛的多种产品选择。我们的质量控制体系能使我们在全球不同的地点都能生产出品质和一致性非常高的产品。所以大家在使用板材的时候不必担心,我们会提供本土化的支持。”Jeff Grudzien表示,罗杰斯的独特价值在于不仅容易地加工生成多层板,这种材料同时还有轻便、低插损、低互调的优势。“我们的RO3003已经在77GHz的汽车雷达(汽车射频传感器)得到了广泛的应用。这表明我们的产品已经可以用于7~80GHz的应用。”

物联网通常由两部分组成,一部分是基站,一部分是终端设备。“罗杰斯的产品已经在基础设施中广泛应用,其中窄带物联网的基站已经用到我们的产品。从终端设备来讲,汽车里面,我们常见的水表、电表里已经有所应用。借助以前的军用技术,罗杰斯有望降低MIMO和有源天线系统的成本,使它们更广泛地运用到5G领域,以提升数据容量。”Jeff Grudzien表示,目前中国市场在罗杰斯的全球业务中已经占到了50%。“我们热固型树脂的销售额比全球所有的特氟龙板材加起来还要多。我们有足够的涂覆线和压和线,可以满足足够的生产需求。”Jeff Grudzien认为,过去5年中国市场发生了巨大变化,以往欧美设计、中国生产的模式逐渐转变成更多中国本土的设计。为了应对亚洲市场新增的客户需求,罗杰斯在中国苏州建有两大工厂,并采用大数据分析生产的全程运作,提高了板材的生产效率,能够满足客户下端生产线的需求,且未来还将以TS-16949体系作为质量标准。以RO3000系列为例,其生产周期将会缩短至18天。

罗杰斯目前主要针对三个重要领域:能源、保护、连接提供相应的高性能等级材料。罗杰斯有三大核心事业部门:包括应用于高效电机驱动、汽车电气化和可再生能源的电力电子解决方案;在移动设备、机车内饰、工业设备和功能性服装中具有密封、振动管理和冲击保护作用的高性能泡沫,以及用于无线基础设施、汽车安全及雷达系统的先进线路板材料。

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新闻来源: 互联网/OFweek

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