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高速板材与高频板材

来源:一博自媒体 时间:2019-12-16 类别:微信自媒体

微信公众号:高速先生
作者:张鹏伟   东莞联茂电子科技有限公司
编辑:周伟  澳门新萄京赌赌场 高速先生团队队员

随着5G通讯的发展与建设,电子设备行业对高频板材与高速板材的需求日益俱增。因使用环境的不同高频板材与高速板材即有很多共同的特点又存在一些差异。本文结合高频高速板材的使用环境以及板材树脂体系阐述了高频板材与高速板材的各自特点,并对高频板材和高速板材未来的发展做出展望。


1、5G网络高频高速板材的需求

5G,即第五代移动通信。蜂窝移动通信从模拟通信(1G)演进到目前已经普及的 LTE(4G),已经经历了 4 次更新换代。而从 2012 年开始,5G 网络的研究和试验正在快速推进。过去的1G 到 4G,主要以满足人与人之间通信的人联网为主要场景,但 5G 网络将满足万物互联,开启新一轮信息网络革命。5G通信行业产业链条主要包括以下五个重要环节:

(1)网络规划设计(前期技术研究及网络建设规划);
(2)无线主设备(核心网、基站天线、射频器件、光器件/光模块、小基站等,无线配套、网络覆盖与优化环节开始布局);
(3)传输设备(无线设备后需要有线传输链接,紧跟其后的包括光纤光缆、系统集成、IT 支持、增值服务等);
(4)终端设备(芯片及终端配套);
(5)运营商。
除了以上五个重要环节,还有下面两个环节也很重要:
(6)PCB/CCL 产业链(用于基站射频、基带处理单元、IDC 和核心网路由器等);
(7)介质波导滤波器(基站射频)。

 图1 5G的行业架构图
在5G建设的过程中不同行业的产品工作中所用频带不同,再也就导致了不同的行业不同的产品对高频、高速板材需求的不同。高频、高速在5G产品的应用如下图所示:
 
图2:高速和高频应用(来源:AT&S,Prismark)

我们可以看到5G网络是多频段微波的综合应用,所以针对不同行业领域的产品在选择高速板材,高频板材时也会不同。

2、高频板材与高速板材的特点

 2.1 材料的介电常数Dk和介电损耗Df
谈到高频板材、高速板材不可避免的要谈到两个概念“介电常数—Dk”和“介电损耗—Df”。用于高速数字化信号传输的 PCB 介质层,不仅单纯起着导体之间的绝缘层作用,而且更重要的是起着“特性阻抗”作用,还影响着信号的传输速度、信号衰减和发热等问题。
介质损耗(Df)大小意味着信号传输的衰减程度,这种信号传输的衰减往往是产生热量而消耗,信号衰减和热耗必然随着高频化和高速数字化的信号传输而迅速增加。对于高频化  和高速数字化的信号传输来说,介质损耗(Df)越小越好【1】。

高速产品和高频产品发展的过程中,都是要求板材的介电常数(Dk)和介电损耗(Df)向更小的方向发展。但高频产品和高速产品对板材的需求还是存在一定差别的。

2.2 高速材料的特征

高速产品更注重板材的介电损耗(Df),目前市场上常用的高速材料等级也是依照介电损耗(Df)的大小来划分的。不同的基板材料按照基材的介质损耗大小分为常规损耗(Standard Loss)、中损耗(Mid Loss)、低损耗(Low Loss)、极低损耗(Very Low Loss)、超低损耗(Ultra Low Loss)五个传输信号损失对应等级,这个等级可以详见高速先生前期的板材分类文章里面的板材金字塔。

2.3 高频材料的特征

相比于高速材料,高频材料的更加注重材料的介电常数(Dk)的大小和变化。高频产品对材料的介电常数(Dk)的变化很敏感。所以高频材料的关注点侧重为材料的介电常数(Dk)的稳定性,以及材料介质层厚度,材料的温漂系数以及材料的频闪性能。高频材料业内并没有明确分类标准但很多PCB厂家都是以材料的介电常数(Dk)来对高频材料做大致的分类,将介电常数(Dk)相同的材料视为同类可以相互替代的材料。

在高频材料领域还有一种习惯用的划分方式,那就是将材料划分为PTFE材料和非PTFE材料。这是和高频产品的应用领域有着密切联系的,现射频领域主要可以分成两个部分,一是频率在6GHZ以下常用的频率有3.5GHZ、2.7GHZ、1.8GHZ主要产品为功率放大器,天线校准器,阵子等产品。另一部分是20GHZ以上的毫米波领域常用的频率有24GHZ,66GHZ,77GHZ主要产品为雷达产品。这主要是因为随着频率的增长非PTFE产品的频闪,介电损耗对信号传输的影响急剧增加,而PTFE材料具有较好的表现性能。表二是现在市面上常用的高频材料汇总。

3、高频板材与高速板材的发展展望

传统的CCL材料的传输损耗大,无法满足高频信号传输质量要求。因此,对于5G通讯用到的PCB基板材料最重要的性能就是要满足高频率和高速率的要求,以及多合一、小型化、轻量化、多功能  化和高可靠性等要求。具体对树脂材料而言,要求低介电常数(Dk)、低介电损耗(Df)、低热膨胀系数(CTE)和高导热系数等。目前,以聚四氟乙烯(PTFE)热塑性材料和碳氢树脂(PCH)类热固性材料为代表的硬质 CCL,因其无可比拟的低介电性能占据了高频/高速 PCB  基板的绝大部分市场【2】。近年来,还先后出  现了以聚苯醚(PPO 或 PPE)、双马来酰亚胺(BMI)、氰酸酯(CE)、三嗪树脂(BT)、苯并  噁嗪(BOZ)和苯并环丁烯(BCB)及相关的改性物等新型树脂材料的高频/高速 PCB 基板【2】。

聚苯醚(PPO或PPE),介电性能仅次于PTFE,是近年来备受业界关注的一种材料

【3】。另外PPO材料的可加工性要远超于PTFE材料,所以目前高速板材中的极低损耗(Very Low Loss)、超低损耗(Ultra Low Loss)大多采用改性的PPO树脂,如松下的M6,M7N;联茂的IT968,IT988GSE。高频板材的树脂体系以聚四氟乙烯(PTFE)热塑性材料和碳氢树脂(PCH)为主,虽然可以获得极低的介电损耗(Df)和稳定介电常数(Dk)但材料的可加工性较差,不适合做高多层板更不适合HDI产品的加工。随着5G通讯的发展高频产品的PCB复杂程度也在增加(传统的高频PCB以单双面为主,现向多层板发展甚至有HDI的设计需求)近年来材料研发者也将PPO树脂用来制作高频板材。在保证板材具有极低的介电损耗(Df)和稳定介电常数(Dk)的同时,以期获得良好的PCB加工性。如联茂推出的IT-88GMW,IT-8300GA,IT-8350G,IT-8338G,IT-8615G等高频板材就是采取改性PPO树脂和碳氢树脂的混合体系。在满足高频信号传输要求的同时使材料可加工性大大增强。

5G通讯的发展一方面在向更高速,更高频的方向发展必然要求材料介电损耗(Df),介电常数(Dk)向更小的方向发展;另一方面5G产品要求小型化,多合一化这样对应的PCB必然向高多层甚至HDI方向发展这就要求材料具有很好的可加工性。目前无论是从高频材料还是高速材料来看使用聚苯醚(PPO或PPE)树脂都是一个很好的发展方向。


参考文献:
[1]巫萃婷. 高速电路用基板材料选择与性能测试研[C]//第二十届中国覆铜板技术研讨会论文集, 2019
[2]陈文求,张雪平等. 5G 通讯用高频/高速基板材料的研究进展及华烁的发展规划 [C]//第二十届中国覆铜板技术研讨会论文集, 2019
[3] 辜信实,曾耀德,李志光. 高频覆铜板的开发 [J].覆铜板资讯,2015(4):30-32

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