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高頻材料-羅杰斯PCB板材料初探

隨著電子技術的越來越發達。電子產品的生產對材料的要求也越來越多,比如高頻材料。以羅杰斯為例。羅杰斯PCB板材料是Rogers公司生產的一種高頻板材型號,不同于常規的PCB用板材環氧樹脂,它中間沒有玻纖是以陶瓷基高頻材料。當電路工作頻率在500MHz以上時,設計工程師可選擇的材料范圍就大大減小了。


Rogers RO4350B材料可以讓射頻工程師方便的設計電路,例如網絡匹配,傳輸線的阻抗控制等。由于其低介質損耗的特性,在高頻應用中, R04350B材料更具普通電路材料不能匹敵的優勢。其介電常數隨溫度波動性幾乎是同類材料中最低的,在寬頻率范圍內,其介電常數也相當穩定3.48,設計推薦值3.66。LoPra™銅箔可降低插入損耗。這使得該材料適用于寬頻應用。


 
羅杰斯PCB板材料陶瓷高頻板材系列分類:

羅杰斯RO3000系列:基于陶瓷填充的PTFE電路材料,羅杰斯型號有:RO3003、RO3006、RO3010、RO3035高頻層壓板。

羅杰斯RT6000系列:基于陶瓷填充的PTFE電路材料,為需要高介電常數的電子電路和微波電路而設計的,羅杰斯型號有:RT6006介電常數6.15,RT6010介電常數10.2。

羅杰斯TMM系列:基于陶瓷、碳氫化合物、熱固型聚合物的復合材料,羅杰斯型號:TMM3 、TMM4、TMM6、TMM10、TMM10i、TMM13i。等等

 
目前全球5G布局加速愈演愈烈。傳統的3G/4G基站分布式架構主要可分為BBU、RRU和天饋系統,其中RRU和天饋系統通過饋線連接。由于高頻化下傳輸損耗風險增大,集成RRU和天饋系統的架構方式能夠減少饋線上的信號損失、提高傳輸效率,高度集成化使得大量的零散部件被PCB板替代,最終使得PCB單位使用量增加。




高頻段倒逼PCB材料高頻化

5G時代必須利用高頻頻段(3GPP已指定5GNR支持的頻率范圍為450MHz-52.6GHz),其原因在于:

1)經歷過前4代通信技術的迭代,低頻段的資源已經被占用,能用于5G開發的資源已經不多;

2)頻率越高,能裝載的信息也就越多,資源也就更豐富,從而也能使得傳輸速率更高(例100MHz中僅能分割出5個20MHz的信道,而1GHz能夠分出50個20MHz的信道)。


由于負載產生的共振現象和傳輸線效應的影響,電磁波頻率越高,衰減就越厲害,而要實現高頻下的高效傳輸,就要控制信號在收發和傳輸器件上的損耗,相應承載器件就將從以往普通板材改用高頻板材(如羅杰斯4350),具體來看,終端天線原本采用以PI為主要材料的FPC(柔性電路板),但由于PI的介電常數(Dk,傳播介質阻擋電子的能力)和介電損耗(Df,傳播介質消耗電能轉為熱能的能力)都較高、從而傳播效率較低,因此用Dk和Df都更低的液晶聚合物(LCP)替代PI的趨勢日益凸顯,目前蘋果手機已導入LCP,未來LCP材料有望成為主流材料,而以蘋果為例,iPhoneX中單個LCP模組大約為4-5美元/根天線,而傳統的PI天線為0.4美元/根,單位價值量有顯著的提升空間。


基站天線同樣需要用高頻材料(如羅杰斯4350),目前主流的方案是采用聚四氟乙烯(PTFE)或碳氫材料的PCB板(具有非常良好的介電性能),其價格大約為3000-6000元/平方米,普通PCB價格約1900元/平方米,單位價值量提升約1.5-3倍3G/4G基站RRU中需要高頻交流板,其中射頻功放板塊的PCB板需要用到高頻材料(如羅杰斯4350),但為了節約成本,會將FR4和高頻基材混壓在一起。5G的AAU中高頻交流板對PCB板材的高頻(如羅杰斯4350)需求將增大,PCB板中的高頻材料使用量將增多,由此提升單板價值量。


5G時代構建的三大場景(eMBB、mMTC、uRLLC)意味著我們即將走入數據爆炸的時代,數據量將井噴,根據信通院報告,隨著2020年5G商用,中國5G連接數至2025年將達到4.28億,五年復合增速將達到155.61%。數據需求井噴倒逼通信設備提升數據處理容量,相應PCB板材有望向多層化發展,價格也相應提升。


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