高速板材與高頻板材

來源:一博自媒體 時間:2019-12-16 類別:微信自媒體

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作者:張鵬偉   東莞聯茂電子科技有限公司
編輯:周偉  一博科技高速先生團隊隊員

隨著5G通訊的發展與建設,電子設備行業對高頻板材與高速板材的需求日益俱增。因使用環境的不同高頻板材與高速板材即有很多共同的特點又存在一些差異。本文結合高頻高速板材的使用環境以及板材樹脂體系闡述了高頻板材與高速板材的各自特點,并對高頻板材和高速板材未來的發展做出展望。


1、5G網絡高頻高速板材的需求

5G,即第五代移動通信。蜂窩移動通信從模擬通信(1G)演進到目前已經普及的 LTE(4G),已經經歷了 4 次更新換代。而從 2012 年開始,5G 網絡的研究和試驗正在快速推進。過去的1G 到 4G,主要以滿足人與人之間通信的人聯網為主要場景,但 5G 網絡將滿足萬物互聯,開啟新一輪信息網絡革命。5G通信行業產業鏈條主要包括以下五個重要環節:

(1)網絡規劃設計(前期技術研究及網絡建設規劃);
(2)無線主設備(核心網、基站天線、射頻器件、光器件/光???、小基站等,無線配套、網絡覆蓋與優化環節開始布局);
(3)傳輸設備(無線設備后需要有線傳輸鏈接,緊跟其后的包括光纖光纜、系統集成、IT 支持、增值服務等);
(4)終端設備(芯片及終端配套);
(5)運營商。
除了以上五個重要環節,還有下面兩個環節也很重要:
(6)PCB/CCL 產業鏈(用于基站射頻、基帶處理單元、IDC 和核心網路由器等);
(7)介質波導濾波器(基站射頻)。

 圖1 5G的行業架構圖
在5G建設的過程中不同行業的產品工作中所用頻帶不同,再也就導致了不同的行業不同的產品對高頻、高速板材需求的不同。高頻、高速在5G產品的應用如下圖所示:
 
圖2:高速和高頻應用(來源:AT&S,Prismark)

我們可以看到5G網絡是多頻段微波的綜合應用,所以針對不同行業領域的產品在選擇高速板材,高頻板材時也會不同。

2、高頻板材與高速板材的特點

 2.1 材料的介電常數Dk和介電損耗Df
談到高頻板材、高速板材不可避免的要談到兩個概念“介電常數—Dk”和“介電損耗—Df”。用于高速數字化信號傳輸的 PCB 介質層,不僅單純起著導體之間的絕緣層作用,而且更重要的是起著“特性阻抗”作用,還影響著信號的傳輸速度、信號衰減和發熱等問題。
介質損耗(Df)大小意味著信號傳輸的衰減程度,這種信號傳輸的衰減往往是產生熱量而消耗,信號衰減和熱耗必然隨著高頻化和高速數字化的信號傳輸而迅速增加。對于高頻化  和高速數字化的信號傳輸來說,介質損耗(Df)越小越好【1】。

高速產品和高頻產品發展的過程中,都是要求板材的介電常數(Dk)和介電損耗(Df)向更小的方向發展。但高頻產品和高速產品對板材的需求還是存在一定差別的。

2.2 高速材料的特征

高速產品更注重板材的介電損耗(Df),目前市場上常用的高速材料等級也是依照介電損耗(Df)的大小來劃分的。不同的基板材料按照基材的介質損耗大小分為常規損耗(Standard Loss)、中損耗(Mid Loss)、低損耗(Low Loss)、極低損耗(Very Low Loss)、超低損耗(Ultra Low Loss)五個傳輸信號損失對應等級,這個等級可以詳見高速先生前期的板材分類文章里面的板材金字塔。

2.3 高頻材料的特征

相比于高速材料,高頻材料的更加注重材料的介電常數(Dk)的大小和變化。高頻產品對材料的介電常數(Dk)的變化很敏感。所以高頻材料的關注點側重為材料的介電常數(Dk)的穩定性,以及材料介質層厚度,材料的溫漂系數以及材料的頻閃性能。高頻材料業內并沒有明確分類標準但很多PCB廠家都是以材料的介電常數(Dk)來對高頻材料做大致的分類,將介電常數(Dk)相同的材料視為同類可以相互替代的材料。

在高頻材料領域還有一種習慣用的劃分方式,那就是將材料劃分為PTFE材料和非PTFE材料。這是和高頻產品的應用領域有著密切聯系的,現射頻領域主要可以分成兩個部分,一是頻率在6GHZ以下常用的頻率有3.5GHZ、2.7GHZ、1.8GHZ主要產品為功率放大器,天線校準器,陣子等產品。另一部分是20GHZ以上的毫米波領域常用的頻率有24GHZ,66GHZ,77GHZ主要產品為雷達產品。這主要是因為隨著頻率的增長非PTFE產品的頻閃,介電損耗對信號傳輸的影響急劇增加,而PTFE材料具有較好的表現性能。表二是現在市面上常用的高頻材料匯總。

3、高頻板材與高速板材的發展展望

傳統的CCL材料的傳輸損耗大,無法滿足高頻信號傳輸質量要求。因此,對于5G通訊用到的PCB基板材料最重要的性能就是要滿足高頻率和高速率的要求,以及多合一、小型化、輕量化、多功能  化和高可靠性等要求。具體對樹脂材料而言,要求低介電常數(Dk)、低介電損耗(Df)、低熱膨脹系數(CTE)和高導熱系數等。目前,以聚四氟乙烯(PTFE)熱塑性材料和碳氫樹脂(PCH)類熱固性材料為代表的硬質 CCL,因其無可比擬的低介電性能占據了高頻/高速 PCB  基板的絕大部分市場【2】。近年來,還先后出  現了以聚苯醚(PPO 或 PPE)、雙馬來酰亞胺(BMI)、氰酸酯(CE)、三嗪樹脂(BT)、苯并  噁嗪(BOZ)和苯并環丁烯(BCB)及相關的改性物等新型樹脂材料的高頻/高速 PCB 基板【2】。

聚苯醚(PPO或PPE),介電性能僅次于PTFE,是近年來備受業界關注的一種材料

【3】。另外PPO材料的可加工性要遠超于PTFE材料,所以目前高速板材中的極低損耗(Very Low Loss)、超低損耗(Ultra Low Loss)大多采用改性的PPO樹脂,如松下的M6,M7N;聯茂的IT968,IT988GSE。高頻板材的樹脂體系以聚四氟乙烯(PTFE)熱塑性材料和碳氫樹脂(PCH)為主,雖然可以獲得極低的介電損耗(Df)和穩定介電常數(Dk)但材料的可加工性較差,不適合做高多層板更不適合HDI產品的加工。隨著5G通訊的發展高頻產品的PCB復雜程度也在增加(傳統的高頻PCB以單雙面為主,現向多層板發展甚至有HDI的設計需求)近年來材料研發者也將PPO樹脂用來制作高頻板材。在保證板材具有極低的介電損耗(Df)和穩定介電常數(Dk)的同時,以期獲得良好的PCB加工性。如聯茂推出的IT-88GMW,IT-8300GA,IT-8350G,IT-8338G,IT-8615G等高頻板材就是采取改性PPO樹脂和碳氫樹脂的混合體系。在滿足高頻信號傳輸要求的同時使材料可加工性大大增強。

5G通訊的發展一方面在向更高速,更高頻的方向發展必然要求材料介電損耗(Df),介電常數(Dk)向更小的方向發展;另一方面5G產品要求小型化,多合一化這樣對應的PCB必然向高多層甚至HDI方向發展這就要求材料具有很好的可加工性。目前無論是從高頻材料還是高速材料來看使用聚苯醚(PPO或PPE)樹脂都是一個很好的發展方向。


參考文獻:
[1]巫萃婷. 高速電路用基板材料選擇與性能測試研[C]//第二十屆中國覆銅板技術研討會論文集, 2019
[2]陳文求,張雪平等. 5G 通訊用高頻/高速基板材料的研究進展及華爍的發展規劃 [C]//第二十屆中國覆銅板技術研討會論文集, 2019
[3] 辜信實,曾耀德,李志光. 高頻覆銅板的開發 [J].覆銅板資訊,2015(4):30-32


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