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。
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。
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