導語:6G,即第六代移動通信標準,一個概念性無線網絡移動通信技術,也被稱為第六代移動通信技術。主要促進的就是互聯網的發展。
6G網絡將是一個地面無線與衛星通信集成的全連接世界。通過將衛星通信整合到6G移動通信,實現全球無縫覆蓋,網絡信號能夠抵達任何一個偏遠的鄉村,讓深處山區的病人能接受遠程醫療,讓孩子們能接受遠程教育。此外,在全球衛星定位系統、電信衛星系統、地球圖像衛星系統和6G地面網絡的聯動支持下,地空全覆蓋網絡還能幫助人類預測天氣、快速應對自然災害等。這就是6G未來。6G通信技術不再是簡單的網絡容量和傳輸速率的突破,它更是為了縮小數字鴻溝,實現萬物互聯這個“終極目標”,這便是6G的意義。
6G的數據傳輸速率可能達到5G的50倍,時延縮短到5G的十分之一,在峰值速率、時延、流量密度、連接數密度、移動性、頻譜效率、定位能力等方面遠優于5G。
太赫茲頻段
6G將使用太赫茲(THz)頻段,且6G網絡的“致密化”程度也將達到前所未有的水平,屆時,我們的周圍將充滿小基站。太赫茲頻段是指100GHz-10THz,是一個頻率比5G高出許多的頻段。從通信1G(0.9GHz)到4G(1.8GHZ以上),我們使用的無線電磁波的頻率在不斷升高。因為頻率越高,允許分配的帶寬范圍越大,單位時間內所能傳遞的數據量就越大,也就是我們通常說的“網速變快了”。不過,頻段向高處發展的另一個主要原因在于,低頻段的資源有限。就像一條公路,即便再寬闊,所容納車量也是有限的。當路不夠用時,車輛就會阻塞無法暢行,此時就需要考慮開發另一條路。頻譜資源也是如此,隨著用戶數和智能設備數量的增加,有限的頻譜帶寬就需要服務更多的終端,這會導致每個終端的服務質量嚴重下降。而解決這一問題的可行的方法便是開發新的通信頻段,拓展通信帶寬。我國三大運營商的4G主力頻段位于1.8GHz-2.7GHz之間的一部分頻段,而國際電信標準組織定義的5G的主流頻段是3GHz-6GHz,屬于毫米波頻段。到了6G,將邁入頻率更高的太赫茲頻段,這個時候也將進入亞毫米波的頻段。中國科學院國家天文臺研究員茍利軍告訴《互聯網周刊》說:“太赫茲在天文中被稱為亞毫米,這類天文臺的站點一般很高而且很干燥 ,比如南極,還有智利的acatama沙漠。”那么,為什么說到了6G時代網絡“致密化”,我們的周圍會充滿小基站?這就涉及到了基站的覆蓋范圍問題,也就是基站信號的傳輸距離問題。一般而言,影響基站覆蓋范圍的因素比較多,比如信號的頻率、基站的發射功率、基站的高度、移動端的高度等。就信號的頻率而言,頻率越高則波長越短,所以信號的繞射能力(也稱衍射,在電磁波傳播過程中遇到障礙物,這個障礙物的尺寸與電磁波的波長接近時,電磁波可以從該物體的邊緣繞射過去。繞射可以幫助進行陰繞射可以幫助進行陰影區域的覆蓋)就越差,損耗也就越大。并且這種損耗會隨著傳輸距離的增加而增加,基站所能覆蓋到的范圍會隨之降低。6G信號的頻率已經在太赫茲級別,而這個頻率已經接近分子轉動能級的光譜了,很容易被空氣中的被水分子吸收掉,所以在空間中傳播的距離不像5G信號那么遠,因此6G需要更多的基站“接力”。5G使用的頻段要高于4G,在不考慮其他因素的情況下,5G基站的覆蓋范圍自然要比4G的小。到了頻段更高的6G,基站的覆蓋范圍會更小。因此,5G的基站密度要比4G高很多,而在6G時代,基站密集度將無以復加。
高頻高速;覆銅板;技術;新發展1高頻高速覆銅板市場的新格局
以低信號傳送損失為最重要特性的高頻高速覆銅板,是射頻/微波電路用CCL(一般簡稱 “高頻CCL”)和高速數字電路用CCL(一般簡稱“高速CCL”)的統稱。2020年,全球剛性高頻高速覆銅板的市場規模,以銷售額為計是28.86億美元(據Prismark統計,下同),年增長率為17.0%,占當年全球剛性覆銅板總額的22.4%;以銷售面 積為計是89.9百萬平方米,年增長率為20.0%[1]。2020年,全球剛性高頻高速覆銅板的市場格局(主要國家/地區高頻高速覆銅板生產企業 市場占有率)(見圖1),發生了較大的演變。2020年它的市場新格局新特點為:臺資企業市 占率大增,近于實現占全球此類CCL市場的半壁江山。 Prismark在2021年6月發布的全球覆銅板經營情況的調查報告[1]中,首次統計、公布 了2020年三大類剛性特殊覆銅板的全球整體及主要廠家銷售數據(見表1)。所提及剛性特 殊覆銅板,包括IC封裝載板用CCL,射頻/微波電路用CCL,以及高速數字電路用CCL的三 大類品種。其中,高速CCL還劃分為有鹵型(標準型)與無鹵型兩大品種。 從表 1 中,我們可得到:2020 年三大類剛性特殊覆銅板銷售額達到39.3億美元。占全 球2020年剛性覆銅板銷售額的30.5%,這個占比,比2019年提升了約3個百分點。在三大 類剛性特殊覆銅板銷售總額,封裝載板用CCL的銷售額占26.6%(銷售額同比增長11.4%), 高頻CCL占13.3%(同比增長3.3%),高速CCL占60.1%(同比增長20.6%)。Prismark的這份報告,還對全球主要CCL在三大類剛性特殊覆銅板方面的市場占有率, 作了統計(見圖2、表2),很值得我們參考。 據Prismark的統計,2020年有一定規模生產剛性三大類特殊覆銅板的企業,在全球共 有18家,它們所創的三大類特殊覆銅板銷售額,約占全球此類覆銅板銷售額的95%。在2020年三大類特殊覆銅板銷售額中,臺資企業此三大類基板材料的銷售額占37%,日資企業占27%,美資企業占10%。其中,我國內資企業有四家企業,登上“全球特殊覆銅板的18家生產廠家榜”,四家內 資企業的2020年三大類特殊覆銅板銷售額共計為254百萬美元,占全球這三大類特殊覆銅 板總銷售額的6.5%。在“全球特殊覆銅板的 18 家生產廠家榜”的剛性覆銅板品種綜合性企業(有 15 家)中, 2020 年三大類特殊 CCL 銷售額占本企業剛性 CCL 總銷售額比例很高(達到 50%以上)的廠 家,主要有:臺燿科技(本企業內三大類特殊 CCL 銷售額占總銷售額的 95%);三菱瓦斯化 學(占 81%);昭和電工(原為日立化成)(占 76%);斗山電子(占 61%);松下(占 52%);聯茂電子(占 52%);Isola(占 52%)從以上統計數據中,我們可明顯看出三點:日美資企業在三大類特殊覆銅板制造領域, 特別是此領域中的高端品種市場,仍保持著強大的競爭優勢;臺資有兩、三家企業在近幾年 的產品結構調整上,取得長足的進展,為此也已具備了很大的三大類特殊 CCL 市占率,以及很強的市場競爭實力;我國內資三家綜合性覆銅板企業,在三大類特殊 CCL 市場競爭力方面 的差距,更為凸顯。2高頻性覆銅板的市場競爭加劇,太赫茲頻段用基板材料的研發課題提出
在高頻高速覆銅板市場中,2020年中表現各生產企業間產品競爭最突出的熱點方面, 是高頻性覆銅板市場領域。此章重點討論高頻性覆銅板市場、產品、技術發展的新特點。2.1高頻性覆銅板的新品紛紛推出,關鍵性能有明顯提高當前,5G基站及網路通信終端(如76~79GHz汽車防碰撞雷達等)向著毫米波頻段(30~300GHz)快速的發展。這些設備所用的高頻PCB,越來越依靠它的基板材料端,去克服降低 其信號傳輸損失的難題,開發并提供更多客制化檔次的、還能達到其它重要性能(如多層板 加工性、可靠性、導熱性等)要求的高頻性基板材料。近一年多來,全球熱固性高頻高速基板材料主要生產廠家在新品開發及市場開拓上,更 多的精力都集中在毫米波電路用基板材料方面的角斗中。例如,2020年以來Df≤0.002等級 的RF/無線通信用熱固性類覆銅板的市場,不再只是幾家日美廠家(Rogers、松下、Isola等) 所占據,而中國大陸(生益科技、南亞新材等)、中國臺灣(臺燿、臺光、聯茂、騰輝電子 等)廠家產品,也開始分割到市場一定的份額[2][3]。在高頻高速覆銅板發展的各階段,它的主流采用的某一類樹脂,總是決定了高頻高速基 板材料技術與市場發展趨勢的最重要因素。當前高頻性覆銅板市場的激烈競爭的背后,是這 類覆銅板的主樹脂開發技術的進步,甚至是跨越作為支撐。近兩、三年來,Df<0.002(@10GHz)等級的熱固性高頻性覆銅板,又有多家開發出來, 有的已開始量產。表3中列舉的廠家及牌號。 以下,我們再對表3所示的Df<0.002新品的性能,作一些介紹與分析。(1)臺灣工研院專家近期曾發表論文[4],對臺灣廠近期新出臺的高頻高速覆銅板作了 較高的評價:碳氫樹脂類覆銅板臺灣島內“有幾間主要的CCL廠商,例如:聯茂、臺光電以 及臺燿科技,也都非常積極投入相關材料技術開發。其中以臺燿科技的進度最為超前,目前特性最好的商品為代號TU-943,它在RC=64%、頻率為10GHz下測得的Dk=3.22/Df=0.0015,特性已經接近PTFE的基板。”(2)可從表3所列產品牌號及Df性能值中看出:臺灣的臺光、臺燿、騰輝及美資Isola新推出的高頻性基板材料產品,在Df的指標值上,已低于松下相對應的產品品種[R-5785(GN)、R5515/R5410]的Df值, 并更加接近所對應同一應用市場的PTFE類覆銅板的Df指標值。(3)在表 3 所列的新品,它們鎖定的市場目標是基本共同的。即毫米波頻段應用的、 多層型電路基板。因此,它的 CTE 大小(主要是 Z 方向 CTE),也是非常重要的性能,CTE 與加工性好壞有著密切相關。CTE 也成為各廠家間性能水平的競爭重要焦點之一。表 3 中所列一些廠家,在近年出臺的這類新品的 CTE 性上水平得到了較明顯的提高。2.2熱固性高頻性覆銅板新品采用的樹脂類型在發生新演變
表 3 中所述高頻高速 CCL 新品的介電性能的提升,也共同反映出:在毫米波電路用熱固性型高頻性覆銅板開發中,除曾充當過碳氫樹脂類高頻高速覆銅板用主流樹脂的改性 PPE 樹脂以外,其它類別的新型熱固性樹脂逐漸擔當了主流樹脂材料的角色。
近年的 Df<0.002(@10GHz)等級的、可應用于毫米波電路的高頻性覆銅板品種的紛紛涌 現,表明了熱固性樹脂型高頻特性的覆銅板的制造技術,在近兩、三年中,又有了一個技術 上的飛越。趨使上述新品性能改進、提升的重要因素之一,是在采用的低介電性聚合物樹脂 中有了更大的創新,盡管這類新品推出的許多廠家都不宜過多宣傳這一采用新樹脂的具體創 新內容,但這是一個不爭的事實。在近年高頻高速覆銅板市場新變化下,更佳低傳送損失性 高頻性覆銅板所用主流樹脂材料正在發生演變,這成為了當前熱固性高頻覆銅板品種與技術 發展的新特點之一。
我們可以在近期海外同行發表的產品宣傳、技術文獻中,得到對這個“主流樹脂角色演 變”話題,有值得深思的幾個事例:
□事例一:臺灣工研院 PCB 基板材料專家,在近期論述高頻高速覆銅板用高聚物樹脂 方面,已將聚烯類樹脂材料與 PPE 樹脂、碳氫樹脂區分而出,并認為它在提升介電性能、銅 箔剝離強度方面,有獨特的貢獻[5]。
□事例二:日本一家為剛性覆銅板多年開發、提供樹脂的著名生產廠家——日鐵化學與 材料株式會社(日鉄ケミカル&マテリアル株式會社,為“新日鐵住金株式會社”旗下的分 公司)的樹脂研究專家在近年發文提出[6]:“下一代的信息通信技術發展,對超高頻化、高 速化、大容量化的材料,提出了更高的特性要求。在今后的高頻特性的基板材料的開發中, 作為可同時實現超低介電性與多層 PCB 成形性的乙烯基硬化型樹脂(日文“ビニル硬化型樹 脂”)來講,將扮演著重要的作用。”這篇論文,還具體提出三種含乙烯基硬化型樹脂,即:雙馬來酰亞胺類樹脂(Bismaleimide resin,BMI)、環烯烴類樹脂 (Cyclo Olefin Polymers,COP, 或稱:Cyclo Olefin Copoly-mers,COC)、聚二乙烯基苯類樹脂(Polydivinylbenzene,PDVB)等[7]。另 外,該文作者的單位,近年開發的“乙烯基芳香族化合物聚合體[8]”已在松下開發高速覆銅 板的專利中作為采用主樹脂[如產品牌號:ODV-XET(X03)、ODV-XET(X04)、ODV-XET(X05)] 研究重點材料而出現[9]。□事例三:松下在 2021 年 2 月發布的低傳送損失性 R-5410 基板材料宣傳稿中,特別了 強調了此新品,是“屬于由熱固性樹脂組成的半固化片。”請注意松下強調的毫米波電路所 用的這一新基板材料是“熱固性樹脂”。而在幾年前,該公司在一張高頻高速基板材料的宣 傳資料圖,還認為像毫米波頻段用的基板材料的樹脂材料,則還全是“熱塑性樹脂”類[4]。松下這一認識的轉變、深入,很使得筆者有這樣聯想的:松下近期在有關宣傳新品內容中, 提到高速傳送基板材料用樹脂材料所需要具有三條重要的條件:其一,盡量減少極性基團。其二,高的熱穩定性;其三,加工性好[10]。
□事例四:松下曾在近年的 R-5575、R-5515、R-5410 三次新品發布宣傳稿中[11][12][13], 都用了同樣內容大意相同的話語:該公司是通過“樹脂設計技術”,解決了“基板材料樹脂 組成中含有的無鹵阻燃成分構造,會使得基板高頻傳輸損失增大”的難題。我們是否可以理 解為:研發者在樹脂技術路線上摒棄了 MEGETRON 系列樹脂技術途徑(更明確地講,是改 性樹脂途徑),另辟蹊徑、“另起爐灶”,在比 MEGTRON7[如 R-5785(GN)品種]更具低傳送損 失性的樹脂體系及無鹵阻燃體系的構建中,又有技術路線的新選擇,得到了 Df 長期穩定性、 低 Df、低傳送損失性的新突破,在 MEGTRON7 與 MEGTRON6 基礎上的性能新提高。
□事例五:在今年 7 月上旬在上海舉辦的“CPCA 展會”上,松下株式會社向業界首次 宣傳了它的“MEGTRON 8”新型高速覆銅板(本品還處于研發階段,計劃 2023 年問世)的 性能及研發思路。在此產品說明會的幻燈片中,多處提及了“MEGTRON 8”采用的主樹脂作 了重大改變的問題,對此強調:“通過應用 PPE 樹脂, 來降低有局限性的。我們開發了其他 低極性和熱穩定的樹脂。”而 MEGTRON 8 用的這種“新型超低損失的極性樹脂(New Ultra Low Polarity Resin)”,它的 Df 僅為 0.001,明顯低于原用的改性 PPE 作主樹脂的 MEGTRON 7[R-5785(N)]產品的 Df(改性 PPE 樹脂的 Df 為 0.002)[10]。
2.3 天線層 PCB 新工藝的采用,給熱固性高頻性覆銅板爭奪毫米波市場提供了機遇
(1)天線層基板走向超多元件的集成模塊化、多層化
近一、兩年來,在 5G 通信設備設計中,為了提高天線的高效率、實現低信號傳輸損 耗及設備小型化、簡便高頻基板制作及降低其生產成本,在含天線的基板工藝上發生了普遍 性的變革。這種工藝變革核心內容,是將天線和 RF 芯片放置在同一基板上,且對天線層結構及所 采用基板材料品種作了改變。這使得“天線集成模塊”及“不同基材混壓復合結構”為特點 的 5G 通信設備用多層基板市場正在迅速擴大。就采用的基板材料而言,過去,傳統型天線基板材料主要采用 PTFE 樹脂基板材料,由 于是它熱塑性樹脂,在實現這種工藝變革中的天線基板多層化、基材結構復合化方面,就面 臨著不少工藝、設備配套等方面的困難問題。而熱固性樹脂組成的半固化片,可通過積層法 疊層生產工藝,易于對天線層進行增層、成型的加工,它在實現含有天線層 PCB 的多層化 上,占有著制作低成本性、簡便性、異種樹脂基材成形加工工藝可通用化等方面的明顯優勢。(2)熱固性樹脂高頻性基板材料疊層天線層實例
舉例講,如圖 3 所示的 5G 通信設備用多層基板結構例。可看出這種多層基板結構特點 是信號層與天線層的多個功效集成化(“集約化”);采用的基板材料為復合化混壓;天線層 為疊層(積層法)方式[14]。 再以采用76~79GHz頻段的車載毫米波雷達基板為例,原來傳統的基板結構為PTFE基板作芯層及天線層,它們之間用粘接片(PP)作為粘合。其中,制造工藝條件苛刻、復雜, 制造成本昂貴,成形加工性差。現在開始改為:用具有高頻特性優異的熱固性樹脂的半固化 片作基材,在芯板(為高頻電路信號層)上,實施逐層疊加工藝,形成絕緣層和導體層(銅箔)的多層布線,從而形成的多層天線層(見圖4所示毫米波天線層基板工藝變化的疊構圖 例) (3)對制造毫米波電路多層基板中,熱固性高頻基材替代PTFE基材的特點與條件的討論應該關注到,在上述疊層工藝改變下的毫米波段天線層多層模塊基板制造中,熱固性樹 脂基材因此可以通過現有通用設備進行基板的成型加工及導電層的制造。熱固性樹脂基材也 不需要特殊的化學溶液及特殊的工藝,這樣有助于基板制造中的加工成本降低。這些基板加 工特性優勢,是含熱塑性樹脂特性的PTFE樹脂基材,所難以實現的。由此,在毫米波頻段 電路的天線層多層基板制造中,當前熱固性樹脂基板材料替代原PTFE基板材料,出現了替 代率(或稱滲透率)快速并較高的新特點。在上述疊層工藝改變下,毫米波段天線層多層模塊基板制造采用熱固性樹脂高頻基材 去替代原PTFE基板材料,在熱固性樹脂高頻基材的性能上都有哪些“門檻”?筆者認為, 起碼具有以下六點:①應具有接近PTFE類基板材料的低傳送損失性,Df要低于0.002(@10GHz)。②Dk/Df具有長期高溫下的穩定性。③ 半固化片的制造多層板中的疊層加工性。④優異的CTE穩定 性。⑤ 與FR-4基材、其它熱固性高頻高速基板材料成形接合的兼容性。⑥由于需要與低 輪廓銅箔(特別是極薄低輪廓銅箔)壓合成型加工,半固化片需要分擔著確保、提高銅箔剝 離強度的功效,與銅箔共同克服、解決目前高頻高速多層板普遍存在的Cu剝離強度(PK)偏 低的難題.2.4商品半固化片市場需求擴大下,將逐步轉變為高頻高速基板材料中另一大類獨立特性的產品
(1)近期疊層工藝的天線層用熱固性性高頻基板材料(半固化片)替代PTFE基板材料 的“步伐”加快的速度,已遠遠高于芯板用的基板材料(覆銅板)。這就解釋了為什么像松 下、ISOLA、羅杰斯等一些熱固性樹脂型高頻性CCL大廠,為什么在2020年至2021年初都紛紛專門出臺低傳送損失性的半固化片產品了(參考表3)。(2)另一方面,類載板制造中近幾年廣泛采用了mSAP工藝技術,也擴大了具有低傳 輸損失特性的半固化片材料的應用市場。由于在類載板(SLP)設計線寬/線距30μm/30μm甚至更細的線路中,現有HDI采用 的減成法工藝流程限制已難以突破,因此采用制作HDI更高一檔次技術——改良型半加成法((modified Semi-Additive Process,簡稱mSAP)工藝技術,得以實現應用及迅速推廣。未來幾年,其他HDI多層板制作和智能手機主板等高端電子產品,也會擇時跟進SLP設計和mSAP技術應用,以達到產品疊構設計中各層線路圖形的高密度程度提高。同時,mSAP技術也會采用在SLP與HDI混搭的技術方案之中。而在實施mSAP工藝技術的最初一步,就是首先在基板上,同時預壓半固化片(多為高頻高速特性的PP)與極薄銅箔,實現介質基材 與導電層的疊合成型(見圖5)。 臺灣PCB專家林定皓等撰文提出:mSAP工藝技術走向廣泛的應用,“移動智能終端 與高速5G通訊設備則是最大推手。為了應對先進的移動智能終端設計,并能讓出足夠的 內部空間,則需要更薄、更小、更復雜的HDI板,且必須使用低介電常數、低介質損耗的 基板材料。┈┈超薄銅皮做半加成技術(mSAP)的調整后,它已經成為更加HDI制造的 主流工藝。”(3)在高頻高速電路多層板的制造工藝,正朝著混合壓板方面普及、擴展。而這項它 需要更多的、更具有定制特性的半固化片基材,通過疊層壓合在上下為不同樹脂基材的中間, 形成各層具有功能差異的復合基板。(4)近年在高頻高速多層板制造工藝方面不斷推新:不同品種基材復合混壓化;半加 成法、加成法形成微細高頻電路工藝技術發展等,致使多層板在介質結構出現新變化,介質 材料品種更加多樣化。多種不同產品形式的高頻高速基板材料的開發、上市、市場擴充都表 現活躍。例如:基板材料業界中多家開發出的樹脂膜(又稱樹脂膠膜)、新型涂樹脂銅箔(RCC)、 無玻纖增強的半固化片材料、原高頻FCCL用的膜材料(現用于剛性多層板制造)、高頻性純 樹脂膠等。它們的應用市場,也同樣主要瞄準在與上述高頻高速特性的半固化片的新應用市 場上,以充當疊層工藝高頻高速電路基板的絕緣層材料。高頻高速性商品半固化片市場面臨 著其它不同產品形式的層壓預固化基材的新競爭。以上幾方面的新變化都表明:在高頻高速性商品半固化片(PP)市場的需求面在擴大之 下,高頻高速性PP不僅是需求量在不斷的擴大,而且還將逐步轉變為高頻高速基板材料中 另一大類的具有獨立特性的產品。圍繞這一新的變化,覆銅板生產企業面臨著半固化片在生產、研發、銷售、客服等方面, 需要解決的新課題。如:①半固化片的原有生產模式上的改變、調整(如建立專業生產廠, 或生產線);② 向下游提出新的技術解決方案;③從一種(或一類)覆銅板品種中脫離而出, 獨立成為一種新多層板的基材品種;④開發、推出更突出PP定制化特性(如:兼容性、線 路填充性、薄形化)的半固化片產品;制定新的PP標準體系等。2.5 太赫茲頻段用基板材料開發課題已提出
隨著5G的商業化逐步轉變為成熟、實現常態化,近期通訊業界出現的新術語——“B5G (Beyond 5G,超5代移動通信系統)/6G”,“太赫茲”,它們一時成為的熱議兩個詞語。世界通訊業大廠三星電子,在2020年7月發表了的“6G白皮書”。它對出下一代通訊 技術的願遠景,作了勾畫:最高傳輸速度將由現在的20 Gbps,增加到1,000 Gbps,是5G的50倍;信號延遲必須低于1微秒,為5G的1/10;終端連結密度將由現在的100萬/km2, 提升到1,000萬/km2;定位精準度也將由數公尺提升到公分等級。如何達到發展B5G/6G的需求?全球相關業者提出了幾方面的為此而需發展的新技術, 包括:衛星通訊、太赫茲通訊、低能耗通訊、巨量天線束波成型、人工智能與大數據云計算 等。其中發展太赫茲通訊更為特別關注。太赫茲泛指頻率在0.1~10THz波段內的電磁波。從頻率上看,太赫茲在無線電波和光 波,毫米波和紅外線之間(見圖6)。 太赫茲技術被美國評為“改變未來世界的十大技術”之一,被日本列為“國家支柱十大重 點戰略目標”之首。太赫茲波長很短,遠小于微波與毫米波的波長,可以用于探測更小的目 標和更精確的定位;它卻又包含了豐富的頻率,有著非常寬的帶寬。美國是最早提出太赫茲 雷達這一概念的國家,并先后進行了0.2THz、1.56THz、0.6THz等高分辨率雷達實驗,驗證 了太赫茲雷達的可行性,為今后的發展奠定了基礎。太赫茲的頻段比現有微波通信要高出l~4個數量級,這也就意味著它可以承載更大的信息量,輕松解決滿足大數據傳輸速率的通信 要求的問題。2012年日本東京工業大學預測利用太赫茲通信技術進行無線數據傳輸的速度,理論上可以高達每秒100千兆位。值得關注的是,臺灣工研院的《工業材料雜志》2021年7月號(414期),以“B5G次 太赫茲關鍵材料技術”為專題,與讀者分享5G/B5G通信市場發展趨勢、┈┈、6G超高頻 無線通信應用關鍵材料之需求與挑戰等議題的文章。其中,有文涉及到PCB基板材料問題 的討論與預測[16]。文中提出:“在無線通信技術中,功率放大器(PA)是連接天線的關鍵元 件。它的操作頻率由現行5G的Sub-6GHz會提升到毫米波,甚至未來的次太赫茲(筆者注:臺灣有的專家對應用太赫茲無線通信的預測,認為首先在0.1~1.0THz頻段中實現,并把此頻段稱為“次太 赫茲”)。┈┈ 除了功率放大器,以往在5G應用較低頻率條件下使用的材料,如天線、載板, 甚至封裝材料等,將不再適用于次太赫茲通信環境,這也意味著當頻段提升到次太赫茲時, 材料將成為通訊系統可否運作的關鍵。”“太赫茲頻段通信成為6G通信的主要候選技術,相關應用于太赫茲頻段之材料已非現 行材料可以負荷,新材料的研究與開發投入,將成為后續通信產業發展的一大重點。”3.近期高頻高速覆銅板技術上的三大重要跨躍
3.1松下高頻高速覆銅板的兩大性能難題得以解決
在近十幾年中,松下始終以 PPE 樹脂的“MEGTRON”系列覆銅板產品,作為本企業高頻 高速覆銅板的主打產品品種。其中,M6、M7成為熱固性高頻高速覆銅板的“標桿”式的著名品牌。但在近年在此系列某些品種的高頻特性上,發生了“質疑性”的事件。(1)事例之一:
2020 年初,日本 PCB 大廠名幸電子(Meiko Electronics)在“第34屆電子研發、制造 與封裝技術展(NEPCON JAPAN 2020)”上,展出了針對車載、IoT 和 5G 用部品開發出三類 剛性高頻用電路板樣品及基板性能的介紹。其中這三類剛性 PCB 所用的基材分別是 PPE 樹 脂、PTFE 樹脂和 LCP 樹脂。展板內容中表明:PPE 樹脂的基板材料(松下產)所制出的基板, 僅是適于 30GHz 以下工作頻率整機的應用[14]。臺灣業界專家見此下游大廠對松下 M 系列高頻高速型板材所作出的應用評價,作了如下的詮釋:“以 PPE 為主的高頻材料研發(基板材料)可以克服 PTFE(基板材料)無法進行多層板加工的缺點,但是在 30GHz 以上的工作頻率之下,訊號損失會加大、Df 值會飆高。(2)事例之二:
近年,國內高頻整機應用領域的研究發現,PPE 樹脂系列的低傳送損失性最尖端基板材 料產品(例如:M7N 或等同樹脂系列 CCL 產品)存在長期在高溫下基板材料的樹脂體系老化 問題,致使插入損失出現裂化嚴重、大幅提升的問題出現。我國國內某大型通信設備公司在 高頻天線板的評估認證中,發現某公司的 PPE 體系的 M7N 等級板的 Df,在不同高溫長期處理條件下,“插損裂化率”達到 30%(見圖 7)[18]。這是由于高頻板材老化性能發生裂化嚴重,在分子結構、官能團、配方摩爾比等設計上,存在不足而造成。松下認識到“MEGTRON”系列其中的有品種(如:MEGTRON 7N)的介電性能(Dk/Df) 在30GHz以上高頻條件下(如上述事件一),或在高溫的長期穩定性方面(如上述事件二), 所表現出的性能缺陷,針對30GHz以上頻段的應用市場,在近年開發出R-5575和R-5515/ R-5410,是它近兩、三年來的一個重大的技術突破。其中,技術突破之一,是R-5515在2018年的問世,在全球率先在制出的熱固性樹脂類 的“無鹵化超低傳送損失基板材料”。它的介電特性可達到:Dk≤3.0(@10GHz),Df≤0.002(@10GHz)。并在高頻條件下保持較好的介電性能穩定性(見圖8)。 技術突破之二,是R-5575和R-5515/ R-5410產品,解決了Dk/Df在長期高溫環境下的 穩定性問題。松下2017年開發成功并上市的R-5575,表明了“它在高頻高速的低介質損失 因子(Df)性上的有新的認識及技術上突破。松下提出了Df在長期高溫環境下穩定性問題。這項性能它采用了在125℃下對樣品處理1000小時的試驗評價方法,去考核基板材料Df的變化率。R-5575的Df變化率為3.5%,而一般無線通信基站用基板材料Df變化率為80%。松下2018年開發成功并上市的R-5515(芯板),以及2021年開發成功并上市的R-5410(半固化片), 也成為了“超低傳送損失性+長期高溫環境下介電穩定性”的“雙加料”品種。筆者注意到,2021年上市的R-5410產品,將“Dk/Df在高溫條件下的長期穩定性”作為特別重點宣傳、炫耀其性能的內容之一。圖8所示的松下R5515/ R-5410的Dk/Df在高溫 條件下的長期穩定性。3.2對此兩個性能改進所引出的思考與討論
上述松下在高頻高速覆銅板上的性能提高方面,值得我們深思、討論有三個方面:其一,松下提出了以能否達到毫米波電路應用(對應30GHz~300GHz)中的高頻條件 下的插損穩定性、長期高溫介電特性穩定性的兩個新特性為界限的品種性能評估思想。其二,松下為實現上述兩大特性,是在樹脂體系上有了新突破、新創立。這是“MEGTRON” 系列樹脂體系、阻燃體系所達到不了的,即它不是在M6、M7技術基礎上的“升級”。其三,在松下高頻高速覆銅板品種群中,已有兩類品種(不在“MEGTRON”系列中的 R-5575/R-5470 和 R-5515/R-5410 產品),已達到了長期高溫介電特性穩定性的性能要求。這 在全球剛性高頻高速 CCL 業界中,除松下以外的其它企業品種還是不多的(嚴格講,從生產廠家講是獨一無二的),還是與松下所達到的品種性能有差距的。實現長期高溫介電特性穩定性,這將成為未來幾年全球其它剛性高頻高速覆銅板廠家將要努力開發的一個新課題。
3.3輔助低輪廓銅箔提高剝離強度的自創再加工處理技術
2019年12月在日本電子安裝學會(JIEP)部品內埋技術委員會于召開了“部品內埋技 術與支撐高速化的安裝材料與技術”研討會。在會上,松下株式會社所作的報告(“應對高 速-高頻的低介電特性基板材料的最新發展”),披露了它的“CuTAP”銅箔處理技術開發成功 與應用。這是繼2019年Rogers在全球CCL業界率先發明并商業化的本公司高頻電路基材(R4000系列)的專用銅箔(CU4000 ED)及涂膠銅箔(CU4000 LoPro)以來,松下株式會社所創新研發 出“CuTAP”銅箔處理技術及配套專用銅箔的技術成果,并應用在超低傳送損耗新品R-5515等超低傳送損耗性基材產品之中。從消息報道內容筆者破析:松下開發了一種添加劑放入銅箔表面處理液中,并且再一次 對低輪廓銅箔兩側面作處理實現了銅箔表面的納米級晶粒形狀與分布,提高了與介質基材的高粘接性。應用“CuTAP”技術,使得松下無鹵R-5515剝離強度(采用RTF銅箔)達到0.8kN/m(比其他企業同類品種高38%);松下將其還應用在MEGTRON8(N)中,使得此新品的剝離強 度(采用HVLP3銅箔)提高到0.8kN/m。Rogers、松下突破了原有CCL技術開發工作模式,創造的深入介入所需求的銅箔技術開 發的事例,也說明了他們在高頻高速覆銅板技術上的又一大進步。4.高頻高速覆銅板品種細分化的新發展高頻高速基板材料群對應基板市場的細分化、定制化中,出現了以對應市場的性能特殊 需求為基準,對各類基材品種作了新劃分、新分割。即在此類基板材料的品種組成結構上, 發生了重大的變化。這也是當前高頻高速覆銅板品種與技術發展中一個值得關注的新特點。4.1松下以對應市場需求為基準,對高頻高速覆銅板各品種進行新的分割在松下2021年2月的R5410新品量產消息的發布內容附件中[11],我們發現,它一往常態 的打破了原新品發布稿的傳統格式,增加了“一圖一表”(見圖10、表4),用此說明:松下在細化對應市場的熱固性樹脂剛性高頻高速基板材料品種發展方面,確定了新的性能定位;新的品種市場對應“分工”方案。這種新的品種對應的“分工”,是建立在技術水平提升的基礎之上的。筆者還歸納了在“一圖一表”中所涉及松下的六種基板材料的主要性能指標情況,附加 于表5中所列(表5所有性能指標數據,引自截止2021年3月的最新版本數據),供讀者參考。以便更好理解、讀懂松下通過近期發布的這“一圖一表”內容,所要表達它的高頻高速基板材料群,對應細分市場品種布局發展的新思路、新戰略。 從以上的圖 10、表 4 與表 5 中,我們可領會到:松下針對高頻高速覆銅板的細分基板 市場所對應關鍵性能需求的不同,提出了此類基板材料品種劃分的新方案(以下,簡稱“品 種劃分新方案”),即松下自稱為“5G 多層板解決方案(5G Multi-layer PCB Solutions)”。這個應對 5G 多層板性能需求的“品種劃分新方案”,是松下自 2017 年、2018 年及 2021 年分別問世了 R5575、R5515 及 R5410 的基礎上,所開始創立的。并在松下于 2021 年初通過 宣傳 R5410 新產品的機會,在全球、在該公司首次全盤系統的推出的。4.2松下劃分品種對應市場的“一圖一表”兩大新特點
剖析、歸納上述松下劃分品種對應市場的“一圖一表”,其核心內容突出了品種“精確 對位細分市場”與“豐富新功能、新性能”兩大特點:其一,在各種品種性能“客制化”的原則上,進行的兩個方面的新分割。即:高多層板 與低多層板兩大市場應用品種的分割;30GHz 以下應用品種與 30GHz 以上應用品種的分割。其二,“一圖一表”還體現了:在產品性能水平提高基礎上,松下的在熱固性樹脂型高頻 高速覆銅板中,新賦予了它的長期高溫介電特性穩定性,導熱性兩項功能特性。松下的“品種劃分新方案”,表達了松下對高頻高速基板材料品種及技術發展趨勢的新 認識。對我們了解對應細分基板市場,把握各類高頻高速基材的品種檔次、關鍵性能,具有很好的借鑒意義。4.3松下高多層板與低多層板兩大市場應用品種分割新方案的意義所在松下對應5G多層板細化市場,按性能需求對基材品種作了高頻高速電路的“高多層與 低多層應用市場”的應用分割。我們以圖 10 可領會它的這種按層數對應基材品種的“應用分割”思想。松下研發者深入領會了具有高頻特性的高多層PCB與低多層PCB對基材所要求的關鍵 性能,作到了精準對應細分化市場的品種分割。筆者認為,松下的這種對位兩類高頻特性的 多層板的品種分割的創建,是建立在具備了精準對為兩類市場需求性能的產品品種的基礎上 的。即不僅有像 R5515(芯板)/R5410(半固化片)等品種,可對位毫米波電路的低多層PCB的性能(主要指介電性能);也要有適合于高頻特性高多層PCB加工性要求的基板材料品種, 如 R-5785(GN)等。歸結這一品種分割新方案的意義,它在于:(1)“揚其所長”:R5410 具有低傳送損失性比 R-5785(GN)等要更好,加工成本更低(筆 者推估它不采用價格昂貴的低Dk玻纖布),在充當毫米波電路天線層基板的基材上,有著更大的優勢。(2)“用工派活兒”:盡管 R5515/R5410 在低 CTE 性、高耐熱性方面,比 R-5785(GN)、 R-5375(N)、R-5775(N)是略遜一籌,但就它的低層多層板的加工條件,去實現上述 M 系列的低 CTE 性、高耐熱性,也是被看作為“性能過剩”。R5410/R5410 與 M 系列的幾個品種基材, 在不同層 PCB 制作中各有分工,發揮各自性能上的特長,延續原市場的占據,這實在是松下 的“用工派活兒”的上佳之舉,明智之舉。(3)“另立門戶”:用于低多層板制造的 R5515(芯板)/R5410(PP)與 R5575(芯板) /R5470(PP)兩類品種基材,創出了一類獨具兩種“特殊高頻特性”的新系列。“特殊高頻 特性”為:高頻條件下的插損穩定性、長期高溫介電特性穩定性。這種新系列在主樹脂組成 上,不同于 M 系列,屬于松下高頻高速覆銅板系列的“另立門戶”。5.熱固性樹脂型高頻高速覆銅板導熱性的提高
賦予熱固性樹脂型高頻高速覆銅板高導熱性能,也是此類基板材料發展的新特點之一.對于 5G 通信設備,除了功率有較大的提升,以及設備小型化之外,另外一個新挑戰, 是如何實現裝置在更小空間里的布局,完成高散熱的功能,以減少傳送損失。為此,例如像 5G 小型基站 RF 功率放大器、天線裝置等都對所用基板材料開始提出高導熱性的需求,并且 這種功能需求會在未來將有更大的市場。回顧具有高導熱性的高頻覆銅板的發展歷程,過去多年一直是“清一色”的 PTFE 型覆 銅板所壟斷市場,而熱固樹脂型高頻性覆銅板走進此市場,也只是僅三、四年之事。 在2013年左右,雅龍在全球首推出了“填料+PTFE+玻纖布”類的TC350高頻覆銅板, 及時應對了高頻電路基板要增加散熱功能的市場需求。2015年1月,羅杰斯公司收購雅龍 公司后,將TC350作為了一款拳頭產品[19]。Taconic(泰康尼)也在2015年推出與TC350性 能相應的PTFE型覆銅板新品(RF-35TC).在2019年美國IMS展會上,羅杰斯先進互聯解決方案事業部推出了高導熱低損耗的TC350TM Plus層壓板材料。此款“升級換代”的PTFE新品將其導熱率性能由TC350的0.72 W/m·K,提高到1.24 W/m·K。起到了“降低結溫,降低傳輸線路損耗,降低熱量的產生, 提高放大器和天線的帶寬利用率及效率”[18]的作用。松下在2017年在全球CCL業界率先推出一種用于RF功率放大器的多層基板的熱固性 無鹵素型高頻高速覆銅板——R5575。它的“低傳輸損耗和高導熱性,這是在傳統覆銅板開 發技術上難以實現的(引自R5575說明書)”[12]。松下在2021年新推出的主要應用于多層 天線基板的R5410新品[11],也賦予了它一定的導熱功效。具有導熱性的松下熱固性高頻高速覆銅板與 Rogers、AGC 具有同類功能的高頻基板材料主要性能對比,見表 6 所示。
近一、兩年,5G中由于系統多通道的特點,需要降低電路的尺寸,減小基站體積、裝 置小型化,射頻和數字信號集成化、基板多層化等設計新特點,對基板材料提出了高導熱的需求。熱固性高頻高速覆銅板若進軍高頻電路基板的市場,特別是在高頻性多層板市場中去 替代PTFE基材,就需要賦予它高導熱性功能。這已經是熱固性高頻高速覆銅板在功能擴大、解決基材導熱技術上,所面臨的新課題,也發展高頻高速覆銅板中的一個新趨勢。-
5G
+關注
關注
1355文章
48479瀏覽量
564821 -
6G
+關注
關注
7文章
459瀏覽量
41918
發布評論請先 登錄
相關推薦
評論