5G、IOT時代來臨 應對需求天線PCB材料新趨勢有哪些？
根據各大運營商的公開時間表，盡管要到2020年日本的東京奧運會5G業務才有可能商用，但這個時間可能會進一步加快。據了解，在2018年的韓國冬奧會上，韓國運營商就會提前提供5G服務。美國的Verizon也已搶先確定5G頻段。
由于5G、IOT等應用將采用更高的頻率，從過去的3GHz以下逐漸上升為6GHz甚至2～30GHz，這將給天線射頻材料帶來新的技術趨勢。在日前由羅杰斯與元器件分銷商世強聯合主辦的“2016羅杰斯亞洲先進互聯連接解決方案天線研討會”上，羅杰斯先進線路板材料事業部副總裁Jeff Grudzien表示，頻率不斷升高的過程中對板材損耗有非常高的要求。在高頻率下如何做到更低損耗成為5G天線板材的一大挑戰。此外，由于5G的Massive MiMO天線數目和復雜度要遠遠高于4G的有源天線系統。所以對于降低天線的尺寸，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東西，5G相對4G對于材料的導熱率也提出了更高的要求。
除了功率提升以及設備小型化之外，另一個挑戰是如何在更小的空間布局內完成散熱的功能。“我們公司在更高導熱率值的板材上有更多的研究，因為頻率的上升，板材的選型會比較薄。如何在非常薄的材料上能夠完成我們的高導熱率值也是一個挑戰。”Jeff Grudzien同時表示，隨著5G通信在天線中加入越來越多的頻段，基站的鐵塔上已經布置非常多的天線，天線設計變得越來越復雜。因為功率提升，工程師希望把有源電路放到天線系統里，形成有源天線系統，這就需要將更多的部件放在一個有限的空間內。這種情況下多層PCB板開始替代過去的電纜滿足復雜天線設計需求。
Jeff Grudzien表示，羅杰斯獨有的熱固型樹脂可以滿足以上提到的高頻、多頻，復雜天線系統的需求。在射頻領域，羅杰斯占有很大的市場份額。2014年，羅杰斯收購了天線領域的優秀廠商雅龍，將其天線產品線進行了更大擴展。在沒收購雅龍之前，羅杰斯在天線上的解決方案就是熱固型樹脂。因為這種材料之前并不為國內大多數工程師所熟悉，主要還是使用特氟龍材料(PTFE熱塑型樹脂)。
高溫處理通常是高頻線路板加工制造的重要環節。從開始形成的電介質半固化片到覆銅層壓板，以及終加工成型的電路元件，印刷電路板(PCB)材料的制作過程都需要加熱。熱塑型和熱固型兩種類型的復合材料通常用于PCB的介電層，或者作為粘合劑用于制造覆銅板，它們各自具有自己的特征和特性。熱塑性材料通常是剛性或呈現硬化狀態，但隨著溫度升高接近熔點材料會慢慢變軟。熱塑性材料可用填料來做增強，如玻璃纖維或陶瓷材料。熱固性材料變硬過程是熱化學反應的結果，例如，將兩種環氧樹脂混合在一起時會發生化學反應，材料會變硬。由于它們開始時是軟的或液態的，所以熱固性材料與填充材料可以通過一個簡單的過程混合達到增強的目的。但是一旦硬化或固化，熱固性材料通常比熱塑性材料更硬。熱固性材料硬化過程是不可逆的熱化學反應過程，它不能像熱塑性材料那樣再次融化。熱塑性材料在常溫下是穩定的，但熱固性材料在固化之前的保質期是有限的。
熱塑性材料與熱固性材料相比，通常具有較小的電氣損耗。另外，隨著時間推移和溫度不斷升高，熱塑性材料電性能變化相對于熱固性材料要小。而熱固性材料會隨時間氧化。氧化過程可導致PCB材料的介電常數(DK)和損耗因子(DF)發生變化，并導致射頻/微波頻率等性能產生潛在的變化。通過不斷研究和改進，羅杰斯公司的科學家們，同時提高了熱塑性和熱固性材料在PCB中的性能。通過添加合適的填充材料，無論電氣性能還是機械性能都有很大幅度提高。例如，RO3000系列線路板材料是熱塑性陶瓷填充聚四氟乙烯(PTFE)復合材料，介電常數(DK)值可從3.0到10.2。作為熱塑性材料，它受時間和溫度影響較小，有著非常穩定的電氣性能及機械性能，具有較低的介電常數溫度系數(TCDk)。這相對于早期基于聚四氟乙烯(PTFE)的熱塑性線路板材料是一個巨大的改進。與熱塑性材料相比，盡管熱固性材料不具有低電氣損耗優勢，但RO4835熱固性材料具有較低的介電損耗，使其能夠應用于500MHz以上的低成本電路。它在10GHz頻率下Z軸介電常數為3.48，并且保證±0.05的公差。RO4835層壓板的金屬化過孔可以使用標準的加工工藝來完成，因為該材料實現了Z軸31ppm/°C的膨脹系數(CTE)，基本上與銅的膨脹系數(CTE)17Dpm/℃接近。
“羅杰斯的優勢在于有非常強的知識和經驗來給板材進行測試，對它的指標進行定性。我們的一致性非常高，有非常廣泛的多種產品選擇。我們的質量控制體系能使我們在不同的地點都能生產出品質和一致性非常高的產品。所以大家在使用板材的時候不必擔心，我們會提供本土化的支持。”Jeff Grudzien表示，羅杰斯的獨特價值在于不僅容易地加工生成多層板，這種材料同時還有輕便、低插損、低互調的優勢。“我們的RO3003已經在77GHz的汽車雷達(汽車射頻傳感器)得到了廣泛的應用。這表明我們的產品已經可以用于7～80GHz的應用。”
物聯網通常由兩部分組成，一部分是基站，一部分是終端設備。“羅杰斯的產品已經在基礎設施中廣泛應用，其中窄帶物聯網的基站已經用到我們的產品。從終端設備來講，汽車里面，我們常見的水表、電表里已經有所應用。借助以前的軍用技術，羅杰斯有望降低MIMO和有源天線系統的成本，使它們更廣泛地運用到5G領域，以提升數據容量。”Jeff Grudzien表示，目前市場在羅杰斯的業務中已經占到了50%。“我們熱固型樹脂的銷售額比所有的特氟龍板材加起來還要多。我們有足夠的涂覆線和壓和線，可以滿足足夠的生產需求。”Jeff Grudzien認為，過去5年市場發生了巨大變化，以往歐美設計、生產的模式逐漸轉變成更多本土的設計。為了應對亞洲市場新增的客戶需求，羅杰斯在蘇州建有兩大工廠，并采用大數據分析生產的全程運作，提高了板材的生產效率，能夠滿足客戶下端生產線的需求，且未來還將以TS-16949體系作為質量標準。以RO3000系列為例，其生產周期將會縮短至18天。
羅杰斯目前主要針對三個重要領域：能源、保護、連接提供相應的高性能等級材料。羅杰斯有三大核心事業部門：包括應用于高效電機驅動、汽車電氣化和可再生能源的電力電子解決方案;在移動設備、機車內飾、工業設備和功能性服裝中具有密封、振動管理和沖擊保護作用的高性能泡沫，以及用于無線基礎設施、汽車安全及雷達系統的先進線路板材料。
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