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高频材料-罗杰斯PCB板材料初探

随着电子技术的越来越发达。电子产品的生产对材料的要求也越来越多,比如高频材料。以罗杰斯为例。罗杰斯PCB板材料是Rogers公司生产的一种高频板材型号,不同于常规的PCB用板材环氧树脂,它中间没有玻纤是以陶瓷基高频材料。当电路工作频率在500MHz以上时,设计工程师可选择的材料范围就大大减小了。


Rogers RO4350B材料可以让射频工程师方便的设计电路,例如网络匹配,传输线的阻抗控制等。由于其低介质损耗的特性,在高频应用中, R04350B材料更具普通电路材料不能匹敌的优势。其介电常数随温度波动性几乎是同类材料中最低的,在宽频率范围内,其介电常数也相当稳定3.48,设计推荐值3.66。LoPra™铜箔可降低插入损耗。这使得该材料适用于宽频应用。


 
罗杰斯PCB板材料陶瓷高频板材系列分类:

罗杰斯RO3000系列:基于陶瓷填充的PTFE电路材料,罗杰斯型号有:RO3003、RO3006、RO3010、RO3035高频层压板。

罗杰斯RT6000系列:基于陶瓷填充的PTFE电路材料,为需要高介电常数的电子电路和微波电路而设计的,罗杰斯型号有:RT6006介电常数6.15,RT6010介电常数10.2。

罗杰斯TMM系列:基于陶瓷、碳氢化合物、热固型聚合物的复合材料,罗杰斯型号:TMM3 、TMM4、TMM6、TMM10、TMM10i、TMM13i。等等

 
目前全球5G布局加速愈演愈烈。传统的3G/4G基站分布式架构主要可分为BBU、RRU和天馈系统,其中RRU和天馈系统通过馈线连接。由于高频化下传输损耗风险增大,集成RRU和天馈系统的架构方式能够减少馈线上的信号损失、提高传输效率,高度集成化使得大量的零散部件被PCB板替代,最终使得PCB单位使用量增加。




高频段倒逼PCB材料高频化

5G时代必须利用高频频段(3GPP已指定5GNR支持的频率范围为450MHz-52.6GHz),其原因在于:

1)经历过前4代通信技术的迭代,低频段的资源已经被占用,能用于5G开发的资源已经不多;

2)频率越高,能装载的信息也就越多,资源也就更丰富,从而也能使得传输速率更高(例100MHz中仅能分割出5个20MHz的信道,而1GHz能够分出50个20MHz的信道)。


由于负载产生的共振现象和传输线效应的影响,电磁波频率越高,衰减就越厉害,而要实现高频下的高效传输,就要控制信号在收发和传输器件上的损耗,相应承载器件就将从以往普通板材改用高频板材(如罗杰斯4350),具体来看,终端天线原本采用以PI为主要材料的FPC(柔性电路板),但由于PI的介电常数(Dk,传播介质阻挡电子的能力)和介电损耗(Df,传播介质消耗电能转为热能的能力)都较高、从而传播效率较低,因此用Dk和Df都更低的液晶聚合物(LCP)替代PI的趋势日益凸显,目前苹果手机已导入LCP,未来LCP材料有望成为主流材料,而以苹果为例,iPhoneX中单个LCP模组大约为4-5美元/根天线,而传统的PI天线为0.4美元/根,单位价值量有显著的提升空间。


基站天线同样需要用高频材料(如罗杰斯4350),目前主流的方案是采用聚四氟乙烯(PTFE)或碳氢材料的PCB板(具有非常良好的介电性能),其价格大约为3000-6000元/平方米,普通PCB价格约1900元/平方米,单位价值量提升约1.5-3倍3G/4G基站RRU中需要高频交流板,其中射频功放板块的PCB板需要用到高频材料(如罗杰斯4350),但为了节约成本,会将FR4和高频基材混压在一起。5G的AAU中高频交流板对PCB板材的高频(如罗杰斯4350)需求将增大,PCB板中的高频材料使用量将增多,由此提升单板价值量。


5G时代构建的三大场景(eMBB、mMTC、uRLLC)意味着我们即将走入数据爆炸的时代,数据量将井喷,根据信通院报告,随着2020年5G商用,中国5G连接数至2025年将达到4.28亿,五年复合增速将达到155.61%。数据需求井喷倒逼通信设备提升数据处理容量,相应PCB板材有望向多层化发展,价格也相应提升。