5G带动PCB覆铜板新需求

时间:2019-4-4 分享到:

5G 新需求带来 PCB 行业新机会

PCB 是电子元器件电气连接的载体,在通信领域 PCB 主要用于无线网、传输网、数据 通信网及固网宽带等环节。由于工作频率相较 4G 显著提升,5G 宏基站对高频高速 PCB 的需求相较 4G 也将大幅提升。在工作频率越来越高的情况下,产品对基材的要求也越 来越高。应用于高频(频率 300MHz 以上)和微波(频率 3GHz 以上)领域的 PCB 是 在微波基材覆铜板上利用普通线路板制造方法的部分工序或者采用特殊处理方法而生 产的电路板。

5G带动PCB覆铜板新需求

无线网: 5G 有源天线带来高频高速 PCB 增量需求

4G 时代,PCB 主要用在基站 BBU(背板、单板)及天线下挂的 RRU 中,RRU 由于体 积较小,PCB 需求量相对较小。5G 时代,基站天线从无源向有源演进,RRU 与天线 合并成为支持大规模天线的有源天线单元(AAU)。而大规模天线的应用对天线集成度 有更高要求,FPGA 芯片、光模块、射频元器件及电源系统将被集成于支持高速、高频 的 PCB 板中。5G 天线射频结构性变化,带来天线侧 PCB 新增市场空间。

移动通信基站已从 2G 时代的 2 通道发展成为 4G 时代的最多 8 通道,再到 5G 时代的 Massive MIMO 大规模天线阵列。Massive MIMO 作为 5G 移动通信的关键技术,通过 在基站端布置几十甚至上百个天线阵,获得更精确的波束赋形能力;在相同的频谱资源 上可同时向多个目标客户发射不同波束,并有效减少各个波束之间的干扰,从而显著提 高系统频谱效率,进一步提升通信系统网络容量和覆盖范围。

5G 大规模天线系统包括密集辐射阵、功分网络、耦合校准网络、盲插型连接器和收发 单元。

密集辐射阵: 即密集的天线振子阵列,是由多个辐射单元按照一定横向与纵向间距组成 的天线矩阵,实现无线传输信号的收发。在射频通道(包括单元模块、功分网络、盲插 连接器)数确定的前提下,天线单元模块的增益及单元模块的横、纵向间距决定大规模 天线整机的增益。

功分网络: 即馈电网络,负责对每个单元模块的一组若干辐射单元进行激励和幅相配置,其中,单元模块的增益大小取决于每组功分网络激励的辐射单元个数及辐射单元间距。

耦合校准网络: 实现对收发单元发送到每个射频通道的信号源幅相信息进行监控,若通 道幅相检测值偏离预设值,则通过系统算法重新调整收发单元的发射功率及相位。

盲插连接器: 连接天线射频通道与收发单元端口,结构上精确定位,实现收发单元信号 输出端口与天线输入端盲插连接。

收发单元: 对射频通道 RF 信号发射和接收,实现 4G RRU 的功能包含: 功率功率放大 器(PA)、低噪放大器(LNA)、数字处理单元(DSP)、滤波器(Filter)、数模/模数转 换设备(ADC/DAC)等射频器件。

5G 大规模天线通过天线射频通道(包括多个辐射单元组成的单元模块)实现无线传输 信号的收发,通过耦合校准网络实现对每个射频通道的发射功率和相位的监测,并通过 系统数字赋型算法调节收发单元激励到每个射频通道的幅相权值配置实现大规模天线 的精准波束赋形。

不同于 4G 时代,天线+RRU+BBU 构成分布式基站,5G 大规模天线将天线变成了一体 化有源天线 AAU,AAU 集成了天线与 RRU 的功能,包含天线振子、滤波器、T/R 模块、控制模块、电源模块。其中,PCB 主要应用于密集辐射阵(天线振子)、功分网络板(馈 电网络)、耦合校准网络板及收发单元中。

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传输网: 5G 传输设备升级带来高速 PCB 需求提升

面对 5G 新需求,传输网容量将提升 10 倍、时延降低 10 倍、单比特成本降低 10 倍,并对芯片在交换容量、时延、MAC 数量、交换方式、标签层数和功耗等方面提出了更 高要求。5G 传输设备光电互联的复杂度快速提升,支撑通信技术发展的 PCB 也将向 高速大容量的方向发展,在频率速率、层数、尺寸以及光电集成上提出更新的要求,从 目前领先的 25Gbps总线速度向更高的 56Gbps发展。相较4G传输设备通常采用FR-4 PCB 板材,5G 传输设备尺寸变化不大,但对数据转发处理能力需求的增强,带来高速多层 PCB 板材(20-30 层,核心设备高速 PCB 层数达 40 层以上)需求大幅提升,其 中单基站需要 2~3 块 BBU 单板,假设其单价约 9000 元/平米,背板 1 块,假设其单价 约 13000 元/平米。

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5G PCB 市场空间量化测算,高频高速 PCB 空间巨大

参照中国移动 4G 基站划分为室外宏基站、室内宏基站(DAS)、室外微基站、小基站 (皮基站)。另根据三家运营商 2018 年报批露,三家运营商 2018 全年新建 89 万 4G 基站,三家运营商合计已建设 478 万个 4G 基站,我们假设其中宏基站(室外宏+室内 宏)约 401 万个,微基站约 77 万个。

考虑到中国移动将主要在 2.6 GHz 频段建设 5G 网络,中国电信、中国联通 3.5 GHz 建网,我们预计三家运营商合计 5G 宏基站将达 551 万站,将是现有 4G 的 1.37 倍。以 7 年内(2019-2025)建设 551 万 5G 宏基站进行测算,我们认为国内三家运营商 2019 年新建 10 万左右 5G 宏基站,5G 投资高峰期将在 2022 年左右到来。

高频高速 PCB 技术壁垒高,国产替代空间巨大PCB 产业链&制造流程

PCB 产业链较长,涉及的原材料多样,包括电解铜箔、电子玻纤布、专用木浆纸、合 成树脂、油墨、光刻胶等,其下游应用领域也非常广泛,包括通信设备、消费电子、汽 车电子、计算机及相关设备、工控等。

PCB 的生产原材料包括覆铜板(CCL)、铜箔、铜球、半固化片、金盐、油墨、干膜、其他化工材料等。由于 PCB 并不是标准产品,其成本结构会随着产品的不同而波动,以深南电路为例,其披露的 2017 年 H1 的成本构成如下,覆铜板成本占比最高。

PCB 是采用电子印刷技术制作的电路板,在覆铜板上贴上干膜,经曝光、显影、蚀刻 以及清洗形成导电线路图形,在电子产品起到电流导通与信号传送的作用。制造 PCB 所需主要原材料有:干膜、覆铜板、铜箔、阻焊油墨和标记字符油墨等。

PCB 制作包括内层制作、外层制作、包装成型三个流程。内层制作是利用板材基材,通过铜层图形蚀刻,各层板料及覆铜膜对位,在受控热力的配合下形成层间叠合,修边 处理后完成制作流程,为外层线路之间的导通提供条件。

外层制作利用已完成的内层基 材,通过钻孔贯通内层线路,曝光、腐蚀、清洗完成图像转移,进行相关的可靠性、成 品测试,完成制作流程。包装成型将已完成的产品进行外部文字印刷,切割成不同的形 状,通过电子 100%测试以及通过 100%目检筛除不合格产品。

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高频高速 PCB 对材料要求较高

在选择用于高频电路的PCB所用的基板时要特别考察材料的介电常数DK在不同频率下 的变化特性,因为信号传送速率与材料介电常数的平方根成反比,高介电常数容易造成 信号传输延误; 而对于侧重信号高速传输方面的要求或特性阻抗控制要求,则重点考察介质损耗因子 DF 及其在频率、温湿度等条件下的性能,因为介质损耗越小信号损耗越 小,信号输送品质越高。

一般情况下,DK 和 DF 是随着频率及温湿度变化的,DK 随着频率的升高而降低,DF 随 着频率的升高而升高,不同的材料 DK 和 DF 随外界环境(频率及温湿度等)的变化率不 同,变化率越小的材料越稳定。PCB 基板材料的介电性能对信号的传输速度和完整性 产生直接的影响,此外,铜箔、油墨也会影响 PCB 的性能。

高频高速 PCB 需要低介电常数、低损耗因子的基板

一般 PCB 基板材料包括刚性基板材料和柔性基板材料,刚性基板材料的重要品种就是 覆铜板。覆铜板是用增强材料浸以树脂胶黏剂,通过烘干、剪裁、叠合成胚料,然后附 上铜箔作为模具,再在热压机中经高温高压成形加工而成。

增强材料种类包括纸基(94HB、94VO 等)、复合基(22F、CEM-1,CEM-3 等)、环 氧玻纤布基(FR-4 等)、特殊材料基(金属类基材等)和 HDI 基(RCC)五大类,其 中环氧玻纤布覆铜板强度高、耐热性好、介电性好、基板通孔可金属化,是覆铜板所有 品质中用途最广用量最大的一类。

高频高速板目前主要厂商为海外企业,包括罗杰斯、雅龙、三菱瓦斯、日立化成、松下电工、泰康利等。

国内企业如生益科技、华正新材、高斯贝尔、超华科技等厂商在高频高速覆铜板领域的进展也值得重点关注。

高频高速 PCB 需要表面粗糙度更小的铜箔

按铜箔性能的不同可以分为标准铜箔、高温高延伸性铜箔(HTE)、高延展性铜箔(HD)、耐转移铜箔、低轮廓铜箔(VLP)、超低轮廓铜箔(HVLP 铜箔)、反转铜箔(RTF)等。

随着信号传输向高速化和高频化方向发展,趋肤效应对信号传输质量和信号完整性的影 响越来越大,信号在导体中的传输厚度越来越薄,为减小信号传输损耗,高速 PCB 板 材通常会搭配低粗糙度的铜箔,因此现在高速板设计会选用 RTF、VLP 和 HVLP 的铜 箔。

目前全球低粗糙度的铜箔生产厂商主要包括三井金属、古河电工、福田金属、OAK 三 井、台湾铜箔等公司,其占比超过全球 90%,国内只有少数厂商具备生产能力。

油墨对高频高速 PCB 损耗性能有一定影响

PCB 专用油墨为生产过程中所需要的配套油墨产品,其质量好坏会直接影响 PCB 板的 性能表现,目前 PCB 专用油墨按照用途分类包括阻焊油墨、线路油墨和标记油墨等品 种。

一般而言,在高速 PCB 中使用的阻焊油墨的损耗因子比板材大得多,因此,对于高速 PCB 的外层线路,阻焊油墨的选用也对外层线路损耗性能有一定的影响。为改善高速 PCB 外层线路的信号传输性能,近年业内有研发推出低损耗的阻焊油墨。目前全球 PCB 油墨企业主要包括日本太阳油墨、台湾联致、广信材料和容大感光。

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高频高速 PCB 国产替代空间巨大

高频电路的 PCB 所用的基板时要特别考察材料的介电常数 DK 在不同频率下的变化特 性,高介电常数容易造成信号传输延误;对于侧重信号高速传输方面的要求,则重点考 察介质损耗因子 DF 及其在频率、温湿度等条件下的性能,介质损耗越小信号损耗越小 信号输送品质越高。因此高频高速 PCB 对基板材料(主要是覆铜板)、铜箔和油墨的性 能提出了更高的要求。

目前,特殊覆铜板基本为海外企业所垄断,该领域主要生产厂家:罗杰斯/雅龙、三菱瓦 斯、日立化成、Isola、Park Electrochemical、松下电工、斗山电子、泰康利、南亚塑 胶、生益科技、台燿科技等。

其中,高频高速覆铜板具有较高的行业垄断性,主要被罗杰斯、雅龙等海外厂商垄断,占到高频板市场份额 90%以上,其中罗杰斯独家占据市场份额 40%以上,国产替代空 间巨大,国内产业链率先布局厂商有望受益。

高频高速 PCB 产业链国内重要厂商梳理

各类 PCB 产品虽具有一些共同的基本工艺,但更重要的是根据基材厚度和材质、线宽 和线距的精度要求、设计结构和生产规模以及客户指定的其他专门要求,确定不同的生 产工艺和设备,定制化程度非常高。对于通信 PCB 板而言,随着 5G 网络的发展推进,相应的通信基站和接入移动终端等网络设备必须具备大容量、高带宽接入的特性,这使 得支撑通信技术发展的 PCB 也将向高频、高速、大容量的方向发展,在频率速率、层 数、尺寸以及光电集成上提出更新的要求。

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