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解析5G手機背后的幾個關(guān)鍵技術(shù):主板、天線和散

時間:2020-02-11 15:40來源:網(wǎng)絡(luò)整理 瀏覽:
[PConline 雜談]2月3日,全球調(diào)研機構(gòu)Gartner發(fā)布最新報告,指出2020年全球終端出貨量有望止跌反彈,在5G手機需求帶動下,

[PConline 雜談]2月3日,全球調(diào)研機構(gòu)Gartner發(fā)布最新報告,指出2020年全球終端出貨量有望止跌反彈,在5G手機需求帶動下,今年全球智能手機市場有望成長3%,而5G手機銷量更有望在一年內(nèi)超越4G手機銷量。

很顯然,在可以預(yù)見的未來4G手機將漸漸步入尾聲,取而代之的5G手機,也將從高端市場漸漸向中端甚至是入門級別挺進(jìn),成為主流。

5G手機牽涉到整個產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)升級,它和4G手機的區(qū)別在什么地方,哪些技術(shù)又會在5G手機的普及當(dāng)中起到關(guān)鍵作用,下面我們來淺談一下,5G手機背后三個關(guān)鍵技術(shù):主板、天線和散熱

5G手機的“基礎(chǔ)”:SLP技術(shù)

拆開一臺4G手機,你會發(fā)現(xiàn)PCB板上容納的元件幾乎已經(jīng)堆到了極限,5G手機如何在主板元件更多的基礎(chǔ)上,繼續(xù)維持機身的厚度和重量,SLP技術(shù)起到關(guān)鍵作用。

什么是SLP?

iPhone 11 Pro Max圖源:iFixit

SLP即類載板(Substrate-like PCB),通過先進(jìn)的焊接工藝,可以將多層PCB板電路連接相通,從而將主板從“2D變?yōu)?D”,充分利用機身的空間,iPhone X、XS系列和11 Pro系列采用的多層主板技術(shù),就得益于SLP工藝。

為什么要用SLP?

根據(jù)射頻業(yè)界巨頭Skyworks的估計,5G手機的射頻前端零件將大幅增加,濾波器從40個增加到70個,天線、PA、射頻開關(guān)、LNA等其它射頻器件也幾乎成倍增加。這對5G手機內(nèi)部的元件密度提出更高的要求。

SLP工藝不僅機身內(nèi)部的立體空間得到更好的利用,也能讓PCB板的元件變得更“緊湊”,即進(jìn)一步縮小線寬、線距,從而放進(jìn)更多5G元件。

過去采用的Anylayer HDI最小線寬/ 線距約為40μm,而目前的SLP已經(jīng)小于 30/30 μm,據(jù)了解,今年新iPhone所采用的SLP工藝將進(jìn)一步縮小至 25 um/30 um。

SLP技術(shù)帶來的空間釋放是相當(dāng)明顯的,以iPhone為例,在iPhone X引入SLP技術(shù)后,相同元件數(shù)量的體積減少至原來的 70%,帶來更多電池空間。不過,目前安卓陣營尚未廣泛引入SLP技術(shù),預(yù)計在2020年的旗艦5G手機中,SLP技術(shù)將逐漸成為主流。

5G手機的“公路”:LCP 基材

前面提到,5G手機與4G手機一個明顯的區(qū)別是射頻組件的大幅增加,作為信號傳輸?shù)摹肮贰保?strong>手機天線也被視為5G手機升級的“先行”要素。

什么是LCP基材?

LCP即液晶聚合物(Liquid Crystal Polyester),目前廣泛運用于5G手機天線基材中。

LCP具有優(yōu)異的電學(xué)特征:在高達(dá)110GHz的全部射頻范圍,幾乎能保持恒定的介電常數(shù),一致性好;正切損耗非常小,僅為0.002,即使在110 GHz時也只增加到0.0045,非常適合毫米波應(yīng)用;熱膨脹特性非常小,可作為理想的高頻封裝材料。

為什么要用LCP基材?

?減少通訊損耗

前面提到,LCP天線優(yōu)異的電學(xué)特征主要原因,尤其是在5G高頻段通訊的條件下。舉個例子,傳統(tǒng)PI軟板天線對2.4G的射頻信號將產(chǎn)生約2%的電磁損耗,而且隨著頻率提高,損耗就越大。而采用LCP基材損耗僅為2‰—4‰,比前者小10倍,可以有效降低損耗。

LCP天線可以滿足5G頻段低損耗的需求

?天線小型化

由于5G手機內(nèi)部空間進(jìn)一步縮減,天線數(shù)量增加,天線小型化成為趨勢。LCP具備良好的物理性能,從而可以提升天線的小型化能力,在彎折性能方面,LCP天線可以貼合機身中框,相較于傳統(tǒng)FPC天線沒有明顯的回彈效應(yīng)。

4x4 MIMO示意圖

同時,采用LCP材料的軟板電路厚度僅有0.2毫米,用于集成天線與同軸電纜將減少總體厚度,為天線提供更多凈空區(qū)。

得益于全面屏手機的興起,LCP相關(guān)產(chǎn)業(yè)起步較早,已經(jīng)有不少4G手機用上了LCP天線,這也是為什么我們看到手機屏占比越來越高的原因,隨著5G手機對天線要求更高,ID設(shè)計對相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈也提出了更高的要求。

5G手機的散熱:均熱板(VC)

SLP技術(shù)、LCP 基材都有著相同的目標(biāo),就是在5G手機有限的空間之內(nèi),塞入盡可能多的元件,元件越多,產(chǎn)生的熱量自然就越高,而元件密度增加,令散熱有了更多的壓力。

根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院的預(yù)測,2018 - 2023 年散熱產(chǎn)業(yè) CAGR(年復(fù)合成長率)將增長8%,而智能手機散熱 CAGR 則高達(dá) 26%。

應(yīng)對5G手機高性能、密集元件和IC控制帶來的散熱問題,傳統(tǒng)的石墨散熱片方案已經(jīng)逐漸不能負(fù)荷,均熱板(VC)將是未來5G手機的標(biāo)配。

什么是均熱板(VC)?

左:熱管工作原理;右:均熱板工作原理

均熱板(Vapor Chamber)功能及工作原理與熱導(dǎo)管一致,為以其封閉于板狀腔體中作動流體之蒸發(fā)凝結(jié)循環(huán)作動,使之具快速均溫的特性,從而具快速熱傳導(dǎo)及熱擴散的功能。均熱板的組成與熱導(dǎo)管相似,由金屬殼體、毛細(xì)結(jié)構(gòu)和作動流體構(gòu)成。

打個比方,如果把熱管比做一條“線”,那么均熱板就是“面”,均熱板可以看做一個面積巨大的熱管。

均熱板優(yōu)勢是什么

?更高的散熱效率

手機中的導(dǎo)熱管

人工石墨片由于導(dǎo)熱性能好,水平導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)1500 W/m?k,而性能更好的熱管散熱導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5000–8000 W/m?k,約為前者四倍以上。前面提到均熱板可以等同于“放大版”的熱管,因此擁有比熱導(dǎo)管大的腔體空間,可容納更多的作動流體,均熱板等效導(dǎo)熱系數(shù)約為熱管的2–3倍,預(yù)計可以達(dá)到20000 W/m?k以上。

?更大的散熱面積

過去在運用熱管散熱的手機上,我們可以看到熱管被用在最需要散熱的地方-SoC上,然而5G手機的5G支持、快充等特性使得需要散熱的元件不止SoC。還有外掛基帶、閃存芯片和IC電源芯片等元件都有較高的發(fā)熱表現(xiàn),VC均熱板可以覆蓋更多散熱元件從而為5G手機進(jìn)行整體降溫。

均熱板的優(yōu)勢使其廣泛受到電競手機和5G手機的青睞,目前,華為Mate 20 X、三星Note 10等機型已經(jīng)搭載均熱板。

目前,均熱板平均單價為2–3美金,是熱管的5–10倍,而5G手機需要的超薄型均熱板單價更高。隨著超薄均熱板成本進(jìn)一步下降,投資機構(gòu)預(yù)計到 2020 年,熱管/VC 在手機終端的滲透率有望提升至 15%,按照 15 億臺的手機出貨量測算,假設(shè)熱管/VC 平均單價為 1.5 美金,則 2020 年市場空間為 3.38 億美元。

結(jié)語

5G手機的出現(xiàn),或為今年智能手機市場帶動一波新的換機潮,從而驅(qū)動產(chǎn)業(yè)鏈迎來新一輪成長期。這些前沿關(guān)鍵技術(shù)的能否助力5G手機,讓智能手機市場產(chǎn)生逆市上揚的拐點,我們不妨期待一下。

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