5G技術已經發展成為覆銅板市場的新熱點。本文就這一個新熱點市場對基板材料性能要求、以及它對覆銅板技術及行業發展帶來的深刻影響，進行了綜述與分析
文／祝大同
一、5G市場的形成及深遠影響
在今年3月的全國兩會上，第五代移動通信(5G)首次被寫入政府工作報告。李克強總理提出：“5G、物聯網技術已經趨於成熟，即將發展到新階段。製造業需要大資料、人工智慧等技術配合，實現數位化、網路化管理，工業互聯網已經成為了全球的共識。”在2017年3月發佈的我國“十三五”資訊產業發展指南中，提出：“加快推進5G研發，突破5G核心關鍵技術，支援標準研發和技術驗證，積極推動5G國際標準研製，啟動5G商用服務。——使我國成為5G技術、標準、產業及應用的領先國家之一”。
在2017年3月召開的“中國發展高層論壇2017年會”上，高通集團高管德里克·阿博利也提到：“第五代移動通信(5G)對於中國及整個產業來說都將是一個巨大的機遇。在5G時代，整個網路體驗的延遲更短、可靠性更高，而且5G的環境也能夠支持諸多關鍵性任務的完成。”
今年2月召開的世界移動通信大會上，新一代手機和5G發展成為兩大焦點。中興集團高管在大會演講中預言：“未來手機的使用方式將被徹底改變。這種變革是由速率提升作為原始驅動力的，此輪變革將推動軟硬體的聯動發展，並通過5G將用戶體驗方面更向前推進一步。”英特爾公司高級副總裁兼通信設備部總經理艾莎·埃文斯也在報告中提到：“5G網路將在無人駕駛、智慧城市、物聯網等多個領域給人們帶來新體驗。5G正在成為我們一生中可能見到的最具影響力的技術變革之一。”
此外，臺灣工研院IEK中心在近期發表文章,對PCB的2017年及未來市場進行全面展望。文獻中特別強調：“基地台也是通信領域中不可忽視的部份，尤其中國大陸基地站仍有4G的建置需求持續，而未來幾年逐步將邁入5G的時代，勢必將引爆更大的電路板需求。”
二、5G發展對PCB基材提出了更高性能需求
5G技術的實現，將對PCB基材性能提出哪些重點需求？它主要表現在四個方面：①低損耗、高可靠性；②高頻特性 ；③高頻PCB結構 ；④低成本。
2.1低損耗成為對基板材料性能的更突出需求
2.1.1從“5G IMT 2020”看對基板材料低損耗的重要意義
國際電信聯盟(ITU)無線通訊分部 (ITU-R)於2012年就規劃、定義出了在2020年5G 所要實現的目標(即“5G IMT 2020”)(見圖1)；它與4G的已基本實現的目標(即“IMT-Advanced”)。
從圖1中可看出：
①衡量移動通信技術的關鍵指標在於這個移動通信技術的吞吐能力如何。5G移動通信在網路的容量上，將是過去4G移動網路的一百倍，實現這一高吞吐能力也是5G技術的關鍵所在。
②在應用5G技術實現“超大規模機器通信”及“超可靠和低延遲通信”中，峰值資料速率、移動性、延遲和頻譜效率等參數的提高與改善是至關重要的。它們對於提升用戶體驗、增強移動寬頻(eMBB)、超可靠和低延遲通信(URLLC)中起到關鍵性的作用。
③聯繫5G設備採用的PCB基板材料，這些需達到的關鍵性能項目中，與基材性能聯繫更為直接密切的項目是：信號傳輸的延遲性和資料速率。而5G移動通信需求縮短用戶延遲(2017年3月，國際電信聯盟公佈的13個5G指標的草案中包括：連接5G用戶的最大延遲不能超過4毫秒，甚至是保持1毫秒的超低延遲通信)，才能實現大容量(5G容量高於4G的100)的高傳輸速率(預計要求5G系統瞬間下行峰值速率達到10~20 Gbit/s)。這是對應5G發展從基板材料角度所要作出重要支撐的關鍵點。
2.1.2 低損耗正切(Df)性突出成為首要考慮的性能專案
無論是高頻基板材料廠商還5G、IoT等使用的高頻電路的設計者，現今越來越關注的PCB基材的重要參數是：損耗正切(損耗因數)。這是因為它能更直接地反映出對電路的傳輸損耗(又稱插入損耗)的影響，因此在大多數時候設計及基材的選擇，是把損耗正切(Df)作為首要因素來考慮。
某世界尖端高頻微波基板材料製造廠商將目前的PCB基板材料按照損耗正切Df，劃分為6個層次(等級)。並對6個層次按照傳輸損耗及應用頻率頻段的不同歸結為三大類：①最基礎、常規的環氧樹脂/玻纖布基型基材(FR-4 )類(第1、2層，Df= 0.01~0.02，資料速率在5Gbps左右，甚至小於5Gbps)；②中等傳輸損耗的高速基材類(第3、4層，Df=0.005~0.01，資料速率在10Gbps左右)，以及微波/毫米波應用的高頻基材類(第5、6層，Df≤0.005，資料速率在56 Gbps 左右)。圖2所示了PCB基板材料按照損耗正切(Df)大小劃分的6個層次及對應的傳輸損耗情況。
2.2對基板材料的高可靠性需求
對基材材料的高可靠性要求來自兩方面：5G通信的低延遲、高傳輸資料速率，需求電路基材有相當高可靠性。對基材有“電性能的重複性或一致性”的嚴厲要求。減少環境因素對5G移動通信技術應用的影響，也是其中一個重要課題。在使用PCB基材上，也需要選擇對環境因素對其影響小的基材，例如板的吸水性、耐老化性、PIM性等也成為保證可靠性方面。
2.3對基板材料高頻帶應用性的需求
現今移動通信網路(如4G)所採用的頻段多為3GHz以下，隨著移動通信的普及以及移動資料應用量越來越大，傳統的頻譜資源在不久之後將會消耗殆盡，因此採用的頻段將移向高頻段，這樣可充分利用設備與天線數量較多的優勢以確保頻譜資源滿足用戶的需求。
另一方面，5G新的技術(如多天線的自我調整波束賦形等)將使用新的更高的頻譜(如毫米波頻段)。為提高5G的資料吞吐率，將大量部署有源天線和小型基站。這些基站將以15至40GHz的毫米波頻段居多。
全球5G設備所用頻率頻寬的分配，現在似乎有三種方案：①低於3GHz，15至40GHz和60GHz以上。一部分5G通信將資料密集型，通信頻率在28GHz、39GHz和77GHz附近的可能性較大，因為這些頻段的頻譜是可用的。但由於許多IoT應用預計均屬於低資料速率，所以大多數IoT活動都集中在亞6GHz頻譜上。但IoT監控是一個例外，因為它從偏遠區域傳輸高清晰度視頻可能需要用到毫米波頻段(見圖3)。
在我國，工業和資訊化部於2017年6月5日發佈關於第五代國際移動通信系統(IMT-2020)使用3300~3600MHz和4800~5000MHz頻段相關事宜的通知(徵求意見稿)。其中，“3300~3400MHz頻段的IMT-2020原則上限於室內使用。在不對在用的無線電定位業務電臺產生干擾的情況下，可用於室外”。“3400~3600MHz頻段IMT-2020系統電臺不應對該頻段頻率許可有效期內的衛星固定業務地球站產生無線電干擾”。“4990~5000MHz頻段IMT-2020系統電臺應不對該頻段在《中華人民共和國無線電頻率劃分規定》註腳CHN12所列的射電天文電臺產生干擾”。
2.4對基板材料適應高頻射頻PCB構成結構的需求
“多天線傳輸技術”已成為5G移動通信技術的主要傳輸方式的發展方向。有源天線和小型基站被大量部署，成為5G網路設計的兩大重要特點。5G中採用有源天線列陣的傳輸方式，可提升通信網路頻譜的利用率，提高資料吞吐率，不但節省了移動通信的成本，還大大提高了使用的速度。近期有源天線列陣設計主流是“將功率放大器(PA)和天線集成到一個有源天線結構中”。設計者會從與有源天線列陣性能所匹配為出發點，採用的高頻射頻複雜的多層PCB結構，及選擇性能對應的基板材料。
2.5 對基板材料低成本性的需求
有關研究文獻總結歸納了5G五大潛在的高性能需求：①高性能需求(包括峰值速率、頻譜效率，支援大量設備同時接入網路的能力、覆蓋和時延等)；②網路部署的需求；③低成本的需求；④用戶體驗的需求；⑤ 新業務的需求。
這裡，我們特別注意到在“五大需求”中，包括了低成本的需求。這是出於：5G系統每bit(比特，視頻或音訊檔在單位時間內使用的資料流程量)的成本、能耗有較大的降低的需要。壓低TCO(擁有權總成本)，以激勵運營商擴大和改善他們的網路的需要。
為此，PCB業界中，更熱衷於高頻基材與FR-4混合使用製成的高頻微波型多層板的設計(見圖4)。這需要我們基板材料企業需要注重的新市場趨勢。
三、5G市場形成對我國覆銅板業發展的新挑戰
5G熱點市場的迅速發展擴大，使得我國覆銅板業發展面臨的新挑戰。這種新的挑戰包括四個方面：對高頻高速CCL多樣工藝路線的挑戰、對CCL製造過程中的品質高精度控制的挑戰、實現製造服務化的挑戰、與上游原材料業緊密協同合作的挑戰。
3.1對高頻高速CCL多樣工藝路線的挑戰
兩大熱點市場的發展，是對PCB設計一個全新的挑戰，也是對高頻高速CCL性能的挑戰。它打破了高頻領域的原有不同結構覆銅板品種、不同樹脂型覆銅板品種的市場分割舊格局。
與常規樹脂-玻纖布基基材不同的是，適於微波高頻電路的基材在組成結構，多年來一直存在著多樣化獨特之點。在這方面，我們過去普遍對此認識膚淺。現今面臨著高頻高速產品的新市場的需求，我們需要對此問題有更深的研究，探討其技術與市場發展的趨勢。
在5G市場發展下，高頻領域的不同組成結構基材品種市場的分割舊格局被打破，出現了多種多樣高頻基材的組成結構(見表1、2)。它推動了CCL加工形式的新發展，驅動了填料技術、玻纖增強材料技術的新發展。
3.2對CCL製造過程中的品質高精度控制的挑戰
5G對所提供的基板材料的高可靠度，以及產品長期供貨品質的穩定性，都提出更高的要求——特別是它應用在高頻毫米波領域。因為此應用領域，在追求終端產品的低延遲、高傳輸資料速率，在基板材料中對基材確保其電性能的重複性或一致性要求上，顯得至關重要。
實現上述性能新要求，一方面是靠高技術的研發，解決原有傳統基材的性能存在較大“不一致性”的問題，解決基材在惡劣環境下所產生的各種性能失效的問題。另一方面，還依靠生產製造過程的品管控制。從CCL製造過程角度看，兩大新市場對CCL製造過程中的品質高精度控制是一個全新的挑戰。
3.3實現製造服務化的挑戰
5G新熱點市場，對PCB及基板材料性能的需求更加趨於個性化、特性化，它促使PCB及基板材料產業向製造服務化延伸。這種經營特點，也必將向其它下游應用領域擴展、蔓延，成為一種新的經營模式。就如深南電路由鐳在2017年3月展會的論壇會講演中，特別強調：要“突破思維邊界，重構商業模式。堅持製造為本，向製造服務化延伸，向解決方案提供商轉變。”
5G市場本身在電路使用頻率段上，就存在與常規PCB及基板材料的在性能要求重點及水準檔次上的不同。同時，5G市場中也分為多個不同的應用分領域(圖5)。它們對採用頻率帶段、對接量、成本性、能耗、資料流程量、工作環境影響等都有明顯的差異。因此對基材的性能要求及關鍵性能專案選定都有所不同。因此5G市場更突出表現出它對PCB及基板材料性能需求的個性化。
面臨著實現製造服務化的挑戰，我們看到，國內外許多CCL企業，近年已經在產品品種分類及發展系列化模式、產品標準化推進與新檢測專案建立、產品推廣及技術服務形式、與下游企業共同攜手開發方式等方面，創造了許多新的嘗試，開創了新的局面。這是我們行業發展的一個重要體現。
3.4與上游原材料業緊密協同合作的挑戰
發展我國兩大熱點市場需求的高頻高速、高可靠性的覆銅板，更需要國內CCL用原材料——樹脂材料、玻纖材料、銅箔、填充材料等作支援。為實現我國這類CCL在技術的更大進步，為實現其材料的國產化配套，全國CCL原材料企業在品種創新、填補空白、技術水準提升等都重任在肩，攻克許多重大課題上時間緊迫。
3.4.1樹脂
在高頻高速性CCL開發及產品性能提升中，我們更加需要在新樹脂上的支撐。而我們此方面的內資樹脂生產企業，在這方面遠遠落後於海外企業。筆者調查統計了近年的高頻高速覆銅板用主要新型樹脂材料類別及其典型樹脂新品種以及生產廠家的情況(見表3)，從中可說明這一問題。
3.4.2銅箔
高頻超低輪廓度電解銅箔(VLP)及平滑銅箔在未來5G資訊及通信設備、基站設備等高頻、毫米波領域用PCB基材等領域，在汽車ADSD(汽車雷達)、軍事裝備等高頻微波PCB基材等領域，將有很大的需求，並有更高的產品性能水準要求。
高頻高速電路基板在製造中應用超低輪廓度電解銅箔、平滑銅箔，在實現這種電路的信號低傳輸損失性、高精度阻抗控制性、微細電路圖形高水準工藝性等方面，起到關鍵性的作用。高頻微波電路PCB製造中，當使用的頻率越高，超低輪廓度電解銅箔所擔負的抑制信號傳輸損失的作用，就越大於基材的樹脂作用。
3.4.3玻纖材料
高頻高速基板材料製造採用高水準的扁平化處理、開纖處理的玻纖布，有利於基板的板面不同位置的介電常數值、傳輸損耗值、阻抗值的一致性。
低Dk玻纖布的採用，已經成為各高頻高速CCL企業研製此類CCL產品降低Dk/Df值中的解決手段之一。各廠家都推出的採用“Low Dk glass”(或“Low dielectric glass”)的低傳輸損耗CCL品種(見下表4)。有關最新文獻中揭示，採用低Dk玻纖布還有較大幅度降低基板材料Df的功效。例如韓國鬥山(Doosan)的DS-7409DJ(N)高頻高速CCL產品，採用常規玻纖布的Df為0.0038，改採用低Dk玻纖布，它的Df降到0.0020(約下降了1/2！)。低Dk玻纖布的這種Df約下降了1/2的貢獻，若利用高頻性主樹脂去降低Df值所難達到的。
3.4.4填料
填料已成為高頻高速CCL樹脂組成體系中不可獲缺的重要組成成分。它不僅可降低CTE，近年來，運用一些新型特殊填料，還對板材的加工性、鑽孔性、特別是降低Dk等起到重要的、不可替代的作用。
當前，在5G市場需求的高頻高速CCL發展下，帶動了製造及應用CCL填料技術的新變革。出現了四大發展的新趨勢：①採用多樣化填料，已成為一種潮流； ②填料的“填充”與原有的玻纖“增強”這兩種功能的概念界限，越來越不分明瞭；③ CCL的填料並非只限於是無機填料；④填料與樹脂的介面結合技術，已成為填料在高頻高速CCL應用的重要研究課題。
當前亟需我們國內填料廠家及玻纖生產廠家，提供更多種填料。例如：低介電常數的陶瓷填料、中空玻璃球填料、低介電常數的有機填料、核殼橡膠增韌填料、短纖維填料(主要用於PTFE型CCL中)、納米無機填料等。