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解析5G手机背后的几个关键技术:主板、天线和散热

解析5G手机背后的几个关键技术:主板、天线和散热

[PConline 杂谈]2月3日,全球调研机构Gartner发布最新报告,指出2020年全球终端出货量有望止跌反弹,在5G手机需求带动下,今年全球智能手机市场有望成长3%,而5G手机销量更有望在一年

[PConline 杂谈]2月3日,全球调研机构Gartner发布最新报告,指出2020年全球终端出货量有望止跌反弹,在5G手机需求带动下,今年全球智能手机市场有望成长3%,而5G手机销量更有望在一年内超越4G手机销量。

解析5G手机背后的几个关键技术:主板、天线和散热

恒润股份很显然,在可以预见的未来4G手机将渐渐步入尾声,取而代之的5G手机,也将从高端市场渐渐向中端甚至是入门级别挺进,成为主流。

5G手机牵涉到整个产业链的技术升级,它和4G手机的区别在什么地方,哪些技术又会在5G手机的普及当中起到关键作用,下面我们来浅谈一下,5G手机背后三个关键技术:主板、天线和散热

5G手机的“基础”:SLP技术

恒润股份拆开一台4G手机,你会发现PCB板上容纳的元件几乎已经堆到了极限,5G手机如何在主板元件更多的基础上,继续维持机身的厚度和重量,SLP技术起到关键作用。

什么是SLP?

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iPhone 11 Pro Max图源:iFixit

SLP即类载板(Substrate-like PCB),通过先进的焊接工艺,可以将多层PCB板电路连接相通,从而将主板从“2D变为3D”,充分利用机身的空间,iPhone X、XS系列和11 Pro系列采用的多层主板技术,就得益于SLP工艺。

为什么要用SLP?

根据射频业界巨头Skyworks的估计,5G手机的射频前端零件将大幅增加,滤波器从40个增加到70个,天线、PA、射频开关、LNA等其它射频器件也几乎成倍增加。恒润股份这对5G手机内部的元件密度提出更高的要求。

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SLP工艺不仅机身内部的立体空间得到更好的利用,也能让PCB板的元件变得更“紧凑”,即进一步缩小线宽、线距,从而放进更多5G元件。

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过去采用的Anylayer HDI最小线宽/ 线距约为40μm,而目前的SLP已经小于 30/30 µm,据了解,今年新iPhone所采用的SLP工艺将进一步缩小至 25 um/30 um。

恒润股份SLP技术带来的空间释放是相当明显的,以iPhone为例,在iPhone X引入SLP技术后,相同元件数量的体积减少至原来的 70%,带来更多电池空间。不过,目前安卓阵营尚未广泛引入SLP技术,预计在2020年的旗舰5G手机中,SLP技术将逐渐成为主流。

5G手机的“公路”:LCP 基材

前面提到,5G手机与4G手机一个明显的区别是射频组件的大幅增加,作为信号传输的“公路”,手机天线恒润股份也被视为5G手机升级的“先行”要素。

什么是LCP基材?

LCP即液晶聚合物(Liquid Crystal Polyester)恒润股份,目前广泛运用于5G手机天线基材中。

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LCP具有优异的电学特征:在高达110GHz的全部射频范围,几乎能保持恒定的介电常数,一致性好;正切损耗非常小,仅为0.002,即使在110 GHz时也只增加到0.0045,非常适合毫米波应用;热膨胀特性非常小,可作为理想的高频封装材料。

为什么要用LCP基材?

减少通讯损耗

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前面提到,LCP天线优异的电学特征主要原因,尤其是在5G高频段通讯的条件下。举个例子,传统PI软板天线对2.4G的射频信号将产生约2%的电磁损耗,而且随着频率提高,损耗就越大。而采用LCP基材损耗仅为2‰—4‰,比前者小10倍,可以有效降低损耗。

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恒润股份LCP天线可以满足5G频段低损耗的需求

天线小型化

恒润股份由于5G手机内部空间进一步缩减,天线数量增加,天线小型化成为趋势。LCP具备良好的物理性能,从而可以提升天线的小型化能力,在弯折性能方面,LCP天线可以贴合机身中框,相较于传统FPC天线没有明显的回弹效应。

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恒润股份4x4 MIMO示意图

同时,采用LCP材料的软板电路厚度仅有0.2毫米,用于集成天线与同轴电缆将减少总体厚度,为天线提供更多净空区。

得益于全面屏手机的兴起,LCP相关产业起步较早,已经有不少4G手机用上了LCP天线,这也是为什么我们看到手机屏占比越来越高的原因,随着5G手机对天线要求更高,ID设计对相关产业链也提出了更高的要求。

5G手机的散热:均热板(VC)

恒润股份SLP技术、LCP 基材都有着相同的目标,就是在5G手机有限的空间之内,塞入尽可能多的元件,元件越多,产生的热量自然就越高,而元件密度增加,令散热有了更多的压力。

根据前瞻产业研究院的预测,2018 - 2023 年散热产业 CAGR(年复合成长率)将增长8%,而智能手机散热 CAGR 则高达 26%。

应对5G手机高性能、密集元件和IC控制带来的散热问题,传统的石墨散热片方案已经逐渐不能负荷,均热板(VC)将是未来5G手机的标配。

什么是均热板(VC)?

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左:热管工作原理;右:均热板工作原理

均热板(Vapor Chamber)功能及工作原理与热导管一致,为以其封闭于板状腔体中作动流体之蒸发凝结循环作动,使之具快速均温的特性,从而具快速热传导及热扩散的功能。均热板的组成与热导管相似,由金属壳体、毛细结构和作动流体构成。

打个比方,如果把热管比做一条“线”,那么均热板就是“面”恒润股份,均热板可以看做一个面积巨大的热管。

均热板优势是什么

‧更高的散热效率

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手机中的导热管

人工石墨片由于导热性能好,水平导热系数可达1500 W/m‧k,而性能更好的热管散热导热系数高达5000–8000 W/m‧k,约为前者四倍以上。前面提到均热板可以等同于“放大版”的热管,因此拥有比热导管大的腔体空间,可容纳更多的作动流体,均热板等效导热系数约为热管的2–3倍,预计可以达到20000 W/m‧k以上。

‧更大的散热面积

恒润股份过去在运用热管散热的手机上,我们可以看到热管被用在最需要散热的地方-SoC上,然而5G手机的5G支持、快充等特性使得需要散热的元件不止SoC。还有外挂基带、闪存芯片和IC电源芯片等元件都有较高的发热表现,VC均热板可以覆盖更多散热元件从而为5G手机进行整体降温。

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均热板的优势使其广泛受到电竞手机和5G手机的青睐,目前,华为Mate 20 X、三星Note 10等机型已经搭载均热板。

目前,均热板平均单价为2–3美金,是热管的5–10倍,而5G手机需要的超薄型均热板单价更高。随着超薄均热板成本进一步下降,投资机构预计到 2020 年,热管/VC 在手机终端的渗透率有望提升至 15%,按照 15 亿台的手机出货量测算,假设热管/VC 平均单价为 1.5 美金,则 2020 年市场空间为 3.38 亿美元。

结语

解析5G手机背后的几个关键技术:主板、天线和散热

恒润股份5G手机的出现,或为今年智能手机市场带动一波新的换机潮,从而驱动产业链迎来新一轮成长期。这些前沿关键技术的能否助力5G手机,让智能手机市场产生逆市上扬的拐点,我们不妨期待一下。


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