淺談5G手機背後的幾個關鍵技術:主板、天線和散熱

2020-11-28 騰訊網

[PConline 雜談]2月3日，全球調研機構Gartner發布最新報告，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，今年全球智慧型手機市場有望成長3%，而5G手機銷量更有望在一年內超越4G手機銷量。

很顯然，在可以預見的未來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，成為主流。

5G手機牽涉到整個產業鏈的技術升級，它和4G手機的區別在什麼地方，哪些技術又會在5G手機的普及當中起到關鍵作用，下面我們來淺談一下，5G手機背後三個關鍵技術：主板、天線和散熱

5G手機的「基礎」：SLP技術

拆開一臺4G手機，你會發現PCB板上容納的元件幾乎已經堆到了極限，5G手機如何在元件更多的基礎上，還要維持機身的厚度和重量，SLP技術起到關鍵作用。

什麼是SLP？

SLP即類載板（Substrate-like PCB），通過先進的焊接工藝，可以將多層PCB板電路連接相通，從而將主板從「2D變為3D」，充分利用機身的空間，iPhone X、XS系列和11 Pro系列採用的多層主板技術，就得益於SLP工藝。

為什麼要用SLP？

根據射頻業界巨頭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、LNA等其它射頻器件也幾乎成倍增加。

SLP工藝不僅機身內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」，即進一步縮小線寬、線距，從而放進更多5G元件。

過去採用的Anylayer HDI最小線寬/ 線距約為40μm，而目前的SLP已經小於 30/30 m，據了解，今年新iPhone所採用的SLP工藝將進一步縮小至 25 um/30 um。

SLP技術帶來的空間釋放是相當明顯的，以iPhone為例，在iPhone X引入SLP技術後，相同元件數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，預計在2020年的旗艦5G手機中，SLP技術將逐漸成為主流。

5G手機的「公路」：LCP 基材

前面提到，5G手機與4G手機一個明顯的區別是射頻組件的大幅增加，作為信號傳輸的「公路」，手機天線也被視為5G手機升級的「先行」要素。

什麼是LCP基材？

LCP即使用液晶聚合物（Liquid Crystal Polyester），廣泛運用於5G手機天線基材中。

LCP具有優異的電學特徵：在高達110GHz的全部射頻範圍，幾乎能保持恆定的介電常數，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，非常適合毫米波應用；熱膨脹特性非常小，可作為理想的高頻封裝材料。

為什麼要用LCP基材？

減少通訊損耗

前面提到，LCP天線優異的電學特徵主要原因，尤其是在5G高頻段通訊的條件下。舉個例子，傳統PI軟板天線對2.4G的射頻信號將產生約2%的電磁損耗，而且隨著頻率提高，損耗就越大。而採用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

由於5G手機內部空間進一步縮減，天線數量增加，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，相較於傳統FPC天線沒有明顯的回彈效應。

4x4 MIMO示意圖

同時，採用LCP材料的軟板電路厚度僅有0.2毫米，用於集成天線與同軸電纜將減少總體厚度，為天線提供更多淨空區。

隨著全面屏手機的興起，LCP相關產業起步較早，已經有不少4G手機用上了LCP天線，這也是為什麼我們看到手機屏佔比越來越高的原因，隨著5G手機對天線要求更高，ID設計對相關產業鏈也提出了更高的要求。

5G手機的散熱：均熱板（VC）

SLP技術、LCP 基材都有著相同的目標，就是在5G手機有限的空間之內，塞入儘可能多的元件，元件越多，產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。

根據前瞻產業研究院的預測，2018 - 2023 年散熱產業 CAGR（年複合成長率）將增長8%，而智慧型手機散熱 CAGR 則高達 26%。

應對5G手機高性能、密集元件和IC控制帶來的散熱問題，傳統的石墨散熱片方案已經逐漸不能負荷，均熱板（VC）將是未來5G手機的標配。

什麼是均熱板（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管一致，為以其封閉於板狀腔體中作動流體之蒸發凝結循環作動，使之具快速均溫的特性，從而具快速熱傳導及熱擴散的功能。均熱板的組成與熱導管相似，由金屬殼體、毛細結構和作動流體構成。

打個比方，如果把熱管比做一條「線」，那麼均熱板就是「面」，均熱板可以看做一個面積巨大的熱管。

均熱板優勢是什麼

更高的散熱效率

人工石墨片由於導熱性能好，水平導熱係數可達1500 W/m k，而性能更好的熱管散熱導熱係數高達5000–8000 W/m k，約為前者四倍以上。前面提到均熱板可以等同於「放大版」的熱管，因此擁有比熱導管大的腔體空間，可容納更多的作動流體，均熱板等效導熱係數約為熱管的2–3倍，預計可以達到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、快閃記憶體晶片和IC電源晶片等元件都有較高的發熱表現，VC均熱板可以覆蓋更多散熱元件從而為5G手機進行整體降溫。

均熱板的優勢使其廣泛受到電競手機和5G手機的青睞，目前，華為Mate20 X、三星Note 10等機型已經搭載均熱板。

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一步下降，投資機構預計到 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。

結語

5G手機的出現，或為今年智慧型手機市場帶動一波新的換機潮，從而驅動產業鏈迎來新一輪成長期。這些前沿關鍵技術的能否助力5G手機，讓智慧型手機市場產生逆市上揚的拐點，我們不妨期待一下。

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