5G时代,日本元器件厂商优势凸显!一种快速估算PCB走线电阻的方法:方块统计

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1. 5G时代,日本元器件厂商优势凸显!

来源:由半导体行业观察编译自「原作日刊工业新闻」

第五代移动通信(5G)时代于2020年正式开启!2019年美国、韩国、欧洲、中国等国家相继开始5G的商用。日本也计划在2020年春季开始商用。这对为全球供给高信赖性零部件的日本电子零部件厂商来说是绝好的机会。不仅相继投产5G智能手机,而且5G基站也期待着以东京奥运会、残奥会为契机得以整备。

日本企业乘着一股“顺风”

如果5G智能手机、5G基站增加的话,高信赖性、高附加值零部件的搭载数量也会增加,这对在电子零部件领域占优势的日本企业来说是一股“顺风”。“对日系电子零部件厂商来说,这3-5年期间(Circle)是一个新的开始(Goldman Sachs证券的高山大树投资调查部长表示)”。

随着5G智能手机的普及,商业机会也会涉及到多个方面。首先是Camera Actuator!期待未来每部手机上搭载的数量都会增加,且Actuator本身具有高性能化。据推测,手机后置摄像头的“复眼化(即多个摄像头)”在5G智能手机方面应该也会进一步发展,因此Actuator的搭载、供给数量也会增加。由于5G智能手机具有高速、大容量特点,因此人们需要拍摄具有更高像素、更精细的图像和视频,还需要摄像头具有防手震功能、支持镜头口径扩大。

据全球Actuator占比较高的Alps Alpine(阿尔贝斯阿尔派)的栗山年弘社长透露说,“低端(Low-end)产品价格竞争激烈,在中端(Middle-end)以上的市场上才有商机”!“因为成本是越来越严峻啊”(笹尾泰夫常务执行董事)。

另外,住友电工将在2020年之前投入200亿日元,在山梨县工厂使基地台用天线零部件的产能倍增。在材料上也将采用氮化镓,而不是此前的硅。在减少耗电量的同时,支持5G的高频带,有助于基站的小型化和成本削减。将向瑞典爱立信和华为等通信设备巨头供货。

罗姆则开发出了用于5G基站电源等的新型半导体。这是切换开与关的功率半导体。该公司将产品的电力损失从7%降至3%,降低一半,同时安装面积也降至不到一半。将于2020年秋启动样品供货。

主打优势产品

在高频段产品方面,村田制作所提供的柔性、可弯曲、多层树脂基板“Metro Circ”吸引了市场的关注,这是由于迄今为止都是为某些特定的客户供货,现在已经拓展了客户源。中岛规巨董事专务代表·执行董事表示说:“现在竞争的是改性聚酰亚胺(Modified Polyimide, 即使MPI)的技术,但是,在毫米波段方面,还存在特性上的差异”,同时强调其产品的优势。

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压层前的、像纸张一样柔软的多层树脂基板“Metro Circ”(中文名:美传兴,即“Metro + Circuit”)。(图片出自:日刊工业新闻)

对5G智能手机的期待也波及到了多层陶瓷电容(MLCC)方面,要求其具有小型、大容量、低损耗的特性。村田制作所开发了长0.25mm*宽0.125mm的“0201”尺寸的MLCC,计划在2020年春季开始量产。静电容量是以往产品的10倍,为0.1微法拉(Microfarad,Micro是100万分之一),而且还实现了大容量化。

另一方面,要建设5G基站还需要大容量、支持高电压的MLCC和高频零部件。村田制作所的井上亨代表董事专务·执行董事表示,由于终端要从4G切换到5G,Sub-6频段(不足6GHz的频段)下,终端和基站搭载的MLCC数量都将增加10%左右;如果毫米波的话,搭载数量将会增加20%左右。

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压层Band Pass Filter(即“带通滤波器”)“MMC 系列”,出自TDK。(图片出自:日刊工业新闻)

2019年10月,村田制作所还宣布向在美国纳斯达克上市的美国Resonant公司出资,投入700万美元,取得了9%的股份。村田制作所的目标是Resonant拥有的滤波技术。计划开发新的通信相关零部件,培育为年销售额到2024年达到100亿~200亿日元的业务。

Resonant拥有「XBAR」技术,能高精度捕捉用于5G通信的高频电波。希望结合村田制作所和Resonant双方的技术,争取5G相关需求。

村田制作所目前为止在用于智能手机和基地台等的零部件领域拥有较高份额。在获取特定电波的SAW滤波器领域,掌握全球份额的约5成,在LC滤波器领域掌握约4成。而在广泛应用于电子产品、智慧手机和平板电脑上平均每台使用近600~800个的积层陶瓷电容器(MLCC)领域,也占据全球份额的4成。

该公司的零部件的优势在于生产设备也实现自产化。不仅是零部件本身的设计技术,还自主开发生产技术,借此甩开竞争对手的追赶,成为在电子零部件领域掌握压倒性份额的原动力。着眼于5G时代的技术开发和投资能否促进维持份额、扩大销售额正受到关注。 

TDK(东京电气化学)的永田充常务执行董事表示说:“高频段产品Band Pass Filter(即“带通滤波器”)等将会迎来巨大的商机”。TDK在2019年10月开发并开始量产一款新的压层Band Pass Filter(带通滤波器),可用于5G基站毫米波收发线路,具有允许特定频段的波通过的功能。关于它使用的材料,是可降低插入损耗的、低温共烧陶瓷(LTCC, Low Temperature Co-fired Ceramic),属业界是首次使用。

而京瓷也计划收购宇部兴产的子公司UEL的51%股权。UEL拥有用于5G基站、被称为「陶瓷滤波器」的零部件的设计技术。收购额预计达到数亿日元左右,力争最早在2020年启动量产化。

利用5G的特性

普遍认为,能从真正意义上利用5G的高速、大容量等特性的是毫米波段。村田制作所的中岛代表董事·执行董事表示说:“举办大型活动是促使毫米波得以激增的契机,由于需要更多数量的基站(与Sub-6频段相比),需要对每场活动进行投资”,像东京奥运会、残奥运这样的大型活动将会促进毫米波段的普及。

三菱UFJ Morgan Stanley(三菱日联摩根士丹利)证券的内野晃彦高级分析师(Senior Analyst)表示说,2020年以后各家厂商的动态值得关注,“如果某家智能手机厂商积极地投入支持毫米波段终端的话,其销售数量将会大幅度增加”!

对于2020年5G智能手机的最大的关注点莫过于美国Apple的新款iPhone!内野晃彦高级分析师表示说,“焦点是毫米波段的投入时间,有可能以高端(High-end)机型一部分——即旗舰版的形式进行发布”。但是,Goldman Sachs证券的高山投资调查部长却表示说,“(包括现有5G智能手机)消费者虽然购买了5G智能手机,如果顾客认为购买的产品不如预期的话,情况又会变化”,同时还指出“我们需要注意是不是过于期待毫米波段的应用”。

而半导体测试设备厂商爱德万(ADVANTEST) 寄希望于5G相关需求带来的业绩改善。用于数据处理的「SoC(系统级芯片)」测试设备的询价超预期增加,2019年4~6月的订单与期初预测相比增加约150亿日元。

爱德万高管表示「随着产品性能提高,测试设备的需求正在增加」。在5G领域,由于要处理大量数据,电子零部件和外设需要提高性能。日本企业希望通过先行投资,确保竞争优势。

2. 一种快速估算PCB走线电阻的方法:方块统计

我们通常需要快速地估计出印刷电路板上一根走线或一个平面的电阻值,而不是进行冗繁的计算。

虽然现在已有可用的印刷电路板布局与信号完整性计算程序,可以精确地计算出走线的电阻,但在设计过程中,我们有时候还是希望采取快速粗略的估计方式。

有一种能轻而易举地完成这一任务的方法,叫做“方块统计”。采用这种方法,几秒钟就可精确估计出任何几何形状走线的电阻值(精度约为10%)。

一旦掌握了这种方法,就可将需要估算的印刷电路板面积划分为几个方块,统计所有方块的数量后,就可估算出整个走线或平面的电阻值。

基本概念

块统计的关键概念是:任何尺寸的正方形印刷电路板走线(厚度确定)的电阻值都与其它尺寸的方块相同。

正方块的电阻值只取决于导电材料的电阻率及其厚度。这一概念可适用于任何类型的导电材料。

表1给出了一些常见的半导体材料以及它们的体电阻率。

q2.3

对印刷电路板而言,最重要的材料就是铜,它是大多数电路板的制造原料(注意:铝用于集成电路片芯的金属化,本文原理同样适用于铝)。

我们先从图1中的铜方块说起。该铜块的长度为L,宽度也为L(因为是正方形),厚度为t,电流通过的铜箔区截面积为A。

该铜块的电阻可简单表示为R=ρL/A,其中,ρ是铜的电阻率(这是材料的固有特性,在25℃时为0.67μΩ/in.)。

q2.4

但注意,截面A是长度L与厚度t的乘积(A=Lt)。分母中的L与分子中的L相互消去,只留下R=ρ/t。

因此,铜块的电阻与方块的尺寸无关,它只取决于材料的电阻率与厚度。

如果我们知道任何尺寸铜方块的电阻值,并可将需要估算的整条走线分解成多个方块,就可加算(统计)方块数量,从而得出走线的总电阻。

实现

要实现这一技术,我们只需要一个表,表中给出了印刷电路板走线上一个方块的电阻值与铜箔厚度之间的函数关系。铜箔厚度一般用铜箔重量来指定。例如,1oz.铜指的是每平方英尺重量为1oz.。

表2给出了四种最常用铜箔的重量以及它们在25℃和100℃时的电阻率。请注意,由于材料具有正温度系数,铜电阻值会随温度的升高而增加。

打个比方,我们现在知道一块0.5oz.重的方形铜箔的电阻大约为1mΩ,这个值与方块的尺寸无关。

如果我们能把需要测算的印刷电路板走线分解为多个虚拟的方块,然后把这些方块加总起来,就得到了走线的电阻。

一个简单的例子

我们举一个简单的例子。图2是一条长方形的铜走线,在25℃时其重量约为0.5oz.,走线宽度为1英寸,长度为12英寸。我们可以将走线分解成一系列方块,每个方块边长都是1英寸。

这样,总共就有12个方块。按照表2,每个0.5oz.重的铜箔方块的电阻为1mΩ,现在共有12个方块,因此走线的总电阻为12mΩ。

拐弯怎么算?

为便于理解,前文列举了一个非常简单的例子,下面我们来看看复杂点的情况。

q2.5

首先要知道,在前面的例子中,我们假定电流是沿方块的一边呈直线流动,从一端流向另一端(如图3a所示)。

然而,如果电流要拐个直角弯(如图3b中的方形直角),那情况就有些不同了。

在前面的例子中,我们假定电流是沿方块的一边呈直线流动,从一端流向另一端(如图3a所示)。

如果电流要拐个直角弯(如图3b中的方形直角),我们会发现,方块左下方部分的电流路径要短于右上方部分。

当电流流过拐角时,电流密度较高,这意味着一个拐角方块的电阻只能按0.56个正方形来计算。

现在我们看到,方块左下方部分的电流路径要短于右上方部分。因此,电流会拥挤在电阻较低的左下方区域。

所以,这个区域的电流密度就会高于右上方区域。箭头之间的距离表示了电流密度的差异。结果是,一个拐角方块的电阻只相当于0.56个正方形(图4)。

q2.7

同样,我们可对焊在印刷电路板上的连接器做一些修正。在这里,我们假设,与铜箔电阻相比,连接器电阻可忽略不计。

我们可以看到,如果连接器占据了待评估铜箔区域中很大一部分,则该区域的电阻就应相应降低。

q2.8

图5显示了三端连接器结构及其等效方块的计算(参考文献1)。阴影区表示铜箔区内的连接器管脚。

一个更复杂的例子

在,我们用一个较为复杂的例子来说明如何使用这种技术。图6a为一个较复杂的形状,计算它的电阻需要费点工夫。

这个例子里,我们假设条件是25℃下铜箔重量为1oz.,电流方向是沿走线的整个长度,从A点到B点。A端和B端都放有连接器。

采用前述的相同技术,我们可把复杂形状分解为一系列方块,如图6b所示。这些方块可以是任何适宜的尺寸,可用不同尺寸的方块来填充整个感兴趣的区域。

只要我们有一个正方块,并知道铜走线的重量,就能知道电阻值。

q2.9

我们共有六个完全正方块,两个包括连接器的正方块,还有三个拐角方块。

由于1oz.铜箔的电阻为0.5mΩ/方块,并且电流线性地流过六个全方块,这些方块的总电阻为:6×0.5mΩ=3mΩ。

然后,我们要加上两个有连接器的方块,每个按0.14个方块计算(图5c)。

因此,两个连接器算0.28个方块(2×0.14)。对于1oz.铜箔,这增加了0.14mΩ的电阻(0.28×0.5mΩ=0.14mΩ)。

最后,加上三个拐角方块。每个按0.56个方块计算,总共为3×0.56×0.5mΩ=0.84mΩ。

因此,从A到B的总电阻为3.98mΩ(3mΩ+0.14mΩ+0.84mΩ)。

总结如下

  • 六个为1的全正方形=6个等效方块;两个为0.14的连接器方块=0.28个等效方块;三个为0.56的角方块=1.68个等效方块
  • 总等效方块数=7.96个等效方块

电阻(A到B)=7.96个方块的电阻,因每方块为0.5mΩ,于是总电阻=3.98mΩ

这一技术可以方便地应用至复杂的几何形状。一旦知道了某根走线的电阻值,想算其它量(如电压降或功耗等)就很简单了。

过孔怎么算?

印刷电路板通常都不限于单层,而是以不同层的方式堆叠起来。过孔用于不同层之间的走线连接。

每个过孔的电阻有限,在走线总电阻计算时必须将过孔的电阻考虑在内。

一般而言,当过孔连接两根走线(或平面)时,它就构成了一个串联电阻元件。经常采用多个并联过孔的方法,以降低有效电阻。

过孔电阻的计算基于图7所示的简化过孔几何形状。沿着过孔长度(L)方向的电流(如箭头所指)穿过一个截面积区域(A)。厚度(t)取决于过孔内壁电镀的铜层厚度。

q2.10

经过一些简单的代数变换,过孔电阻可表示为R=ρL/[π(Dt-t2)],其中,ρ是镀铜的电阻率(25℃下为2.36μΩ/in.)。

注意,镀铜的电阻率远高于纯铜的电阻率。我们假设,过孔中镀层的厚度t一般为1mil,它与电路板的铜箔重量无关。对于一个10层板,层厚为3.5mil,铜重量为2oz.时,L大约为63mil。

q2.11

基于上述假设,表3给出了常见过孔尺寸及其电阻。我们可以针对自身特殊的板厚,调整这些数值的高低。另外,网上也有许多免费易用的过孔计算程序。

以上就是一种估算印刷电路板走线或平面直流电阻的简单方法。复杂的几何形状可以分解成多个不同尺寸的铜方块,以近似于整个铜箔区。

一旦确定了铜箔的重量,则任何尺寸方块的电阻值就都是已知量了。这样,估算过程就简化为单纯的铜方块数量统计。

来源; 滤波器

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