通訊基站4G/5G模塊封裝技術的原理

一、無線通信基本原理與頻段特點

通訊基站4G/5G模塊封裝技術基于無線通信原理，無線通信依靠電磁波傳輸信息，遵循光速 = 波長×頻率這一基本公式。在4G/5G通信中，不同頻段具有不同特性。4G LTE技術標準主要使用特高頻和超高頻頻段，如我國運營商使用的頻段等。5G頻率范圍分為6GHz以下和24GHz以上頻段，高頻段如28GHz的5G信號，其波長較短，衍射能力差，在傳播介質中的衰減大，趨近于直線傳播，但能攜帶更多信息量，傳輸速率高，不過覆蓋范圍小，為了覆蓋相同區(qū)域需要更多基站。

二、基站組成部分與功能相關的封裝原理

基站包含基帶處理單元BBU、射頻處理單元RRU和天饋系統(tǒng)等部分。

1. BBU功能與封裝關聯(lián)

• BBU主要完成信道編解碼、基帶信號的調制解調、協(xié)議處理等功能，還需提供與上層網元的接口功能等。其功能的實現(xiàn)需要特定的電路布局和封裝形式，以保護內部芯片和電路免受外界干擾，同時確保信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。例如，在將BBU的各種功能模塊集成封裝時，要考慮信號的傳輸路徑、電磁兼容性等因素。在封裝中，要避免不同功能模塊之間的信號干擾，保證基帶信號處理的準確性，這就需要合理的布線和屏蔽設計。

2. RRU功能與封裝關聯(lián)

• RRU作為遠端射頻模塊，主要完成基帶到空口的發(fā)射信號處理、接收信號處理，負責無線信號的收發(fā)功能。RRU系統(tǒng)由收發(fā)信機(TRX)、功放、濾波器、天線、電源、結構六大硬件子系統(tǒng)組成。在封裝RRU模塊時，需要考慮到射頻信號的特性。射頻信號在高頻下容易受到外界干擾和損耗，所以封裝材料要具有良好的高頻特性，能夠減少信號的損耗和反射。例如，對于功放部分的封裝，要能夠有效地散熱，因為功放工作時會產生大量熱量，熱量積累可能會影響功放的性能和壽命，所以封裝要有利于熱量的傳導和散發(fā)。同時，對于濾波器部分，封裝要保證其濾波性能，避免外界電磁干擾影響濾波效果，從而確保RRU能夠準確地進行信號的收發(fā)處理。

3. 天饋系統(tǒng)與封裝關聯(lián)

• 天饋系統(tǒng)主要由饋線和天線組成，饋線常見的內芯材質有純銅的，也有銅包鋁，天線有多種類型如板狀定向天線等。天饋系統(tǒng)的目的是將接收至射頻單元的無線信號集中起來然后輻射出去，也能將手機發(fā)送過來的信號集中起來傳送給射頻單元處理。在封裝與天饋系統(tǒng)相關的組件時，要考慮到信號的傳輸效率和方向性。對于天線的封裝，要保證天線的輻射特性不受影響，同時要能夠抵御外界環(huán)境因素的影響，如風雨、沙塵等。例如，對于室外基站的天線封裝，要具有防水、防潮、防塵等功能，以確保天線在惡劣環(huán)境下能夠正常工作。

常見的通訊基站4G/5G模塊封裝材料

一、射頻封裝材料

1. 特性要求

• 射頻封裝材料用于封裝和保護基站中的射頻前端模塊（RF Front - End Module），包括射頻放大器、濾波器、混頻器等組件。這些材料需要具備優(yōu)異的高頻特性和低介電損耗，以確保射頻信號的穩(wěn)定傳輸和有效過濾，從而提高基站的信號傳輸效率和通信覆蓋范圍。

2. 示例材料

• 例如一些特殊的陶瓷材料，它們具有高介電常數(shù)、低損耗角正切等特性，能夠滿足射頻信號在高頻下的傳輸要求。另外，某些聚合物材料經過特殊處理后，也可以用于射頻封裝，它們具有良好的柔韌性和加工性，可以適應不同形狀和尺寸的射頻模塊封裝。

二、散熱封裝材料

1. 特性要求

• 基站設備在運行時會產生大量的熱量，散熱封裝材料通常具有良好的熱導性和散熱性能，能夠有效地將熱量從設備內部傳導到外部環(huán)境中，防止設備因過熱而導致的性能下降或故障。

2. 示例材料

• 金屬材料如銅和鋁是常見的散熱封裝材料。銅具有較高的熱導率，能夠快速地傳導熱量；鋁則相對成本較低且重量較輕，在一些對重量和成本有要求的基站設備中應用較多。此外，還有一些新型的散熱材料如石墨烯也在研究和應用中，石墨烯具有超高的熱導率，雖然目前在基站封裝中的大規(guī)模應用還面臨一些技術和成本問題，但具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

三、高密度連接材料

1. 特性要求

• 基站中的各種電子組件需要進行連接和布局排列，高密度連接材料用于滿足這一需求。這些材料需要具備良好的導電性、連接可靠性和高密度集成能力，以確保各個電子組件之間的信號傳輸準確無誤。

2. 示例材料

• 例如金、銀等貴金屬在一些高精度連接中會被使用，因為它們具有良好的導電性。同時，一些特殊的合金材料或者導電膠等也可以用于高密度連接，導電膠可以在較低的溫度和壓力下實現(xiàn)連接，并且能夠適應不同形狀和尺寸的連接需求，在一些小型化和精密化的基站模塊封裝中有較好的應用前景。

通訊基站4G/5G模塊封裝技術的發(fā)展歷程

一、1G - 2G時代：早期基站封裝的起步

1. 1G時代

• 1G網絡為模擬網絡，在20世紀80年代初提出，其基站主要是為模擬語音調制技術服務。當時的封裝技術相對簡單，主要是為了保護電子元件免受外界環(huán)境的影響，例如防止灰塵、濕氣等對電路的損害。封裝材料多為一些簡單的塑料和金屬外殼，電路集成度較低，因為1G設備的功能相對單一，主要是實現(xiàn)語音的傳輸，對封裝的要求不高，更多是基于基本的物理防護和簡單的電氣連接。

2. 2G時代

• 2G網絡為窄帶數(shù)字網絡，起源于20世紀90年代初期。隨著數(shù)字技術的引入，基站設備的功能開始多樣化，除了語音傳輸外，還可以提供數(shù)據(jù)業(yè)務。這一時期的封裝技術開始注重信號的完整性和電路的小型化。封裝材料和工藝有所改進，例如開始使用多層電路板技術，將不同功能的電路分層布局，提高了電路的集成度。同時，對于射頻部分的封裝也開始有了一定的優(yōu)化，以適應數(shù)字信號的傳輸要求，但整體的封裝技術仍然處于相對初級的階段，與現(xiàn)代的4G/5G封裝技術相比，在性能和功能上還有很大的差距。

二、3G - 4G時代：向高速和多功能封裝發(fā)展

1. 3G時代

• 3G網絡在2009年后開始發(fā)展，包括基于碼分多址CDMA技術的多個國際標準。3G時代對數(shù)據(jù)傳輸速率有了更高的要求，基站設備需要處理更多的高速數(shù)據(jù)業(yè)務。這促使封裝技術在信號傳輸速度、散熱等方面進行改進。在封裝材料方面，開始使用一些具有更好高頻性能的材料來滿足3G頻段的信號傳輸要求。同時，為了應對設備功耗增加帶來的散熱問題，散熱技術和散熱封裝材料得到了進一步發(fā)展。例如，改進了散熱片的設計和材料，提高了散熱效率，以確保基站設備在處理高速數(shù)據(jù)時的穩(wěn)定性。此外，3G時代的基站封裝開始注重模塊的集成化，將多個功能模塊集成到一個封裝中，減少了設備的體積和復雜度。

2. 4G時代

• 4G LTE技術標準下，基站的封裝技術進一步提升。4G網絡的理論速率相比3G有了大幅提高，對基站的信號處理能力、傳輸效率和散熱等方面提出了更高的要求。在封裝技術上，采用了更先進的多層陶瓷封裝等技術，提高了射頻模塊的性能。在散熱方面，除了傳統(tǒng)的散熱方式外，還開始探索一些新的散熱技術，如液冷技術的研究和應用。同時，4G基站的封裝更加注重小型化和高密度集成，以適應4G網絡大規(guī)模建設中對基站設備空間和成本的要求。例如，通過采用更小尺寸的芯片和更緊湊的電路布局，提高了基站設備的集成度，降低了設備的成本和功耗。

三、5G時代：滿足高性能和多頻段要求的封裝變革

1. 5G頻段和性能需求對封裝的挑戰(zhàn)

• 5G有兩個主要頻段FR1(450 - 6000MHZ)和FR2(24250 - 52600MHZ)，其高頻段信號的波長更短，衍射能力差，信號衰減大。這就要求封裝材料具有更低的介電損耗和更好的高頻特性，以確保信號的有效傳輸。同時，5G技術的高數(shù)據(jù)傳輸速率、低延遲、大容量等特性，需要基站設備具有更高的集成度和更強的信號處理能力。例如，5G基站需要支持大規(guī)模MIMO技術，這就需要在封裝中對天線陣列等組件進行特殊的設計和封裝，以實現(xiàn)多天線的高效協(xié)同工作。

2. 5G封裝技術的新發(fā)展

• 在5G時代，封裝技術朝著異質異構集成方向發(fā)展，如2.5D/3D系統(tǒng)級封裝（System in Pakage,Sip）技術備受關注。2.5D/3D SiP技術可以將射頻、模擬、數(shù)字功能和無源器件以及其他系統(tǒng)組件集成在一個封裝模塊中，滿足5G系統(tǒng)的高度集成化要求。這種封裝技術通過異質生長或者異質鍵合等方式，將基于GaAs、GaN等新型半導體材料的高性能毫米波有源器件以及射頻微電子機械系統(tǒng)和無源器件、硅基電路模塊集成為一個具有完整功能的二維或者三維集成電路，克服了傳統(tǒng)系統(tǒng)級芯片技術（System of Chip,SoC）在5G器件封裝中的困難，提高了封裝的性能和集成度。

最新的通訊基站4G/5G模塊封裝技術創(chuàng)新

一、2.5D/3D系統(tǒng)級封裝（SiP）技術

1. 技術原理和優(yōu)勢

• 2.5D/3D SiP技術是將多個具有不同功能的有源電子器件和無源器件，以及諸如MEMS或者光學器件等其他的器件，組裝為可以提供多種功能的單個標準封裝器件，形成一個系統(tǒng)或者子系統(tǒng)。其原理是通過異質生長或者異質鍵合等方式，將不同的芯片和器件集成在一起。與傳統(tǒng)的封裝技術相比，2.5D/3D SiP技術具有高度的集成化優(yōu)勢。它可以將射頻、模擬、數(shù)字功能和無源器件以及其他系統(tǒng)組件集成在一個封裝模塊中，這對于5G系統(tǒng)來說非常關鍵。在5G通信中，需要處理多種類型的信號，如射頻信號、模擬信號和數(shù)字信號等，2.5D/3D SiP技術能夠將這些不同類型的信號處理模塊集成在一起，減少了信號傳輸?shù)穆窂介L度，從而降低了信號的傳輸損耗和延遲。例如，在一個5G基站的射頻前端模塊封裝中，通過2.5D/3D SiP技術可以將功率放大器、濾波器、低噪聲放大器等多個組件集成在一起，提高了整個射頻前端模塊的性能和可靠性。

2. 在基站模塊中的應用實例

• 在5G基站的基帶處理單元BBU封裝中，2.5D/3D SiP技術可以集成多個處理芯片，如數(shù)字信號處理器、協(xié)議處理器等，同時還可以集成一些無源器件如電容、電感等。這樣可以大大縮小BBU的體積，提高其集成度和性能。在RRU的封裝中，也可以采用2.5D/3D SiP技術將射頻收發(fā)模塊、功放模塊、濾波器模塊等集成在一起，實現(xiàn)更緊湊的設計，并且能夠提高射頻信號的處理能力和傳輸效率。例如，一些5G基站設備制造商已經開始在其產品中應用2.5D/3D SiP技術，通過這種技術提高了基站的信號覆蓋范圍和數(shù)據(jù)傳輸速率。

二、片上天線和封裝天線技術

1. 技術原理和優(yōu)勢

• 在4G通信中，通常采用離散天線，而在5G通信中，由于天線元件的尺寸和間距與波長有關，封裝集成天線成為了可能。片上天線是直接將天線集成在芯片上，這種方式可以減少天線與芯片之間的連接損耗，提高信號傳輸效率。封裝天線則是將天線集成在封裝模塊內，與片上天線相比，封裝天線具有更大的設計靈活性，可以根據(jù)實際需求調整天線的形狀、尺寸和布局。這兩種天線技術都能夠滿足5G通信中對天線性能的要求，如高增益、寬頻帶等。例如，片上天線可以利用芯片制造工藝的優(yōu)勢，實現(xiàn)高精度的天線制造，提高天線的性能。封裝天線則可以在封裝過程中對天線進行優(yōu)化，適應不同的應用場景，如在基站的不同頻段和不同覆蓋要求下，可以通過調整封裝天線的參數(shù)來滿足需求。

2. 在基站模塊中的應用實例

• 在5G微基站的封裝中，由于微基站的體積較小，對天線的集成度要求較高，片上天線和封裝天線技術可以得到很好的應用。例如，一些小型的5G微基站可以采用片上天線技術，將天線直接集成在基帶處理芯片或者射頻芯片上，減少了基站的體積和重量。在一些大型的5G宏基站中，也可以采用封裝天線技術，通過在RRU的封裝模塊內集成天線，提高天線的性能和可靠性。同時，在5G基站的多天線系統(tǒng)如Massive MIMO系統(tǒng)中，片上天線和封裝天線技術可以提高天線陣列的集成度和協(xié)同工作能力，從而提高基站的信號傳輸能力和覆蓋范圍。

不同廠家通訊基站4G/5G模塊封裝技術的比較

一、華為

1. 封裝技術特點

• 華為在基站封裝技術方面具有多項創(chuàng)新。例如在散熱方面，華為可能采用了高效的散熱設計和散熱材料，以確保基站設備在高負荷運行下的穩(wěn)定性。在集成度方面，華為的基站可能采用了先進的集成封裝技術，如類似于2.5D/3D SiP技術的集成方式，將多個功能模塊高度集成在一起，減少了設備的體積和成本。華為在5G基站的Massive MIMO技術應用方面也處于領先地位，這也與其在天線封裝和射頻模塊封裝方面的技術優(yōu)勢有關。例如，華為的Lampsite皮基站，其內部的封裝設計能夠有效地實現(xiàn)信號的傳輸、處理和散熱等功能，滿足室內網絡覆蓋的需求。

2. 技術優(yōu)勢帶來的市場影響

• 華為的這些封裝技術優(yōu)勢使其基站產品在全球市場上具有很強的競爭力。在5G基站的全球部署中，華為的基站能夠提供更高效的信號覆蓋、更低的功耗和更小的占地面積等優(yōu)點。這使得華為在國際市場上獲得了眾多運營商的青睞，盡管面臨一些外部壓力，但仍然在全球5G基站建設中占據(jù)重要的份額。

二、中興

1. 封裝技術特點

• 中興通訊也在基站封裝技術上有自己的特色。中興提出了“5G技術4G化”創(chuàng)新理念，推出業(yè)界首個基于Pre5G AAU的Massive MIMO技術，這其中必然涉及到基站模塊的封裝技術創(chuàng)新。中興可能在射頻模塊的封裝上注重信號的優(yōu)化處理，采用了適合5G頻段的封裝材料和結構，確保射頻信號的高質量傳輸。在散熱方面，中興也會采用相應的散熱措施來保障基站設備的正常運行，可能采用了一些新型的散熱材料或者散熱結構，提高散熱效率。

2. 技術優(yōu)勢帶來的市場影響

• 中興的這些封裝技術優(yōu)勢使其在5G基站市場上具有一定的競爭力。中興的基站產品能夠滿足運營商對5G網絡建設的需求，在信號傳輸質量、設備穩(wěn)定性等方面表現(xiàn)出色。這有助于中興在國內和國際市場上獲得一定的份額，與其他廠商共同推動5G基站的建設和發(fā)展。

三、其他廠家

1. 共性與差異

• 其他一些基站設備制造商也在不斷發(fā)展自己的4G/5G模塊封裝技術。在共性方面，大家都面臨著5G頻段的信號傳輸、設備散熱、高度集成等問題，所以都會朝著采用低介電損耗材料、高效散熱材料和高度集成化封裝技術的方向發(fā)展。然而，在具體的技術細節(jié)上可能存在差異。例如，一些廠家可能更側重于在天線封裝方面的創(chuàng)新，采用獨特的天線封裝結構來提高天線的性能；而另一些廠家可能在基帶處理單元的封裝上有自己的優(yōu)勢，通過優(yōu)化BBU的封裝提高信號處理能力。在散熱方面，不同廠家可能會根據(jù)自己的成本和技術優(yōu)勢選擇不同的散熱材料和散熱結構，如有的廠家可能更傾向于采用銅基散熱材料，而有的廠家可能會研究和應用石墨烯等新型散熱材料。

2. 市場競爭中的表現(xiàn)

• 在市場競爭中，這些廠家的封裝技術差異會影響到他們的市場份額。具有更先進封裝技術的廠家能夠提供性能更優(yōu)、成本更低、可靠性更高的基站產品，從而在市場上更具競爭力。例如，在一些新興的5G市場中，能夠提供高效散熱、高集成度基站設備的廠家可能會更容易獲得運營商的訂單，因為這些設備能夠更好地滿足當?shù)氐木W絡建設需求，如在一些高溫環(huán)境或者對基站設備空間有限制的地區(qū)。

4G/5G模塊封裝清洗劑選擇：

水基清洗的工藝和設備配置選擇對清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會作為一個長期的使用和運行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環(huán)境中的濕氣，通電后發(fā)生電化學遷移，形成樹枝狀結構體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內的浮點、灰塵、塵埃等，這些污染物會導致焊點質量降低、焊接時焊點拉尖、產生氣孔、短路等等多種不良現(xiàn)象。

這么多污染物，到底哪些才是最備受關注的呢？助焊劑或錫膏普遍應用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質在所有污染物中的占據(jù)主導，從產品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產品質量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質引發(fā)接觸電阻增大，嚴重者導致開路失效，因此焊后必須進行嚴格的清洗，才能保障電路板的質量。

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