Niedrigdielektrisches duroplastisches Klebeband für das 6G-Zeitalter: Unterstützung bei der Entwicklung interner Komponenten von Smartphones

Entwicklung von internen Smartphone-Komponenten, die Millimeterwellen unterstützen

Derzeit verwendete Smartphones der fünften Generation (5G) weisen Probleme auf, wie den langsamen Aufbau der Millimeterwellen-Kommunikationsinfrastruktur (28 GHz) und kurze Kommunikationsreichweiten. Daher werden Bänder unter 6 GHz, bekannt als Sub 6, aufgrund ihrer Benutzerfreundlichkeit hauptsächlich genutzt. Angesichts des zunehmenden Datenverkehrs in den kommenden Jahren gilt jedoch ein Übergang zu Millimeterwellen-Bändern (28 GHz) als unvermeidlich. Darüber hinaus wird erwartet, dass die Implementierung der 6G-Kommunikation, die Sub-Terahertz-Wellen zwischen 90 und 300 GHz und extrem hohe Frequenzbänder um 3 THz nutzt, um 2030 beginnt.

Dieser Artikel stellt eine Technologie zur Verwendung Niedrigdielektrisches Bonding-Sheet als Leiterplatten für Hochfrequenzantennen in Smartphones sowie eine weitere damit verbundene Schlüsseltechnologie zur Reduzierung von Übertragungsverlusten vor. Der Artikel schließt mit einer Beschreibung des speziell für diesen Zweck entwickelten niedrigdielektrischen Duroplastbands von Dexerials.

Das folgende Bild zeigt die internen Komponenten eines neuen Smartphone-Modells, das in diesem Jahr (2023) im Handel erhältlich ist. In dem Bauteil mit der Bezeichnung "Anschluss FPC", das rot gekennzeichnet ist, wird ein Duroplastband mit geringen dielektrischen Eigenschaften verwendet. Die Verbindungs-FPC-Platine bezieht sich auf die Verdrahtungsplatine, die die "Antenna-in-Package"-Komponente (AiP), die 5G-Millimeterwellen-Funksignale empfängt (gelb gekennzeichnet), mit der Hauptplatine verbindet, die Berechnungen auf der Grundlage der empfangenen Funksignale durchführt. Die Verbindungs-FPC-Platine dient nicht nur dazu, die extern empfangenen Downstream-Signale an die Hauptplatine zu senden, sondern auch dazu, die verarbeiteten Signale von der Hauptplatine an den AiP weiterzuleiten. Von dort aus werden diese vorgeschalteten Signale von der Antenne übertragen.

Das folgende Diagramm veranschaulicht die Kommunikationskomponenten eines Smartphones sowie den Übertragungs- und Empfangsverarbeitungsablauf. Die Komponente ganz links ist ein IC-Chip, der als „Anwendungsprozessor (AP)“ bezeichnet wird. Er ist quasi das Gehirn eines Smartphones und entspricht der CPU eines PCs. Die Komponente ganz rechts ist die Antenne, über die Signale gesendet und empfangen werden.

Das erste Thema, das wir behandeln müssen, sind die Komponenten. Die Anwendungs- und Basisbandprozessoren im linken Teil des folgenden Diagramms sind auf der größeren Leiterplatte, der sogenannten Hauptplatine, montiert. Das bereits erwähnte AiP (antenna in package) umfasst mehrere Komponenten, darunter den HF-Transceiver, der die Signalwellen moduliert, und die Antenne. Normalerweise wird die Antenne in der Nähe der Außenseite des Gehäuses montiert und von der Hauptplatine getrennt, um eine effiziente Übertragung und einen effizienten Empfang der Signale zu gewährleisten. Die elektrischen Schaltkreise dieser Komponenten sind über eine Verbindungsplatine (FPC) miteinander verbunden. Sie kann je nach Design des Smartphones länger als die halbe Länge der Längsseite des Gehäuses sein.

Hier verwenden wir das Millimeterwellenband (28 GHz) AiP als Beispiel, derzeit werden jedoch analoge Signale mit einer Frequenz von 8 bis 10 GHz über die Verbindung FPC übertragen. Der in AiP integrierte HF-Transceiver führt beim Senden (Upstream) eine sogenannte „Up-Conversion“ (Aufwärtskonvertierung) und beim Empfangen (Downstream) eine sogenannte „Down-Conversion“ (Abwärtskonvertierung) durch. Dies liegt daran, dass elektrische 28-GHz-Signale entlang des Übertragungswegs zu Dämpfung und Verlust neigen.

Das folgende Bild zeigt einen Abschnitt einer Niedrigdielektrisches Bonding-Sheet Anschlussplatine, auf der unser niedrigdielektrisches, duroplastisches Klebeband verwendet wird. Die niedrigdielektrischen, duroplastischen Bänder der Serie D5300 von Dexerials werden zwischen den modifizierten Polyimidschichten (PI) verwendet.

Umwandlung des FPC selbst in eine 28 GHz-kompatible Antenne

Das folgende Diagramm veranschaulicht die Technologie, die voraussichtlich ab der zweiten Hälfte des Jahres 2023 in Smartphones zum Einsatz kommt. Die von der Antenne empfangenen Millimeterwellen werden vom AiP mit der Originalfrequenz von 28 GHz über die FPC-Platine an die Hauptplatine gesendet. Upstream-Signale von der Hauptplatine werden ebenfalls mit der hohen Frequenz von 28 GHz übertragen. Um diesen Mechanismus zu erreichen, muss die Dämpfung hochfrequenter analoger Signale an den Anschlüssen und in der Verbindungs-FPC-Platine minimiert werden. Der Signalaustausch mit der Originalfrequenz von 28 GHz anstelle der herunterkonvertierten 8 GHz-Frequenz vereinfacht die Verarbeitung auf der Antennenseite, wodurch wiederum die Funktionen rationalisiert und integriert sowie die Verarbeitungsgeschwindigkeit erhöht werden können (siehe Abbildung unten). Derzeit laufen verschiedene Forschungsanstrengungen zur Realisierung dieses Mechanismus.

Einige unternehmen Versuche, diesen Mechanismus weiterzuentwickeln, um eine FPC-Platine als Antennenplatine zu verwenden. Derzeit wird eine Smartphone-Antenne hergestellt, indem ein Metalllinienmuster geätzt oder gedruckt wird, das als Antenne auf einer starren oder keramischen Platte fungiert. Die oben beschriebene Idee besteht darin, diese feste starre oder keramische Platte durch eine dünne, biegsame FPC-Platte zu ersetzen und sie als Antenne zu verwenden. FPC-Platinen kosten weniger als starre und keramische Platinen und gelten auch als Beitrag zur Herstellung dünnerer Smartphones.

Um eine FPC als Millimeterwellen-kompatible Antennenplatine zu verwenden, muss eine FPC entwickelt werden, die 28-GHz-Signale übertragen kann. Natürlich muss auch das Klebeblatt, auf das das FPC laminiert wird, niedrige dielektrische Eigenschaften aufweisen, um mit Millimeterwellen kompatibel zu sein. Die niedrigen dielektrischen Eigenschaften von Klebefolien werden in diesem Artikel ausführlich erläutert. Schauen Sie also bitte vorbei.

Maßnahmen gegen Hitze: Die größte Herausforderung für Millimeterwellenbänder in Smartphones

Die folgende Abbildung zeigt die internen Komponenten eines derzeit verfügbaren Smartphone-Modells. Bauteile, die eine höhere Hitzebeständigkeit erfordern, sind gelb gekennzeichnet, deren Zieltemperaturen rot gekennzeichnet sind.
Der Application Processor (AP) ist der IC-Chip, der für die Informationsverarbeitung in einem Smartphone verantwortlich ist. Seine Temperatur kann bei intensiver Verarbeitung ca. 90 °C erreichen, was sich wiederum thermisch auf die umgebenden Bestandteile auswirkt. Darüber hinaus sind viele Smartphones so ausgelegt, dass die Temperaturen des AiP und des Akkus unter etwa 60 °C bzw. 40 °C liegen.

Wie bereits beschrieben, werden zukünftige Smartphones mit Sicherheit Millimeterwellenbänder verwenden, was zu erhöhten Temperaturen im Gehäuse führen kann. Der Einbau weiterer wärmeerzeugender Komponenten, wie AiP- und Signalverarbeitungs-IC-Chips, führt tendenziell zu einer höheren Innentemperatur eines Smartphones.

Der Anstieg der Innentemperatur führt auch zu einem Temperaturanstieg des modifizierten Polyimids und anderer Kunststoffe, die in FPC-Platinen verwendet werden. Der dielektrische Verlustfaktor eines Kunststoffs nimmt typischerweise mit zunehmender Temperatur ab, wie die Grafik rechts im folgenden Bild zeigt. Dies kann zu einer verzögerten Signalübertragung in Leiterplatten, einschließlich FPC-Platinen, führen.

Aus diesen Gründen besteht die ideale FPC für Leiterplatten, die Hochfrequenzsignale verwenden, aus isolierenden Materialien, deren Dielektrizitätskonstante sich auch bei steigender Temperatur nicht ändert und den Signalverlust nicht erhöht.

​Niedrigdielektrisches duroplastisches Klebeband: Grundlage für die Zukunft von Smartphones

Dexerials geht von einer zunehmenden Nutzung höherfrequenter Signale in FPC-Platinen aus. Dieser Wandel ist auf Designänderungen zurückzuführen, die eine Signalübertragung über FPC-Platinen ohne Frequenzabwärtskonvertierung ermöglichen, sowie auf die laufende Forschung zur Nutzung von FPC-Platinen als Antennen, wie oben beschrieben. Darüber hinaus können die Temperaturen der FPC-Platinen selbst durch zusätzliche Wärmequellen im Inneren von Smartphones steigen. Daher gehen wir davon aus, dass Bedarf an duroplastischen Bändern besteht, die auch bei hohen Frequenzen und erhöhten Temperaturen stabile, niedrigdielektrische Eigenschaften aufweisen.

Das folgende Diagramm zeigt die dielektrischen Eigenschaften (Dielektrikumtangens) jedes Isoliermaterials. Die rote Linie kennzeichnet ein Klebeblatt (Modellnummer: D5330), das sich bereits auf dem Markt befindet, und die blaue Linie kennzeichnet ein Produkt in der Entwicklung, dessen Veröffentlichung in Kürze geplant ist. Die Grafik links zeigt die Beziehung zwischen Dielektrizitätstangens und Frequenz. Dexerials strebt einen Dielektrizitätstand von Df < 0,002 an, der besser ist als der von Flüssigkristallpolymeren (LCP). Während das herkömmliche Produkt (D5330) leicht außerhalb des Zielbereichs liegt, befindet sich das entwickelte Produkt innerhalb des Zielbereichs. Die Grafik rechts zeigt die Beziehung zwischen Dielektrizitätstangens und Umgebungstemperatur. Das entwickelte Produkt liegt bis 90°C im Zielbereich und auch die Veränderungsmenge selbst wird gering gehalten.

Unser niedrig dielektrisches Duroplast-Klebeband kann kostengünstig auf Schichten aus flüssigen Polymeren und modifiziertem Polyimid oder auf die Schlüsselmaterialien von schnell übertragenden Niedrigdielektrisches Bonding-Sheet Leiterplatten geklebt werden. Folglich ermöglicht es die Herstellung von Niedrigdielektrisches Bonding-Sheet-Boards, die 5G-Signale (Millimeterwellen) unterstützen können, unter Verwendung vorhandener Fertigungsanlagen (Details finden Sie in diesem Artikel). Bleiben Sie auf dem Laufenden über die Produktentwicklung von Dexerials, die darauf abzielt, die Bedürfnisse aller Kunden, einschließlich Smartphone-Hersteller, im Hinblick auf die bevorstehende 6G-Ära zu erfüllen.