5G手机天线布局和制造技术问答

5G手机由于天线频段多、手机侧边曲面构型等因素,天线设计有别于4G手机。产业界开始发布各种工艺路线,本文以问答方式综述天线布局及其制造工艺。

一、 天线布局在外露的侧面,用什么工艺路线?

"天线外露"是沿用4G时代金属边框分段做天线思路,天线指标最佳的结构就是外露,因此4G金属机身时代是“清一色”的外露做法。但5G手机天线众多,会导致金属中框分段太多而有损美观,不如在塑胶上“雕刻”金属图案做天线。这种雕刻有两种模式:

 

其一,是真雕刻金属做天线(LMA),其二是雕刻塑胶(LSA),再把雕刻塑胶图案金属化。

雕刻塑胶再金属化是主流,因为激光镭射图案精细、金属化后附着力强、产能高、良率高。

 

       图1 在手机外壳金属边框的塑胶材质上做LDS工艺天线 

二、5G手机中框上布局天线是主流吗?

5G终端从主流结构来说,机身内部是钛铝合金包塑胶边注塑的结构件,这个结构件之外边的一部分是一级外观面,一级外观面上部分区域可以做LDS天线。因此中框布局做5G天线是主流。

 

图2 钛铝合金包塑胶注塑(低成本、刚性强,适合做内部结构件)天线制造在塑胶上

 

三、 钛铝合金被LDS塑胶包边注塑后再做LDS天线,工艺上是否冲突?如钛铝合金被LDS制程中药水腐蚀?

钛铝合金不耐酸碱,因此需要在制造过程中,对工件进行保护,其保护途径是成熟的化学品,参考阳极氧化时,对金属保护流程,很多保护性涂料选择性喷涂后,再激光镭射时留出LDS加工区即可。近年,LDS药水也有提升,化学镍药水也有非酸性的中性药水。

下图是2017年前后量产的一款钛铝合金包LDS塑料上制造LDS天线的产品;

 

图3 量产过的钛铝合金包塑胶边框结构,在白色LDS塑胶上做天线

 

       图4 钛铝合金包塑胶边框上做LDS天线的化学镀现场(微航)

 

因此无论哪家一级供能解决了以上的保护难题,就有了立足于5G天线的制造,毕竟这是天线制造的主战场。

  

四、 玻璃后盖上做天线有成功案例吗?

华为P30玻璃后盖上有两条天线,机身内FPC上焊接了LDS天线,与后盖天线无线耦合。这种无线耦合好处是:机身内LDS天线不要考虑全向辐射指标,只要把信号耦合到后盖,由后盖上的天线去全向辐射。对于手机内紧张的空间来说,天线指标可延伸到后盖解决。机身内LDS天线可以采用高介电系数材料,如陶瓷或者高介电LDS塑料来设计的更体积小巧,定向的与后盖天线互耦。

 

五、 中框上外露一级外观面,其上天线如何与机身内部贯通?

上文提到的无线耦合是一种方式,而另一种方式就是“细孔”:直径在0.1mm内导通的细孔被喷涂油漆后覆盖了,实现了“隐形”。

六、 LDS制程中,激光能一次性镭射天线图案时打出直径0.1mm细孔吗?深度多少?能在后续化学镀时实现金属化吗?

激光能在做LDS镭射时一次打孔,无需再取出素材换用专门的激光打孔机。这取决于激光装备种类,并非任何LDS镭射机都可以做到。下面我们将详细介绍激光机:

激光打的孔直径在0.1mm,化学镀时可实现金属化,确保双面导通,下图示实验报告摘要,素材是PC,厚度是0.7mm,孔径0.1mm,化学镀长金属后,孔变成0.05mm:

 

图5 微航在PC-LDS材质的壳体上做激光穿孔实验

在直径0.1mm的细孔内实现导通,化学镀填小了孔径。毫米波外露天线与内部的接触需要此工艺支撑。

 

七、如何看待5G手机中的LCP路线?

LCP材质表面金属化在低频段是成熟的,但在28Ghz毫米波频段,LCP材质金属化最佳模式是附着一层非金属化低损耗膜,然后在上面激光沉积金属,即LDS工艺,而非走传统蚀刻路线。微航已用实验证明过这项工艺的可行性,但目前日系和台系还在走敷铜蚀刻路线。敷铜路线的最大难题是粘接铜箔的胶在毫米波的损耗非常大,且难以解决。

而微航采用的是无胶体系,因此损耗低。在此我们欢迎各位提供LCP膜,由微航加工好传输线来共同进行测试!

八、 LCP和LDS两条路线,在5G手机中哪条路线为主?

两条线路都会用上,即硬质LDS和软质的LCP会组合使用。LCP表面金属化也可以用LDS来实现。

九、 您觉得5G手机天线产业下步状况?或者趋势?与4G时代有何区别?

4G时代分前后两段时期:2009年-2014年的LDS发展黄金时期,一批上市企业都上了德国装备,德系装备为主支撑了产业出货;2014年至今,苹果手机把天线做在外壳金属中框上,这对LDS产业几乎是毁灭性的打击。因为天线与机身一体化后,即使设计时考虑天线但制造时却没有这个部件,余下的传输线采用FPC来实现。这导致业界缺乏订单,无力更新装备,也没赶上设备自动化、无人化的浪潮。

以2017年谷底的LDS激光代工单子为例,3D镭射加工费降到了一元内,靠一台机器一个人,双班2人的人海战术,企业基本没有利润。虽然LDS业界目前依旧采取人海战术,但以先进装备来开辟工业4.0的道路是大势所趋。5G手机的更多天线能提升产值不假,但扩大产能的同时节省人力资本开支才是当务之急。总之,5G时代LDS制造的无人化是与4G时代的最大区别。

十、 关于微航的无人产线?

(1)来自于代工经验数据库:我们从制造代工做起,积累了耳机、手表、手机、传感器等各种天线制造代工经验。也同步开发出几种激光机;

(2)微航设计的无人线确保了柔性:适合不同大小尺寸的产品自动上线;

(3)重要指标——精度:微航为一家业内巨头代工过±50微米精度的天线,每天加工7万只。而微航无人产线利用毫米波加工产品,其精度只会更高!

   精度决定了无人产线的技术路线,用机械手来做动作还是平台来做动作?这个决定异常重要,因机械手精度高档的在17微米至25微米之间,属于串联机器人;而平台属于并联机器人。串联机器人总误差在手指末端是不定方向的;但并联机器人是解耦的,末端误差的指向是可控的——用传感器纠正。因此,微航一直用五轴或者六轴平台来做,机械手仅用于上下料。

   一个有趣的案例是,2019年,某巨头面向激光装备界招标一台多头的3D激光机,用于5G基站塑胶振子加工。而我司平台方案独家中标,只因其他公司都是机械手方案!对于加工幅面幅面更大的笔电等产品,显然平台方案更合适。

(4)选好激光源:激光的开关频率高则镭射出的线条狗牙小,因此皮秒激光价格更胜一筹。因此微航在2013年进入激光设备研制时,就将开关频率定在2倍于进口激光装备。曾有客户在租赁我司设备前,用相同手机外壳对比了不同激光机镭射效果,发现微航机器做的更为细腻。还有一个应用场景是在线打微细孔,用于手机外露天线与内部电路相连,微航装备可做到同步进行,无需换机台。

   其次是激光机的光斑小于进口装备20%,即使国内LDS都仿真国外装备,微航始终与业内保持区别。以上这类高开关频率、细光斑、打细孔等都需要特殊的光源。 

 

图6 微航LDS激光产线部分场景(目前单人单机的人海战术是行业现状)

 

 

图7 微航的“无人化”产线(仅需一人),是5G时代LDS产线工业4.0的需求

  

十一、微航的LDS技术有被一级供客户使用吗?

没有一级供使用则不能进入主流,微航在4G时代承接一级供转包的制造单,积累了设备运营经验。但如何在2017年的行业谷底,进一步将3D激光镭射加工费降低至平面普通的激光镭射水平?唯一的解决办法是创新设备,因此设备研制要围绕柔性化、高精度化、高速度、无人化四个主要指标进行。所幸,我们开创了全自动产线,已开始向一级供提供。相应的,微航研制的材料和积累的宝贵加工经验也转移到客户手上。在此欢迎更多客户联系,订购我司装备!

 

十二、5G手机中最难设计的天线是哪个频段,工艺如何实现?

低频段如700Mhz频段,采用MIMO,手机需要四个角落上布设天线,可以采用氧化铝陶瓷做基材,其介电系数为7左右,损耗也低,天线3D布局在陶瓷上;也可以采用介电系数在7的LCP-LDS塑料(微航提供)缩小体积。

 

十三、如何看各种LDS升级新闻?

LDS涉及药水、装备、材料、工艺等细分领域,期待不断看到产业升级的消息!5G天线最终的最佳模式还没有定,前期一些成熟的工艺也会被互相融合,例如:钛铝合金包塑胶做天线工艺,NDA路线还可以再优化,NDA是把一段钛铝合金注塑时候内埋,成型后用CNC去除部分金属工艺,是目前天线的主要路线。但5G天线复杂,细微的线段很多,一种优化思路是内埋高温陶瓷天线,即注塑时将钛铝合金和陶瓷天线一并成型。这种路线,减少了复杂度,提升了良率,而陶瓷天线可以预先做好。高温陶瓷相比低温LTCC的损耗更低,成本也更低,但难点是精细3D电路化,若用上微航陶瓷涂料后就可以再做成3D天线,这是一种陶瓷LDS工艺,陶瓷天线也可以与FPC焊接一体进行组装。但无论哪种工艺都离不开材料和装备的支撑!

 

来源:深圳市微航磁电技术有限公司

 

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