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高端PCB电路板研发生产

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4G与5G基站结构和PCB用量
2019-06-21
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4G宏基站PCB总价值约5492元,世界4G基站的PCB市场空间约500-90亿元/年,相当于CCL 1020亿元/年,宏基站PCB值约15104元/站,高峰年份5G基站的PCB需求量约2100亿元/年,相当于CCL市场空间约80亿元。

一.4G/5G基站结构和PCB使用

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移动通信信息是以电磁波为媒介传输的,基站的主要功能和功能是接收和传输无线信号,将无线信号转换成易于传输的光/电信号,实现不同终端之间的信息传输,区分不同频率的信号。

3G、4G和5G基站的基本原理是相似的,但在具体设计上存在一些差异。4G基站设备主要由三部分组成:基带处理单元(BBU)、远程射频处理单元(RRU)和天线系统。目前,在4G通信基站中,天线系统和RU应采用高频&;高速PCB,BU主要采用高速PCB。

基带处理单元BBU:完成信道编解码、基带信号调制解调、协议处理等功能,同时提供上层网络单元的功能。

处理单元RRU:是天线系统和基带处理单元之间的中间桥:当接收到信号时,RRU通过滤波、低噪声放大并将其转换为光信号,并将其转换为光信号;当它将信号发送给BBU时,RRU将来自BBU的光信号转换为射频信号并通过天线放大发送。

天线系统:主要进行信号接收和传输,是基站设备与终端用户之间的信息能量转换器。

从4G到5G,基站结构和基本材料的吸引力没有本质的变化,只是剂量和参数的大幅度提升,因此研究4G基站结构和高频PCB的应用对5G有一定的借鉴意义。

天线作为能量转换、定向辐射和接收的设备,是整个基站运行的核心,它主要由辐射单元、馈电网络、反射器、封装平台和天线控制器(RCU)五个核心部件(4G基站天线)组成。

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(二)4G基站PCB消耗的计算



4G基站使用的PCB主要分为天线系统RRU和BBU,根据一根BBU拖曳三对天线和三对RRU,天线系统PCB的总面积约为0.684平方米,天线系统PCB的总面积约为0.3米,总面积为0.984平方米。

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根据产业调研信息,4G天线和RRU PCB均价约为2500元/平米。则单基站RRU和天线部分,ASP约为2500元。BBU部分,尺寸约为440X86X310mm

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BBU单板的数量在3~6之间,每个单板通过接口连接到背板上,BBU中BBU单板的槽分布和单板配置原理如下:GTMU占5和6通道,是主要控制传输单元,其余的插板可以安装TDL基板和主控板,基板可以实现接口功能,接收到的CPRI数据可以转发给其他单板。


主控制板、星卡板、基带处理板和基带射频接口板的总面积约为0.3平方米,电源板约0.03平方米,浪涌板约0.008平方米,单站总价值约992元。

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对于CCL,在4G基站,天线和功率放大器所需的高频CCL小于5G,一般采用碳氢化合物或聚四氟乙烯材料,它们大多与普通的FR4一起压制。高速CCL主要用于BBU等其它领域,其材料可以用FR4进行改性。总的来说,高频高速CCL占基站PCB值的20%左右,相当于一年的全球市场空间约为1020亿元。

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(三)由5G带来的技术变革和进化的节奏


截至2019年1月,GSA已在83个国家拥有201家运营商,其中包括5G的商业测试、商业前期和商业运营。特别是在美国、韩国、日本、英国、中国和其他地区,它们是第一个开展5G商业建设的国家,它们将在2019-2020年实现5G商业网络建设。

中国三大运营商已经在五个主要城市启动了5G商用测试,中国移动计划在2019年安装1000台5G基站,随后在2020年在全国范围内进行商业测试。

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技术上,其他厂商积极加入5G基带芯片和终端的研发,以促进5G产业链的成熟。

在芯片方面,高通(Qualcomm)和三星(Samsung)在2018年年底发布了5G商业芯片。Mediak也将在2019年推出自己的5G基带芯片。

移动终端的成熟期相对较长。基于7-10 nm工艺的5G手机和独立基带芯片有望在2099年上市。基于SOC多模芯片平台的5G手机有望在2020年下半年商业化。未来,随着终端的研发,采用最新射频前端技术的产品,如小型可穿戴5G终端和全频段5G移动电话,有望在2021年成熟。

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为了快速推出和顺利开发,3 GPP定义了几个架构选项。在R15版本中,方案3(NSA)于2018年3月完成,方案2(SA)于6月完成,R15扩展内容(如场景4、5和7)计划其他选项。


然而,选择的安排会导致更高的成本、互操作性风险、碎片化和设备复杂性。到目前为止,选项3和2一直是运营商选择的主要方向。

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基站系统是无线接入网的重要组成部分,包括射频和基带功能(物理层、第二层(MAC、RLC、PDCP等子层)和第三层(如RRC)。


与4G相比,5G接入网体系结构的变化之一是支持DU(分布式单元)和CU(集中单元)的功能划分:CU/DU联合方案、CU/DU分离方案。

1.CU/DU方案类似于4G中的BBU设备,它同时实现了CU和DU在单个物理实体中的逻辑功能,并基于电信的特殊结构在其他专用芯片上实现。考虑到4GBBU主要采用主控板和基带处理板相结合的方式,5GBBU也可以采用CUB+DU板的结构,以保证后续扩展的灵活性和新功能。该方案具有可靠性高、体积小、功耗小、环境适应性好和对机房匹配条件要求低等优点。

2.CU/DU分离方案分为两类:独立DU设备和独立CU设备。根据3 GPP的标准体系结构,DU负责完成RLC/MAC/PHY等高实时性要求的协议栈处理功能,而CU负责完成PDCP/RRC/SDAP等低实时性要求的协议栈处理功能。

(四)5G基站建设所需PCB市场空间分析

与4G基站不同,为了满足提高移动宽带(eMBB)、大规模物联网(mMTC)和低延迟高可靠物联网(uRLLC)的三大要求,提高资源利用率,在5G时代,基站结构发生了一定的变化:
BBU被分为CU(Centreunit控制单元)和DU(Distributedunit分布单元),高层次协议处理(PDCP/RRC)被分离为一个独立的逻辑单元,由CU处理,底层协议处理(MAC/PHY)仍在现场处理,这种架构有利于实现多连接、高频和低频协作、简化交换过程和开放平台。然而,CU的部署位置与业务延迟的要求(越远离DU越时延)相矛盾,操作和维护也比较复杂。

天线和RRU集成在AAU中,完成信号收发、缩放、滤波、光电转换等功能。

关于5G宏基站和室内分站的PCB市场空间计算,假定:

1.每个宏站包含3个AAU和1个BBU(CU&DU)。

2.AAU包括天线系统(振子&馈电网络)、收发信机单元(;/;PA;LNA;Filter等器件),其中振荡器(自身含PCB材质)集成在PCB(含馈电网络)上。收发信机单元的区域主要由PA和TRX组成,其中PAboard集成在TRX板上。

3.天线底板尺寸约为0.4×0.75m,采用高频材料如Roge 4730(陶瓷碳氢材料,热固性),2≤4层压板,部分采用6层板,单价接近10000元/平方米,双面板可低至3300元/平方米。在这个计算中,平均价格是7300元/平方米(按3300占40%,10000占60%计算)。天线振荡器的尺寸约为28×28 mm,天线振子的数目为64。M4高速材料一般可使用,单价约2000元/平方米。

4.TRX层数为10×20层,一般为松下M4等高速材料,尺寸约为0.4≤,单价约为4000元/平方米。

5.聚碳酸酯板集成在TRX上,有四块,每个尺寸约0.15×0.18m,陶瓷基板高频CCL双面板(如Rogers4350),单价约为2300元/平方米。

6.BBU与4G的尺寸无显着性差异,共3~5块板,尺寸为0.48±0.3m,20±30层合板,9000元/平方米,松下M4M6M7等高速基板。

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5G宏基站的PCB值约为15104元/站,室内分站的PCB值约为宏站的30%和40%左右,5G宏基站的PCB值约为5286元/站,5G宏基站的PCB值是4G的3.2倍(4692元),推广空间较大。


考虑到5G建设的进展,假定2018年至2022年期间宏观基站和室内分站的布局节奏,5G基站建设在一年内可为PCB带来增量的市场空间(假设单站PCB&CCL价值量每年下降6%)。
可以看出,在2022年/2023年的高峰期,5G基站建设所带来的单年PCB需求约为2100亿至240亿元(其中中国大陆约占50%-60%),几乎是4G时代80亿元的三倍。

对应的CCL(大部分均为高频高速CCL)市场空间约为80亿元(其中中国大陆约占50%-60%),相当于4G时代25亿元的增长近三倍。

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根据结构,假设各部分PCB价格每年下降6%,天线PCB峰值年的市场空间约为80亿元/年,TRX所用PCB的市场空间约为40亿元,PA的PCB市场空间高峰年约为9亿元,BBU的PCB市场空间高峰年约为50亿元。

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二.全球服务器PCB需求即使在2019年放缓,也不会改变长期上升趋势。

服务器属于电子工业中的整机产品。从产业链运输周期的角度来看,只有确定芯片的规格后,才能确定印刷电路板的加工过程,然后组装成一台与其他部件配套的服务器。因此,我们可以认为,芯片的出货量和多层PCB的生产(收入)是服务器出货量的主要指标。

2017Q2-2018Q4是全球服务器发货量迅速增长的一个阶段,互联网企业数据中心的建设占了需求的60%以上。我们认为,2019年全球服务器出货量的增长率很可能会下降,直到2020年上半年,那时云计算服务提供商的资本支出从一个大周期的角度来看正处于半个周期的同比增长,而第二季度则开始在2020年前恢复增长。从长远来看,计算和虚拟化的云计算虚拟化是不可逆转的,物联网、5G等产生的计算和存储需求将越来越旺盛,对服务器PCB的需求将继续增长。

通信PCB市场普遍分散,但高端轨道的需求和格局良好。全球通信市场规模约为120亿美元,前五大公司仅占20%左右,但实际上,18层以上的PCB(或高频材料)的主要参与者是第一梯队。在由通信代际变化和数据流爆发引起的存储设备升级过程中,当趋势向PCB链路向上转移时,其价值和用量的增加往往是基于高水平的数量、新材料和新工艺PCB产品,而低水平PCB(主要应用于一些次要环节、或者低阶设备)的需求变化弹性不如高次PCB好,而一级制造商是受益于价值和消费增长的主要厂商。它有技术壁垒、固定资产投资壁垒、商业壁垒、认证时差壁垒等方面的护城河。