通讯基站4G/5G模块封装技术的原理

一、无线通信基本原理与频段特点

通讯基站4G/5G模块封装技术基于无线通信原理，无线通信依靠电磁波传输信息，遵循光速 = 波长×频率这一基本公式。在4G/5G通信中，不同频段具有不同特性。4G LTE技术标准主要使用特高频和超高频频段，如我国运营商使用的频段等。5G频率范围分为6GHz以下和24GHz以上频段，高频段如28GHz的5G信号，其波长较短，衍射能力差，在传播介质中的衰减大，趋近于直线传播，但能携带更多信息量，传输速率高，不过覆盖范围小，为了覆盖相同区域需要更多基站。

二、基站组成部分与功能相关的封装原理

基站包含基带处理单元BBU、射频处理单元RRU和天馈系统等部分。

1. BBU功能与封装关联

• BBU主要完成信道编解码、基带信号的调制解调、协议处理等功能，还需提供与上层网元的接口功能等。其功能的实现需要特定的电路布局和封装形式，以保护内部芯片和电路免受外界干扰，同时确保信号传输的稳定性。例如，在将BBU的各种功能模块集成封装时，要考虑信号的传输路径、电磁兼容性等因素。在封装中，要避免不同功能模块之间的信号干扰，保证基带信号处理的准确性，这就需要合理的布线和屏蔽设计。

2. RRU功能与封装关联

• RRU作为远端射频模块，主要完成基带到空口的发射信号处理、接收信号处理，负责无线信号的收发功能。RRU系统由收发信机(TRX)、功放、滤波器、天线、电源、结构六大硬件子系统组成。在封装RRU模块时，需要考虑到射频信号的特性。射频信号在高频下容易受到外界干扰和损耗，所以封装材料要具有良好的高频特性，能够减少信号的损耗和反射。例如，对于功放部分的封装，要能够有效地散热，因为功放工作时会产生大量热量，热量积累可能会影响功放的性能和寿命，所以封装要有利于热量的传导和散发。同时，对于滤波器部分，封装要保证其滤波性能，避免外界电磁干扰影响滤波效果，从而确保RRU能够准确地进行信号的收发处理。

3. 天馈系统与封装关联

• 天馈系统主要由馈线和天线组成，馈线常见的内芯材质有纯铜的，也有铜包铝，天线有多种类型如板状定向天线等。天馈系统的目的是将接收至射频单元的无线信号集中起来然后辐射出去，也能将手机发送过来的信号集中起来传送给射频单元处理。在封装与天馈系统相关的组件时，要考虑到信号的传输效率和方向性。对于天线的封装，要保证天线的辐射特性不受影响，同时要能够抵御外界环境因素的影响，如风雨、沙尘等。例如，对于室外基站的天线封装，要具有防水、防潮、防尘等功能，以确保天线在恶劣环境下能够正常工作。

常见的通讯基站4G/5G模块封装材料

一、射频封装材料

1. 特性要求

• 射频封装材料用于封装和保护基站中的射频前端模块（RF Front - End Module），包括射频放大器、滤波器、混频器等组件。这些材料需要具备优异的高频特性和低介电损耗，以确保射频信号的稳定传输和有效过滤，从而提高基站的信号传输效率和通信覆盖范围。

2. 示例材料

• 例如一些特殊的陶瓷材料，它们具有高介电常数、低损耗角正切等特性，能够满足射频信号在高频下的传输要求。另外，某些聚合物材料经过特殊处理后，也可以用于射频封装，它们具有良好的柔韧性和加工性，可以适应不同形状和尺寸的射频模块封装。

二、散热封装材料

1. 特性要求

• 基站设备在运行时会产生大量的热量，散热封装材料通常具有良好的热导性和散热性能，能够有效地将热量从设备内部传导到外部环境中，防止设备因过热而导致的性能下降或故障。

2. 示例材料

• 金属材料如铜和铝是常见的散热封装材料。铜具有较高的热导率，能够快速地传导热量；铝则相对成本较低且重量较轻，在一些对重量和成本有要求的基站设备中应用较多。此外，还有一些新型的散热材料如石墨烯也在研究和应用中，石墨烯具有超高的热导率，虽然目前在基站封装中的大规模应用还面临一些技术和成本问题，但具有很大的发展潜力。

三、高密度连接材料

1. 特性要求

• 基站中的各种电子组件需要进行连接和布局排列，高密度连接材料用于满足这一需求。这些材料需要具备良好的导电性、连接可靠性和高密度集成能力，以确保各个电子组件之间的信号传输准确无误。

2. 示例材料

• 例如金、银等贵金属在一些高精度连接中会被使用，因为它们具有良好的导电性。同时，一些特殊的合金材料或者导电胶等也可以用于高密度连接，导电胶可以在较低的温度和压力下实现连接，并且能够适应不同形状和尺寸的连接需求，在一些小型化和精密化的基站模块封装中有较好的应用前景。

通讯基站4G/5G模块封装技术的发展历程

一、1G - 2G时代：早期基站封装的起步

1. 1G时代

• 1G网络为模拟网络，在20世纪80年代初提出，其基站主要是为模拟语音调制技术服务。当时的封装技术相对简单，主要是为了保护电子元件免受外界环境的影响，例如防止灰尘、湿气等对电路的损害。封装材料多为一些简单的塑料和金属外壳，电路集成度较低，因为1G设备的功能相对单一，主要是实现语音的传输，对封装的要求不高，更多是基于基本的物理防护和简单的电气连接。

2. 2G时代

• 2G网络为窄带数字网络，起源于20世纪90年代初期。随着数字技术的引入，基站设备的功能开始多样化，除了语音传输外，还可以提供数据业务。这一时期的封装技术开始注重信号的完整性和电路的小型化。封装材料和工艺有所改进，例如开始使用多层电路板技术，将不同功能的电路分层布局，提高了电路的集成度。同时，对于射频部分的封装也开始有了一定的优化，以适应数字信号的传输要求，但整体的封装技术仍然处于相对初级的阶段，与现代的4G/5G封装技术相比，在性能和功能上还有很大的差距。

二、3G - 4G时代：向高速和多功能封装发展

1. 3G时代

• 3G网络在2009年后开始发展，包括基于码分多址CDMA技术的多个国际标准。3G时代对数据传输速率有了更高的要求，基站设备需要处理更多的高速数据业务。这促使封装技术在信号传输速度、散热等方面进行改进。在封装材料方面，开始使用一些具有更好高频性能的材料来满足3G频段的信号传输要求。同时，为了应对设备功耗增加带来的散热问题，散热技术和散热封装材料得到了进一步发展。例如，改进了散热片的设计和材料，提高了散热效率，以确保基站设备在处理高速数据时的稳定性。此外，3G时代的基站封装开始注重模块的集成化，将多个功能模块集成到一个封装中，减少了设备的体积和复杂度。

2. 4G时代

• 4G LTE技术标准下，基站的封装技术进一步提升。4G网络的理论速率相比3G有了大幅提高，对基站的信号处理能力、传输效率和散热等方面提出了更高的要求。在封装技术上，采用了更先进的多层陶瓷封装等技术，提高了射频模块的性能。在散热方面，除了传统的散热方式外，还开始探索一些新的散热技术，如液冷技术的研究和应用。同时，4G基站的封装更加注重小型化和高密度集成，以适应4G网络大规模建设中对基站设备空间和成本的要求。例如，通过采用更小尺寸的芯片和更紧凑的电路布局，提高了基站设备的集成度，降低了设备的成本和功耗。

三、5G时代：满足高性能和多频段要求的封装变革

1. 5G频段和性能需求对封装的挑战

• 5G有两个主要频段FR1(450 - 6000MHZ)和FR2(24250 - 52600MHZ)，其高频段信号的波长更短，衍射能力差，信号衰减大。这就要求封装材料具有更低的介电损耗和更好的高频特性，以确保信号的有效传输。同时，5G技术的高数据传输速率、低延迟、大容量等特性，需要基站设备具有更高的集成度和更强的信号处理能力。例如，5G基站需要支持大规模MIMO技术，这就需要在封装中对天线阵列等组件进行特殊的设计和封装，以实现多天线的高效协同工作。

2. 5G封装技术的新发展

• 在5G时代，封装技术朝着异质异构集成方向发展，如2.5D/3D系统级封装（System in Pakage,Sip）技术备受关注。2.5D/3D SiP技术可以将射频、模拟、数字功能和无源器件以及其他系统组件集成在一个封装模块中，满足5G系统的高度集成化要求。这种封装技术通过异质生长或者异质键合等方式，将基于GaAs、GaN等新型半导体材料的高性能毫米波有源器件以及射频微电子机械系统和无源器件、硅基电路模块集成为一个具有完整功能的二维或者三维集成电路，克服了传统系统级芯片技术（System of Chip,SoC）在5G器件封装中的困难，提高了封装的性能和集成度。

最新的通讯基站4G/5G模块封装技术创新

一、2.5D/3D系统级封装（SiP）技术

1. 技术原理和优势

• 2.5D/3D SiP技术是将多个具有不同功能的有源电子器件和无源器件，以及诸如MEMS或者光学器件等其他的器件，组装为可以提供多种功能的单个标准封装器件，形成一个系统或者子系统。其原理是通过异质生长或者异质键合等方式，将不同的芯片和器件集成在一起。与传统的封装技术相比，2.5D/3D SiP技术具有高度的集成化优势。它可以将射频、模拟、数字功能和无源器件以及其他系统组件集成在一个封装模块中，这对于5G系统来说非常关键。在5G通信中，需要处理多种类型的信号，如射频信号、模拟信号和数字信号等，2.5D/3D SiP技术能够将这些不同类型的信号处理模块集成在一起，减少了信号传输的路径长度，从而降低了信号的传输损耗和延迟。例如，在一个5G基站的射频前端模块封装中，通过2.5D/3D SiP技术可以将功率放大器、滤波器、低噪声放大器等多个组件集成在一起，提高了整个射频前端模块的性能和可靠性。

2. 在基站模块中的应用实例

• 在5G基站的基带处理单元BBU封装中，2.5D/3D SiP技术可以集成多个处理芯片，如数字信号处理器、协议处理器等，同时还可以集成一些无源器件如电容、电感等。这样可以大大缩小BBU的体积，提高其集成度和性能。在RRU的封装中，也可以采用2.5D/3D SiP技术将射频收发模块、功放模块、滤波器模块等集成在一起，实现更紧凑的设计，并且能够提高射频信号的处理能力和传输效率。例如，一些5G基站设备制造商已经开始在其产品中应用2.5D/3D SiP技术，通过这种技术提高了基站的信号覆盖范围和数据传输速率。

二、片上天线和封装天线技术

1. 技术原理和优势

• 在4G通信中，通常采用离散天线，而在5G通信中，由于天线元件的尺寸和间距与波长有关，封装集成天线成为了可能。片上天线是直接将天线集成在芯片上，这种方式可以减少天线与芯片之间的连接损耗，提高信号传输效率。封装天线则是将天线集成在封装模块内，与片上天线相比，封装天线具有更大的设计灵活性，可以根据实际需求调整天线的形状、尺寸和布局。这两种天线技术都能够满足5G通信中对天线性能的要求，如高增益、宽频带等。例如，片上天线可以利用芯片制造工艺的优势，实现高精度的天线制造，提高天线的性能。封装天线则可以在封装过程中对天线进行优化，适应不同的应用场景，如在基站的不同频段和不同覆盖要求下，可以通过调整封装天线的参数来满足需求。

2. 在基站模块中的应用实例

• 在5G微基站的封装中，由于微基站的体积较小，对天线的集成度要求较高，片上天线和封装天线技术可以得到很好的应用。例如，一些小型的5G微基站可以采用片上天线技术，将天线直接集成在基带处理芯片或者射频芯片上，减少了基站的体积和重量。在一些大型的5G宏基站中，也可以采用封装天线技术，通过在RRU的封装模块内集成天线，提高天线的性能和可靠性。同时，在5G基站的多天线系统如Massive MIMO系统中，片上天线和封装天线技术可以提高天线阵列的集成度和协同工作能力，从而提高基站的信号传输能力和覆盖范围。

不同厂家通讯基站4G/5G模块封装技术的比较

一、华为

1. 封装技术特点

• 华为在基站封装技术方面具有多项创新。例如在散热方面，华为可能采用了高效的散热设计和散热材料，以确保基站设备在高负荷运行下的稳定性。在集成度方面，华为的基站可能采用了先进的集成封装技术，如类似于2.5D/3D SiP技术的集成方式，将多个功能模块高度集成在一起，减少了设备的体积和成本。华为在5G基站的Massive MIMO技术应用方面也处于领先地位，这也与其在天线封装和射频模块封装方面的技术优势有关。例如，华为的Lampsite皮基站，其内部的封装设计能够有效地实现信号的传输、处理和散热等功能，满足室内网络覆盖的需求。

2. 技术优势带来的市场影响

• 华为的这些封装技术优势使其基站产品在全球市场上具有很强的竞争力。在5G基站的全球部署中，华为的基站能够提供更高效的信号覆盖、更低的功耗和更小的占地面积等优点。这使得华为在国际市场上获得了众多运营商的青睐，尽管面临一些外部压力，但仍然在全球5G基站建设中占据重要的份额。

二、中兴

1. 封装技术特点

• 中兴通讯也在基站封装技术上有自己的特色。中兴提出了“5G技术4G化”创新理念，推出业界首个基于Pre5G AAU的Massive MIMO技术，这其中必然涉及到基站模块的封装技术创新。中兴可能在射频模块的封装上注重信号的优化处理，采用了适合5G频段的封装材料和结构，确保射频信号的高质量传输。在散热方面，中兴也会采用相应的散热措施来保障基站设备的正常运行，可能采用了一些新型的散热材料或者散热结构，提高散热效率。

2. 技术优势带来的市场影响

• 中兴的这些封装技术优势使其在5G基站市场上具有一定的竞争力。中兴的基站产品能够满足运营商对5G网络建设的需求，在信号传输质量、设备稳定性等方面表现出色。这有助于中兴在国内和国际市场上获得一定的份额，与其他厂商共同推动5G基站的建设和发展。

三、其他厂家

1. 共性与差异

• 其他一些基站设备制造商也在不断发展自己的4G/5G模块封装技术。在共性方面，大家都面临着5G频段的信号传输、设备散热、高度集成等问题，所以都会朝着采用低介电损耗材料、高效散热材料和高度集成化封装技术的方向发展。然而，在具体的技术细节上可能存在差异。例如，一些厂家可能更侧重于在天线封装方面的创新，采用独特的天线封装结构来提高天线的性能；而另一些厂家可能在基带处理单元的封装上有自己的优势，通过优化BBU的封装提高信号处理能力。在散热方面，不同厂家可能会根据自己的成本和技术优势选择不同的散热材料和散热结构，如有的厂家可能更倾向于采用铜基散热材料，而有的厂家可能会研究和应用石墨烯等新型散热材料。

2. 市场竞争中的表现

• 在市场竞争中，这些厂家的封装技术差异会影响到他们的市场份额。具有更先进封装技术的厂家能够提供性能更优、成本更低、可靠性更高的基站产品，从而在市场上更具竞争力。例如，在一些新兴的5G市场中，能够提供高效散热、高集成度基站设备的厂家可能会更容易获得运营商的订单，因为这些设备能够更好地满足当地的网络建设需求，如在一些高温环境或者对基站设备空间有限制的地区。

4G/5G模块封装清洗剂选择：

水基清洗的工艺和设备配置选择对清洗精密器件尤其重要，一旦选定，就会作为一个长期的使用和运行方式。水基清洗剂必须满足清洗、漂洗、干燥的全工艺流程。

污染物有多种，可归纳为离子型和非离子型两大类。离子型污染物接触到环境中的湿气，通电后发生电化学迁移，形成树枝状结构体，造成低电阻通路，破坏了电路板功能。非离子型污染物可穿透PC B 的绝缘层，在PCB板表层下生长枝晶。除了离子型和非离子型污染物，还有粒状污染物，例如焊料球、焊料槽内的浮点、灰尘、尘埃等，这些污染物会导致焊点质量降低、焊接时焊点拉尖、产生气孔、短路等等多种不良现象。

这么多污染物，到底哪些才是最备受关注的呢？助焊剂或锡膏普遍应用于回流焊和波峰焊工艺中，它们主要由溶剂、润湿剂、树脂、缓蚀剂和活化剂等多种成分，焊后必然存在热改性生成物，这些物质在所有污染物中的占据主导，从产品失效情况来而言，焊后残余物是影响产品质量最主要的影响因素，离子型残留物易引起电迁移使绝缘电阻下降，松香树脂残留物易吸附灰尘或杂质引发接触电阻增大，严重者导致开路失效，因此焊后必须进行严格的清洗，才能保障电路板的质量。

研发的水基清洗剂配合合适的清洗工艺能为芯片封装前提供洁净的界面条件。

运用自身原创的产品技术，满足芯片封装工艺制程清洗的高难度技术要求，打破国外厂商在行业中的垄断地位，为芯片封装材料全面国产自主提供强有力的支持。

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