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客户案例

5G通讯线路板(PCB)技术、应用与市场

  印制电路板(Printed Circuit Board,简称“PCB”),又称为印制线路板、 印刷电路板、印刷线路板。通常把在绝缘基材上,按预定设计制成印制线路、印 制元件或两者组合而成的导电图形称为印制电路,而在绝缘基材上提供元器件之 间电气连接的导电图形,称为印制线路。

  PCB诞生于20世纪30年代,采用电子印刷术制作,以绝缘板为基材,有选择 性的加工孔和布设金属的电路图形,用来代替以往装置电子元器件的底盘,并实 现电子元器件之间的相互连接,起中续传输的作用,是电子元器件的支撑体,有 “电子产品之母”之称。该产业的发展水平可在一定程度上反映一个国家或地区 电子产业的整体发展速度与技术水准。随着PCB层数和密度的不断增加,PCB产品 与微型芯片的结合日益紧密,PCB生产和研发甚至会影响到国家的战略信息安全。PCB产品分类方式多样,行业中常用的分类方法主要有按照线路图层数、产 品结构和产品用途等几个方面进行划分,具体情况如下:

  印制电路板(PCB)处于电子产业链的中 游,是电子产业核心元器件之一,产业链包括:原材料-高频高速覆铜板-电子元 器件(PCB 等)-加工组装(SMT)-5G 成型终端产品。

  通信设备是承载通信系统架构的硬件设施和物理表现。通信系统可分为接入 网(即基站)、承载网(传输)和核心网(处理数据和连接因特网的部分),其 中 5G 系统中分别对应的主要通信设备是基站设备(天线系统-AAU 和基带单元 -DU+CU)、传输设备、核心网设备。

  在承载网产品方面,5G 商用需要提前建设承载网络。5G 产品对数据信号传 输速率从 25Gbps 提升至 56Gbps,对产品的阻抗、损耗等提出了更严格的要求。

  在核心网方面,重点对产品的高速及高密度提出了严格要求,核心网产品主要性能指标如下:

  通信设备板不仅对印制电路板的可靠性、电性能、热性能和产品品质要求严 格,而且要求产品使用寿命达到十年以上,因此对印制电路板供应商认证严苛, 进入门槛高,据中信建投的研究报告:高端板中,以华为为例,目前通过认证的 高端通信板参与者主要包括沪电股份、深南电路、珠海方正(方正科技集团股份 有限公司电路板业务子公司)和生益电子 4 家。

  网络设备板主要应用于骨干网传输、路由器、高端交换机、以太网交换 机和接入网等网络传输产品, 网络通讯和数据传输不断向高速大容量传输方向发展对印制电路板提出了 越来越高的要求。随着产品 传输速率及电路板表面贴装的芯片和元器件数量的提升,网络设备板对大尺寸单 板的工艺加工能力要求越来越高。网络设备板通常需要采用高速板材,并满足产品对密度、尺寸精度、对准度 等各方面的严苛要求,同时还要保证高速信号传输的电气性能。公司网络设备板产品主要指标如下:

  服务器是提供计算服务的设备。服务器通过接收网络上其他计算机 (客户机) 提交的服务请求,提供相应的计算服务。5G 时代的到来,将带来数据流量的爆 发式增长,促进人工智能、大数据等行业的发展,从而带动服务器需求的增长。

  随着服务器向高速度、高性能、大容量等方向的不断发展,其对印制电路板 的要求不断提升,高端服务器所用 PCB 一般要求具有高层数、高纵横比、高密度 和高传输速度,常规服务器一般层数在 8-24 层,板厚 2-4mm,厚径比最高达到 15:1;高端服务器层数为 28-46 层,板厚 4-5mm,厚径比最高达到 20:1。

  服务器 产品具有高电气性能和高可靠性,客户对产品进行能力分级,供应商通过考试认 证后才具备该等级项目打样及供货资格,因此通常只有少数供应商能通过高端考 试板认证。

  消费电子板主要应用于智能手机及其配套设备等与现代消费者生活、娱乐息 息相关的电子产品。除高阶 HDI 产品外,软板及软硬结合板技术也开始在行业推广, 以满足消费类客户的设计需求。消费电子板产品主要性能指标如下:

  工控即工业自动化控制,是指将信息技术和电力电子紧密结合以控制电机运 作,达到提高生产效率的目的。工控板具有技术水平高和可靠性高的特点,一般 要求使用年限为 10 年以上。工 控、医疗板产品主要性能指标如下:

  医疗设备对电路板产品的品质要求较高,需要特殊专业认证,通常要求达到 IPC3 级。

  在汽车电子领域,汽车安全、中控及高端娱乐系统、电动 能源管理系统、自动驾驶传感及毫米波雷达等产品上,为满足智能汽车的快速充 电需求,需要长期耐 2,000v 高压的高可靠性快速充电控制板;超高技术清洁度的发动机控制 板;毫米波雷达高频板。汽车电 子板产品主要性能指标如下:

  在高铁领域,产品主要应用于信号控制系统及机车安全系统。在航空航天领域,主要应用于飞机电源控制和航空安全设施,该类产品主要性能指标如下:

  从产业链的角度看,PCB 上游主要是覆铜板、铜箔行业,下游主要是通信设 备、网络设备、计算机/服务器、消费电子、工业控制、医疗、汽车电子、航空 航天等行业。作为电子产品生产制造的关键环节,PCB 行业的产品与技术需不断满足下游电子产品的需求与变化。

  5G 的三大应用场景包括:增强 移动宽带、大规模物联网和低时延高可靠通信。

  为了实现更高网络容量以应对上 述场景,5G 使用了大规模天线阵列(Massive MIMO)和超密集组网等技术。随着 5G 的普及,未来天线和射频模块的需求将加大,基站部署密度也将进一步增 大,5G 基站的建设将带动作为基础元器件的高频、高速 PCB 的发展。

  5G 通信具备低传输损耗、低传输延时、高可靠性等特性,需要低介电常数、 低损耗因数的印制电路板。在印制电路板生 产过程中对介电常数、损耗因数、耐热性、表面平整度、多层加工、混压加工、 镀铜均匀性等进行精密调控,生产的印制电路板具有低介电常 数、低介质损耗、高可靠性等优良特性,可以满足 5G 通信用印制电路板低传输 损耗、低传输延时、高耐热、高可靠性的要求。

  PCB外协加工主要包括钻孔、板面电镀等 工序外协或多制程加工。主要外协加工服务单位外协加工费的变动情况如下:

  下游行业通信设备、网络设备、计算机/服务器、消费电子、工控医 疗、汽车电子等的发展状况、行业景气度、市场需求情况具体如下:

  未来几年,我国的网络设备市场规模整体上呈增长趋势,增速高于全球市场, 其中交换机和无线产品是市场增长的主要驱动因素。到 2020 年,我国企业级交 换机的市场规模预计将达到 31.5 亿美元,较 2016 年增长 24.5%;无线产品的市 场规模将达到 8.8 亿美元,较 2016 年增长 44.3%。

  根据 Prismark 数据,2018 年全球 PCB 增长 6%,其中服务器/数据中心领域 同比增长 21.3%,预测 2018-2023 年全球 PCB 市场整体增速为 3.7%,其中无线基 站、数据中心/服务器增速分别为 6.0%、5.8%,数据中心/服务器 PCB 市场增速 要明显快于行业平均增速。

  随着 5G 的快速普及,5G 手机等电子产品的需求也将带动柔性电路板市场空 间的提升。根据 IDC 预测,2020 年 5G 手机的全球出货量将达到 1.9 亿部,占智 能手机总出货量的 14%。另据中国移动公布的数据及供应链调研,2020 年中国 5G 手机规模将达到 1.5 亿部。

  根据 Prismark 的统计,2017 年全球工业控制市场规模为 2,110 亿美元,预 计 2022 年达 2,560 亿美元,年均复合增长率为 3.94%。工业控制产品往往需要技术和工艺水平高的高可靠性 PCB,是细分领域的高端市场。

  随着工业控制产业 不断向智能化、信息化方向发展,PCB 产品将有广阔的市场空间。在全球人口自然增长、人口老龄化程度提高以及发展中国家经济增长的带动 下,长期来看,全球范围内医疗器械市场将持续增长。

  根据 Prismark 的预测,全球汽车电子将持续稳定发展,2017 年全球汽车产 量为 9,730 万辆,预计 2022 年全球汽车产量将达到 10,760 万辆,全球汽车产量 每年增长率约为 2.0%;2017 年每车电子含量为 2,180 美元,预计 2022 年每车电 子含量将达到 2,715 美元,每车电子含量每年增长约 4.5%;全球汽车电子销售 预计从 2017 年的 2,100 亿美元,增长至 2022 年的 2,890 亿美元,汽车电子销售 额 2017 年-2022 年全球年均复合增长率将达到 6.6%。

  PCB行业是全球电子元件细分产业中产值占比最大的产业。随着研发深入和 技术不断升级,PCB产品逐步向高密度、小孔径、大容量、轻薄化的方向发展。受贸易摩擦、终端需求下降和汇率贬值等影响,2019年全球PCB产值为613亿美元, 较2018年小幅下滑1.70%。据Prismark预测,未来五年全球PCB市场将保持温和增 长,物联网、汽车电子、工业4.0、云端服务器、存储设备等将成为驱动PCB需求 增长的新方向。

  市场分布 PCB产业在世界范围内广泛分布,市场分布按产地可以分为美洲、欧洲、中 国大陆、中国台湾、日本、韩国和亚洲其他地区,欧美发达国家起步最早。近二 十余年,亚洲尤其是中国在劳动力、资源、政策、产业聚集等方面具有优势,全 球电子制造业产能向中国、中国台湾和韩国等亚洲地区进行转移。随着全球产业 中心向亚洲转移,PCB行业呈现以亚洲,尤其是中国大陆为制造中心的新格局。

  自2006年开始,中国超越日本成为全球第一大PCB生产国,PCB的产量和产值均居 世界第一。近年来,全球经济处于深度调整期,欧、美、日等主要经济体对世界 经济增长的带动作用明显减弱,其PCB市场增长有限甚至出现萎缩;而中国与全 球经济的融合度日益提高,逐渐成为了全球PCB的主要市场。全球PCB产地迁移情 况及份额预测如下表:

  在当前全球经济复苏的大环境下,通讯电子行业、消费电子行业需求相对稳 定,同时汽车电子、医疗器械等下游市场的需求逐年上升。根据Prismark预测, 未来五年全球PCB行业产值将持续稳定增长,预计2019年至2024年复合增长率为 4.30%,2024年全球PCB行业产值将达到758.46亿美元。Prismark预计未来五年各 个国家和地区的产值增长情况如下:

  据Prismark预测,未来五年亚洲将继续主导全球PCB市场的发展,中国的核 心地位将更加稳固,中国大陆地区PCB行业将保持4.90%的复合增长率,至2024 年行业总产值将达到417.70亿美元。在PCB公司“大型化、集中化”趋势下,已 较早确立地位优势的大型PCB公司将在未来全球市场竞争中取得较大优势。

  另一方面,受益于5G技术的发展,将进一步推动PCB行业的发展。相较于4G, 5G将以全新的网络架构,提供至少十倍于4G的峰值速率、毫秒级的传输时延和千 亿级的连接能力,同时还支持移动虚拟现实等极致业务体验、连接数密度可达100 万个/平方公里,有效支持海量的物联网设备接入,流量密度可达10Mbps/平方米, 支持未来千倍以上移动业务流量增长,实现网络性能新的跃升,开启万物广泛互 联、人机深度交互的新时代。

  根据GSMA Intelligence预测,2018-2020年,全球移动运营商将投入4,800 亿美元移动通信资本支出,其中约一半将投入5G建设,预计到2025年,全球将有 一半的国家和地区投入使用5G,5G连接数将占全球移动网络连接约15%。5G建设 也将为全球带来巨大经济效益,根据GSMA Intelligence预测,5G技术将在未来 15年为全球经济贡献2.20万亿美元。

  根据Prismark的统计,2019年全球PCB细分产品的市场结构如下:

  从产品结构来看,当前PCB市场刚性板仍占主流地位,其中多层板占比 38.94%;其次是柔性板,占比达19.89%;HDI板和封装基板分别占比为14.69%和 13.27%。随着电子电路行业技术的迅速发展,元器件集成功能日益广泛,电子产 品对PCB的高密度化要求更为突出。未来五年,在数据处理中心驱动下,封装基 板、多层板将增长迅速。根据Prismark预测,2018年至2023年封装基板的年均复 合增长率约为4.90%,领跑PCB行业;预计多层板的复合增长率为4.30%。

  按应用市场比重来看,2019年通讯电子、计算机、消费类电子以及汽车电子 仍为PCB主要应用市场,应用占比分别为33.00%、28.60%、14.80%、以及11.20%。其它领域,如工业、医疗、军事、航空等应用占比相对较低。根据Prismark的统 计,2019年全球PCB下游应用领域分布如下:

  应近几年电子产品及技术越发趋于高端和先进的发展趋势,预计从2018年到 2023年,应用比重成长显著的领域包括服务器/数据存储、无线基础设备以及汽 车电子。同时,5G产业的逐渐普及将激发市场对高效能、高容量服务器及高端通 讯设备的需求。

  印制电路板的下游应用领域广泛,产品应用覆盖通讯设备、网络设备、计算 机/服务器、消费电子、汽车电子、工业控制、医疗、军工、航天航空等领域。长期来看,PCB市场受下游电子产品市场增长的驱动,并受各个应用领域技术进 步影响。

  通信设备主要用于有线或无线网络传输的通信基础设施,包括接入网(即基 站)、承载网(传输)和核心网(处理数据和连接因特网的部分)等。其中,通 信基站是无线网络传输的核心设施,其主要用于无线射频信号的发射、接收和处 理,主要包括基站控制器、收发信机、基站天线、射频器件以及基站电源、传输 线等;其中,射频器件由射频元器件和结构件等构成。

  根据Prismark的统计和预测,2018年全球通信设备市场规模为5,910亿美元, 预计2022年将达6,550亿美元,全球用于通信设备的PCB产值将由2017年的175亿 美元增长到2022年的211亿美元,年复合增长率达到3.80%。

  5G时代Massive MIMO的应用,为基站结构带来显著的变化,天线+RRU+BBU 变成AAU+BBU(CU/DU)的架构。AAU中,天线振子与微型收发单元阵列直接连接 在一块PCB板上,集成数字信号处理模块(DSP)、数模(DAC)/模数(ADC)转 换器,放大器(PA)、低噪音放大器(LNA)、滤波器等器件,担任RRU的功能。

  天线的集成度要求显著变高,AAU需要在更小的尺寸内集成更多的组件,需 要采用更多层的PCB技术,因此单个基站的PCB用量将会显著增加,其工艺和原材 料需要进行全面升级,技术壁垒全面提升。

  5G基站的发射功率较4G大幅扩大,要 求PCB用基材全面升级,需符合高频高速、散热功能好等特性,如介电常数、介 质耗损小而稳定,与铜箔的热膨胀系数尽量一致,吸水性低,其他耐热性、抗化 学性、冲击强度、剥离强度好。PCB的加工难度也会显著提升,高频高速的物流 和化学性质与普通PCB不尽相同,导致加工过程不同,同一块PCB上需要实现多种 功能,将不同材料进行混压。因此,PCB价值量也将进一步提升。

  根据工信部公布的数据,截至2020年3月底,全国已建成5G基站达19.80万个, 预计全年新建5G基站超过50万个,5G推进速度不断加快。

  网络设备是用于连接网络,维持网络数据传输功能的物理实体。网络设备是 互联网最底层的基础设施,属于信息化建设所需的基础架构产品。网络设备的种类繁多,且与日俱增。基本的网络设备包括但不限于:交换机、路由器、无线接 入点(WAP)、网关、集线器、网桥、网络接口卡(NIC)、调制解调器、光纤收 发器、光缆等。其中交换机和路由器是最主要的产品。

  未来几年,全球网络设备市场规模整体上呈增长趋势,其中交换机和无线产 品将成为市场增长的主要驱动因素。到2020年,以太网交换机的市场规模预计将 达到278.30亿美元,较2016年增长13.90%;无线年全球网络设备市场规模如下:

  近年来,云计算、大数据、社交网络、物联网等信息技术的应用给我国的网 络设备行业带来了新的发展机遇。尤其是2015年,国家产业政策层面鼓励与支持 “互联网+”、宽带中国2015、中国制造2025和工业4.0等,使得各产业将会出现 新一轮信息化建设浪潮。

  在上述背景下,未来几年,我国的网络设备市场规模整体上呈增长趋势,增 速高于全球市场,其中交换机和无线产品是市场增长的主要驱动因素。到2020 年,我国企业级交换机的市场规模预计将达到31.5亿美元,较2016年增长24.5%;无线年我国 网络设备市场规模如下:

  受益于云计算的分布式处理、分布式数据库、虚拟化技术等特性,云计算与 企业处理海量数据的需求相契合,云计算产业实现了快速发展。2017年我国IDC (互联网数据中心)全行业总收入达到650.4亿元,预计至2020年,中国IDC市场 规模将达到1,494.2亿元,2017-2020年复合年增长率为32%,远高于全球平均水 平。

  服务器是数据中心成本支出的最大部分,在IDC硬件成本占比中约为60-70%, 目前国内供应商浪潮信息、华为、联想均进入行业前五,2018年国内三大供应商 出货量均超过20%。2018全年全球X86服务器出货量为1,175.1万台,销售额为 810.9亿美元,均创历史新高,同比增速分别为15.4%和34.5%。2018年全年中国 X86服务器市场出货量为330.43万台,同比增长26.1%;市场规模为171亿美元, 同比增长54.9%。

  根据Prismark数据,2018年全球PCB增长6%,其中服务器/数据中心领域同比 增长21.3%,预测2018-2023年全球PCB市场整体增速为3.7%,其中无线基站、数 据中心/服务器增速分别为6.0%、5.8%,数据中心/服务器PCB市场增速要明显快 于行业平均增速。服务器上主要使用到4类PCB板:

  (1)背板,用于承载各类 LineCards(LC),板厚4mm以上,层数往往超过20层,纵横比超过14:1;

  (2) LC主板,一般在16层以上,板厚在2.4mm以上,外层线mm 及以下,对信号损耗有较高的要求;

  (4)存储卡,受面积限制,通常在10层以上,线mm及以下。高 端服务器PCB的特点主要是高层数、高纵横比、高密度和高传输速度,对于PCB 材料和制程有着较高的要求,因此云计算将推动超大规模数据中心的建设,大幅 拉动高端PCB的需求。

  据国际数据公司(IDC)发布数据显示,2019年全球智能手机出货量为13.71 亿部,同比下降2.3%。预计跌幅或收缩,未来几年随着5G手机市场爆发,2025 年全国智能手机出货量或将达到2016年水平。近五年全球智能手机出货量变化趋 势如下图:

  随着5G的快速普及,5G手机等电子产品的需求也将带动柔性电路板市场空间 的提升。根据IDC预测,2020年5G手机的全球出货量将达到1.9亿部,占智能手机 总出货量的14%。另据中国移动公布的数据及供应链调研,2020年中国5G手机规 模将达到1.5亿部。

  在互联网、娱乐、节能、安全四大趋势的驱动下,汽车电子化水平日益提高, 中高档轿车中汽车电子成本占比达到28%,新能源汽车中汽车电子成本占比高达 47%。消费者对于安全类车身电子产品(如刹车辅助系统EBA、急速防滑系统ASR、 电子稳定程序ESP、智能泊车等)和信息娱乐类产品(如汽车音响、车载视频、 倒车可视系统、车载导航)的认可度不断提高,这类产品已进入快速发展期,直 接带动汽车电子市场的整体发展。汽车发展趋势如下图所示:

  根据Prismark的预测,全球汽车电子将持续稳定发展,2017年全球汽车产量 为9,730万辆,预计2022年全球汽车产量将达到10,760万辆,全球汽车产量每年 增长率约为2.0%;2017年每车电子含量为2,180美元,预计2022年每车电子含量 将达到2,715美元,每车电子含量每年增长约4.5%;全球汽车电子销售预计从2017 年的2,100亿美元,增长至2022年的2,890亿美元,汽车电子销售额2017年-2022 年全球年均复合增长率将达到6.6%。

  根据Prismark的统计,2018年汽车电子领域 的PCB产值为54.60亿美元,预计至2022年期间仍将保持快速增长。

  随着新能源汽车市场的兴起,汽车电子PCB需求大幅上升。相对于传统汽车, 新能源汽车增加充电、储能和能量转换设备等,据统计,根据新能源汽车电子化 程度的不同,其PCB用量是传统汽车的2到4倍。

  在新能源汽车的带动下,汽车电 子PCB需求大幅上升,根据东兴证券研究报告显示,预计国内汽车PCB市场2018 年到2025年的复合增长率为12%。同时,未来汽车电子PCB的附加值更高,如在智 能驾驶中,毫米波雷达须使用具有高附加值的高频PCB。根据东兴证券研究报告, 国内毫米波雷达的应用快速增长,2018年同比增长约54%,将带动汽车电子PCB 需求快速增长。

  工业控制是指利用电子电气、机械和软件组合实现工业自动化控制,以使工 厂的生产和制造过程更加自动化和精确化,并具有可控性及可视性。工业自动化 可以大致分为三大类,包括离散控制(主要用于机械制造领域)、过程控制(主 要用于石化领域)、间隙控制(主要用于电火花加工)。工业控制系统结合运动 控制器、伺服驱动器、电机、编码器等软硬件,通过控制电机使之按照设定的运 动轨迹和参数运动,完成高速、高精度的生产过程,在机械制造领域运用广泛。根据Prismark的统计和预测,2015年-2022年全球工业控制市场规模如下:

  根据Prismark的统计,2017年全球工业控制市场规模为2,110亿美元,预计 2022年达2,560亿美元,年均复合增长率为3.94%。工业控制产品往往需要技术和 工艺水平高的高可靠性PCB,是细分领域的高端市场。随着工业控制产业不断向 智能化、信息化方向发展,PCB产品将有广阔的市场空间。

  随着现代医疗器械产品数字化和计算机化的程度越来越高,医疗电子在医疗 器械产品中得到了广泛使用,如家用医疗器械产品电子血压仪、电子体温表、血 糖仪等,以及医院常用的监护设备(心电图等)、影像类设备(超声、X光机、 CT、MRI等)和诊断设备(血液细胞分析仪、生化分析仪等)。在全球人口自然增长、人口老龄化程度提高以及发展中国家经济增长的带动 下,长期来看,全球范围内医疗器械市场将持续增长。根据EvaluateMedTech统 计,2017年全球医疗器械销售规模为4,050亿美元,预计2024年将达到5,950亿美 元,期间年均复合增长率将保持在5.65%。

  军工及航天航空不仅仅是新的经济增长点,更是关系到国家安全的战略性产 业,并已成为政府重点支持的战略性新兴产业。根据Prismark的统计和预测,2017 年全球军工及航天航空市场规模为1,460亿美元,预计2022年将达1,810亿美元, 年复合增长率达到4.3%。而2018年全球PCB下游应用领域中,军事航空约占4.20% 的份额,国家军事信息化程度的不断提高,刺激相应PCB需求的增长。

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