5G技术对高速PCB的考量和挑战.docx

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1、5G时代已经到来，越来越多的移动无线通信系统正在进行升级和转换，以采用5G技术来更好地连接到物联网（IOT）。5G令人惊讶的速度将为所有使用、设计和制造系统组件和应用程序的行业打开新的市场机会。这对高速PCB行业意味着什么呢？首先，在设计和构建PCB叠层时，必须优先考虑材料方面的问题。5GPCB在承载和接收信号传输，提供电气连接以及提供针对特定功能的控制时，必须满足所有规范。此外，将需要解决PCB设计的挑战，例如以较高的速度保持信号完整性，散热管理以及如何防止数据和板之间的电磁干扰（EMI）。混合信号接收电路板设计现在，大多数系统都在处理4G和3GPCBo这意味着组件的发射和接收频率范围为60

2、0MHz到5.925GHz,带宽通道为20MHz,或物联网系统的200kHzo在为5G网络系统设计PCB时，根据应用，这些组件将需要28GHz,30GHZ甚至77GHz的毫米波频率。对于带宽信道，5G系统将在6GHz频率以下处理100MHz,并在6GHz频率以上处理400MHzo这些更高的速度和更高的频率将要求PCB内使用合适的材料来同时捕获与传输较低和较高的信号，而又不会出现信号损失和EMI。还有一个问题是设备将变得更轻，更便携，更小。由于具有严格的重量，尺寸和空间限制，PCB材料必须灵活且轻巧，才能容纳电路板上的所有微电子器件。对于PCB铜走线，必须遵循更细的走线和更严格的阻抗控制。可将用

3、于3G和4G高速PCB的传统减法蚀刻工艺切换为修改的半加法工艺。这些改进的半加法工艺将提供更精确的迹线和更直的墙。材料基材也正在重新设计。印刷电路板公司正在研究介电常数低至3的材料，因为低速PCB的标准材料通常为3.5至5.5。更紧密的玻璃纤维编织，较低的损耗因数损耗材料和低剖面的铜也将成为用于数字信号的高速PCB的选择，从而防止信号损耗并提高信号完整性。EMl屏蔽问题EMI,串扰和寄生电容是电路板的主要问题。为了应对由于板上的模拟和数字频率而产生的串扰和EML强烈建议分开走线。使用多层板将提供更好的通用性，以决定如何放置高速走线，从而使模拟和数字返回信号的路径相互远离，同时使交流和直流电路保

4、持分开。布置元件时增加屏蔽和滤波也应降低PCB上的自然EMl量。为了确保铜表面上没有缺陷以及严重的短路或断路，会使用具有更高功能的先进的自动光学检查系统（AlO）和2D计量检查导体的走线并进行测量他们。这些技术将帮助PCB制造商寻找可能出现的信号劣化风险。散热管理挑战较高的信号速度将导致通过PCB的电流产生更多的热量。用于介电材料和核心基板层的PCB材料将需要充分处理5G技术所需的高速。如果材料不足，则可能导致铜走线，剥落，收缩和翘曲，因为这些问题会导致PCB变质。为了应对这些更高的温度，制造商将需要专注于解决导热系数和热系数问题的材料选择。必须使用具有更高导热性，出色的热传递和一致的介电常数

5、的材料来制造出良好的PCB,以提供该应用所需的所有5G功能。5G给高频PCB带来了新的设计和制造挑战。要满足5G技术要求，需要采用严格的图案设计和复杂的材料。因此，该行业需要采用新的成像、检测和量测技术来制造5G基础设施和设备所需的PCB0蜂窝基站、数据服务器、高性能计算系统和人工智能等5G基础设施，增加了对精细线路IC载板和高层数（HLC）多层板（MLB）的需求。在设备方面，5G天线、摄像头模块和显示驱动程序增加了对柔性PCB,任意层高密度互连（HDl）以及具有先进HDl的更高密度PCB的需求。所有这些面向5G的PCB设计要求都推动或超越了传统PCB制造技术的极限。成像技术一些先进的制造技术

6、有望提供所需的成像和检测能力，制造更高质量和更复杂的PCB以满足5G技术要求。其中包括直接成像（DI）、自动光学检测（AoI）以及自动光学成形和修复。然而，5G基础设施和5G设备中使用的PCB的制造要求却并不相同。就5G基础设施而言，Dl技术可实现高频5G（如毫米波）所需的严格阻抗控制，以及大面板上的高精度和严格的上下层对位精度，从而满足对高层数MLB的要求。高容量防焊（SM）Dl技术可支持大尺寸（高达32英寸）和翘曲面板，同时满足5G对更高分辨率和精度的要求。自动光学检测理想情况下，自动光学检测（AOl）应提供几乎无需人工处理的检测和测量，并具备检测小至5m的IC载板精细线路的能力，这是5G

7、基础设施中HPC和数据服务器的典型特征。对于5G设备,DI可提供高质量成像,满足改良型半加成法工艺（mSAP）或类载板PCB（SLP）生产工艺对精细线路、精确的导体几何形状、高精度和高级缩放的要求，同时保持最高的有效产能和良率。随着5G电子产品对更小的外形尺寸、更轻的重量和更高级的功能的需求不断增长，柔性印刷电路（FPC）这一组件的重要性日益提升，给制造带来了新的挑战。卷对卷DI系统使FPC制造商能够使用基于卷的柔性材料，同时保持其完整性并最大限度地减少经常发生的损坏和变形。设备中使用的PCBAOI可与2D激光盲孔测量集成，以测量盲孔的尺寸，包括顶部和底部直径、圆度和taper以及位置。此外，

8、与自动2D线宽量测（图1）相集成的AOI是确保准确的顶部和底部测量，从而实现阻抗控制的关键，同时这对5G毫米波天线板等部件也至关重要。图1.2D量测技术检测和测量PCB的顶部和底部跟踪导一般而言，5GPCB检测需求必须解决诸如低对比度材料层、透明柔性印刷电路、激光盲孔检测、用于阻抗控制的快速准确的量测以及低拥有成本等挑战。一些检测工艺还可以对低对比度材料进行高对比度成像，从而实现完全检测而不产生误报。还有另一个值得考虑的创新工艺：自动光学成形和修复。借助此类光学修复技术，制造商可在生产线中识别先进HDl（mSAP）PCB和IC载板时，高速度、高质量地对开路和短路进行成形。这项技术大大减少了板材

9、和面板的报废，通过省去人工修复环节以节省时间和人力，提高整体质量和生产良率。借助先进的自动光学修复技术，制造商可在5GPCB的大规模生产中提升良率和质量，从而提升竞争优势。设计和制造挑战5G对PCB和IC载板设计和工艺的影响可以实现更精确的大规模生产。例如：28GHz宽带基站随着世界向5G转变，城市地区每隔100米设置一个迷你5G基站，安装于建筑物、墙壁、屋顶、交通灯等设施之上，与大型天线塔相距数公里的4GLTE形成了鲜明对比。这些28GHz宽带基站需要采用新材料制成的PCB,例如具有低介电常数（Dk、对比度）的快速层压板，以提升波速并最多降低30%的传输损耗.5G亳米波要求低至5%的阻抗控制

10、，要求高度精确的PCB线路尺寸，并需要在所有面板上进行PCB内线路量测。在这种情况下，生产线应包括用于线路图案和防焊的先进Dl,以及用于复杂、高层数板的集成2D量测的AOL5G服务器设计要实现5G通信，需要将本地和中央服务器相结合。这包括超大规模数据服务器，它们将以尽可能低的延迟创建、处理、存储和传输海量数据。附带的边缘计算功能在网络边缘（设备级）对传感器或用户创建的实时数据进行处理，而不是在云中。运行这些服务器和流程需要高层数PCB,通常为12到22层，高性能数据服务器则多达30层。传输线路需要严格的阻抗控制才能处理5G的高频。为支持高处理计算（HPC）单元，IC载板需要采用新设计且面稹高达

11、IlOmmxllOmm,以支持更大芯片和低至5/5m的更精细线路/间距。为了实现卓越的缺陷检测，5G服务器要求在制造工艺中，DI和AOl都具有高景深（DOF）（图2）o集成2D量测检测的AOI对于严格的阻抗控制也至关重要。5G服务器板还需要DI,以实现上下层对位高精度和严格的阻抗控制，以及用于大板的防焊DLAOI将确保满足对全自动化和高产能MLB的要求，最后，自动化光学成形和修复系统有利于对PCB上的短路和开路进行低损伤成形。图2.高景深(DoF)可确保在不同表面形貌上实现卓越的线路质量和均匀性。5G智能手机最新和下一代5G智能手机依赖于mSAP/SLP,使用极薄的连接装置将信号和动力有效地传

12、输至连接的组件，同时降低功耗。柔性和刚柔结合PCB是实现更小、更轻和更多功能设备的另一项要求。越来越复杂的多输入多输出(MlMo)天线配置于使用封装天线(AiP)的5G智能手机，帮助实现强大功能。mSAP/SLP和柔性PCB都需要在AOI系统中进行激光孔检测，确保达到要求的质量和连接装置的准确定位。先进的DI系统可确保mSAP/SLP板的精确精细线路图案化、柔性和刚柔结合板的高景深(DOF),并提供高产能以提升产量。最后，自动光学成形和修复可以对检测过程中发现的各种缺陷进行成形，从而大大减少报废板的数量。借助先进的制造技术，设计师能够根据需要打造5G基础设施和设备，支持新的通信协议和需求。如果

13、采用合适的制造系统，如激光直接成像、自动光学检测和自动光学成形和修复，设计师将无需再担忧低延迟、高频率和复杂易碎的材料等问题。这些技术不仅可以用于设计和制造5G组件，还可以提高大规模生产环境中的良率，这对5G的部署和使用至关重要。随着设计复杂性的提高，5G设备可能会使用走线更细、连接焊盘密度更高的高密度互连(HDl)PCB。而这些更细的走线在传输高速信号时经常会导致信号完整性问题。由于走线尺寸、宽度和横截面等各种因素，HDIPCB上会出现阻抗不规则现象。如果使用传统的负蚀刻工艺形成走线横截面，那么很容易发生因阻抗异常而导致信号损失的问题。为了集成多个天线阵列单元(AAU),PCB制造商必须处理

14、更加复杂的技术，如多输入多输出(MlM0)。此外，5G设计将需要更多的基站和天线阵列才能在非常高的工作频率下有效运行。因此，电磁干扰、串扰和寄生电容成为5G射频PCB设计的关键问题也就不足为奇了。热管理也是5GPCB设计中的一个关键工作。由于高速信号会产生大量热量，因此所选的基板和介电常数应足够处理散热问题。否则，铜线剥落、分层和电路板翘曲等问题会降低PCB性能。图1：PCB设计需要采用新的先进制造方法来满足5G应用。上述这些与5G相关的挑战，极大地影响PCB组装过程，并突破了传统PCB制造方法的极限。5GPCB设计中的先进技术用于5G应用的PCB设计领域不断有新技术出现;以下是PCB设计人员

15、为满足新兴的5G技术需求而采用的两种技术。改进的半加成工艺(MSAP)：为了实现高的电路密度和最小的信号衰减，PCB制造商会使用MSAP工艺，而不是通常的负蚀刻方法。这种工艺会在没有光刻胶的层压板上涂上一层薄的铜层。存在于导体之间的铜被进一步蚀刻掉。这里的光刻技术用于确保高精度的蚀刻，从而实现最小的信号损失。自动光学检测(Ac)1)：针对5G设计，制造商会在PCB制造过程中使用先进的AOI系统，并通过测量通孔或贴片装配中的顶层和底层信号线导通情况来识别潜在故障，从而提高AOI故障检测的精度，减少误报并缩短生产线延时。使用人工智能(Al)的新方法则专注于那些可以使用自动光学整形(AOS)系统修复

16、的实际错误。整合后的AOI系统可以提供分析生产线效率所需的数据。图2：高频5G网络对PCB设计提出了更高的电路密度和更低的信号衰减要求。5G应用中的信号频率很高，因此其混合信号PCB设计相当复杂。除了使用上面讨论的新技术进行制造和测试外，还有一些最佳实操方法可用于高效的5GPCB设计。以下是5GPCB实现的最佳实操方法简介。5GPCB设计指南选择介电常数(Dk)尽可能低的基板材料，因为Dk损耗会随着频率的升高而成比例地增加。大多数阻焊层的吸湿性都很高，如果大量使用可能会吸收水分。因此，建议少使用阻焊层，以避免因潮湿引起的任何故障。走线的趋肤效应会随频率增加而增加，它会阻碍电流流动。因此，强烈建议在支持5G的PCB中正确设计具有均匀铜表面的走线。即使是铜平面也应该确保在整个PCB叠层中平滑且对称，以避免任何阻性损耗。正确的层压板厚度选