5G無線技術影響PCB設計與製造

作者 : KEN G,Technotronix 銷售工程師

5G影響及已遍及設計和製造的各個層面。為了建構一個能夠實現5G裝置優勢的PCB,將會面臨諸多挑戰。為此,業界需要新的製程處理方法,以及先進測試和檢測設施,以因應與此相關的諸多挑戰...

5G無線技術的特點是速度極快,連接範圍更大以及低延遲。相較於4G網路,5G無線網路可提供10-20倍的傳輸速率、更高約100倍的資料容量,以及小於1毫秒的延遲。然而,隨著頻譜擴展到毫米波(mmWave)頻段,這一極高頻段也成為印刷電路板(PCB)製造業最艱難的挑戰之一。

因此,5G影響及已遍及設計和製造的各個層面,包括PCB組裝。為了建構一個能夠實現5G裝置優勢的PCB,將會面臨諸多挑戰。為此,業界需要新的製程處理方法,以及先進測試和檢測設施,才能因應與此相關的諸多挑戰。

5G有關的PCB設計挑戰

以下是工程師在為5G應用設計和製造PCB時面臨的一些主要問題。

  • 隨著設計的複雜度增加,5G裝置將可能使用高密度互連(HDI)的PCB,其導線更細,連接焊盤密度更高。但更細薄的導線將導致高速運轉時的訊號完整性發生問題。
  • 由於各種因素,如跡線的尺寸、寬度和橫截面,HDI PCB會出現阻抗不均勻性。但若使用傳統的減法蝕刻製程來建立跡線截面,阻抗異常就可能導致訊號損耗。
  • 因此,PCB製造商必須採用多輸入多輸出(MIMO)等複雜技術,以整合多個天線陣列單元(AAU)。此外,5G設計將會需要更多的基地台和天線陣列,才能在極高的運作頻率下有效運作。因此,不意外地,在為5G無線設計PCB時,電磁干擾(EMI)、串擾和寄生電容將成為關鍵問題。
  • 熱管理也是5G PCB設計中的關鍵問題。由於高速訊號產生巨大的熱量,所選基材和介電常數應充份考慮到散熱問題。否則,諸如銅軌剝落、分層和電路板翹曲等問題將大幅降低PCB的效能。

1PCB設計需要複雜的新方法,才能滿足5G應用需求。(資料來源:Technotronix

這些與5G相關的挑戰顯著影響著PCB的組裝過程,並突破了傳統PCB製造方法的極限。

在基於5GPCB設計中實施新技術

目前在針對5G應用的PCB設計中持續導入一些新技術;以下是PCB設計人員為迎合新興的5G技術需求而採用的兩種主要技術。

改良半加成法(Modified semi-additive processMSAP):為了實現高電路密度和最小的訊號衰減,PCB製造商正使用MSAP製程,而非一般的減法蝕刻法。此製程會在無光阻劑的層壓板上塗上一層薄銅層,而存在於導體之間的銅金屬則會被進一步蝕刻掉。微影技術在此用以確保高精度的蝕刻,從而最小化訊號損耗。

自動光學檢測(AOI):針對5G設計,在PCB製造過程中採用先進的AOI系統,透過測量通孔或表面組裝(SMT)中頂端和底端的訊號線導體,以便辨識潛在故障。AOI故障檢測的準確性已大幅提高,從而減少了誤報以及生產線的延誤。使用人工智慧(AI)等新方法更著重於使用AOS系統所能修復的實際錯誤。綜合的AOS系統有助於提供所需的資料,以便進一步分析產線的效率。

2:高頻的5G網路要求在PCB設計中提高電路密度和降低訊號衰減。(圖片來源:Technotronix

5G應用的基礎在於高頻訊號,因此混合訊號的PCB設計相當複雜。除了使用上述的新技術來進行製造和測試之外,還有一些最佳實踐,能夠實現高效率的5G PCB設計。接著將進一步探索在5G設計的PCB中所實施的最佳實踐。

建構5G就緒的PCB指導方針

  • 選擇具有最低介電常數(Dk)的基底材料,因為Dk損耗會隨著頻率提高而成比例地增加。
  • 大多數焊料的吸濕值相當高。如果大量使用,將有可能吸收水分。因此,建議使用少量的阻焊劑,以免濕氣造成任何故障。
  • 跡線的集膚效應(skin effect)在較高頻率下會增加,從而可能限制電流的流動。因此,在建構5G就緒(5G-ready)的PCB時,強烈建議適當設計具有均勻銅表面的跡線。在整個PCB的堆疊過程中,均勻的銅面應該是光滑且勻稱的,方可避免任何電阻損耗。
  • 在為5G設計建構PCB時,選擇正確的層壓板厚度至關重要。如果厚度高於建議值,層壓板會產生共振並傳遞干擾波,造成干擾。
  • 5G設計中所使用的發射器和接收器元件都是高度靈敏的。準確地安裝這些元件對於其正常運轉來說至關重要。因此,嚴格遵循相容的佔位空間至關重要。
  • 5G電路中使用的天線應該搭配跡線阻抗。建議保持隔離距離,以免發生EMI問題。
  • 在高頻的PCB設計中,選擇適當的傳輸線至關重要。在微帶、帶狀線和接地共面波導(GCPW)中,使用帶狀線可能會是更佳選擇。但其製造相當困難,而且還可能增加生產成本。另外,還需要使用微孔來連接帶狀線和外層,以便讓訊號反射最小化。這不僅需要專業知識,更需要提前與合約製造商討論,以免在PCB製造過程中可能出現的問題。

5G:為PCB設計人員帶來成長機會

5G技術正不斷發展中,每天都有新的功能加入。因此,PCB製造商必須瞭解在原材料和設備升級方面的各項要求。此外,投資研發符合5G技術要求的PCB組裝製程,將會是一個巨大的成長機會。

消費產業正迅速適應5G網路,因為5G網路提供了具有強大性能的創新功能。隨著對於強大且靈活的5G裝置需求成長,PCB產業將持續擴大。然而,為此,PCB組裝供應商必須提供支持快速發展的5G技術工具和流程。

歸根結底,為了在PCB製造業保持優勢,必須了解5G的設計要求和成長趨勢。

(參考原文:How 5G wireless is impacting the PCB design and manufacturing,by KEN G)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年10月號雜誌

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