5G如何影响PCB的设计和制造

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5G无线技术的特点是速度快、接入范围广和延时短。与4G网络相比,5G可以提供10-20倍的传输速率、约100倍的数据容量以及小于1毫秒的延时。频谱延伸到了毫米波段(mmWave),而这种极高的频率是PCB制造行业面临的最严峻挑战之一。

因此,5G影响了包括PCB组装在内的设计和制造的许多方面。设计出能够发挥5G设备优势的PCB存在多个挑战。装配车间也需要新的工艺方法以及先进的测试和检验设施。

5G相关的PCB设计挑战

以下是工程师在为5G应用设计和制造PCB时面临的一些主要问题。

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(HDI)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,HDI PCB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制造商必须处理更加复杂的技术,如多输入多输出(MIMO)。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5G PCB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。

 

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图1:PCB设计需要采用新的先进制造方法来满足5G应用。资料来源:Technotronix

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。

5G PCB设计中先进技术

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(AOI):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(AI)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。

 

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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。资料来源:Technotronix

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5G PCB设计。以下是5G PCB实现的最佳实操方法简介。

5G PCB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择,对于5G PCB来说至关重要。如果厚度高于推荐值,层压板会产生共振并传播振动波形,从而造成干扰。

5G设计中使用的发射和接收组件非常敏感。准确安装这些组件对于这些组件的正常运行至关重要,需要遵循严格的迹线容差。

5G电路中使用的天线应与走线保持阻抗匹配。应保留推荐的禁布线区域以避免电磁干扰问题。

选择合适的传输线在高频PCB设计中很重要。在微带线、带状线和接地共面波导(GCPW)中,使用带状线可能是更好的选择,但它的制造难度大,可能会增加生产成本。此外,要用微通孔将带状线连接到具有最少信号反射的外层。它需要一定的专业知识并提前与合同制造商进行讨论,以避免在PCB制造过程中产生可能的问题。

5GPCB设计师的成长机遇

5G技术还在不断发展,功能每天都在增加。因此,PCB制造商必须了解原材料和设备升级方面的要求。此外,投资满足5G技术要求的PCB组装工艺研发,应该是一个巨大的发展机会。

消费行业正在迅速适应5G网络,因为它能提供具有强大性能的创新功能。随着对功能强大且灵活的5G设备需求的不断增长,PCB行业也将不断得到扩张。然而,PCB装配供应商必须为此提供适应5G技术快速发展的工具和工艺流程。

总之,了解5G的设计要求和发展趋势非常有助于在PCB制造行业中保持竞争优势。

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