5G和毫米波的差异以及为PCB带来的变化.docx

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1、在华为研发出高速、大容量的下一代通信标准“5G”以来，随着兼容5G的智能手机发售，它开始真正走进我们的生活，。这一次，我要介绍的，是5G高频和毫米波之间的差异,和5G行业中PCB的变化方式以及用于各种用途的PCB的类型。什么是下一代通信标准“5G”？5G有三个主要变化：1、多个同时连接；2、超高速和大容量；3、低延迟。与4G相比，通信速度是20倍，延迟是1/10,同时连接数是10倍。（4G的通信速度是3G的15倍，那时候我觉得4G非常快）5G对于之前的标准来说太快了，关键是大容量通信和多个连接可以亳无延迟地完成。这将使远程医疗成为可能，提供高清VR游戏和电影，并结合大量传感器信息和图像处理功能

2、，以实现自动驾驶和智慧城市。高频以及5G和毫米波之间的差异用于5G通信的频段和称为毫米波的频段都是高频。5G中使用的频段分为Sub6和毫米波。Sub6是小于6GHz的频带，可以通过应用与4G（LTE,Wi-Fi）相同的通信技术来实现。但是，在Sub6频带中，超高速，大容量通信没有明显改善。口超高速和大容量的特性归因于毫米波波段的特性。通常，亳米波是频率超过30GHZ的频率，但是由于28GHZ的5G通信频带接近亳米波，因此无区别地称为亳米波。高频基板的更换材料为了满足毫米波范围，必须减小绝缘材料的介电损耗。介电损耗是指将交流电场施加到电介质时，能量作为热量的损耗，从而导致信号劣化。特别是在亳米波

3、区域，由于介电损耗引起的信号劣化的影响很大，因此选择印刷电路板的绝缘材料非常重要。氟碳树脂是具有低传输损耗的代表性树脂，特氟隆和聚四氟乙烯是著名的。它具有优异的耐热性，耐湿性和耐化学性，但是太硬并且制造印刷电路板时的可加工性差。LCP（液晶聚合物）是具有低传输损耗的另一种材料，但是其缺点是其具有高热塑性，并且由于在板制造期间的高温处理而产生缺陷。当前，每个公司都在开发毫米波区域传输损耗低的树脂材料。例如，松下的MEGTRON6用作CCL（覆铜箔层压板）的基材，并且在基材制造过程中比特氟龙具有更好的可加工性。即使是支持高频的产品，也不必使用上述引入的具有低传输损耗的材料来制造整个印刷电路板的绝缘

4、层。存在一种方法，其中仅将高频电路层或仅将发射无线电波的RF模块部分用作传输损耗的基板。5G通信使用的板是什么？印刷电路板用于基站中以发送和接收5G无线电波，5G智能手机，用于实现智能城市的各种监视传感器以及用于自动驾驶的雷达。大多数基站板是具有多层绝缘层和图案层的高通量通孔板。用于5G通信的RF模块安装在5G智能手机和监视传感器中，并且该板通常具有超高密度任何层板的规格。大多数用于自动驾驶的雷达具有相对较大的组合板规格。对于高频应用，截至2020年，研究阶段涉及很多部分，并且在某些领域还没有明确的方向。但是，随着5G通信在世界各国的实际应用中，我们预计许多产品将以更快的速度商业化。到基站基础

5、设施就绪时，我认为所有设备都已配备5G通信模块，这将为我们提供更便捷的生活。5G亳米波给PCB制造带来哪些挑战5G可以比4G快100倍，数据容量高100倍，延迟不到一毫秒。这对PCB意味着什么？5G为高频PCB带来了新的设计和制造挑战，带来了紧密的图案设计和复杂的材料。因此，该行业需要新的成像、检测和计量技术来制造5G基础设施和设备所需的PCB。5G基础设施，包括蜂窝基站、数据服务器、高性能计算系统和人工智能，增加了对细线IC基板和高层数(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器增加了对柔性PCB、任何层高密度互连(HDI)以及具有高级HDI的更高密度PCB

6、的需求。所有这些对5G的PCB设计要求都推动或超越了传统PCB制造技术的极限。成像技术几种先进的制造技术已准备好提供所需的成像和检测能力，以确保5G的PCB质量更高、更复杂。其中包括激光直接成像(LDI)、自动光学检测(AOl)以及自动光学整形和修复。然而，制造用于5G基础设施和5G设备的PCB的要求是不同的。在5G基础设施方面，LDI技术可实现毫米波等高频5G所需的严格阻抗控制，以及大面板的高精度和严格的前后精度，以满足高层数MLB的需求。高容量阻焊层(SM)Dl技术可以支持大型(高达32英寸)和翘曲面板，同时满足5G对更高分辨率和准确性的需求。自动光学检测理想情况下，自动光学检测(AOl)

7、应以最少的操作提供检测和测量，同时提供检测小至5m的IC基板细线的能力，这是5G基础设施中HPC和数据服务器的典型特征。对于5G设备，LDl可以提供具有改进的半加成工艺(mSAP)或类基板PCB(SLP)生产工艺所需的精细线条、精确导体几何形状、高精度和高级缩放的高质量成像，同时保持最高的有效吞吐量和产量。随着5G电子产品对更小外形、更轻重量和更高功能的需求不断增长，柔性印刷电路(FPC)成为越来越重要的组件，给制造带来了新的挑战。卷对卷LDl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。用于设备中的PCB的AOI可以与2D激光通孔集成，测量

8、通孔的所有尺寸,包括顶部和底部直径、圆度和锥度以及位置。此外，具有自动2D计量的AOI(图1.)是确保准确进行阻抗控制的顶部和底部测量的关键，这对于5G毫米波天线板很重要。Rcflcctrw LIght:UV IUuminatiofi一般而言，5GPCB检测需求必须解决诸如材料的低对比度层、透明柔性印刷电路、激光通孔检测、用于阻抗控制的快速准确计量以及低拥有成本等挑战。一些检测过程还可以创建低对比度材料的高对比度成像，以实现完全检测而不会出现误报。应该考虑另一个创新过程：自动光学整形和修复。这种类型的光学修复允许制造商在生产线中识别出高级HDI(InSAP)PCB和IC基板中的开路和短路形状，

9、以高速和高质量。该技术大大减少了废板和面板，通过消除人工维修节省了时间和劳动力，并提高了它们的整体质量和产量。先进的自动光学修复可为制造商提供更高产量和质量的5GPCB批量生产竞争优势。设计和制造挑战5G对PCB和IC基板设计和工艺的影响可以实现更精确的量产。例如：2628GHz基站。随转向5G,5G小基站每IOom位于城市地区，安装在建筑物、墙壁、屋顶、交通灯等上，与具有大型天线塔的4GLTE形成对比相距数公里。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，以实现更快的波速和高达30%的传输损耗降低。毫米波5G需要低至土5%的阻抗控制，需要

10、高度准确的PCB线路尺寸，并且需要在所有面板上进行PCB内线路计量。在这种情况下，生产线应包括用于图案化和阻焊层的高级LDI、与2D计量集成的AOL用于复杂的高层数电路板。5G服务器设计要实现5G通信，需要结合使用本地服务器和集中式服务器。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、存储和传输大量数据。伴随的边缘计算功能是基于传感器或用户在网络边缘(设备级别)创建的实时数据，而不是在云中。运行这些服务器和流程需要具有较高层数的PCB,通常为12到22层，对于高性能数据服务器则多达30层。传输线需要严格的阻抗控制来处理5G的高频。为实现高处理计算(HPC)单元，需要对IC基板进行

11、新设计，以支持高达110毫米Xl10毫米的更大芯片和低至5/5微米的更细线/间距。为实现卓越的缺陷检测，5G服务器需要针对DI和AOI的高焦深(DOF)制造工艺（图2）。具有集成2D计量检测的Aol对于严格的阻抗控制也至关重要。5G服务器的电路板还需要DI以实现具有严格阻抗控制的高前后精度，以及用于大型面板的阻焊层的DIoAOI将确保满足全自动和高吞吐量MLB的要求，最后，自动光学整形和修复系统有利于对PCB上的短路和开路进行低穿透整形。5G智能手机最新一代和下一代5G智能手机依靠mSAP/SLP使用非常薄的互连器高效地将信号和电力传输到连接组件，同时降低功耗。柔性和刚性柔性PCB是促进更小、

12、更轻和更多功能设备的另一个要求。使用封装天线（AiP）实现高功率功能的5G智能手机中使用了越来越复杂的多输入多输出（MlMO）天线配置。mSAP/SLP和柔性PCB都需要在AOI系统中进行激光通孔检查，以确保互连器所需的质量和准确定位。先进的DI系统可确保mSAP/SLP板的精确细线图案化和柔性板和刚柔板的高焦深（DOF）,并为增加的产量提供高吞吐量。最后，自动光学整形和修复可以通过整形检查过程中发现的各种缺陷来大大减少报废电路板的数量。先进的制造技术让设计人员可以根据需要创建5G基础设施和设备，以支持新的通信协议和需求。如果采用正确的制造系统，如激光直接成像、自动光学检测和自动光学成型和修复

13、，低延迟、高频率和复杂易碎的材料将不再是设计师的担忧。这些技术不仅可以设计和制造5G组件，还可以提高大规模生产环境中的良率，这对5G的部署和应用至关重要。PCB是每个电子设备的心脏，其重要性不仅在于它允许各个组件之间的电气连接，还在于它承载数字和模拟信号、高频数据传输信号和电源线。随着5G技术的引入，PCB需要满足哪些新的需求和要求？与4G相比，即将大规模部署的5G网络将迫使设计人员重新思考移动、物联网和电信设备的PCB设计。5G网络将具有高速、宽带宽和低延迟的特点，所有这些都需要仔细的PCB设计以支持新的高频特性。5G挑战与4G网络相比，第五代移动技术将提供10-20倍的传输速率（高达IGb

14、Ps）、高达I（M）O倍的流量密度和10倍的每平方公里连接数。5G网络还旨在提供1毫秒的延迟，比4G网络提供的延迟快10倍，并在更宽的频率范围内运行。PCB必须同时支持远高于当前的数据速率和频率，从而将混合信号设计推向极限。虽然4G网络的运行频率均低于6GHz阈值（从600MHz到5.925GHz）,但5G网络会将频率上限提高到更高，直至毫米波区域（mmWave）,频带以26GHZ频率为中心、30GHZ和77GHzoEHF（极高频）频段的使用代表了5G技术给PCB设计人员带来的最困难的挑战之一。毫米波仅通过视线传播，并且当它们遇到建筑物、树叶或恶劣的天气条件（如雨或潮湿）时，会沿途发生强烈衰减

15、。因此，将需要更多的基站来支持5G网络。为了支持如此大量的频率，将需要多个相控阵天线来支持先进的5G功能，例如波束成形。因此，无论是在移动设备上还是在基站上，我们都将拥有一个PCB,该PCB集成了大量天线阵列单元（AAU）,并广泛使用了大规模MlMo技术。在图1中，我们可以看到几年前由一家领先的SOC和电信调制解调器设计公司开发的5G设备原型。三个有源天线，尺寸极其紧凑，能够管理5G标准所需的频率，在PCB的顶部和右侧清晰可见。图1：5G移动设备原型除了频率之外，另一个重要的挑战是每个通道的带宽。虽然在4G网络中，信道带宽设置为2（）MHZ（物联网设备限制为200kHz）,但在5G网络中，其值

16、已设置为6GHz以下频率的100MHz和6GHz以上频率的400MHzo虽然市场上已经有能够支持这些规格的调制解调器和射频组件,但选择最合适的材料将是PCB设计的基础。由于射频前端将直接集成在PCB上，因此需要具有极低介电传输损耗和极高导热性的材料。对于6GHz以上的频率，用于制造PCB的材料必须适应亳米波频段的特殊基板。5GPCB设计提示5G应用PCB的设计完全专注于混合高速和高频信号的管理。InadditiontothestandardrulesrelatingtothedesignofpcBswithhighfrequencysignals,itisnecessarytoselectth

17、ematerialappropriatelyinordertopreventpowerlossesandguaranteetheintegrityofthesignal.此外，必须防止M路板中管理模拟信号的部分和处理数字信号的部分之间可能出现的EMI,从而满足FCC、EMC要求。指导材料选择的两个参数是热导率和介电常数的热系数，它描述了介电常数的变化（通常以PPm/。C为单位）。导热系数高的基板显然更可取，因为它能够很容易地散发组件产生的热量。介电常数的热系数是一个同样重要的参数，因为介电常数的变化会引起色散，进而会展宽数字脉冲，改变信号传播速度，在某些情况下还会沿传输线产生信号反射。PCB几

18、何形状也起着重要作用，其中几何形状意味着层压板厚度和传输线特性。关于第一点，有必要选择通常在最高工作频率波长的1/4到1/8之间的层压厚度。如果层压板太薄，就有可能发生共振，甚至有可能通过导体传播波。关于传输线，有必要决定要使用哪种类型的导体：微带线、带状线或接地共面波导（GCPW）。微带线可能是最熟悉的，但它们在30GHZ以上的辐射损耗和杂散模式传播方面存在问题。带状线也是一种有效的解决方案，但它们难以制造，因此更昂贵。此外，必须使用微孔将带状线连接到最外层。GCPW是一个很好的选择，但它们提供比微带线和带状线更高的传导损耗。选择基板材料后，设计人员应遵循适用于高频PCB设计的通用规则：使用

19、尽可能短的走线，并检查走线之间的宽度和距离，以保持所有互连的阻抗恒定。以下是一些对5G应用设计PCB有用的建议或提示：选择介电常数（Dk）低的材料：由于Dk损耗随频率成正比增加，因此必须选择介电常数尽可能低的材料；使用少量阻焊层：大多数阻焊层具有很高的吸湿能力。如果发生这种情况，电路中可能会出现高损耗；使用完美光滑的铜线和平面图：电流趋肤深度实际上与频率成反比，因此，在具有高频信号的印刷电路板上，它非常浅。不规则的铜表面将为电流提供不规则的路径，增加电阻损耗；信号完整性：高频是集成电路设计者面临的最困难的挑战之一。为了最大限度地提高I/O,高密度互连（HDD需要更薄的轨道，这一因素会导致信号衰

20、减，从而导致进一步的损失。这些损耗会对射频信号的传输产生不利影响，可能会延迟几毫秒，进而导致信号传输链出现问题。在高频域中，信号完整性几乎完全基于检查阻抗。传统的PCB制造工艺，例如减材工艺，其缺点是会产生具有梯形横截面的轨道（与垂直于轨道的垂直角度相比，角度通常在25到45度之间）。这些横截面改变了轨道本身的阻抗，严重限制了5G应用。然而，这个问题可以通过使用mSAP（半加成制造工艺）技术来解决，该技术允许创建更精确的迹线，允许通过光刻定义迹线几何形状。在图2中，我们可以看到两种制造工艺的比较。PCB TracePCB Trace图2：传统减法与mSAP过程自动检测：用于高频应用的PCB需要进行自动检测程序，包括光学（AOD或通过ATE执行。这些程序允许极大地提高产品的质量，突出电路的可能错误或低效率。最近在PCB自动检查和测试领域取得的进展大大节省了时间，并降低了与手动验证和测试相关的成本。使用新的自动检测技术将有助于克服5G带来的挑战，包括高频系统中的全局阻抗控制。越来越多地采用自动化检测方法还可以实现一致的性能和高生产率。