電子通訊產(chǎn)品發(fā)展經(jīng)歷了 1G、2G、3G、4G等幾個(gè)階段,目前正邁向第 5 代通訊產(chǎn)品階 段,作為第5代電子通訊,與 4G 相比,5G 在峰值速率、頻譜效率、時(shí)延等方面都發(fā)生了重 大變化,這給 PCB 和覆銅板材料提出了新的要求,本文章將從 5G 通訊終端產(chǎn)品角度出發(fā), 提出對 PCB 技術(shù)、覆銅板技術(shù)以及上下游銅箔、玻璃布、樹脂等技術(shù)需求,為PCB行業(yè)相關(guān)領(lǐng)域提供參考。
一、5G關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)分析
5G產(chǎn)品將給大家?guī)頍o限美好的移動(dòng)互聯(lián)憧憬和體驗(yàn),從技術(shù)上來講,需要面對很多 挑戰(zhàn),通過解決這些問題,必將帶來很多技術(shù)上的突破和提升。
在5G時(shí)代,會(huì)有大量MIMO天線應(yīng)用,在Massive MIMO天線中,由于天線通道數(shù)量 的增加,每個(gè)天線通道在功率放大器中所對應(yīng)的通道數(shù)也會(huì)相應(yīng)增加,而這一變化會(huì)導(dǎo)致功率放大器的整體功率增加,從而需要功率放大器具備更高的功率效率,而作為提升功率效率的辦法之一,如何降低承載功率放大器的PCB板材的損耗、提升PCB板材的導(dǎo)熱率變得尤為重要。
另外,MassiveMIMO天線中輻射單元數(shù)量增加,要求PCB板材的硬度更高,以提供更好的支撐效果,并且電路的復(fù)雜度增加,較傳統(tǒng)雙面PCB天線而言,多層板天線應(yīng)用會(huì)越來越多。
二、5G通訊產(chǎn)品對PCB技術(shù)要求和技術(shù)難點(diǎn)
2-1 5G 通訊對 PCB 技術(shù)要求隨著通訊產(chǎn)品體積小型化、容量反而增加的趨勢下,嚴(yán)重?cái)D壓了產(chǎn)品前端的設(shè)計(jì)空間, 為了緩解這種設(shè)計(jì)壓力,通訊芯片廠商只有選擇研發(fā)更高速率的IC產(chǎn)品,以滿足大容量、小體積的產(chǎn)品需求。然而速率增加后對于信號完整性工程師的壓力并未緩解反而加重,高速率產(chǎn)品可以使用更少的走線來實(shí)現(xiàn),但速率的增加直接導(dǎo)致信號質(zhì)量的嚴(yán)要求,且裕量越來越少。在10Gbps信號下,信號的UI可以達(dá)到100ps的位寬,但在25Gbps信號下,信號的位寬只有40ps,這就意味著在通道的每一個(gè)環(huán)節(jié)都要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)來爭取每一個(gè)ps的裕量。
上圖是一條典型的高速系統(tǒng)全鏈路示意圖,從Driver IC的封裝開始到Receiver IC的封裝 結(jié)束,這其中包含IC封裝設(shè)計(jì)、子卡1PCB設(shè)計(jì)、背板PCB設(shè)計(jì)、子卡2PCB設(shè)計(jì)。對于高速率信號,需要保證主板PCB的成功設(shè)計(jì)和加工才能保證整條通道信號質(zhì)量。
5G通訊,作為第五代移動(dòng)通訊產(chǎn)品,應(yīng)用了很多新的技術(shù),但無論如何都離不開PCB這個(gè)載體,對于PCB的要求越來越嚴(yán)苛,尤其是對于PCB基板材料、加工工藝、表面處理等提出非常高的要求。
5G通訊產(chǎn)品工作頻率不斷攀升,對印制板制作工藝帶來新要求,毫米波PCB通常是多層結(jié)構(gòu),微帶線和接地共面波導(dǎo)電路通常位于多層結(jié)構(gòu)的最外層。毫米波在整個(gè)微波領(lǐng)域中屬于極高頻率(EHF)范圍,頻率越高,要求的電路尺寸精度要越高。
2.1.15G與4G對PCB工藝能力要求對比 2.1.2 外觀控制要求:關(guān)鍵區(qū)域微帶線不允許出現(xiàn)凹坑劃傷類缺陷,因?yàn)楦哳lPCB的線路傳送的不是電流,而是高頻電脈沖信號,高頻導(dǎo)線上的凹坑、缺口、針孔等缺陷會(huì)影響 傳輸,任何這類小缺陷都是不允許的。2.1.3 控制微帶天線拐角:為改善天線的增益、方向與駐波;避免諧振頻率往高頻偏, 提高天線設(shè)計(jì)的裕量,需要對微帶天線貼片拐角(Corner sharpness control)進(jìn)行嚴(yán)控(EA),如≤20um、30um等。2.1.4 對于單通道112G高速產(chǎn)品,就要求PCB覆銅板材料具有較低的Dk和Df,需要 新型樹脂、玻璃布及銅箔技術(shù),要求PCB工藝背鉆精度更高,厚度公差控制更加嚴(yán)格,孔徑更小等。2.1.5HDI高密技術(shù)應(yīng)用:5G時(shí)代產(chǎn)品對于PCB技術(shù)需求,包含二階HDI技術(shù)應(yīng)用, 多次層壓技術(shù),不對稱設(shè)計(jì),0.15mm微小孔,0.20mm高密孔壁間距、不同體系材料混壓等。2-2 5G 通訊 PCB 技術(shù)難點(diǎn)
5G芯片要求PCB 孔間距更小,最小孔壁間距達(dá) 0.20mm,最小孔徑 0.15mm,如此高密 布局對CCL 材料和 PCB 加工工藝都帶來巨大挑戰(zhàn),如 CAF 問題,受熱孔間裂紋問題等。
0.15mm 微小孔徑,最大縱橫比超過 20:1,如何防止鉆孔時(shí)斷針問題,如何提升 PCB 電 鍍縱橫比能力、防止孔壁無銅問題等,是目前 PCB 工藝急需解決的難題。2-3 焊盤起翹
高速高頻PCB為減少信號損耗,希望采用高速材料,并且孔環(huán)盡可能小,從孔環(huán)5.0mil減小到3.0mil,但高速材料銅箔與樹脂結(jié)合力比常規(guī)FR4材料要低,再使用小孔環(huán),PCB在經(jīng)過回流或波峰焊時(shí),由于熱應(yīng)力沖擊,就發(fā)生焊盤起翹或表層PP樹脂開裂缺陷,見下圖2-5。解決方案:高速發(fā)展是趨勢,孔環(huán)會(huì)越來越小,為減少焊盤起翹或PP層開裂缺陷,需 要在樹脂流動(dòng)性和壓合工藝參數(shù)上進(jìn)行工藝優(yōu)化。三、5G通訊對高速高頻覆銅板技術(shù)要求
5G通訊產(chǎn)品要求更高頻率和速率,高速高頻信號關(guān)注傳輸線損耗、阻抗及時(shí)延一致性, 最后在接收端能接收到合適的波形及眼圖,眼圖張開的寬度決定了接收波形可以不受串?dāng)_影響而抽樣再生的時(shí)間間隔。顯然,最佳抽樣時(shí)刻應(yīng)選在眼睛張開最大的時(shí)刻,睜開眼圖的塌陷是由損耗直接引起,介質(zhì)損耗Df 越小眼圖高度越大,噪音容量越大。
對于PCB基板材料來說,需要Dk/Df更小,Df越高,滯后效應(yīng)越明顯,業(yè)內(nèi)對PCB覆銅 板的研究熱點(diǎn),主要集中于Low Dk/Df,Low CTE、高導(dǎo)熱材料開發(fā),要求銅箔、玻璃布、樹 脂、填料等供應(yīng)鏈上下游與其配套;3-1 更低損耗覆銅板材料要求
未來3-5年,萬物互聯(lián)5G通訊量產(chǎn),天地互聯(lián)6G將開始預(yù)研,將要求高速覆銅板技 術(shù)向更低損耗Df,更低介電常數(shù)Dk、更高可靠性、更低CTE技術(shù)方向發(fā)展。相應(yīng)的,覆銅板主要組成銅箔、樹脂、玻璃布、填料等也要同步往這個(gè)方向發(fā)展。3.1.1 更低損耗的樹脂材料
要滿足5G通訊高速產(chǎn)品要求,傳統(tǒng)FR4環(huán)氧樹脂體系已不能滿足要求,要求覆銅板樹 脂Dk/Df更小,樹脂體系逐漸往混合樹脂或PTFE材料靠近。見下圖所示。 5G通訊高速高頻產(chǎn)品PCB厚度越來越高,孔徑越來越小,PCB縱橫比會(huì)更大,這就要 求覆銅板樹脂具有更低損耗,在損耗降低的同時(shí),不能發(fā)生孔壁分離或孔壁斷裂等缺陷,見下圖3-2所示。3.1.2 更低粗糙度的銅箔技術(shù)
對于高頻PCB而言,高頻CCL材料非常重要,包括基板材料Dk/Df、TCDk、介質(zhì)厚度穩(wěn)定性以及銅箔類型等。圖1展示了PCB簡單橫截面圖,其中銅層1(頂部)和層2是用于高頻性能的關(guān)鍵層,其中層1是信號導(dǎo)體,層2是接地層。在該介質(zhì)上傳播的高頻波的大部分電場位于層1的底部和層2的頂部之間,因?yàn)樾盘枌?dǎo)體邊緣的電場集中度較高。
在微帶線或帶狀線設(shè)計(jì)中,當(dāng)高頻信號在導(dǎo)線中傳輸時(shí),大部分電磁波能量會(huì)被束縛在 導(dǎo)線與屏蔽層(地)之間的介質(zhì)層中,而趨膚效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致高頻信號的傳輸聚集在導(dǎo)線表面的薄層,且越靠近導(dǎo)線表面,交變電流密度也越大。對于微帶線而言,趨膚效應(yīng)將出現(xiàn)在微帶線與介質(zhì)接觸的位置(如圖1頂層藍(lán)色所示位置),對于帶狀線而言,趨膚效應(yīng)將出現(xiàn)在帶狀線的表面與介質(zhì)接觸的位置(如圖1綠色所示位置)。通過趨膚深度的計(jì)算公式,可以得出趨膚深度隨頻率變化的變化趨勢(見圖2)。銅箔粗糙度越小,介質(zhì)損耗越小,HVLP銅箔介質(zhì)損耗明顯小于RTF銅箔,從5G產(chǎn)品性 能考慮,需要更低粗糙度HVLP銅箔,但銅箔粗糙度降低,剝離強(qiáng)度也變小,會(huì)有細(xì)線路或小焊盤剝離風(fēng)險(xiǎn)。見下圖3所示。3.1.3 低損耗和低膨脹率的玻璃布技術(shù)
要滿足5G通訊產(chǎn)品高速PCB設(shè)計(jì)及100x100mm大尺寸芯片應(yīng)用要求,需要高速覆銅板玻璃布的Dk/Df更小,CTE更小。若材料CTE過大,在PCBA組裝焊接時(shí)會(huì)發(fā)生焊點(diǎn)開裂等缺陷,見圖3-6所示。若要開發(fā)出Low CTE的高速覆銅板,要求玻璃布的CTE≦3.0ppm/℃等。要達(dá)到這個(gè)CTE的要求,就需要對玻璃絲原料配方和拉絲工藝技術(shù)進(jìn)行革新,制備出更低CTE的玻璃布,以滿足5G或6G通訊技術(shù)需求。3-3 介質(zhì)厚度穩(wěn)定性
介質(zhì)層結(jié)構(gòu)、組成和厚度的均勻性和波動(dòng)變化程度影響著特性阻抗值,在相同厚度的介 質(zhì)層下,分別由106、1080、2116和1035與樹脂組成的介質(zhì)層,其特性阻抗值是不相同的, 因此可以理解PCB各個(gè)介質(zhì)層中各處的特性阻抗值是不一樣的。所以,在高頻化和高速數(shù)字化信號傳輸5G高頻PCB,需要選擇薄型化玻纖布或開纖扁平布為宜,以減少特性阻抗值的波動(dòng)。批次間材料Dk值必須控制在一定范圍內(nèi),介質(zhì)層厚度均勻性要好。確保Dk變化 值在0.5以內(nèi)。3-4 更高導(dǎo)熱率覆銅板板材
一般散熱思路是從電路效率和損耗角度評估溫度上升情況,通過仿真發(fā)現(xiàn),降低材料的Df值來降低溫升的方法,不如選用更高導(dǎo)熱率(TC)的方法有效,對于5G高頻板要選擇相對薄的基板材料,同時(shí)選擇高導(dǎo)熱率、銅箔表面光滑、低損耗因子等材料特性有利于降低毫米波頻段下電路的發(fā)熱情況。見下圖3-8所示。 一般覆銅板廠家提升板材導(dǎo)熱率的方法為加入高導(dǎo)熱填料,但加入過多導(dǎo)熱填料,會(huì)使PCB鉆工、電鍍難度很大,影響PCB生產(chǎn)效率和良率,要滿足5G或6G通訊產(chǎn)品高散熱覆銅板板材導(dǎo)熱率≧0.8W/mK要求,需要各覆銅板廠家盡快開展新型配方研究。下圖3-9為鉆孔切片圖示。3-5 更高可靠性覆銅板板材
5G通訊產(chǎn)品集成度越來越高,PCB設(shè)計(jì)密度已從孔間距0.55mm減小到0.35mm,多階HDI工藝單板PCB板厚由3.0mm提升到5.0mm,MOT溫度要求由130℃提升到150℃,要求覆銅板板材耐熱性更好,耐CAF性能也要更高。四、5G通訊國內(nèi)高速高頻銅板技術(shù)現(xiàn)狀
國內(nèi)這幾年高速高頻覆銅板技術(shù)發(fā)展很快,以生益科技、南亞新材、華正新材為代表的 高速高頻覆銅板廠家,在高速高頻板材技術(shù)研究上取得了比較大的進(jìn)步,目前在25G等級材料上,這幾家材料廠都已推出相應(yīng)高速高頻材料,并開始商用。在112G等級材料上,也進(jìn)行了技術(shù)開發(fā),從目前數(shù)據(jù)分析,差距在縮小。覆銅板上游的原材料技術(shù)也取得了一定進(jìn)展,目前山東圣泉已開發(fā)出聚苯醚高速樹脂, 在25G等級材料上已基本到達(dá)商用水平。高速Low -Dk玻璃布技術(shù),目前山東泰玻和珠海天勤已完成技術(shù)開發(fā),高速材料加工中中空紗問題已有取得明顯進(jìn)展,與業(yè)界高端廠家差距在縮小。但在偶聯(lián)劑技術(shù)研究上,還需要進(jìn)一步提升。高速銅箔技術(shù),銅冠、金寶、江銅在RTF等級銅箔技術(shù)研究上取得了巨大進(jìn)步,并可以商用,但在HVLP等級銅箔技術(shù)上,還有一些技術(shù)難點(diǎn)需要解決,比如在后處理工藝技術(shù)上。高導(dǎo)熱填料技術(shù),目前高導(dǎo)熱填料技術(shù),有很多廠家在開展技術(shù)研究,但大都偏重于導(dǎo)熱技術(shù)本身,對可加工性關(guān)注度不高,在實(shí)際PCB加工時(shí)遇到很多問題,需要上下游廠家合作進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。五、高速高頻覆銅板發(fā)展趨勢
未來通訊產(chǎn)品的速率越來越高,112G基本確定會(huì)采用PCB方案,同時(shí)224G業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)啟動(dòng),從最近的標(biāo)準(zhǔn)會(huì)議和業(yè)界各個(gè)行業(yè)的動(dòng)態(tài)來看,224G也可能采取PCB方案,這對高速覆銅板技術(shù)演進(jìn)是非常有利的,但224G技術(shù)需要覆銅板技術(shù)有本質(zhì)的提升和技術(shù)創(chuàng)新,覆銅板板材向更低介電常數(shù)、更低介電損耗、更低CTE、更低吸水率、更高Tg值、更高導(dǎo)熱率方向發(fā)展。如下圖5-1所示,覆銅板介質(zhì)損耗將由目前的-0.70dB/inch降低到-0.60dB/inch, 甚至更低。
要滿足覆銅板材料發(fā)展趨勢技術(shù)要求,覆銅板板材原材料銅箔、樹脂、玻璃布、固化劑 等也需要跟隨覆銅板技術(shù)發(fā)展進(jìn)行技術(shù)更新。5.1 新的熱固性樹脂將會(huì)有更低的Dk/Df和高可靠性
為滿足后5G通訊224G速率高速產(chǎn)品低損耗電性能要求,高速覆銅板的損耗因子將會(huì)在112G材料基礎(chǔ)上再提升30%,材料Df≦0.001,新型熱固性樹脂體系由PPO樹脂體系發(fā)展為混合樹脂。5.2 新的玻璃布具有更低Dk和CTE
玻璃布會(huì)由E-Glass布發(fā)展到Q-Glass布,low Dk/Df玻璃布在差分線和微帶線上Loss更小。5.3 更低粗糙度銅箔技術(shù)
未來通訊產(chǎn)品信號會(huì)走到表層,要求銅箔粗糙度越來越小,最終銅牙大小會(huì)趨近于零, 但粗糙度降低,如何保證銅箔與基材結(jié)合力是覆銅板行業(yè)需要解決的問題之一
5.4low Dk/Df填料技術(shù)
新填料技術(shù)將取代舊的填料技術(shù),新填料直徑會(huì)更小,Dk/Df更小、導(dǎo)熱率更高,與樹 脂兼容性會(huì)更高,但PCB鉆孔難度不能加大。 材料導(dǎo)熱系數(shù)從0.4W/mk提升到1.2W/mk,甚至更高,溫升測試顯示材料導(dǎo)熱系數(shù)提高,溫升收益是比較明顯的。見下圖5-6所示-
pcb
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