5G毫米波通訊對(duì)高頻PCB覆銅板的技術(shù)要求
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(duì) PCB 技術(shù)、覆銅板技術(shù)以及上下游銅箔、玻璃布、樹(shù)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)?lái)無(wú)限美好的移動(dòng)互聯(lián)憧憬和體驗(yàn)，從技術(shù)上來(lái)講，需要面對(duì)很多 挑戰(zhàn)，通過(guò)解決這些問(wèn)題，必將帶來(lái)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(duì)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(lái)越多。
二、5G通訊產(chǎn)品對(duì)PCB技術(shù)要求和技術(shù)難點(diǎn)
隨著通訊產(chǎn)品體積小型化、容量反而增加的趨勢(shì)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(duì)于信號(hào)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(lái)實(shí)現(xiàn)，但速率的增加直接導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量的嚴(yán)要求，且裕量越來(lái)越少。在10Gbps信號(hào)下，信號(hào)的UI可以達(dá)到100ps的位寬，但在25Gbps信號(hào)下，信號(hào)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(lái)爭(zhēng)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(kāi)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(duì)于高速率信號(hào)，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(hào)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(wú)論如何都離不開(kāi)PCB這個(gè)載體，對(duì)于PCB的要求越來(lái)越嚴(yán)苛，尤其是對(duì)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(duì)印制板制作工藝帶來(lái)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(duì)PCB工藝能力要求對(duì)比
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(duì)CCL 材料和 PCB 加工工藝都帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)，如 CAF 問(wèn)題，受熱孔間裂紋問(wèn)題等。
2-3 焊盤(pán)起翹
高速高頻PCB為減少信號(hào)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(shù)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(guò)回流或波峰焊時(shí)，由于熱應(yīng)力沖擊，就發(fā)生焊盤(pán)起翹或表層PP樹(shù)脂開(kāi)裂缺陷，見(jiàn)下圖2-5。
解決方案：高速發(fā)展是趨勢(shì)，孔環(huán)會(huì)越來(lái)越小，為減少焊盤(pán)起翹或PP層開(kāi)裂缺陷，需 要在樹(shù)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(duì)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(hào)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(kāi)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(kāi)最大的時(shí)刻，睜開(kāi)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。
3-1 更低損耗覆銅板材料要求
未來(lái)3-5年，萬(wàn)物互聯(lián)5G通訊量產(chǎn)，天地互聯(lián)6G將開(kāi)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(shù)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(shù)脂材料
要滿足5G通訊高速產(chǎn)品要求，傳統(tǒng)FR4環(huán)氧樹(shù)脂體系已不能滿足要求，要求覆銅板樹(shù) 脂Dk/Df更小，樹(shù)脂體系逐漸往混合樹(shù)脂或PTFE材料靠近。見(jiàn)下圖所示。
3.1.2 更低粗糙度的銅箔技術(shù)
對(duì)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(jiǎn)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(hào)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(chǎng)位于層1的底部和層2的頂部之間，因?yàn)樾盘?hào)導(dǎo)體邊緣的電場(chǎng)集中度較高。
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(guò)大，在PCBA組裝焊接時(shí)會(huì)發(fā)生焊點(diǎn)開(kāi)裂等缺陷，見(jiàn)圖3-6所示。若要開(kāi)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(duì)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(shù)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(hào)傳輸5G高頻PCB，需要選擇薄型化玻纖布或開(kāi)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(píng)估溫度上升情況，通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，降低材料的Df值來(lái)降低溫升的方法，不如選用更高導(dǎo)熱率（TC）的方法有效，對(duì)于5G高頻板要選擇相對(duì)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(jiàn)下圖3-8所示。
3-5 更高可靠性覆銅板板材
5G通訊產(chǎn)品集成度越來(lái)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(guó)內(nèi)高速高頻銅板技術(shù)現(xiàn)狀
五、高速高頻覆銅板發(fā)展趨勢(shì)
未來(lái)通訊產(chǎn)品的速率越來(lái)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(lái)看，224G也可能采取PCB方案，這對(duì)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。
5.1 新的熱固性樹(shù)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(shù)脂體系由PPO樹(shù)脂體系發(fā)展為混合樹(shù)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(lái)通訊產(chǎn)品信號(hào)會(huì)走到表層，要求銅箔粗糙度越來(lái)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(wèn)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(shù) 脂兼容性會(huì)更高，但PCB鉆孔難度不能加大。
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