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5G毫米波高频PCB覆铜板技术要求
2021-12-08
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电子通讯产品发展经历了 1G、2G、3G、4G等几个阶段,目前正迈向第 5 代通讯产品阶 段,作为第5代电子通讯,与 4G 相比,5G 在峰值速率、频谱效率、时延等方面都发生了重 大变化,这给 PCB线路板和覆铜板材料提出了新的要求。

5G 通讯对 PCB 技术要求

随着通讯产品体积小型化、容量反而增加的趋势下,严重挤压了产品前端的设计空间, 为了缓解这种设计压力,通讯芯片厂商只有选择研发更高速率的 IC 产品,以满足大容量、小体积的产品需求。然而速率增加后对于信号完整性工程师的压力并未缓解反而加重,高速率产品可以使用更少的走线来实现,但速率的增加直接导致信号质量的严要求,且裕量越来越少。在 10Gbps 信号下,信号的 UI 可以达到 100ps 的位宽,但在 25Gbps 信号下,信号的位宽只有 40ps,这就意味着在通道的每一个环节都要进行优化设计来争取每一个ps 的裕量。

5G通讯,作为第五代移动通讯产品,应用了很多新的技术,但无论如何都离不开PCB这个载体,对于PCB的要求越来越严苛,尤其是对于PCB基板材料、加工工艺、表面处理等提出非常高的要求。

5G通讯产品工作频率不断攀升,对印制板制作工艺带来新要求,毫米波PCB通常是多层结构,微带线和接地共面波导电路通常位于多层结构的最外层。毫米波在整个微波领域中属于极高频率(EHF)范围,频率越高,要求的电路尺寸精度要越高。

5G与4G 对PCB工艺能力要求对比

1.外观控制要求:关键区域微带线不允许出现凹坑划伤类缺陷,因为高频PCB的线路传送的不是电流,而是高频电脉冲信号,高频导线上的凹坑、缺口、针孔等缺陷会影响 传输,任何这类小缺陷都是不允许的。

2.控制微带天线拐角:为改善天线的增益、方向与驻波;避免谐振频率往高频偏, 提高天线设计的裕量,需要对微带天线贴片拐角(Corner sharpness control)进行严控(EA),如 ≤20um、30um 等。

3.对于单通道 112G 高速产品,就要求 PCB 覆铜板材料具有较低的 Dk 和 Df,需要 新型树脂、玻璃布及铜箔技术,要求 PCB 工艺背钻精度更高,厚度公差控制更加严格,孔径更小等。

4. HDI 高密技术应用:5G 时代产品对于 PCB 技术需求,包含二阶 HDI 技术应用, 多次层压技术,不对称设计,0.15mm 微小孔,0.20mm 高密孔壁间距、不同体系材料混压等。

5G 通讯 PCB 技术难点

5G芯片要求PCB 孔间距更小,最小孔壁间距达 0.20mm,最小孔径 0.15mm,如此高密 布局对CCL 材料和 PCB 加工工艺都带来巨大挑战,如 CAF 问题,受热孔间裂纹问题等。0.15mm 微小孔径,最大纵横比超过 20:1,如何防止钻孔时断针问题,如何提升 PCB 电 镀纵横比能力、防止孔壁无铜问题等,是目前 PCB 工艺急需解决的难题。

5G通讯产品要求更高频率和速率,高速高频信号关注传输线损耗、阻抗及时延一致性,对于PCB 基板材料来说,需要Dk/Df 更小,Df 越高,滞后效应越明显,业内对PCB 覆铜 板的研究热点,主要集中于Low Dk/Df,Low CTE、高导热材料开发,要求铜箔、玻璃布、树 脂、填料等供应链上下游与其配套。

更低损耗覆铜板材料要求

未来3-5 年,万物互联5G 通讯量产,天地互联6G 将开始预研,将要求高速覆铜板技 术向更低损耗Df,更低介电常数Dk、更高可靠性、更低CTE 技术方向发展。相应的,覆铜板主要组成铜箔、树脂、玻璃布、填料等也要同步往这个方向发展。

低损耗的树脂材料

要满足5G通讯高速产品要求,传统FR4 环氧树脂体系已不能满足要求,要求覆铜板树 脂 Dk/Df 更小,树脂体系逐渐往混合树脂或PTFE 材料靠近。

5G 通讯高速高频产品 PCB 厚度越来越高,孔径越来越小,PCB 纵横比会更大,这就要 求覆铜板树脂具有更低损耗,在损耗降低的同时,不能发生孔壁分离或孔壁断裂等缺陷。

在微带线或带状线设计中,当高频信号在导线中传输时,大部分电磁波能量会被束缚在导线与屏蔽层(地)之间的介质层中,而趋肤效应会导致高频信号的传输聚集在导线表面的薄层,且越靠近导线表面,交变电流密度也越大。对于微带线而言,趋肤效应将出现在微带线与介质接触的位置。铜箔粗糙度越小,介质损耗越小,HVLP 铜箔介质损耗明显小于 RTF 铜箔,从 5G 产品性 能考虑,需要更低粗糙度 HVLP 铜箔,但铜箔粗糙度降低,剥离强度也变小,会有细线路或小焊盘剥离风险。

低损耗和低膨胀率的玻璃布技术


要满足5G 通讯产品高速 PCB 设计及100x100mm 大尺寸芯片应用要求,需要高速覆铜板玻璃布的Dk/Df 更小,CTE 更小。若材料 CTE 过大,在PCBA 组装焊接时会发生焊点开裂等缺陷。若要开发出Low CTE 的高速覆铜板,要求玻璃布的CTE≦3.0ppm/℃等。要达到这个CTE 的要求,就需要对玻璃丝原料配方和拉丝工艺技术进行革新,制备出更低CTE 的玻璃布,以满足5G 或6G 通讯技术需求。

介质厚度稳定性


介质层结构、组成和厚度的均匀性和波动变化程度影响着特性阻抗值,在相同厚度的介 质层下,分别由 106、1080、2116 和 1035 与树脂组成的介质层,其特性阻抗值是不相同的, 因此可以理解 PCB 各个介质层中各处的特性阻抗值是不一样的。所以,在高频化和高速数字化信号传输 5G 高频线路板,需要选择薄型化玻纤布或开纤扁平布为宜,以减少特性阻抗值的波动。批次间材料 Dk 值必须控制在一定范围内,介质层厚度均匀性要好。确保 Dk 变化 值在 0.5 以内。

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