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5G高頻的PCB設計新思維
符合更高品質標準

【作者: 王岫晨】   2019年09月11日 星期三

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5G無線網路基礎架構即將於全球發佈,預計將會為大部分產業帶來深遠影響。從行動電話連線與固定無線服務基地台,到運輸業、工業和娛樂應用等其他各個領域,都將可以受到5G深遠的影響。5G無線通訊能提供10倍的資料傳輸率,以及快100倍的速度,以及1000倍的資料傳輸處理能力,其所包含的連線網路更可供應所有人員、自動車輛、物聯網裝置、工業機器和民間基礎設施使用。


PCB設計考量

奧寶科技指出,對於需要即時反應速度的應用程式來說,其所具備的高速下載速度以及更低的延遲是不可或缺的條件。它不僅會影響擴增實境和虛擬實境(AR/VR)的順暢體驗,更是M2M通訊、以及工業基礎結構生產力的關鍵技術。更重要的是,超低延遲的5G無線技術,可大幅改善攸關乘客安全的自動車輛、道路與航空感應器的連線性,因為每一毫秒的反應時間都至關重要。



圖一 : 以二維測量技術來檢測及測量PCB的上幅和下幅導體寬度(source:奧寶科技)
圖一 : 以二維測量技術來檢測及測量PCB的上幅和下幅導體寬度(source:奧寶科技)

對於5G驅動的應用程式,容許誤差的空間非常小,且隨著更多電子裝置連線至網路,系統故障或通訊中斷的風險,將呈幾何級數增加。就裝置而言,意味著每個PCB都必須符合更高標準的效能和品質,以確保5G通訊不中斷。目前已有許多不同的技術和製程針對這些挑戰進行研發,PCB供應商也針對新的製造系統,重新思考生產流程,在提升品質的同時也增加生產效率。



圖二 : 5G價值鏈的參與者,都準備進行大規模的市場轉型,涵蓋了PCB製造商等領域。
圖二 : 5G價值鏈的參與者,都準備進行大規模的市場轉型,涵蓋了PCB製造商等領域。

訊號完整性挑戰

奧寶科技表示,5G技術所需的較高頻率,為PCB製造帶來了重大挑戰,而電子裝置不斷縮小的外觀尺寸,也使得挑戰更加嚴峻。這些裝置的高密度互連設計,需要更細薄的線路來提升I/O同時縮小系統外觀尺寸。然而,細薄線路可能會增加訊號衰減的風險。一旦線路的實體特性因為原本的設計而改變,RF訊號傳輸就會出現數毫秒的延遲,當訊號不同步時,將對訊號鏈造成影響。


5G參與者都準備進行大規模的市場轉型,涵蓋了無線通訊營運商、智慧手機和自動車輛代工、以及電子裝置和PCB製造商等領域。

高密度訊號完整性取決於PCB線路中,較窄幾何結構的阻抗控制,而阻抗一般會受到線路的橫切面尺寸、形狀、線寬、間距寬度或介電材料的影響。使用傳統蝕刻製程所形成的線路,通常會呈現不規則的四邊形橫切面,因而造成阻抗異常的情況。透過改良半加成製程(mSAP)可改善此問題,使線路具備更高精度。


使用mSAP必須採用自動光學檢測(AOI)工具來檢測PCB的各種瑕疵,包括關鍵的短路和斷路,以及銅表面瑕疵等。到目前,AOI的主要目的都是為了檢測CAM設計,確保原始設計在遵循設計規則的同時能準確無誤地生產出來。但這對於現今需要更高阻抗控制的PCB來說是不夠的,因為實際線路與導體實體特性扮演了更關鍵的角色。現今只有幾種AOI工具具備測量功能,並且只能測量導體上幅的線路寬度,完全忽略了下幅寬度。若要支援現今的PCB檢測,必須能進行上幅和下幅的測量。但是,目前這些測量都只能透過顯微鏡手動進行,由於這是相當繁瑣的離線程序,因此會大幅拖慢生產速度。所以目前僅用於檢測少量樣板,大部分的板子無法被檢測。


AOI的進化

奧寶科技認為,目前PCB製造商採用AOI功能,以及線路檢測或多影像驗證等,這些技術必須相互結合成各種解決方案和工具,不僅降低重要流程的效率,更浪費了寶貴空間。此外,生產流程在任何時候,都可能需要針對手動顯微測量進行採樣而停頓,大量的時間會因此而浪費,但時間對於PCB製造商來說,卻是特別珍貴的資源,因為這些廠商必須在5G市場中相互競爭來爭取領導地位。


隨著AOI技術的不斷創新,這些挑戰都可加以克服。近年來PCB製造商已利用二維測量技術,取得自動檢測及測量PCB上幅和下幅線路導體的能力。這可確保最佳的線路形狀和寬度,進而提升高頻5G裝置的阻抗控制。此測試可實現高產能及高抽檢率,來改善製造商的整體良率。


AOI系統整合不斷進步,使得PCB製造商能結合各種AOI流程,並減少實際佔用空間。透過更智慧、技術更先進的AOI系統,並整合單一AOI解決方案所執行的多種功能,可節省大量時間及人力,同時提升產能。



圖三 : 5G技術所需的較高頻率,為PCB製造帶來了重大挑戰。
圖三 : 5G技術所需的較高頻率,為PCB製造帶來了重大挑戰。

5G的實現

在實現5G連線的所有優勢之前,還需要一些時間。測試及實驗性質的部署目前正在進行中,更大規模的商業性部署可能必須等到2019年之後才會開始。目前5G技術還必須克服法規和技術層面的許多挑戰,才可能進行大規模的應用。


與此同時,5G價值鏈的所有參與者,都準備進行大規模的市場轉型,涵蓋了無線通訊營運商、智慧手機和自動車輛代工、以及電子裝置和PCB製造商等領域。無論是大量的資料集,或5G網路節點,包括會影響公共安全和工業生產力的關鍵資料,都需要特別關注網路、系統及元件的品質。


也因此,奧寶科技提出透過進階的整合式AOI技術,針對高頻、低延遲的5G系統,PCB製造商可以充分利用更快速、精確度更高的PCB檢測和驗證,提升PCB整個生產流程的追蹤能力。它帶來的製造和成本效益,可讓PCB製造商充分運用其競爭優勢,來建立規模更大、可永續經營的5G基礎設施。


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