高頻率 5G 無線網路架構需要新的 PCB 製造方式

2018 年 6 月 21 日

即將於全球首次發佈的 5G 無線網路基礎架構,將會為大部分的產業帶來深遠的影響,從行動電話連線與固定無線服務基站到運輸業、工業和娛樂應用及其他各個領域,與其有關的報導也非常多。5G 能提供 10 倍的資料傳輸率以及快 100 倍的速度,加上 1,000 倍的資料傳輸處理能力,其所包含的連線網絡可供所有人員、自動車輛、物聯網 (IoT) 裝置、工業機器和民間基礎設施使用。

對於需要幾乎即時系統反應速度的應用程式來說,其所具備的更快下載速度及更低的延遲率絕對是不可或缺的條件。它不僅會影響擴增實境和虛擬實境 (AR/VR) 的順暢體驗,更是機器對機器 (Machine-to-Machine, M2M) 通訊,以及工業基礎結構生產力的關鍵技術。或許更重要的是,超低延遲率的 5G 無線技術可大幅改善攸關乘客安全的自動車輛和道路/航空感應器連線性,因為每一毫秒的乘載工具反應時間都至關重要。

對於 5G 驅動的應用程式來說,容許誤差的空間非常小,而且隨著新的電子裝置連線至網路,系統故障或通訊中斷的風險呈幾何級數增加。就裝置層級而言,這意味著每個 PCB 都必須符合更高標準的效能和品質,以確保即時 5G 通訊不中斷。目前有許多不同的技術和製程已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他們的生產流程,在提升品質保證的同時大幅增加生產效率。

訊號完整性挑戰

5G 技術所需的較高頻率為 PCB 的製造帶來了重大的挑戰,而電子裝置不斷縮小的外觀尺寸也使得這樣的挑戰更加嚴峻。這些精巧裝置的高密度互連 (HDI) 設計需要更纖薄的線路以大幅提升 I/O,同時將系統外觀尺寸縮到最小。然而,纖薄的線路可能會增加訊號衰減的風險。一旦線路的實體特性(例如上幅及下幅的寬度)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,當訊號不同步時則會對訊號鏈造成層層的影響。

圖 1.利用二維測量技術來檢測及測量 PCB 的上幅和下幅導體寬度

高密度的訊號完整性取決於 PCB 線路較窄幾何結構中的嚴格阻抗控制,阻抗則會受到線路的橫切面尺寸、形狀、線寬/間距寬度和介電材料所影響。使用傳統減成蝕刻製程所形成的線路通常會呈現不規則四邊形的橫切面,因而造成大量的阻抗異常情況。半加成製程 (mSAP) 的改良可改善此問題,使成形的線路具備更高精度,更直的線路壁也可提升阻抗控制的成效。

無論是使用 mSAP 或傳統方法,都必須採用自動光學檢測 (AOI) 工具來檢測 PCB 的各種瑕疵類型,包括關鍵的短路和斷路,以及銅表面瑕疵。直到目前為止,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被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/導體的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,完全忽略了下幅的寬度。若要支援現今的PCB板檢測,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以手動方式進行,由於這是一種相當繁瑣的離線程序,因此會大幅拖慢生產速度。所以目前它僅用於檢測少量的樣板,而大部分的板子則無法被檢測。

隨著電子裝置的功能變得越來越豐富多元且佔用空間變得更小,它們需要進階的 PCB 製程以啟用如在HDI板上雷射孔 (LV) 等技術,這對於容納不斷增加的 I/O 數量來說非常重要。就像 HDI 和軟性 PCB 需要更精細的線路來節省空間一樣,它們也需要更小的盲孔及更高密度的設計來連接板層。目前,PCB 製造商在鑽孔階段 (DLD 直接雷射鑽孔) 後會執行低比率的盲孔抽樣檢測。電鍍製程後造成的孔瑕疵,也需要進行板子的 100% 檢測以確保製程品質和更高的良率。目前,在單次掃描中檢測精細線路和小型孔所需的功能並不具有成本效益,且傳統的 AOI 系統通常也不支援此功能。

AOI 的進步

目前 PCB 製造商採用前述的 AOI 功能,以及線路檢測或多影像驗證等其他功能,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,更浪費了製造現場的寶貴空間。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下來,使得情況變得更糟。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寶貴的資源,因為這些廠商必須在廣大的 5G 市場中相互競爭以建立領導地位。

所幸隨著 AOI 技術的不斷創新,這些挑戰都可一一克服。近來 PCB 製造商已利用二維測量技術(圖 1)取得自動檢測及測量 PCB 上幅和下幅線路導體的能力。這將可確保最佳的線路形狀和寬度,進而提升高頻率 5G 裝置的阻抗控制。此測試可實現高產能率及高抽檢率,改善製造商的整體良率。

AOI 系統整合正不斷進步,使得 PCB 製造商能結合各種 AOI流程,例如單一平台上的線路及雷射孔檢測或線路及焊盤測量,並減少實際佔用空間。透過更具智慧、技術更為先進的 AOI 系統,並整合由單一 AOI 解決方案執行的多種功能,可節省大量的時間及人力,同時大幅提升產能。個別的 AOI 功能也可透過全新的單次掃描檢測技術進行整合,可同步分析多個影像以加強線路及雷射孔的檢測能力。

改善缺點驗證流程

目前驗證流程也已整合至 AOI 工作流程中,因此不再需要額外的獨立系統在假點中找出及篩檢 PCB 真缺點。由於驗證流程與檢測流程相較必須投入更大量的資源,其比率約為 3:1,因此這個流程尤其重要。對於像5G 這樣驗證和品質需求更為嚴苛的應用,與新一代整合式 AOI 平台相較,使用傳統異質 AOI 的製造商將需要使用更多的檢修站、佔用更多的空間,以及更多的操作人力,使得成本大幅增加。

透過創新的方法,並採用先進的人工智慧 (AI) 功能檢測影像,在流程的前端就篩檢出真正的瑕疵及誤判,因此可在作業員進行檢測之前就自動排除大量的誤判。在流程的後端,額外的自動化作業可讓作業員在單一顯示器中同步檢視數個影像,並在螢幕中透過色碼分類找出如有機材料和氧化等誤判。這可讓作業員快速排除所有剩餘的假點,並找出需要自動光學成形 (AOS) 系統成形的真缺點。

透過單一 AOI 工作流程中的自動化和緊密整合缺點驗證程序,製造商不再需要將個別的板子移至許多的檢修站並逐一收集缺點影像,所有的作業都可以在單一的集中化遠端多重圖像驗證 (RMIV) 工作站上完成,此站台也可設在工廠的任何位置,因此可節省大量的時間和費用。此外,您不再需要搬運每片板子並在檢修站上下板,可大幅減少板子刮傷的風險。

資料分析與裝置追蹤能力

整合AOI 系統第二個優勢就是,相比工廠中其他種類的AOI 系統,它能更有效率地溯源、彙總及分析具有價值的生產資料。單一來源資料可讓 PCB 製造商快速提取相關資訊並進行深入解析,進而更快速地做出更為明智的決策。

整合式 AOI 工作流程也可讓您更輕鬆地條碼化及追蹤整個生產流程的 PCB,並識別及記錄每個 PCB 處理的時間、位置及方法。透過生產程序的完整記錄,製造商可在一開始就識別並隔離有瑕疵的 PCB 以避免被組裝到終端裝置中,如此一來將能大幅改善製程並提高良率。

5G 的準備

在真正實現 5G 連線的所有優勢之前,還需要一些時間。測試及實驗性的部署目前正在進行中,有限的商業性部署則預定於 2018 年底實施。但更大規模的商業性部署可能必須等到 2019 年或之後才會開始。目前 5G 技術還必須克服來自法規和技術層面的許多挑戰才能被大規模的採用。

與此同時,5G 技術價值鏈的所有參與者都準備進行大規模的市場轉型,涵蓋了從無線通訊營運商,智慧型手機和自動車輛代工,到電子裝置和 PCB 製造商等各個領域。無論是大量的資料集或蜂擁而至的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,都需要我們特別關注從網路到系統及元件的品質保證。

透過進階的整合式 AOI 技術,針對高頻率、低延遲率的 5G 系統的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 在整個生產流程的追蹤能力。它所帶來的製造和成本效益將可讓 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 基礎設施擴建。

作者:Benny Solomon, AOI Marketing Director, PCB Division, Orbotech

Published by: Evaluation Engineering

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