高频率 5G 无线网络架构需要新的 PCB 制造方式

2018 年 6 月 21 日

即将于全球首次发布的 5G 无线网络基础架构,将会为大部分的产业带来深远的影响, 从移动电话联机与固定无线服务基站到运输业、工业和娱乐应用及其他各个领域,与其有关的报导也非常多。 5G 能提供 10 倍的数据传输率以及快 100 倍的速度, 加上 1,000 倍的数据传输处理能力, 其所包含的联机网络可供所有人员、自动车辆、物联网 (IoT) 装置、工业机器和民间基础设施使用。

对于需要几乎实时系统反应速度的应用程序来说, 其所具备的更快下载速度及更低的延迟率绝对是不可或缺的条件。它不仅会影响扩增实境和虚拟现实 (AR/VR) 的顺畅体验, 更是机器对机器 (Machine-to-Machine, M2M) 通讯, 以及工业基础结构生产力的关键技术。 或许更重要的是,超低延迟率的 5G 无线技术可大幅改善攸关乘客安全的自动车辆和道路/航空传感器连接性, 因为每一毫秒的乘载工具反应时间都至关重要。

对于 5G 驱动的应用程序来说,容许误差的空间非常小, 而且随着新的电子装置联机至网络,系统故障或通讯中断的风险呈几何级数增加。就装置层级而言, 这意味着每个 PCB 都必须符合更高标准的效能和质量, 以确保实时 5G 通讯不中断。目前有许多不同的技术和制程已针对这些挑战进行研发, PCB 供货商也针对新的制造系统重新思考他们的生产流程, 在提升质量保证的同时大幅增加生产效率。

信号完整性挑战

5G 技术所需的较高频率为 PCB 的制造带来了重大的挑战, 而电子装置不断缩小的外观尺寸也使得这样的挑战更加严峻。这些精巧装置的高密度互连 (HDI) 设计需要更纤薄的线路以大幅提升 I/O, 同时将系统外观尺寸缩到最小。 然而, 纤薄的线路可能会增加讯号衰减的风险。 一旦线路的实体特性 (例如上幅及下幅的宽度) 因为原本的设计而改变, RF 信号传输就会出现数毫秒的延迟, 当信号不同步时则会对讯号链造成层层的影响。

图 1. 利用二维测量技术来检测及测量 PCB 的上幅和下幅导体宽度

高密度的讯号完整性取决于 PCB 线路较窄几何结构中的严格阻抗控制,阻抗则会受到线路的横切面尺寸、形状、线宽/间距宽度和介电材料所影响。 使用传统减成蚀刻制程所形成的线路通常会呈现不规则四边形的横切面,因而造成大量的阻抗异常情况。 半加成制程 (mSAP) 的改良可改善此问题,使成形的线路具备更高精度,更直的线路壁也可提升阻抗控制的成效。

无论是使用 mSAP 或传统方法, 都必须采用自动光学检测 (AOI) 工具来检测 PCB 的各种瑕疵类型, 包括关键的短路和断路,以及铜表面瑕疵。 直到目前为止,AOI 的主要目的都是为了检测 CAM 设计, 确保原始设计在遵循设计规则的同时被准确无误地生产出来。 但这对于现今需要更高阻抗控制的 PCB 来说是不够的, 因为实际线路/导体的实体特性扮演了更关键的角色。 现今只有几种 AOI 工具具备测量功能, 并且只能测量导体上幅的线路宽度,完全忽略了下幅的宽度。 若要支持现今的PCB板检测, 必须能进行上幅和下幅的测量。 但是目前这些测量都只能通过显微镜以手动方式进行, 由于这是一种相当繁琐的脱机程序,因此会大幅拖慢生产速度。 所以目前它仅用于检测少量的样板,而大部分的板子则无法被检测。

随着电子装置的功能变得越来越丰富多元且占用空间变得更小, 它们需要进阶的 PCB 制程以启用如在HDI板上激光孔 (LV) 等技术,这对于容纳不断增加的 I/O 数量来说非常重要。 就像 HDI 和软性 PCB 需要更精细的线路来节省空间一样, 它们也需要更小的盲孔及更高密度的设计来连接板层。 目前, PCB 制造商在钻孔阶段 (DLD 直接激光钻孔) 后会执行低比率的盲孔抽样检测。 电镀制程后造成的孔瑕疵,也需要进行板子的 100% 检测以确保制程质量和更高的良率。 目前, 在单次扫描中检测精细线路和小型孔所需的功能并不具有成本效益,且传统的 AOI 系统通常也不支持此功能。

AOI 的进步

目前 PCB 制造商采用前述的 AOI 功能, 以及线路检测或多影像验证等其他功能, 这些技术必须相互结合成各种解决方案和工具, 不仅降低重要流程的效率, 更浪费了制造现场的宝贵空间。 此外, 生产流程在任何时候都可能需要针对手动显微测量进行采样而停顿下来, 使得情况变得更糟。 大量的时间会因此而浪费, 但时间对于 PCB 制造商来说却是特别宝贵的资源, 因为这些厂商必须在广大的 5G 市场中相互竞争以建立领导地位。

所幸随着 AOI 技术的不断创新, 这些挑战都可一一克服。 近来 PCB 制造商已利用二维测量技术 (图 1) 取得自动检测及测量 PCB 上幅和下幅线路导体的能力。 这将可确保最佳的线路形状和宽度, 进而提升高频率 5G 装置的阻抗控制。 此测试可实现高产能率及高抽检率,改善制造商的整体良率。

AOI 系统整合正不断进步, 使得 PCB 制造商能结合各种 AOI流程, 例如单一平台上的线路及激光孔检测或线路及焊盘测量, 并减少实际占用空间。 通过更具智能、技术更为先进的 AOI 系统, 并整合由单一 AOI 解决方案执行的多种功能, 可节省大量的时间及人力, 同时大幅提升产能。 个别的 AOI 功能也可通过全新的单次扫描检测技术进行整合, 可同步分析多个影像以加强线路及激光孔的检测能力。

改善缺点验证流程

目前验证流程也已整合至 AOI 工作流程中, 因此不再需要额外的独立系统在假点中找出及筛检 PCB 真缺点。 由于验证流程与检测流程相较必须投入更大量的资源, 其比率约为 3:1, 因此这个流程尤其重要。 对于像5G 这样验证和质量需求更为严苛的应用, 与新一代整合式 AOI 平台相较,使用传统异质 AOI 的制造商将需要使用更多的检修站、占用更多的空间,以及更多的操作人力, 使得成本大幅增加。

通过创新的方法, 并采用先进的人工智能 (AI) 功能检测影像, 在流程的前端就筛检出真正的瑕疵及误判, 因此可在作业员进行检测之前就自动排除大量的误判。 在流程的后端,额外的自动化作业可让作业员在单一显示器中同步检视数个影像, 并在屏幕中通过色码分类找出如有机材料和氧化等误判。 这可让作业员快速排除所有剩余的假点, 并找出需要自动光学成形 (AOS) 系统成形的真缺点。

通过单一 AOI 工作流程中的自动化和紧密整合缺点验证程序, 制造商不再需要将个别的板子移至许多的检修站并逐一收集缺点影像, 所有的作业都可以在单一的集中化远程多重图像验证 (RMIV) 工作站上完成, 此站台也可设在工厂的任何位置, 因此可节省大量的时间和费用。 此外, 不再需要搬运每片板子并在检修站上下板, 可大幅减少板子刮伤的风险。

数据分析与装置追踪能力

整合AOI 系统第二个优势就是, 相比工厂中其他种类的AOI 系统, 它能更有效率地溯源、汇总及分析具有价值的生产数据。 单一源数据可让 PCB 制造商快速提取相关信息并进行深入解析, 进而更快速地做出更为明智的决策。

整合式 AOI 工作流程也可让您更轻松地条形码化及追踪整个生产流程的 PCB, 并识别及记录每个 PCB 处理的时间、位置及方法。 通过生产程序的完整记录,制造商可在一开始就识别并隔离有瑕疵的 PCB 以避免被组装到终端装置中, 如此一来将能大幅改善制程并提高良率。

5G 的准备

在真正实现 5G 联机的所有优势之前,还需要一些时间。 测试及实验性的部署目前正在进行中, 有限的商业性部署则预定于 2018 年底实施。 但更大规模的商业性部署可能必须等到 2019 年或之后才会开始。 目前 5G 技术还必须克服来自法规和技术层面的许多挑战才能被大规模的采用。

与此同时,5G 技术价值链的所有参与者都准备进行大规模的市场转型,涵盖了从无线通信营运商,智能型手机和自动车辆代工,到电子装置和 PCB 制造商等各个领域。 无论是大量的数据集或蜂拥而至的5G 网络节点,包括会影响公共安全和工业生产力的关键数据, 都需要我们特别关注从网络到系统及组件的质量保证。

通过进阶的整合式 AOI 技术,针对高频率、低延迟率的 5G 系统的PCB 制造商可以充分利用更快速、精确度更高的 PCB 检测和验证,提升 PCB 在整个生产流程的追踪能力。 它所带来的制造和成本效益将可让 PCB 制造商充分运用其竞争优势来建立规模更大、可永续经营的 5G 基础设施扩建。

作者:Benny Solomon

Benny Solomon, AOI Marketing Director, PCB Division, Orbotech

Published by: Evaluation Engineering

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