5G对材料和EDA工具意味着什么?

2018-06-13 16:57:40     来源:贤集网

不论我们是否准备好迎接5G技术的到来,它都将会如期而至。虽然很多公司对5G技术的影响力持观望态度,但PCB材料供应商和EDA工具供应商却没有这个雅兴。针对这个问题,我们采访了Rogers Corporation无线基础设施市场部经理John Hendricks,和Altium公司产品及用户市场总监 Ben Jordan,讨论了5G将会带来的挑战以及这些挑战对PCB设计师和制造商而言意味着什么。


Andy Shaughnessy: John,能讲一讲你在Rogers 公司的职责以及你对5G的看法吗?


John Hendricks: Rogers公司生产高频印制电路板材料。我是市场部经理,负责全球无线基础设施业务。我的职责是确定我们需要做哪些工作来满足目前和未来的需求。


5G给我们带来了一些令人关注的挑战。如果从PCB材料角度去看,之前从2G到3G再到4G,没有太多的变化。当然很多其他技术也在飞速发展,但在电路板行业内,对材料的需求并没有发生很大变化。原因很简单,从硬件角度来看,频率只发生了小的变化——700MHz、900MHz,从1.8提高到2.5,诸如此类。功率放大器和天线都还是老样子。


大多数人都了解,5G之所以有趣是因为它分为了两个领域;较大的那个领域(至少最初是这样的)是小于6GHz的市场。另一个领域是毫米波,频率是28GHz。由于毫米波的频率非常高,所以对材料的要求有了很大改变,要求材料必须是低损耗。铜材料不得不更薄和更光滑。


针对小于6GHz的领域,对材料的电气要求没有发生很多改变,虽然在初代产品中不一定会出现,但在新的设计中,天线装置、功率元器件和收发器的整合程度会大大增强。未来,与高速数字部件的整合程度也会增强。


所以以后会看到印制电路板的多层结构越来越复杂,整合程度也越来越高。这些模块堆叠看起来有点像高速数字电路板。所以PCB的可制造性变得越来越重要,与2G、3G、4G时代相比,制造复杂多层PCB的能力也变得越来越重要。以上就是我的观点。


Shaughnessy:Ben,能介绍一下你自己吗?并且也谈一谈你对5G的看法吧。


Ben Jordan: 好的。我的背景就是数字化领域。在进入EDA领域之前,我是一名FPGA程序员。对我而言,我一直觉得RF就是一个吓人的黑匣子。我知道5G会影响到很多人,尤其是PCB设计领域的人。因为这些人不一定在RF PCB设计或RF系统级设计领域有一定的背景知识或经验。


但我们之所以向5G迈进就是因为想把几千种其他的设备加入到网络中,在我看来,这背后的推动力就是为了让物联网向下一阶段发展。现在有几千种设备对带宽的要求在提高,其中很多设备都迫切需要调整带宽,还有很多设备将会有非常小的信息量。如果你去阅读有关5G的文章,你就会看到传感器阵列中会有几十万个并发连接,或者被用来当作传感器网络。针对这一技术,也许它的主要消费者还将会是手机,但我们家里、街道上、城市中的网络仍然还是4G或3G网络,所以到时候这些网络将因为不同的物联网传感器和服务涌进市场而饱和,我们就会幻想着要是还继续使用以前的技术就好了。


这就是促使带宽不断增加以适应5G技术的原因。要怎样做才能增加带宽?你要提出更复杂的调制方案,而且必须要提升载波频率。所以有了5G技术,我们在毫米波中能看到带宽频率可以高达60GHz。这对PCB设计师和像我这样不太了解RF的人来说意味着什么呢?仔细想想,会觉得有些吓人。


我认为我们一直很依赖像NXP或 Broadcom和Qualcomm这样的芯片制造商,我们需要他们生产出一种可以轻易使用的封装产品,这样一来,很多材料和RF信号通路以及天线就可以包含在芯片中。对于高频载波而言,一个优势就是天线的体积可以缩小。5G的优点之一是可以实现点对点通讯的能力。网络中不同的节点可以迅速协商实现点对点通讯,不需要到处设基站。


有些瓶颈会消失,让它成为一个真正的网络。这样对功率的需求会降低,因为很多情况下的信号强度会降低。这对几十万传感器阵列或其他智能设备都很有帮助。就PCB设计而言,减少功率需求可以很大程度地简化设计过程。但也会增加通过电磁兼容性标准和认证的难度。这对很多设计师而言都是非常大的挑战。他们要学更多知识,即使他们只用简单的芯片和基础的载体印制电路板做一切,也像设计更专业的集成器设备,如同聚集连接的塔和节点。


这些电路板将会是使用特殊材料的复杂电路板。但希望终端用户的设备会更简单一些,因为这种技术的秘密更多是集中在芯片、封装或是晶片内。在我看来,半导体公司也遇到了同样的问题,因为他们实际上是板级设计工程师和PCB设计师。


Shaughnessy: 没错,他们应该会在今明两年开始发布为5G设计的商用芯片。


Jordan:我有一位朋友是Q公司的RF工程师。今天上午我们刚见过面,我跟他说我会接受这个采访。他跟我说他正在研究5G,对于那些真正从事芯片设计和模拟前端工作的人来说真的非常困难。我们拭目以待它接下来会怎样发展。


Shaughnessy:我听到了一种说法是这些技术需要更厚的电路板。他们需要更厚的电路板,所以纵横比也会更大,这对每个人来说都会更加困难,但对那些要把电路板组装到一起的制造商而言则尤为困难。


John,你发现了这个现象吗?


Hendricks:发现了,实际上,我们看到很多人都尝试使用了不同的方法来解决同类问题。但这些方法存在一些普遍的风险,其中包括整合程度提高会导致PCB变得越来越复杂、越来越厚。我们提到过线路板可以是10、14、16、18或20层,这在之前几代的移动通信设备中是不可能出现的。所以说是的,你会看到复杂性在增加、PCB制造的难度在增加,这就是为什么我会说与之前相比,叠层看起来像是比过去更复杂的高速数字电路板。


Shaughnessy:随着材料的不断发展,是不是以后会需要一组完全不同的新材料?


Hendricks:我认为这取决于你指的是小于6GHz领域还是毫米波领域。小于6GHz的技术可以和现在使用的材料兼容。而28GHz及以上频率的技术开始需要表面极其光滑的铜材料,这只是其中一点。毫米波领域内存在的一种情况是,随着材料变薄(这只是较短波长的一个功能),它不仅仅只是一个损耗低的电介质了。微带电路上产生插入损耗的元件既是以微带为基础,也是以绝缘体为基础,随着材料变薄,产生损耗的铜元件也就变得更加关键了。这主要由铜的光滑程度决定,因为在频率非常高的环境下,会出现趋肤效应,铜材料底部会有电流通过,所以铜箔的粗糙程度等因素就变得更加重要了。当你使用光滑的铜时,这就意味着你会在铜粘合和剥离强度两方面遇到难题。


至于毫米波,你肯定会发现,与低频相比,会遇到更多的材料难题。


Jordan:在我看来,这真的还与CAD方面有关系,因为如果一个人没有太多经验或背景知识,我们通常会建议他“与你的制造商合作”。很多制造商都会在这方面付出努力,但也会有一些比较前卫、先进的制造商。对于研究5G应用和设计的人而言,他们更适合与材料公司合作而不是制造商。我可以预见到,我们需要提高板层堆叠规划的能力,甚至在板层堆叠的机械限制方面应该提升我们的仿真能力。


人们已经开始对线路板设计进行热分析,他们进行了阻抗控制计算并且使用2D和3D场解算器确保板叠层在RF和高速数字边沿速率下可以正常运行。但会有越来越多的人虽然他们的想法很好,但却不懂得数学或分析方法,所以无法设计出制造成本在可承受范围内且功能合适的叠层。


有了这些衡量因素,从CAD角度来看,我们需要引入板层堆叠规划功能帮助人们衡量这些利弊并重复使用已知的良好板层堆叠结构。也许和Rogers这样的公司合作并提出一些板层堆叠样品供人们重复使用,对我们而言是很有利的。如果你按照这种方式去做并且明确了整个过程,那么将设计投入生产的过程就会简单很多。


Hendricks:是的。在Rogers公司,我们使用一种双管齐下的方法。一直以来,我们和微波及RF工程师有非常密切的联系,他们在高频领域是材料专家。但随着技术不断发展,因为电路板变得越来越复杂,我们公司内也有一支非常优秀的技术服务团队与PCB制造商及合作伙伴紧密合作,提供与设计和处理技术有关的帮助。在电气设计师、制造商和材料供应商之间形成了一种三角关系。我们之间的合作非常高效。


Jordan:合作才是最重要的一方面,不是吗?


Hendricks:没错。


Patty Goldman:你们多久合作一次?


Hendricks:以前的传统方法是电气设计师设计出了一个PCB之后就去找到PCB制造商,然后PCB制造商会说,“我不会这样设计的。”我想这肯定会产生一点影响的。我们并不是经常进行三方合作或召开三方会议,但我们经常进行三方沟通。基本上我们与PCB制造商和与OEM的沟通频率是相同的。


Goldman:我之所以问这个问题是因为我们在不同的话题上经常听到人们说“如果他们能一开始就通知我们,那我们就可以一起合作,这样就能达到更好的效果。”


Hendricks:是的。事情根本就没有完全顺利的时候(大笑)。


Stephen Las Marias:你认为5G带来的这些挑战对PCB装配领域会产生影响吗?


Jordan:我认为它给装配领域带来的问题就和任何一种无线技术所带来的问题一样。会有DFT;会带来新的问题,也会带来新的机遇,这还是因为5G技术属于物理连接和调制方案,FCC、CE和欧洲等机构也会提出新规定,以确保产品不会引起任何问题。这些都会给装配领域带来影响,因为装配是生产流程最后一个阶段的首要任务。在最后阶段的后半程,通常在装配过程中,最终进行的是测试。而且测试设计也会面临5G带来的新挑战。我的意思是,你要怎么去测试你的设备能否在不占用太多带宽的前提下,在某个含有1000个其他设备的地理位置可以正常工作?


我们要怎么进行这种测试?我们在这些毫米波频率下如何去设计PCB;探测影响会是个大问题。探测影响是指在测量过程中影响到了测量对象的正常工作。所以你要如何去测量?这种情况会发生在高频情况下。所以说,装配厂必须要研发、购买新的测试设备确保这些产品符合要求。不仅确保产品能正常运行,还要确保它合乎规定。也许我的看法不是很成熟,但这就是我对这个问题的一些想法。


Las Marias:我认为你是对的,Ben。谢谢你和我们分享这个想法。


Shaughnessy:Happy,你还有其他内容想要分享吗?你对5G有什么看法?


Happy Holden:在HP通常会在高达800GHz的频率下进行测试。我们在800千兆赫频率下对产品进行测试,那么你在设计和制造线路板时就要比你预想的优秀10倍。RF设计和RF材料一直都很令人头疼,但HP在这方面也获得了很多盈利,因为没有几家公司可以生产这类测试设备。除了OEM,现在这种专业技术要开始在一般线路板制造商和组装公司普及,而这些公司没有相应的人力、设备、培训和背景知识。在一定时间内,将会只有少数顶尖公司可以满足所有这些需求。


之后,因为这个领域机会多、利润高,会有越来越多的人加入这个领域,工艺流程和材料也会不断增多。但短期之内,这都会是一个艰难的领域。我获得了电气工程学位,但因为数学和场论,所以我尽量与马克斯威尔公式保持距离。但不幸的是,就算数字产品也是RF设计,最终逃不过这一劫。


唯一能逃离的方法就是转入光学领域;这样就再也不用担心了,因为不会再有磁场了。所以,其中一种选择可能是因为数字电子领域内在的问题和不足,很多5G可能会转入光学领域。这也是为什么它这么有意思的原因。随着不断发展,要面临的挑战也是数不胜数。


Shaughnessy:没错。看起来你们即将要把毫米波技术商业化,使其成为主流产品。我经常读到文章说他们在研究毫米波技术的过程中遇到了很多困难,但现在看来一切都已经在掌控之中了。


Holden: UCLA向我们介绍了一种毫米波芯片,只有3处连接,而且里面替换掉了机械连接器。因为这种芯片的指向性非常强,所以收发装置一定要表面贴装到PCB的边缘,而且因为毫米波长的缘故你不需要使用导线或机械连接器。毫米波芯片带有自己的天线,就在晶片上——天线的体积非常小,你可以在晶圆上放很多。他们改变了产品的设计和结构。以后,我们将不会再使用带有插口的机械连接器或类似的元件了。


Shaughnessy: John,你还有什么内容想补充吗?


Hendricks:我想说我在这里听到的一切信息都是正确的。前面也提到过,仅从RF的角度来看,毫米波确实带来了很多挑战。毫米波不是什么新技术。即使在消费类应用领域也算不上新技术,因为你会看到每年生产出几百万77GHz的雷达应用到汽车行业和自适应巡航控制系统等领域。所以单从RF角度来看,其实也算不上很大的挑战。但人们正在研发新的调制技术和相应的配套技术,这些才是全新的技术。


从PCB角度来看,高频率下线路板的复杂程度属于比较新的内容。与5G技术下涌现的一些设计相比,77GHz雷达中的PCB 也是相对简单的。


我想特别指出的一点是频率小于6GHz与毫米波的对比;毫米波技术要得到迅速发展还有一段时间。初始应用更像是固定宽带接入,人们正在研究毫米波的移动应用,这一点更具有挑战性。最初,比如第一个五年,大多数5G设计都不会使用毫米波技术,至少批量生产的设计不会使用。他们会使用小于6GHz的频率。



Shaughnessy:听起来很有趣。好像每一步发展都会出现颠覆性的改变。


Hendricks:不断改变是世界上唯一不会改变的事情。


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