По мере того как 5G развивается в сторону 6G, частоты связи продвигаются от диапазона Sub-6ГГц к миллиметровому диапазону (mmWave) и даже терагерцовому (THz). Это создает беспрецедентные проблемы для проектирования и производства печатных плат (PCB): потери сигнала, контроль импеданса, тепловое управление и точность изготовления — все это доводится до предела. В таком требовательном контексте структурированный и систематический процесс внедрения нового продукта (NPI) имеет решающее значение. Эта статья углубляется в структуру NPI EVT/DVT/PVT, исследуя, как она помогает инженерам ориентироваться на каждом этапе — от выбора материалов и проектирования гибридного стека до тестирования массового производства — для обеспечения конечного успеха коммуникационных печатных плат 5G/6G.

В начале проекта всесторонняя и тщательная проверка DFM/DFT/DFA (Design for Manufacturability/Testability/Assembly) служит краеугольным камнем всего процесса NPI. Она выявляет потенциальные производственные узкие места на ранней стадии, оптимизирует конструкции для повышения выхода годных изделий и надежности, а также закладывает прочную основу для последующих фаз EVT, DVT и PVT.

Суть NPI: Роль EVT/DVT/PVT в разработке печатных плат 5G/6G

Процесс NPI EVT/DVT/PVT разбивает сложную разработку продукта на три управляемых и проверяемых ключевых этапа, каждый с четкими целями и результатами, обеспечивая оптимальный баланс между производительностью, качеством и стоимостью.

EVT (Engineering Validation Test): Инженерное Валидационное Тестирование

Цель этой фазы — «доказать осуществимость концепции». При разработке печатных плат 5G/6G EVT фокусируется на предварительной валидации основной функциональности и производительности.

• Ключевые мероприятия:
  • Выбор и оценка материалов: Выбор подходящих материалов с низкими потерями, таких как Rogers или Teflon (PTFE), и проведение мелкосерийных испытаний образцов для проверки их стабильности Dk/Df в целевом частотном диапазоне.
  • Валидация концепции стека слоев: Разработка предварительных гибридных решений по стеку слоев, например, использование материалов для печатных плат Rogers для ВЧ-слоев и стандартного FR-4 для цифровых и силовых слоев, чтобы сбалансировать стоимость и производительность.
  • Моделирование и измерение критического сигнального тракта: Моделирование ключевых миллиметровых волновых линий передачи с использованием программного обеспечения для моделирования (например, Ansys HFSS, Keysight ADS) и изготовление небольшого количества прототипных плат для тестирования с помощью векторного анализатора цепей (VNA) для проверки вносимых потерь и возвратных потерь.
  • Предварительная инспекция первого образца (FAI): Проведение детальных проверок размеров, стека слоев и критических параметров процесса на первой партии прототипных плат для обеспечения их соответствия проектному замыслу.

DVT (Design Validation Test): Валидационное Тестирование Проекта

Цель этой фазы — «доказать, что конструкция соответствует всем спецификациям». DVT — это наиболее всеобъемлющая фаза тестирования в разработке продукта, обеспечивающая стабильную и надежную работу конструкции в различных рабочих условиях.

• Ключевые мероприятия:
  • Полное функциональное тестирование: Тестирование всех функций печатной платы в полной системной среде, включая целостность сигнала, целостность питания (PDN) и электромагнитную совместимость (ЭМС).
  • Экологические испытания и испытания на надежность: Проведение термоциклирования, испытаний на влажность, вибрацию и удар для проверки долгосрочной надежности в экстремальных условиях. Это особенно важно для оценки рисков, вызванных несоответствием CTE (коэффициента теплового расширения) в гибридных стеках.
  • Проверка импеданса и допусков: Использование рефлектометрии во временной области (TDR) для проверки импеданса на большом наборе образцов, гарантируя, что производимые печатные платы поддерживают импеданс в пределах спецификаций (обычно ±5% или ±7%).
• Окончательное подтверждение проверки DFM/DFT/DFA: На этапе DVT все детали конструкции замораживаются. Окончательная проверка DFM/DFT/DFA, проводимая на этом этапе, направлена на то, чтобы убедиться, что конструкция полностью соответствует требованиям массового производства.

PVT (Production Validation Test): Тест валидации производства

Цель этой фазы — "продемонстрировать стабильный и надежный производственный процесс". PVT использует оборудование, оснастку и процессы массового производства для изготовления партии продукции с целью проверки возможностей и выхода годных изделий производственной линии.

• Ключевые мероприятия:
  • Мелкосерийное пробное производство: Проведение пробного производства на конечной производственной линии для проверки эффективности всех параметров процесса, стандартных операционных процедур (СОП) и точек контроля качества.
  • Статистика выхода годных изделий и анализ технологической способности (Cpk): Сбор производственных данных, анализ узких мест в выходе годных изделий и выполнение анализа Cpk для критических процессов (например, ламинирование, сверление, металлизация) для обеспечения стабильности и контроля.
  • Валидация тестовой оснастки и процесса: Завершение и валидация оборудования для внутрисхемного тестирования (ICT) и функционального тестирования (FCT). Эффективная конструкция оснастки (ICT/FCT) имеет решающее значение для обеспечения эффективности и охвата тестирования в массовом производстве.
  • Валидация цепочки поставок: Обеспечение стабильных поставок и соответствия качества для всех компонентов и сырья.

Гибридный стек Rogers/PTFE и FR-4: Баланс стоимости и производительности для печатных плат 5G/6G

Для миллиметровых волновых приложений использование исключительно высокопроизводительных материалов, таких как Rogers или PTFE, обеспечивает оптимальные электрические характеристики, но при этом сопряжено с чрезвычайно высокими затратами. Технология гибридного стека (Hybrid Stack-up) решает эту проблему путем выборочного комбинирования различных материалов в одной и той же печатной плате, достигая тонкого баланса между стоимостью и производительностью.

Когда стоит применять гибридный стек?

• Разделение ВЧ и цифровых цепей: Когда печатная плата содержит как высокоскоростные цифровые цепи, так и ВЧ-цепи миллиметрового диапазона, дорогие материалы с низкими потерями (например, Rogers RO4350B) могут быть использованы для поверхностных или внутренних слоев, несущих ВЧ-сигналы, в то время как более дешевые материалы FR-4 (например, High-Tg FR-4) могут быть применены для цифровых, управляющих и силовых слоев.
• Конструкция «Антенна в корпусе» (AiP): В платах AiP или антенных решеток только излучающие элементы антенны и питающие сети очень чувствительны к Dk/Df материала, в то время как другие вспомогательные и управляющие цепи могут использовать обычные материалы.

Как взвесить все за и против? Основная проблема проектирования гибридных стеков заключается в сложности производственных процессов. Различия в КТР (коэффициенте теплового расширения), текучести смолы, цикле прессования и параметрах сверления между материалами могут привести к проблемам надежности, таким как расслоение, коробление и низкое качество стенок отверстий, если не обрабатывать их должным образом. Это требует глубоких знаний технологических процессов и современного оборудования от производителей печатных плат. Опытные производители, такие как HILPCB, используют передовые системы отслеживания/MES (Manufacturing Execution Systems) для точного отслеживания и контроля ключевых параметров во время производства, обеспечивая стабильное качество конечного продукта.

Шероховатость медной фольги и диэлектрические потери: Невидимые убийцы целостности сигнала миллиметрового диапазона

В миллиметровом диапазоне частот успех или неудача целостности сигнала (SI) часто зависят от деталей, которыми можно пренебречь на более низких частотах. Среди них диэлектрические потери (Df) и потери в проводнике являются двумя основными источниками затухания сигнала.

• Диэлектрические потери: Определяются характеристиками Dk/Df изоляционного материала. Первым шагом является выбор высокочастотных материалов для печатных плат с чрезвычайно низкими значениями Df (например, <0,002) и стабильными значениями Dk.
• Потери в проводнике: В основном зависят от скин-эффекта и шероховатости медной фольги. На миллиметровых частотах ток концентрируется на поверхности проводника. Если поверхность медной фольги шероховатая, фактический путь тока становится длиннее, что значительно увеличивает вносимые потери. Поэтому использование медной фольги с очень низким профилем (VLP) или гипер-очень низким профилем (HVLP) имеет решающее значение для минимизации потерь. Кроме того, эффект переплетения стекловолокна является еще одним фактором, который нельзя игнорировать. Традиционные структуры переплетения стеклоткани могут вызывать локальные несоответствия значений Dk, влияя на перекос сигнала (skew) и однородность импеданса дифференциальных пар. Использование распределенного стекла (spread glass) или стеклоткани плоского типа может эффективно смягчить эту проблему. Выбор и проверка этих материалов должны быть тщательно рассмотрены и протестированы в процессе NPI EVT/DVT/PVT, особенно на этапе EVT.

Обратное сверление и оптимизация переходных отверстий: Ключевые процессы для устранения отражений и затухания сигнала

Переходные отверстия (vias) служат узлами для соединения сигналов между различными слоями в многослойных печатных платах. Однако на высокоскоростных сигнальных трактах они также представляют собой значительные разрывы импеданса. Остаток (stub) переходного отверстия — неиспользуемая часть переходного отверстия за пределами сигнального слоя — может действовать как антенна, вызывая резонанс и серьезные отражения и затухания сигнала в определенных частотных точках.

Обратное сверление (сверление на контролируемую глубину) является наиболее эффективным процессом для решения этой проблемы. Оно включает в себя удаление избыточной части переходного отверстия с противоположной стороны печатной платы, минимизируя длину остатка и значительно улучшая целостность сигнала.

Другие ключевые моменты для оптимизации переходных отверстий:

• Проектирование переходной зоны: Оптимизация размеров контактных площадок (pads) и анти-площадок (anti-pads) для соответствия импедансу линии передачи.
• Заземляющие переходные отверстия: Стратегическое размещение заземляющих переходных отверстий вокруг сигнальных переходных отверстий для обеспечения четких обратных путей для сигналов и подавления перекрестных помех.
• Микропереходные отверстия: В конструкциях HDI PCB микропереходные отверстия, просверленные лазером, предлагают меньшие размеры и более низкую паразитную емкость, что делает их идеальными для приложений с высокой плотностью и высокой скоростью. Требования к проектированию и обратному сверлению переходных отверстий должны быть тщательно согласованы с производителем печатных плат на этапе анализа DFM/DFT/DFA, чтобы гарантировать соответствие их технологических возможностей проектным требованиям.

✔ Опыт в гибридном стеке: Обширный опыт в гибридном ламинировании материалов Rogers, Taconic, Arlon и других материалов из ПТФЭ с FR-4.

✔ Строгий контроль импеданса: Передовое испытательное оборудование TDR и контроль процесса обеспечивают допуск на характеристический импеданс ±5%.

✔ Расширенная библиотека материалов: Предлагает медные фольги VLP/HVLP и различные материалы с распределенным стеклом для удовлетворения самых высоких требований к низким потерям.