5G通讯时代PCB技术与发展探究

5G通讯时代PCB技术与发展探究

熊健劲

TCL通讯（宁波）有限公司 浙江宁波 315040

摘要：本文首先分析了5G网络对PCB领域的影响，然后以手机PCB为例分析了5G手机PCB的设计与研究内容，包括选材、器件布局、走线及散热等方面。再对5G大环境下PCB领域的发展方向进行探讨，PCB技术从各个维度作多元化发展，并在新的网络生态系统中迎来新的机会。

关键字：5G；PCB板；高频；发展方向

随着5G时代的到来，对整个PCB行业来说既是机遇又是挑战。移动通信网络的每一次升级换代都会推动手机的更新，由于5G高速高频的特点，手机PCB线路板的价值量也会有很大的提升。一方面，随着5G频段的增多，使得射频前端元件数量大幅增加，PCB线路板面积增加，层数增多，同时设计复杂程度显著提高；另一方面，基材方面需要使用高速高频材料，特别是带毫米波的手机PCB板，需要更低的DK值的覆铜板材料。保守测算，单个5G PCBA的价值量是4G的两倍以上。

一、5G网络对PCB的影响

    我国5G网络覆盖的广度和深度不断拓展，5G应用不断走深向实。截至5月底，全国建成开通5G基站170万个，覆盖全国所有地级市、县城城区和92%的乡镇镇区，每万人5G基站数超过12个。5G移动电话用户数达到4.28亿户，5G流量占移动流量比重达到27.2%，较去年同期增长19.1个百分点。各地加大5G应用政策供给，采取建设创新平台、加大资金支持、推广典型案例等方式，共同推动5G应用步入快车道。这无疑拉动了通讯PCB板的需求量，PCB制造业也不例外。虽然大规模实施5G需要一些时间，但事实是每个行业，包括PCB制造需要为即将发生的变化做好准备。

二、5G智能手机主板PCB研究及设计

（一）5G手机主板PCB的叠构

    5G PCB一个非常明确的方向就是高频高速材料及制板，传统的FR4型材料已无法满足高频传输需求。在材料选择方面，PCB产品的Dk(介电常数)和Df（损耗因子）必须较小，一般选用Dk值小于3.5，Df小于0.01的板材。与此同时多阶HDI产品甚至任意顺序互连的产品将得到推广，比如苹果手机PCB采用10层任意阶层孔互联，在Z方向上多板叠加连通的整体叠构方案。在这种三明治叠构方案的PCB产品中，省空间、高集成的优点是显而易见的，但与之带来的是成本的提升，包括售后成本的大幅提升。

    在实施案例中，特别是在折叠屏手机产品中，未来发展一个重要的趋势是三明治PCB的架构方式，即在Z方向上拓展空间，使PCB在二维方向上更加小型化。笔者认为针对三明治板的叠构方式，除了在设计上有着更加高集成度的设计要求，还在PCB的铜厚均匀性、线宽的精准度、层间对准度、层间介质厚度、PCB平整度与稳定性、PCB可维修性这些分支领域都值得深入研究。

（二）手机高密度板的布局探究
     PCB布局时，要满足抗干扰设计的要求。在笔者以往设计过的4G手机主板中，PCB尺寸通常在3000平方毫米左右，器件数量通常不超过1000parts，PCB密度通常不超过2.2 Pins/Sq.(mm)。到了5G手机产品时代，随着射频器件数量大幅度提升， 以高通SM6530平台的5G手机PCB为例，器件数量到达1900parts， 尤其是射频模块占据一半以上的PCB板面积，PCB密度也达到了2.6 Pins/Sq.(mm)。

     为降低主板面积，必须尽量在PCB上使用小封装器件。5G的多频段使得射频器件数量大幅度增加，可选取模块化的射频器件，能够大幅提高PCB板使用率，同时降低电路板射频布线的复杂度。在5G PCB板设计过程中，RF布局注意加大RX和TX的隔离度，RX部分电路尽量远离PA等辐射源。PA和Transceiver不要放在同一个屏蔽腔下，器件的输入/输出隔离度要严格控制，同时不要跟WTR，FDD的双工器或滤波器背靠背重叠。5G高频PCB布局尤其要关注射频干扰源，防止高频噪声串扰至PCB板内。

      高功耗高发热是5G PCB的一大特点又是一大难点，它必是5G 手机PCB设计中重点考虑的一个维度。在PCB布局时发热元件一般应均匀分布，以利于PCB板和整机的散热，除温度检测元件以外的温度敏感器件应远离发热量大的元器件。对于手机PCB热设计的核心理念可以概括为“均温和高效热传导”，在PCB周边可布置导热硅脂或多层石墨片，或考虑使用液冷散热管，共同构建整个良好的散热系统。

（三）5G手机主板PCB的 layout走线
    5G网络需要使用更多的频率。频率已经成为极其稀缺的资源，业界把目标放到了毫米波上。理论上，30-300 GHz这段频率为毫米波，这么高频率的高速线放在PCB上，对layout有极高的要求和特殊的处理方式。本文作者近期做的一个毫米波手机主板项目，毫米波天线端子在PCB的两个对角方向，毫米波芯片必须放在两个天线端子的中间位置，以满足走线长度的要求。走线尽可能点到点不绕线，让高频线尽可能短，避免多次打大孔换层。此外，毫米波走线必须走到PCB内层屏蔽层，这又不可避免的会打大孔，而大孔的损耗对于毫米波来说有阻抗不连续的影响，layout必须有应对措施。经多次设计实战经验，要对大孔的孔盘作特殊处理，内层的无功能焊盘作挖空处理，以减少大孔对高速线的影响。对于毫米波天线端子处的焊盘，也要加大对地铜皮的间距。以上这些措施，对5G手机的主板PCB有着显著的性能提升。

三、5G大环境下PCB的发展方向及思考
    5G带动了手机的更新换代，也带动了其他产业的飞速发展。新能源车大力发展，智能驾驶及汽车电子化会带动PCB的大幅增量。目前中端车型PCB使用面积约为0.5~0.7平方米，经济型汽车PCB使用面积为0.3~0.4平方米，假设PCB的均价为1000元/平方米，则平均单车价值800元左右，豪华型汽车PCB使用面积约 2.5-3 平方米，单车价值超过2500元，随着汽车电子化程度加深，车用PCB需求面积将会逐步增长。当前手机厂商也纷纷进军汽车电子领域，特别是想在智能座舱分得一杯羹。同时汽车厂商也离不开手机制造商，比如吉利汽车收购魅族，布局手机产业为了实现手机、汽车更加智能互联，可以想象未来展现在我们面前的将会是更加科技感的多应用场景。

5G时代，个体与万物的多层级互联使形成一个有机复合体，这种多层级结构，将促进医疗、住房、出行、农业、工业等价值链条的重塑，而PCB技术作为这条价值链中不可获缺的一部分，必将在5G的带动下迎来新的机遇和挑战。目前多家手机公司在EDA领域也将突破设计单一局限性，涉足智能穿戴、智能座舱等多领域，向PCB多元化设计方向发展。

四、结束语

    在5G大环境下，要加强部门协同、汇聚各方力量，加快5G应用规模化发展，更好赋能各行业。技术赋能是5G的基础，而PCB技术作为这一核心要素的先行条件，要加快其产业的技术创新和产业变革，为5G通讯领域提供新动能。

参考文献：

[1]吕廷杰著，5G新机遇[M].北京：人民邮电出版社，2020.8
[2]李波著，热设计的世界：打开电子产品散热领域的大门[M].北京：机械工业出版社，2020.9.
[3]柳振浩著，如何把握5G这个超级风口[M].北京：地震出版社，2020.6.

[4]王建宙著，移动通信如何改变世界[M].北京：中信出版社，2021.7.

[5]许光斌著，6G技术发展及演进 [M]. 北京：人民邮电出版社，2021.10.