Mikrowellen-Technik - Wie wirkt sich 5G blinder und vergrabener Durchkontaktierungen auf das PCB-Design aus?

PCB ist das Herz jedes elektronischen Geräts. Seine Bedeutung ist nicht nur, dass es elektrische Verbindungen zwischen verschiedenen Komponenten ermöglicht, aber auch, dass es digitale und analoge Signale trägt, Hochfrequente Datenübertragungssignale, und Stromleitungen. Mit der Einführung der 5G-Technologie, die blind und vergraben über Leiterplatte Fabrik sagt Ihnen, welche neuen Bedürfnisse und Anforderungen PCB erfüllen muss?

Im Vergleich zu 4G, Der bevorstehende großflächige Einsatz von 5G-Netzen wird Designer zwingen, die PCB-Design der mobilen, IoT, und Telekommunikationsanlagen. 5G-Netze werden die Eigenschaften der hohen Geschwindigkeit haben, große Bandbreite und geringe Latenz, alle erfordern sorgfältige PCB-Designzur Unterstützung der neuen Hochfrequenzmerkmale.

Im Vergleich zu 4G-Netzen bietet die Mobilfunktechnologie der fünften Generation 10-20-mal die Übertragungsrate (bis zu 1Gbps), bis zu 1000-mal die Verkehrsdichte und 10-mal die Anzahl der Verbindungen pro Quadratkilometer. 5G-Netzwerke sind auch so konzipiert, dass sie eine Millisekunden-Latenz bieten, die 10-mal schneller ist als die Latenz, die von 4G-Netzwerken bereitgestellt wird, und über einen größeren Frequenzbereich arbeiten. Die Leiterplatte muss gleichzeitig Datenraten und Frequenzen unterstützen, die viel höher als die aktuelle Datenrate sind, was das Mixed-Signal-Design an die Grenze treibt. Obwohl die Betriebsfrequenzen von 4G-Netzwerken unter der 6GHz-Schwelle liegen (von 600MHz bis 5.925GHz), heben 5G-Netzwerke die obere Frequenzgrenze noch höher bis auf den Millimeterwellenbereich (mmWave), wobei Frequenzbänder auf 26GHz, 30GHz und 77GHz zentriert sind.

Die Verwendung des EHF-Frequenzbandes stellt eine der schwierigsten Herausforderungen dar, die die 5G-Technologie für Leiterplattendesigner mit sich bringt. Millimeterwellen breiten sich nur durch die Sichtlinie aus, und wenn sie auf Gebäude, Laub oder Unwetter (wie Regen oder Feuchtigkeit) stoßen, werden sie auf dem Weg stark abgeschwächt. Daher werden weitere Basisstationen benötigt, um 5G-Netze zu unterstützen. Um eine so große Anzahl von Frequenzen zu unterstützen, werden mehrere Phased-Array-Antennen benötigt, um erweiterte 5G-Funktionen wie Beamforming zu unterstützen.

Daher, die Blind vergraben über Leiterplatte sagt Ihnen, ob es sich um ein mobiles Gerät oder eine Basisstation handelt, we will have a PCB that integrates a large number of antenna array units (AAU) and extensively uses massive MIMO technology. In Abbildung 1, Wir können einen 5G-Geräteprototyp sehen, der vor einigen Jahren von einem führenden SoC- und Telekommunikationsmodemdesignunternehmen entwickelt wurde. Drei aktive Antennen, extrem kompakt, in der Lage, die vom 5G-Standard geforderten Frequenzen zu verwalten, sind deutlich sichtbar auf der oberen und rechten Seite der Leiterplatte.

Abbildung 1: Prototyp mobiler Geräte 5G (Quelle: Qualcomm)

Neben der Frequenz ist die Bandbreite jedes Kanals eine weitere wichtige Herausforderung. Obwohl im 4G-Netzwerk die Kanalbandbreite auf 20MHz eingestellt ist (das IoT-Gerät ist auf 200kHz beschränkt), wurde im 5G-Netzwerk sein Wert auf 100MHz für Frequenzen unter 6GHz und 400MHz für Frequenzen über 6GHz eingestellt. Obwohl es bereits Modems und Hochfrequenzkomponenten gibt, die diese Spezifikationen auf dem Markt unterstützen können, wird die Auswahl des am besten geeigneten Materials die Grundlage für das PCB-Design sein. Da das HF-Frontend direkt auf der Leiterplatte integriert wird, werden Materialien mit extrem niedrigem dielektrischen Übertragungsverlust und extrem hoher Wärmeleitfähigkeit benötigt. Für Frequenzen über 6GHz müssen die Materialien zur Herstellung von Leiterplatten an spezielle Substrate im Millimeterwellenfrequenzband angepasst werden.

Das Design der 5G-Anwendungsplatine konzentriert sich vollständig auf das Management von gemischten Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzsignalen. Zusätzlich zu den Standardregeln für das Design von Leiterplatten mit Hochfrequenzsignalen ist es notwendig, das Material angemessen auszuwählen, um Leistungsverluste zu vermeiden und die Integrität des Signals zu gewährleisten. Die EMI, die zwischen dem Teil des analogen Signals und dem Teil, der das digitale Signal verarbeitet, auftreten kann, um die FCC- und EMV-Anforderungen zu erfüllen. Die beiden Parameter, die die Auswahl der Materialien leiten, sind die Wärmeleitfähigkeit und der Wärmekoeffizient der dielektrischen Konstante, die die Änderung der dielektrischen Konstante (normalerweise in ppm/°C) beschreiben. Ein Substrat mit hoher Wärmeleitfähigkeit ist offensichtlich vorzuziehen, da es die vom Bauteil erzeugte Wärme leicht ableiten kann. Der thermische Koeffizient der dielektrischen Konstante ist ein ebenso wichtiger Parameter, da die Änderung der dielektrischen Konstante eine Dispersion verursacht, die den digitalen Impuls erweitert, die Signalausbreitungsgeschwindigkeit ändert und in einigen Fällen Signalreflexionen entlang der Übertragungsleitung verursacht.

Auch die Leiterplattengeometrie spielt eine wichtige Rolle, wobei Geometrie Laminatdicke und Übertragungsleitungseigenschaften bedeutet. Zum ersten Punkt, Es ist notwendig, eine Laminatdicke zu wählen, die normalerweise zwischen 1 liegt/4 und 1/8 der Wellenlänge der höchsten Betriebsfrequenz. Wenn das Laminat zu dünn ist, Resonanz kann auftreten, und es kann sogar Wellen durch den Leiter ausbreiten. Bezüglich der Übertragungsleitung, Es ist notwendig zu entscheiden, welche Art von Leiter verwendet werden soll: microstrip, Striplin, or grounded coplanar waveguide (GCPW). Microstrip-Linien sind vielleicht die bekanntesten, aber sie haben Probleme mit Strahlungsverlust und falscher Modeausbreitung über 30 GHz. Striplines sind auch eine effektive Lösung, aber sie sind schwer herzustellen und daher teurer. Darüber hinaus, Mikrolöcher müssen verwendet werden, um die Bandlinie mit der äußersten Schicht zu verbinden. GCPWs sind eine gute Wahl, aber sie bieten höhere Leitungsverluste als Mikrostreifenleitungen und Bandleitungen. Nach Auswahl des Substratmaterials, Der Designer sollte die allgemeinen Regeln befolgen, die für Hochfrequenz-Leiterplatte Design: möglichst kurze Spuren verwenden, und überprüfen Sie die Breite und den Abstand zwischen den Leiterbahnen, um die Impedanz aller Verbindungen zu halten

konstant. Im Folgenden finden Sie einige nützliche Vorschläge oder Tipps zum Design von Leiterplatten für 5G-Anwendungen:

Wählen Sie Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante (Dk): Da der Dk-Verlust proportional zur Frequenz zunimmt, müssen Materialien mit der niedrigsten Dielektrizitätskonstante ausgewählt werden;

Verwenden Sie eine kleine Menge Lotmaske: Die meisten Lotmasken haben eine hohe Feuchtigkeitsaufnahme. Wenn dies geschieht, können hohe Verluste in der Schaltung auftreten;

Verwenden Sie perfekt glatten Kupferdraht und Planansicht: Die aktuelle Hauttiefe ist eigentlich umgekehrt proportional zur Frequenz, so dass sie auf Leiterplatten mit Hochfrequenzsignalen sehr flach ist. Die unregelmäßige Kupferoberfläche stellt einen unregelmäßigen Pfad für den Strom zur Verfügung und erhöht den Widerstandsverlust;

Signalintegrität: Hochfrequenz ist eine der schwierigsten Herausforderungen für IC-Designer. Um/O, high-density interconnect (HDI) requires thinner tracks. Dieser Faktor kann eine Signaldämpfung verursachen, zu weiteren Verlusten führen. Diese Verluste wirken sich nachteilig auf die Übertragung von Hochfrequenzsignalen aus, die sich um einige Millisekunden verzögern kann, was wiederum Probleme in der Signalübertragungskette verursacht. Im Hochfrequenzbereich, Die Signalintegrität basiert fast vollständig auf der Überprüfung der Impedanz. Der Nachteil der traditionellen Leiterplattenherstellung Prozesse, wie der subtraktive Prozess, is that it produces tracks with a trapezoidal cross-section (compared to the vertical angle perpendicular to the track, the angle is usually between 25 and 45 degrees). Diese Querschnitte verändern die Impedanz der Strecke selbst und schränken 5G-Anwendungen stark ein. Allerdings, this problem can be solved by using mSAP (semi-additive manufacturing process) technology, Das ermöglicht die Erstellung genauerer Spuren und ermöglicht die Definition der Spurgeometrie durch Photolithographie. In Abbildung 2, Wir können den Vergleich der beiden Herstellungsverfahren sehen.

Abbildung 2: Traditionelle Subtraktion und mSAP-Prozess

Automatische Inspektion: Leiterplatten, die in Hochfrequenzanwendungen verwendet werden, müssen automatischen Inspektionsverfahren unterzogen werden, einschließlich optischer (AOI) oder durch ATE. Diese Verfahren ermöglichen es, die Qualität des Produkts erheblich zu verbessern und mögliche Fehler oder Ineffizienzen in der Schaltung hervorzuheben. Jüngste Fortschritte im Bereich der automatischen PCB-Inspektion und -Prüfung haben erheblich Zeit gespart und die Kosten gesenkt, die mit der manuellen Überprüfung und Prüfung verbunden sind. Der Einsatz neuer automatischer Erkennungstechnologie wird dazu beitragen, die Herausforderungen zu meistern, die 5G mit sich bringt, einschließlich der globalen Impedanzsteuerung in Hochfrequenzsystemen. Die zunehmende Akzeptanz automatisierter Inspektionsmethoden kann auch eine gleichbleibende Leistung und hohe Produktivität erreichen