Tecnología de microondas - ¿¿ cómo afectarán los agujeros ciegos y los agujeros enterrados del 5G al diseño de pcb?

Los PCB son el núcleo de cada dispositivo electrónico. Su importancia no es solo que permita conexiones eléctricas entre varios componentes, sino que también lleva señales digitales y analógicas, señales de transmisión de datos de alta frecuencia y líneas eléctricas. ¿Con la introducción de la tecnología 5g, ¿ qué nuevas necesidades y requisitos deben cumplir las fábricas de placas de circuito perforadas ciegas y enterradas para decirle a los pcb?

En comparación con 4g, las redes 5G que se desplegarán a gran escala obligarán a los diseñadores a repensar el diseño de PCB de dispositivos móviles, de Internet de las cosas y de Telecomunicaciones. Las redes 5G tendrán características de alta velocidad, ancho de banda ancha y baja latencia, todo lo cual requiere un diseño cuidadoso de PCB para apoyar nuevas características de alta frecuencia.

En comparación con las redes 4g, la tecnología móvil de quinta generación proporcionará 10 - 20 veces la velocidad de transmisión (hasta 1 gbps), 1000 veces la densidad de tráfico y 10 veces el número de conexiones por kilómetro cuadrado. Las redes 5G también están diseñadas para proporcionar un retraso de 1 milisegundo, 10 veces más rápido que el retraso proporcionado por las redes 4g, y funcionan en un rango de frecuencia más amplio. Los PCB deben soportar al mismo tiempo tasas y frecuencias de datos mucho más altas que las tasas de datos actuales, empujando así el diseño de señales híbridas al límite. Aunque la frecuencia de funcionamiento de la red 4G está por debajo del umbral de 6 GHz (de 600 MHz a 5925 ghz), la red 5G elevará el límite superior de frecuencia a la zona de ondas milimétricas (ondas milimétricas), con bandas concentradas en 26 ghz, 30 GHz y 77 ghz.

El uso de la banda de frecuencia ehf (muy alta frecuencia) es uno de los desafíos más difíciles que la tecnología 5G plantea a los diseñadores de pcb. Las ondas milimétricas solo viajan a través de la vista y se atenuan fuertemente en el camino cuando se encuentran con edificios, hojas o condiciones meteorológicas adversas, como lluvia o humedad. Por lo tanto, se necesitarán más estaciones base para apoyar las redes 5g. Para soportar una frecuencia tan grande, se necesitarán varias antenas de matriz por fases para soportar funciones 5G avanzadas, como la formación de haces.

Por lo tanto, la placa ciega enterrada a través de la placa de circuito te dice que tanto en dispositivos móviles como en estaciones base, tendremos un PCB que integra un gran número de unidades de matriz de antenas (aau) y utiliza ampliamente la tecnología mimo a gran escala. En la figura 1 podemos ver el prototipo de dispositivo 5G desarrollado hace unos años por una empresa líder de diseño de módems SOC y de Telecomunicaciones. Tres antenas activas, de tamaño muy compacto, capaces de gestionar las frecuencias necesarias para los estándares 5g, son claramente visibles en la parte superior y derecha del pcb.

Figura 1: prototipo de dispositivo móvil 5G (fuente: qualcomm)

Además de la frecuencia, otro desafío importante es el ancho de banda de cada canal. Aunque en las redes 4G el ancho de banda del canal se establece en 20 MHz (los dispositivos de Internet de las cosas están limitados a 200 khz), en las redes 5G sus valores se han establecido en 100 MHz (frecuencia inferior a 6 ghz) y 400 MHz (frecuencia superior a 6 ghz). Aunque ya hay en el mercado módems y componentes de radiofrecuencia que pueden soportar estas especificaciones, la selección del material más adecuado será la base del diseño de los pcb. Debido a que la parte delantera de la radiofrecuencia se integrará directamente en el pcb, se necesitan materiales con pérdidas de transmisión dieléctrica extremadamente bajas y conductividad térmica extremadamente alta. Para frecuencias superiores a 6 ghz, el material utilizado para fabricar PCB debe adaptarse a un sustrato especial en la banda de ondas milimétricas.

El diseño de los PCB de aplicación 5G se centra completamente en la gestión de señales mixtas de alta velocidad y alta frecuencia. Además de las normas estándar relacionadas con el diseño de PCB con señales de alta frecuencia, es necesario seleccionar adecuadamente el material para evitar la pérdida de potencia y garantizar la integridad de la señal. Un posible EMI entre la parte de la señal analógica y la parte que procesa la señal digital para cumplir con los requisitos de FCC y emc. Los dos parámetros que guían la selección del material son la conductividad térmica y el coeficiente térmico de la constante dieléctrica, que describen la variación de la constante dieléctrica (generalmente en unidades de ppm / ° c). Un sustrato con alta conductividad térmica es claramente preferido porque puede disipar fácilmente el calor generado por el componente. El coeficiente térmico de la constante dieléctrica es un parámetro igualmente importante, ya que los cambios en la constante dieléctrica provocarán dispersión, lo que ensanchará el pulso digital, cambiará la velocidad de propagación de la señal y, en algunos casos, provocará reflejo de la señal a lo largo de la línea de transmisión.

La geometría del PCB también juega un papel importante, en el que la geometría significa el grosor del laminado y las características de la línea de transmisión. En cuanto al primer punto, es necesario seleccionar un espesor de laminado entre 1 / 4 y 1 / 8 de la longitud de onda que suele estar en la frecuencia de funcionamiento más alta. Si el laminado es demasiado delgado, puede ocurrir resonancia e incluso puede propagar ondas a través de conductores. En cuanto a las líneas de transmisión, es necesario decidir qué tipo de conductores se utilizan: líneas de microstrip, líneas de banda o guías de onda coplanares de tierra (gcpw). Las líneas de MICROSTRIP pueden ser las más comunes, pero tienen problemas de pérdida de radiación y propagación de modo disperso por encima de 30 ghz. Las líneas de banda también son una solución eficaz, pero son difíciles de fabricar y, por lo tanto, más caras. Además, se deben utilizar microporos para conectar las líneas de banda a la capa exterior. Gcpw es una buena opción, pero proporcionan una mayor pérdida de conducción que las líneas de MICROSTRIP y banda. Una vez seleccionado el material del sustrato, el diseñador debe seguir las reglas generales aplicables al diseño de los PCB de alta frecuencia: utilizar los rastros lo más cortos posible y comprobar el ancho y la distancia entre los rastros para mantener la resistencia de todas las interconexiones

Constante Estas son algunas sugerencias o consejos útiles para diseñar PCB para aplicaciones 5g:

Selección de materiales con baja Permitividad (dk): debido a que la pérdida de DK aumenta proporcionalmente a la frecuencia, se debe seleccionar el material con la Permitividad más baja;

Uso de una pequeña cantidad de flujo de bloqueo: la mayoría de los flujos de bloqueo tienen una alta capacidad de absorción de humedad. Si esto sucede, puede haber una alta pérdida en el circuito;

Uso de cables de cobre y planos muy lisos: la profundidad de la piel de la corriente eléctrica es en realidad inversamente proporcional a la frecuencia, por lo que es muy poco profunda en placas de circuito impreso con señales de alta frecuencia. La superficie de cobre irregular proporcionará un camino irregular para la corriente eléctrica y aumentará la pérdida de resistencia;

Integridad de la señal: la alta frecuencia es uno de los desafíos más difíciles que enfrentan los diseñadores de ic. Para maximizar el I / o, las interconexiones de alta densidad (idh) requieren vías más delgadas. Este factor provocará una atenuación de la señal, lo que provocará nuevas pérdidas. Estas pérdidas tienen un impacto negativo en la transmisión de la señal de radiofrecuencia, que puede retrasarse varios milisegundos, lo que a su vez puede causar problemas en la cadena de transmisión de la señal. En el dominio de alta frecuencia, la integridad de la señal se basa casi exclusivamente en la resistencia de inspección. La desventaja de los procesos tradicionales de fabricación de pcb, como el proceso de resta, es que produce una sección transversal trapezoidal de la vía (generalmente entre 25 y 45 grados en comparación con un ángulo vertical perpendicular a la vía). Estas secciones transversales cambian la resistencia de la propia órbita y limitan seriamente la aplicación del 5g. Sin embargo, este problema se puede resolver utilizando la tecnología msap (proceso de fabricación semiaditiva), que permite crear trazas más precisas y permitir definir la geometría de las trazas a través de la litografía. En la figura 2, podemos ver una comparación entre los dos procesos de fabricación.

Figura 2: resta tradicional y proceso msap

Detección automática: los PCB utilizados en aplicaciones de alta frecuencia requieren un programa de detección automática, incluida la óptica (aoi) o a través de ate. Estos programas pueden mejorar enormemente la calidad del producto, destacando posibles errores o ineficiencias en el circuito. Los últimos avances en el campo de la inspección y prueba automática de PCB han ahorrado mucho tiempo y han reducido los costos relacionados con la verificación y prueba manual. El uso de nuevas tecnologías de detección automática ayudará a superar los desafíos planteados por el 5g, incluido el control de resistencia global en sistemas de alta frecuencia. El uso cada vez mayor de métodos de Inspección automatizados también puede lograr un rendimiento consistente y una alta productividad.