Technique RF - Comment les trous borgnes et enterrés de la 5G affecteront - ils la conception de PCB?

Les PCB sont au cœur de tout appareil électronique. Son importance réside non seulement dans le fait qu'il permet la connexion électrique entre les différents composants, mais aussi dans le fait qu'il transporte des signaux numériques et analogiques, des signaux de transmission de données à haute fréquence et des lignes électriques. Avec l'introduction de la technologie 5G, quels nouveaux besoins et exigences les usines de circuits imprimés perforés borgnes et enterrés indiquent - elles aux PCB?

Par rapport à la 4G, le déploiement à grande échelle imminent des réseaux 5G obligera les concepteurs à repenser la conception des PCB pour les appareils mobiles, IOT et de télécommunications. Les réseaux 5G auront les caractéristiques d'une vitesse élevée, d'une large bande passante et d'une faible latence, qui nécessitent tous une conception minutieuse de PCB pour prendre en charge les nouvelles caractéristiques haute fréquence.

Par rapport aux réseaux 4G, la technologie mobile de cinquième génération offrira des vitesses de transmission 10 à 20 fois supérieures (jusqu’à 1 Gbit / s), une densité de trafic 1 000 fois supérieure et 10 fois plus de connexions par kilomètre carré. Les réseaux 5G sont également conçus pour fournir une latence de 1 milliseconde, 10 fois plus rapide que celle offerte par les réseaux 4G, et fonctionnent sur une gamme de fréquences plus large. Les PCB doivent simultanément supporter des débits et des fréquences de données bien supérieurs aux débits actuels, poussant ainsi la conception de signaux mixtes à ses limites. Bien que les réseaux 4G fonctionnent à des fréquences inférieures au seuil de 6 GHz (de 600 MHz à 5925 GHz), les réseaux 5G relèveront la limite supérieure de fréquence à la zone des ondes millimétriques (ondes millimétriques), avec des bandes de fréquences concentrées à 26 GHz, 30 GHz et 77 GHz.

L’utilisation de la bande EHF (très haute fréquence) est l’un des défis les plus difficiles que la technologie 5G pose aux concepteurs de PCB. Les ondes millimétriques ne se propagent que par la ligne de visée et sont fortement atténuées en cours de route lorsqu'elles rencontrent des bâtiments, des feuilles ou des conditions météorologiques défavorables telles que la pluie ou l'humidité. Par conséquent, plus de stations de base seront nécessaires pour soutenir les réseaux 5G. Pour prendre en charge un si grand nombre de fréquences, plusieurs antennes à réseau phasé seront nécessaires pour prendre en charge des fonctionnalités 5G avancées telles que la formation de faisceaux.

Ainsi, les blinds enterrés à travers la carte vous disent que, que ce soit sur un appareil mobile ou une station de base, nous aurons un morceau de PCB qui intègre un grand nombre d'unités de réseau d'antennes (aau) et utilise largement la technologie massive MIMO. Sur la figure 1, nous pouvons voir un prototype d'appareil 5G développé il y a quelques années par une société de conception de modems SOC et Télécom de premier plan. Trois antennes actives, très compactes et capables de gérer les fréquences requises par la norme 5G, sont clairement visibles en haut et à droite du PCB.

Figure 1: prototype d’appareil mobile 5G (source Qualcomm)

En plus de la fréquence, un autre défi important est la bande passante de chaque canal. Alors que dans les réseaux 4G, la bande passante du canal est fixée à 20 MHz (les appareils IOT sont limités à 200 kHz), dans les réseaux 5G, ses valeurs ont été fixées à 100 MHz (fréquences inférieures à 6 GHz) et 400 MHz (fréquences supérieures à 6 GHz). Bien qu'il existe déjà des modems et des composants RF sur le marché qui peuvent prendre en charge ces spécifications, le choix du matériau le plus approprié sera la base de la conception du PCB. Comme l'extrémité frontale RF sera directement intégrée sur le PCB, il est nécessaire de disposer de matériaux présentant des pertes de transmission diélectrique extrêmement faibles et une conductivité thermique extrêmement élevée. Pour les fréquences supérieures à 6 GHz, les matériaux utilisés pour la fabrication des PCB doivent être adaptés à des substrats spéciaux dans la bande des ondes millimétriques.

La conception du PCB pour les applications 5G est entièrement axée sur la gestion des signaux mixtes haute vitesse et haute fréquence. En plus des règles standard relatives à la conception de PCB avec des signaux haute fréquence, il est nécessaire de bien choisir les matériaux pour éviter les pertes de puissance et garantir l'intégrité du signal. EMI pouvant apparaître entre la partie du signal analogique et la partie traitant le signal numérique pour répondre aux exigences de la FCC et de l'EMC. Les deux paramètres guidant le choix du matériau sont la conductivité thermique et le coefficient thermique de la constante diélectrique, qui décrivent la variation de la constante diélectrique (généralement en ppm / °C). Un substrat à conductivité thermique élevée est évidemment préféré car il dissipe facilement la chaleur générée par le composant. Le coefficient thermique de la constante diélectrique est un paramètre tout aussi important, car une variation de la constante diélectrique provoquera une dispersion chromatique qui élargira les impulsions numériques, modifiera la vitesse de propagation du signal et, dans certains cas, provoquera une réflexion du signal le long de la ligne de transmission.

La géométrie de PCB joue également un rôle important, où la géométrie implique l'épaisseur du stratifié et les caractéristiques de la ligne de transmission. En ce qui concerne le premier point, il est nécessaire de choisir une épaisseur de stratifié généralement comprise entre 1 / 4 et 1 / 8 de la longueur d'onde de la fréquence de fonctionnement la plus élevée. Si le stratifié est trop mince, une résonance peut se produire et peut même propager des ondes à travers les conducteurs. En ce qui concerne les lignes de transmission, il est nécessaire de décider quel type de conducteur utiliser: ligne microruban, ligne ruban ou guide d'onde coplanaire à la Terre (gcpw). Les lignes microruban sont peut - être les plus courantes, mais elles présentent des problèmes de pertes radiatives et de propagation de modes parasites au - dessus de 30 GHz. Les rubans sont également une solution efficace, mais ils sont difficiles à fabriquer et donc plus coûteux. En outre, il est nécessaire d'utiliser des micropores pour connecter les lignes de ruban à la couche la plus externe. Les gcpw sont un excellent choix, mais ils offrent des pertes de conduction plus élevées que les lignes microruban et ruban. Après avoir choisi le matériau du substrat, le concepteur doit suivre les règles générales applicables à la conception de PCB haute fréquence: utiliser les traces les plus courtes possibles et vérifier la largeur et la distance entre les traces pour maintenir l'impédance de toutes les interconnexions.

Constante Voici quelques conseils ou astuces utiles pour concevoir des PCB pour des applications 5G:

Le choix d'un matériau à faible permittivité diélectrique (DK): les pertes DK augmentant proportionnellement à la fréquence, il est nécessaire de choisir le matériau dont la permittivité diélectrique est la plus faible;

Utilisez une petite quantité de flux de blocage: la plupart des flux de blocage ont une grande capacité d'absorption de l'humidité. Si cela se produit, des pertes élevées peuvent survenir dans le circuit;

On utilise un fil de cuivre très lisse et un plan d'étage: la profondeur de clignotement du courant est en fait inversement proportionnelle à la fréquence et donc très superficielle sur une carte de circuit imprimé à signaux haute fréquence. Une surface de cuivre irrégulière fournirait un chemin irrégulier au courant et augmenterait les pertes de résistance;

Intégrité du signal: les hautes fréquences sont l'un des défis les plus difficiles auxquels sont confrontés les concepteurs de circuits intégrés. Pour maximiser les E / s, les interconnexions haute densité (HDI) nécessitent des pistes plus minces. Ce facteur provoque une atténuation du signal, ce qui entraîne des pertes supplémentaires. Ces pertes ont un effet néfaste sur la transmission des signaux radiofréquences qui peuvent être retardés de quelques millisecondes, ce qui entraîne à son tour des problèmes dans la chaîne de transmission des signaux. Dans le domaine des hautes fréquences, l'intégrité du signal repose presque exclusivement sur l'examen de l'impédance. L'inconvénient des procédés traditionnels de fabrication de PCB, tels que les procédés soustractifs, est qu'il produit des rails de section trapézoïdale (l'angle est généralement compris entre 25 et 45 degrés par rapport à l'angle vertical perpendiculaire au rail). Ces sections modifient l'impédance de la piste elle - même, ce qui limite considérablement l'application de la 5G. Cependant, ce problème peut être résolu en utilisant la technologie msap (semi - Additive Manufacturing Process) qui permet de créer des traces plus précises et de définir la géométrie des traces par lithographie. Sur la figure 2, on peut voir une comparaison des deux procédés de fabrication.

Figure 2: procédés traditionnels de soustraction et de msap

Détection automatique: les PCB utilisés dans les applications à haute fréquence doivent être soumis à un programme de détection automatique, y compris optique (AOI) ou via ate. Ces procédures peuvent grandement améliorer la qualité du produit, mettre en évidence les erreurs ou les inefficacités qui peuvent survenir dans le circuit. Les dernières avancées dans le domaine de l'inspection et des tests automatiques de PCB ont permis de gagner énormément de temps et de réduire les coûts associés à la vérification et aux tests manuels. L'utilisation de nouvelles technologies de détection automatique aidera à surmonter les défis posés par la 5G, y compris le contrôle global de l'impédance dans les systèmes haute fréquence. L'adoption croissante de méthodes d'inspection automatisées permet également d'obtenir des performances constantes et une productivité élevée