Tecnologia RF - In che modo il 5G di vias ciechi e sepolti influenzerà la progettazione del PCB?

PCB è il cuore di ogni dispositivo elettronico. La sua importanza non è solo che consente collegamenti elettrici tra vari componenti, ma anche che trasporta segnali digitali e analogici, segnali di trasmissione dati ad alta frequenza e linee elettriche. Con l'introduzione della tecnologia 5G, il cieco e sepolto tramite la fabbrica di circuiti stampati ti dice quali nuove esigenze e requisiti PCB deve soddisfare?

Rispetto al 4G, l'imminente implementazione su larga scala delle reti 5G costringerà i progettisti a ripensare il design PCB delle apparecchiature mobili, IoT e di telecomunicazione. Le reti 5G avranno le caratteristiche di alta velocità, larghezza di banda larga e bassa latenza, tutte che richiedono un'attenta progettazione PCB per supportare le nuove caratteristiche ad alta frequenza.

Rispetto alle reti 4G, la tecnologia mobile di quinta generazione fornirà 10-20 volte la velocità di trasmissione (fino a 1Gbps), fino a 1000 volte la densità del traffico e 10 volte il numero di connessioni per chilometro quadrato. Le reti 5G sono inoltre progettate per fornire una latenza di 1 millisecondo, che è 10 volte più veloce della latenza fornita dalle reti 4G, e operano su una gamma di frequenze più ampia. Il PCB deve supportare contemporaneamente velocità di dati e frequenze molto più elevate della velocità di dati corrente, spingendo al limite la progettazione del segnale misto. Sebbene le frequenze operative delle reti 4G siano al di sotto della soglia di 6GHz (da 600MHz a 5.925 GHz), le reti 5G aumenteranno il limite di frequenza superiore ancora più alto fino alla regione dell'onda millimetrica (mmWave), con bande di frequenza centrate a 26GHz, 30GHz e 77GHz.

L'uso della banda di frequenza EHF (ad altissima frequenza) rappresenta una delle sfide più difficili che la tecnologia 5G porta ai progettisti di PCB. Le onde millimetriche si propagano solo attraverso la linea di vista e quando incontrano edifici, fogliame o condizioni meteorologiche avverse (come pioggia o umidità), saranno fortemente attenuate lungo il percorso. Pertanto, saranno necessarie più stazioni base per supportare le reti 5G. Per supportare un numero così elevato di frequenze, saranno necessarie antenne phased array multiple per supportare funzioni 5G avanzate, come il beamforming.

Pertanto, il cieco sepolto tramite circuito stampato ti dice che se si tratta di un dispositivo mobile o di una stazione base, avremo un PCB che integra un gran numero di unità array di antenna (AAU) e utilizza ampiamente la tecnologia MIMO massiccia. Nella Figura 1, possiamo vedere un prototipo di dispositivo 5G sviluppato da un'azienda leader nella progettazione di modem SoC e telecomunicazioni alcuni anni fa. Tre antenne attive, di dimensioni estremamente compatte, in grado di gestire le frequenze richieste dallo standard 5G, sono chiaramente visibili sul lato superiore e destro del PCB.

Figura 1: prototipo di dispositivo mobile 5G (fonte: Qualcomm)

Oltre alla frequenza, un'altra sfida importante è la larghezza di banda di ogni canale. Sebbene nella rete 4G, la larghezza di banda del canale sia impostata a 20MHz (il dispositivo IoT è limitato a 200kHz), nella rete 5G, il suo valore è stato impostato a 100MHz per le frequenze inferiori a 6GHz e 400MHz per le frequenze superiori a 6GHz. Sebbene ci siano già modem e componenti a radiofrequenza che possono supportare queste specifiche sul mercato, la scelta del materiale più adatto sarà la base per la progettazione del PCB. Poiché il front-end RF sarà direttamente integrato sul PCB, sono necessari materiali con perdita di trasmissione dielettrica estremamente bassa e conducibilità termica estremamente elevata. Per frequenze superiori a 6 GHz, i materiali utilizzati per la fabbricazione dei PCB devono essere adattati a substrati speciali nella banda di frequenza delle onde millimetriche.

La progettazione del PCB di applicazione 5G è completamente focalizzata sulla gestione di segnali misti ad alta velocità e ad alta frequenza. Oltre alle norme standard relative alla progettazione di PCB con segnali ad alta frequenza, è necessario selezionare adeguatamente il materiale al fine di evitare perdite di potenza e garantire l'integrità del segnale. L'EMI che può verificarsi tra la parte del segnale analogico e la parte che elabora il segnale digitale, in modo da soddisfare i requisiti FCC ed EMC. I due parametri che guidano la selezione dei materiali sono la conducibilità termica e il coefficiente termico della costante dielettrica, che descrivono la variazione della costante dielettrica (solitamente in ppm/°C). Un substrato ad alta conducibilità termica è ovviamente preferibile perché può facilmente dissipare il calore generato dal componente. Il coefficiente termico della costante dielettrica è un parametro altrettanto importante, perché il cambiamento nella costante dielettrica causerà la dispersione, che amplierà l'impulso digitale, cambierà la velocità di propagazione del segnale e in alcuni casi causerà riflessi del segnale lungo la linea di trasmissione.

Anche la geometria PCB gioca un ruolo importante, dove geometria significa spessore del laminato e caratteristiche della linea di trasmissione. Per quanto riguarda il primo punto, è necessario scegliere uno spessore laminato che è solitamente compreso tra 1/4 e 1/8 della lunghezza d'onda della più alta frequenza operativa. Se il laminato è troppo sottile, può verificarsi risonanza e può anche propagare le onde attraverso il conduttore. Per quanto riguarda la linea di trasmissione, è necessario decidere quale tipo di conduttore utilizzare: microstrip, stripline o guida d'onda complanare a terra (GCPW). Le linee microstrip possono essere le più familiari, ma hanno problemi con la perdita di radiazioni e la propagazione di modalità falsa sopra i 30 GHz. Anche le strisce sono una soluzione efficace, ma sono difficili da produrre e quindi più costose. Inoltre, i micro-fori devono essere utilizzati per collegare la linea del nastro allo strato più esterno. I GCPW sono una buona scelta, ma forniscono perdite di conduzione più elevate rispetto alle linee microstrip e strisce. Dopo aver selezionato il materiale del substrato, il progettista dovrebbe seguire le regole generali applicabili alla progettazione di PCB ad alta frequenza: utilizzare le tracce più brevi possibili e controllare la larghezza e la distanza tra le tracce per mantenere l'impedenza di tutte le interconnessioni

costante. Di seguito sono riportati alcuni suggerimenti utili o suggerimenti per progettare PCB per applicazioni 5G:

Scegliere materiali con bassa costante dielettrica (Dk): Poiché la perdita di Dk aumenta in proporzione alla frequenza, devono essere selezionati materiali con la costante dielettrica più bassa;

Utilizzare una piccola quantità di maschera di saldatura: la maggior parte delle maschere di saldatura hanno un'elevata capacità di assorbimento dell'umidità. Se ciò accade, possono verificarsi perdite elevate nel circuito;

Utilizzare filo di rame perfettamente liscio e vista del piano: La profondità corrente della pelle è in realtà inversamente proporzionale alla frequenza, quindi è molto bassa sui circuiti stampati con segnali ad alta frequenza. La superficie irregolare di rame fornirà un percorso irregolare per la corrente e aumenterà la perdita di resistenza;

Integrità del segnale: L'alta frequenza è una delle sfide più difficili affrontate dai progettisti IC. Per massimizzare l'I/O, l'interconnessione ad alta densità (HDI) richiede tracce più sottili. Questo fattore può causare l'attenuazione del segnale, portando a ulteriori perdite. Queste perdite hanno un effetto negativo sulla trasmissione dei segnali a radiofrequenza, che può essere ritardata di alcuni millisecondi, il che a sua volta causa problemi nella catena di trasmissione del segnale. Nel dominio ad alta frequenza, l'integrità del segnale si basa quasi interamente sul controllo dell'impedenza. Lo svantaggio dei processi di produzione tradizionali di PCB, come il processo sottrattivo, è che produce tracce con sezione trapezoidale (rispetto all'angolo verticale perpendicolare alla pista, l'angolo è solitamente compreso tra 25 e 45 gradi). Queste sezioni trasversali cambiano l'impedenza della pista stessa e limitano severamente le applicazioni 5G. Tuttavia, questo problema può essere risolto utilizzando la tecnologia mSAP (semi-additive manufacturing process), che consente la creazione di tracce più precise e permette la definizione della geometria della traccia mediante fotolitografia. Nella Figura 2, possiamo vedere il confronto tra i due processi di produzione.

Figura 2: sottrazione tradizionale e processo mSAP

Ispezione automatica: i PCB utilizzati nelle applicazioni ad alta frequenza devono essere sottoposti a procedure di ispezione automatiche, comprese quelle ottiche (AOI) o tramite ATE. Queste procedure permettono di migliorare notevolmente la qualità del prodotto, evidenziando possibili errori o inefficienze nel circuito. I recenti progressi nel settore dell'ispezione e dei test automatici del PCB hanno notevolmente risparmiato tempo e ridotto i costi associati alla verifica e al collaudo manuali. L'uso di nuove tecnologie di rilevamento automatico contribuirà a superare le sfide poste dal 5G, compreso il controllo globale dell'impedenza nei sistemi ad alta frequenza. La crescente adozione di metodi di ispezione automatizzati può anche ottenere prestazioni coerenti e un'elevata produttività