Teknologi Microwave - Bagaimana 5G botol buta dan terkubur akan mempengaruhi rancangan PCB?

PCB adalah jantung setiap peranti elektronik. Kepentingannya bukan hanya bahawa ia membolehkan sambungan elektrik antara pelbagai komponen, tetapi juga bahawa ia membawa isyarat digital dan analog, isyarat penghantaran data frekuensi tinggi, dan garis kuasa. Dengan perkenalan teknologi 5G, buta dan dikubur melalui kilang papan sirkuit memberitahu anda apa keperluan dan keperluan baru PCB perlu memenuhi?

Berbanding dengan 4G, penerbangan skala besar ke depan rangkaian 5G akan memaksa perancang untuk memikirkan semula rancangan PCB - peralatan bimbit, IoT, dan telekomunikasi. Rangkaian 5G akan mempunyai ciri-ciri kelajuan tinggi, lebar jalur lebar dan kelemahan rendah, yang semua memerlukan rancangan PCB berhati-hati untuk menyokong ciri-ciri frekuensi tinggi baru.

Berbanding dengan rangkaian 4G, teknologi bimbit generasi lima akan menyediakan 10-20 kali kadar pemindahan (sehingga 1Gbps), sehingga 1000 kali ketepatan lalu lintas dan 10 kali bilangan sambungan per kilometer kuasa dua. Rangkaian 5G juga dirancang untuk menyediakan keterlaluan 1 milisaat, yang 10 kali lebih cepat daripada keterlaluan yang disediakan oleh rangkaian 4G, dan beroperasi dalam julat frekuensi yang lebih luas. PCB mesti secara bersamaan menyokong kadar data dan frekuensi yang jauh lebih tinggi daripada kadar data semasa, mendorong desain isyarat-campuran ke had. Walaupun frekuensi operasi rangkaian 4G berada di bawah ambang 6GHz (dari 600MHz ke 5.925GHz), rangkaian 5G akan meningkatkan had frekuensi atas bahkan lebih tinggi hingga kawasan gelombang milimeter (mmWave), dengan band frekuensi ditengah pada 26GHz, 30GHz dan 77GHz.

Penggunaan band frekuensi EHF (frekuensi yang sangat tinggi) mewakili salah satu cabaran paling sukar yang teknologi 5G membawa kepada penjana PCB. Gelombang milimeter tidak bertambah melalui garis penglihatan, dan apabila mereka bertemu bangunan-bangunan, lapisan, atau keadaan cuaca yang berat (seperti hujan atau basah), mereka akan lemah dalam perjalanan. Oleh itu, lebih banyak stesen asas akan diperlukan untuk menyokong rangkaian 5G. Untuk menyokong sejumlah frekuensi yang besar, antena array berbilang fasa akan diperlukan untuk menyokong fungsi 5G maju, seperti bentuk cahaya.

Oleh itu, buta yang terkubur melalui papan sirkuit memberitahu and a sama ada ia berada pada peranti bimbit atau stesen asas, kita akan mempunyai PCB yang mengintegrasikan sejumlah besar unit tatasusunan antena (AAU) dan menggunakan secara luas teknologi MIMO. Dalam Figure 1, kita boleh melihat prototip peranti 5G dikembangkan oleh syarikat desain SoC dan modem telekomunikasi yang utama beberapa tahun yang lalu. Tiga antena aktif, sangat kompak dalam saiz, mampu mengendalikan frekuensi yang diperlukan oleh piawai 5G, jelas terlihat di bahagian atas dan kanan PCB.

Gambar 1: prototip peranti bimbit 5G (sumber: Qualcomm)

Selain frekuensi, cabaran penting lain ialah lebar banding setiap saluran. Walaupun dalam rangkaian 4G, lebar jalur ditetapkan kepada 20MHz (peranti IoT terhadap 200kHz), dalam rangkaian 5G, nilainya telah ditetapkan kepada 100MHz untuk frekuensi di bawah 6GHz dan 400MHz untuk frekuensi di atas 6GHz. Walaupun terdapat modem dan komponen frekuensi radio yang boleh menyokong spesifikasi ini di pasar, memilih bahan yang paling sesuai akan menjadi dasar untuk desain PCB. Kerana ujung depan RF akan secara langsung terpasang pada PCB, bahan-bahan dengan hilang transmisi dielektrik yang sangat rendah dan konduktiviti panas yang sangat tinggi diperlukan. Untuk frekuensi di atas 6GHz, bahan yang digunakan untuk menghasilkan PCB mesti disesuaikan kepada substrat istimewa dalam band frekuensi gelombang milimeter.

Design PCB aplikasi 5G sepenuhnya fokus pada pengurusan isyarat kelajuan tinggi dan frekuensi tinggi campuran. Selain peraturan piawai yang berkaitan dengan rancangan PCB dengan isyarat frekuensi tinggi, perlu memilih bahan yang sesuai untuk mencegah kerugian kuasa dan menjamin integriti isyarat. EMI yang mungkin berlaku antara bahagian isyarat analog dan bahagian yang memproses isyarat digital, untuk memenuhi keperluan FCC dan EMC. Dua parameter yang menunjukkan pemilihan bahan adalah konduktiviti panas dan koeficien panas konstan dielektrik, yang menggambarkan perubahan konstan dielektrik (biasanya dalam ppm/°C). Substrat dengan konduktiviti panas tinggi jelas lebih baik kerana ia boleh dengan mudah menghapuskan panas yang dijana oleh komponen. Koeficien panas konstan dielektrik adalah parameter yang sama penting, kerana perubahan konstan dielektrik akan menyebabkan pembebasan, yang akan memperluas denyutan digital, mengubah kelajuan pembebasan isyarat, dan dalam beberapa kes akan menyebabkan refleksi isyarat sepanjang garis transmisi.

Geometri PCB juga bermain peran penting, di mana geometri bermakna tebal laminasi dan ciri-ciri garis penghantaran. Mengenai titik pertama, perlu memilih tebal laminat yang biasanya antara 1/4 dan 1/8 panjang gelombang frekuensi operasi tertinggi. Jika laminat terlalu tipis, resonansi mungkin berlaku, dan ia bahkan boleh menyebarkan gelombang melalui konduktor. Regarding the transmission line, it is necessary to decide which type of conductor to use: microstrip, stripline, or grounded coplanar waveguide (GCPW). Garis microstrip mungkin paling biasa, tetapi mereka mempunyai masalah dengan kehilangan radiasi dan penyebaran mod spurious di atas 30 GHz. Striplin juga adalah penyelesaian yang efektif, tetapi ia sukar untuk dihasilkan dan oleh itu lebih mahal. Selain itu, lubang-mikro mesti digunakan untuk menyambung garis pita ke lapisan paling luar. GCPW adalah pilihan yang baik, tetapi mereka menyediakan kehilangan kondukti yang lebih tinggi daripada garis microstrip dan garis strip. Selepas memilih bahan substrat, desainer patut mengikut peraturan umum yang berlaku untuk desain PCB frekuensi tinggi: guna jejak yang paling pendek yang mungkin, dan periksa lebar dan jarak diantara jejak untuk menjaga halangan semua sambungan

konstan. Berikut adalah beberapa cadangan atau tip berguna untuk merancang PCB untuk aplikasi 5G:

Pilih bahan dengan konstan dielektrik rendah (Dk): Oleh kerana kehilangan Dk meningkat dalam nisbah kepada frekuensi, bahan dengan konstan dielektrik rendah mesti dipilih;

Guna jumlah kecil topeng askar: Kebanyakan topeng askar mempunyai kapasitas penyorban kelembapan tinggi. Jika ini berlaku, kerugian yang tinggi mungkin berlaku dalam sirkuit;

Guna wayar tembaga yang sempurna licin dan paparan rancangan: Kedalaman kulit semasa sebenarnya berlebihan dengan frekuensi, jadi ia sangat rendah pada papan sirkuit cetak dengan isyarat frekuensi tinggi. Permukaan tembaga tidak sah akan menyediakan laluan tidak sah untuk semasa dan meningkatkan kehilangan perlawanan;

Integriti isyarat: Frekuensi tinggi adalah salah satu cabaran yang paling sukar dihadapi oleh raksasa IC. Untuk maksimumkan I/O, sambungan ketepatan tinggi (HDI) memerlukan trek yang lebih tipis. Faktor ini boleh menyebabkan pengurangan isyarat, menyebabkan kehilangan lebih lanjut. Kehilangan ini mempunyai kesan negatif pada penghantaran isyarat frekuensi radio, yang mungkin ditunda dengan beberapa milisaat, yang menurutnya menyebabkan masalah dalam rantai penghantaran isyarat. Dalam domain frekuensi tinggi, integriti isyarat hampir sepenuhnya berdasarkan pemeriksaan impedance. Kegagalan proses penghasilan PCB tradisional, seperti proses tolak, ialah ia menghasilkan trek dengan seksyen salib trapezoidal (dibandingkan dengan sudut menegak selari trek, sudut biasanya antara 25 dan 45 darjah). Seksyen salib ini mengubah impedance trek sendiri dan mengatasi aplikasi 5G secara berat. Namun, masalah ini boleh diselesaikan dengan menggunakan teknologi mSAP (proses produksi semi-aditif), yang membolehkan penciptaan jejak yang lebih tepat dan membolehkan geometri jejak ditakrif oleh fotolitografi. Dalam Gambar 2, kita boleh melihat perbandingan dua proses penghasilan.

Figure 2: Penolakan tradisional dan proses mSAP

Pemeriksaan automatik: PCB yang digunakan dalam aplikasi frekuensi tinggi perlu mengalami prosedur pemeriksaan automatik, termasuk optik (AOI) atau melalui ATE. Prosedur ini memungkinkan untuk meningkatkan kualiti produk dengan besar, menyatakan ralat atau ketidakefektiviti yang mungkin dalam sirkuit. Kemajuan baru-baru ini dalam kawasan pemeriksaan dan ujian automatik PCB telah menyimpan banyak masa dan mengurangkan kos yang berkaitan dengan pemeriksaan dan ujian manual. Penggunaan teknologi pengesan automatik baru akan membantu mengatasi cabaran yang dibawa oleh 5G, termasuk kawalan impedance global dalam sistem frekuensi tinggi. Meningkatkan penerimaan kaedah pemeriksaan automatik juga boleh mencapai prestasi konsisten dan produktifiti tinggi