Microwave Teknolojisi - 5G kör ve gömülmüş viallar PCB tasarımı nasıl etkileyecek?

PCB her elektronik cihazın kalbi. Onun önemi sadece çeşitli komponentler arasındaki elektrik bağlantıları sağlayacak değil, aynı zamanda dijital ve analog sinyalleri, yüksek frekans veri transmisi sinyalleri ve elektrik hatlarını taşıyacak. 5G teknolojisinin tanıtılmasıyla, devre kurulu fabrikasıyla gömülmüş kör ve gömülmüş, yeni ihtiyaçları ve ihtiyaçları olan PCB'nin karşılaşması gerektiğini söylüyor mu?

4G ile karşılaştırıldığında, 5G ağlarının gelişen büyük ölçekli yönetimi tasarımcıları mobil, IoT ve telekomunikasyon ekipmanlarının PCB tasarımını yeniden düşünmeye zorlayacak. 5G ağlarının yüksek hızlı, geniş bandwidth ve düşük latensinin özellikleri olacak. Bunların hepsi yeni yüksek frekans özelliklerini desteklemek için dikkatli PCB tasarımı gerekiyor.

4G ağlarıyla karşılaştırıldığında, beşinci nesil hücre teknolojisi, 1 Gbp'e kadar 10-20 kere transmit hızı sağlayacak, trafik yoğunluğunun 1000 kere ve kare kilometre'e kadar 10 kere bağlantıların sayısını sağlayacak. 5G a ğları da 4 G ağları tarafından verilen latensiden 10 kat daha hızlı ve daha geniş frekans menzilinde çalışmak için tasarlanmış. PCB, şu anda bulunan veri hızından çok yüksek olan veri oranlarını ve frekanslarını aynı zamanda desteklemeli, karışık sinyal tasarımı sınıra bastırmalıdır. 4G ağlarının operasyon frekansları 6GHz eşiğinin altında (600MHz'den 5.925GHz'e kadar) olsa da, 5G ağları 26GHz, 30GHz ve 77GHz'e merkezinde olan frekanslar yüksek frekansları sınırını yükseltecek.

EHF (çok yüksek frekans) frekans grubunun kullanımı, 5G teknolojisinin PCB tasarımcılarına getirdiği en zor zorluklardan birini temsil ediyor. Millimeter dalgaları sadece görüntü çizgisinden yayılır ve binalara, çöplüklere, ya da şiddetli hava koşullarına (yağmur ya da aşağılığı gibi) karşılaştıklarında yol boyunca güçlü düşürülecekler. Bu yüzden 5G ağlarını desteklemek için daha fazla temel istasyonlar gerekecek. Böyle büyük bir sayı frekansları desteklemek için, ışık formlaması gibi gelişmiş 5G fonksiyonlarını desteklemek için çoklu fazla seri antenleri gerekecek.

Bu yüzden devre tahtasından gömülmüş kör kişi, mobil bir cihazda ya da temel istasyonda olup olmadığını söylüyor. Büyük bir sürü anten seri birimleri (AAU) ile büyük bir MIMO teknolojisini integre eden bir PCB olacağız. Şekil 1'de birkaç yıl önce SoC ve telecom modem tasarım şirketi tarafından geliştirilmiş bir 5G cihaz prototipi görebiliriz. 5G standartlarına ihtiyacı olan frekansları yönetebilecek üç aktif anten, büyüklükte çok kompleks, PCB'nin üstünde ve sağ tarafında açıkça görünüyor.

Şekil 1: 5G mobil aygıt prototipi (kaynak: Qualcomm)

Frekansların yanında, her kanalın bandgenişliği başka bir önemli çözüm. 4G ağında, kanal bandwidth 20MHz'e ayarlandı (IoT aygıtı 200kHz'e sınırlı), 5G ağında, onun değeri 6GHz'in altındaki frekanslar için 100MHz'e ayarlandı. Bu belirtileri pazarda destekleyebilen modem ve radyo frekans komponentleri var ama en uygun maddeleri seçerek PCB tasarımının temeli olacak. RF ön tarafı PCB üzerinde doğrudan integre edileceğinden dolayı, çok düşük dielektrik transmisi kaybıyla ve çok yüksek sıcak süreci gerekiyor. 6GHz'in üstündeki frekanslar için PCB üretmek için kullanılan materyaller millimetre dalga frekansları grubundaki özel substratlara uygulanmalıdır.

5G uygulama PCB tasarımı karışık hızlı ve yüksek frekans sinyallerinin yönetimine tamamen odaklanıyor. Yüksek frekans sinyalleri ile PCB tasarımı ile ilgili standart kuralların yanında, güç kaybını engellemek ve sinyalin bütünlüğünü garanti etmek için materyali doğrudan seçmek gerekir. Analog sinyalin bir parças ı ve dijital sinyali işleyen parçası arasında olabilen EMI, FCC ve EMC ihtiyaçlarını yerine getirmek için. Matematiklerin seçimini yönlendiren iki parametre, dielektrik konstantlerin değişikliğini (genellikle ppm/°C'de) tanımlayan silahlı süreci ve dielektrik konstantlerin silahlı koefitörüdür. Yüksek sıcak süreci olan bir altı, kesinlikle tercih edilebilir çünkü komponent tarafından oluşturduğu sıcaklığı kolayca dağıtabilir. dielektrik konstantlerin termal koefisyensi eşit olarak önemli bir parameter, çünkü dielektrik konstantlerin değişikliği, dijital pulsünü genişletir, sinyal yayılma hızını değiştirir ve bazı durumlarda yayılma çizgisinin boyunca sinyal etkileşimlerini sebep eder.

PCB geometri de önemli bir rol oynuyor. Geometri, laminat kalınlığını ve yayılma hattı özelliklerini anlamına geliyor. İlk nokta hakkında, genelde en yüksek operasyon frekanslarının dalga uzunluğunun 1/4 ve 1/8 arasındaki laminat kalıntısını seçmek gerekir. Laminat çok ince olursa, resonans olabilir ve hatta davranıcıdan dalgalar yayılabilir. İletişim hattı hakkında, hangi yöneticinin kullanılmasını karar vermek gerekir: mikrostrip, strip çizgi, ya da temel koplanar dalga rehberini (GCPW). Mikrostrip çizgileri en tanıdık olabilir, ama radyasyon kaybıyla ve 30 GHz üzerindeki değerli modun yayılması sorunları var. Striplin de etkileyici bir çözüm, fakat üretilmek zor ve bu yüzden daha pahalıdır. Ayrıca, mikro delikler, ribon çizgisini en dış katına bağlamak için kullanılmalı. GCPWs iyi bir seçimdir, fakat mikrostrip çizgilerinden ve strip çizgilerinden daha yüksek davranış kaybını sağlıyorlar. Alt frekans materyalini seçtikten sonra tasarımcı yüksek frekans PCB tasarımına uygun genel kurallara uymalı: en kısa mümkün izleri kullanın ve tüm bağlantıların impedansını tutmak için izler arasındaki genişliğini ve uzağını kontrol edin.

konstant. Bunlar, 5G uygulamaları için PCB tasarlamak için kullanışlı öneriler veya tipler:

Düşük dielektrik konstantleri (Dk) ile maddeleri seçin: Dk kaybı frekanslara oranı arttırdığından beri en düşük dielektrik konstantleri olan materyaller seçilmeli olmalı;

Küçük bir miktar çözücü maskesini kullanın: Çoğu çözücü maskelerin yüksek ısınma kapasitesi vardır. Eğer böyle olursa, devrede yüksek kayıplar olabilir;

Tam düz bakra kablosunu ve plan ı görüntüsünü kullanın: Şimdiki deri derinliği frekanslarına tersi olarak proporsyonal, bu yüzden yüksek frekans sinyalleri ile basılmış devre tabloslarında çok derindir. Kurumsuz bakra yüzeyi şu anki için yasadışı bir yol sağlayacak ve dirençlik kaybını arttıracak;

Signal integritet: Yüksek frekans IC tasarımcılarının karşısındaki en zor zorluklardan biridir. I/O'yu büyütmek için yüksek yoğunluk bağlantısı (HDI) için daha ince izler gerekiyor. Bu faktor sinyal düzenlemesini neden olabilir ve daha fazla kaybetmeye yol açar. Bu kayıplar radyo frekans sinyallerinin yayınlaması üzerinde, birkaç milisaniyede geciktirilebilir. Bu sinyal yayınlama zincirinde sorun çıkarır. Yüksek frekans alanında, sinyal bütünlüğü neredeyse tamamen impedans kontrolünde dayanılır. Çıkarma süreci gibi geleneksel PCB üretim süreçlerin bozukluğu, trapezoidal bir karşılaştırma bölümü ile izleri oluşturuyor (parçaya doğru a çı perpendikül kıyasla, açı genellikle 25 ile 45 derece arasındadır). Bu karışık bölümler yolun kendisini değiştirir ve 5G uygulamalarını ciddi olarak sınırlar. Ancak, bu problemi mSAP (yarı ilave üretim süreci) teknolojisi kullanarak çözülebilir ki daha kesin izler oluşturmasına izin verir ve izler geometrisini fotografiyle tanımlamasına izin verir. Şekil 2'de iki üretim sürecinin karşılaştığını görebiliriz.

2. Şekil: Tradisyonel çıkarma ve mSAP süreci

Otomatik denetim: yüksek frekans uygulamalarında kullanılan PCB'ler otomatik denetim prosedürleri, optik (AOI) ya da ATE aracılığıyla dahil olmalı. Bu prosedürler ürün kalitesini büyük bir şekilde geliştirmeye, mümkün hataları veya devredeki etkisizliği belirtmesine izin verir. Otomatik PCB inceleme ve sınama alanında son zamanlarda önemli bir süre kaydedildi ve el doğrulama ve sınama ile alakalı maliyetleri azalttı. Yeni otomatik keşfetme teknolojisinin kullanımı, yüksek frekans sistemlerinde küresel impedans kontrolü dahil olan 5G tarafından gelen sorunları üstlenmeye yardım edecek. Otomatik denetim metodlarının evlenmesini arttırmak da sürekli performans ve yüksek üretimlilik sağlayabilir.