微波技術 - 5G的盲孔和埋入式過孔將如何影響PCB設計？

PCB是每一個電子設備的覈心。 它的重要性不僅在於它允許各種組件之間的電力連接，還在於它承載數位和類比信號、高頻資料傳輸訊號和電力線。 隨著5G科技的引入，盲孔和埋入式過孔電路板工廠告訴PCB需要滿足哪些新的需求和要求？

與4G相比，即將大規模部署的5G網絡將迫使設計師重新思考移動、物聯網和電信設備的PCB設計。 5G網絡將具有高速、寬帶寬和低延遲的特性，所有這些都需要仔細的PCB設計來支持新的高頻特性。

與4G網絡相比，第五代移動科技將提供10-20倍的傳輸速率（最高1Gbps）、1000倍的流量密度和10倍的每平方公里連接數。 5G網絡還被設計為提供1毫秒的延遲，比4G網絡提供的延遲快10倍，並且在更寬的頻率範圍內運行。 PCB必須同時支持遠高於當前資料速率的資料速率和頻率，從而將混合訊號設計推向極限。 儘管4G網絡的工作頻率低於6GHz閾值（從600MHz到5.925GHz），但5G網絡將把頻率上限提高到毫米波區域（毫米波），頻帶集中在26GHz、30GHz和77GHz。

EHF（甚高頻）頻帶的使用是5G科技給PCB設計者帶來的最困難的挑戰之一。 毫米波只通過視線傳播，當它們遇到建築物、樹葉或惡劣的天氣條件（如降雨或潮濕）時，它們會在途中被强烈衰减。 囙此，將需要更多的基站來支持5G網絡。 為了支持如此大量的頻率，將需要多個相控陣天線來支持先進的5G功能，如波束成形。

囙此，通過電路板埋入的盲板告訴你，無論是在移動設備還是基站上，我們都會有一塊集成了大量天線陣列單元（AAU）並廣泛使用大規模MIMO科技的PCB。 在圖1中，我們可以看到幾年前由一家領先的SoC和電信數據機設計公司開發的5G設備原型。 三個有源天線，尺寸非常緊湊，能够管理5G標準所需的頻率，在PCB的頂部和右側清晰可見。

圖1:5G移動設備原型（來源：高通公司）

除了頻率之外，另一個重要的挑戰是每個通道的頻寬。 儘管在4G網絡中，通道頻寬被設定為20MHz（物聯網設備被限制為200kHz），但在5G網絡中，其值已被設定為100MHz（頻率低於6GHz）和400MHz（頻率高於6GHz）。 儘管市場上已經有數據機和射頻組件可以支持這些規格，但選擇最合適的資料將是PCB設計的基礎。 由於射頻前端將直接集成在PCB上，囙此需要具有極低介電傳輸損耗和極高導熱率的資料。 對於6GHz以上的頻率，用於製造PCB的資料必須適應毫米波頻帶中的特殊基板。

5G應用PCB的設計完全專注於高速和高頻混合訊號的管理。 除了與具有高頻訊號的PCB設計相關的標準規則外，有必要適當選擇資料，以防止功率損失並保證訊號的完整性。 類比信號的部分和處理數位信號的部分之間可能出現的EMI，以滿足FCC和EMC的要求。 指導資料選擇的兩個參數是熱導率和介電常數的熱係數，這兩個參數描述了介電常數（通常以ppm/°C為組織）的變化。 具有高導熱性的基板顯然是優選的，因為它可以容易地消散由部件產生的熱量。 介電常數的熱係數是一個同樣重要的參數，因為介電常數中的變化將引起色散，這將加寬數位脈衝，改變訊號傳播速度，並且在某些情况下將引起沿傳輸線的訊號反射。

PCB幾何形狀也起著重要作用，其中幾何形狀意味著層壓板厚度和傳輸線特性。 關於第一點，有必要選擇通常在最高工作頻率的波長的1/4和1/8之間的層壓板厚度。 如果層壓板太薄，可能會發生共振，甚至可能通過導體傳播波。 關於傳輸線，有必要决定使用哪種類型的導體：微帶線、帶狀線或接地共面波導（GCPW）。 微帶線可能是最常見的，但它們在30GHz以上存在輻射損耗和雜散模式傳播的問題。 帶狀線也是一種有效的解決方案，但它們很難製造，囙此更昂貴。 此外，必須使用微孔將帶狀線連接到最外層。 GCPW是一個很好的選擇，但它們比微帶線和帶狀線提供更高的傳導損耗。 在選擇襯底資料後，設計者應遵循適用於高頻PCB設計的一般規則：使用盡可能短的跡線，並檢查跡線之間的寬度和距離，以保持所有互連的阻抗

常數 以下是為5G應用設計PCB的一些有用建議或技巧：

選擇低介電常數（Dk）的資料：由於Dk損耗與頻率成比例新增，囙此必須選擇介電常數最低的資料；

使用少量阻焊劑：大多數阻焊劑都具有很高的吸濕能力。 如果發生這種情況，電路中可能會出現高損耗；

使用非常光滑的銅線和平面圖：電流趨膚深度實際上與頻率成反比，囙此在具有高頻訊號的印刷電路板上非常淺。 不規則的銅表面將為電流提供不規則的路徑，並新增電阻損耗；

信號完整性：高頻是IC設計者面臨的最困難的挑戰之一。 為了最大化I/O，高密度互連（HDI）需要更薄的磁軌。 這個因素會導致訊號衰减，從而導致進一步的損耗。 這些損失對射頻訊號的傳輸有不利影響，射頻訊號的發送可能會延遲幾毫秒，這反過來又會導致訊號傳輸鏈出現問題。 在高頻域中，信號完整性幾乎完全基於檢查阻抗。 傳統PCB制造技術（如減法工藝）的缺點是，它生產的軌道橫截面為梯形（與垂直於軌道的垂直角度相比，角度通常在25度到45度之間）。 這些橫截面改變了軌道本身的阻抗，嚴重限制了5G的應用。 然而，這個問題可以通過使用mSAP（半增材制造技術）科技來解决，該科技允許創建更精確的跡線，並允許通過光刻來定義跡線幾何形狀。 在圖2中，我們可以看到兩種制造技術的比較。

圖2：傳統減法和mSAP過程

自動檢測：高頻應用中使用的PCB需要經過自動檢測程式，包括光學（AOI）或通過ATE。 這些程式可以極大地提高產品的質量，突出電路中可能出現的錯誤或效率低下。 PCB自動檢查和測試領域的最新進展極大地節省了時間，並降低了與手動驗證和測試相關的成本。 新的自動檢測科技的使用將有助於克服5G帶來的挑戰，包括高頻系統中的全域阻抗控制。 越來越多地採用自動化檢查方法也可以實現一致的效能和高生產率