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L'avvento della tecnologia 5G sta rivoluzionando il modo in cui le persone si connettono, interagiscono e consumano i dati. Con la sua velocità elevatissime, latenza bassissima e connettività massiccia dei dispositiviIl 5G sta rendendo realtà applicazioni come le auto autonome, l'IoT industriale, le città intelligenti e l'assistenza sanitaria a distanza. Dietro ogni dispositivo abilitato al 5G, tuttavia, si nasconde un eroe non celebrato.il circuito stampato 5G (PCB 5G).
La progettazione di una scheda 5G e di altre schede ad alta frequenza è un gioco completamente diverso rispetto alle tipiche schede a bassa velocità. A queste frequenze, il PCB è ora parte del sistema RF, dove la geometria delle tracce, le proprietà dei materiali e le tolleranze di assemblaggio hanno un effetto diretto sulle prestazioni e sulla funzionalità.
In questo articolo imparerete:
- Linee guida per la selezione dei materiali per PCB ad alta frequenza
- Come garantire l'integrità del segnale nei circuiti stampati 5G
- Strategie per una progettazione efficace dei circuiti 5G
- Considerazioni sulla produzione di PCB 5G
Che cos'è un PCB 5G? Il 5G è migliore?
L'impiego di bande ad alta frequenza (come le onde millimetriche), grandi antenne MIMOLe tecnologie di beamforming, network slicing e edge computing consentono al 5G di raggiungere velocità di trasmissione più elevate, latenza più bassa e maggiore capacità di connessione. Le differenze principali tra la tecnologia 4G e 5G sono brevemente confrontate di seguito:
Tabella di confronto tra 4G e 5G
| Caratteristica | 4G LTE | 5G |
| Banda di frequenza | 1-2 GHz (banda bassa) | 3,5 GHz, 28 GHz+ (incluso mmWave) |
| Velocità di picco | ~100 Mbps - 1 Gbps | ~10 Gbps |
| Latenza | ~30-50 ms | ~1 ms |
| Densità di connessione | ~100.000 dispositivi per km² | ~1.000.000 di dispositivi per km² |
| Tecnologie chiave | MIMO (poche antenne), OFDM | Massive MIMO, Beamforming, Network Slicing, Edge Computing |
| Applicazioni tipiche | Streaming video, internet mobile, social media | Guida autonoma, IIoT, assistenza sanitaria a distanza, AR/VR, città intelligenti |
Le schede per circuiti 5G sono schede per circuiti ad alta frequenza, progettate specificamente per elaborare e trasferire i segnali in applicazioni ad alta frequenza con una perdita di segnale minima o nulla.
Leva per i PCB 5G materiali di alta qualità e strutture multistrato per fornire velocità di trasmissione dati a livello di gigahertz, a differenza dei PCB standard utilizzati nelle apparecchiature 3G o 4G. I PCB 5G sono l'elemento di base degli smartphone 5G, dei moduli IoT, delle stazioni base di comunicazione e dei dispositivi di comunicazione. automobilistico sistemi radar.
Rispetto alla normale progettazione a bassa velocità, la frequenza e i requisiti di schermatura delle schede dei circuiti 5G sono molto più elevatie pongono diversi problemi e sfide. L'ELEPCB esplorerà queste sfide e le relative soluzioni.
Scelta dei materiali adatti per i PCB 5G
I materiali dei PCB sono fondamentali per il 5G e altre applicazioni ad alta frequenza. Per i tipici progetti digitali a bassa frequenza, Materiali FR-4 sono sufficienti, ma molte schede ad alta frequenza si guastano se si utilizza l'FR-4. Poiché l'FR-4 ha un'elevata fattore di dissipazione (Df) cioè non uniforme su tutto il pannello e con la temperatura. Le variazioni di temperatura influenzano costante dielettrica (Dk), che di conseguenza cambia l'impedenza e aumenta la perdita di inserzione durante la trasmissione. quando si opera a frequenze mmWave.
I materiali dei circuiti 5G devono essere materiali uniformi e a bassa perdita. Rogers, Isola o Taconic sono materiali progettati appositamente per le applicazioni RF; Il Dk stabile e il Df basso (tangente di perdita) sono uniformi per frequenza e temperatura. In questo modo, il segnale vede la stessa impedenza da PCB da strato a strato e da più unità prodotte alla stessa, molto importante per le antenne phased-array, i moduli radar per autoveicoli e altri componenti 5G.
Tuttavia, non basta scegliere il materiale RF giusto; questo il materiale deve essere lavorato correttamente. Ad esempio:
- Velocità di avanzamento e requisiti diversi per la foratura e la placcatura questo materiale può rovinare il dielettrico o creare vuoti nei fori.
- Rugosità del foglio di rame possono produrre risultati diversi; a causa effetto pelleLa corrente ad alta frequenza viaggia solo lungo la superficie conduttiva. Pertanto, il rame ruvido crea una perdita sostanzialmente maggiore.
Ecco perché i progettisti devono lavorare con i loro Produttori di PCB per la selezione del materiale, fornendo Dk/Df necessari, l'impedenza richiesta e la frequenza operativa.
Idealmente, i produttori possono esaminare gli stackup e consigliare i materiali in base a quelli che possono produrre in modo coerente entro le tolleranze richieste. Il fatto che il progetto simuli perfettamente non significa che funzionerà se i produttori non sono in grado di mantenere il dielettrico. spessore o rugosità/levigatezza del rame entro le specifiche.
Garantire l'integrità del segnale e la trasmissione
Con il 5G e l'mmWave, le tracce e i vial trasportano i segnali e le antenne nella rete di distribuzione. RF rete. Che lo si apprezzi o meno, la fisica lo farà. Molte schede conformi alla conformità CC non sono conformi alla conformità RF perché, a quei piccoli livelli, anche i piccoli parassiti hanno una grande importanza.
Tramite stub sono uno dei problemi più comuni che si conoscono. Immaginiamo un tipico impianto placcato via a foro passante per i segnali ad alta frequenza. Se non si fa nulla con la porzione di via barrel in eccesso lasciata sotto lo strato di segnale, si ha uno stub risonante a mmWave. Questo provoca errori di fase tra gli elementi dell'antenna e una perdita di potenza irradiata. È possibile utilizzare il backdrill per rimuovere l'eccesso di stub o per realizzare un foro cieco o vias interrati che si fermano esattamente nel punto in cui termina lo strato di segnale.
Inoltre, spigoli vivi sulle tracce sono un problema. L'invio di un segnale, la realizzazione di uno standard 90 gradi girare a 24-40 GHznon è semplicemente creare un angolo retto, ma introdurre una capacità parassita e rimandare parte del segnale alla sorgente. Ecco perché i circuiti stampati conformi alle norme RF per le linee ad alta frequenza utilizzare curve a mitria o archi lisci.
Ottimizzazione del layout dei PCB 5G per evitare le EMI
Una volta deciso di progettare un progetto 5G o ad alta frequenza, interferenze elettromagnetiche (EMI) e l'accoppiamento delle tracce devono essere presi in considerazione.
Le alte frequenze significano che pezzi di rame più piccoli possono fungere da antenne per trasmettere o attirare il rumore. Ciò che non è importante a 100 KHz può essere un problema catastrofico di conformità o di prestazioni del prodotto a 28 GHz.
Per esempio, perdita di rumore tra i domini RF e digitale tende a verificarsi intrinsecamente. Le schede 5G ad alte prestazioni e ad alta densità utilizzano linee digitali veloci densamente instradate direttamente adiacenti a percorsi e comparti RF sensibili.
Il layout dei PCB presenta anche un messa a terra questione.
I segnali ad alta frequenza necessitano di un buon piano di riferimento costante. Se il percorso di ritorno del segnale è compromesso, con un instradamento attraverso piani di riferimento divisi o interrotti da fessure o vias, le correnti si comportano in modo inaspettato, provocando emissioni indesiderate e diafonia. Purtroppo, molti progettisti scoprono questi problemi nel modo più difficile, durante un test EMI imposto dopo aver fallito.
Soluzioni per questi tipi di problemi sarebbe:
- Assicurarsi che il piano di massa è implementato in tutte le tracce di segnale.
- Utilizzo cucitura dei vias o tramite recinzioni per circondare le sezioni RF per cercare di contenere le EMI che fuoriescono.
- Spaziatura corretta tra le tracce della vittima e dell'aggressore; la spaziatura consentita in mmWave è un po' più ampia. più stretto.
- Utilizzate barattoli o coperture di schermatura per le antenne e i front-end RF.
- Determinare il livello corretto accatastamento per ridurre le aree di loop e migliorare l'isolamento.
A questa frequenza, le interferenze elettromagnetiche e la diafonia diventano un problema sia per le layout e la fabbricazione. I risultati sono ottenibili solo quando l'isolamento/immunità sono previsti nel layout e poi la scheda viene fabbricata in modo da corrispondere alle aspettative simulate.
Miglioramento della gestione termica per i PCB ad alta frequenza
L'elevata velocità di trasmissione dei dati, la maggiore densità delle antenne MIMO e la più stretta integrazione dei componenti RF e digitali comportano un consumo energetico e una generazione di calore molto elevati. A differenza delle schede a bassa frequenza, i PCB 5G operano nel regime di frequenza dei GHz, dove piccole inefficienze possono determinare carichi termici estremamente elevati.
Per esempio, Gli amplificatori di potenza RF ad alta densità e le CPU ad alta velocità delle stazioni base 5G possono creare hotspot. Se non vengono gestiti correttamente, questi punti caldi possono portare a derive del segnale, all'invecchiamento prematuro dei componenti o addirittura a un guasto completo dell'apparecchiatura. Il calore eccessivo altera anche le caratteristiche dielettriche di Materiali per PCB e crea uno spostamento di impedenza e una degradazione integrità del segnale a frequenze di onde millimetriche.
Anche la progettazione dei circuiti stampati crea problemi termici. Le interconnessioni ad alta densità e la ridotta larghezza delle tracce impediscono la naturale diffusione del calore. L'instradamento su più strati con piani di rame scadenti tende a intrappolare il calore all'interno della scheda.
Le soluzioni per questi tipi di problemi termici sono:
- Assicurarsi che piani di rame (alimentazione e terra) sono utilizzati non solo per le prestazioni elettriche, ma anche come diffusori termici.
- Applicare vias termici sotto i componenti caldi per condurre il calore negli strati interni o verso i dissipatori.
- Integrare dissipatori di calore o spargitori di calore nelle sezioni ad alta potenza come gli amplificatori e i processori RF.
- Utilizzo alto-Tg e laminati a bassa perdita che mantengono stabili le prestazioni dielettriche a temperature elevate.
- Incorporare raffreddamento attivo strategie di raffreddamento, ove necessario, compreso il raffreddamento ad aria o a liquido per i PCB delle stazioni base.
- Simulare il comportamento termico fin dalle prime fasi di progettazione per prevedere i punti caldi e ottimizzarli. posizionamento dei componenti di conseguenza.
Sfide di produzione per i PCB ad alta frequenza e 5G
Così come si discute delle sfide di progettazione, ce ne sono altrettante quando si tratta di produrre schede di circuiti ad alta frequenza e 5G. Per esempio, molti progetti che sembrano funzionare bene quando Simulazione CAD non funzionano nella realtà perché il produttore non è in grado di rispettare le tolleranze, i requisiti dei materiali o le esigenze di placcatura. Pertanto, di seguito vengono illustrati i sfide chiave da considerare durante la produzione di un pannello:
- Tolleranze più strette per il controllo dello stack-up
A 28-40GHz, anche una variazione dello spessore del dielettrico di ±10μm sposta l'impedenza di 5-10Ω, abbastanza da non garantire la conformità. Il flusso di preimpregnato e la pressione di laminazione devono essere strettamente controllati. dai produttori per garantire che il dielettrico non sia irregolare.
- Perforazione/retroforatura
Il backdrilling delle vie rimuove gli stub, ma se la profondità di foratura è inferiore di 50μm, lo stub entra in risonanza. Inoltre, i PCB ad alta frequenza richiedono la foratura laser per i vias ciechi/interrati, con conseguente aggravio di costi.
- Rame Ruvidità della superficie
L'effetto pelle significa che a livelli di onde millimetriche la corrente risiede solo nei pochi micron esterni del rame. Pertanto, rame liscio come il rame laminato, 1μm Ra.
- Sfide di montaggio
A livello mmWave, i dispositivi passivi devono avere una tolleranza di posizionamento. Uno scarto di 100μm con condensatori mal posizionati può influire negativamente sulla rete di alimentazione. Inoltre, maschera di saldatura è importante. Un'errata registrazione della maschera di saldatura sulle linee a microstriscia modifica l'impedenza; per questo motivo alcune schede RF espongono le tracce RF e si presta particolare attenzione per evitare l'ossidazione.
Applicazioni delle schede per circuiti 5G
L'avvento della tecnologia 5G ha dato il via a una rivoluzione tecnologica e le schede di circuito 5G sono ora utilizzate in un'ampia gamma di settori.
| Area di applicazione | Esempi / Casi d'uso | Focus sulla progettazione di PCB |
| Stazioni base 5G | Antenne per macro e piccole celle Ricetrasmettitori ad alta frequenza con PCB a basse perdite | Materiali a bassa perdita, stack-up multistrato, controllo preciso dell'impedenza, stabilità termica |
| Telefoni cellulari e indossabili 5G | PCB compatti con moduli antenna mmWave Streaming ad alta velocità, giochi, AR/VR | Miniaturizzazione, PCB flessibile opzioni, integrazione dell'antenna, efficienza energetica |
| Automotive (V2X e ADAS) | Comunicazione da veicolo a tutto (V2X) Assistenza alla guida e infotainment avanzati | Affidabilità, resistenza alle vibrazioni/termiche, schermatura EMI, lungo ciclo di vita del prodotto |
| IoT industriale (IIoT) | Fabbriche intelligenti con comunicazioni ultra-affidabili e a bassa latenza Connettività macchina-macchina | Erogazione di potenza stabile, piani di massa robusti, immunità ai disturbi, scalabilità |
| Assistenza sanitaria | Chirurgia a distanza e imaging medico in tempo reale Dispositivi di monitoraggio medico indossabili | Elevata integrità del segnale, biocompatibilità (per i tessuti). |
Conclusione
Una buona progettazione di schede di circuiti ad alta frequenza 5G richiede la considerazioni pratiche sull'implementazione di integrità del segnale, materiali, disaccoppiamento EMI e tolleranze. È necessario prestare attenzione anche a problemi come gli stub e la rugosità del rame, che possono determinare le prestazioni dell'applicazione. Le applicazioni ad alta frequenza richiedono una buona progettazione e una buona produzione per essere in sintonia fin dal primo giorno. Coinvolgere tempestivamente un produttore qualificato nel processo vi permetterà di convalidare il vostro 5G Prototipo di PCB per garantire il funzionamento e la conformità al mondo reale.
ELEPCB è un produttore di PCB affidabile ed esperto a supporto di progetti ad alta frequenza e 5G. Sappiamo come scegliere i materiali RF, come determinare le strutture degli strati a impedenza controllata e i processi sensibili necessari per fabbricare con successo le schede di ultima generazione.
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FAQ
A1: laminati a bassa perdita come Rogers, Taconic o Isola con Dk e Df stabili con la frequenza e la temperatura. L'FR-4 è tipicamente troppo perdente per le alte frequenze.
A2: Le prestazioni dell'antenna sono fondamentali nella progettazione di circuiti stampati 5G perché i segnali ad alta frequenza sono più suscettibili alle interferenze. Le considerazioni principali includono:
- Banda di frequenza Abbinamento: Il 5G opera su bande diverse, come mmWave e sub-6GHz, quindi le antenne devono essere ottimizzate per la frequenza di destinazione.
- Dimensioni e layout: Le antenne ad alta frequenza sono tipicamente piccole e richiedono un posizionamento attento per ridurre al minimo le interferenze con altri componenti.
- Corrispondenza di impedenza: Un corretto adattamento dell'impedenza massimizza l'efficienza della trasmissione del segnale e riduce le perdite per riflessione.
- Tecnologia MIMO: Il 5G utilizza spesso la tecnologia MIMO (Multiple-Input Multiple-Output), quindi le antenne devono essere distanziate in modo appropriato per evitare l'accoppiamento dei segnali.
- EMI/EMC Considerazioni: I segnali ad alta frequenza possono generare interferenze elettromagnetiche, pertanto la progettazione dell'antenna deve essere coordinata con i piani di terra e la schermatura.
A3: Ogni volta che sono inutilizzati tramite stub su strati ad alta velocità o strati RF. In questo modo si evita la risonanza degli stub, che crea problemi di riflessione e di fase.
A4: Sì. Il costo aumenta a causa dell'operazione di foratura aggiuntiva; tuttavia, è più economico rispetto all'uso di vias ciechi o interrati, ma fornisce gli stessi vantaggi elettrici che si otterrebbero utilizzando tali vias. Consultare sempre il produttore per le linee guida sull'impedenza controllata e l'isolamento.
A5: Sì. La maschera di saldatura modifica la costante dielettrica effettiva (Dk) di ciò che si trova intorno alle tracce. Alcuni progetti RF lasciano scoperte alcune importanti tracce RF per garantirne l'impedenza.
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