5G PCB-Design: Was Hersteller wissen müssen?

Während 5G-Netze weltweit eingeführt werden, Sie versprechen, die Konnektivität zu verändern und die Grenzen dessen, was mit mobiler Technologie möglich ist, zu erweitern. Sondern um das Potenzial von 5G voll auszuschöpfen, another less visible technology must keep pace – printed circuit boards (Leiterplatten). 5G PCB ist erforderlich, um eine überragende Hochfrequenzleistung bei gleichzeitiger Wahrung der Signalintegrität zu erreichen. Um die Vorteile von 5G voll auszuschöpfen, Leiterplattenhersteller stellen sich den Design- und Produktionsherausforderungen dieser wichtigen Komponenten. Dieser Blogbeitrag befasst sich mit den Design- und Konstruktionsüberlegungen für 5G-PCBs, und erkunden Sie die damit verbundenen Fertigungsherausforderungen und Innovationen. Lassen Sie uns gleich eintauchen.

Substratmaterialien für die Herstellung von 5G-Leiterplatten

Das Substratmaterial ist ein entscheidender Faktor für die Erfüllung der Leistungsanforderungen von 5G-Leiterplatten. Zu den wichtigsten Parametern, die bei der Auswahl der Substrate berücksichtigt werden müssen, gehören::

• Dielectric Constant – Lower Dk values around 2-3 Signalverlust und Übersprechen reduzieren. PTFE und Flüssigkristallpolymer (LCP) sind gängige Optionen mit niedrigem Dk.
• Loss Tangent – Materials with loss tangents below 0.005 wie Rogers RO3000-Laminate minimieren den dielektrischen Signalverlust bei mmWave-Frequenzen.
• Thermal Conductivity – High power density requires dissipating substantial heat. Keramisches Aluminiumnitrid und LCP sorgen für eine Leitfähigkeit von bis zu 170 W/mK und 0.67 W/mK bzw.
• CTE– Matching substrate and component CTE prevents solder joint and pad damage from cycling. Glasfaserverstärkte Kohlenwasserstoffe bieten CTE-Kompatibilität.
• Feuchtigkeitsaufnahme – Die geringe Feuchtigkeitsaufnahme von Fluorpolymeren trägt zur Aufrechterhaltung einer stabilen elektrischen Leistung bei.
• Thickness – Thinner dielectric layers from 0.1mm to 0.3mm reduce loss, Abhängig von der Anzahl der Schichten.

Zu den bearbeitbaren Materialoptionen gehören::

• PTFE composites – Offer stable low loss up to mmWave bands and reasonable cost. Layer-Zählung zulassen 20 Schichten.
• Ceramic-filled PTFE – Provides the best performance for mmWave applications but at a higher cost. Ermöglicht sehr hohe Frequenzen.
• Polyimide – More flexible substrate suitable for thinner PCBs. Mäßiger Verlust bei hohen Frequenzen.
• Aluminum nitride – Exceptional thermal conductivity and low dielectric loss, Ideal für Hochleistungs-5G-Module, bei denen die Wärmeableitung entscheidend ist.
• Flüssigkristallpolymer (LCP) – Relatively low dielectric constant and loss along with good thermal conductivity.

Herausforderungen des 5G-PCB-Designs

Die Entwicklung von 5G-Leiterplatten stellt im Vergleich zu Platinen der vorherigen Generation aufgrund der damit verbundenen ultrahohen Frequenzen und Datenraten besondere Schwierigkeiten dar. Während 5G neue Möglichkeiten ermöglicht, Die Überwindung dieser Designhindernisse erfordert Kreativität und Innovation.

• Ein großes Hindernis ist die Integration von Mixed-Signal-Komponenten auf einer einzigen Platine. 5G-Systeme müssen über einen breiten Frequenzbereich arbeiten, von MHz- bis mmWave-Bändern. Die Erfassung und Verarbeitung solch unterschiedlicher Signale auf einer Leiterplatte erfordert eine sorgfältige Planung, damit Störungen und Verluste minimiert werden. Der Schlüssel besteht darin, ein Gleichgewicht zwischen analogem und digitalem Layout zu finden.
• Auch die Aufrechterhaltung der Signalintegrität bei Multi-Gigabit-Datenraten erweist sich als schwierig. Es müssen engere Impedanztoleranzen eingehalten werden, fordert neue Aufbaustrategien und dünnere Kupferleiterbahnen. Routing-Architekturen müssen übereinstimmende Längen zwischen Differentialpaaren sicherstellen, um einen Versatz zu verhindern. Selbst kleine Abweichungen können die Leistung beeinträchtigen.
• Die Eindämmung von EMI stellt ein weiteres Hindernis dar. Bei Mikrowellenfrequenzen, Strahlungs- und Kopplungsrisiken nehmen zu. Eine durchdachte Layout-Trennung zwischen rauschempfindlichen und verrauschten Schaltkreisen ist unerlässlich. Um Emissionen einzudämmen, kann es auch erforderlich sein, Komponenten mit Dosen und physischen Barrieren abzuschirmen.
• Bei dicht gepackten Hochgeschwindigkeitskomponenten erschweren thermische Probleme die Sache zusätzlich. Sorgfältig ausgewählte dielektrische Materialien können dazu beitragen, überschüssige Wärme von heißen Chips und Leiterbahnen zu thermischen Entlastungsstrukturen abzuleiten. Bei der Planung des Aufbaus und der Ebenenverteilung unter Berücksichtigung der thermischen Anforderungen ist es von entscheidender Bedeutung.

Während es entmutigend ist, Diese Herausforderungen können durch intelligente Designpraktiken gemeistert werden. Simulationen, Prototyp entwickeln, und Designüberprüfungen tragen dazu bei, die Leistung vor Beginn der Fertigung zu validieren. Das Endergebnis werden 5G-Leiterplatten sein, die für die Bereitstellung modernster Konnektivität bereit sind.

Tipps für das 5G-Leiterplattendesign

1. Verwenden Sie verlustarme dielektrische Materialien

Verwendung dielektrischer Materialien wie PTFE (Teflon) oder mit Keramik gefülltes PTFE ist für 5G-Boards unerlässlich, um Signalverluste bei hohen Frequenzen zu minimieren. Diese Materialien haben eine Dielektrizitätskonstante unten 3.5, wobei niedriger besser ist, um engere Leiterbahnabstände zu ermöglichen, die für Differentialpaare bei 5G-Datenraten erforderlich sind. Die Materialien sollten außerdem einen sehr niedrigen Verlustfaktor aufweisen, um eine übermäßige Signaldämpfung zu verhindern.

2. Behalten Sie die kontrollierte Impedanz bei

Mit 5G-Datenraten, Aufrechterhaltung 100 Die ohmsche Differenzimpedanz ist entscheidend für die Signalintegrität. Dies erfordert Vorsicht Spurbreite und Abstandsabstimmung basierend auf den verwendeten Stapelmaterialien. Impedanzrechner sollten genau befolgt werden, um die Zielimpedanz zu erreichen. Die elektrischen Längen zwischen Differentialpaaren müssen angepasst werden, um einen Versatz zu verhindern. Stubs oder Vias auf Leiterbahnen sollten minimiert werden.

Weiterführende Literatur: So erreichen Sie die gewünschte PCB-Impedanzkontrolle?

3. Integrieren Sie den richtigen Schichtenaufbau

Zur Kontrolle der Impedanz und zur EMI-Abschirmung sollte neben den Signalschichten eine solide Referenzebene vorgesehen sein. Die Anzahl der Schichten sollte moderat gehalten werden, um 4-8 Schichten. Zu viele Schichten erhöhen die Kosten und können die Leistung beeinträchtigen. Symmetrische Streifenleitungskonfigurationen funktionieren am besten, wobei Signal-Ebene-Signal oder Signal-Ebene-Signal-Ebene ideal ist.

4. Implementieren Sie sorgfältige Layouttechniken

Analoge und digitale Abschnitte sollten voneinander isoliert sein, wobei eine Kopplung durch Abstand und Ausrichtung auf der Anlage verhindert wird. Die Länge der Leiterbahnen sollte minimiert werden, Verwenden Sie wann immer möglich oberflächenmontierte Passivelemente. Sorgen Sie für eine thermische Entlastung unter heißen Komponenten, indem Sie thermische Durchkontaktierungen oder Slugs verwenden. Fügen Sie EMI-Abschirmstrukturen wie Dosen hinzu, Schutzspuren, oder Wassergräben.

5. Verwalten Sie reibungslose Ebenenübergänge

Wenn Spuren zwischen Ebenen übergehen, verjüngt sich, Fasen, und Tropfen sollten verwendet werden, um Impedanzdiskontinuitäten zu verhindern, die eine Signalreflexion verursachen. Die gleiche Sorgfalt ist bei den Übergängen der Komponentenpads zu den Innenlagen geboten.

6. Validieren Sie die Leistung durch Tests

Zur Verwendung von Netzwerkanalysatoren sollten Testpunkte enthalten sein, TDRs, und andere Testgeräte zur Validierung der Impedanz, Verlust, Rauschen über der Frequenz. Während der PCB-Herstellung sollte auch eine gründliche automatische optische und elektrische Inspektion durchgeführt werden, um etwaige Mängel zu erkennen.

Anwendungen von 5G-Leiterplatten

5G-Leiterplatten ermöglichen viel schnellere Datengeschwindigkeiten und geringere Latenzzeiten für eine Vielzahl von Anwendungen wie z:

• Smartphones – 5G circuit boards will enable smartphones to harness faster data speeds and lower latency of 5G networks.
• Tablets – 5G-connected tablets will benefit from ultra high bandwidth for activities like video streaming.
• Wearables – Devices like smartwatches and fitness trackers will leverage 5G boards for always-on connectivity.
• Autonomous Vehicles – Massive data transfer from sensors in self-driving cars requires 5G boards.
• Industrial Automation – Connecting robots, SPS und Sensoren drahtlos in Fabriken nutzen 5G-Karten.
• Digital Health – 5G PCB can stream high resolution medical imaging and patient data.
• Smart Cities – Infrastructure like traffic monitors and street lights can be connected over 5G.
• Virtual Reality – 5G circuit board facilitates wireless VR headsets with HD video.
• Internet of Things – Connects appliances, Meter, Tracker über 5G.

Abschließende Gedanken

Das Aufkommen von 5G-Netzwerken stellt eine neue Grenze für die drahtlose Konnektivität dar, Die volle Entfaltung seines Potenzials hängt jedoch von der Weiterentwicklung der PCB-Technologie für diese hochmodernen Systeme ab. Allerdings sind die Hürden bei Design und Herstellung erheblich, Sie sind nicht unüberwindbar. Durch sorgfältige Materialauswahl, kontrollierte Impedanzpraktiken, robuste Schichtaufbauten, Wärmemanagement, und strenge Tests, PCB-Ingenieure können die Herausforderungen meistern und leistungsstarke 5G-Leiterplatten liefern. Während die Materialwissenschaft und die Herstellungsprozesse immer weiter ausgereift sind, Die Fähigkeiten von 5G PCB werden nur zunehmen.