5Progettazione PCB G: Cosa devono sapere i produttori?

Mentre le reti 5G si diffondono a livello globale, promettono di trasformare la connettività e ampliare i confini di ciò che è possibile fare con la tecnologia mobile. Ma per sfruttare appieno il potenziale del 5G, another less visible technology must keep pace – printed circuit boards (PCB). 5Il PCB G è necessario per ottenere prestazioni ad alta frequenza superiori mantenendo l'integrità del segnale. Per sfruttare tutti i vantaggi del 5G, I produttori di PCB stanno affrontando le sfide di progettazione e produzione di questi componenti essenziali. Questo post del blog approfondirà le considerazioni di progettazione e ingegneria per il PCB 5G, ed esplorare le sfide produttive e le innovazioni coinvolte. Immergiamoci subito.

Materiali di substrato per la produzione di PCB 5G

Il materiale di supporto è un fattore cruciale nel soddisfare le esigenze prestazionali dei PCB 5G. I parametri chiave da considerare quando si selezionano i substrati includono:

• Dielectric Constant – Lower Dk values around 2-3 ridurre la perdita di segnale e la diafonia. PTFE e polimero a cristalli liquidi (LCP) sono opzioni comuni a basso Dk.
• Loss Tangent – Materials with loss tangents below 0.005 come i laminati Rogers RO3000 riducono al minimo la perdita di segnale dielettrico alle frequenze delle onde mm.
• Thermal Conductivity – High power density requires dissipating substantial heat. Il nitruro di alluminio ceramico e l'LCP forniscono conduttività fino a 170 W/mK e 0.67 W/mK rispettivamente.
• CTE– Matching substrate and component CTE prevents solder joint and pad damage from cycling. Gli idrocarburi rinforzati con vetro offrono compatibilità CTE.
• Assorbimento di umidità: il basso comportamento di assorbimento dell'umidità nei fluoropolimeri aiuta a mantenere prestazioni elettriche stabili.
• Thickness – Thinner dielectric layers from 0.1mm to 0.3mm reduce loss, a seconda del numero di strati.

Alcune opzioni di materiale realizzabile includono:

• PTFE composites – Offer stable low loss up to mmWave bands and reasonable cost. Consenti il ​​conteggio dei livelli 20 strati.
• Ceramic-filled PTFE – Provides the best performance for mmWave applications but at a higher cost. Consente frequenze molto elevate.
• Polyimide – More flexible substrate suitable for thinner PCBs. Perdita moderata alle alte frequenze.
• Aluminum nitride – Exceptional thermal conductivity and low dielectric loss, ideale per moduli 5G ad alta potenza in cui la dissipazione del calore è fondamentale.
• Polimero a cristalli liquidi (LCP) – Relatively low dielectric constant and loss along with good thermal conductivity.

Sfide della progettazione PCB 5G

Lo sviluppo di PCB 5G presenta difficoltà uniche rispetto alle schede della generazione precedente a causa delle frequenze ultra elevate e delle velocità di dati coinvolte. Mentre il 5G consente nuove funzionalità, superare questi ostacoli progettuali richiede creatività e innovazione.

• Uno dei maggiori ostacoli è l'integrazione di componenti a segnale misto su un'unica scheda. 5I sistemi G devono funzionare su un’ampia gamma di frequenze, dalle bande MHz alle mmWave. L'acquisizione e l'elaborazione di segnali così diversi su un PCB richiede un'attenta pianificazione in modo da ridurre al minimo le interferenze e le perdite. Trovare un equilibrio tra il layout analogico e quello digitale è fondamentale.
• Anche mantenere l’integrità del segnale a velocità dati multi-gigabit si rivela complicato. È necessario mantenere tolleranze di impedenza più strette, richiedendo nuove strategie di stackup e tracce di rame più sottili. Le architetture di routing devono garantire lunghezze corrispondenti tra coppie differenziali per evitare distorsioni. Anche piccole variazioni possono compromettere le prestazioni.
• Contenere l'EMI rappresenta un altro ostacolo. Alle frequenze delle microonde, crescono i rischi legati alle radiazioni e all’accoppiamento. È fondamentale un'accurata separazione del layout tra i circuiti sensibili al rumore e quelli rumorosi. Potrebbero essere necessari anche componenti schermanti con lattine e barriere fisiche per confinare le emissioni.
• I problemi termici complicano ulteriormente le cose quando si ha a che fare con componenti ad alta velocità densamente imballati. I materiali dielettrici accuratamente selezionati possono aiutare a condurre il calore in eccesso lontano dai trucioli caldi e dalle tracce verso le strutture di scarico termico. È fondamentale progettare lo stackup e la distribuzione dei piani tenendo presente le esigenze termiche.

Anche se scoraggiante, queste sfide sono superabili attraverso pratiche di progettazione intelligente. Simulazioni, prototipazione, e le revisioni della progettazione contribuiranno a convalidare le prestazioni prima dell'inizio della produzione. Il risultato finale saranno PCB 5G pronti a fornire connettività all’avanguardia.

Suggerimenti per la progettazione di circuiti stampati 5G

1. Utilizzare materiali dielettrici a bassa perdita

Utilizzando materiali dielettrici come il PTFE (Teflon) o il PTFE caricato con ceramica è essenziale per le schede 5G per ridurre al minimo la perdita di segnale alle alte frequenze. Questi materiali hanno una costante dielettrica inferiore 3.5, dove un valore inferiore è migliore per consentire una spaziatura di traccia più stretta necessaria per le coppie differenziali a velocità dati 5G. I materiali dovrebbero anche avere una tangente di perdita molto bassa per evitare un'eccessiva attenuazione del segnale.

2. Mantenere l'impedenza controllata

Con velocità dati 5G, mantenendo 100 L'impedenza differenziale Ohm è fondamentale per l'integrità del segnale. Ciò richiede attenzione larghezza della traccia e regolazione della spaziatura in base ai materiali di impilamento utilizzati. I calcolatori di impedenza dovrebbero essere seguiti attentamente per raggiungere l'impedenza target. Le lunghezze elettriche tra le coppie differenziali devono essere abbinate per evitare distorsioni. Stub o via sulle tracce dovrebbero essere ridotti al minimo.

Ulteriori letture: Come ottenere il controllo dell'impedenza PCB target?

3. Incorporare l'impilamento dei livelli corretto

È necessario includere un piano di riferimento solido accanto agli strati di segnale per l'impedenza controllata e per fornire schermatura EMI. Il conteggio degli strati dovrebbe essere mantenuto moderato, È costituito da uno strato dielettrico 4-8 strati. Troppi livelli aumentano i costi e possono ostacolare le prestazioni. Le configurazioni stripline simmetriche funzionano meglio, con segnale-piano-segnale o segnale-piano-segnale-piano è l'ideale.

4. Implementare attente tecniche di layout

Le sezioni analogica e digitale dovrebbero essere isolate l'una dall'altra, con accoppiamento impedito per distanza e orientamento sul layout. La lunghezza della traccia dovrebbe essere ridotta al minimo, utilizzando passivi a montaggio superficiale quando possibile. Fornire sollievo termico sotto i componenti caldi utilizzando passaggi termici o inserti. Aggiungi strutture di schermatura EMI come lattine, tracce di guardia, o fossati.

5. Gestisci transizioni di livello uniformi

Quando le tracce passano da uno strato all'altro, si assottiglia, smussi, e gocce a goccia dovrebbero essere utilizzate per prevenire discontinuità di impedenza che causano la riflessione del segnale. La stessa attenzione dovrebbe essere prestata alle transizioni dei cuscinetti dei componenti verso gli strati interni.

6. Convalidare le prestazioni con i test

I punti di test dovrebbero essere inclusi per utilizzare gli analizzatori di rete, TDR, e altre apparecchiature di test per convalidare l'impedenza, perdita, rumore sulla frequenza. Durante la fabbricazione del PCB è inoltre necessario eseguire un'ispezione ottica ed elettrica automatizzata approfondita per individuare eventuali difetti.

Applicazioni dei circuiti stampati 5G

5I circuiti stampati G consentiranno velocità dei dati molto più elevate e una latenza inferiore per una varietà di applicazioni come:

• 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, PLC e sensori in modalità wireless nelle fabbriche utilizzano schede 5G.
• 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, metri, tracker su 5G.

Pensieri finali

L’emergere delle reti 5G rappresenta una nuova frontiera per la connettività wireless, ma per sfruttare appieno il suo potenziale è necessario far avanzare la tecnologia PCB per questi sistemi all’avanguardia. Mentre gli ostacoli di progettazione e fabbricazione sono sostanziali, non sono insormontabili. Attraverso un'attenta selezione dei materiali, pratiche di impedenza controllata, robusti stackup di strati, gestione termica, e test rigorosi, Gli ingegneri PCB possono superare le sfide e fornire circuiti stampati 5G ad alte prestazioni. Mentre la scienza dei materiali e i processi produttivi continuano a maturare, le capacità del PCB 5G non potranno che aumentare.