5G プリント基板の設計: メーカーが知っておくべきこと?

5Gネットワ​​ークが世界的に展開される中, 彼らは接続性を変革し、モバイルテクノロジーで可能なことの限界を押し広げることを約束します. しかし、5Gの可能性を最大限に活用するには, another less visible technology must keep pace – printed circuit boards (PCB). 5G PCB は、信号の完全性を維持しながら優れた高周波性能を達成する必要があります. 5Gのメリットを最大限に享受するには, PCB メーカーは、これらの必須コンポーネントの設計と製造の課題に取り組んでいます。. このブログ投稿では、5G PCB の設計とエンジニアリングの考慮事項について詳しく説明します。, 製造上の課題と関連するイノベーションを探ります. すぐに飛び込みましょう.

5G PCB製造用の基板材料

ザ・ 基板材料 5G PCB のパフォーマンス要求を満たす上で重要な要素です. 基材を選択する際に考慮すべき重要なパラメータは次のとおりです。:

• Dielectric Constant – Lower Dk values around 2-3 信号損失とクロストークを軽減する. PTFE および液晶ポリマー (LCP) 一般的な低 Dk オプションです.
• Loss Tangent – Materials with loss tangents below 0.005 Rogers RO3000 ラミネートのように、ミリ波周波数での誘電信号損失を最小限に抑えます.
• Thermal Conductivity – High power density requires dissipating substantial heat. セラミック窒化アルミニウムと LCP は、最大 170 W/mKと 0.67 それぞれW/mK.
• コート– Matching substrate and component CTE prevents solder joint and pad damage from cycling. ガラス強化炭化水素は CTE 互換性を提供します.
• 吸湿性 – フッ素ポリマーの吸湿性が低いため、安定した電気的性能を維持できます。.
• Thickness – Thinner dielectric layers from 0.1mm to 0.3mm reduce loss, レイヤー数に応じて.

使用可能な材料オプションには次のものがあります。:

• PTFE composites – Offer stable low loss up to mmWave bands and reasonable cost. レイヤー数オーバーを許可する 20 レイヤー.
• Ceramic-filled PTFE – Provides the best performance for mmWave applications but at a higher cost. 非常に高い周波数を実現.
• Polyimide – More flexible substrate suitable for thinner PCBs. 高周波で中程度の損失.
• Aluminum nitride – Exceptional thermal conductivity and low dielectric loss, 熱放散が重要な高出力 5G モジュールに最適.
• 液晶ポリマー (LCP) – Relatively low dielectric constant and loss along with good thermal conductivity.

5G PCB 設計の課題

5G PCB の開発には、超高周波とデータ レートが関係するため、前世代の基板と比較して独特の困難が伴います. 5G により新しい機能が可能になる一方で, これらの設計上の障害を克服するには、創造性と革新性が必要です.

• 大きな障害の 1 つは、混合信号コンポーネントを単一のボードに統合することです。. 5G システムは広い周波数範囲で動作する必要があります, MHzからミリ波帯まで. このような多様な信号を 1 つの PCB 上で捕捉して処理するには、干渉と損失を最小限に抑えるための慎重な計画が必要です。. アナログとデジタルのレイアウトのバランスをとることが重要です.
• マルチギガビットのデータレートで信号の整合性を維持することも難しいことが判明. より厳しいインピーダンス許容差を維持する必要がある, 新しいスタックアップ戦略とより薄い銅配線が必要. ルーティングアーキテクチャでは、スキューを防ぐために差動ペア間の長さが一致していることを保証する必要があります。. わずかな変動でもパフォーマンスが低下する可能性があります.
• EMIの封じ込めには新たな障害が生じる. マイクロ波周波数では, 放射線とカップリングのリスクが増大. ノイズに敏感な回路とノイズの多い回路を慎重にレイアウト分離することが不可欠です. 排出を制限するには、缶や物理的バリアでコンポーネントをシールドすることも必要になる場合があります。.
• 高密度に実装された高速コンポーネントを扱う場合、熱の問題が問題をさらに複雑にします. 慎重に選択された誘電体材料は、高温のチップやトレースから熱緩和構造に向かって過剰な熱を伝導するのに役立ちます。. 熱のニーズを念頭に置いてスタックアップとプレーンの分布を設計することが重要です.

気が遠くなりながら, これらの課題は、スマートな設計を実践することで克服できます。. シミュレーション, プロトタイピング, 設計レビューはすべて、製造を開始する前にパフォーマンスを検証するのに役立ちます. 最終的には、最先端の接続を提供できる 5G PCB が完成します。.

5G 回路基板設計のヒント

1. 低損失の誘電体材料を使用する

PTFEなどの誘電体材料を使用 (テフロン) 高周波での信号損失を最小限に抑えるために、5G ボードにはセラミック充填 PTFE が不可欠です. これらの材料の誘電率は以下です。 3.5, 5G データレートの差動ペアに必要な配線間隔を狭くするには、小さい方が良い. また、過度の信号減衰を防ぐために、材料は損失正接が非常に低い必要があります。.

2. 制御されたインピーダンスを維持する

5G データ速度の場合, 維持する 100 オームの差動インピーダンスは信号の完全性にとって重要です. これには注意が必要です トレース幅 使用されているスタックアップ材料に基づいた間隔の調整. 目標インピーダンスを達成するには、インピーダンス計算ツールに厳密に従う必要があります。. スキューを防ぐために、差動ペア間の電気長を一致させる必要があります. トレース上のスタブまたはビアは最小限に抑える必要があります.

参考文献: ターゲットの PCB インピーダンス制御を達成する方法?

3. 適切なレイヤースタックアップを組み込む

インピーダンスを制御し、EMI シールドを提供するために、信号層の隣に固体の基準面を含める必要があります。. レイヤー数は適度に保つ必要があります, その周り 4-8 レイヤー. レイヤーが多すぎるとコストが増加し、パフォーマンスが低下する可能性があります. 対称ストリップライン構成が最適に機能します, signal-plane-signal または signal-plane-signal-plane が理想的です.

4. 慎重なレイアウト手法を導入する

アナログセクションとデジタルセクションは相互に絶縁する必要があります, レイアウト上の距離と方向によってカップリングが防止される. トレースの長さは最小限にする必要があります, 可能な限り表面実装パッシブを使用する. サーマルビアまたはスラグを使用して、高温のコンポーネントの下で熱を緩和します。. 缶のような EMI シールド構造を追加する, ガード跡, または堀.

5. スムーズなレイヤー遷移の管理

トレースがレイヤー間を遷移するとき, 先細り, 面取り, 信号反射を引き起こすインピーダンスの不連続を防ぐために、ティアドロップを使用する必要があります。. コンポーネントパッドが内側のレイヤーに移行する場合も同様の注意を払う必要があります。.

6. テストによるパフォーマンスの検証

ネットワーク アナライザーを使用するにはテスト ポイントを含める必要があります, TDR, インピーダンスを検証するためのその他の試験装置, 損失, 周波数上のノイズ. あらゆる欠陥を見つけるために、PCB 製造中に徹底的な自動化された光学的および電気的検査も実行する必要があります。.

5G 回路基板のアプリケーション

5G 回路基板は、以下のようなさまざまなアプリケーションでデータ速度の大幅な高速化と遅延の短縮を可能にします。:

• 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, 工場内の PLC とセンサーは 5G ボードを使用してワイヤレスで動作します.
• 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, メートル, 5G を介したトラッカー.

最終的な考え

5G ネットワークの出現は、ワイヤレス接続の新たなフロンティアを表します, しかし、その可能性を完全に解き放つには、これらの最先端システム向けの PCB テクノロジーの進化にかかっています。. 設計や製作のハードルは高いものの、, 彼らは乗り越えられないわけではない. 慎重な素材選びにより, 制御されたインピーダンスの実践, 堅牢なレイヤースタックアップ, 熱管理, そして厳格なテスト, PCB エンジニアは課題を克服し、高性能 5G 回路基板を提供できます. 材料科学と製造プロセスが成熟し続けるにつれて, 5G PCB の機能は高まるばかりです.