Diseño de PCB 5G: ¿Qué necesitan saber los fabricantes?

A medida que las redes 5G se despliegan globalmente, prometen transformar la conectividad y ampliar los límites de lo posible con la tecnología móvil. Pero para aprovechar al máximo el potencial del 5G, otra tecnología menos visible debe seguir el ritmo: las placas de circuito impreso (PCB). Las PCB 5G son necesarias para lograr un rendimiento superior en alta frecuencia, manteniendo la integridad de la señal. Para aprovechar al máximo las ventajas del 5G, los fabricantes de PCB están afrontando los retos de diseño y producción de estos componentes esenciales. Esta entrada de blog profundizará en las consideraciones de diseño e ingeniería para las PCB 5G y explorará los retos de fabricación y las innovaciones que conlleva. ¡Comencemos!

Materiales de sustrato para la fabricación de PCB 5G

El material de sustrato Es un factor crucial para satisfacer las exigencias de rendimiento de las PCB 5G. Los parámetros clave a considerar al seleccionar sustratos incluyen:

• Constante dieléctrica: valores Dk más bajos, alrededor de 2-3, reducen la pérdida de señal y la diafonía. PTFE y el polímero de cristal líquido (LCP) son opciones comunes de Dk bajo.
• Tangente de pérdida: los materiales con tangentes de pérdida inferiores a 0.005, como los laminados Rogers RO3000, minimizan la pérdida de señal dieléctrica en frecuencias de ondas milimétricas.
• Conductividad térmica: La alta densidad de potencia requiere una disipación de calor considerable. El nitruro de aluminio cerámico y el LCP proporcionan una conductividad de hasta 170 W/mK y 0.67 W/mK, respectivamente.
• CTELa compatibilidad del sustrato y el CTE del componente evita que la unión de soldadura y el pad se dañen por ciclos. Los hidrocarburos reforzados con fibra de vidrio ofrecen compatibilidad con el CTE.
• Absorción de humedad: el comportamiento de baja absorción de humedad en los fluoropolímeros ayuda a mantener un rendimiento eléctrico estable.
• Espesor: Las capas dieléctricas más delgadas de 0.1 mm a 0.3 mm reducen la pérdida, dependiendo del número de capas.

Algunas opciones de materiales viables incluyen:

• Compuestos de PTFE: Ofrecen baja pérdida estable hasta en bandas de ondas milimétricas y un precio razonable. Permiten un número de capas superior a 20.
• PTFE relleno de cerámica: Ofrece el mejor rendimiento para aplicaciones de ondas milimétricas, pero a un coste mayor. Permite frecuencias muy altas.
• Poliimida: Sustrato más flexible, ideal para PCB más delgadas. Pérdida moderada a altas frecuencias.
• Nitruro de aluminio: conductividad térmica excepcional y baja pérdida dieléctrica, ideal para módulos 5G de alta potencia donde la disipación del calor es fundamental.
• Polímero de cristal líquido (LCP): constante dieléctrica y pérdida relativamente bajas junto con buena conductividad térmica.

Desafíos del diseño de PCB 5G

El desarrollo de PCB 5G presenta dificultades únicas en comparación con las placas de generaciones anteriores debido a las altísimas frecuencias y velocidades de datos involucradas. Si bien el 5G habilita nuevas capacidades, superar estos obstáculos de diseño requiere creatividad e innovación.

• Un obstáculo importante es la integración de componentes de señal mixta en una sola placa. Los sistemas 5G deben operar en un amplio rango de frecuencias, desde MHz hasta las bandas de ondas milimétricas. Capturar y procesar señales tan diversas en una sola placa de circuito impreso (PCB) exige una planificación cuidadosa para minimizar las interferencias y las pérdidas. Lograr un equilibrio entre el diseño analógico y el digital es clave.
• Mantener la integridad de la señal a velocidades de datos multigigabit también resulta complicado. Se deben mantener tolerancias de impedancia más estrictas, lo que exige nuevas estrategias de apilamiento y pistas de cobre más delgadas. Las arquitecturas de enrutamiento deben garantizar longitudes compatibles entre pares diferenciales para evitar sesgos. Incluso pequeñas variaciones pueden degradar el rendimiento.
• La contención de la EMI presenta otro obstáculo. En las frecuencias de microondas, los riesgos de radiación y acoplamiento aumentan. Es fundamental separar cuidadosamente los circuitos sensibles al ruido de los circuitos ruidosos. También puede ser necesario blindar los componentes con carcasas y barreras físicas para limitar las emisiones.
• Los problemas térmicos complican aún más la situación al trabajar con componentes de alta velocidad densamente empaquetados. La selección cuidadosa de materiales dieléctricos puede ayudar a disipar el exceso de calor de las virutas y pistas calientes hacia estructuras de alivio térmico. Es fundamental diseñar el apilamiento y la distribución de planos teniendo en cuenta las necesidades térmicas.

Si bien son abrumadores, estos desafíos se pueden superar mediante prácticas de diseño inteligentes. Las simulaciones, la creación de prototipos y las revisiones de diseño ayudarán a validar el rendimiento antes de comenzar la fabricación. El resultado final serán PCB 5G listas para ofrecer conectividad de vanguardia.

Consejos para el diseño de placas de circuito 5G

1. Utilice materiales dieléctricos de baja pérdida

El uso de materiales dieléctricos como el PTFE (teflón) o el PTFE con relleno de cerámica es esencial en las placas 5G para minimizar la pérdida de señal a altas frecuencias. Estos materiales tienen una constante dieléctrica inferior a 3.5, siendo mejor cuanto menor sea el valor para permitir la menor separación entre pistas necesaria para los pares diferenciales a velocidades de datos 5G. Los materiales también deben tener una tangente de pérdida muy baja para evitar una atenuación excesiva de la señal.

2. Mantener la impedancia controlada

Con velocidades de datos 5G, mantener una impedancia diferencial de 100 ohmios es fundamental para la integridad de la señal. Esto requiere un cuidado... ancho de traza y ajuste del espaciado según los materiales de apilamiento utilizados. Se deben usar calculadoras de impedancia con precisión para lograr la impedancia objetivo. Las longitudes eléctricas entre pares diferenciales deben coincidir para evitar sesgos. Se deben minimizar los stubs o vías en las pistas.

Otras lecturas: ¿Cómo lograr el control de impedancia de la PCB objetivo?

3. Incorporar una adecuada acumulación de capas

Se debe incluir un plano de referencia sólido junto a las capas de señal para controlar la impedancia y proporcionar apantallamiento EMI. El número de capas debe ser moderado, entre 4 y 8. Un exceso de capas aumenta los costos y puede afectar el rendimiento. Las configuraciones de línea de banda simétrica funcionan mejor, siendo ideal la configuración señal-plano-señal o señal-plano-señal-plano.

4. Implementar técnicas de diseño cuidadosas

Las secciones analógicas y digitales deben estar aisladas entre sí, evitando el acoplamiento mediante la distancia y la orientación en el diseño. Se deben minimizar las longitudes de las pistas, utilizando pasivos de montaje superficial siempre que sea posible. Proporcione alivio térmico bajo los componentes calientes mediante vías térmicas o slugs. Agregue estructuras de blindaje EMI como latas, pistas de protección o fosos.

5. Gestionar transiciones de capas suaves

Al realizar la transición entre capas, se deben utilizar conos, chaflanes y lágrimas para evitar discontinuidades de impedancia que provoquen la reflexión de la señal. Se debe tener el mismo cuidado con las transiciones de los componentes a las capas internas.

6. Validar el rendimiento con pruebas

Se deben incluir puntos de prueba para usar analizadores de red, TDR y otros equipos de prueba para validar la impedancia, la pérdida y el ruido sobre la frecuencia. También se debe realizar una inspección óptica y eléctrica automatizada exhaustiva durante la fabricación de la PCB para detectar cualquier defecto.

Aplicaciones de las placas de circuito 5G

Las placas de circuito 5G permitirán velocidades de datos mucho más rápidas y una latencia más baja para una variedad de aplicaciones como:

• Teléfonos inteligentes: las placas de circuitos 5G permitirán que los teléfonos inteligentes aprovechen velocidades de datos más rápidas y una menor latencia de las redes 5G.
• Tabletas: las tabletas conectadas a 5G se beneficiarán de un ancho de banda ultra alto para actividades como la transmisión de video.
• Dispositivos portátiles: dispositivos como relojes inteligentes y rastreadores de actividad física aprovecharán las placas 5G para una conectividad siempre activa.
• Vehículos autónomos: la transferencia masiva de datos desde los sensores en los coches autónomos requiere placas 5G.
• Automatización industrial: la conexión inalámbrica de robots, PLC y sensores en las fábricas utiliza placas 5G.
• Salud digital: la PCB 5G puede transmitir imágenes médicas y datos de pacientes de alta resolución.
• Ciudades inteligentes: infraestructura como monitores de tráfico y alumbrado público se pueden conectar a través de 5G.
• Realidad virtual: la placa de circuito 5G facilita auriculares VR inalámbricos con video HD.
• Internet de las cosas: conecta electrodomésticos, medidores y rastreadores a través de 5G.

Conclusión

La aparición de las redes 5G representa una nueva frontera para la conectividad inalámbrica, pero liberar todo su potencial depende del avance de la tecnología de PCB para estos sistemas de vanguardia. Si bien los obstáculos de diseño y fabricación son considerables, no son insuperables. Mediante una cuidadosa selección de materiales, prácticas de impedancia controlada, apilamientos robustos de capas, gestión térmica y pruebas rigurosas, los ingenieros de PCB pueden superar los desafíos y ofrecer placas de circuito impreso 5G de alto rendimiento. A medida que la ciencia de los materiales y los procesos de fabricación sigan evolucionando, las capacidades de las PCB 5G seguirán aumentando.