5Gネットワークが世界中で展開されるにつれ、接続性に変革をもたらし、モバイル技術の可能性の限界を押し広げることが期待されています。しかし、5Gの可能性を最大限に引き出すには、あまり目立たないもう5つの技術、プリント回路基板（PCB）の進化が不可欠です。5G PCBは、優れた高周波性能と信号整合性の両立が求められます。5Gのメリットを最大限に享受するために、PCBメーカーはこれらの重要コンポーネントの設計と製造の課題に果敢に取り組んでいます。このブログ記事では、XNUMXG PCBの設計とエンジニアリングに関する考慮事項を詳しく掘り下げ、製造における課題とイノベーションについて考察します。早速見ていきましょう。
5G PCB製造用基板材料
その 基板材料 5G PCBの性能要件を満たす上で重要な要素です。基板を選択する際に考慮すべき主なパラメータは次のとおりです。
- 誘電率 – Dk 値が 2 ～ 3 程度に低下すると、信号損失とクロストークが減少します。 PTFE 液晶ポリマー (LCP) は、一般的な低 Dk オプションです。
- 損失正接 - Rogers RO0.005 ラミネートのような損失正接が 3000 未満の材料は、mmWave 周波数での誘電体信号損失を最小限に抑えます。
- 熱伝導率 - 高電力密度には、十分な熱を放散する必要があります。セラミックアルミニウムナイトライドとLCPは、それぞれ最大170 W/mKと0.67 W/mKの熱伝導率を実現します。
- CTE– 基板と部品の熱膨張係数（CTE）を一致させることで、サイクルによるはんだ接合部やパッドの損傷を防止します。ガラス繊維強化炭化水素はCTEの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、安定した電気性能を維持できます。
- 厚さ – 0.1mm ～ 0.3mm の薄い誘電体層により、層数に応じて損失が低減します。
実行可能な材料オプションには次のようなものがあります。
- PTFE複合材 – ミリ波帯まで安定した低損失とリーズナブルなコストを実現。20層以上の積層数にも対応。
- セラミック充填PTFE – ミリ波アプリケーションに最適な性能を発揮しますが、コストは高くなります。非常に高い周波数に対応します。
- ポリイミド – より柔軟な基板で、薄型PCBに適しています。高周波での損失は中程度です。
- 窒化アルミニウム – 優れた熱伝導性と低い誘電損失を備え、放熱が重要な高出力 5G モジュールに最適です。
- 液晶ポリマー (LCP) - 誘電率と損失が比較的低く、熱伝導性も優れています。
5G PCB設計の課題
5G PCBの開発は、超高周波とデータレートが求められるため、前世代の基板と比較して特有の困難を伴います。5Gは新たな機能を可能にしますが、これらの設計上の課題を克服するには、創造性と革新性が不可欠です。
- 大きな障害の一つは、ミックスドシグナル部品を単一基板に統合することです。5Gシステムは、MHz帯からミリ波帯まで、幅広い周波数範囲で動作する必要があります。このように多様な信号を単一基板上で捕捉・処理するには、干渉と損失を最小限に抑えるための綿密な設計が不可欠です。アナログとデジタルのレイアウトバランスが鍵となります。
- マルチギガビットのデータレートでシグナルインテグリティを維持することも困難です。より厳しいインピーダンス許容値を維持する必要があり、新たなスタックアップ戦略とより薄い銅配線が求められます。配線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を一致させる必要があります。わずかな変化でもパフォーマンスが低下する可能性があります。
- EMIの抑制もまた、新たな障害となります。マイクロ波周波数では、放射と結合のリスクが増大します。ノイズに敏感な回路とノイズの多い回路を慎重に分離して配置することが不可欠です。放射を抑制するために、筐体や物理的な障壁で部品をシールドする必要がある場合もあります。
- 高密度に実装された高速部品を扱う場合、熱の問題はさらに複雑になります。慎重に選定された誘電体材料は、高温のチップや配線から放熱構造へと余分な熱を逃がすのに役立ちます。熱的ニーズを考慮して、スタックアップとプレーン分布を設計することが不可欠です。
これらの課題は困難ではありますが、スマートな設計手法を用いることで克服可能です。シミュレーション、プロトタイピング、設計レビューなどを通じて、製造開始前に性能検証を実施します。その結果、最先端の接続性を提供する5G PCBが完成します。
5G回路基板設計のヒント
低損失誘電体材料の使用
5Gボードでは、高周波での信号損失を最小限に抑えるために、PTFE（テフロン）やセラミック充填PTFEなどの誘電体材料の使用が不可欠です。これらの材料の誘電率は3.5未満で、5Gデータレートでの差動ペアに必要な狭いトレース間隔を実現するために、低いほど優れています。また、過度の信号減衰を防ぐため、材料の誘電正接は非常に低くなければなりません。
制御されたインピーダンスを維持する
5Gのデータレートでは、100Ωの差動インピーダンスを維持することが信号品質にとって重要です。これには慎重な配慮が必要です。 トレース幅 使用するスタックアップ材料に基づいて、配線間隔を調整する必要があります。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を厳密に使用する必要があります。差動ペア間の電気長は、スキューを防ぐために一致させる必要があります。配線上のスタブやビアは最小限に抑える必要があります。
参考文献： 目標の PCB インピーダンス制御を達成するにはどうすればよいですか?
適切なレイヤースタックを組み込む
インピーダンスを制御し、EMIシールドを確保するため、信号層の隣にしっかりとしたリファレンスプレーンを設ける必要があります。層数は4～8層程度に抑える必要があります。層数が多すぎるとコストが増加し、性能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も効果的で、信号プレーン-信号、または信号プレーン-信号プレーンが理想的です。
慎重なレイアウトテクニックを実装する
アナログ部とデジタル部は互いに分離し、レイアウト上の距離と配置によって干渉を防ぐ必要があります。トレース長は最小限に抑え、可能な限り表面実装型受動部品を使用します。サーマルビアやサーマルスラグを用いて、高温部品の下部に放熱対策を施します。また、缶、ガードトレース、モートなどのEMIシールド構造も追加します。
スムーズなレイヤートランジションを管理する
トレースが層間を遷移する際には、信号反射の原因となるインピーダンスの不連続性を防ぐため、テーパー、面取り、ティアドロップ形状などを採用する必要があります。コンポーネントパッドから内層への遷移についても同様の注意が必要です。
テストでパフォーマンスを検証する
ネットワークアナライザ、TDR、その他のテスト機器を用いてインピーダンス、損失、周波数特性のノイズを検証するためのテストポイントを設ける必要があります。また、PCB製造工程では、欠陥を発見するために、徹底した自動化された光学的および電気的検査を実施する必要があります。
5G回路基板の用途
5G 回路基板により、次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低減が実現します。
- スマートフォン - 5G 回路基板により、スマートフォンは 5G ネットワークのより高速なデータ速度とより低い遅延を活用できるようになります。
- タブレット – 5G 接続のタブレットは、ビデオストリーミングなどのアクティビティで超高帯域幅の恩恵を受けます。
- ウェアラブル – スマートウォッチやフィットネストラッカーなどのデバイスは、常時接続のために 5G ボードを活用します。
- 自動運転車 – 自動運転車のセンサーからの大量のデータ転送には 5G ボードが必要です。
- 産業オートメーション - 工場内のロボット、PLC、センサーをワイヤレスで接続するには 5G ボードを使用します。
- デジタルヘルス – 5G PCB は高解像度の医療画像と患者データをストリーミングできます。
- スマート シティ - 交通モニターや街灯などのインフラストラクチャを 5G 経由で接続できます。
- バーチャルリアリティ - 5G 回路基板により、HD ビデオ対応のワイヤレス VR ヘッドセットが実現します。
- モノのインターネット - 家電製品、メーター、トラッカーを 5G 経由で接続します。
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拓きますが、その潜在能力を最大限に引き出すには、これらの最先端システムに対応するPCB技術の進化が不可欠です。設計と製造におけるハードルは高いものの、克服できないものではありません。PCBエンジニアは、慎重な材料選定、インピーダンス制御、堅牢な積層構造、熱管理、そして厳格な試験を通して、これらの課題を克服し、高性能な5G回路基板を提供することができます。材料科学と製造プロセスが成熟するにつれて、5G PCBの性能はますます向上していくでしょう。
