Проектирование печатных плат 5G: что нужно знать производителям?

По мере того, как сети 5G развертываются по всему миру, они обещают преобразовать связь и раздвинуть границы возможностей мобильных технологий. Но чтобы полностью раскрыть потенциал 5G, другая, менее заметная технология должна идти в ногу со временем — печатные платы (ПП). ПП 5G необходимы для достижения превосходной производительности на высоких частотах при сохранении целостности сигнала. Чтобы воспользоваться всеми преимуществами 5G, производители ПП поднимаются над проблемами проектирования и производства этих важных компонентов. В этой записи блога будут рассмотрены вопросы проектирования и проектирования ПП 5G, а также рассмотрены производственные проблемы и инновации, связанные с ними. Давайте сразу же приступим.

Материалы подложки для производства печатных плат 5G

Команда  материал подложки является решающим фактором в удовлетворении требований производительности печатных плат 5G. Ключевые параметры, которые следует учитывать при выборе подложек, включают:

• Диэлектрическая проницаемость – более низкие значения Dk около 2–3 снижают потери сигнала и перекрестные помехи. PTFE и жидкокристаллический полимер (ЖКП) являются распространенными вариантами с низким Dk.
• Тангенс угла потерь – Материалы с тангенсом угла потерь ниже 0.005, такие как ламинаты Rogers RO3000, минимизируют диэлектрические потери сигнала на частотах миллиметрового диапазона.
• Теплопроводность – Высокая плотность мощности требует рассеивания значительного количества тепла. Керамический нитрид алюминия и LCP обеспечивают проводимость до 170 Вт/мК и 0.67 Вт/мК соответственно.
• КТР– Соответствие подложки и компонента КТР предотвращает повреждение паяного соединения и контактной площадки от циклов. Стеклоармированные углеводороды обеспечивают совместимость КТР.
• Поглощение влаги. Низкое поглощение влаги фторполимерами помогает поддерживать стабильные электрические характеристики.
• Толщина – более тонкие диэлектрические слои от 0.1 мм до 0.3 мм снижают потери в зависимости от количества слоев.

Некоторые варианты пригодных для обработки материалов включают в себя:

• Композиты ПТФЭ – обеспечивают стабильные низкие потери вплоть до миллиметровых диапазонов и разумную стоимость. Допускают количество слоев более 20.
• Керамический ПТФЭ – обеспечивает наилучшую производительность для приложений mmWave, но по более высокой цене. Позволяет работать на очень высоких частотах.
• Полиимид – более гибкая подложка, подходящая для более тонких печатных плат. Умеренные потери на высоких частотах.
• Нитрид алюминия — исключительная теплопроводность и низкие диэлектрические потери, идеально подходит для высокомощных модулей 5G, где рассеивание тепла имеет решающее значение.
• Жидкокристаллический полимер (ЖКП) – относительно низкая диэлектрическая проницаемость и потери, а также хорошая теплопроводность.

Проблемы проектирования печатных плат 5G

Разработка печатных плат 5G представляет собой уникальные трудности по сравнению с платами предыдущего поколения из-за задействованных сверхвысоких частот и скоростей передачи данных. В то время как 5G обеспечивает новые возможности, преодоление этих препятствий проектирования требует креативности и инноваций.

• Одним из основных препятствий является интеграция компонентов смешанных сигналов на одной плате. Системы 5G должны работать в широком диапазоне частот, от МГц до миллиметровых волн. Захват и обработка таких разнообразных сигналов на одной печатной плате требует тщательного планирования, чтобы минимизировать помехи и потери. Ключевым моментом является достижение баланса между аналоговой и цифровой компоновкой.
• Поддержание целостности сигнала на скоростях передачи данных в несколько гигабит также оказывается сложной задачей. Необходимо поддерживать более жесткие допуски импеданса, что требует новых стратегий наложения и более тонких медных дорожек. Архитектуры маршрутизации должны обеспечивать согласованные длины между дифференциальными парами для предотвращения перекоса. Даже небольшие изменения могут ухудшить производительность.
• Еще одним препятствием является сдерживание ЭМП. На микроволновых частотах растут риски излучения и связи. Продуманное разделение компоновки между чувствительными к шуму и шумными цепями является обязательным. Экранирование компонентов с помощью банок и физических барьеров может также потребоваться для ограничения выбросов.
• Тепловые проблемы еще больше усложняют ситуацию при работе с плотно упакованными высокоскоростными компонентами. Тщательно подобранные диэлектрические материалы могут помочь отвести избыточное тепло от горячих чипов и дорожек к структурам термического рельефа. Проектирование стека и распределения плоскостей с учетом тепловых потребностей имеет жизненно важное значение.

Хотя эти проблемы пугающие, их можно преодолеть с помощью методов разумного проектирования. Моделирование, прототипирование и обзоры проектов помогут проверить производительность до начала производства. Конечным результатом станут печатные платы 5G, готовые обеспечить передовую связь.

Советы по проектированию печатной платы 5G

1. Используйте диэлектрические материалы с низкими потерями

Использование диэлектрических материалов, таких как ПТФЭ (тефлон) или ПТФЭ с керамическим наполнителем, необходимо для плат 5G, чтобы минимизировать потери сигнала на высоких частотах. Эти материалы имеют диэлектрическую постоянную ниже 3.5, причем чем ниже значение, тем лучше, чтобы обеспечить более плотное расстояние между проводниками, необходимое для дифференциальных пар на скоростях передачи данных 5G. Материалы также должны иметь очень низкий тангенс угла потерь, чтобы предотвратить чрезмерное затухание сигнала.

2. Поддерживайте контролируемый импеданс

При скорости передачи данных 5G поддержание дифференциального сопротивления 100 Ом имеет решающее значение для целостности сигнала. Это требует тщательного ширина следа и настройка интервала на основе используемых материалов стека. Калькуляторы импеданса должны быть тщательно проверены для достижения целевого импеданса. Электрические длины между дифференциальными парами должны быть согласованы для предотвращения перекоса. Шлицы или переходные отверстия на трассах должны быть сведены к минимуму.

Дополнительная литература: Как добиться целевого контроля импеданса печатной платы?

3. Внедрение правильного наложения слоев

Сплошная опорная плоскость должна быть включена рядом со слоями сигнала для контролируемого импеданса и обеспечения экранирования от электромагнитных помех. Количество слоев должно быть умеренным, около 4-8 слоев. Слишком много слоев увеличивают стоимость и могут ухудшить производительность. Лучше всего работают симметричные конфигурации полосковых линий, причем идеальными являются конфигурации сигнал-плоскость-сигнал или сигнал-плоскость-сигнал-плоскость.

4. Используйте методы тщательной компоновки

Аналоговые и цифровые секции должны быть изолированы друг от друга, а связь должна быть предотвращена за счет расстояния и ориентации на макете. Длина дорожек должна быть минимизирована, при возможности следует использовать пассивные элементы поверхностного монтажа. Обеспечьте тепловой сброс под горячими компонентами, используя тепловые переходы или пробки. Добавьте структуры экранирования ЭМИ, такие как банки, защитные дорожки или рвы.

5. Управление плавными переходами слоев

При переходе трасс между слоями следует использовать конусы, фаски и капли, чтобы предотвратить разрывы импеданса, вызывающие отражение сигнала. Такое же внимание следует уделять переходам компонентных площадок во внутренние слои.

6. Проверка производительности с помощью тестирования

Тестовые точки должны быть включены для использования сетевых анализаторов, TDR и другого испытательного оборудования для проверки импеданса, потерь, шума по частоте. Тщательный автоматизированный оптический и электрический контроль также должен проводиться во время изготовления печатной платы для выявления любых дефектов.

Применение плат 5G

Печатные платы 5G обеспечат гораздо более высокую скорость передачи данных и меньшую задержку для различных приложений, таких как:

• Смартфоны. Печатные платы 5G позволят смартфонам использовать более высокие скорости передачи данных и меньшую задержку сетей 5G.
• Планшеты — планшеты с подключением к сети 5G получат преимущества сверхвысокой пропускной способности для таких задач, как потоковая передача видео.
• Носимые устройства. Такие устройства, как умные часы и фитнес-трекеры, будут использовать платы 5G для постоянного подключения.
• Автономные транспортные средства. Для передачи больших объемов данных с датчиков в беспилотных автомобилях требуются платы 5G.
• Промышленная автоматизация. Для беспроводного подключения роботов, ПЛК и датчиков на заводах используются платы 5G.
• Цифровое здравоохранение – 5G PCB может передавать потоковые медицинские изображения высокого разрешения и данные пациентов.
• Умные города. Инфраструктура, такая как системы контроля дорожного движения и уличное освещение, может быть подключена через 5G.
• Виртуальная реальность – печатная плата 5G обеспечивает работу беспроводных VR-гарнитур с HD-видео.
• Интернет вещей — соединяет бытовые приборы, счетчики, трекеры через 5G.

Заключение

Появление сетей 5G представляет собой новый рубеж для беспроводной связи, но полное раскрытие ее потенциала зависит от развития технологии печатных плат для этих передовых систем. Хотя препятствия при проектировании и изготовлении существенны, они не являются непреодолимыми. Благодаря тщательному выбору материалов, методам контролируемого импеданса, надежным наложениям слоев, управлению температурой и тщательному тестированию инженеры печатных плат могут преодолеть трудности и предоставить высокопроизводительные печатные платы 5G. По мере того, как материаловедение и производственные процессы продолжают совершенствоваться, возможности печатных плат 5G будут только расти.