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最新消息| 5G將如何影響PCB設計? | 2022-08-02 |
| 文章来源：由「百度新聞」平台非商業用途取用"https://net.it168.com/a2022/0801/6755/000006755193.shtml" 印刷電路板是每個電子設備的心臟，其重要性不僅在于它允許各個組件之間的電氣連接，還在于它承載數字和模擬信號、高頻數據傳輸信號和電源線。隨著5G技術的引入，PCB需要滿足哪些新的需求和要求？與4G相比，即將大規模部署的5G網絡將迫使設計人員重新思考移動、物聯網和電信設備的PCB設計。5G網絡將具有高速、寬帶寬和低延遲的特點，所有這些都需要仔細的PCB設計以支持新的高頻特性。 5G挑戰 與4G網絡相比，第五代移動技術將提供10-20倍的傳輸速率（高達1Gbps）、高達1000倍的流量密度和10倍的每平方公里連接數。5G網絡還旨在提供1毫秒的延遲，比4G網絡提供的延遲快10倍，并在更寬的頻率范圍內運行。PCB必須同時支持遠高于當前的數據速率和頻率，從而將混合信號設計推向極限。雖然4G網絡的運行頻率均低于6GHz閾值（從600MHz到5.925GHz），但5G網絡會將頻率上限提高到更高，直至毫米波區域(mmWave)，頻帶以26GHz頻率為中心、30GHz和77GHz。 EHF（極高頻）頻段的使用代表了5G技術給PCB設計人員帶來的最困難的挑戰之一。毫米波僅通過視線傳播，并且當它們遇到建筑物、樹葉或惡劣的天氣條件（如雨或潮濕）時，會沿途發生強烈衰減。因此，將需要更多的基站來支持5G網絡。為了支持如此大量的頻率，將需要多個相控陣天線來支持先進的5G功能，例如波束成形。因此，無論是在移動設備上還是在基站上，我們都將擁有一個PCB，該PCB集成了大量天線陣列單元(AAU)，并廣泛使用了大規模MIMO技術。在圖1中，我們可以看到幾年前由一家領先的SoC和電信調制解調器設計公司開發的5G設備原型。三個有源天線，尺寸極其緊湊，能夠管理5G標準所需的頻率，在PCB的頂部和右側清晰可見。 圖1：5G移動設備原型（來源：高通） 除了頻率之外，另一個重要的挑戰是每個通道的帶寬。雖然在4G網絡中，信道帶寬設置為20MHz（物聯網設備限制為200kHz），但在5G網絡中，其值已設置為6GHz以下頻率的100MHz和6GHz以上頻率的400MHz。雖然市場上已經有能夠支持這些規格的調制解調器和射頻組件，但選擇最合適的材料將是PCB設計的基礎。由于射頻前端將直接集成在PCB上，因此需要具有極低介電傳輸損耗和極高導熱性的材料。對于6GHz以上的頻率，用于制造PCB的材料必須適應毫米波頻段的特殊基板。 5GPCB設計提示 5G應用印刷電路板的設計完全專注于混合高速和高頻信號的管理。InadditiontothestandardrulesrelatingtothedesignofPCBswithhighfrequencysignals,itisnecessarytoselectthematerialappropriatelyinordertopreventpowerlossesandguaranteetheintegrityofthesignal.此外，必須防止電路板中管理模擬信號的部分和處理數字信號的部分之間可能出現的EMI，從而滿足FCCEMC要求。指導材料選擇的兩個參數是熱導率和介電常數的熱系數，它描述了介電常數的變化（通常以ppm°C為單位）。導熱系數高的基板顯然更可取，因為它能夠很容易地散發組件產生的熱量。介電常數的熱系數是一個同樣重要的參數，因為介電常數的變化會引起色散，進而會展寬數字脈沖，改變信號傳播速度，在某些情況下還會沿傳輸線產生信號反射。 PCB幾何形狀也起著重要作用，其中幾何形狀意味著層壓板厚度和傳輸線特性。關于第一點，有必要選擇通常在最高工作頻率波長的14到18之間的層壓厚度。如果層壓板太薄，就有可能發生共振，甚至有可能通過導體傳播波。關于傳輸線，有必要決定要使用哪種類型的導體：微帶線、帶狀線或接地共面波導(GCPW)。微帶線可能是最熟悉的，但它們在30GHz以上的輻射損耗和雜散模式傳播方面存在問題。帶狀線也是一種有效的解決方案，但它們難以制造，因此更昂貴。此外，必須使用微孔將帶狀線連接到最外層。GCPW是一個很好的選擇，但它們提供比微帶線和帶狀線更高的傳導損耗。 選擇基板材料后，設計人員應遵循適用于高頻PCB設計的通用規則：使用盡可能短的走線，并檢查走線之間的寬度和距離，以保持所有互連的阻抗恒定。以下是一些對5G應用設計PCB有用的建議或提示： ●選擇介電常數(Dk)低的材料：由于Dk損耗隨頻率成正比增加，因此必須選擇介電常數盡可能低的材料； ●使用少量阻焊層：大多數阻焊層具有很高的吸濕能力。如果發生這種情況，電路中可能會出現高損耗； ●使用完美光滑的銅線和平面圖：電流趨膚深度實際上與頻率成反比，因此，在具有高頻信號的印刷電路板上，它非常淺。不規則的銅表面將為電流提供不規則的路徑，增加電阻損耗； ●信號完整性：高頻是集成電路設計者面臨的最困難的挑戰之一。為了最大限度地提高IO，高密度互連(HDI)需要更薄的軌道，這一因素會導致信號衰減，從而導致進一步的損失。這些損耗會對射頻信號的傳輸產生不利影響，可能會延遲幾毫秒，進而導致信號傳輸鏈出現問題。在高頻域中，信號完整性幾乎完全基于檢查阻抗。傳統的PCB制造工藝，例如減材工藝，其缺點是會產生具有梯形橫截面的軌道（與垂直于軌道的垂直角度相比，角度通常在25到45度之間）。這些橫截面改變了軌道本身的阻抗，嚴重限制了5G應用。然而，這個問題可以通過使用mSAP（半加成制造工藝）技術來解決，該技術允許創建更精確的跡線，允許通過光刻定義跡線幾何形狀。在圖2中，我們可以看到兩種制造工藝的比較。 圖2：傳統減法與mSAP過程 自動檢測：用于高頻應用的PCB需要進行自動檢測程序，包括光學(AOI)或通過ATE執行。這些程序允許極大地提高產品的質量，突出電路的可能錯誤或低效率。最近在PCB自動檢查和測試領域取得的進展大大節省了時間，并降低了與手動驗證和測試相關的成本。使用新的自動檢測技術將有助于克服5G帶來的挑戰，包括高頻系統中的全局阻抗控制。越來越多地采用自動化檢測方法還可以實現一致的性能和高生產率 關鍵字標籤：專業SMT加工 |
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