盲埋孔电路板之5G将如何影响PCB设计？

文章来源：作者：何琴查看手机网址

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人气：2415发布日期：2021-09-09 11:13【大中小】

PCB是每个电子设备的心脏，其重要性不仅在于它允许各个组件之间的电气连接，还在于它承载数字和模拟信号、高频数据传输信号和电源线。随着5G技术的引入，盲埋孔电路板厂告诉你PCB需要满足哪些新的需求和要求？

与4G相比，即将大规模部署的5G网络将迫使设计人员重新思考移动、物联网和电信设备的PCB设计。5G网络将具有高速、宽带宽和低延迟的特点，所有这些都需要仔细的PCB设计以支持新的高频特性。

与4G网络相比，第五代移动技术将提供10-20倍的传输速率（高达1Gbps）、高达1000倍的流量密度和10倍的每平方公里连接数。5G网络还旨在提供1毫秒的延迟，比4G网络提供的延迟快10倍，并在更宽的频率范围内运行。PCB必须同时支持远高于当前的数据速率和频率，从而将混合信号设计推向极限。虽然4G网络的运行频率均低于6GHz阈值（从600MHz到5.925GHz），但5G网络会将频率上限提高到更高，直至毫米波区域（mmWave），频带以26GHz频率为中心、30GHz和77GHz。EHF（极高频）频段的使用代表了5G技术给PCB设计人员带来的最困难的挑战之一。毫米波仅通过视线传播，并且当它们遇到建筑物、树叶或恶劣的天气条件（如雨或潮湿）时，会沿途发生强烈衰减。因此，将需要更多的基站来支持5G网络。为了支持如此大量的频率，将需要多个相控阵天线来支持先进的5G功能，例如波束成形。

因此，盲埋孔电路板告诉你，无论是在移动设备上还是在基站上，我们都将拥有一个PCB，该PCB集成了大量天线阵列单元（AAU），并广泛使用了大规模MIMO技术。在图1中，我们可以看到几年前由一家领先的SoC和电信调制解调器设计公司开发的5G设备原型。三个有源天线，尺寸极其紧凑，能够管理5G标准所需的频率，在PCB的顶部和右侧清晰可见。

图1：5G移动设备原型（来源：高通）

除了频率之外，另一个重要的挑战是每个通道的带宽。虽然在4G网络中，信道带宽设置为20MHz（物联网设备限制为200kHz），但在5G网络中，其值已设置为6GHz以下频率的100MHz和6GHz以上频率的400MHz。虽然市场上已经有能够支持这些规格的调制解调器和射频组件，但选择最合适的材料将是PCB设计的基础。由于射频前端将直接集成在PCB上，因此需要具有极低介电传输损耗和极高导热性的材料。对于6GHz以上的频率，用于制造PCB的材料必须适应毫米波频段的特殊基板。

5G应用PCB的设计完全专注于混合高速和高频信号的管理。In addition to the standard rules relating to the design of PCBs with high frequency signals, it is necessary to select the material appropriately in order to prevent power losses and guarantee the integrity of the signal. 此外，必须防止盲埋孔电路板中管理模拟信号的部分和处理数字信号的部分之间可能出现的EMI，从而满足FCC、EMC要求。指导材料选择的两个参数是热导率和介电常数的热系数，它描述了介电常数的变化（通常以ppm/°C为单位）。导热系数高的基板显然更可取，因为它能够很容易地散发组件产生的热量。介电常数的热系数是一个同样重要的参数，因为介电常数的变化会引起色散，进而会展宽数字脉冲，改变信号传播速度，在某些情况下还会沿传输线产生信号反射。

PCB几何形状也起着重要作用，其中几何形状意味着层压板厚度和传输线特性。关于第一点，有必要选择通常在最高工作频率波长的1/4到1/8之间的层压厚度。如果层压板太薄，就有可能发生共振，甚至有可能通过导体传播波。关于传输线，有必要决定要使用哪种类型的导体：微带线、带状线或接地共面波导（GCPW）。微带线可能是最熟悉的，但它们在30GHz以上的辐射损耗和杂散模式传播方面存在问题。带状线也是一种有效的解决方案，但它们难以制造，因此更昂贵。此外，必须使用微孔将带状线连接到最外层。GCPW是一个很好的选择，但它们提供比微带线和带状线更高的传导损耗。选择基板材料后，设计人员应遵循适用于高频PCB设计的通用规则：使用尽可能短的走线，并检查走线之间的宽度和距离，以保持所有互连的阻抗恒定。以下是一些对5G应用设计PCB有用的建议或提示：

选择介电常数（Dk）低的材料：由于Dk损耗随频率成正比增加，因此必须选择介电常数尽可能低的材料；

使用少量阻焊层：大多数阻焊层具有很高的吸湿能力。如果发生这种情况，电路中可能会出现高损耗；

使用完美光滑的铜线和平面图：电流趋肤深度实际上与频率成反比，因此，在具有高频信号的印刷电路板上，它非常浅。不规则的铜表面将为电流提供不规则的路径，增加电阻损耗；

信号完整性：高频是集成电路设计者面临的最困难的挑战之一。为了最大限度地提高I/O，高密度互连（HDI）需要更薄的轨道，这一因素会导致信号衰减，从而导致进一步的损失。这些损耗会对射频信号的传输产生不利影响，可能会延迟几毫秒，进而导致信号传输链出现问题。在高频域中，信号完整性几乎完全基于检查阻抗。传统的PCB制造工艺，例如减材工艺，其缺点是会产生具有梯形横截面的轨道（与垂直于轨道的垂直角度相比，角度通常在25到45度之间）。这些横截面改变了轨道本身的阻抗，严重限制了5G应用。然而，这个问题可以通过使用mSAP（半加成制造工艺）技术来解决，该技术允许创建更精确的迹线，允许通过光刻定义迹线几何形状。在图2中，我们可以看到两种制造工艺的比较。

图2：传统减法与mSAP过程

自动检测：用于高频应用的PCB需要进行自动检测程序，包括光学（AOI）或通过ATE执行。这些程序允许极大地提高产品的质量，突出电路的可能错误或低效率。最近在PCB自动检查和测试领域取得的进展大大节省了时间，并降低了与手动验证和测试相关的成本。使用新的自动检测技术将有助于克服5G带来的挑战，包括高频系统中的全局阻抗控制。越来越多地采用自动化检测方法还可以实现一致的性能和高生产率

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