Technické požiadavky na výrobu PCB v ére komunikácie 5G
Zavedenie technológie 5G vedie k bezprecedentnému dopytu po vysokovýkonných PCB schopných podporovať rýchlejšie rýchlosti dát, nižšiu latenciu a zvýšenú hustotu zariadenia. Na rozdiel od predchádzajúcich generácií, siete 5G fungujú vo viacerých frekvenčných pásmach, vrátane spektra milimeter-vlny (MMWave), čo predstavuje jedinečné výzvy pre návrh a výrobu PCB. Na splnenie týchto požiadaviek musia PCB dodržiavať prísnejšie technické špecifikácie týkajúce sa integrity signálu, tepelného riadenia a miniaturizácie. Tento článok skúma kľúčové technické požiadavky formujúce výrobu PCB pre aplikácie 5G.
Vysokofrekvenčná integrita signálu a výber materiálov s nízkou stratou
5G Komunikácia sa spolieha na prenos údajov pri frekvenciách presahujúcich 24 GHz, kde tradičné materiály PCB, ako je FR-4, zažívajú významné útlm a skreslenie signálu. Aby sa udržala integrita signálu v týchto vysokofrekvenčných rozsahoch, musia výrobcovia prijať dielektrické materiály s nízkou stratou so stabilnými elektrickými vlastnosťami v rámci širokých variácií teploty a frekvencie. Tieto materiály minimalizujú stratu vloženia, fázový posun a presluch, čím zabezpečujú spoľahlivý prenos údajov aj pri frekvenciách MMWave.
Výber laminátových a prepreg materiálov sa stáva kritickým, pretože ich dielektrická konštanta (DK) a faktor rozptylu (DF) priamo ovplyvňujú šírenie signálu. Napríklad kompozity na báze PTFE alebo uhľovodíkových keramických kompozitov sú často uprednostňované pre svoje nízke hodnoty DF, ktoré znižujú stratu energie počas vysokorýchlostného prenosu signálu. Výrobcovia musia navyše optimalizovať drsnosť medenej fólie, pretože drsnejšie povrchy zvyšujú straty efektu pokožky pri vysokých frekvenciách. Hladké medené fólie s charakteristikami Ultra-Low Profile (ULP) sú teraz štandardné v 5G PCB na zvýšenie kvality signálu.
Ďalším aspektom vysokofrekvenčného dizajnu PCB je kontrola impedancie. Na prevenciu odrazov signálu a zabezpečenie konzistentného výkonu naprieč sú potrebné tesné tolerancie pre charakteristickú impedanciu (zvyčajne ± 10% alebo lepšie). Vyžaduje si to presnú kontrolu nad stopovými šírkami, rozstupmi a dielektrickou hrúbkou počas výroby, ktorá sa často dosahuje automatizovanými procesmi a pokročilými laminačnými technikami.
Pokročilé tepelné riadenie pre vysokorýchlostné komponenty
Infraštruktúrne zariadenia 5G, ako sú základné stanice a malé bunky, vytvárajú podstatne viac tepla ako ich 4G náprotivky v dôsledku zvýšeného výkonu spracovania a vyššej RF výstupu. Efektívne tepelné riadenie je nevyhnutné na zabránenie degradácii výkonnosti alebo zlyhania komponentov spôsobených prehriatím. Výrobcovia PCB musia integrovať tepelné roztoky priamo do návrhu dosky, aby sa efektívne rozptýlili teplo.
Jeden prístup spočíva v vložení tepelných vkladov pod vysoko výkonnými komponentmi, ako sú napájacie zosilňovače (PAS) a polia s programovacími programami v teréne (FPGA). Tieto vias prenášajú teplo z komponentu do vnútorných vrstiev alebo vonkajších chladičov, čím sa zlepšuje tepelná vodivosť. Výrobcovia navyše prijímajú kovové jadrové PCB (MCPCBS) alebo začleňujú tepelne vodivé lamináty na zvýšenie rozptylu tepla. Napríklad substráty s hliníkom alebo meďou poskytujú vynikajúcu tepelnú vodivosť v porovnaní s tradičným FR-4, vďaka čomu sú ideálne pre 5G RF moduly.
Ďalšou inováciou je použitie materiálov tepelného rozhrania (TIMS) počas zostavy na zlepšenie kontaktu medzi komponentmi a chladičmi. TIMS vyplňte mikroskopické vzduchové medzery, znižujú tepelný odpor a umožňujú účinnejší prenos tepla. Preskúmajú sa pokročilé TIMS, ako sú materiály na zmenu fázy alebo zlúčeniny kvapaliny z tekutého kovu, pokiaľ ide o ich schopnosť zvládnuť extrémne tepelné zaťaženie zariadení 5G.
Miniaturizácia a technológie vzájomného prepojenia s vysokou hustotou (HDI)
Kompaktný formálny faktor zariadení s podporou 5G, od smartfónov po senzory internetu vecí, vyžaduje PCB s vyššou hustotou komponentov a menšou veľkosťou funkcií. Technológie Interconnect (HDI) s vysokou hustotou hrajú kľúčovú úlohu pri dosahovaní tejto miniaturizácie tým, že umožňujú jemnejšie komponenty tónu, mikrovia a naskladané prostredníctvom štruktúr. HDI PCB znižujú počet vrstiev pri udržiavaní komplexného smerovania, čo je rozhodujúce pre prispôsobenie viacerých antén, RF filtrov a digitálnych procesorov do obmedzeného priestoru.
Mikrovia, s priemermi až 0,1 mm, sa vyvŕtajú pomocou laserových alebo mechanických metód na vytváranie vertikálnych spojení medzi vrstvami bez zaberania nadmernej plochy povrchu. Tieto vias podporujú slepé a zakopané štruktúry, čo dizajnérom umožňuje efektívnejšie smerovať signály a znižovať parazitickú kapacitu. Skladané mikrovia ďalej zvyšujú hustotu pripojením viacerých vrstiev v jednom stĺpci, čím uvoľní priestor pre ďalšie komponenty alebo stopy.
Ďalším trendom v miniaturizácii 5G PCB je prijatie akýchkoľvek vzorov HDI, kde je možné umiestniť kdekoľvek na palube bez obmedzení. Táto flexibilita zjednodušuje smerovanie pre vysokorýchlostné signály a znižuje potrebu kompromisov pri rozložení. V kombinácii s pokročilými výrobnými technikami, ako je sekvenčné hromadenie (SBU), akákoľvek vrstva HDI umožňuje PCB podporovať komplexné architektúry potrebné pre 5G lúče a masívne systémy MIMO (viacnásobný vstupný výstup).
Zvýšená spoľahlivosť a environmentálna odolnosť
Siete 5G sú nasadené v rôznych prostrediach, od mestských strechy po vzdialené priemyselné miesta, vystavujú PCB extrémnym teplotám, vlhkosti a mechanickému stresu. Zabezpečenie dlhodobej spoľahlivosti za týchto podmienok vyžaduje robustné materiály a výrobné procesy. Napríklad PCB používané vo vonkajších základných staniciach musia odolávať kolísaniu teploty v rozsahu od -40 ° C do 85 ° C bez delaminácie alebo deformácie.
Výrobcovia to riešia výberom laminátov s vysokými teplotami prechodu skla (TG) a nízkym koeficientom tepelnej expanzie (CTE). Materiály s vysokým obsahom TG udržiavajú rozmerovú stabilitu počas tepelného cyklu, čím sa bránia trhlinám spájkovacieho kĺbu alebo zdvíhaním podložky. Okrem toho sa na ochranu PCB pred vlhkosťou, prachom a chemickou kontamináciou aplikujú konformné povlaky alebo zalievacie zlúčeniny, čím sa predlžuje ich prevádzková životnosť v drsnom prostredí.
Mechanická spoľahlivosť je rovnako dôležitá, pretože zariadenia 5G často podliehajú vibráciám alebo šoku počas prepravy alebo prevádzky. PCB musia byť navrhnuté s zosilnenými štruktúrami, ako sú zahustené medené roviny alebo výstuhy, aby odolali ohýbaniu alebo ohýbaniu. Na overenie trvanlivosti pred hromadnou výrobou sa používajú pokročilé testovacie metódy vrátane testovania tepelného šoku (HALT (vysoko zrýchlené testovanie života).
Keďže sa technológia 5G neustále vyvíja, výrobcovia PCB čelia zvyšujúcemu sa tlaku na inováciu naprieč materiálmi, návrhmi a montážnymi procesmi. Uprednostňovaním vysokofrekvenčného výkonu, tepelnej účinnosti, miniaturizácie a spoľahlivosti môže priemysel dodať PCB, ktoré spĺňajú prísne požiadavky komunikačných sietí novej generácie, čím pripravia pôdu pre rozsiahle prijatie 5G.
