1. Cyflwyniad
1.1 Chwyldro 5G a Heriau PCB
Mae cyflwyno technoleg ddiwifr 5G yn fyd-eang yn cynrychioli'r trawsnewidiad mwyaf arwyddocaol mewn seilwaith telathrebu ers dyfodiad 4G LTE. Gan weithredu ar draws dau fand amledd gwahanol o dan 6 GHz ar gyfer sylw eang ac amleddau tonnau milimetr (mmWave) yn amrywio o 24 i 77 GHz ar gyfer signalau uwch-uchel.
Mae rhwydweithiau 5G yn galw am gywirdeb digynsail wrth ddylunio byrddau cylched printiedig (PCB). Yn wahanol i gymwysiadau PCB confensiynol, rhaid i systemau 5G ymdopi ag amleddau signal lle gall hyd yn oed diffygion dylunio microsgopig achosi dirywiad perfformiad trychinebus.
Yn ôl dadansoddiad o'r diwydiant, rhagwelir y bydd marchnad seilwaith 5G fyd-eang yn fwy na $47.7 biliwn erbyn 2027, gan yrru galw enfawr am atebion PCB perfformiad uchel. Mae'r twf hwn yn creu cyfleoedd a heriau i ddylunwyr PCB y mae'n rhaid iddynt feistroli'r berthynas gymhleth rhwng priodweddau deunydd, cyfluniad haenau, ac ymddygiad signal ar amleddau radio. Nid uwchraddiad cynyddrannol yn unig yw'r newid o 4G i 5G, mae'n gofyn am ailystyried sylfaenol o bensaernïaeth pentyrru PCB.
Ffigur 1 – sbectrwm amledd gyda bandiau is-6 GHz a mmWave wedi'u hamlygu
1.2 Rôl Hanfodol Dylunio Stack-Up mewn Perfformiad 5G
Mae'r PCB yn pentyrru'r trefniant wedi'i drefnu'n ofalus o haenau copr, deunyddiau dielectrig, a swbstradau craidd yn gwasanaethu fel y sylfaen y mae cyfanrwydd holl signal 5G yn dibynnu arni. Ar amleddau mmWave, mae ynni electromagnetig yn ymddwyn yn ôl egwyddorion sy'n ymddangos bron yn groes i ddylunwyr sydd wedi arfer â chymwysiadau amledd is. Mae tonfeddi signal yn crebachu i raddfa filimetr, gan wneud
Mae nodweddion fel stybiau via ac anghysondebau olrhain oedd yn ddibwys ar 1 GHz yn dod yn ffynonellau mawr o adlewyrchiad a cholli signal ar 28 GHz.
Rhaid i bentwr PCB 5G sydd wedi'i gynllunio'n iawn fynd i'r afael â nifer o ofynion cystadleuol ar yr un pryd: rhwystriant rheoledig i atal adlewyrchiadau signal, colled mewnosod isel i gadw cryfder signal, cysgodi ymyrraeth electromagnetig (EMI) effeithiol i atal croestalk rhwng cylchedau, a rheolaeth thermol gadarn i wasgaru gwres o fwyhaduron RF sy'n llwglyd am bŵer. Mae cyfluniad y pentwr yn effeithio'n uniongyrchol ar bob un o'r paramedrau hyn, gan ei wneud y penderfyniad mwyaf hollbwysig yn y broses ddylunio PCB 5G gyfan.
2. Deall Gofynion PCB 5G
2.1 Sbectrwm Amledd 5G a Nodweddion Signal
Bandiau Is-6 GHz: Sylfaen ar gyfer Cwmpas Eang
Mae'r sbectrwm is-6 GHz, sy'n cwmpasu amleddau o 600 MHz i 6 GHz, yn cynrychioli asgwrn cefn darpariaeth 5G. Mae'r amleddau is hyn yn darparu'r nodweddion lledaenu sy'n angenrheidiol ar gyfer defnyddio rhwydwaith ardal eang, gan gynnig treiddiad adeiladau gwell ac ystod hirach o'i gymharu â mmWave. O safbwynt dylunio PCB, mae signalau is-6 GHz yn cyflwyno heriau cymedrol sy'n fwy heriol na 4G LTE ond yn llai eithafol na chymwysiadau mmWave.
Bandiau Tonnau mm (24-77 GHz): Gofynion Manwldeb Eithafol Mae ton filimetr 5G, sy'n gweithredu'n bennaf yn y bandiau 24 GHz, 28 GHz, 39 GHz, a 77 GHz, yn gwthio technoleg PCB i'w therfynau. Ar 28 GHz, dim ond 5.7 mm yw'r donfedd mewn laminad Rogers RO4350B nodweddiadol (Dk = 3.48). Mae hyn yn golygu bod bonyn chwarter tonfedd â hyd atseiniol critigol yn rhychwantu 1.4 mm yn unig. Mae vias twll trwodd platiog traddodiadol, sy'n gadael bonynnau 2-3 mm yn rheolaidd, yn dod yn atseiniolyddion parasitig sylweddol a all ddinistrio cyfanrwydd signal yn llwyr.
Ffigur 2 – Cymhariaeth fanwl o donfeddi yn dangos dimensiynau ffisegol
2.2 Paramedrau Trydanol Allweddol ar gyfer Pentyrrau 5G
Mae sawl paramedr trydanol yn llywodraethu perfformiad PCB 5G, pob un yn gofyn am ystyriaeth ofalus yn ystod dylunio pentwr. Mae'r cysonyn dielectrig (Dk neu εr) yn pennu cyflymder lledaeniad signal a gwerthoedd impedans rheoledig. Ar gyfer cymwysiadau 5G, mae sefydlogrwydd Dk ar draws amledd a thymheredd yn hollbwysig. Bydd deunydd y mae ei Dk yn amrywio 5% dros dymheredd yn achosi amrywiadau impedans sy'n cynhyrchu adlewyrchiadau ac yn diraddio cyfanrwydd signal mewn cylchedau RF manwl gywir.
Mae'r ffactor afradu (Df), a elwir hefyd yn tangiad colled (tan δ), yn meintioli colledion dielectrig. Mae FR-4 safonol yn arddangos gwerthoedd Df o 0.015-0.020 ar 10 GHz, tra bod deunyddiau perfformiad uchel fel Rogers RO3003 yn cyflawni 0.0010 ar yr un amledd, gwelliant o 15-20x.
Mae goddefiannau rheoli rhwystriant yn tynhau'n sylweddol ar gyfer cymwysiadau 5G. Er y gallai goddefiant rhwystriant ±10% fod yn ddigonol ar gyfer llawer o gymwysiadau, mae cylchedau RF 5G fel arfer angen rheolaeth ±5% neu fwy tynn.
| Deunydd | dielectric Cyson (Dk) | hoferedd Ffactor (Df) | Cais Gorau |
| Safon FR-4 | 4.2-4.5 @ 1GHz | 0.015-0.020 | Digidol, is-6 GHz heb fod yn hanfodol |
| Rogers RO4350B | 3.48 @ 10GHz | 0.0037 | Ton mm cost-effeithiol, RF is-6 GHz |
| Rogers RO3003 | 3.00 @ 10GHz | 0.0010 | Gorsafoedd sylfaen mmWave perfformiad uchel |
| RT/duroid 5880 | 2.20 @ 10GHz | 0.0009 | Colled isel iawn >20 GHz, araeau cyfnodol |
Tabl 1: Cymhariaeth deunydd laminedig amledd uchel ar gyfer cymwysiadau PCB 5G
2.3 Gofynion Ffisegol a Thermol
Mae PCBs 5G fel arfer angen 10-16 haen copr i ddarparu ar gyfer gofynion llwybro dwys trawsyrwyr RF modern, proseswyr band sylfaen, cylchedau rheoli pŵer, a rhyngwynebau digidol cysylltiedig. Mae technoleg rhyng-gysylltu dwysedd uchel (HDI) sy'n cynnwys microfias mor fach â 0.1 mm o ddiamedr, fias dall a chladdedig, a llwybro unrhyw haen yn hanfodol ar gyfer cyflawni'r dwysedd cydrannau y mae integreiddio system 5G yn ei fynnu wrth gynnal llwybrau signal rhwystriant rheoledig.
Mae rheoli thermol yn cyflwyno heriau sylweddol mewn dyluniadau 5G. Gall mwyhaduron pŵer mewn cymwysiadau gorsafoedd sylfaen wasgaru 50-100 wat, gan gynhyrchu mannau poeth lleol sy'n cyrraedd 85-100°C yn ystod y llawdriniaeth. Rhaid i'r swbstrad PCB feddu ar ddargludedd thermol digonol (≥1.5 W/m·K) i ledaenu'r gwres hwn ar draws ardal y bwrdd a'i drosglwyddo i sinciau gwres neu systemau rheoli thermol. Mae ymwrthedd tymheredd uchel, a fesurir fel Mynegai Thermol Cymharol (RTI) o ≥150°C, yn sicrhau sefydlogrwydd deunydd o dan amodau gweithredu parhaus.
Mae goddefiannau gweithgynhyrchu yn tynhau'n sylweddol ar gyfer PCBs 5G. Cywirdeb cofrestru, rhaid i'r cywirdeb aliniad rhwng haenau copr gyrraedd ±75 μm (±3 mils) neu well ar gyfer cymwysiadau mmWave, o'i gymharu â ±150 μm ar gyfer dyluniadau confensiynol.
3. Dewis Deunyddiau ar gyfer Pentyrrau 5G
3.1 Deunyddiau Laminedig Amledd Uchel
Deunyddiau Rogers: Safon y Diwydiant ar gyfer Perfformiad RF
Mae laminadau amledd uchel Rogers Corporation wedi dod yn safon de facto ar gyfer cymwysiadau PCB 5G, gan gynnig priodweddau dielectrig wedi'u peiriannu'n ofalus sy'n aros yn sefydlog ar draws ystodau amledd a thymheredd eang. Mae cyfres RO4000, yn enwedig RO4350B, yn taro cydbwysedd rhagorol rhwng perfformiad RF a gweithgynhyrchu. Gyda chysonyn dielectrig o 3.48 ±0.05 a ffactor afradu o 0.0037 ar 10 GHz, mae RO4350B yn darparu rheolaeth rhwystriant rhagweladwy wrth ddefnyddio technegau prosesu FR-4 safonol nad oes angen unrhyw driniaethau trwy arbennig na pharamedrau drilio wedi'u haddasu.
Ar gyfer cymwysiadau sy'n mynnu colled hyd yn oed yn is, mae'r gyfres RO3000 yn darparu perfformiad eithriadol. Mae RO3003, gyda'i adeiladwaith PTFE wedi'i lenwi â serameg, yn cyflawni priodweddau Df o 0.0010 a Dk o 3.00 sy'n parhau'n gyson iawn o 10 MHz i 40 GHz. Mae'r deunydd hwn yn rhagori mewn dyluniadau mwyhadur pŵer gorsafoedd sylfaen a chymwysiadau eraill lle mae pob degfed o dB o golled mewnosod yn effeithio ar berfformiad y system. Mae'r cyfaddawd yn dod mewn costau deunydd uwch (fel arfer 3-5x RO4350B) a gofynion gwneuthuriad mwy heriol.
Ffigur 3 – Golwg draws-doriadol o adeiladwaith laminedig Rogers RO4350B yn dangos ffoil copr, system resin, ac atgyfnerthiad gwydr
3.2 FR-4 mewn Cymwysiadau 5G: Deall y Cyfyngiadau
Mae'r safon FR-4 yn parhau i fod yn hyfyw ar gyfer rhannau penodol o ddyluniadau 5G, yn enwedig adrannau prosesu signal digidol, rhwydweithiau dosbarthu pŵer, a chymwysiadau is-6 GHz lle mae gofynion perfformiad RF yn llai llym. Gall FR-4 modern o ansawdd uchel gan weithgynhyrchwyr fel Shengyi, Panasonic, ac ITEQ gyflawni gwerthoedd Df o 0.012-0.015 ar 5 GHz wrth ddefnyddio systemau resin priodol ac atgyfnerthiadau gwydr.
derbyniol ar gyfer llawer o lwybrau signal is-6 GHz.
Fodd bynnag, mae cyfyngiadau FR-4 yn dod yn amlwg ar amleddau uwch. Mae Dk y deunydd fel arfer yn amrywio ±10% ar draws yr ystod tymheredd gweithredu (-40°C i +85°C), o'i gymharu â ±2% ar gyfer laminadau amledd uchel. Mae'r amrywiad hwn yn trosi'n amrywiadau rhwystriant a all achosi gwallau bit a achosir gan adlewyrchiad mewn rhyngwynebau digidol cyflym a diraddio perfformiad system RF. Yn ogystal, mae atgyfnerthiad gwydr FR-4 yn creu amrywiadau lleol yn Dk effeithiol yr 'effaith gwehyddu ffibr' sy'n dod yn broblemus ar gyfer olion sy'n rhedeg ar onglau croes i'r patrwm ffibr gwydr.
3.3 Strategaethau Stacio Hybrid: Optimeiddio Perfformiad a Chost
Mae pentyrrau hybrid sy'n cyfuno laminadau amledd uchel ag FR-4 yn cynnig dull rhagorol o gydbwyso perfformiad a chost mewn dyluniadau 5G cymhleth. Mae'r strategaeth graidd yn gosod deunyddiau colled isel drud dim ond lle mae signalau RF yn teithio, gan ddefnyddio FR-4 economaidd ar gyfer haenau mewnol sy'n cario signalau digidol, dosbarthu pŵer, a chefnogaeth fecanyddol. Gallai pentyr hybrid nodweddiadol ddefnyddio Rogers RO4350B ar gyfer y ddwy haen allanol (L1 ac L12 mewn dyluniad 12 haen) lle mae llinellau trosglwyddo microstrip RF yn byw, gyda chreiddiau FR-4 yn ffurfio'r haenau mewnol.
Ffigur 4 – Diagram trawsdoriadol o bentwr hybrid 12 haen sy'n dangos haenau allanol Rogers RO4350B ar gyfer signalau RF
4. Strategaethau Ffurfweddu Haenau ar gyfer 5G
4.1 Egwyddorion Sylfaenol Pentyrru
Cyn plymio i gyfluniadau haen penodol, mae sawl egwyddor sylfaenol yn llywodraethu pob dyluniad pentyrru PCB 5G proffesiynol. Cymesuredd yw'r ystyriaeth weithgynhyrchu bwysicaf: rhaid cydbwyso'r pentwr o amgylch llinell ganol y bwrdd i atal ystumio yn ystod lamineiddio a chylchoedd thermol. Mae hyn yn golygu cyfateb pwysau copr, trwch craidd, a chyfrifon prepreg ar ochrau gyferbyn â'r plân canol. Bydd bwrdd sy'n drwm o gopr ar un ochr yn plygu fel sglodion tatws ar ôl sodro ail-lifo - canlyniad annerbyniol ar gyfer cynulliadau RF manwl gywir.
Mae cyfagosrwydd y plân cyfeirio yr un mor bwysig: dylai pob haen signal gael plân daear neu bŵer di-dor yn union gerllaw. Mae hyn yn darparu'r llwybr dychwelyd anwythiant isel y mae signalau amledd uchel yn ei gwneud yn ofynnol tra'n amddiffyn yr haen signal rhag ymyrraeth ar yr un pryd.
Mae paru haenau yn cynnwys grwpio haenau signal yn ôl swyddogaeth a gofynion trydanol. Dylai parau gwahaniaethol cyflymder uchel lwybro ar yr un haen, gyda chyfatebiaeth hyd yn cael ei chyflawni trwy lwybro serpentin yn hytrach na rhannu parau ar draws haenau. Mae haenau signal RF fel arfer yn meddiannu haenau allanol lle gellir eu gweithredu fel llinellau trosglwyddo microstrip, gan ddarparu mynediad hawdd ar gyfer tiwnio a dadfygio.
4.2 Pentwr 8 Haen: Pwynt Mynediad ar gyfer Dyluniadau 5G
Mae pentwr 8 haen yn cynrychioli'r cyfrif haenau ymarferol lleiaf ar gyfer cymwysiadau 5G sylfaenol fel dyfeisiau IoT, radios celloedd bach, neu fodiwlau RF syml o dan 6 GHz. Er ei fod yn gyfyngedig o'i gymharu â chyfrif haenau uwch, gall strwythur 8 haen sydd wedi'i gynllunio'n dda gefnogi dyluniadau cymharol gymhleth yn effeithiol gyda disgyblaeth llwybro ofalus a lleoliad cydrannau.
Ffurfweddiad 8 Haen a Argymhellir:
∙ Haen 1: Signal RF a Chyflymder Uchel Critigol (microstrip, 50Ω)
∙ Haen 2: Plân Tir (llwybr dychwelyd RF cynradd)
∙ Haen 3: Signalau Digidol Cyflymder Uchel (striplinell, gwahaniaethol 50Ω neu 100Ω) ∙ Haen 4: Plân Pŵer (hollt +3.3V, +1.8V)
∙ Haen 5: Plân Pŵer (wedi'i adlewyrchu: +3.3V, hollt +1.8V)
∙ Haen 6: Signalau Digidol Cyflymder Uchel (llinell stribed, orthogonal i L3)
∙ Haen 7: Plân Tir (llwybr dychwelyd eilaidd)
∙ Haen 8: Signal RF a Chyflymder Uchel Critigol (microstrip, 50Ω)
Mae'r cyfluniad hwn yn darparu cymesuredd (mae L1-L2-L3-L4 yn adlewyrchu L8-L7-L6-L5), yn sicrhau bod gan bob haen signal awyren gyfeirio gyfagos, ac yn gosod awyrennau pŵer yn y canol lle mae eu cynhwysedd orau yn gwasanaethu datgysylltu. Gallai trwch dielectrig nodweddiadol fod: L1-L2 = 6 mils (RO4350B ar gyfer RF), L2-L3 = 8 mils (craidd), L3-L4 = 14 mils (prepreg), L4-L5 = 20 mils (craidd), wedi'i adlewyrchu'n gymesur i L8.
4.3 Pentwr 12 Haen: Cymwysiadau 5G Uwch
Ar gyfer modiwlau gorsaf sylfaen systemau 5G soffistigedig, araeau antena MIMO enfawr, neu ffonau clyfar pen uchel, mae pentwr 12 haen yn darparu'r dwysedd llwybro a'r perfformiad uniondeb signal sy'n ofynnol ar gyfer canlyniadau gorau posibl. Mae'r haenau ychwanegol yn galluogi
ynysu llwyr adrannau RF, digidol, a phŵer wrth ddarparu sawl awyren ddaear ar gyfer cysgodi uwchraddol.
Ffurfweddiad 12 Haen wedi'i Optimeiddio ar gyfer mmWave:
∙ Haen 1: Haen Signal RF A (porthiant antena mmWave, microstrip 50Ω) ∙ Haen 2: Plân Tir A (dychweliad RF cynradd, 1 owns Cu)
∙ Haen 3: Haen Signal RF B (llwybrau RF eilaidd, llinell stribed 50Ω)
∙ Haen 4: Plân Tir B (ynysu a dychwelyd RF, 1 owns Cu)
∙ Haen 5: Plân Pŵer A (pŵer RF: cyflenwad PA +5V, 2 owns Cu)
∙ Haen 6: Digidol Cyflymder Uchel (SerDes, DDR, PCIe stripline)
∙ Haen 7: Digidol Cyflymder Uchel (llwybro orthogonal i L6)
∙ Haen 8: Plân Pŵer B (Pŵer digidol: +3.3V, +1.8V, holltiadau +1.2V, 2 owns Cu) ∙ Haen 9: Plân Tir C (dychweliad digidol a tharianu, 1 owns Cu)
∙ Haen 10: Signalau a Llwybro Cyflymder Isel (rheolaeth, I2C, SPI)
∙ Haen 11: Plân Tir D (haen amddiffynnol derfynol, 1 owns Cu)
∙ Haen 12: Haen Signal RF C (RF eilaidd, lleoliad cydrannau, microstrip 50Ω) Mae'r cyfluniad SGSGPSSPGSGS hwn yn darparu perfformiad eithriadol: mae pedwar plân daear ar wahân yn creu rhwystrau cysgodi lluosog, mae haenau RF wedi'u hynysu'n llwyr rhag sŵn newid digidol, ac mae llwybro RF stribed ar L3 yn cynnig cysgodi rhagorol ar gyfer llwybrau sensitif. Mae'r pentwr yn cynnal cymesuredd o amgylch y plân canol L6-L7.
Ffigur 5 – Trawsdoriad manwl o bentwr PCB 5G 12 haen yn dangos trwch haenau, pwysau copr, a signal/plân
5. Technegau Sylfaenu ar gyfer PCBs 5G
5.1 Hanfodion Sylfaenu ar gyfer Dylunio Amledd Uchel
Ar amleddau uchel, nid pwynt cyfeirio foltedd sero yn unig yw'r ddaear ond yn hytrach strwythur electromagnetig cymhleth y mae ei ymddygiad yn dominyddu perfformiad uniondeb signal. Yr egwyddor sylfaenol: mae ceryntau dychwelyd amledd uchel yn llifo'n uniongyrchol o dan eu holrhain signal cysylltiedig, gan ddilyn llwybr yr impedans lleiaf. Nid yw'r llwybr hwn yn dibynnu ar wrthiant DC ond ar geryntau dychwelyd anwythiant sy'n canolbwyntio'n naturiol yn rhanbarth y cyplu maes magnetig mwyaf â'r dargludydd signal.
Mae'r effaith croen ar amleddau mmWave yn golygu mai dim ond yn yr ychydig gannoedd o nanometrau uchaf o wyneb y plân daear y mae ceryntau dychwelyd yn llifo. Mae hyn yn gwneud gorffeniad wyneb a photensial ocsideiddio yn syndod o bwysig; mae copr wedi'i ddifwyno yn arddangos ymwrthedd RF uwch na chopr llachar. Am y rheswm hwn, mae llawer o ddylunwyr yn nodi gorffeniadau wyneb ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) ar blanau daear mewn ardaloedd RF critigol, er gwaethaf yr anwythiad ychwanegol bach y mae'r haen nicel yn ei gyflwyno.
5.2 Gweithredu Plân Tir Solet
Mae plân daear parhaus, di-dor yn cynrychioli'r nodwedd bwysicaf o unrhyw bentwr PCB amledd uchel. Meddyliwch am y plân daear fel un sy'n darparu arwyneb llyn perffaith llyfn i geryntau dychwelyd lifo; mae unrhyw rwystr (gwagle, slot, toriad) yn creu tyrfedd sy'n pelydru egni ac yn adlewyrchu signalau. Ar gyfer cymwysiadau 5G, nid yw cyfanrwydd y plân daear yn agored i drafodaeth: dylai pob plân daear ymestyn o ymyl i ymyl y bwrdd gyda'r ymyrraeth leiaf posibl.
Pan nad oes modd osgoi holltiadau plân daear, efallai i wahanu adrannau analog a digidol, neu i greu rhyddhad thermol o amgylch tyllau mowntio, defnyddiwch gynwysyddion pwytho i bontio'r bwlch. Rhowch gynwysyddion 0.1 μF neu lai ar gyfnodau o 1-2 fodfedd ar hyd yr hollt, gan ddarparu byr AC ar amleddau RF wrth gynnal ynysu DC. Peidiwch byth â llwybro signalau cyflymder uchel neu RF ar draws holltiadau plân daear; os oes rhaid i olion groesi hollt, llwybrwch ef yn berpendicwlar i leihau arwynebedd y ddolen ac ychwanegwch ddolen ddaear yn union wrth ymyl y pwynt croesi.
5.3 Technegau Gwnïo Trwy a Ffensio Tir
Mae gosodiad strategol vias sylfaenu i gysylltu planau daear rhwng haenau ymhlith yr agweddau mwyaf hanfodol ond sy'n aml yn cael eu hanwybyddu ar ddylunio PCB 5G. Ar amleddau mmWave, mae anwythiant hyd yn oed cysylltiad daear byr yn dod yn arwyddocaol. Mae via sengl 10 mil mewn diamedr trwy fwrdd 62 mil o drwch yn arddangos tua 0.7 nH o anwythiant sy'n ymddangos yn ddibwys, ond ar 28 GHz mae hyn yn cynrychioli rhwystriant o tua 123 ohms, sy'n ddigon i ddirywio cysylltiadau daear amledd uchel yn ddifrifol.
Mae'r ateb yn gorwedd mewn araeau via paralel. Mae defnyddio pedwar via paralel yn lleihau'r anwythiad effeithiol tua 4x (gan ystyried effeithiau anwythiad cydfuddiannol), gan ddod â'r rhwystriant cysylltiad i lefelau mwy derbyniol. Ar gyfer cydrannau RF hanfodol, rhowch 3-4 via daear yn union wrth ymyl pob pin daear, gan gysylltu â'r agosaf.
plân daear solet. Gosodwch y vias hyn mor agos at y gydran â phosibl; mae'r anwythiant yn cynyddu gyda hyd y via, gan wneud llwybrau byr yn hanfodol.
Ffigur 6 – Golwg uchaf o gynllun PCB yn dangos patrwm pwytho o amgylch
6. Rheoli Rhwystr mewn Pentyrrau 5G
6.1 Hanfodion Rhwystriant Rheoledig
Mae rhwystriant rheoledig yn cynrychioli sylfaen uniondeb signal cyflymder uchel ac RF. Pan fydd ffynhonnell, llwybr trosglwyddo a therfynu signal i gyd yn cyflwyno'r un rhwystriant nodweddiadol, mae ynni'n trosglwyddo'n llwyr o'r ffynhonnell i'r llwyth heb unrhyw adlewyrchiadau. Mae anghydweddiadau rhwystriant yn achosi i rannau o'r signal adlewyrchu'n ôl tuag at y ffynhonnell, gan greu tonnau sefydlog, canu, ac ymyrraeth rhyngsymbol sy'n llygru signalau digidol ac yn diraddio perfformiad system RF.
Ar gyfer cymwysiadau 5G, mae impedans pen sengl 50-ohm wedi dod yn safon gyffredinol ar gyfer cylchedau RF a microdon. Daeth y gwerth hwn i'r amlwg o optimeiddio rhwng gallu trin pŵer a cholled mewn ceblau cyd-echelinol, ac mae cysylltwyr, offer profi, cydrannau ecosystem RF cyfan yn tybio systemau 50-ohm. Uchel
Mae rhyngwynebau digidol cyflymder fel arfer yn defnyddio naill ai impedans un pen 50-ohm (ar gyfer signalau un pen fel clociau) neu impedans gwahaniaethol 100-ohm (ar gyfer parau gwahaniaethol fel MIPI, PCIe, ac USB).
6.2 Ffurfweddiad Microstrip ar gyfer Signalau RF
Mae microstrip, olion signal ar haen allanol y bwrdd gyda phlân daear ar yr haen fewnol gyfagos, yn cynrychioli'r cyfluniad llinell drosglwyddo mwyaf cyffredin ar gyfer cylchedau RF.
Mae rhwystriant nodweddiadol microstrip yn dibynnu ar led yr olin (W), uchder uwchben y plân daear (H), trwch copr (T), a'r cysonyn dielectrig o'r deunydd swbstrad (εr). Ar gyfer brasamcan trefn gyntaf, mae olion ehangach a dielectrigau mwy trwchus yn cynyddu'r rhwystriant, tra bod cysonion dielectrig uwch yn lleihau'r rhwystriant.
Enghraifft o gyfrifiad microstrip: mae cyflawni 50Ω ar Rogers RO4350B 5-mil o drwch (εr = 3.48) gydag 1 owns o gopr yn gofyn am led olrhain o tua 11 mil. Mae'r un rhwystriant ar ddeuelectrig 4-mil yn gofyn am led o 8.5 mil, sy'n dangos y sensitifrwydd i drwch deuelectrig.
Ffigur 7 – Diagram trawsdoriadol o geometreg llinell drosglwyddo microstrip
6.4 Impedans Pâr Gwahaniaethol ar gyfer Rhyngwynebau Cyflymder Uchel
Mae signalau gwahaniaethol sy'n trosglwyddo data fel y gwahaniaeth foltedd rhwng dau signal cyflenwol yn dominyddu rhyngwynebau digidol cyflym modern oherwydd imiwnedd sŵn uwch a llai o EMI. Mae'r rhwystriant gwahaniaethol (Zdiff) yn dibynnu ar rwymiant un pen pob olin (Z0) a'r cyplu rhwng yr olion. Ar gyfer olion sydd wedi'u cyplu'n llac, mae Zdiff ≈ 2 × Z0. Wrth i olion symud yn agosach at ei gilydd, mae'r cyplu'n cynyddu, gan leihau'r rhwystriant gwahaniaethol islaw'r gymhareb 2:1 hon.
Ar gyfer rhwystriant gwahaniaethol 100-ohm (y safon ar gyfer y rhan fwyaf o ryngwynebau digidol cyflym), mae dyluniadau nodweddiadol yn defnyddio olion pen sengl 50-ohm gyda chyplu sy'n lleihau'r rhwystriant gwahaniaethol i 100 ohm. Mewn microstrip gydag olion wedi'u cyplu ag ymylon, mae cyflawni gwahaniaethol 100-ohm fel arfer yn gofyn am fylchau olion o 1.5-2× lled yr olion. Mae bylchau tynnach yn cynyddu'r cyplu ac yn lleihau'r rhwystriant gwahaniaethol ymhellach; mae bylchau ehangach yn lleihau'r cyplu ac yn codi'r rhwystriant gwahaniaethol.
| haen | swyddogaeth | math | Pwysau Cu | Trwch | Deunydd |
| L1 | RF Signal | Microstrip 50Ω | 0.5 oz | - | RO4350B |
| L2 | Ground | Plane | 1 oz | 5 1000 | Craidd |
| L3 | RF Signal | Llinell stribed 50Ω | 0.5 oz | 6 1000 | prepreg |
| L4 | Ground | Plane | 1 oz | 8 1000 | Craidd |
| ... | Cymesur | Mirror | ... | ... | ... |
Tabl 2: Enghraifft o gyfluniad pentyrru 5G 12 haen (rhannol) yn dangos yr haenau uchaf
7. Ystyriaethau Uniondeb Signalau
Mae uniondeb signal mewn PCBs 5G yn cwmpasu nifer o ffenomenau cydgysylltiedig a all ddirywio perfformiad system os na chânt eu rheoli'n iawn. Mae deall mecanweithiau dirywiad signal a'r technegau dylunio pentyrru sy'n eu lliniaru yn gwahanu dyluniadau swyddogaethol oddi wrth rai gorau posibl.
7.1 Mecanweithiau Colli Amledd Uchel
Mae colli signal yn cynyddu'n sylweddol gydag amledd oherwydd effeithiau ffisegol lluosog. Mae colled dielectrig yn deillio o bolareiddio moleciwlaidd yn y deunydd swbstrad wrth i'r maes trydan osgiliadu ar amleddau RF, mae deupolau yn y deunydd yn ceisio alinio â'r maes, gan wasgaru ynni fel gwres. Mae'r golled hon yn cydberthyn yn uniongyrchol â'r ffactor afradu: mae dyblu Df yn dyblu colled yn fras. Ar 28 GHz yn y FR-4 safonol (Df ≈ 0.020), gall colledion dielectrig fod yn fwy na 1.5 dB y fodfedd, tra bod Rogers RO3003 (Df ≈ 0.001) yn cyflawni colledion islaw 0.3 dB y fodfedd o dan amodau union yr un fath. Mae colled dargludydd yn cynyddu gyda gwreiddyn sgwâr amledd oherwydd effaith croen mae ceryntau amledd uchel yn crynhoi ger arwynebau dargludydd, gan gynyddu ymwrthedd effeithiol.
7.2 Dylunio Trwy ar gyfer Cymwysiadau Tonnau mm
Stwbiau via yw'r rhan nas defnyddiwyd o via twll trwodd sy'n ymestyn heibio'r haen lle mae'r signal yn gadael, gan greu strwythurau atseiniol sy'n adlewyrchu signalau ar amleddau penodol. Mae'r bonyn yn gweithredu fel llinell drosglwyddo cylched fer y mae ei atseinio chwarter tonfedd yn achosi'r adlewyrchiad mwyaf. Ar 28 GHz gyda thrwch bwrdd o 50 mil, gall hyd yn oed bonyn 15 mil greu atseinio problemus. Mae atebion yn cynnwys drilio'n ôl i gael gwared ar bonion neu ddefnyddio vias dall/claddu sy'n terfynu'n union ar yr haen signal.
Ffigur 9 – PCB wedi'i Ddrilio'n Ôl drwy
Casgliad
Mae angen arbenigedd mewn sawl disgyblaeth ar ddylunio pentwr PCB 5G llwyddiannus, h.y. gwyddor deunyddiau, damcaniaeth electromagnetig, prosesau gweithgynhyrchu, a rheolaeth thermol. Mae'r canllawiau a gyflwynir yn yr erthygl hon, o ddewis deunyddiau drwy strategaethau seilio i reoli rhwystriant, yn darparu fframwaith cynhwysfawr ar gyfer creu ansawdd uchel.
dyluniadau perfformiad 5G.
Mae'r prif ganlyniadau'n cynnwys:
1. Mae dewis deunyddiau yn llywio perfformiad a chost, defnyddiwch laminadau amledd uchel lle bo angen, FR-4 mewn mannau eraill.
2. Nid yw pentyrrau cymesur gyda phlanau cyfeirio priodol yn agored i drafodaeth. 3. Mae cyfanrwydd y plân daear a phwytho drwyddo yn pennu cyfanrwydd y signal ar mmWave.
4. Mae rheoli rhwystriant yn gofyn am reolaeth trwch dielectrig fanwl gywir a gwirio datrysydd maes.
5. Mae cydweithio cynnar â'ch gwneuthurwr PCB yn atal ail-droelli costus.
Wrth i dechnoleg 5G barhau i esblygu tuag at amleddau uwch a chymhlethdod mwy, bydd y camau a'r dulliau a amlinellir yma yn parhau i fod yn sylfaenol. P'un a ydych chi'n dylunio'ch cynnyrch 5G cyntaf neu'n optimeiddio platfform presennol, mae buddsoddi amser mewn optimeiddio pentwr yn talu difidendau o ran perfformiad system, cynnyrch gweithgynhyrchu, ac amser i'r farchnad.
