1. Pengantar
1.1 Revolusi 5G dan Tantangan PCB
Peluncuran global teknologi nirkabel 5G mewakili transformasi paling signifikan dalam infrastruktur telekomunikasi sejak munculnya 4G LTE. Beroperasi di dua pita frekuensi berbeda, yaitu sub-6 GHz untuk cakupan luas dan frekuensi gelombang milimeter (mmWave) mulai dari 24 hingga 77 GHz untuk jangkauan ultra-tinggi.
Transmisi data berkecepatan tinggi pada jaringan 5G menuntut presisi yang belum pernah terjadi sebelumnya dalam desain papan sirkuit tercetak (PCB). Tidak seperti aplikasi PCB konvensional, sistem 5G harus menangani frekuensi sinyal di mana bahkan kesalahan desain mikroskopis pun dapat menyebabkan penurunan kinerja yang sangat buruk.
Menurut analisis industri, pasar infrastruktur 5G global diproyeksikan akan melampaui $47.7 miliar pada tahun 2027, mendorong permintaan besar untuk solusi PCB berkinerja tinggi. Pertumbuhan ini menciptakan peluang dan tantangan bagi perancang PCB yang harus menguasai hubungan rumit antara sifat material, konfigurasi lapisan, dan perilaku sinyal pada frekuensi radio. Transisi dari 4G ke 5G bukan sekadar peningkatan bertahap, tetapi membutuhkan pemikiran ulang mendasar tentang arsitektur susunan lapisan PCB.
Gambar 1 – spektrum frekuensi dengan pita sub-6 GHz dan mmWave yang disorot
1.2 Peran Penting Desain Stack-Up dalam Kinerja 5G
Susunan PCB—pengaturan lapisan tembaga, material dielektrik, dan substrat inti yang diatur dengan cermat—berfungsi sebagai fondasi yang menjadi dasar integritas sinyal 5G. Pada frekuensi mmWave, energi elektromagnetik berperilaku sesuai dengan prinsip-prinsip yang tampaknya hampir berlawanan dengan intuisi para perancang yang terbiasa dengan aplikasi frekuensi rendah. Panjang gelombang sinyal menyusut hingga skala milimeter, sehingga
Fitur-fitur seperti via stub dan diskontinuitas jalur yang tidak signifikan pada 1 GHz menjadi sumber utama refleksi dan kehilangan sinyal pada 28 GHz.
Susunan lapisan PCB 5G yang dirancang dengan benar harus secara bersamaan memenuhi beberapa persyaratan yang saling bertentangan: impedansi terkontrol untuk mencegah refleksi sinyal, rugi penyisipan rendah untuk mempertahankan kekuatan sinyal, perisai interferensi elektromagnetik (EMI) yang efektif untuk mencegah crosstalk antar sirkuit, dan manajemen termal yang kuat untuk menghilangkan panas dari penguat RF yang boros daya. Konfigurasi susunan lapisan secara langsung memengaruhi setiap parameter ini, menjadikannya keputusan paling penting dalam seluruh proses desain PCB 5G.
2. Memahami Persyaratan PCB 5G
2.1 Spektrum Frekuensi dan Karakteristik Sinyal 5G
Pita Frekuensi Sub-6 GHz: Fondasi untuk Cakupan yang Luas
Spektrum sub-6 GHz, yang mencakup frekuensi dari 600 MHz hingga 6 GHz, mewakili tulang punggung cakupan 5G. Frekuensi yang lebih rendah ini memberikan karakteristik propagasi yang diperlukan untuk penyebaran jaringan area luas, menawarkan penetrasi bangunan yang lebih unggul dan jangkauan yang lebih jauh dibandingkan dengan mmWave. Dari perspektif desain PCB, sinyal sub-6 GHz menghadirkan tantangan moderat yang lebih menuntut daripada 4G LTE tetapi tidak seekstrem aplikasi mmWave.
Pita Gelombang mm (24-77 GHz): Persyaratan Presisi Ekstrem Gelombang milimeter 5G, yang beroperasi terutama pada pita frekuensi 24 GHz, 28 GHz, 39 GHz, dan 77 GHz, mendorong teknologi PCB hingga batasnya. Pada 28 GHz, panjang gelombang pada laminasi Rogers RO4350B (Dk = 3.48) hanya berukuran 5.7 mm. Ini berarti stub seperempat panjang gelombang—panjang resonansi kritis—hanya mencakup 1.4 mm. Via tembus berlapis tradisional, yang biasanya meninggalkan stub 2-3 mm, menjadi resonator parasit yang signifikan yang dapat sepenuhnya menghancurkan integritas sinyal.
Gambar 2 – Perbandingan panjang gelombang terperinci yang menunjukkan dimensi fisik
2.2 Parameter Kelistrikan Utama untuk Susunan Lapisan 5G
Beberapa parameter kelistrikan mengatur kinerja PCB 5G, yang masing-masing memerlukan pertimbangan cermat selama desain susunan lapisan. Konstanta dielektrik (Dk atau εr) menentukan kecepatan perambatan sinyal dan nilai impedansi terkontrol. Untuk aplikasi 5G, stabilitas Dk di seluruh frekuensi dan suhu sangat penting. Material yang Dk-nya bervariasi sebesar 5% terhadap suhu akan menyebabkan variasi impedansi yang menghasilkan refleksi dan menurunkan integritas sinyal dalam sirkuit RF presisi.
Faktor disipasi (Df), juga disebut tangen rugi (tan δ), mengukur kerugian dielektrik. FR-4 standar menunjukkan nilai Df sebesar 0.015-0.020 pada 10 GHz, sedangkan material berkinerja tinggi seperti Rogers RO3003 mencapai 0.0010 pada frekuensi yang sama, yaitu peningkatan 15-20 kali lipat.
Toleransi kontrol impedansi diperketat secara dramatis untuk aplikasi 5G. Meskipun toleransi impedansi ±10% mungkin cukup untuk banyak aplikasi, sirkuit RF 5G biasanya membutuhkan kontrol ±5% atau lebih ketat.
| Bahan | Dielektrik Konstanta (Dk) | disipasi Factor (Df) | Aplikasi Terbaik |
| Standar FR-4 | 4.2-4.5 @ 1 GHz | 0.015-0.020 | Digital, sub-6 GHz non-kritis |
| Rogers RO4350B | 3.48 @ 10GHz | 0.0037 | RF sub-6 GHz, mmWave yang hemat biaya |
| Roger RO3003 | 3.00 @ 10GHz | 0.0010 | Stasiun pangkalan mmWave berkinerja tinggi |
| RT/duroid5880 | 2.20 @ 10GHz | 0.0009 | Rugi daya sangat rendah >20 GHz, susunan bertahap |
Tabel 1: Perbandingan material laminasi frekuensi tinggi untuk aplikasi PCB 5G
2.3 Persyaratan Fisik dan Termal
PCB 5G biasanya membutuhkan 10-16 lapisan tembaga untuk mengakomodasi kebutuhan perutean yang padat dari transceiver RF modern, prosesor baseband, sirkuit manajemen daya, dan antarmuka digital terkait. Teknologi interkoneksi kepadatan tinggi (HDI) yang menampilkan microvia sekecil 0.1 mm diameter, via buta dan tersembunyi, serta perutean lapisan apa pun menjadi penting untuk mencapai kepadatan komponen yang dibutuhkan oleh integrasi sistem 5G sambil mempertahankan jalur sinyal impedansi terkontrol.
Manajemen termal menghadirkan tantangan signifikan dalam desain 5G. Penguat daya dalam aplikasi stasiun pangkalan dapat menghilangkan panas sebesar 50-100 watt, menghasilkan titik panas lokal yang mencapai 85-100°C selama pengoperasian. Substrat PCB harus memiliki konduktivitas termal yang cukup (≥1.5 W/m·K) untuk menyebarkan panas ini ke seluruh area papan dan mentransfernya ke pendingin atau sistem manajemen termal. Ketahanan suhu tinggi, yang diukur sebagai Indeks Termal Relatif (RTI) ≥150°C, memastikan stabilitas material dalam kondisi pengoperasian yang berkelanjutan.
Toleransi manufaktur semakin diperketat untuk PCB 5G. Akurasi registrasi—presisi penyelarasan antara lapisan tembaga—harus mencapai ±75 μm (±3 mil) atau lebih baik untuk aplikasi mmWave, dibandingkan dengan ±150 μm untuk desain konvensional.
3. Pemilihan Material untuk Susunan Lapisan 5G
3.1 Material Laminasi Frekuensi Tinggi
Rogers Materials: Standar Industri untuk Kinerja RF
Laminasi frekuensi tinggi Rogers Corporation telah menjadi standar de facto untuk aplikasi PCB 5G, menawarkan sifat dielektrik yang dirancang dengan cermat yang tetap stabil di berbagai rentang frekuensi dan suhu. Seri RO4000, khususnya RO4350B, mencapai keseimbangan yang sangat baik antara kinerja RF dan kemudahan manufaktur. Dengan konstanta dielektrik 3.48 ±0.05 dan faktor disipasi 0.0037 pada 10 GHz, RO4350B memberikan kontrol impedansi yang dapat diprediksi sambil menggunakan teknik pemrosesan FR-4 standar—tidak diperlukan perlakuan via khusus atau parameter pengeboran yang dimodifikasi.
Untuk aplikasi yang membutuhkan kerugian yang lebih rendah, seri RO3000 memberikan kinerja yang luar biasa. RO3003, dengan konstruksi PTFE berisi keramik, mencapai Df sebesar 0.0010 dan Dk sebesar 3.00, sifat-sifat yang tetap sangat konsisten dari 10 MHz hingga 40 GHz. Material ini unggul dalam desain penguat daya stasiun pangkalan dan aplikasi lain di mana setiap sepersepuluh dB kerugian penyisipan berdampak pada kinerja sistem. Kelemahannya adalah biaya material yang lebih tinggi (biasanya 3-5x RO4350B) dan persyaratan fabrikasi yang lebih menuntut.
Gambar 3 – Tampilan penampang konstruksi laminasi Rogers RO4350B yang menunjukkan lapisan tembaga, sistem resin, dan penguatan kaca.
3.2 FR-4 dalam Aplikasi 5G: Memahami Keterbatasannya
FR-4 standar tetap layak digunakan untuk bagian-bagian tertentu dari desain 5G, khususnya bagian pemrosesan sinyal digital, jaringan distribusi daya, dan aplikasi sub-6 GHz di mana persyaratan kinerja RF kurang ketat. FR-4 berkualitas tinggi modern dari produsen seperti Shengyi, Panasonic, dan ITEQ dapat mencapai nilai Df 0.012-0.015 pada 5 GHz bila menggunakan sistem resin dan penguatan kaca yang sesuai.
dapat diterima untuk banyak jalur sinyal di bawah 6 GHz.
Namun, keterbatasan FR-4 menjadi lebih nyata pada frekuensi yang lebih tinggi. Nilai Dk material ini biasanya bervariasi sebesar ±10% di seluruh rentang suhu operasi (-40°C hingga +85°C), dibandingkan dengan ±2% untuk laminasi frekuensi tinggi. Variasi ini menyebabkan fluktuasi impedansi yang dapat menyebabkan kesalahan bit akibat refleksi pada antarmuka digital berkecepatan tinggi dan menurunkan kinerja sistem RF. Selain itu, penguatan kaca pada FR-4 menciptakan variasi lokal pada Dk efektif—'efek anyaman serat'—yang menjadi masalah untuk jalur yang berjalan pada sudut miring terhadap pola serat kaca.
3.3 Strategi Susunan Hybrid: Mengoptimalkan Kinerja dan Biaya
Susunan lapisan hibrida yang menggabungkan laminasi frekuensi tinggi dengan FR-4 menawarkan pendekatan yang sangat baik untuk menyeimbangkan kinerja dan biaya dalam desain 5G yang kompleks. Strategi intinya menempatkan material rugi rendah yang mahal hanya di tempat sinyal RF merambat, sementara menggunakan FR-4 yang ekonomis untuk lapisan dalam yang membawa sinyal digital, distribusi daya, dan dukungan mekanis. Susunan lapisan hibrida tipikal mungkin menggunakan Rogers RO4350B untuk dua lapisan terluar (L1 dan L12 dalam desain 12 lapis) tempat jalur transmisi mikrostrip RF berada, dengan inti FR-4 yang membentuk lapisan dalam.
Gambar 4 – Diagram penampang dari susunan hibrida 12 lapis yang menunjukkan lapisan luar Rogers RO4350B untuk sinyal RF
4. Strategi Konfigurasi Lapisan untuk 5G
4.1 Prinsip-prinsip Dasar Susunan Lapisan
Sebelum membahas konfigurasi lapisan spesifik, beberapa prinsip mendasar mengatur semua desain susunan PCB 5G profesional. Simetri merupakan pertimbangan manufaktur yang paling penting: susunan lapisan harus seimbang di sekitar garis tengah papan untuk mencegah lengkungan selama laminasi dan siklus termal. Ini berarti mencocokkan berat tembaga, ketebalan inti, dan jumlah prepreg di sisi yang berlawanan dari bidang tengah. Papan yang berat tembaganya di satu sisi akan melengkung seperti keripik kentang setelah penyolderan reflow—hasil yang tidak dapat diterima untuk perakitan RF presisi.
Keterkaitan bidang referensi sama pentingnya: setiap lapisan sinyal harus memiliki bidang ground atau bidang daya yang tidak terputus dan berdekatan langsung dengannya. Hal ini menyediakan jalur balik induktansi rendah yang dibutuhkan sinyal frekuensi tinggi sekaligus melindungi lapisan sinyal dari interferensi.
Pengelompokan lapisan melibatkan pengelompokan lapisan sinyal berdasarkan fungsi dan persyaratan listrik. Pasangan diferensial berkecepatan tinggi harus dirutekan pada lapisan yang sama, dengan pencocokan panjang dicapai melalui perutean berkelok-kelok daripada memisahkan pasangan di beberapa lapisan. Lapisan sinyal RF biasanya menempati lapisan terluar di mana mereka dapat diimplementasikan sebagai saluran transmisi mikrostrip, memberikan akses mudah untuk penyetelan dan debugging.
4.2 Susunan Lapisan 8-Layer: Titik Masuk untuk Desain 5G
Susunan lapisan 8 lapis mewakili jumlah lapisan minimum yang praktis untuk aplikasi 5G dasar seperti perangkat IoT, radio sel kecil, atau modul RF sub-6 GHz sederhana. Meskipun terbatas dibandingkan dengan jumlah lapisan yang lebih tinggi, struktur 8 lapis yang dirancang dengan baik dapat secara efektif mendukung desain yang cukup kompleks dengan disiplin perutean dan penempatan komponen yang cermat.
Konfigurasi 8 Lapisan yang Direkomendasikan:
∙ Lapisan 1: Sinyal RF & Kecepatan Tinggi Kritis (mikrostrip, 50Ω)
∙ Lapisan 2: Bidang Tanah (jalur balik RF utama)
∙ Lapisan 3: Sinyal Digital Kecepatan Tinggi (stripline, diferensial 50Ω atau 100Ω) ∙ Lapisan 4: Bidang Daya (+3.3V, +1.8V terpisah)
∙ Lapisan 5: Bidang Daya (dicerminkan: +3.3V, +1.8V terpisah)
∙ Lapisan 6: Sinyal Digital Kecepatan Tinggi (stripline, ortogonal terhadap L3)
∙ Lapisan 7: Bidang Tanah (jalur balik sekunder)
∙ Lapisan 8: Sinyal RF & Kecepatan Tinggi Kritis (mikrostrip, 50Ω)
Konfigurasi ini memberikan simetri (L1-L2-L3-L4 mencerminkan L8-L7-L6-L5), memastikan setiap lapisan sinyal memiliki bidang referensi yang berdekatan, dan menempatkan bidang daya di tengah di mana kapasitansinya paling baik berfungsi untuk decoupling. Ketebalan dielektrik tipikal mungkin: L1-L2 = 6 mil (RO4350B untuk RF), L2-L3 = 8 mil (inti), L3-L4 = 14 mil (prepreg), L4-L5 = 20 mil (inti), dicerminkan secara simetris ke L8.
4.3 Susunan Lapisan 12-Layer: Aplikasi 5G Tingkat Lanjut
Untuk sistem 5G yang canggih, modul stasiun pangkalan, susunan antena MIMO masif, atau ponsel pintar kelas atas, susunan 12 lapis memberikan kepadatan perutean dan kinerja integritas sinyal yang diperlukan untuk hasil optimal. Lapisan tambahan memungkinkan
Isolasi lengkap antara bagian RF, digital, dan daya, sekaligus menyediakan beberapa bidang pentanahan untuk perisai yang superior.
Konfigurasi 12 Lapisan yang Dioptimalkan untuk mmWave:
∙ Lapisan 1: Lapisan Sinyal RF A (umpan antena mmWave, microstrip 50Ω) ∙ Lapisan 2: Bidang Ground A (pengembalian RF utama, 1 oz Cu)
∙ Lapisan 3: Lapisan Sinyal RF B (jalur RF sekunder, stripline 50Ω)
∙ Lapisan 4: Bidang Tanah B (Isolasi dan pengembalian RF, 1 ons Cu)
∙ Lapisan 5: Bidang Daya A (Daya RF: catu daya PA +5V, 2 ons Cu)
∙ Lapisan 6: Digital Kecepatan Tinggi (SerDes, DDR, stripline PCIe)
∙ Lapisan 7: Digital Kecepatan Tinggi (perutean ortogonal ke L6)
∙ Lapisan 8: Bidang Daya B (Daya digital: +3.3V, +1.8V, +1.2V terpisah, 2 ons Cu) ∙ Lapisan 9: Bidang Ground C (pengembalian digital dan pelindung, 1 ons Cu)
∙ Lapisan 10: Sinyal & Perutean Kecepatan Rendah (kontrol, I2C, SPI)
∙ Lapisan 11: Bidang Tanah D (lapisan pelindung akhir, 1 ons Cu)
∙ Lapisan 12: Lapisan Sinyal RF C (RF sekunder, penempatan komponen, microstrip 50Ω) Konfigurasi SGSGPSSPGSGS ini memberikan kinerja yang luar biasa: empat bidang ground terpisah menciptakan beberapa penghalang pelindung, lapisan RF sepenuhnya terisolasi dari noise switching digital, dan routing RF stripline pada L3 menawarkan pelindung yang sangat baik untuk jalur yang sensitif. Susunan lapisan mempertahankan simetri di sekitar bidang tengah L6-L7.
Gambar 5 – Penampang melintang detail dari susunan PCB 5G 12 lapis yang menunjukkan ketebalan lapisan, berat tembaga, dan sinyal/bidang
5. Teknik Pembumian untuk PCB 5G
5.1 Dasar-Dasar Pembumian untuk Desain Frekuensi Tinggi
Pada frekuensi tinggi, ground bukan sekadar titik referensi tegangan nol, melainkan struktur elektromagnetik kompleks yang perilakunya mendominasi kinerja integritas sinyal. Prinsip dasarnya: arus balik frekuensi tinggi mengalir langsung di bawah jalur sinyal terkait, mengikuti jalur impedansi minimum. Jalur ini tidak bergantung pada resistansi DC tetapi pada induktansi; arus balik secara alami terkonsentrasi di wilayah kopling medan magnet maksimum dengan konduktor sinyal.
Efek kulit pada frekuensi mmWave berarti arus balik hanya mengalir di beberapa ratus nanometer teratas permukaan bidang ground. Hal ini membuat lapisan permukaan dan potensi oksidasi menjadi sangat penting; tembaga yang kusam menunjukkan resistansi RF yang lebih tinggi daripada tembaga yang cerah. Karena alasan ini, banyak perancang menentukan lapisan permukaan ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) pada bidang ground di area RF kritis, meskipun lapisan nikel tersebut menimbulkan sedikit induktansi tambahan.
5.2 Implementasi Bidang Tanah Padat
Bidang ground yang kontinu dan tidak terputus merupakan fitur terpenting dari setiap susunan PCB frekuensi tinggi. Bayangkan bidang ground sebagai permukaan danau yang sangat halus untuk aliran arus balik; setiap penghalang (rongga, celah, potongan) menciptakan turbulensi yang memancarkan energi dan memantulkan sinyal. Untuk aplikasi 5G, integritas bidang ground tidak dapat ditawar: setiap bidang ground harus membentang dari tepi ke tepi papan dengan gangguan minimal.
Ketika pemisahan bidang ground menjadi tidak dapat dihindari, mungkin untuk memisahkan bagian analog dan digital, atau untuk menciptakan peredam panas di sekitar lubang pemasangan, gunakan kapasitor penghubung untuk menjembatani celah tersebut. Tempatkan kapasitor 0.1 μF atau lebih kecil dengan interval 1-2 inci di sepanjang pemisahan, yang menyediakan hubungan pendek AC pada frekuensi RF sambil mempertahankan isolasi DC. Jangan pernah mengarahkan sinyal berkecepatan tinggi atau RF melintasi pemisahan bidang ground; jika jalur harus melintasi pemisahan, arahkan secara tegak lurus untuk meminimalkan area loop dan tambahkan jalur ground tepat di sebelah titik persimpangan.
5.3 Melalui Teknik Penyambungan dan Pagar Tanah
Penempatan strategis via grounding untuk menghubungkan bidang ground antar lapisan merupakan salah satu aspek paling penting namun sering diabaikan dalam desain PCB 5G. Pada frekuensi mmWave, induktansi bahkan koneksi ground yang pendek pun menjadi signifikan. Sebuah via berdiameter 10 mil melalui papan setebal 62 mil menunjukkan induktansi sekitar 0.7 nH yang tampaknya dapat diabaikan, tetapi pada 28 GHz ini mewakili impedansi sekitar 123 ohm, cukup untuk menurunkan kualitas koneksi ground frekuensi tinggi secara signifikan.
Solusinya terletak pada susunan via paralel. Menggunakan empat via secara paralel mengurangi induktansi efektif sekitar 4x (dengan memperhitungkan efek induktansi timbal balik), sehingga impedansi koneksi berada pada tingkat yang lebih dapat diterima. Untuk komponen RF kritis, tempatkan 3-4 via ground tepat di sebelah setiap pin ground, yang terhubung ke yang terdekat.
Bidang ground yang kokoh. Letakkan via ini sedekat mungkin dengan komponen karena induktansi meningkat seiring dengan panjang via, sehingga jalur pendek sangat penting.
Gambar 6 – Tampilan atas tata letak PCB yang menunjukkan pola penyambungan via di sekelilingnya
6. Kontrol Impedansi pada Stack-Up 5G
6.1 Dasar-Dasar Impedansi Terkendali
Impedansi terkontrol merupakan dasar dari integritas sinyal RF dan kecepatan tinggi. Ketika sumber sinyal, jalur transmisi, dan terminasi semuanya memiliki impedansi karakteristik yang sama, energi akan berpindah sepenuhnya dari sumber ke beban tanpa pantulan. Ketidaksesuaian impedansi menyebabkan sebagian sinyal memantul kembali ke sumber, menciptakan gelombang berdiri, dering, dan interferensi antar simbol yang merusak sinyal digital dan menurunkan kinerja sistem RF.
Untuk aplikasi 5G, impedansi single-ended 50 ohm telah menjadi standar universal untuk sirkuit RF dan gelombang mikro. Nilai ini muncul dari optimasi antara kemampuan penanganan daya dan kerugian pada kabel koaksial, dan seluruh ekosistem RF—konektor, peralatan uji, komponen—mengasumsikan sistem 50 ohm. Tinggi
Antarmuka digital berkecepatan tinggi biasanya menggunakan impedansi single-ended 50-ohm (untuk sinyal single-ended seperti clock) atau impedansi diferensial 100-ohm (untuk pasangan diferensial seperti MIPI, PCIe, dan USB).
6.2 Konfigurasi Microstrip untuk Sinyal RF
Mikrostrip jalur sinyal pada lapisan terluar papan dengan bidang ground pada lapisan dalam yang berdekatan merupakan konfigurasi jalur transmisi yang paling umum untuk sirkuit RF.
Impedansi karakteristik dari microstrip bergantung pada lebar jalur (W), tinggi di atas bidang dasar (H), ketebalan tembaga (T), dan konstanta dielektrik dari bahan substrat (εr). Untuk perkiraan orde pertama, jalur yang lebih lebar dan dielektrik yang lebih tebal meningkatkan impedansi, sedangkan konstanta dielektrik yang lebih tinggi menurunkan impedansi.
Contoh perhitungan microstrip: untuk mencapai 50Ω pada Rogers RO4350B setebal 5 mil (εr = 3.48) dengan tembaga 1 oz membutuhkan lebar jalur sekitar 11 mil. Impedansi yang sama pada dielektrik 4 mil membutuhkan lebar 8.5 mil, yang menunjukkan sensitivitas terhadap ketebalan dielektrik.
Gambar 7 – Diagram penampang geometri saluran transmisi mikrostrip
6.4 Impedansi Pasangan Diferensial untuk Antarmuka Kecepatan Tinggi
Pensinyalan diferensial yang mengirimkan data sebagai perbedaan tegangan antara dua sinyal komplementer mendominasi antarmuka digital berkecepatan tinggi modern karena kekebalan terhadap noise yang superior dan pengurangan EMI. Impedansi diferensial (Zdiff) bergantung pada impedansi single-ended dari setiap jalur (Z0) dan kopling antar jalur. Untuk jalur yang koplingnya longgar, Zdiff ≈ 2 × Z0. Saat jalur bergerak lebih dekat satu sama lain, kopling meningkat, mengurangi impedansi diferensial di bawah rasio 2:1 ini.
Untuk impedansi diferensial 100 ohm (standar untuk sebagian besar antarmuka digital berkecepatan tinggi), desain tipikal menggunakan jalur tunggal 50 ohm dengan kopling yang mengurangi impedansi diferensial menjadi 100 ohm. Pada mikrostrip dengan jalur yang terkopling di tepi, mencapai impedansi diferensial 100 ohm biasanya membutuhkan jarak antar jalur sebesar 1.5-2 kali lebar jalur. Jarak yang lebih rapat meningkatkan kopling dan semakin mengurangi impedansi diferensial; jarak yang lebih lebar mengurangi kopling dan meningkatkan impedansi diferensial.
| Lapisan | fungsi | Tipe | Berat Cu | Ketebalan | Bahan |
| L1 | RF Signal | Mikrostrip 50Ω | 0.5 oz | - | RO4350B |
| L2 | Tanah | Pesawat | 1 oz | 5 seribu | Core |
| L3 | RF Signal | Stripline 50Ω | 0.5 oz | 6 seribu | sebelum hamil |
| L4 | Tanah | Pesawat | 1 oz | 8 seribu | Core |
| ... | Simetris | Cermin | ... | ... | ... |
Tabel 2: Contoh konfigurasi susunan lapisan 5G 12 lapis (sebagian) yang menunjukkan lapisan atas
7. Pertimbangan Integritas Sinyal
Integritas sinyal pada PCB 5G mencakup berbagai fenomena yang saling terkait yang dapat menurunkan kinerja sistem jika tidak dikelola dengan benar. Memahami mekanisme degradasi sinyal dan teknik desain susunan lapisan yang dapat mengurangi degradasi tersebut membedakan desain fungsional dari desain yang optimal.
7.1 Mekanisme Kehilangan Frekuensi Tinggi
Kehilangan sinyal meningkat secara dramatis seiring dengan frekuensi karena berbagai efek fisik. Kehilangan dielektrik timbul dari polarisasi molekuler dalam material substrat saat medan listrik berosilasi pada frekuensi RF, dipol dalam material berusaha untuk sejajar dengan medan, melepaskan energi sebagai panas. Kehilangan ini berkorelasi langsung dengan faktor disipasi: menggandakan Df kira-kira menggandakan kehilangan. Pada 28 GHz dalam FR-4 standar (Df ≈ 0.020), kehilangan dielektrik dapat melebihi 1.5 dB per inci, sedangkan Rogers RO3003 (Df ≈ 0.001) mencapai kehilangan di bawah 0.3 dB per inci dalam kondisi yang identik. Kehilangan konduktor meningkat dengan akar kuadrat frekuensi karena efek kulit, arus frekuensi tinggi terkonsentrasi di dekat permukaan konduktor, meningkatkan resistansi efektif.
7.2 Desain Via untuk Aplikasi mmWave
Via stub, yaitu bagian via tembus yang tidak terpakai dan memanjang melewati lapisan tempat sinyal keluar, menciptakan struktur resonansi yang memantulkan sinyal pada frekuensi tertentu. Stub bertindak sebagai saluran transmisi yang mengalami hubung singkat, di mana resonansi seperempat panjang gelombangnya menyebabkan refleksi maksimum. Pada 28 GHz dengan ketebalan papan 50 mil, bahkan stub 15 mil pun dapat menciptakan resonansi yang bermasalah. Solusinya meliputi pengeboran balik untuk menghilangkan stub atau menggunakan via buta/terkubur yang berakhir tepat pada lapisan sinyal.
Gambar 9 – Lubang via PCB yang dibor dari belakang
Kesimpulan
Desain susunan PCB 5G yang sukses membutuhkan keahlian dari berbagai disiplin ilmu, yaitu ilmu material, teori elektromagnetik, proses manufaktur, dan manajemen termal. Panduan yang disajikan dalam artikel ini, mulai dari pemilihan material hingga strategi pentanahan dan pengendalian impedansi, memberikan kerangka kerja komprehensif untuk menciptakan PCB berkinerja tinggi.
desain 5G berkinerja tinggi.
Hasil utama meliputi:
1. Pemilihan material menentukan kinerja dan biaya; gunakan laminasi frekuensi tinggi jika diperlukan, FR-4 di tempat lain.
2. Susunan lapisan simetris dengan bidang referensi yang tepat adalah hal yang mutlak. 3. Integritas bidang ground dan penyambungan via menentukan integritas sinyal pada mmWave.
4. Kontrol impedansi memerlukan kontrol ketebalan dielektrik yang presisi dan verifikasi menggunakan field solver.
5. Kolaborasi awal dengan produsen PCB Anda mencegah pengerjaan ulang yang mahal.
Seiring teknologi 5G terus berkembang menuju frekuensi yang lebih tinggi dan kompleksitas yang lebih besar, langkah-langkah dan metode yang diuraikan di sini akan tetap mendasar. Baik Anda sedang merancang produk 5G pertama Anda atau mengoptimalkan platform yang sudah ada, menginvestasikan waktu dalam optimasi susunan komponen akan memberikan keuntungan dalam kinerja sistem, hasil produksi, dan waktu pemasaran.
