5G 将如何影响 PCB 设计？

来源：www.proto-electronics.com

【射频学堂】翻译整理

印刷电路板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，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。

5G挑战

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 1 Gbps）、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 6 GHz 阈值（从 600 MHz 到 5.925 GHz），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 26 GHz 频率为中心、30 GHz 和 77 GHz。

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，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 20 MHz（物联网设备限制为 200 kHz），但在 5G 网络中，其值已设置为 6 GHz 以下频率的 100 MHz 和 6 GHz 以上频率的 400 MHz。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 PCB设计提示

5G 应用印刷电路板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 30 GHz 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