V roce 2005 bylo 5 Mb/s (megabit za vteřinu) považováno za typickou vysokorychlostní datovou rychlost, dnes je považována rychlost nad 1 Gb/s za vysokorychlostní a postupně se vědci pokoušejí dokonce o 25 Gb/s. V praxi se ale setkáte s 5G sítěmi pro mobilní telefony pouze ve větších městech, ale průměrná rychlost je zatím 200 až 400 Mb/s. I to je však pouze dočasné.

Jaké  jsou požadavky na desky plošných spojů se zavedením technologií 5G? Ve srovnání s 4G sítí nutí blížící se rozsáhlé nasazování 5G sítě designéry přehodnotit design DPS pro mobilní zařízení, internet věcí a telekomunikační zařízení.
Síť 5G se vyznačuje  vysokou rychlostí, rozsáhlou šířkou pásma signálu a nízkou latencí (prodlevou mezi akcí a reakcí).

Aby výrobci zvládli toto rychlé prostředí, budou muset věnovat pozornost výběru materiálů, s ohledem na tepelnou vodivost a tepelné koeficienty. Materiál nabízející vyšší odvod tepla, vynikající přeměnu tepla a stabilní dielektrické konstanty, je nezbytný pro vyrobení vhodné desky plošných spojů, která podpoří všechny funkce 5G.

5G výzvy pro desky plošných spojů

Ve srovnání se sítí 4G nabídne mobilní technologie páté generace až 10krát vyšší přenosové rychlosti. Zvládne 1000x vyšší hustotu provozu a 10xt vyšší počet připojení na kilometr čtvereční. Síť 5G také usiluje o poskytnutí milisekundové latence.

Desky plošných spojů budou muset současně podporovat datové rychlosti a frekvence mnohem vyšší než ty současné, což posouvá návrh smíšeného signálu na své limity. Zatímco 4G síť pracuje s frekvencemi pod hranicí 6 GHz (od 600 MHz do 5,925 GHz), 5G síť posune horní frekvenční limit mnohem výše, až do oblasti vln s pásmy soustředěnými kolem frekvencí 26 GHz , 30 GHz a 77 GHz. Taková šíře pásma klade vysoké nároky na základní materiál vysokorychlostních DPS.

Ruku v ruce s vysokou rychlostí vstupuje do návrhu vysokorychlostních desek plošných spojů problém v podobě rušení přenosového signálu. Čím vyšší jsou přenosové rychlosti, tím víc se zvyšuje elektromagnetické záření. Toto záření je relativně neškodné v malém množství, když se dostane do kontaktu s obvodem. Ale když začne zasahovat do provozu elektronického zařízení jako celku, pak se záření stává závažným rušením. A právě elektromagnetická interference (EMI, neboli zhoršení provozu přístroje, zařízení nebo systému způsobené elektromagnetickým rušením) se stává zcela novým problémem, který jsme dosud neřešili.

Image

Zásadní roli hraje také geometrie PCB, ve které je důležitou hodnotou právě  tloušťka laminátu, v souladu s přenosovým vedením signálu. Je nutné zvolit tloušťku laminátu takovou, aby byla typicky mezi 1/4 a 1/8 vlnové délky nejvyšší pracovní frekvence. Pokud bude laminát příliš tenký, hrozí  jeho rezonance, nebo dokonce šíření vln po vodičích.

Materiály pro výrobu DPS budou muset adekvátně zvládnout vysoké rychlosti požadované pro technologii 5G. Vyšší rychlosti signálu budou mít za následek více generovaného tepla z elektřiny procházející deskou plošných spojů. V případě, že materiál nebude nedostatečný, mohlo by dojít k odlupování, delaminaci, redukci i deformaci stop mědi a tím samozřejmě k poškození desky.

Dále je nutné zahrnout pravidla pro výrobu  vysokorychlostních DPS, a to co nejkratší dráhy a zkontrolovat šířku i vzdálenost mezi drahami tak, aby impedance zůstala, pokud možno, konstantní. Zároveň je potřeba sledovat tepelný koeficient dielektrické konstanty.

Dielektrická konstanta představuje míru uspořádání a vytvoření elementárních dipólů v nevodivé látce (dielektriku) pod vlivem elektrického pole. Protože v nevodivé látce nemůže dojít k proudu elektronů, dojde pouze k posunutí nábojů uvnitř atomů nebo molekul látky.

Platí, že čím je menší dielektrická konstanta, tím je také malý dielektrický ztrátový faktor a tím je též stabilnější a lepší výkon vysokofrekvenčního vysokorychlostního substrátu (materiálu).

 Úspěšný proces návrhu vysokorychlostní DPS

1. Na počátku stojí základní otázky

Organizace práce – Máme vizuální návrh DPS, který zobrazuje, jak se všechny dílčí obvody propojují a je dobře zavedený zpětný proud? V blízkosti odpovídajícího obvodu vysokofrekvenční radiofrekvenční obvodové desky by mělo být dostatečné stínící uzemnění. Na stínícím uzemnění musí být vyvrtáno více průchozích otvorů, aby byl zajištěn trojrozměrný stínící efekt a tím zajištěná pouze malá impedanční smyčka. Rozteč otvorů se doporučuje mít menší než jedna dvacetina vlnové délky.  Otvory nesmí být příliš husté, aby nedošlo k vytvoření místa na desce s odlišnými vlastnostmi.

Rychlost signálu – Znám při návrhu DPS nejvyšší frekvenci a nejrychlejší dobu náběhu každého z mých signálů?

Napájení – Vím všechny požadavky na napětí a napájení pro všechny integrované obvody?

Citlivé signály – Mám připravené řešení, jak splnit požadavky na diferenciální signály, řízenou impedanci, délku nebo šíření signálu?

Šum i možná tolerance – Dokážu potlačit šum signálu vhodným směrováním a s pomocí mikrostripů. Znám záložní možnost minimální tolerance negativních vlastností DPS.

Pokud máme odpovědi na tyto otázky, pak vybíráme základní materiál.

2. Základní materiál pro výrobu vysokorychlostních DPS

Pokud jde o materiály, pravděpodobně zvolíme některý z osvědčených materiálů.

Vybírejte materiály s nízkou dielektrickou konstantou, protože ztráty dielektriky rostou úměrně s frekvencí. A je nutné volit materiály s co nejnižšími dielektrickými konstantami.

FR-4. Jedná se o skvělý materiál, pokud budete pracovat s taktovací rychlostí < 5 Gb/s. Materiál je levnější a má slušnou stabilitu impedance.

Dalšími značkami mohou být Nelco nebo Megtron. Každá z nich je vhodná pro rychlosti 5-25 Gb/s.

Pokud vysokorychlostní design vyžaduje rychlost 56 Gb/s pravděpodobně skončíte s použitím laminátu Rogers.

3. Strategie vrstvení DPS

Jakmile znáte materiál, je třeba znát některé strategie pro další vrstvy.

Předně je třeba vždy mít umístěnou signálovou vrstvu vedle rovinné vrstvy, abyste elektrickým signálům poskytli efektivní prostor pro zpáteční cestu.

Zvažte také směrování všech vysokorychlostních signálů na vnitřních vrstvách desky mezi rovinami. Zamezte vnějšímu vyzařování.

Využijte více základních rovin ve vrstvách, abyste pomohli snížit referenční impedanci, a také snižovat tepelné záření v běžném režimu, které jinak ovlivňuje činnost celkového obvod.

4. Rozvržení dílčích obvodů DPS

Digitální a analogové sekce je třeba pečlivě izolovat, aby se zamezilo jakémukoliv potenciálnímu rušení.

Teoreticky by se vedení cest desky vysokofrekvenčních rádiových obvodů mělo co nejvíce vyhýbat úhlu 45°a místo toho preferovat vedení do oblouku. Rovněž se vyhýbat cestě tvaru U, aby se zabránilo vlivu parazitní kapacity.

Pokud bude třeba rozdělit základní rovinu, je potřeba do plánu navrhnout rezistor 0 Ohm vedle signální stopy, aby se vytvořil most pro zpáteční cestu signálu.

Při směrování signálů na různých vrstvách je nezapomeňte směrovat kolmo k sobě. To znamená, že na jedné signální vrstvě budou cesty směrovat vodorovně a na druhé vertikálně.

Efektivní řešením pro aktuální návratnost signálu jsou průchody via. V opačném případě se signály šíří kolem rozštěpů ve vaší základní rovině, což povede ke ztrátě integrity signálu.

Pravidlo 3W pro komunikaci mezi stopami

Aby se snížily šumy signálu mezi dráhami obvodů desek plošných spojů, měla by být rozteč  umístění dalšího řádku stop dostatečně velká. Když je vzdálenost středu dráhy není menší než 3 násobek šířky dráhy, většina elektrických polí může být pod vzájemným rušením. To je pravidlo 3W. Splnění principu 3W může snížit ztrátu mezi signály o 70% a při splnění 10W může snížit přeslechy mezi signály o téměř 98%.

Image

Užitečná doporučení pro návrh vysokofrekvenčních PCB

• Používejte malou vrstvu pájecí masky: Většina pájecích masek má vysokou schopnost absorbovat vlhkost. V případě, že k tomu dojde je velmi pravděpodobné, že deska bude poškozená a způsobí ztráty.

• Využívejte dokonale hladké měděné stopy a cesty: Aktuální hloubka povrchové vrstvy je ve skutečnosti nepřímo úměrná frekvenci, a proto je na desce s plošnými spoji s vysokofrekvenčními signály velmi mělká. Pakliže bude měděný povrch nepravidelný, způsobí proudu také nepravidelnou cestu. A opět vyvolá ztráty.

• Integrita signálu: Vysoké frekvence představují jednu z nejobtížnějších výzev pro návrháře integrovaných obvodů. Aby bylo možné maximalizovat výkon, vyžaduje deska s vysokou hustotou osazení (HDI) tenčí stopy. Ty však mohou zapříčinit degradaci signálu. Tenké stopy zapříčiní zpoždění přenos RF signálu i o několik milisekund.
  Ve vysokofrekvenční oblasti je integrita signálu téměř výhradně založena na kontrole impedance. Tradiční procesy výroby desek plošných spojů jsou nevhodné díky vytváření drah s lichoběžníkovým průřezem.  Proto je nezbytné dodržovat teoretická pravidla pro návrh vysokofrekvenčních DPS a zamezit tvorbě cest s úhly 45°.

• Automatická kontrola:  Tvorba DPS pro vysoké frekvence vyžaduje enormní zvýšení kvality produktu a častou kontrolu výroby s upozorněním na možné chyby nebo neefektivitu obvodu. 

Pokrok v oblasti automatické kontroly a testování PCB vede k výrazné úspoře času a snížení nákladů spojených s manuálním ověřováním a testováním. Použití nových automatizovaných kontrolních technik pomáhá překonat nástrahy výroby vysokofrekvenčních DPS, včetně globálního řízení impedance ve vysokofrekvenčních systémech.

• Teflon: Pro vysokofrekvenční obvody se užívá laminát na bázi teflonu. Jeho cena je vyšší, ale díky své dlouhověké povaze je nákladově efektivní.  Teflon odolává oxidaci, ultrafialovým paprskům, křehnutí nebo změně barvy. Taková deska může pracovat od  -270 do 315 °C. Měděné pokovování je nezbytnou fází při výrobě teflonových desek plošných spojů. Výrobce musí použít měď s vysokou pevností v tahu, aby se zabránilo prasklinám, a hlavně ohýbání a deformaci desek. Teflonová deska s plošnými spoji nebo také PTFE deska s plošnými spoji je vysokofrekvenční deska s plošnými spoji, která jako substrát používá polytetrafluorethylen (PTFE).Teflonové desky plošných spojů přenášejí signály o frekvenci 5 GHz a vyšší, a proto jsou nejlepší volbou  pro výrobu vysokofrekvenčních desek plošných spojů.
  Název Teflon je obchodní značka, kterou výrobce Dupont Corporation používá pro své materiály PTFE.

Image

Závěrem

Složitost elektronických součástek a elektrických zařízení se v dnešní době neustále zvyšuje a je vyžadován rychlejší tok signálu. Jsou tedy potřeba vyšší přenosové frekvence, a to čím dál více. Vysokofrekvenční desky plošných spojů nacházejí využití hlavně v rádiových a vysokorychlostních digitálních aplikacích, jako je bezdrátová komunikace 5G, automotive, letectví, satelitech a vůbec v raketových a vojenských technologiích.