プリント基板は各電子機器の心臓部であり、各部品間の電気的接続を可能にするだけでなく、デジタルおよびアナログ信号、高周波データ伝送信号、電源ケーブルを搭載することが重要である。5G技術の導入によって、PCBはどのような新たなニーズや要件に対応する必要があるのでしょうか。これから大規模に展開される5Gネットワークは、設計者にモバイル、iot、通信機器のPCB設計の再考を迫るでしょう。5Gネットワークは高速、広帯域、低遅延という特徴を持つようになりますが、これらすべてにおいて、新しい高周波特性に対応するために入念なPCB設計が必要となります。

5Gチャレンジ

    第5世代移動技術は、4Gネットワークと比較して10 ~ 20倍の伝送速度(最大1 Gbps)、1000倍の流量密度、1平方キロメートル当たりの接続数10倍を提供する。また、5Gネットワークでは、4Gネットワークよりも10倍速い1ミリ秒の遅延を実現し、より広い周波数範囲で動作することを目指しています。PCBは、現在よりもはるかに高いデータレートおよび周波数を同時にサポートしなければならず、ハイブリッド信号設計を限界に追いやることになる。4Gネットワークでは、いずれも6 GHzの閾値(600 ~ 5.925 GHz)より低い周波数で動作していますが、5Gネットワークでは、26 GHzの周波数を中心に、30 GHz、77 GHzのミリ波領域(mmWave)まで上限周波数が引き上げられます。

EHF(極高周波)帯の使用は、5G技術がPCB設計者にとって最も困難な課題の1つです。ミリ波は視線だけで伝わり、建物や木の葉、雨や湿気などの悪天候に遭遇すると、途中で強く減衰する。そのため、5Gネットワークに対応するより多くの基地局が必要になるでしょう。このような大量の周波数に対応するためには、ビームフォーミングなどの高度な5G機能に対応する複数のフェーズドアレイアンテナが必要になります。したがって、モバイルデバイスであれ基地局であれ、大量のアンテナ・アレイ・ユニット(AAU)を集積し、大規模MIMO技術を広く使用するPCBを持つことになる。図1は、数年前にSoCおよび通信モデムの大手設計会社が開発した5Gデバイスのプロトタイプを示したものです。3つのアクティブアンテナは、5G規格に必要な周波数を管理できる非常にコンパクトなサイズで、PCBの上部と右側に見えるようになっています。

周波数に加えて、もう1つの重要な課題は、各チャネルの帯域幅である。4Gではチャネル帯域が20 MHz (iot機器では200 kHzまで)に設定されていますが、5Gでは6 GHz以下で100 MHz、6 GHz以上で400 MHzに設定されています。これらの規格に対応するモデムや無線周波数部品はすでに市場にあるが,PCB設計の基本となる最適な材料を選択する。無線周波数フロントエンドはPCB上に直接集積されるため,誘電体伝送損失が極めて低く,熱伝導性が極めて高い材料が必要となる。PCBを製造する材料は,6GHz以上の周波数であればミリ波帯に適した特殊基板でなければならない。

5G PCB設計のヒント

5G用プリント基板の設計は、高速信号と高周波信号の混在管理に完全に注力しています。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 thesignal。また,回路基板のアナログ信号を管理する部分とデジタル信号を処理する部分との間に生じるEMIを防ぎ,FCC EMC要件を満たす必要がある。ガイダンス材料が選択する2つのパラメータは、誘電率の変化(通常ppm/°C単位)を表す熱伝導率と誘電率の熱係数である。部品から発生する熱を容易に発散することができるので、熱伝導率の高い基板が好ましいことは明らかである。誘電率の熱係数も同様に重要なパラメータである。誘電率の変化は分散を引き起こし、デジタルパルスを広げたり、信号の伝播速度を変えたり、場合によっては伝送路に沿って信号反射を起こしたりする。

PCB幾何学形状も重要な役割を果たしており、幾何学形状は積層板厚と伝送路特性を意味する。第1の点に関して、最も高い動作周波数の波長の1/4から1/8の間で、ラミネートの厚さが一般的に選択される必要がある。ラミネートが薄いと共振したり、導電体を通って波が伝わる可能性もある。伝送路については、どのタイプの導電体(マイクロストリップ線、帯状線、接地共面導波路(GCPW))を使用するかを決定する必要がある。マイクロストリップラインはおそらく最もよく知られているが、30 GHz以上の放射損失およびスプリアスパターン伝播に問題がある。帯状の線も効果的な解決策ですが、製造が難しく、コストがかかります。また、マイクロホールを使用して帯状の線を最外層に接続する必要があります。GCPWは優れた選択肢であるが、マイクロストリップラインや帯状ラインよりも高い伝導損失を提供する。

基板材料を選択した後、設計者は高周波PCB設計に適した一般的な規則に従うべきである:できるだけ短いラインを使用し、すべての相互接続のインピーダンスを一定に保つためにライン間の幅と距離を検査する。以下は、5GアプリケーションのPCB設計に役立つアドバイスやヒントです。

·  誘電率(Dk)が低い材料を選ぶ:Dk損失は周波数に比例して増加するため、誘電率ができるだけ低い材料を選ばなければならない。

·  少量の溶接抵抗層を使用する:ほとんどの溶接抵抗層は吸湿能力が高い。この場合、回路に高損失が発生する可能性がある。

·  完璧で滑らかな銅線と平面図を使用する:実際には、電流の肌深度は周波数に反比例するため、高周波信号を有するプリント基板上では、それは非常に浅い。不規則な銅の表面は電流に不規則な経路を提供し、抵抗の損失を増加させる。

·  信号完全性:高周波数は集積回路設計者にとって最も困難な課題の1つである。I/Oを最大限に高めるためには、高密度相互接続(HDI)により薄い軌道が必要であり、この要因により信号が減衰し、さらなる損失をもたらす。これらの損失は無線周波数信号の伝送に悪影響を及ぼし、数ミリ秒遅れて信号伝送チェーンに問題が生じる可能性がある。高周波領域では、信号完全性は、インピーダンスを検査することにほぼ完全に基づく。減材プロセスなどの従来のPCB製造プロセスの欠点は、台形の断面を持つレール(レールに対して垂直な垂直角度と比較して、角度は通常25から45度の間である)を生成することである。これらの断面はレール自体のインピーダンスを変えてしまい、5Gの利用を大きく制限してしまいます。しかしながら、この問題は、リソグラフィによるトレース幾何学的形状の定義を可能にするより正確なトレース線の作成を可能にするmSAP(半付加的製造プロセス)技術を使用することによって解決することができる。図2では、2つの製造プロセスの比較を見ることができる。

自動検出:高周波アプリケーションのためのPCBは、光学(AOI)またはATEによる実行を含む自動検出プログラムを行う必要がある。これらのプログラムは、製品の品質を劇的に向上させ、回路の誤りや非効率の可能性を浮き彫りにすることを可能にする。PCBの自動検査と試験に関する最近の進展は、時間を大幅に節約し、手動での検証と試験にかかるコストを削減した。新たな自動検出技術の使用は、高周波システムにおけるグローバルインピーダンス制御を含む5Gの課題の克服に役立つでしょう。ますます多くの自動化の検査方法を採用しても一貫性のある性能と高い生産性を実現できる