5G PCB：5G技術をサポートする回路基板

2019年に5G技術が商業的に大きくブレークスルーして以来、数多くの国が5Gネットワークを開始した。こうした動きは通信分野に大きな影響を与えている。基地局建設に高度に統合されたRFモジュールを組み込んだアクティブアンテナユニット（AAU）技術の採用と並んで、mmWave周波数帯域の活用が極めて重要な側面として浮上している。この周波数帯域は、より広い帯域幅とより速いデータ伝送速度を提供し、5Gネットワークの重要な実現要素となっている。これらの周波数帯域を効果的にサポートするために、より高度なアンテナシステムと 5G PCB が不可欠となっている。この記事では、FS Technologyが5G統合回路基板の世界を掘り下げ、プロジェクトを支援する包括的な設計ガイドラインを提供する。

5G技術と回路基板の統合

5Gとは

5Gテクノロジーは主に、より高速なビデオストリーミングとより高いデータコストを提供するという考え方が一般的だが、その影響力は単なるエンターテインメントにとどまらない。5Gは、自律走行、高度な遠隔医療、没入型バーチャル投影など、人間生活の様々な側面を再構築する可能性を秘めている。

第5世代移動通信ネットワークの略称である5Gは、ネットワーク技術の大幅な進化を意味する。1Gから5Gへの移行は、基本的に電波周波数のシフトを伴う。より高い周波数はより広い帯域幅を提供し、その結果、より高速なデータ伝送を促進する。この根本的な変化が、平均速度が100Mbpsで待ち時間が30～50msの4Gと、最大10Gbpsの速度で待ち時間が1msと低い5Gとの間の激しい対比を支えている。

PCBとは

PCB（プリント回路基板）は、現代のエレクトロニクスの中核をなす部品とみなされており、以下のように分類される。高周波プリント基板 5G分野では従来のアプリケーションでは、回路基板の主な仕事はコンポーネントのサポートを引き受け、電気的接続を提供することだったが、5Gではそれだけでは不十分だ。

5G信号は主に高周波とミリ波の周波数帯域で動作するため、損失を最小限に抑えた優れた信号伝送能力が必要となる。さらに、5Gアプリケーションの低遅延要件は、従来のPCBに独自の課題と制約をもたらします。

高周波PCBは、高周波信号伝送の要求に合わせた専用回路基板です。低損失材料、正確なインピーダンス制御、RFフィルター、RFアンテナ設計を活用したこれらのPCBは、5G技術の厳しいニーズに応えるために細心の注意を払って作られています。

5G PCB設計の課題と解決策

信号伝送の完全性

5G PCBアプリケーションの高まる要求は、設計者と製造者に高周波と小型化という2つの課題をもたらす。これらの要件に対処するために、主な戦略は、設計におけるI/Oを最適化するために、より薄いトレースを利用することである。しかし、このような細いトレースを採用することで PCB製造能力の製造者は、信号減衰のリスクを伴います。この文脈では、従来のエッチングプロセスは、潜在的にインピーダンスを混乱させ、その結果、5Gプリント基板のシグナルインテグリティに影響を与える断面トレース欠陥をもたらし、困難に遭遇する。

そのためには、微細加工技術を高めて配線精度を確保する必要がある。さらに、以下のような複数の検査チェックポイントを設けることも必要である。 AOI と X線これは、内層と外層の製造品質を評価する上で極めて重要である。

信号受信互換性

広範な検証の結果、Massive MIMOは信号伝送速度の飛躍的向上を実現する最適な技術として登場した。これは、基地局と端末の両方のアンテナ数を増加させるマルチアンテナ技術であり、その結果、無線ネットワークの性能が大幅に向上する。しかし、その一方で互換性の問題が生じ、新たな課題も生じている。

従来のPCBは、20MHzの帯域幅チャンネルを利用し、600MHzから5.925GHzの許容周波数範囲内で動作するように設計されている。対照的に、5G信号はmmWave周波数にまで拡張でき、28GHz、30GHz、さらには77GHzにまで達する。さらに、5G情報システムは、帯域幅チャンネルという点で、6GHz未満と400MHz以上の両方の周波数を扱うことができる。

このような信号受信の変化に対応するために、設計者はPCBの銅トレースのインピーダンスを制御するだけでなく、採用する基板材料もアップグレードする必要があります。従来の基板は、一般的に3.5から5.5の誘電率を示しています。基板に対する5G PCBの厳しい要件を満たすことは困難であり、信号受信との互換性を確保するために優れた材料を探求する必要があることは明らかです。

EMI 電磁妨害

5G PCBにおける高周波信号の統合には、設計段階で潜在的な電磁干渉問題に取り組むための積極的なアプローチが必要です。設計者は、これらの課題を効果的に軽減するソリューションを提供する必要があります。

伝導干渉と放射干渉の両方を抑制するフィルターコネクターの採用は、実行可能なソリューションです。現在、TE DEUTSCH、Smiths Interconnect、AVIC Optoelectronicsなどの業界標準の長方形フィルターコネクターが、最良の選択肢として広く認知されています。部品調達に懸念が生じた場合 FSテクノロジー調達チームがお手伝いいたします。提供するサービス部品調達サービス競争力のある価格で、信頼できるルートからの部品調達を保証する。

つ目の戦略は、配線設計の最適化である。これには、重要な信号線へのシールドの追加、垂直および水平配線の原則の遵守、トレース長の最小化などが含まれる。最適化策を一貫して次のようなものと一致させることが不可欠である。 PCB設計ルール不必要な合併症を防ぐために

5G PCB設計では、設計後の徹底的なレビューが最も重要です。これには、ループアンテナの可能性を排除するために、トレースの閉ループと開ループを精査することが含まれる。さらに、電源とグラウンド・トレースで囲まれる領域を最小限に抑えながら、電源ピンへのデカップリング・コンデンサの近接性を検証することが極めて重要である。

熱管理

5G技術の要求、特に信号伝送速度の高速化の必要性により、PCBAはより多くのリソースを消費し、動作中に大電流を扱うことになる。このような電流の増加は、基板表面に過剰な熱を発生させるリスクを伴う。さらに、5G PCBは高周波、高速、高密度設計が特徴です。これらの高密度実装部品は、熱蓄積の問題を引き起こし、効果的な放熱を妨げる可能性がある。最終的に、これらの課題は、放熱不足による銅線の剥離、層間剥離、収縮、反りなどの問題として現れる可能性があります。

熱に関連する問題に対処するためには、いくつかの戦略を採用することができる。まず、適切な基材を選択することが重要である。例えば IMS PCBの8～12倍の熱伝導率を持つ。 FR-4このような場合、銅層、サーマル・パッド、ヒートシンク、その他の冷却ソリューションが必要になる。第二に、よく練られた放熱設計を実施する必要があり、銅層、サーマルパッド、ヒートシンク、その他の冷却ソリューションを使用することがあります。同様に重要なのは、設計が完了したら、5Gプリント基板の熱シミュレーションテストを実施することです。これらのシミュレーションは、様々なコンポーネントや領域間の熱分布を分析するのに役立ち、設計者は潜在的な熱問題を特定し、事前に対処することができます。

ぜひ、ご意見をお聞かせください