Výběr materiálů pro plošné spoje a jejich vliv v různých frekvenčních pásmech 5G

Přechod na 5G bude důležitým rozhodnutím pro mnoho průmyslových odvětví, ale přechod bude záviset na jejich aplikacích a provozu. Některá odvětví musí novou technologii přijmout rychle, aby si udržela konkurenceschopnost, zatímco jiná si možná budou chtít dát na čas. Bez ohledu na to, ve kterém odvětví působíte, byste měli zvážit potenciální náklady spojené s používáním nových vysokorychlostních materiálů. S vysokorychlostními materiály se může výrazně prodloužit doba stohování desek plošných spojů, proto se vyplatí věnovat správnému rozhodnutí dostatek času.

Dielektrická konstanta

Při výběru materiálu pro desky plošných spojů je důležitým faktorem dielektrická konstanta. Ta určuje, jak rychle se bude materiál při změně teploty rozpínat a smršťovat. Rychlost tepelné vodivosti materiálů DPS se obvykle měří ve wattech na metr na kelvin. Různé dielektrické materiály mají různou tepelnou vodivost. Například měď má tepelnou vodivost 386 W/M-oC.

Při výběru materiálů pro desky plošných spojů mějte na paměti, že efektivní dielektrická konstanta substrátu ovlivňuje rychlost elektromagnetických vln. Dielektrická konstanta materiálu substrátu DPS a geometrie stop určuje, jak rychle se signál může šířit obvodem.

Dielektrická konstanta je klíčovým faktorem při výběru materiálů PCB pro sítě 5G. Vysoká permitivita pohlcuje elektromagnetické signály a snižuje citlivost komunikace. Proto je zásadní vybírat materiály DPS, které mají nízkou permitivitu.

Tloušťka stopy

Frekvenční rozsah technologie 5G je větší než u předchozích bezdrátových komunikačních technik. To znamená, že kratší struktury jsou náchylné k vybuzení signály. Typická vlnová délka jedné stopy na desce plošných spojů je jeden centimetr. Při tomto frekvenčním rozsahu může být jediná stopa skvělou přijímací anténou. S rozšiřujícím se frekvenčním rozsahem se však citlivost stopy PCB zvyšuje. Proto je nezbytné určit nejlepší způsob stínění.

Frekvenční pásma standardu 5G jsou rozdělena na dvě části - nízké a vysoké pásmo. První pásmo je oblast milimetrových vln, zatímco druhé pásmo je pod hranicí 6 GHz. Pásmo se středem kolem 30 GHz a 77 GHz bude použito pro mobilní síť.

Druhým pásmem je nízké pásmo, které se běžně používá v energetice ke komunikaci se vzdálenými větrnými elektrárnami, důlními provozy a ropnými poli. Používá se také pro připojení inteligentních senzorů v zemědělství. Střední pásmo 5G, které vysílá v pásmu kolem 1,7 GHz až 2,5 GHz, poskytuje dobrou rovnováhu mezi rychlostí a pokrytím. Je navrženo tak, aby pokrylo velké oblasti a nabídlo relativně vysoké rychlosti, které jsou stále vyšší než ty, které můžete získat s domácím internetem.

Náklady

Při výrobě elektronických výrobků je výběr materiálů pro desky plošných spojů zásadní. Při výrobě ve vysokých frekvenčních pásmech, jako je 5G, se setkáváme s mnoha problémy. Společnost PCBA123 naštěstí vytvořila rodiny materiálů, které splňují požadavky pro toto nové frekvenční pásmo.

Vyšší nosné frekvence používané v sítích 5G umožní vyšší přenosové rychlosti a nižší latenci. To umožní větší konektivitu pro mnohem větší počet zařízení. To znamená, že 5G se může stát standardem pro internet věcí. S rostoucím frekvenčním pásmem však roste i složitost zařízení.

Naštěstí existují způsoby, jak snížit náklady na desky plošných spojů. Jednou z možností je například použití polymerů tekutých krystalů s nízkými ztrátami, které mají nižší Tg. Tato možnost sice může snížit náklady, ale může přinést nové problémy s permitivitou. Alternativně mohou výrobci použít pružnou keramiku a polyimidy, které jsou vhodnější pro nízkoteplotní aplikace.

Tepelná roztažnost

Vysokofrekvenční obvody DPS vyžadují materiály s různými charakteristikami tepelné roztažnosti. Přestože FR-4 je nejběžnějším materiálem používaným ve vysokofrekvenčních obvodech, existuje i mnoho dalších materiálů, které lze použít k minimalizaci ztrát. Mezi tyto materiály patří čistý polytetrafluorethylen (PTFE), PTFE plněný keramikou, uhlovodíková keramika a vysokoteplotní termoplast. Tyto materiály se liší hodnotami Dk a ztrátový faktor závisí na povrchových nečistotách, hygroskopičnosti laminátu a výrobní teplotě.

Materiály obvodů PCB používané v technologiích 5G musí být odolné vůči vyšším teplotním výkyvům. Zvýšení tepelné odolnosti umožní zpracovávat desky plošných spojů pomocí stávajících zařízení na zpracování desek plošných spojů. Kromě toho budou technologie 5G vyžadovat kvalitnější materiály desek plošných spojů. Například Isola MT40 je materiál s nízkým koeficientem tepelné roztažnosti ve směru tloušťky, s Dk/Df 0,03, což naznačuje, že je vhodný pro vysokofrekvenční aplikace.

Pro zajištění integrity signálu budou systémy 5G vyžadovat vysokorychlostní a vysokofrekvenční komponenty. Díky účinnému tepelnému managementu lze tyto komponenty navrhnout tak, aby fungovaly při nejvyšší možné rychlosti. Tepelná vodivost neboli TCR je vlastnost, která měří dielektrickou konstantu substrátu v závislosti na teplotě. Při vysokofrekvenčním provozu obvod generuje teplo a ztrácí dielektrický výkon.