Fabrication de circuits imprimés pour petites cellules 5G destinées aux infrastructures RF et de télécommunications

Une carte de circuit imprimé (PCB) pour petite cellule 5G peut désigner des composants matériels très différents selon qu'il s'agisse d'une petite cellule intégrée, d'une unité radio au sein d'une architecture désagrégée, d'un nœud d'entreprise intérieur ou d'une autre implémentation RAN compacte. La documentation du Small Cell Forum reconnaît explicitement plusieurs architectures et types de produits pour petites cellules 5G ; il n'existe donc pas de configuration de PCB 5G universelle. Le plan de fabrication doit respecter la gamme de fréquences 3GPP NR, l'architecture RF frontale, la répartition bande de base/PHY, le niveau de puissance, l'implémentation d'antenne, le boîtier et le système de refroidissement. Highleap Electronics prend en charge la fabrication de PCB pour la communication 5G , la fabrication multicouche à faibles pertes, les structures HDI et l'assemblage clé en main pour les équipements de télécommunications, conformément aux données de conception RF et numériques approuvées par le client.

1. Les exigences relatives aux circuits imprimés des petites cellules 5G dépendent de l'architecture radio.

Une petite cellule 5G peut intégrer le traitement de la bande de base, les fonctions radio, l'étage d'entrée RF, la synchronisation, la conversion de puissance, les interfaces réseau et les antennes dans un seul boîtier. D'autres conceptions répartissent ces fonctions sur des cartes radio et numériques. Les travaux du Small Cell Forum sur la 5G décrivent également des configurations de produits intégrées et désagrégées ; c'est pourquoi un fournisseur de circuits imprimés devrait se renseigner sur les fonctionnalités de la carte avant de proposer des matériaux ou des procédés.

1.1 Les cartes radio et numériques peuvent avoir des constructions optimales différentes.

Une carte radio privilégie la réduction des pertes RF, la stabilité de phase, l'isolation, la gestion thermique et les transitions connecteur/antenne. Une carte numérique peut privilégier les interfaces SerDes haute vitesse, la mémoire DDR, le routage des sorties du processeur, l'intégrité de l'alimentation et l'assemblage BGA haute densité. Certains produits combinent les deux sur un seul circuit imprimé multi-matériaux ; d'autres utilisent des cartes séparées connectées par des interfaces haut débit.

1.2 Ne pas utiliser « 5G » comme spécification de matériau

Le terme 5G ne précise pas les valeurs exactes de Dk, Df, le profil du cuivre, le nombre de couches ni la technologie des vias. Ces paramètres dépendent des bandes de fréquences utilisées, de la longueur des liaisons, de la marge de modulation/vecteur d'erreur, de l'architecture des connecteurs et des interfaces numériques. Un stratifié à faibles pertes peut être essentiel dans une configuration et superflu dans une autre.

1.3 La qualification des produits est plus large que la fabrication de circuits imprimés.

La cellule modulaire finale peut nécessiter des travaux de conformité radio 3GPP, une qualification d'opérateur, des approbations CEM, de sécurité, environnementales et régionales. La fabrication des circuits imprimés et les tests des assemblages de circuits imprimés (PCBA) contribuent à la reproductibilité, mais ne remplacent pas les programmes au niveau système.

2. Cartes à petites cellules FR1 et FR2 : Priorités de fabrication différentes

Les spécifications 3GPP NR distinguent les modes de fonctionnement FR1 et FR2 ; des spécifications plus récentes distinguent également les modes FR2-1 et FR2-2. Pour la fabrication de circuits imprimés, les données utiles sont la bande de fréquences de fonctionnement, l’architecture RF, les interfaces critiques et les exigences relatives aux canaux, et non une étiquette générique « 5G » ou « FR2 ». Un produit à petite cellule peut donc nécessiter des conceptions de carte très différentes selon l’implémentation radio.

2.1 Les petites cellules FR1 mélangent souvent RF et numérique haute vitesse sur des PCB multicouches

Les circuits intégrés FR1 peuvent utiliser des structures de transmission PCB classiques sur des distances pratiques, mais les pertes, l'impédance, l'isolation et les performances thermiques de l'amplificateur de puissance restent des facteurs importants. Des matériaux à faibles pertes de type hydrocarbure/céramique ou des stratifiés haute vitesse avancés peuvent être utilisés lorsque les contraintes liées au flux RF ou au canal numérique l'exigent.

2.2 Chaque petite cellule 5G est-elle une carte PCB à ondes millimétriques ?

Non. De nombreux produits 5G à petites cellules fonctionnent en FR1 et ne sont pas conçus pour les ondes millimétriques. Les conceptions FR2 fonctionnent à des fréquences millimétriques, où les pertes d'interconnexion et la sensibilité aux transitions peuvent devenir beaucoup plus critiques. Certaines architectures minimisent la longueur du trajet RF sur le circuit imprimé en intégrant les antennes et l'électronique frontale dans des modules ; lorsque le circuit imprimé principal comporte encore des structures à ondes millimétriques, la tolérance des matériaux, la rugosité du cuivre, le repérage, la finition de surface et la géométrie de lancement nécessitent un contrôle plus strict.

2.3 Le fabricant a besoin de la bande réelle et des réseaux critiques

Une demande de devis mentionnant simplement « carte 5G » est insuffisante. Il est indispensable d'identifier au minimum les couches et interfaces critiques pour la radiofréquence, les structures d'impédance concernées, les matériaux cibles, les substitutions acceptables et les exigences relatives aux échantillons ou aux tests. Cela permettra au fabricant de concentrer son contrôle de processus sur les structures qui déterminent les performances.

3. Empilements de circuits imprimés hybrides et à faibles pertes pour le traitement RF et numérique

Les composants des petites cellules nécessitent souvent à la fois des performances RF élevées et un routage multicouche économique. Une architecture hybride permet d'utiliser des matériaux RF à faibles pertes uniquement là où ils sont pertinents, tout en employant des matériaux de la famille FR-4 ou des matériaux numériques haute vitesse ailleurs. Toutefois, la lamination de matériaux mixtes doit être conçue avec soin.

3.1 Chaque circuit imprimé de petite cellule 5G a-t-il besoin de Rogers ou de PTFE ?

Non. Un circuit imprimé pour petites cellules 5G n'impose pas automatiquement l'utilisation de Rogers, de PTFE ou d'une famille de stratifiés spécifique. Le choix des matériaux doit être guidé par la bande de fonctionnement, le budget de pertes d'insertion, la longueur du trajet RF, les exigences des canaux numériques, les besoins thermiques et de fiabilité, le coût et l'architecture globale. Une structure hybride RF/FR-4 peut s'avérer utile lorsque l'utilisation de matériaux à faibles pertes est justifiée uniquement sur certaines couches. Toutefois, la stratification de matériaux mixtes doit être étudiée afin de garantir la compatibilité des épaisseurs diélectriques, le comportement au durcissement, la stabilité dimensionnelle et la qualité de l'assemblage.

Highleap travaille avec des matériaux RF et à faibles pertes utilisés dans les produits de télécommunications, notamment ceux décrits dans nos ressources de sélection des matériaux pour circuits imprimés RF . Le choix final du matériau et les critères d'équivalence approuvés doivent rester en adéquation avec les exigences électriques et de fiabilité du client.

3.2 Dk n'est pas un nombre universel unique

Les fiches techniques des stratifiés peuvent indiquer différentes valeurs de Dk selon la méthode de test et la fréquence. Les concepteurs doivent utiliser la valeur appropriée à leur solveur de champ et à leur modèle de matériau, puis corréler les échantillons fabriqués ou les structures de test, le cas échéant. Le fabricant de circuits imprimés ne doit pas substituer un stratifié simplement parce que deux fiches techniques affichent une valeur de Dk similaire.

3.3 Le profil du cuivre peut affecter les pertes

L'utilisation d'un cuivre plus fin permet de réduire les pertes dans les conducteurs haute fréquence, mais le type de feuille de cuivre choisi influe également sur l'adhérence, le comportement lors de la fabrication et la disponibilité. Si le profil du cuivre est un facteur électrique important, il convient de le spécifier dans la description de la structure ou du matériau plutôt que de considérer toutes les feuilles de cuivre comme équivalentes.

4. Lancement RF, transitions via, plans de référence et effets de surface du cuivre

Le point faible en matière de RF est souvent une transition plutôt qu'une longue piste droite. Les connecteurs, les vias, les changements de couche, les pastilles de composants, les sorties de filtres et les transitions vers les modules RF introduisent des discontinuités.

4.1 Les transitions via nécessitent une conception de chemin de retour

Il convient de considérer la présence d'un via de signal en tenant compte des vias de masse adjacents, de la géométrie des antipads, des modifications du plan de référence et de la longueur inutilisée des stubs. Notre guide de conception des vias pour circuits imprimés RF détaille les variables de fabrication liées à ces transitions. Le perçage arrière ou les vias borgnes permettent de réduire les effets des stubs lorsque le modèle de canal le justifie. Pour la fabrication, les exigences de profondeur contrôlée doivent être clairement indiquées dans le tableau de perçage.

4.2 Les lancements de connecteurs doivent être gelés avec la pile

Les connecteurs RF coaxiaux ou carte à carte possèdent des configurations de plots recommandées, mais le placement optimal sur le circuit imprimé dépend également de l'épaisseur du diélectrique et de la géométrie de référence. Les modifications apportées aux plots et aux anti-plots lors de la fabrication assistée par ordinateur (FAO) peuvent modifier l'affaiblissement de retour. Les zones de placement critiques doivent être marquées comme zones à ne pas modifier, sauf autorisation du service d'ingénierie.

4.3 La finition de surface fait partie du compromis RF et d'assemblage

Les finitions ENIG, argenture par immersion, OSP et autres présentent des implications différentes en termes d'assemblage, de stockage, de planéité, de contact et de radiofréquences. Le choix optimal dépend de la structure RF exposée, des exigences de contact des connecteurs, de l'assemblage à pas fin, de la durée de conservation et du processus client. Le guide de finition de surface des circuits imprimés de Highleap permet d'analyser ces compromis avant la mise en production.

5. HDI, assemblage BGA, chemins thermiques de l'amplificateur de puissance et blindage

Les petites cellules intègrent souvent des processeurs haute densité, des FPGA/SoC, des émetteurs-récepteurs RF, des amplificateurs de puissance, des systèmes d'horloge, de la mémoire et des convertisseurs de puissance dans un format compact. Highleap prend en charge la fabrication de circuits imprimés haute fréquence/RF et HDI, l'approvisionnement en composants, l'assemblage BGA/SMT, l'intégration du blindage, l'inspection AOI/rayons X et les tests fonctionnels ou RF définis par le client, à condition qu'une méthode et des limites documentées soient fournies. Le circuit imprimé doit supporter à la fois une densité de routage élevée et une dissipation thermique efficace.

5.1 HDI permet de réduire la longueur des trajets haut débit et RF

Les microvias, les vias intégrés aux pastilles, les vias enterrés et les structures de montage séquentiel permettent une intégration dense des BGA et réduisent le besoin de longs chemins de câbles. Le choix de ces fonctionnalités dépend du pas du boîtier et des exigences relatives aux canaux. La fabrication de circuits imprimés HDI de Highleap prend en charge les conceptions nécessitant des interconnexions percées au laser et un routage compact.

5.2 Les amplificateurs de puissance nécessitent un chemin thermique défini

Les dispositifs de puissance RF peuvent utiliser des pastilles thermiques exposées, des structures en cuivre, des réseaux de vias thermiques, des dissipateurs thermiques ou des interfaces directes avec un châssis. La gestion thermique des circuits imprimés RF et micro-ondes doit être définie conjointement avec le boîtier et le système de refroidissement mécanique. La méthode la plus efficace dépend de la puissance dissipée, du boîtier, de l'élévation de température admissible et de la conception du refroidissement mécanique. La fabrication doit préserver le remplissage/scellement des vias et les structures en cuivre requis par le modèle thermique.

5.3 Modifications du blindage Séquence d'assemblage

Les cadres de blindage RF , les couvercles, les absorbeurs, les pastilles thermiques et les dissipateurs thermiques mécaniques peuvent nécessiter un ordre d'assemblage précis. Le volume de pâte thermique du cadre de blindage, les pastilles de mise à la terre, la coplanarité et l'accessibilité pour les retouches doivent être pris en compte lors de l'analyse de faisabilité. Le processus d'assemblage BGA et CMS de Highleap peut intégrer ces étapes mécaniques et de brasage spécifiques au projet.

6. Inspection et tests : ce qu’un fabricant de circuits imprimés peut vérifier avant la qualification RF du système

Un plan de test de fabrication doit vérifier les attributs que l'usine peut contrôler et les séparer clairement de la qualification du système radio.

6.1 Commandes sur carte nue

Les contrôles pertinents peuvent inclure la continuité/l'isolation électrique, le contrôle dimensionnel, les coupons d'impédance contrôlée, l'analyse microscopique, la vérification du placage, l'inspection du vernis épargne/de la finition, ainsi que la documentation relative aux matériaux et aux lots, le cas échéant. Des coupons de test RF peuvent également être utilisés si le client fournit la structure et la méthode de mesure.

6.2 Commandes d'assemblage

Les techniques SPI, AOI et de radiographie sont sélectionnées en fonction des risques liés au boîtier. La radiographie est particulièrement utile pour les joints BGA/LGA/QFN et les plots thermiques, invisibles à l'œil nu. L'inspection du premier article permet de vérifier l'identité, l'orientation, le positionnement, la visserie et l'assemblage du blindage des composants avant le traitement du lot complet.

6.3 Un fabricant de PCB peut-il réaliser la certification de produit 5G ?

Les contrôles de fabrication et d'assemblage de routine ne constituent pas une certification 3GPP, opérateur, OTA ou réglementaire. Un fabricant de cartes électroniques peut effectuer les tests de mise sous tension, de programmation, de communication réseau, de synchronisation, d'E/S numériques et les tests RF conduits définis par le client , à condition de disposer d'un accès aux tests, d'équipements calibrés, de logiciels, de dispositifs de fixation et de limites de réussite/échec. La conformité 3GPP, l'acceptation par l'opérateur, les performances des antennes OTA et la qualification réglementaire restent des activités distinctes au niveau du système.

7. Liste de contrôle de la demande de devis pour la fabrication et la réalisation de cartes électroniques clés en main pour petites cellules 5G

Une demande de devis pour une petite cellule techniquement complète doit inclure :

• Données Gerber/ODB++, fichiers de perçage, plan de fabrication et contraintes de panneau, le cas échéant
• Empilage complet avec exigences exactes en matière de stratifié, d'épaisseur de préimprégné/âme, de poids de cuivre et de profil de cuivre, là où c'est critique
• Contexte d'application FR1/FR2, bandes de fonctionnement réelles et identification des couches/interfaces RF critiques
• Objectifs d'impédance contrôlée, tolérances et exigences relatives aux coupons
• Exigences relatives aux perçages arrière, aux vias borgnes/enterrés, aux microvias, aux vias dans les pastilles et au remplissage/bouchage
• Exigences relatives à la finition de surface et au cuivre RF exposé
• Nomenclature des composants RF, processeurs, dispositifs de puissance, horloges, connecteurs et alternatives approuvées
• Schémas de placement et d'assemblage, détails du blindage/dissipateur thermique/interface thermique
• Procédures de programmation, d'étalonnage, de test fonctionnel et de test RF
• Traçabilité des matériaux, rapports d'inspection et exigences de contrôle des modifications pour la production

Pour les nouveaux équipements radio, la fabrication contrôlée d'un prototype de circuit imprimé (PCB) et d'une carte pilote (PCBA) permet de corréler les matériaux, l'empilement des composants, les impulsions RF, la conception thermique et l'assemblage avec les performances système mesurées avant la production en série. Highleap Electronics peut analyser les données de fabrication et vous proposer un devis pour la fabrication des PCB, l'approvisionnement en composants, l'assemblage et les tests/inspections définis dans le projet. Pour plus d'informations sur la production de cartes radio, consultez notre ressource sur la fabrication de PCB RF pour les appareils 5G.