Fabricação de PCBs para small cells 5G para infraestrutura de RF e telecomunicações

Uma placa de circuito impresso (PCB) para small cells 5G pode representar hardware muito diferente, dependendo se o produto é uma small cell integrada, uma unidade de rádio dentro de uma arquitetura desagregada, um nó empresarial para ambientes internos ou outra implementação compacta de RAN. O material de referência do Small Cell Forum reconhece explicitamente múltiplas arquiteturas e tipos de produtos para small cells 5G, portanto, não existe uma "configuração de PCB 5G" universal. O plano de fabricação deve seguir a faixa de frequência 3GPP NR, a arquitetura de front-end de RF, a partição de banda base/PHY, o nível de potência, a implementação da antena, o gabinete e o método de resfriamento. A Highleap Electronics oferece suporte à fabricação de PCBs para comunicação 5G , fabricação multicamadas de baixa perda, estruturas HDI e montagem turnkey para hardware de telecomunicações, construído de acordo com os dados de projeto de RF e digital aprovados pelo cliente.

1. Os requisitos da placa de circuito impresso (PCB) para células pequenas 5G dependem da arquitetura de rádio.

Uma pequena célula 5G pode integrar processamento de banda base, funções de rádio, front-end de RF, temporização, conversão de energia, interfaces de rede e antenas em um único invólucro. Outros projetos separam as funções em placas de rádio e digitais. O trabalho do Small Cell Forum sobre 5G também descreve configurações de produtos integrados e desagregados, razão pela qual um fornecedor de PCB deve perguntar o que a placa realmente faz antes de propor materiais ou processos.

1.1 A placa de rádio e a placa digital podem ter construções ideais diferentes.

Uma placa de rádio prioriza a perda de RF, a consistência de fase, o isolamento, o gerenciamento térmico e as transições de conectores/antenas. Uma placa digital pode priorizar SerDes de alta velocidade, memória DDR, roteamento de escape do processador, integridade de energia e montagem BGA densa. Alguns produtos combinam ambos em uma única placa de circuito impresso de materiais mistos; outros usam placas separadas conectadas por meio de interfaces de alta velocidade.

1.2 Não utilize “5G” como especificação de material.

O termo 5G não especifica os valores exatos de Dk, Df, perfil de cobre, número de camadas ou tecnologia de vias necessários. Esses fatores dependem das bandas de operação, comprimento das rotas, orçamento de modulação/margem de vetor de erro, arquitetura do conector e interfaces digitais. Um laminado com menor perda pode ser essencial em um projeto e desnecessário em outro.

1.3 A qualificação do produto é mais abrangente do que a fabricação de PCBs.

A small cell finalizada pode precisar de conformidade com o padrão de rádio 3GPP, qualificação de operadora, EMC, segurança, meio ambiente e aprovações regionais. A fabricação de PCBs e os testes de PCBA auxiliam na repetibilidade, mas não substituem esses programas de nível de sistema.

2. Placas de circuito impresso de células pequenas FR1 e FR2: diferentes prioridades de fabricação

As especificações 3GPP NR distinguem a operação FR1 da FR2; especificações mais recentes distinguem ainda mais entre FR2-1 e FR2-2. Para a fabricação de PCBs, a informação útil é a banda de operação real, a arquitetura de RF, as interfaces críticas e os requisitos de canal — e não um rótulo genérico “5G” ou “FR2”. Um produto de small cell pode, portanto, exigir construções de placa muito diferentes, dependendo da implementação de rádio.

2.1 Células pequenas FR1 frequentemente misturam RF e tecnologia digital de alta velocidade em PCBs multicamadas

Os projetos FR1 podem usar estruturas de transmissão de PCB convencionais em distâncias práticas, mas a perda, a impedância, o isolamento e o desempenho térmico do amplificador de potência continuam sendo importantes. Famílias de laminados de hidrocarboneto/cerâmica de baixa perda ou laminados avançados de alta velocidade podem ser usados ​​quando o orçamento de canais de RF ou digitais assim o exigir.

2.2 Toda Small Cell 5G é uma placa de circuito impresso mmWave?

Não. Muitos produtos de small cells 5G operam em FR1 e não são placas de ondas milimétricas. Os projetos FR2 operam em frequências de ondas milimétricas, onde a perda de interconexão e a sensibilidade de transição podem se tornar muito mais importantes. Algumas arquiteturas minimizam o comprimento do caminho de RF na placa de circuito impresso integrando antenas e eletrônica de front-end em módulos; onde a placa de circuito impresso principal ainda carrega estruturas de ondas milimétricas, a tolerância do material, a rugosidade do cobre, o registro, o acabamento da superfície e a geometria de lançamento exigem um controle mais rigoroso.

2.3 O fabricante precisa da banda real e das redes críticas.

Uma solicitação de cotação (RFQ) que mencione apenas "placa 5G" não é suficiente. No mínimo, identifique quais camadas e interfaces são críticas para radiofrequência (RF), as estruturas de impedância relevantes, os materiais-alvo, as substituições aceitáveis ​​e quaisquer requisitos de teste ou de amostra. Isso permite que o fabricante concentre o controle do processo nas estruturas que impulsionam o desempenho.

3. Estruturas de PCB híbridas e de baixa perda para processamento digital de RF

O hardware de células pequenas frequentemente exige tanto alto desempenho de RF quanto roteamento multicamadas com boa relação custo-benefício. Uma estrutura híbrida pode utilizar material de RF de baixa perda apenas onde ele oferece valor agregado, enquanto materiais da família FR-4 ou materiais digitais de alta velocidade são usados ​​em outras áreas, mas a laminação com materiais mistos deve ser projetada com cuidado.

3.1 Todas as placas de circuito impresso (PCB) de células pequenas 5G precisam de Rogers ou PTFE?

Não. Uma placa de circuito impresso (PCB) de small cell 5G não exige automaticamente laminados Rogers, PTFE ou qualquer outra família de laminados específica. A seleção de materiais deve levar em consideração a banda de operação, o limite de perda de inserção, o comprimento do caminho de RF, os requisitos do canal digital, as necessidades térmicas/de confiabilidade, o custo e a arquitetura geral. Uma estrutura híbrida RF/FR-4 pode ser útil quando o uso de material de baixa perda se justifica apenas em camadas selecionadas, mas a laminação com materiais mistos deve ser avaliada quanto à compatibilidade de espessuras dielétricas, comportamento de cura, estabilidade dimensional e técnicas de colagem.

A Highleap trabalha com materiais de RF e de baixa perda usados ​​em produtos de telecomunicações, incluindo os tipos descritos em nossos recursos de seleção de materiais para PCBs de RF . A especificação final do material e quaisquer critérios de equivalência aprovados devem estar alinhados aos requisitos elétricos e de confiabilidade do cliente.

3.2 Dk não é um único número universal.

As fichas técnicas de laminados podem listar diferentes valores de Dk dependendo do método e da frequência de teste. Os projetistas devem usar o valor apropriado para seu solucionador de campo e modelo de material e, em seguida, correlacionar os cupons fabricados ou as estruturas de teste conforme necessário. A fábrica de PCBs não deve substituir um laminado simplesmente porque duas fichas técnicas mostram um valor de Dk semelhante.

3.3 O perfil de cobre pode afetar as perdas

O cobre de perfil mais baixo pode reduzir a perda de condutores em caminhos de alta frequência, mas a folha de cobre escolhida também afeta a adesão, o comportamento de fabricação e a disponibilidade. Se o perfil do cobre for eletricamente importante, especifique-o na descrição das camadas ou na especificação do material, em vez de assumir que todas as folhas de cobre são equivalentes.

4. Lançamentos de RF, transições de vias, planos de referência e efeitos da superfície de cobre

O ponto de RF mais fraco geralmente é uma transição, e não uma trilha reta longa. Conectores, vias, mudanças de camada, pads de componentes, lançamentos de filtros e transições para módulos de RF introduzem descontinuidades.

4.1 Transições via precisam de um projeto de caminho de retorno

A via de sinal deve ser considerada juntamente com as vias de aterramento próximas, a geometria do antipad, as mudanças no plano de referência e o comprimento não utilizado do stub. Nosso guia de projeto de vias para PCB de RF aborda as variáveis ​​de fabricação por trás dessas transições. A perfuração reversa ou vias cegas podem reduzir os efeitos do stub quando o modelo do canal mostrar que a melhoria é necessária. Para a fabricação, os requisitos de profundidade controlada devem ser claramente definidos na tabela de furação.

4.2 Os lançamentos de conectores devem ser congelados com o Stackup

Conectores coaxiais ou de RF placa a placa possuem padrões de contato recomendados, mas o posicionamento ideal na placa de circuito impresso também depende da espessura do dielétrico e da geometria de referência. Modificações nos pads/antipads durante a fabricação aditiva podem alterar a perda de retorno. Pontos de contato críticos devem ser marcados como áreas que não devem ser modificadas, a menos que a engenharia aprove a alteração.

4.3 O acabamento da superfície faz parte da compensação entre RF e montagem

Os acabamentos ENIG, prata por imersão, OSP e outros apresentam diferentes implicações em termos de montagem, armazenamento, planaridade, contato e radiofrequência (RF). A melhor escolha depende da estrutura de RF exposta, dos requisitos de contato do conector, da montagem com passo fino, da vida útil e do processo do cliente. O guia de acabamento de superfície de PCB da Highleap pode ser usado para discutir essas compensações antes da liberação para fabricação.

5. HDI, Montagem BGA, Caminhos Térmicos do Amplificador de Potência e Blindagem

As small cells frequentemente combinam processadores de alta densidade, FPGAs/SoCs, transceptores de RF, amplificadores de potência, clock, memória e conversão de energia em um gabinete compacto. A Highleap oferece suporte à fabricação de PCBs de alta frequência/RF e HDI, fornecimento de componentes, montagem BGA/SMT, integração de blindagem, inspeção AOI/raios-X e testes funcionais ou de RF definidos pelo cliente, desde que um método e limites documentados sejam fornecidos. A PCB deve suportar tanto a alta densidade de roteamento quanto a dissipação de calor.

5.1 O HDI pode manter os caminhos de alta velocidade e de RF curtos.

Microvias, vias em pad, vias enterradas e estruturas de construção sequencial permitem uma alta densidade de conexões BGA e reduzem a necessidade de roteamento extenso em formato de osso. Esses recursos devem ser escolhidos com base no espaçamento entre os componentes e nos requisitos de canal. A fabricação de PCBs HDI da Highleap oferece suporte a projetos que exigem interconexões perfuradas a laser e roteamento compacto.

5.2 Os amplificadores de potência precisam de um caminho de dissipação de calor definido.

Dispositivos de potência de RF podem usar pads térmicos expostos, estruturas de cobre tipo moeda, matrizes de vias térmicas, dissipadores de calor ou interfaces diretas com o chassi. O gerenciamento térmico de placas de circuito impresso (PCBs) de RF e micro-ondas deve ser definido em conjunto com o invólucro e o caminho de resfriamento mecânico. O método mais eficaz depende da potência dissipada, do encapsulamento, da elevação de temperatura permitida e do projeto de resfriamento mecânico. A fabricação deve preservar o preenchimento/cobertura das vias e as estruturas de cobre exigidas pelo modelo térmico.

5.3 Sequência de Montagem das Alterações de Blindagem

Estruturas de blindagem de RF , capas, absorvedores, almofadas térmicas e dissipadores de calor mecânicos podem exigir uma ordem de montagem definida. O volume de pasta de blindagem, as almofadas de aterramento, a coplanaridade e o acesso para retrabalho devem ser considerados durante a Análise de Projeto e Fabricação (DFA). O processo de montagem BGA e SMT da Highleap pode incorporar essas etapas mecânicas e de soldagem específicas do projeto.

6. Inspeção e Teste: O que um fabricante de PCB pode verificar antes da qualificação de RF do sistema

Um plano de testes de fabricação deve verificar os atributos que a fábrica pode controlar e separá-los claramente da qualificação do sistema de rádio.

6.1 Controles de placa nua

As verificações relevantes podem incluir continuidade/isolamento elétrico, inspeção dimensional, cupons de impedância controlada, análise de microseção, verificação de revestimento, inspeção de máscara/acabamento de solda e documentação de material/lote, quando necessário. Cupons de teste de RF também podem ser usados ​​se o cliente fornecer a estrutura e o método de medição.

6.2 Controles de Montagem

A seleção das técnicas de inspeção por partículas (SPI), inspeção óptica automatizada (AOI) e raio-X depende do risco da embalagem. O raio-X é particularmente útil para junções de BGA/LGA/QFN e pads térmicos que não podem ser visualizadas diretamente. A inspeção da primeira peça permite verificar a identidade, orientação, posicionamento, componentes mecânicos e montagem da blindagem dos componentes antes da produção do lote completo.

6.3 Um fabricante de PCBs pode realizar a certificação de produtos 5G?

A inspeção de rotina de fabricação e montagem não constitui certificação 3GPP, de operadora, OTA ou regulatória. Uma fábrica de PCBA pode realizar testes de energização, programação, comunicação em rede, verificação de temporização, E/S digital e testes de RF conduzidos definidos pelo cliente , desde que haja acesso para testes, equipamentos calibrados, software, dispositivos de fixação e limites de aprovação/reprovação disponíveis. A conformidade com o 3GPP, a aceitação da operadora, o desempenho da antena OTA e a qualificação regulatória permanecem atividades separadas em nível de sistema.

7. Lista de verificação para solicitação de cotação (RFQ) de PCBs de células pequenas 5G para fabricação e montagem completa de PCBA.

Uma solicitação de cotação (RFQ) tecnicamente completa para small cells deve incluir:

• Dados Gerber/ODB++, arquivos de furação, desenho de fabricação e restrições do painel, se houver.
• Configuração completa com especificações exatas de laminado, espessura do pré-impregnado/núcleo, peso do cobre e perfil do cobre, onde for crítico.
• Contexto de aplicação FR1/FR2, bandas de operação reais e identificação de camadas/interfaces críticas de RF.
• Metas de impedância controlada, tolerâncias e requisitos de cupom
• Requisitos de perfuração traseira, via cega/enterrada, microvia, via em pad e preenchimento/cobertura
• Requisitos de acabamento superficial e de cobre RF exposto
• Lista de materiais (BOM) com componentes de RF, processadores, dispositivos de alimentação, clocks, conectores e alternativas aprovadas.
• Desenhos de montagem e posicionamento, detalhes de blindagem/dissipador de calor/interface térmica
• Procedimentos de programação, calibração, teste funcional e teste de radiofrequência
• Rastreabilidade de materiais, relatórios de inspeção e requisitos de controle de alterações para a produção.

Para novos hardwares de rádio, um protótipo controlado de PCB e uma montagem piloto de PCBA ajudam a correlacionar materiais, empilhamento de camadas, lançamentos de RF, projeto térmico e montagem com o desempenho medido do sistema antes do lançamento em grande escala. A Highleap Electronics pode analisar os dados de fabricação e fornecer orçamentos para fabricação de PCB, fornecimento de componentes, montagem e escopo de inspeção/teste definido para o projeto. Para considerações relacionadas à produção de placas de rádio, consulte nosso recurso sobre fabricação de PCB de RF para dispositivos 5G.