Comment la 5G va influencer le design de votre PCB ?

Le circuit imprimé, le cœur de chaque appareil électronique, est important non seulement parce qu'il permet la connexion électrique entre les composants, mais aussi parce qu'il transporte les signaux numériques et analogiques, les signaux haute fréquence de transmission des données et les lignes d'alimentation électrique. Avec l'arrivée de la technologie 5G, quelles seront les nouvelles exigences et pré-requis auxquels les PCBs devront répondre ? Comparée à la 4G, son déploiement imminent à grande échelle va contraindre les designers à repenser le design de leurs PCBs sur les mobiles, l'IoT, et même les appareils de télécommunications. Le réseau 5G promet d'atteindre une vitesse particulièrement élevée, avec une bande passante très importante et peu de latence : pour pouvoir supporter ces nouvelles fonctionnalités, la conception des cartes devra être minutieusement adaptée.

Les défis de la 5G

Comparé au réseau 4G, la cinquième génération de cette technologie offrira des taux de transmission dix à vingt fois plus élevés (jusqu'à 1 Gbps), une densité de traffic mille fois plus importante et dix fois plus de connexions par kilomètres carrés. La 5G vise à proposer une latence d’une milliseconde, soit dix fois plus rapide que celle de la 4G, grâce à son fonctionnement sur des gammes de fréquences bien plus larges. Les PCBs devront prendre en charge simultanément des débits de données et des fréquences supérieurs à ceux actuels, poussant la conception de signaux mixtes à ses retranchements. Tandis que les réseaux 4G fonctionnent avec des fréquences toutes inférieures au seuil de 6 GHz (de 600 MHz à 5.925 GHz), le réseau 5G va très nettement remonter cette limite, jusqu'à l'onde millimétrique (mmWave), avec une bande moyenne de 26 GHz, 30 GHz et 77 GHz. 

L'utilisation de la bande EHF (Extrêmement Haute Fréquence) est l'un des défis les plus difficiles que la 5G impose aux designers de PCB.  Les ondes millimétriques ne se propagent en visibilité directe et subissent une forte dégradation lorsqu'ils rencontrent sur leur chemin des bâtiments, plantations ou même de mauvaises conditions météorologiques comme la pluie ou l'humidité. C'est pour cela que davantage de stations de base pour supporter le réseau seront nécessaire. Pour prendre en charge un si grand nombre de fréquences, plusieurs antennes réseau à commande de phase seront également impératives pour permettre d'utiliser les fonctions avancées de la 5G, comme la formation de réseau. Un PCB qui intègre plusieurs AAU (Antenna Array Units) avec une utilisation de la technologie Massive MIMO sera obligatoire à la fois sur les appareils mobiles et sur les stations de base. L’image 1 montre le prototype d’un appareil 5G développé il y a quelques années par une entreprise leader dans le design de SoCs (Système sur une puce) et des modems. Trois antennes actives, d’une taille particulièrement compacte, capables de gérer les fréquences requises par les standards de la 5G sont clairement visibles sur le dessus et le côté droit du PCB. 

Image 1 : Un prototype d’appareil mobile 5G (Source : Qualcomm).

En plus de la fréquence, un autre défi important concerne la bande passante par canal. Alors qu’elle était fixée à 20 MHz (restreinte à 200 kHz pour les appareils IoT) pour un réseau 4G, sa valeur a été remontée pour la 5G à 100 MHz pour les fréquences sous 6 GHz et à 400 MHz au-dessus. Bien qu’il existe déjà sur le marché des modems et des composants RF capables de supporter ses spécificités, le choix des matériaux les plus adéquats sera fondamental lors du design du PCB. Puisque le module frontal RF sera intégré directement sur le PCB, des matériaux avec une faible perte de transmission diélectrique et une forte conductivité thermique seront requis. Pour les fréquences au-dessus de 6 GHz, les matériaux utilisés pour la fabrication des PCBs devront être adaptés au substrat spécifique de la bande de fréquence de l’onde millimétrique.

Conseils pour la conception de PCBs 5G

La conception d’un PCB pour les utilisations 5G est entièrement basée sur la gestion de signaux mixtes haute vitesse et haute fréquence.  
En plus des règles standards propres à la conception de PCBs utilisant des signaux haute fréquence, il est nécessaire de choisir le matériel approprié pour éviter les pertes de puissance et garantir l’intégrité du signal. Les EMI (interférences électromagnétiques), qui peuvent en plus survenir entre les parties de la carte qui gèrent les signaux analogiques et celles qui traitent les signaux numériques, doivent être évités pour répondre aux exigences FCC EMC. Les deux paramètres qui guident les choix du matériau sont la conductivité thermique et le coefficient thermique de constante diélectrique, qui décrit les changements de constante diélectrique (généralement en ppm/°C). Un substrat utilisant une haute conductivité thermique est évidemment préférable, puisqu’il est capable de dissiper la chaleur produite par les composants. Le coefficient thermique de constante diélectrique est un paramètre tout aussi important, car sa variation peut générer des dispersions, qui, à leur tour, peuvent étirer les impulsions numériques, modifier la vitesse de propagation du signal et, dans certains cas, produire des réflexions le long d’une ligne de transmission.

La géométrie du PCB joue également un rôle fondamental, quand elle désigne l’épaisseur des couches et les caractéristiques de la ligne de transmission. 
Concernant le premier point, il est nécessaire de choisir une épaisseur de stratifié généralement située entre ¼ et 1/8 de la longueur d’onde de la fréquence de fonctionnement la plus élevée. Si le stratifié est trop fin, il peut se mettre à résonner et même à propager les ondes sur les conducteurs.
Concernant les lignes de transmission, il est nécessaire de décider du type de conducteur à utiliser : microrubans (Microstrips), triplaques (Stripline) ou guides d’ondes coplanaires (Grounded Coplanar Waveguide (GCPW)). Les microrubans sont probablement les plus familiers, mais ils rencontrent des problèmes avec des bruits rayonnés et des ondes parasitaires dans les propagations au-dessus de 30 GHz. Les triplaques sont une solution valable, également, mais elles peuvent être difficiles à fabriquer et sont de ce fait onéreuses. Des microvias doivent aussi être utilisés pour les connecter sur les couches externes. Les GCPWs sont d’excellents choix, mais offrent des pertes de conductivité plus importantes que les microrubans et les triplaques.

Après avoir sélectionné le matériau du substrat, les concepteurs devraient suivre les règles communes applicables à la conception de circuit imprimé de haute fréquence : utiliser les pistes les plus courtes possibles et vérifier à la fois la largeur et la distance entre celles-ci afin de maintenir l’impédance le long de toutes les interconnexions. Voici quelques recommandations, ou conseils, utiles pour la conception d’un PCB pour les applications 5G : 

• Choisir des matériaux avec une constante diélectrique basse (Dk) : puisque les pertes Dk augmentent proportionnellement avec la fréquence, il est nécessaire de sélectionner des matériaux avec les constantes diélectriques les plus basses possibles ;
• Utiliser peu de vernis épargne : la plupart des vernis ont une grande capacité d’absorption d’humidité. Si cela arrive, des pertes importantes peuvent se produire dans le circuit ;
• Utiliser des pistes en cuivre et des plans parfaitement lisses : la portée du courant est, en fait, inversement proportionnelle à la fréquence. De ce fait, sur un PCB avec un signal haute fréquence, elle est très courte. Une surface de cuivre irrégulière va forcer le courant à suivre un chemin irrégulier, augmentant ainsi les pertes de résistance ;
• L’intégrité du signal : les hautes fréquences représentent l’un des défis les plus importants du concepteur de PCB. Pour maximiser l’I/O, l’interconnexion haute densité (HDI) demande des pistes plus fines, un facteur pouvant dégrader le signal entraînant des pertes plus importantes. Celles-ci nuisent à la transmission du signal RF qui peut être retardé de plusieurs millisecondes et entraîner des problèmes dans la chaîne de transmission. Dans les applications à haute fréquence, l’intégrité du signal est aussi entièrement basée sur le contrôle d'impédance. Les process de fabrication traditionnels de PCB, comme le processus soustractif, ont pour désavantage de créer des pistes avec une section transversale trapézoïdale (l’angle, comparé à la perpendiculaire verticale de la piste, est normalement compris entre 25 et 45 degrés). Ces sections transversales modifient l’impédance, fixant de sérieuses limites aux applications 5G. Ce problème peut être malgré tout corrigé en utilisant la technique mSAP (un process de fabrication semi-additif modifié), qui permet une grande précision des tracés géométriques définis grâce à la photolithographie. Dans l’image 2, vous pourrez voir une comparaison de ces deux techniques de fabrication. 

Image 2 : Soustractif conventionnel vs process mSAP.

• Inspection automatique : les PCBs pour des applications haute fréquence doivent être sujets à des contrôles automatiques, à la fois optique (AOI) ou réalisés via ATE. Ces procédures permettent d’améliorer grandement la qualité du produit, mettant en avant les erreurs possibles ou les inefficacités du circuit. Les progrès récents réalisés dans le domaine de l’inspection et des tests automatiques des PCBs ont permis de gagner significativement du temps et de réduire les coûts associés à la vérification et au contrôle manuel. L’utilisation de nouvelles inspections automatisées va permettre de surmonter les défis de la 5G, comprenant le contrôle d’impédance des systèmes de haute fréquence. L’augmentation de l’adoption de ces méthodes va permettre une performance consistante avec des taux de production élevés.