PCB et Unité Distribuée (DU) 5G : ce que couvre ce guide (et à qui il s'adresse)

Ce guide est conçu pour les ingénieurs hardware, les chefs de programme techniques et les responsables des achats chargés de l'approvisionnement en PCB DU 5G (cartes de circuits imprimés d'unité distribuée) haute performance. L'architecture 5G divise l'unité de bande de base traditionnelle en Unité Centralisée (CU) et Unité Distribuée (DU). La DU gère le traitement en temps réel des couches 1 et 2, exigeant des performances de niveau serveur, un contrôle précis de l'impédance et une gestion thermique exceptionnelle.

Dans ce guide, nous allons au-delà des définitions de base pour nous concentrer sur l'exécution d'une fabrication réussie. Vous y trouverez des exigences techniques spécifiques à inclure dans vos plans de fabrication, une analyse des risques de fabrication cachés qui entraînent des défaillances sur le terrain, et un plan de validation rigoureux. Nous fournissons également une liste de contrôle prête à l'emploi pour auditer les fournisseurs potentiels, garantissant qu'ils ont la capacité de gérer des conceptions numériques multicouches et à haute vitesse.

Chez APTPCB (APTPCB PCB Factory), nous comprenons que la transition du prototype à la production de masse pour l'infrastructure 5G nécessite plus que de simples capacités de fabrication standard ; elle exige un partenariat basé sur la transparence et le support technique. Ce guide vise à vous doter des connaissances nécessaires pour évaluer précisément les devis et atténuer les risques avant qu'ils n'impactent votre calendrier de déploiement.

Quand le PCB et Unité Distribuée (DU) 5G est la bonne approche (et quand il ne l'est pas)

Comprendre où l'Unité Distribuée (DU) s'insère dans le Réseau d'Accès Radio (RAN) est essentiel pour définir les spécifications correctes du PCB. Le PCB de la DU 5G est la salle des machines du site cellulaire, se situant entre le PCB AAU 5G (Active Antenna Unit) et l'Unité Centralisée (CU).

Cette approche est pertinente lorsque :

• Le traitement en temps réel est critique : Votre système nécessite un traitement à latence ultra-faible des signaux de bande de base. La DU gère des fonctions critiques en temps réel comme la Transformée de Fourier Rapide (FFT) et les calculs de poids de formation de faisceau.
• Des interfaces haute vitesse sont utilisées : Vous utilisez des protocoles eCPRI (enhanced Common Public Radio Interface) qui exigent des débits de données de 25 Gbit/s ou plus. Cela nécessite des matériaux avancés et un backdrilling pour minimiser la réflexion du signal.
• La densité thermique est élevée : La carte doit supporter des FPGA ou des ASIC haute performance qui génèrent une chaleur significative, nécessitant des solutions de refroidissement avancées comme l'intégration de pièces (coin embedding) ou le cuivre épais.
• La scalabilité est requise : Vous déployez une architecture vRAN (RAN virtualisée) ou O-RAN (Open RAN) où le matériel de la DU doit être standardisé tout en étant suffisamment flexible pour gérer les mises à jour logicielles.

Cette approche pourrait ne pas être pertinente lorsque :

• Architecture héritée : Si vous maintenez un réseau 4G LTE traditionnel où les fonctions du PCB BBU 5G sont combinées dans un seul boîtier, une carte DU spécialisée pourrait être sur-conçue.
• Petites cellules à faible consommation : Pour les femtocellules ou picocellules intérieures, la puissance de traitement d'une DU macro complète est inutile. Une carte basée sur SoC hautement intégrée est souvent plus rentable.
• Applications RF pures : Si votre besoin principal est strictement le conditionnement du signal RF (par exemple, un PCB atténuateur 5G ou un PCB balun 5G autonome), une carte numérique multicouche complexe n'est pas le bon facteur de forme.

Exigences à définir avant de demander un devis

Pour obtenir un devis précis et une carte fabricable, vous devez définir des paramètres spécifiques. Des demandes vagues comme "matériau haute vitesse" entraînent des retards et des variations de coûts.

• Matériau de base et valeurs Dk/Df : Spécifiez la série exacte de stratifié ou son équivalent. Pour les DU 5G, des matériaux comme Panasonic Megtron 6/7 ou Isola Tachyon sont standard. Définissez la Constante Diélectrique (Dk) et le Facteur de Dissipation (Df) à 10 GHz (par exemple, Df < 0,004).
• Empilement des couches et impédance : Définissez clairement le nombre de couches (souvent 12 à 24 couches pour les DU). Énumérez les exigences d'impédance pour les paires asymétriques (50Ω) et différentielles (85Ω ou 100Ω) avec une tolérance de ±5% ou ±7%.
• Poids du cuivre et placage : Spécifiez les poids du cuivre des couches internes et externes (par exemple, 1oz interne, 0,5oz + placage externe). Définissez l'épaisseur du placage pour les vias, typiquement les exigences de Classe 3 (moyenne 25µm) pour assurer la fiabilité sous cycles thermiques.
• Spécifications de défonçage (Backdrilling): Identifier les stubs de vias haute vitesse qui doivent être retirés. Spécifier la tolérance de profondeur du défonçage (généralement ±0,15 mm) et la distance "à ne pas couper" par rapport à la couche cible pour préserver l'intégrité du signal.
• Finition de Surface: Le Nickel Chimique Immersion Or (ENIG) ou l'Argent Immersion sont préférés pour la planéité sur les BGA à pas fin. Éviter le HASL pour les applications haute fréquence en raison des surfaces inégales.
• Types de Vias et Rapport d'Aspect: Définir les vias borgnes, enterrés et traversants. S'assurer que le rapport d'aspect (épaisseur de la carte vs. diamètre de perçage) reste dans les limites de fabrication (par exemple, 10:1 pour standard, plus élevé pour avancé).
• Gestion Thermique: Si l'unité de distribution (DU) traite des charges élevées, spécifier les exigences pour les vias thermiques, les inserts en cuivre (copper coins) ou les fixations à âme métallique. Définir la conductivité thermique requise pour le diélectrique si la dissipation de chaleur est une préoccupation majeure.
• Tolérances Dimensionnelles: Les PCB des DU 5G s'intègrent souvent dans des châssis compacts. Définir strictement les tolérances de contour (±0,10 mm) et les emplacements des trous de montage.
• Propreté et Contamination Ionique: Spécifier la contamination ionique maximale admissible (par exemple, < 1,56 µg/cm² équivalent NaCl) pour prévenir la migration électrochimique, qui est un risque dans les armoires de télécommunication extérieures.
• Masque de Soudure et Légende: Utiliser un masque de soudure LDI (Laser Direct Imaging) haute résolution pour les composants à pas fin (BGA au pas de 0,4 mm). S'assurer que la taille du barrage entre les pastilles est suffisante pour éviter les ponts de soudure.
• Classe IPC : Indiquer explicitement IPC-6012 Classe 2 ou Classe 3. Pour les infrastructures de télécommunication, la Classe 3 est souvent recommandée pour la durabilité et le service ininterrompu.
• Formats de données : Exiger ODB++ ou IPC-2581 pour le transfert de données. Ces formats contiennent des données intelligentes concernant l'empilement et les netlists, réduisant les erreurs d'interprétation par rapport aux Gerbers standard.

Les risques cachés qui entravent la montée en puissance

Le passage d'un prototype à la production en volume introduit des risques qui ne sont pas toujours apparents lors de la phase de conception. Les identifier tôt permet d'éviter des rappels coûteux.

• Croissance du CAF (Filament Anodique Conducteur) :
  • Pourquoi : Des gradients de tension élevés entre des vias rapprochés dans des environnements humides provoquent la croissance de filaments de cuivre le long des fibres de verre, créant des courts-circuits.
  • Détection : Tests THB (Température-Humidité-Biais).
  • Prévention : Utiliser des matériaux résistants au CAF (verre étalé) et assurer un espacement paroi à paroi suffisant.
• Discontinuité d'impédance aux transitions de couche :
  • Pourquoi : Une conception de via inappropriée ou le manque de vias de raccordement à la masse lorsque les signaux changent de couche provoque des réflexions.
  • Détection : Tests TDR (Time Domain Reflectometry) sur des coupons et des cartes réelles.
  • Prévention : simulation rigoureuse des transitions de via et spécification du déforage.
• Cratering des pastilles :
  • Pourquoi : Les matériaux stratifiés fragiles se fracturent sous les pastilles BGA lors de contraintes mécaniques ou de chocs thermiques.
• Détection : Tests de teinture et de décollement ou analyse en coupe transversale après des tests de chute.
• Prévention : Utiliser des stratifiés renforcés de résine et éviter de placer des vias directement dans les pastilles BGA, sauf s'ils sont remplis et bouchés.
• Vides de placage dans les vias à rapport d'aspect élevé :
  • Pourquoi : La solution de placage ne circule pas efficacement dans les trous profonds et étroits, ce qui entraîne des circuits ouverts.
  • Détection : Analyse en microsection et tests de continuité électrique.
  • Prévention : Respecter les directives de rapport d'aspect et utiliser la technologie de placage pulsé.
• Déformation pendant le refusion :
  • Pourquoi : Une distribution asymétrique du cuivre ou des empilements déséquilibrés provoquent la déformation de la carte pendant l'assemblage, entraînant des joints BGA ouverts.
  • Détection : Mesure Shadow Moiré pendant le profilage thermique.
  • Prévention : Équilibrer la couverture de cuivre sur les couches opposées et utiliser des matériaux à Tg (température de transition vitreuse) élevée.
• Déséquilibre de signal dans les paires différentielles :
  • Pourquoi : L'effet de tissage des fibres (faisceaux de verre vs. espaces de résine) fait qu'une branche d'une paire différentielle se déplace plus rapidement que l'autre.
  • Détection : Analyse du diagramme de l'œil et tests de perte d'insertion.
  • Prévention : Utiliser un routage "en zig-zag" (rotation de 10 degrés) ou des tissus de verre étalés.
• Manque de résine :
  • Pourquoi : Un poids de cuivre élevé sur les couches internes nécessite plus de résine pour combler les lacunes ; un préimprégné insuffisant entraîne des vides (délaminage).
  • Détection : Balayage ultrasonique (C-SAM) ou coupe transversale.
• Prévention : Calculer soigneusement la teneur en résine et choisir des préimprégnés à haut débit pour les couches de cuivre épaisses.
• Erreurs d'enregistrement du masque de soudure :
  • Pourquoi : Le mouvement du matériau pendant la stratification provoque un désalignement, exposant le cuivre qui devrait être couvert ou couvrant les pastilles.
  • Détection : Inspection visuelle et AOI (Inspection Optique Automatisée).
  • Prévention : Utiliser le LDI (Imagerie Directe Laser) et des facteurs d'échelle basés sur les données de mouvement du matériau.
• Absorption d'humidité :
  • Pourquoi : Certains matériaux haute vitesse absorbent l'humidité, altérant le Dk/Df et provoquant une délamination pendant le refusion ("popcorning").
  • Détection : Mesure du gain de poids après exposition à l'humidité.
  • Prévention : Cuire les cartes avant l'assemblage et les stocker dans des sacs scellés sous vide avec un dessiccant.
• Déséquilibre de la chaîne d'approvisionnement des composants :
  • Pourquoi : Concevoir pour une empreinte ou un connecteur spécifique de PCB ADC 5G qui devient obsolète ou a des délais de livraison longs.
  • Détection : Nettoyage de la BOM (Nomenclature) et analyse du cycle de vie.
  • Prévention : Valider la disponibilité des composants avant de finaliser la conception du PCB.

Plan de validation (quoi tester, quand et ce que signifie « réussi »)

Un plan de validation robuste garantit que le PCB 5G DU répond aux normes de performance et de fiabilité avant le déploiement.

• Vérification de l'impédance (TDR) :
  • Objectif : Confirmer que l'impédance de la piste correspond à la conception (50Ω/85Ω/100Ω).
• Méthode: Réflectométrie dans le domaine temporel sur des coupons de test et des réseaux in-situ sélectionnés.
• Critères: Dans les limites de ±5% ou ±10% de la valeur cible.
• Intégrité du signal (Perte d'insertion):
  • Objectif: Vérifier que la perte de signal par pouce est conforme aux spécifications du matériau.
  • Méthode: Mesure VNA (Analyseur de Réseau Vectoriel) jusqu'à 25GHz+.
  • Critères: Perte < X dB/pouce à la fréquence de Nyquist (spécifique à la conception).
• Contrainte thermique (Flottation à la soudure):
  • Objectif: Tester la résistance à la délamination pendant le brasage.
  • Méthode: Faire flotter l'échantillon dans un pot de soudure à 288°C pendant 10 secondes (IPC-TM-650).
  • Critères: Pas de cloques, de délamination ou de pastilles soulevées.
• Test de stress d'interconnexion (IST):
  • Objectif: Évaluer la fiabilité des vias sous cyclage thermique.
  • Méthode: Faire cycler les coupons entre la température ambiante et 150°C pendant plus de 500 cycles.
  • Critères: Changement de résistance < 10%.
• Test de contamination ionique:
  • Objectif: Assurer la propreté de la carte.
  • Méthode: Test ROSE (Résistivité de l'Extrait de Solvant).
  • Critères: < 1,56 µg/cm² équivalent NaCl.
• Analyse en coupe transversale (Microsection):
  • Objectif: Vérifier l'épaisseur du placage, l'alignement des couches et l'épaisseur du diélectrique.
  • Méthode: Couper, polir et observer au microscope.
  • Critères: Conforme aux spécifications IPC-6012 Classe 3 (par ex., placage enveloppant min 20µm).
• Test de soudabilité:
  • Objectif: S'assurer que les pastilles acceptent correctement la soudure.
• Méthode: Test d'immersion et d'observation ou test d'équilibre de mouillage.
• Critères: > 95% de couverture de la surface.
• Test de Résistance au Décollement:
  • Objectif: Vérifier l'adhérence du cuivre au stratifié.
  • Méthode: Tirer la bande de cuivre à 90 degrés.
  • Critères: > 0.8 N/mm (ou selon les spécifications du matériau).
• Tension de Tenue Diélectrique (Hi-Pot):
  • Objectif: Vérifier la rupture d'isolement entre les réseaux.
  • Méthode: Appliquer une haute tension (ex. 1000VDC) entre les réseaux isolés.
  • Critères: Pas de courant de fuite > limite spécifiée (ex. 1mA).
• Vérification Dimensionnelle:
  • Objectif: Confirmer la taille physique et l'emplacement des trous.
  • Méthode: MMT (Machine à Mesurer Tridimensionnelle).
  • Critères: Toutes les dimensions dans les tolérances (typiquement ±0.1mm).

Liste de contrôle du fournisseur (RFQ + questions d'audit)

Utilisez cette liste de contrôle pour évaluer les fournisseurs. Un "oui" ne suffit pas ; demandez des données ou des exemples.

Entrées RFQ (Ce que vous fournissez)

• Fichiers Gerber complets (RS-274X) ou ODB++.
• Plan de fabrication avec empilement, tableau de perçage et notes.
• Netlist (IPC-356) pour la comparaison des tests électriques.
• Spécifications des matériaux (marque, série, Tg, Dk, Df).
• Exigences d'impédance et couches diélectriques contrôlées.
• Exigences de finition de surface et d'épaisseur de placage.
• Exigences de panelisation (dessin d'assemblage).
• Projections de volume (EAU) et tailles de lots.
• Exigences spéciales (contre-perçage, via-in-pad, placage des bords).
• Norme de qualité (IPC Classe 2 ou 3).

Preuve de capacité (Ce qu'ils doivent démontrer)

• Expérience avec les matériaux haute vitesse (Megtron, Rogers).
• Capacité de contre-perçage avec contrôle de profondeur < ±0.15mm.
• Capacité maximale de nombre de couches (doit dépasser votre conception).
• Capacité de rapport d'aspect pour le placage (par ex., 12:1 ou plus).
• Capacité LDI (Imagerie Directe Laser) pour les lignes/espaces fins.
• Inspection optique automatisée (AOI) pour les couches internes.
• Précision du contrôle d'impédance (données Cpk prouvées).
• Gestion des empilements de matériaux mixtes (constructions hybrides).

Système Qualité & Traçabilité

• Certification ISO 9001 et de préférence TL 9000 (télécom).
• Certification UL pour la combinaison empilement/matériau spécifique.
• Système de traçabilité des matériaux (suivi du code de lot).
• Laboratoire interne pour les microsections et les tests de fiabilité.
• Registres d'étalonnage pour les équipements TDR et VNA.
• Processus de gestion des matériaux non conformes (MRB).
• Format de rapport d'inspection du premier article (FAI).
• Mise en œuvre du SPC (Contrôle Statistique des Procédés) sur les processus clés.

Contrôle des changements et livraison

• Politique PCN (Notification de Changement de Processus) – informent-ils avant de changer les matériaux ?
• Processus de révision DFM (Design for Manufacturing) et boucle de rétroaction.
• Planification de la capacité – peuvent-ils gérer votre montée en puissance ?
• Normes d'emballage (scellé sous vide, cartes indicatrices d'humidité).
• Plan de reprise après sinistre (capacité multi-sites).
• Historique de la cohérence des délais de livraison.

Guide de décision (compromis que vous pouvez réellement choisir)

Chaque décision d'ingénierie implique un compromis. Voici comment gérer les compromis courants pour les PCB DU 5G.

• Coût du Matériau vs. Intégrité du Signal :
  • Compromis : Les matériaux à très faible perte (par exemple, Megtron 7) sont coûteux.
  • Conseil : Si vos longueurs de trace sont courtes (< 5 pouces) et que les vitesses sont modérées (< 10 Gbit/s), un FR4 standard à Tg élevé ou un matériau à perte moyenne pourrait suffire. Pour les longues distances et 25 Gbit/s+, privilégiez le matériau avancé pour éviter la dégradation du signal.
• Défonçage (Backdrilling) vs. Vias Aveugles/Enfouis :
  • Compromis : Le défonçage est moins cher que la lamination séquentielle (HDI) mais laisse un petit tronçon (stub).
  • Conseil : Si vous pouvez tolérer un petit tronçon (0,2 mm), choisissez le défonçage pour réduire les coûts. Si la densité est extrême et que les tronçons doivent être nuls, choisissez le HDI avec des vias aveugles/enfouis.
• Finition de Surface : ENIG vs. Argent par Immersion :
  • Compromis : L'ENIG est robuste mais peut présenter des problèmes de "black pad" ; l'Argent par Immersion est excellent pour la RF mais se ternit facilement.
  • Conseil : Pour les cartes DU numériques générales, l'ENIG est plus sûr pour la durée de conservation. Pour les cartes avec des sections analogiques RF importantes ou l'intégration de PCB Balun 5G, l'Argent par Immersion offre de meilleures performances d'effet de peau.
• Rugosité du Cuivre : Standard vs. HVLP (Hyper Very Low Profile) :
• Compromis: Le cuivre plus lisse réduit la perte du conducteur mais a une force de pelage (adhérence) plus faible.
• Conseil: Privilégiez le cuivre HVLP pour les couches haute fréquence (> 10GHz). Utilisez un profil standard pour les plans d'alimentation/masse afin d'assurer la fiabilité mécanique.
• Empilement: Symétrique vs. Asymétrique:
  • Compromis: Les empilements asymétriques peuvent répondre à des besoins d'impédance spécifiques mais se déforment facilement.
  • Conseil: Privilégiez toujours la symétrie pour éviter le gauchissement pendant le refusion. Résolvez les problèmes d'impédance en ajustant plutôt la largeur de la piste ou l'épaisseur du diélectrique.
• Via-in-Pad vs. Fanout en os de chien:
  • Compromis: Le Via-in-pad économise de l'espace mais nécessite un bouchage (POFV), ce qui ajoute des coûts.
  • Conseil: Si vous utilisez des BGA avec un pas de 0,5 mm ou plus serré, le Via-in-Pad est obligatoire. Pour un pas de 0,8 mm, le fanout en os de chien est moins cher et plus fiable.

FAQ

Q: Quelle est la différence entre une carte PCB 5G DU et une carte PCB 5G CU? R: La DU (Distributed Unit) gère le traitement en temps réel et sensible à la latence et est située plus près de l'antenne. La CU (Centralized Unit) gère les protocoles de couche supérieure non en temps réel et peut être située plus loin dans un centre de données.

Q: Puis-je utiliser du FR4 standard pour les cartes PCB 5G DU? R: Généralement, non. Le FR4 standard présente une perte de signal trop importante pour les interfaces haute vitesse (eCPRI) utilisées en 5G. Vous avez besoin de matériaux "High-Tg, Low-Loss" ou "Ultra-Low-Loss".

Q: Pourquoi le défonçage est-il essentiel pour les cartes 5G DU? R: Le défonçage (backdrilling) élimine la partie inutilisée d'un trou traversant plaqué (stub de via). Aux fréquences 5G, ces stubs agissent comme des antennes, provoquant des réflexions de signal et des résonances qui corrompent les données.

Q: Comment gérer la chaleur dans un PCB DU haute densité ? R: Utilisez des plans de cuivre épais (2oz+), des réseaux de vias thermiques sous les composants chauds, et potentiellement des pièces de cuivre intégrées. Le choix d'un stratifié à haute conductivité thermique aide également.

Q: Quel est le nombre typique de couches pour un PCB DU ? R: La plupart des cartes DU 5G ont entre 12 et 24 couches. Cela permet le routage complexe des paires différentielles haute vitesse et de multiples domaines d'alimentation.

Q: Comment l'"effet de tissage de la fibre" impacte-t-il les PCB 5G ? R: Le tissage de verre dans le matériau du PCB peut provoquer des décalages temporels si une trace d'une paire différentielle passe sur le verre et l'autre sur la résine. L'utilisation de "verre étalé" (spread glass) ou la rotation de la conception aide à atténuer ce problème.

Q: Dois-je tester chaque carte pour l'impédance ? R: Pas habituellement. L'impédance est généralement vérifiée sur des coupons de test ajoutés au panneau de production. Cependant, pour les séries critiques, vous pouvez demander des tests TDR sur un pourcentage des cartes réelles.

Q: Quel est le risque d'utiliser des empilements "hybrides" (mélange de matériaux) ? R: Le risque principal est le gauchissement et le délaminage dus à des coefficients de dilatation thermique (CTE) différents. Les fournisseurs doivent avoir de l'expérience avec la combinaison de matériaux spécifique pour gérer le cycle de laminage.

Pages et outils associés

• Fabrication de PCB haute vitesse – Comprenez les techniques de fabrication spécifiques requises pour l'intégrité du signal dans les cartes DU.
• Matériaux PCB Megtron – Explorez les propriétés du Panasonic Megtron, la norme industrielle pour l'infrastructure 5G.
• Conception de l'empilement de PCB – Apprenez à équilibrer le nombre de couches et la sélection des matériaux pour un contrôle optimal de l'impédance.
• PCB pour serveurs et centres de données – Étant donné que les DU sont essentiellement des serveurs spécialisés, ces normes et capacités s'appliquent directement.
• Capacités de PCB HDI – Passez en revue les technologies de microvias et d'interconnexions haute densité nécessaires pour les fanouts BGA complexes.

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Prêt à valider votre conception ? Chez APTPCB, nous fournissons une revue DFM complète avec votre devis pour identifier les problèmes d'empilement et d'impédance avant qu'ils ne deviennent des défauts de fabrication.

Pour obtenir un devis précis et un DFM, veuillez fournir :

• Fichiers Gerber : Format RS-274X ou ODB++.
• Dessin de fabrication : Incluant l'empilement, le tableau de perçage et les spécifications des matériaux.
• Quantité : Volumes de prototypes et de production estimés.
• Exigences spéciales : Indiquez tout backdrilling, contrôle d'impédance ou exigences spécifiques de classe IPC.

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Conclusion

L'approvisionnement d'un PCB 5G DU est un exercice d'équilibre entre les performances électriques à haute vitesse, la gestion thermique et la fabricabilité. En définissant des exigences claires pour les matériaux et les empilements, en comprenant les risques cachés de l'intégrité du signal et de la fiabilité, et en validant rigoureusement les capacités de votre fournisseur, vous pouvez assurer un déploiement en douceur. Ce guide sert de feuille de route pour naviguer dans ces complexités, garantissant que votre infrastructure répond aux normes exigeantes des réseaux 5G modernes.

Related links

• Fabrication de PCB haute vitesse
• Matériaux PCB Megtron
• Conception de l'empilement de PCB
• PCB pour serveurs et centres de données
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