Die Einführung und Implementierung von 5G-Konnektivität ist in vollem Gange, da Mobilfunkbetreiber darum wetteifern, das erste Unternehmen mit einem 5G-Netzwerk zu sein. Ein wichtiger Faktor für 5G sind geringe Latenzzeiten, hohe Bandbreiten und eine hohe Zelldichte. Diese drei Funktionen erfordern von den Betreibern die Einführung neuer Technologien, die dichtere Antennen und Millimeterwellenfrequenzen in ihren Netzwerken unterstützen. Diese neuen Technologien werden als „5G-fähig“ oder „5G-kompatibel“ bezeichnet. In diesem Artikel wird erläutert, was eine Leiterplatte zu einer 5G-Leiterplatte macht, welche verschiedenen Methoden es für die Entwicklung einer 5G-Leiterplatte gibt, welche Auswirkungen dies für die Hersteller dieser Leiterplatten hat und wie Sie sich auf die Einführung der 5G-Leiterplattenfertigung vorbereiten können.
Was ist 5G-Technologie?
Die 5G-Technologie ist der Schlüssel für eine Vielzahl spannender neuer Produkte und Branchen, die gerade erst Gestalt annehmen. Von autonomen Fahrzeugen über das Internet der Dinge bis hin zu Netzwerken mit extrem geringer Latenz für Finanzen, Gesundheitswesen und andere kritische Infrastrukturen – die Möglichkeiten und Chancen sind vielfältig.
Zunächst einmal ist 5G kein Produkt. Es handelt sich nicht um eine einzelne Technologie oder ein einzelnes Produkt, das man in ein Regal stellen und dann anschließen kann, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Vielmehr ist 5G ein Gesamtkonzept, das sich auf eine Aufrüstung des Mobilfunkstandards bezieht, der die drahtlosen Netzwerke weltweit versorgt. Der Grund für die Aufrüstung ist einfach: Die drahtlosen Netzwerke werden immer stärker ausgelastet. Jedes Jahr kaufen sich immer mehr Menschen Smartphones und nutzen mobile Daten, um auf das Internet zuzugreifen. Das führt zu mehr Kunden für Mobilfunkanbieter, aber auch zu einer höheren Belastung ihrer Netze.
5G-Kommunikationsprotokolle
Einer der wichtigsten Faktoren, die die Implementierung von 5G beeinflussen werden, ist das Kommunikationsprotokoll. 5G wird auf einer Handvoll Kommunikationsprotokollen basieren – darunter auch New Radio (NR). NR ist der 5G-Standard, der die für 5G erforderlichen Eigenschaften wie geringe Latenz, hohe Bandbreite und hohe Zelldichte ermöglicht.
Weitere wichtige Kommunikationsprotokolle sind
:- SC-FDMA (Single-Carrier Frequency-Division Multiple Access)
– OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing)
– MIMO (Multiple-Input, Multiple-Output)
Diese Kommunikationsprotokolle nutzen höhere Frequenzen, die eine geringere Latenz, eine höhere Bandbreite und eine höhere Zelldichte ermöglichen. Außerdem nutzen sie Beamforming, um die Signale zu fokussieren. Dies ist eine wichtige Funktion für die Abdeckung in Innenräumen, sowohl in Geschäftsgebäuden als auch in Wohnhäusern.
Warum ist die 5G-Fertigung wichtig?
Hersteller kritischer Komponenten wie Leiterplatten müssen ihre Abläufe anpassen, um die für 5G verwendeten höheren Frequenzen zu unterstützen. Diese Frequenzen liegen weit außerhalb des für 4G- und sogar LTE-Netze verwendeten Bereichs. Typische LTE-Antennen arbeiten beispielsweise im 700-MHz-Bereich. Die ersten Standards für 5G sehen Frequenzen im Bereich von 28 GHz und 39 GHz vor. Das entspricht einer fast vierfachen Erhöhung der Frequenz. Erschwerend kommt hinzu, dass die 5G-Antennen viel kleiner sein werden als die typischen LTE-Antennen. Das bedeutet, dass sie weniger effizient sind und mehr Platz auf der Platine einnehmen. Und das bedeutet, dass auch die Komponenten auf den Platinen kleiner sein müssen.
Auswirkungen der 5G-Leiterplattenherstellung
Eine der Auswirkungen der 5G-Leiterplattenherstellung besteht darin, dass die Hersteller auf kürzere Leiterbahnen und kleinere Leiterbahnbreiten umstellen müssen. All dies dient dazu, die höheren Frequenzen und kleineren Antennen zu unterstützen. Erschwerend kommt hinzu, dass die kleineren Antennen weniger Toleranz im Herstellungsprozess der Leiterplatten zulassen.
Das bedeutet geringere Abweichungen von Leiterplatte zu Leiterplatte. Der Übergang zu niedrigeren Frequenzen hat jedoch mehrere Auswirkungen auf die Leiterplattenhersteller. Sie müssen ihre vorhandenen Anlagen umrüsten, um die höheren Frequenzen verarbeiten zu können. Noch wichtiger ist, dass die vorhandenen Anlagen möglicherweise nicht für den Übergang geeignet sind. Es ist fast sicher, dass einige der vorhandenen Anlagen nicht für den Übergang zur Unterstützung der 5G-Leiterplattenherstellung geeignet sein werden.
Wie entwirft man eine 5G-Leiterplatte?
Der erste Schritt beim Entwurf einer 5G-Leiterplatte besteht darin, die Betriebsfrequenz zu verstehen und zu wissen, wie sie sich auf das Layout der Leiterplatte auswirkt. Anschließend können Sie die geeigneten Regeln für den Leiterplattenentwurf auswählen. Wenn Sie beispielsweise eine Leiterplatte für Frequenzen von 28 GHz herstellen, sollten Sie die Parameter für den Entwurf von Millimeterwellen-Leiterplatten verwenden, um ein funktionierendes Design zu erhalten.
Der nächste Schritt ist die Auswahl der Übertragungsleitungstypen. 5G erfordert breitere Leiterbahnen, um die höheren Frequenzen zu unterstützen. Breite Leiterbahnen sind jedoch anfälliger für EMI. Daher sollten Sie Übertragungsleitungen mit niedrigerer Impedanz wie Mikrostreifen verwenden. Schließlich sollten Sie sicherstellen, dass Sie Materialien mit der geeigneten Impedanz und Dicke auswählen. Beispielsweise ist 6-mil-Kupfer die beste Wahl für die meisten 5G-Leiterplatten.
Grundlagen der Designregeln für Millimeterwellen-Leiterplatten
Bei der Entwicklung einer Leiterplatte (PCB) für ein Millimeterwellen-System (mmWave) sind einige grundlegende Designregeln zu beachten.
- Erstens müssen die Leiterbahnbreiten und der Abstand zwischen den Leiterbahnen viel kleiner sein als bei Systemen mit niedrigeren Frequenzen. Dies ist notwendig, um Signalabschwächungen und Reflexionen zu vermeiden.
- Zweitens muss die Dielektrizitätskonstante des PCB-Materials so niedrig wie möglich sein, um den Signalverlust zu minimieren.
- Schließlich sollte die Leiterplatte mit möglichst wenigen Schichten konstruiert werden, um das Risiko von Signalübersprechen zu verringern.
Herausforderungen bei der Herstellung von 5G-Leiterplatten
Die Entwicklung und Herstellung von 5G-Leiterplatten birgt mehrere Herausforderungen. Eine davon ist, dass die meisten Standard-Designtools keine 5G-Frequenzen unterstützen. 5G ist ein brandneuer Standard. Designer und Ingenieure, die mit 28 GHz und mehr arbeiten, entwickeln also buchstäblich eine neue Technologie. Das bedeutet, dass es nicht viele Standard-Designtools für die Entwicklung einer 5G-Leiterplatte geben wird.
Ingenieure müssen eine Kombination aus CAD-Tools (Computer-Aided Design), Simulationswerkzeugen und anderen Designtools verwenden. Eine weitere Herausforderung ist das hohe Rauschniveau bei höheren Frequenzen. Das bedeutet, dass Designer niederohmige Übertragungsleitungen wie Mikrostreifen verwenden müssen. Designer müssen jedoch auch vorsichtig mit durchkontaktierten Löchern und anderen hochdichten Komponenten umgehen.
