Wie wird das 5G-Netz das Design Ihrer Leiterplatten beeinflussen?

Die Leiterplatte, das Herzstück jedes elektronischen Geräts, ist nicht nur deshalb wichtig, weil sie die elektrische Verbindung zwischen den Komponenten herstellt, sondern auch, weil sie digitale und analoge Signale, hochfrequente Datenübertragungssignale und Stromversorgungsleitungen überträgt. Welche neuen Anforderungen und Voraussetzungen müssen PCBs mit dem Aufkommen der 5G-Technologie erfüllen? Im Vergleich zur 4G wird deren bevorstehender großflächiger Einsatz die Designer zwingen, das Design Ihrer PCBs für Mobiltelefone, IoT und sogar Telekommunikationsgeräte zu überdenken. Das 5G-Netz verspricht eine besonders hohe Geschwindigkeit mit sehr hoher Bandbreite und niedriger Latenz: Um diese neuen Funktionen zu unterstützen, muss das Board-Design sorgfältig angepasst werden.

Die Herausforderungen vom 5G-Netz

Im Vergleich zum 4G-Netz wird die fünfte Generation dieser Technologie zehn- bis zwanzigmal höhere Übertragungsraten (bis zu 1 Gbps), eine tausendmal höhere Verkehrsdichte und zehnmal mehr Verbindungen pro Quadratkilometer bieten. Die 5G-Technologie zielt darauf ab, eine Latenzzeit von einer Millisekunde zu bieten, zehnmal schneller als die 4G, dank seines Einsatzes in wesentlich breiteren Frequenzbereichen. PCBs werden gleichzeitig höhere Datenraten und Frequenzen unterstützen müssen als heutige Designs, wodurch das Mixed-Signal-Design an seine Grenzen stößt. Während 4G-Netze mit Frequenzen arbeiten, die alle unterhalb der 6-GHz-Schwelle liegen (von 600 MHz bis 5.925 GHz), wird das 5G-Netz diese Grenze deutlich anheben, bis hinunter zur Millimeterwelle (mmWave), mit einem Durchschnittsband von 26 GHz, 30 GHz und 77 GHz.

Die Nutzung des EHF-Bandes (Extremely High Frequency) ist eine der schwierigsten Herausforderungen, die die 5G-Technologie für PCB-Designer darstellt. Millimeterwellen breiten sich nur in Sichtlinie aus und erleiden starke Beeinträchtigungen, wenn sie auf Gebäude, Plantagen oder sogar schlechte Wetterbedingungen wie Regen oder Feuchtigkeit treffen. Deshalb werden mehr Basisstationen zur Unterstützung des Netzes benötigt. Um eine so große Anzahl von Frequenzen zu unterstützen, werden auch mehrere Phased-Array-Antennen erforderlich sein, um die erweiterten Funktionen von der 5G-Technologie, wie z.B. die Vernetzung, zu ermöglichen. Eine Leiterplatte, die mehrere AAUs (Antenna Array Units) mit dem Einsatz der Massive MIMO-Technologie integriert, wird sowohl für mobile Geräte als auch für Basisstationen obligatorisch sein. Bild 1 zeigt den Prototyp eines 5G-Geräts, das vor einigen Jahren von einem führenden Unternehmen im Design von SoCs (System on a Chip) und Modems entwickelt wurde. Drei aktive Antennen von besonders kompakter Größe, die in der Lage sind, die von den 5G-Normen geforderten Frequenzen zu verarbeiten, sind auf der Ober- und der rechten Seite der Leiterplatte deutlich sichtbar.

Bild 1: Ein Prototyp eines mobilen 5G-Geräts (Quelle: Qualcomm).

Neben der Frequenz stellt ebenfalls die Bandbreite pro Kanal eine weitere wichtige Herausforderung dar. Während er für ein 4G-Netz auf 20 MHz festgelegt wurde (beschränkt auf 200 kHz für IoT-Geräte), wurde der Wert für 5G auf 100 MHz für Frequenzen unter 6 GHz und auf 400 MHz darüber erhöht. Obwohl es bereits Modems und HF-Komponenten auf dem Markt gibt, die diese Besonderheiten unterstützen können, wird die Wahl der am besten geeigneten Materialien beim Entwurf der Leiterplatte von grundlegender Bedeutung sein. Da das HF-Frontend-Modul direkt auf der Leiterplatte integriert wird, werden Materialien mit geringem dielektrischem Transmissionsverlust und hoher Wärmeleitfähigkeit benötigt. Für Frequenzen über 6 GHz müssen, die zur Herstellung der Leiterplatten verwendeten Materialien an das spezifische Substrat des Millimeterwellen-Frequenzbandes angepasst werden.

Tipps für das Design von 5G-Leiterplatten

Das Design einer Leiterplatte für 5G-Anwendungen basiert vollständig auf der Handhabung von gemischten Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzsignalen.

Zusätzlich zu den Standardregeln, die speziell für das Design von Leiterplatten mit Hochfrequenzsignalen gelten, ist es notwendig, die geeignete Hardware zu wählen, um Leistungsverluste zu vermeiden und die Signalintegrität zu gewährleisten. EMI (elektromagnetische Interferenz), die zusätzlich zwischen den Teilen der Platine, die analoge Signale verarbeiten, und denen, die digitale Signale verarbeiten, auftreten kann, muss vermieden werden, um die EMV-Anforderungen der FCC zu erfüllen. Die beiden Parameter, die die Materialauswahl bestimmen, sind die Wärmeleitfähigkeit und der thermische Koeffizient der Dielektrizitätskonstante, der Änderungen der Dielektrizitätskonstante beschreibt (normalerweise in ppm/°C). Ein Substrat mit hoher Wärmeleitfähigkeit ist natürlich vorzuziehen, da es in der Lage ist, die von den Komponenten erzeugte Wärme abzuführen. Der thermische Koeffizient der Dielektrizitätskonstante ist ein ebenso wichtiger Parameter, da seine Variation Dispersionen erzeugen kann, die wiederum digitale Impulse strecken, die Geschwindigkeit der Signalausbreitung ändern und in einigen Fällen Reflexionen entlang einer Übertragungsleitung erzeugen können.

Auch die Geometrie der Leiterplatte spielt eine grundlegende Rolle, wenn sie die Dicke der Schichten und die Eigenschaften der Übertragungsleitung bestimmt.

Was den ersten Punkt betrifft, so ist es notwendig, eine Laminatdicke zu wählen, die im Allgemeinen zwischen ¼ und 1/8 der Wellenlänge der höchsten Betriebsfrequenz liegt. Wenn das Laminat zu dünn ist, kann es in Resonanz treten und sogar Wellen auf den Leitungen ausbreiten.

Bei Übertragungsleitungen muss entschieden werden, welcher Leitertyp verwendet werden soll: Mikrostreifen, Streifenleitung oder geerdete koplanare Wellenleiter (GCPW). Mikrostreifen sind wahrscheinlich die bekanntesten, aber sie haben Probleme mit abgestrahltem Rauschen und parasitären Wellen bei Ausbreitungen über 30 GHz. Triplate Bänder sind ebenfalls eine sinnvolle Lösung, aber sie können schwierig herzustellen sein und sind daher teuer. Außerdem müssen Microvias verwendet werden, um sie mit den äußeren Schichten zu verbinden. GCPWs sind eine ausgezeichnete Wahl, bieten jedoch höhere Leitfähigkeitsverluste als Mikrostreifen und Trip-Platten.

Nach der Auswahl des Substratmaterials sollten sich die Designer an die allgemeinen Regeln halten, die für das Design von Hochfrequenz-Leiterplatten gelten: Verwenden Sie möglichst kurze Leiterbahnen und prüfen Sie sowohl die Breite als auch den Abstand zwischen ihnen, um die Impedanz entlang aller Verbindungen aufrechtzuerhalten. Hier sind einige Empfehlungen und Tipps, die beim Entwurf einer Leiterplatte für 5G-Anwendungen nützlich sind:

• Materialien mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante (Dk) wählen: Da die Dk-Verluste proportional mit der Frequenz zunehmen, ist es notwendig, Materialien mit möglichst niedrigen Dielektrizitätskonstanten zu wählen;
• Sparsam Lötstopplack verwenden: Die meisten Lacke haben eine hohe Feuchtigkeitsaufnahmekapazität. In diesem Fall kann es zu erheblichen Verlusten in der Schaltung kommen;
• Kupferbahnen und perfekt glatte Flächen verwenden: der Stromverlauf ist in der Tat in umgekehrtem Verhältnis zur Frequenz. Daher ist dieser auf einer Leiterplatte mit einem Hochfrequenzsignal sehr kurz. Eine ungleichmäßige Kupferoberfläche zwingt den Strom dazu, einem ungleichmäßigen Pfad zu folgen, wodurch sich die Widerstandsverluste erhöhen;
• Signalintegrität: Hohe Frequenzen stellen eine der größten Herausforderungen für den PCB-Designer dar. Um die I/O zu maximieren, erfordert High Density Interconnection (HDI) dünnere Leiterbahnen, ein Faktor, der das Signal verschlechtern kann, was zu höheren Verlusten führt. Diese Verluste stören die Übertragung des HF-Signals, die um mehrere Millisekunden verzögert werden kann und Probleme in der Übertragungskette verursacht. Bei Hochfrequenzanwendungen basiert die Signalintegrität ebenfalls vollständig auf der Impedanzkontrolle. Traditionelle PCB-Herstellungsverfahren, wie das subtraktive Verfahren, haben den Nachteil, dass sie Leiterbahnen mit trapezförmigem Querschnitt erzeugen (der Winkel, verglichen mit der vertikalen Senkrechten der Leiterbahn, liegt normalerweise zwischen 25 und 45 Grad). Diese Querschnitte verändern die Impedanz und setzen den 5G-Anwendungen somit empfindliche Grenzen. Dieses Problem kann immer noch durch die Verwendung der mSAP-Technik (ein modifiziertes semi-additives Herstellungsverfahren) korrigiert werden, die eine hohe Genauigkeit, der durch die Fotolithografie definierten geometrischen Muster ermöglicht. In Bild 2 sehen Sie einen Vergleich dieser beiden Herstellungsverfahren.

Bild 2: Konventionelles subtraktives vs. mSAP-Verfahren.

• Automatische Inspektion: PCBs für Hochfrequenzanwendungen müssen einer systematischen Inspektion unterzogen werden, sowohl optisch (AOI) als auch über ATE. Diese Verfahren verbessern die Produktqualität erheblich, indem sie mögliche Fehler oder Schaltungsineffizienzen aufzeigen. Jüngste Fortschritte auf dem Gebiet der automatischen Leiterplatteninspektion und -prüfung haben zu erheblichen Zeit- und Kosteneinsparungen im Zusammenhang mit der manuellen Inspektion und dem Prüfverfahren geführt. Der Einsatz neuer automatisierter Inspektionen wird dazu beitragen, die Herausforderungen von 5G zu überwinden, einschließlich der Impedanztests von Hochfrequenzsystemen. Die verstärkte Anwendung dieser Methoden wird eine konsistente Leistung mit hohem Produktionsvolumen ermöglichen.