Was bedeutet das für die Hochgeschwindigkeits-PCB-Industrie?
Beim Entwurf und Aufbau von Leiterplattenstapeln müssen zunächst Materialaspekte im Vordergrund stehen. 5G-Leiterplatten müssen alle Spezifikationen erfüllen, wenn es um die Übertragung und den Empfang von Signalen, die Bereitstellung elektrischer Verbindungen und die Steuerung bestimmter Funktionen geht. Darüber hinaus müssen Herausforderungen beim PCB-Design angegangen werden, etwa die Aufrechterhaltung der Signalintegrität bei höheren Geschwindigkeiten, das Wärmemanagement und die Vermeidung elektromagnetischer Interferenzen (EMI) zwischen Daten und Platinen.

Design einer Mixed-Signal-Empfangsplatine
Heutzutage arbeiten die meisten Systeme mit 4G- und 3G-Leiterplatten. Das bedeutet, dass der Sende- und Empfangsfrequenzbereich der Komponente 600 MHz bis 5,925 GHz beträgt und die Kanalbandbreite 20 MHz bzw. 200 kHz für IoT-Systeme beträgt. Beim Entwurf von Leiterplatten für 5G-Netzwerksysteme benötigen diese Komponenten je nach Anwendung Millimeterwellenfrequenzen von 28 GHz, 30 GHz oder sogar 77 GHz. Bei den Bandbreitenkanälen verarbeiten 5G-Systeme 100 MHz unter 6 GHz und 400 MHz über 6 GHz.

Diese höheren Geschwindigkeiten und höheren Frequenzen erfordern die Verwendung geeigneter Materialien in der Leiterplatte, um gleichzeitig niedrigere und höhere Signale ohne Signalverlust und EMI zu erfassen und zu übertragen. Ein weiteres Problem besteht darin, dass Geräte leichter, tragbarer und kleiner werden. Aufgrund strenger Gewichts-, Größen- und Platzbeschränkungen müssen Leiterplattenmaterialien flexibel und leicht sein, um alle mikroelektronischen Geräte auf der Leiterplatte unterzubringen.

Bei Leiterplatten-Kupferleiterbahnen müssen dünnere Leiterbahnen und eine strengere Impedanzkontrolle befolgt werden. Der traditionelle subtraktive Ätzprozess, der für 3G- und 4G-Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten verwendet wird, kann auf einen modifizierten semi-additiven Prozess umgestellt werden. Diese verbesserten semiadditiven Prozesse sorgen für präzisere Spuren und geradere Wände.

Auch die Materialbasis wird neu gestaltet. Leiterplattenhersteller untersuchen Materialien mit einer Dielektrizitätskonstante von nur 3, da Standardmaterialien für Leiterplatten mit niedriger Geschwindigkeit normalerweise zwischen 3,5 und 5,5 liegen. Engeres Glasfasergeflecht, Verlustmaterial mit geringerem Verlustfaktor und Kupfer mit niedrigem Profil werden auch zur Wahl für Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten für digitale Signale werden, wodurch Signalverluste verhindert und die Signalintegrität verbessert werden.

Problem mit der EMI-Abschirmung
EMI, Übersprechen und parasitäre Kapazität sind die Hauptprobleme von Leiterplatten. Um Übersprechen und elektromagnetische Störungen aufgrund der analogen und digitalen Frequenzen auf der Platine zu vermeiden, wird dringend empfohlen, die Leiterbahnen zu trennen. Die Verwendung von Mehrschichtplatinen bietet eine größere Vielseitigkeit bei der Platzierung von Hochgeschwindigkeitsleiterbahnen, sodass die Pfade der analogen und digitalen Rücksignale voneinander entfernt bleiben und gleichzeitig die AC- und DC-Schaltkreise getrennt bleiben. Das Hinzufügen von Abschirmung und Filterung beim Platzieren von Komponenten sollte auch die Menge an natürlichen EMI auf der Leiterplatte reduzieren.

Um sicherzustellen, dass es zu keinen Defekten und schwerwiegenden Kurzschlüssen oder offenen Stromkreisen auf der Kupferoberfläche kommt, wird ein fortschrittliches automatisches optisches Inspektionssystem (AIO) mit höheren Funktionen und 2D-Messtechnik zur Überprüfung und Vermessung der Leiterbahnen eingesetzt. Diese Technologien werden Leiterplattenherstellern dabei helfen, nach möglichen Risiken einer Signalverschlechterung zu suchen.

Herausforderungen beim Wärmemanagement
Eine höhere Signalgeschwindigkeit führt dazu, dass der Strom durch die Leiterplatte mehr Wärme erzeugt. PCB-Materialien für dielektrische Materialien und Kernsubstratschichten müssen den hohen Geschwindigkeiten, die die 5G-Technologie erfordert, angemessen standhalten. Wenn das Material nicht ausreicht, kann es zu Kupferspuren, Abblättern, Schrumpfen und Verziehen kommen, da diese Probleme zu einer Verschlechterung der Leiterplatte führen.

Um mit diesen höheren Temperaturen zurechtzukommen, müssen sich Hersteller auf die Auswahl von Materialien konzentrieren, die Probleme mit der Wärmeleitfähigkeit und dem Wärmekoeffizienten berücksichtigen. Um eine gute Leiterplatte herzustellen, die alle für diese Anwendung erforderlichen 5G-Funktionen bietet, müssen Materialien mit höherer Wärmeleitfähigkeit, hervorragender Wärmeübertragung und konstanter Dielektrizitätskonstante verwendet werden.