5G-PCB-Design: Was müssen Hersteller wissen?

Der weltweite Ausbau von 5G-Netzen verspricht eine Transformation der Konnektivität und erweitert die Grenzen des Möglichen im Mobilfunk. Um das Potenzial von 5G voll auszuschöpfen, muss jedoch eine andere, weniger sichtbare Technologie Schritt halten: Leiterplatten. 5G-Leiterplatten müssen eine überragende Hochfrequenzleistung bei gleichzeitiger Wahrung der Signalintegrität erreichen. Um die Vorteile von 5G voll auszuschöpfen, stellen sich Leiterplattenhersteller den Herausforderungen bei Design und Produktion dieser wichtigen Komponenten. Dieser Blogbeitrag befasst sich eingehend mit den Design- und Engineering-Überlegungen für 5G-Leiterplatten und beleuchtet die damit verbundenen Fertigungsherausforderungen und Innovationen. Lassen Sie uns direkt loslegen.

Substratmaterialien für die Herstellung von 5G-Leiterplatten

Der Substratmaterial ist ein entscheidender Faktor, um die Leistungsanforderungen von 5G-Leiterplatten zu erfüllen. Wichtige Parameter bei der Auswahl der Substrate sind:

• Dielektrizitätskonstante – Niedrigere Dk-Werte um 2–3 reduzieren Signalverlust und Übersprechen. PTFE und Flüssigkristallpolymer (LCP) sind gängige Optionen mit niedrigem Dk.
• Verlustfaktor – Materialien mit Verlustfaktoren unter 0.005 wie Rogers RO3000-Laminate minimieren den dielektrischen Signalverlust bei mmWave-Frequenzen.
• Wärmeleitfähigkeit – Hohe Leistungsdichte erfordert die Ableitung erheblicher Wärme. Keramisches Aluminiumnitrid und LCP bieten eine Leitfähigkeit von bis zu 170 W/mK bzw. 0.67 W/mK.
• CTE– Die Abstimmung des CTE von Substrat und Komponente verhindert Schäden an Lötstellen und Pads durch Zyklen. Glasfaserverstärkte Kohlenwasserstoffe bieten CTE-Kompatibilität.
• Feuchtigkeitsaufnahme – Die geringe Feuchtigkeitsaufnahme von Fluorpolymeren trägt zur Aufrechterhaltung einer stabilen elektrischen Leistung bei.
• Dicke – Dünnere dielektrische Schichten von 0.1 mm bis 0.3 mm reduzieren den Verlust, abhängig von der Anzahl der Schichten.

Zu den möglichen Materialien gehören unter anderem:

• PTFE-Verbundwerkstoffe – bieten stabile, geringe Verluste bis in den mm-Wellenbereich und angemessene Kosten. Erlaubt die Verwendung von über 20 Lagen.
• Keramikgefülltes PTFE – Bietet die beste Leistung für mmWave-Anwendungen, jedoch zu höheren Kosten. Ermöglicht sehr hohe Frequenzen.
• Polyimid – Flexibleres Substrat, geeignet für dünnere Leiterplatten. Mäßiger Verlust bei hohen Frequenzen.
• Aluminiumnitrid – Außergewöhnliche Wärmeleitfähigkeit und geringer dielektrischer Verlust, ideal für leistungsstarke 5G-Module, bei denen die Wärmeableitung entscheidend ist.
• Flüssigkristallpolymer (LCP) – Relativ niedrige Dielektrizitätskonstante und Verluste bei guter Wärmeleitfähigkeit.

Herausforderungen beim 5G-PCB-Design

Die Entwicklung von 5G-Leiterplatten stellt im Vergleich zu Leiterplatten der vorherigen Generation aufgrund der extrem hohen Frequenzen und Datenraten besondere Herausforderungen dar. 5G ermöglicht zwar neue Möglichkeiten, doch die Überwindung dieser Designhürden erfordert Kreativität und Innovation.

• Ein großes Hindernis ist die Integration gemischter Signalkomponenten auf einer einzigen Platine. 5G-Systeme müssen über einen breiten Frequenzbereich vom MHz- bis zum mmWave-Band betrieben werden. Die Erfassung und Verarbeitung solch unterschiedlicher Signale auf einer Leiterplatte erfordert sorgfältige Planung, um Störungen und Verluste zu minimieren. Entscheidend ist die Balance zwischen analogem und digitalem Layout.
• Auch die Aufrechterhaltung der Signalintegrität bei Multi-Gigabit-Datenraten gestaltet sich schwierig. Engere Impedanztoleranzen müssen eingehalten werden, was neue Stapelstrategien und dünnere Kupferleiterbahnen erfordert. Routing-Architekturen müssen die Längen zwischen den differenziellen Paaren anpassen, um einen Versatz zu vermeiden. Selbst kleine Abweichungen können die Leistung beeinträchtigen.
• Die Eindämmung elektromagnetischer Störungen stellt ein weiteres Hindernis dar. Bei Mikrowellenfrequenzen steigen die Strahlungs- und Kopplungsrisiken. Eine sorgfältige Trennung der störempfindlichen und störbehafteten Schaltkreise ist daher unerlässlich. Die Abschirmung von Komponenten mit Gehäusen und physischen Barrieren kann ebenfalls erforderlich sein, um die Emissionen zu begrenzen.
• Thermische Probleme erschweren die Arbeit bei dicht gepackten Hochgeschwindigkeitskomponenten zusätzlich. Sorgfältig ausgewählte dielektrische Materialien können dazu beitragen, überschüssige Wärme von heißen Chips und Leiterbahnen zu thermischen Entlastungsstrukturen abzuleiten. Die Entwicklung des Aufbaus und der Ebenenverteilung unter Berücksichtigung der thermischen Anforderungen ist entscheidend.

Diese Herausforderungen sind zwar gewaltig, lassen sich aber durch intelligente Designpraktiken bewältigen. Simulationen, Prototyping und Designprüfungen tragen dazu bei, die Leistung vor Produktionsbeginn zu validieren. Das Endergebnis sind 5G-Leiterplatten, die modernste Konnektivität bieten.

Tipps für das 5G-Leiterplattendesign

1. Verwenden Sie verlustarme dielektrische Materialien

Die Verwendung dielektrischer Materialien wie PTFE (Teflon) oder keramikgefülltem PTFE ist für 5G-Platinen unerlässlich, um Signalverluste bei hohen Frequenzen zu minimieren. Diese Materialien haben eine Dielektrizitätskonstante unter 3.5, wobei ein niedrigerer Wert besser ist, um die für differenzielle Paare bei 5G-Datenraten erforderlichen engeren Leiterbahnabstände zu ermöglichen. Die Materialien sollten außerdem einen sehr niedrigen Verlustfaktor aufweisen, um eine übermäßige Signaldämpfung zu vermeiden.

2. Kontrollierte Impedanz aufrechterhalten

Bei 5G-Datenraten ist die Einhaltung einer differentiellen Impedanz von 100 Ohm für die Signalintegrität entscheidend. Dies erfordert sorgfältige Spurbreite und die Abstandsabstimmung basierend auf den verwendeten Stapelmaterialien. Impedanzrechner sollten genau befolgt werden, um die Zielimpedanz zu erreichen. Die elektrischen Längen zwischen den Differenzialpaaren müssen angepasst werden, um einen Versatz zu vermeiden. Stichleitungen oder Durchkontaktierungen auf den Leiterbahnen sollten minimiert werden.

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3. Integrieren Sie den richtigen Schichtaufbau

Neben den Signalschichten sollte eine solide Referenzebene zur Kontrolle der Impedanz und zur Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen vorgesehen werden. Die Anzahl der Schichten sollte moderat gehalten werden (etwa 4–8 Schichten). Zu viele Schichten erhöhen die Kosten und können die Leistung beeinträchtigen. Symmetrische Streifenleitungskonfigurationen funktionieren am besten, wobei Signal-Ebene-Signal oder Signal-Ebene-Signal-Ebene ideal sind.

4. Implementieren Sie sorgfältige Layouttechniken

Analoge und digitale Bereiche sollten voneinander isoliert sein. Kopplungen sollten durch Abstand und Ausrichtung im Layout verhindert werden. Die Leiterbahnlängen sollten minimiert werden, indem nach Möglichkeit passive SMD-Bauteile verwendet werden. Sorgen Sie für thermische Entlastung unter heißen Bauteilen durch thermische Vias oder Slugs. Fügen Sie EMV-Abschirmstrukturen wie Dosen, Schutzleiterbahnen oder Gräben hinzu.

5. Verwalten Sie sanfte Ebenenübergänge

Beim Übergang von Leiterbahnen zwischen Lagen sollten Verjüngungen, Fasen und Tropfen verwendet werden, um Impedanzsprünge zu vermeiden, die zu Signalreflexionen führen. Die gleiche Sorgfalt ist bei Übergängen von Bauteil-Pads zu inneren Lagen geboten.

6. Validieren Sie die Leistung durch Tests

Es sollten Testpunkte vorgesehen werden, um Netzwerkanalysatoren, TDRs und andere Testgeräte zur Validierung von Impedanz, Verlust und Rauschen über die Frequenz einzusetzen. Während der Leiterplattenherstellung sollte zudem eine gründliche automatisierte optische und elektrische Prüfung durchgeführt werden, um etwaige Defekte zu erkennen.

Anwendungen von 5G-Leiterplatten

5G-Leiterplatten ermöglichen deutlich schnellere Datengeschwindigkeiten und geringere Latenzzeiten für eine Vielzahl von Anwendungen, beispielsweise:

• Smartphones – 5G-Platinen ermöglichen es Smartphones, die schnelleren Datengeschwindigkeiten und die geringere Latenz von 5G-Netzwerken zu nutzen.
• Tablets – Tablets mit 5G-Verbindung profitieren von einer ultrahohen Bandbreite für Aktivitäten wie Video-Streaming.
• Wearables – Geräte wie Smartwatches und Fitness-Tracker werden 5G-Karten für eine ständige Konnektivität nutzen.
• Autonome Fahrzeuge – Für die massive Datenübertragung von Sensoren in selbstfahrenden Autos sind 5G-Karten erforderlich.
• Industrielle Automatisierung – Zur drahtlosen Verbindung von Robotern, SPS und Sensoren in Fabriken werden 5G-Karten verwendet.
• Digital Health – 5G PCB kann hochauflösende medizinische Bilder und Patientendaten streamen.
• Smart Cities – Infrastruktur wie Verkehrsüberwachungssysteme und Straßenlaternen können über 5G vernetzt werden.
• Virtuelle Realität – 5G-Platine ermöglicht drahtlose VR-Headsets mit HD-Video.
• Internet der Dinge – Verbindet Geräte, Zähler und Tracker über 5G.

Abschließende Überlegungen

Die Entstehung von 5G-Netzen eröffnet neue Möglichkeiten für die drahtlose Konnektivität. Um ihr volles Potenzial auszuschöpfen, bedarf es jedoch der Weiterentwicklung der Leiterplattentechnologie für diese hochmodernen Systeme. Die Hürden bei Design und Fertigung sind zwar erheblich, aber nicht unüberwindbar. Durch sorgfältige Materialauswahl, kontrollierte Impedanzverfahren, robusten Lagenaufbau, Wärmemanagement und strenge Tests können Leiterplatteningenieure diese Herausforderungen meistern und leistungsstarke 5G-Leiterplatten liefern. Mit der Weiterentwicklung der Materialwissenschaft und der Fertigungsprozesse werden die Möglichkeiten von 5G-Leiterplatten weiter zunehmen.