Was bedeutet dies für die Hochgeschwindigkeits-Leiterplattenindustrie?
Bei der Entwicklung und Konstruktion von Leiterplattenstapeln müssen zunächst die 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 Leiterplattendesign bewältigt werden, wie z. B. die Aufrechterhaltung der Signalintegrität bei höheren Geschwindigkeiten, das Wärmemanagement und die Vermeidung elektromagnetischer Störungen (EMI) zwischen Daten und Leiterplatten.

Design der Leiterplatte für den Empfang gemischter Signale
Heute basieren die meisten Systeme auf 4G- und 3G-Leiterplatten. Das bedeutet, dass der Sende- und Empfangsfrequenzbereich der Komponente zwischen 600 MHz und 5,925 GHz liegt und die Kanalbandbreite 20 MHz bzw. 200 kHz für IoT-Systeme beträgt. Bei der Entwicklung von Leiterplatten für 5G-Netzwerksysteme werden je nach Anwendung Millimeterwellenfrequenzen von 28 GHz, 30 GHz oder sogar 77 GHz benötigt. Für die Kanalbandbreite verarbeiten 5G-Systeme 100 MHz unter 6 GHz und 400 MHz über 6 GHz.

Diese höheren Geschwindigkeiten und Frequenzen erfordern den Einsatz geeigneter Materialien in der Leiterplatte, um gleichzeitig niedrigere und höhere Signale ohne Signalverlust und elektromagnetische Störungen zu erfassen und zu übertragen. Ein weiteres Problem ist, dass Geräte immer 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 Kupferleiterbahnen auf Leiterplatten müssen dünnere Leiterbahnen und eine strengere Impedanzkontrolle eingehalten werden. Das traditionelle subtraktive Ätzverfahren für 3G- und 4G-Hochgeschwindigkeitsleiterplatten kann auf ein modifiziertes semiadditives Verfahren umgestellt werden. Diese verbesserten semiadditiven Verfahren sorgen für präzisere Leiterbahnen und geradere Wände.

Auch die Materialbasis wird neu gestaltet. Leiterplattenhersteller untersuchen Materialien mit einer Dielektrizitätskonstante von nur 3, da Standardmaterialien für Low-Speed-Leiterplatten üblicherweise zwischen 3,5 und 5,5 liegen. Engere Glasfasergeflechte, Materialien mit geringerem Verlustfaktor und flaches Kupfer werden sich auch bei High-Speed-Leiterplatten für digitale Signale durchsetzen und so Signalverluste verhindern und die Signalintegrität verbessern.

EMI-Abschirmungsproblem
EMI, Übersprechen und parasitäre Kapazitäten sind die Hauptprobleme von Leiterplatten. Um Übersprechen und EMI aufgrund der analogen und digitalen Frequenzen auf der Leiterplatte zu vermeiden, wird dringend empfohlen, die Leiterbahnen zu trennen. Der Einsatz von Mehrschichtplatinen bietet mehr Flexibilität bei der Platzierung von Hochgeschwindigkeitsleiterbahnen, sodass die Pfade der analogen und digitalen Rücksignale voneinander getrennt bleiben und die AC- und DC-Schaltkreise getrennt bleiben. Das Hinzufügen von Abschirmung und Filterung bei der Platzierung von Komponenten sollte zudem die Menge an natürlichen EMI auf der Leiterplatte reduzieren.

Um sicherzustellen, dass auf der Kupferoberfläche keine Defekte und schwerwiegenden Kurzschlüsse oder Unterbrechungen vorhanden sind, wird ein fortschrittliches automatisches optisches Inspektionssystem (AIO) mit erweiterten Funktionen und 2D-Messtechnik eingesetzt, um die Leiterbahnen zu prüfen und zu messen. Diese Technologien helfen Leiterplattenherstellern, mögliche Risiken einer Signalverschlechterung zu erkennen.

Herausforderungen beim Wärmemanagement
Eine höhere Signalgeschwindigkeit führt dazu, dass der Strom durch die Leiterplatte mehr Wärme erzeugt. Leiterplattenmaterialien für dielektrische Materialien und Kernsubstratschichten müssen die hohen Geschwindigkeiten der 5G-Technologie ausreichend bewältigen. Unzureichendes Material kann zu Kupferspuren, Abblättern, Schrumpfen und Verziehen führen, da diese Probleme die Leiterplatte beschädigen.

Um diesen höheren Temperaturen gerecht zu werden, müssen sich Hersteller auf die Wahl von Materialien konzentrieren, die die Anforderungen an Wärmeleitfähigkeit und Wärmekoeffizient erfüllen. Materialien mit höherer Wärmeleitfähigkeit, hervorragender Wärmeübertragung und konstanter Dielektrizitätskonstante müssen verwendet werden, um eine gute Leiterplatte herzustellen, die alle für diese Anwendung erforderlichen 5G-Funktionen bietet.