Jenseits von FR4: Hochgeschwindigkeits- und 5G-Low-Loss PCB-Technologie

Vom Laden eines HD-Videos auf Ihrem 5G-Telefon bis zur Verarbeitung Ihrer Daten in einem Cloud-Rechenzentrum trägt ein kleines, aber wichtiges Teil die Last: die Leiterplatte (PCB).

Lange Zeit hat man geglaubt, dass die Leiterplatte eine einfache, dünne, umweltfreundliche Platine für den Transport von Komponenten ist. Diese Sichtweise ist im modernen Telekommunikationssektor nicht mehr relevant. Die Leiterplatte ist die wichtigste Komponente in jedem modernen 5G- oder Hochgeschwindigkeitssystem, die die Signalintegrität, Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit beeinflusst.

Der wesentliche Übergang: Von Kupfer zu gemanagter Energie

Die Frequenz ist das Hauptproblem der modernen Telekommunikation, insbesondere bei 5G. Jedes kleine Bauteil auf der Leiterplatte wird zu einem wesentlichen Bestandteil des Übertragungssystems selbst, da sich die Betriebsfrequenzen von unter 6 GHz in das Millimeterwellenband (mmWave) verschieben.

Kampf gegen den Signalverlust: Das materielle Mandat

Das typische FR4-Leiterplattenmaterial verwandelt sich bei hohen Frequenzen in einen Signalkiller. Aufgrund der dielektrischen Eigenschaften des Materials, die sich auf die Speicherung elektrischer Energie auswirken, werden Signale schnell "gedämpft" oder verlieren an Leistung. Dieser Signalverlust ist ein großes Problem.

Aus diesem Grund ist die erste und wichtigste Entscheidung bei einem Telekommunikationsprojekt jetzt die Auswahl des Substratmaterials. Die Ingenieure verlagern ihre Aufmerksamkeit von herkömmlichen Materialien auf verlustarmes PCB-Material Auswahl. Sie untersuchen Substrate auf PTFE-Basis, keramikgefüllte Laminate und spezielle Kohlenwasserstoffharze.

Die Suche nach dem besten 5G PCB Hochfrequenzmaterial ist das einzige Ziel. Diese Substanz muss einen sehr niedrigen Verlustfaktor (Df), auch bekannt als Verlusttangens, und eine sehr stabile Dielektrizitätskonstante (Dk) aufweisen. Unabhängig vom Kaliber der verwendeten Chips wird das System nicht funktionieren, wenn diese Werte nicht über Temperatur und Frequenz konstant sind. Daher ist der erste und häufig kostspieligste Schritt bei der Herstellung von Hochleistungs-Telekommunikationsplatinen die Beschaffung des geeigneten Substrats.

Schutz des RF-Pfads: Der Design-Imperativ

Signale mit hohen Frequenzen sind sehr anfällig für Störungen. Übersprechen ist ein Phänomen, bei dem ein starker Sender den empfindlichen Empfängerschaltkreis in einem kleinen Bereich, wie z.B. einem Funkkopf einer Basisstation, leicht verunreinigen kann.

Um dies zu verhindern, sind Designrichtlinien unerlässlich. Alles, von der Platzierung der Komponenten bis zur Konsistenz der Leiterbahnbreite, unterliegt strengen Richtlinien für das Design von HF-Leiterplatten. Das Ziel ist einfach: Vermeiden Sie Reflexionen, die das Signal verzerren, indem Sie sicherstellen, dass der Signalpfad eine konstante Impedanz (typischerweise 50 Ohm) vom Chipausgang zum Antenneneingang aufweist.

Bei den anspruchsvollsten 5G-Systemen, bei denen die Antenne direkt auf der Leiterplatte installiert ist, wird diese Schwierigkeit noch verschärft. Die Integration von Millimeterwellen-Antennen auf Leiterplatten erfordert außerordentliche Präzision. Die Kupferspur auf der Leiterplatte verbindet sich bei diesen extrem hohen Frequenzen mit der Antennenstruktur. Jede winzige Änderung der Leiterplattendicke oder der Leiterbahnbreite kann die Antenne verstimmen und die Fähigkeit des Radios zur Strahlformung aufheben. Hier kollidieren komplizierte physikalische Zusammenhänge mit der Präzision der Fertigung, so dass hochspezialisierte Produktionsanlagen erforderlich sind.

Von HDI & Wärmemanagement bis zu 112 Gbps Backplanes

Die Hochgeschwindigkeits-Backplane-PCB ist in Kernnetzwerken und Rechenzentren unverzichtbar, da sie Hunderte von gleichzeitigen Multi-Gigabit-Datenströmen mit 25 Gbit/s, 56 Gbit/s oder sogar 112 Gbit/s verarbeiten kann. Lange Leiterbahnlängen (mehr als ein Meter) und zahlreiche Schichten (mehr als 20 Schichten) erschweren die Aufrechterhaltung der Signalintegrität.

Die Massive MIMO-Platine legt den Schwerpunkt auf hohe Dichte für 5G-Basisstationen. Der Industriestandard für die Integration von Hunderten von Antennenelementen auf einer einzigen Platine ist HDI-LEITERPLATTE (High-Density Interconnect PCB), die sequentielle Laminierungsprozesse und Microvias für eine dichte Verlegung verwendet.

Außerdem hängt der langfristige Betrieb von Telekommunikationsgeräten von einem hochzuverlässigen Wärmemanagement der Leiterplatten ab. Durch den Einsatz von Methoden wie Metallkern-Leiterplatten, thermischen Durchkontaktierungen und dickem Kupfer verhindert ein effektives Wärmemanagement, dass die Hitze die elektrische Stabilität des Leiterplattenmaterials gefährdet.

Einer der anspruchsvollsten Prozesse in der Elektronikindustrie ist die Herstellung von Leiterplatten für optische Module. Hier ist chirurgische Präzision gefragt, um die elektrische Signalübertragung im Multi-Gigabit-Bereich und die Stromversorgung der empfindlichen Laserdioden zu gewährleisten.

Schließlich erfordert die Reduzierung der Ausfallzeiten von Netzwerken eine gründliche Analyse der Fehler auf den Leiterplatten von Telekommunikations-Basisstationen. Brüche und CAF (Conductive Anodic Filament) sind häufige Fehlerarten. Die Analyse dieser Fehler liefert wichtige Informationen zur Verbesserung der Herstellungsverfahren und der Richtlinien für das Design von RF-Leiterplatten, was letztendlich die Zuverlässigkeit der Produkte erhöht.

Zusammenfassend

In der Telekommunikationsbranche ist die moderne Leiterplatte keineswegs ein Gebrauchsgegenstand. Sie ist ein extrem gut durchdachtes System, das sowohl in der Herstellung als auch in der Physik auf dem neuesten Stand ist. Die Integration von Millimeterwellen-Antennen auf der Leiterplatte, die Beherrschung von Verlusten bei Hochgeschwindigkeits-Leiterbahnen auf der Backplane und die Gewährleistung einer langfristigen Rentabilität durch ein hochzuverlässiges Wärmemanagement auf der Leiterplatte machen die Leiterplatte zu einem strategischen Gut.