5G Die Leiterplatte für die schnelle Datenautobahn

Für 5G-Applikationen bietet ein hybrider Leiterplattenaufbau mit der Kombination von High-Speed-Layern (HF-optimiert) und Standard-Layern eine leistungs- und kosten-optimierte Lösung.

Wie sieht die Leiterplatte für das 5G-Zeitalter aus? AT&S evaluiert neue Materialien und Technologien.

Mit signifikant höheren Datenraten bzw. -mengen sowie hohen Leistungsdichten steigen auch die Anforderungen an die Verbindungstechnik nicht nur in der Mobilfunktechnik mit Infrastruktur (Basisstationen) und Endgeräten (Mobiltelefone), sondern auch in Echtzeit-Automatisierungs-Anwendungen. Die Einführung der neuen 5G-Mobilfunkgeneration mit Frequenzbändern bis zu 6 GHz ist bereits im Gange. Im nächsten Schritt sollen 5-G-Millimeterwellen mit Frequenzen von 28 GHz oder sogar höher kommen. Grundsätzlich bedeutet das für einen Leiterplattenhersteller wie AT&S, Signalverluste und -störungen zu reduzieren, indem z.B. das Dielektrikum in Bezug auf das Material, also die Dielektrizitätskonstante, die Dicke, die Materialübergänge bzw. auch die Kupfer-Rauheit optimiert werden.  

Die Einführung der 5G-Mobilfunkgeneration hat weitreichende Folgen auf der Produkt- und System-Ebene in Bezug auf Miniaturisierung, funktionale Integration, EMV und Signalintegrität, Modularität, Safety, Security, etc. Vor diesem Hintergrund hat AT&S die Kundenanforderungen und die Auswirkungen auf die Leiterplatte, Substrate und das Packaging analysiert und entsprechende Entwicklungen angestoßen bzw. umgesetzt. Die Antwort auf die Herausforderungen durch 5G sind innovative Lösungskonzepte, u.a. mit neuen Materialien, die Kombination von verschiedenen Technologien für hybride Leiterplatten-Aufbauten oder die Einbettungen von passiven und aktiven Schaltungskomponenten.  

Die Herausforderungen sind vielschichtig: „Wir sind ziemlich sicher, dass neue Materialien gefordert sein werden. In der Mobiltelefonie werden andere Materialein verwendet als in der industriellen M2M-Kommunikation, obwohl die Anwendungen im Frequenzbereich sehr ähnlich sind. Es ist also die Frage, ob es diesbezüglich eine Standardisierung geben wird. Es wird natürlich auch hier ein starkes Spiel der Kräfte stattfinden, welche Lieferanten mit neuen Materialien auf den Markt kommen“, so Walter Moser, Chief Sales Officer der Geschäftseinheit Automotive, Industrial, Medical von AT&S.

Im Hinblick auf das Kupfer besteht die große Herausforderung darin, dass weniger raues Kupfer zwar für HF-Applikationen Vorteile bietet, jedoch eine etwas höhere Rauheit für die Haftung der Leiterzüge am Basismaterial notwendig ist. Vor diesem Hintergrund hat AT&S die auf dem Markt verfügbaren Kupferfolien für HF-Anwendungen wie 5G intensiv untersucht. Auch die Geometrie (Profil) der Leiterbahnen wirkt sich bei höheren Frequenzen auf Signalverzögerungen aus und muss optimiert werden. Darüber hinaus untersucht man bei AT&S auch die Einflüsse verschiedener Metalle (Kupfer, Gold, Nickel) zueinander in Bezug auf den Skin-Effekt im GHz-Bereich und entwickelt dementsprechend neue Oberflächenmaterialien für deren idealen Einsatz.

Für 5G-Applikationen bietet ein hybrider Leiterplattenaufbau mit der Kombination von High-Speed-Layern (HF-optimiert) und Standard-Layern eine leistungs- und kostenoptimierte Lösung. So hat AT&S ein 12-lagiges hybrides Board für Funk-Systeme mit voll integrierter HF-Antenne realisiert. Die Verbindung der Layer erfolgt über Micro-Vias.  Eine weitere beispielhafte HF-optimierte Lösung stellt ein 6-Layer-Board dar, das HF-Layer mit einer sehr geringen Dielektrizitätskonstante und eingebettete Komponenten, wie einem ASIC unter der Antennenstruktur, kombiniert. Die Verbindung zwischen ASIC und Antenne erfolgt über Laser-Vias.