브레인스토밍: 제조업체들은 5G 를 어떻게 준비하고 있는가?

 

제조업체들이 5G 무선 네트워킹이라는 난제를 어떻게 준비할 수 있는가라는 질문에 답변하기 위해 5G가 10배 빠른 데이터 속도와 1000배 더 많은 데이터 트래픽을 지원하는 것으로 목표로 하는 전자 장치들에 5G가 미칠 영향을 미리 예상해 볼 수 있습니다. 5G는 모든 산업에서 강력한 연결을 촉진시킬 것이고, 안정적인 구현을 위해 필요한 규모와 품질을 지원하기 위해 제조 혁신이 반드시 필요합니다. PCB 생산에 대한 5G의 영향은 필요한 변화들에 대한 구체적인 사례를 제공합니다.

고효율 5G 연결에 반드시 필요한 것은 예상되는 5 G 데이터 속도와 대역폭의 증가를 지원하기 위해 각 노드에 유비쿼터스 PCB를 설치하는 것입니다. 더 빠른 다운로드 속도는 증강현실 및 가상현실(AR/VR)부터 생명을 보호하는 자율주행 차량 감지까지 새로운 애플리케이션들을 위해 필요한 유연한 실시간 기능들을 지원할 것입니다. 이러한 5G 기반 애플리케이션들에게 허용 오차는 거의 0이며, 앞으로 IoT 장치가 수십 억 개로 증가할 것이라고 예상되기 때문에, 네트워크의 고장 민감성은 기하급수적으로 증가할 것입니다. 네트워크 지연 속도에 민감한 이러한 애플리케이션들은 PCB 신뢰성 기준을 새로운 수준으로 높일 것이며, 이는 동일하게 높은 수준의 생산 품질과 검사를 보장하기 위해 제조 관행에 직접적인 영향을 미칠 것입니다.

5G 네트워크의 증가하는 주파수와 축소되는 형상 계수로 인해 PCB 제조업계는 커다란 도전에 직면하고 있습니다. 설계는 계속 소형화되면서 입출력은 증가하고 있기 때문에 본질적으로 얇은 보드 트레이스(board traces)를 가진 고밀도 접속(HDI)이 필수적입니다. 이런 초박형 라인은 신호 성능을 약화시킬 가능성이 있습니다. 예를 들어, 라인의 상단 및 하단 폭과 같은 물리적 특성이 최초 디자인과 다르다면 RF 신호 송신이 지연되어 다운스트림 데이터 흐름에 부정적 영향을 미칠 수 있습니다. 설계에 따라 생산이 잘 실행되도록 보장하기 위해 어쩔 수 없이 제조업체들은 mSAP (semi-additive process) 같은 수많은 새로운 혁신을 해야만 하는 도전을 받고 있습니다. PCB 생산의 다음 도전 과제는 시험 정확도와 신뢰성을 높이는 것입니다.

자동 광학 검사(AOI) 장비들은 PCB의 결함을 검사하기 위해 성공적으로 사용되어 왔지만, 지금까지 AOI 시스템들은 주로 최초 설계에 따라 충실하게 생산되고 설계 규칙들이 준수되는지 확인하기 위해 CAM 설계를 검사했습니다. 5G 지원 PCB 보드의 경우, 회로의 사다리꼴 및/또는 직사각형 단면의 물리적 측정을 위해 추가적인 기능들이 필요합니다. 따라서 AOI 시스템은 PCB의 상단 및 하단을 모두 측정할 수 있고 최소한의 조작으로 레이저 비아(via)와 패터닝을 포함한 다양한 잠재적 결함들을 검사할 수 있어야 합니다. 일부 AOI 장비들은 몇 가지 측정 기능을 가지고 있지만 도체 상단의 트레이스 폭 만 측정하고 하단의 폭은 측정하지 않습니다. 놀랍게도, 지금까지 하단 측정은 샘플을 채취해서 현미경으로 샘플을 검사하는 수작업 방식으로만 이루어졌습니다. 그러나 미래의 5G 시대에 필요한 규모와 수율을 고려할 때 이런 방법은 지속될 수 없습니다.

AOI 기술 혁신은 발전하고 있으며, 이를 보여주는 사례는 PCB 제조업체들은 2D 계측 기술을 사용해서 PCB의 상단과 하단 트레이스 도체들을 자동으로 검사하고 측정할 수 있는 능력을 갖추게 된 것입니다. 이 혁신적인 시험 능력은 높은 샘플링 속도에서 높은 처리 속도로 이루어질 수 있으므로, 제조업체들의 전체적인 수율이 향상됩니다. 이것은 비용 효율이 높은 5G 채택을 위해 필요한 PCB 품질 수준을 달성하기 위한 중요한 단계입니다.

5G가 임박했다는 소식이 많이 들리지만, 5G 채택은 다양한 기술의 변화와 지속적인 혁신이 필요합니다. 이 엄청난 변화의 진정한 촉진자인 제조업체들은 5G 네트워크의 품질과 신뢰성을 보장하기 위해 이 혁신을 선도해야 합니다. 한 가지 작은 예로, 더 빠르고 정확도가 높은 PCB 검사 및 검증을 가능하게 만들어서 대기시간이 짧은 고주파수 5G 시스템을 지원하는 AOI 기술의 진화입니다.

베니 솔로몬, AOI AOS 마케팅 이사, 오보텍 본사

 

 “4차 산업 혁명”을 실현하는 핵심 요소라고 불리는 5G는 대량의 장치들을 안정적으로 연결시켜서 통신 링크 지연시간이 매우 짧으면서 기가바이트의 높은 속도를 제공함으로써 다양한 산업의 애플리케이션들을 위한 무선 솔루션을 촉진시킵니다.

5G는 도시 전역의 원격 감지 또는 비콘 네트워크를 위해 고밀도 도시 지역에서 수백만 개의 사물인터넷(IoT) 장치들을 무선으로 연결시킬 수 있습니다. 연결 모듈들은 대규모 IoT 네트워크에서 사전 인증을 받은 5G 무선 통신을 가능하게 함으로써 쉽게 배치 및 통합할 수 있게 해주는 효과적인 배치 솔루션입니다. 크기를 최소화하기 위해, 모듈들은 모듈 기판에서 능동 및 수동 IC들을 내장시키는 기술, 그리고 사용 중인 고급 IC들을 보완하기 위해 최고 성능의 수동 컴포넌트들의 사용을 포함하는 고밀도 시스템 인 패키지(SiP) 어셈블리와 같은 고급 제조 기술에 의존합니다. 장치들의 자율성을 높이는 고체상태 저전압 배터리 또는 태양전지 및 기타 공급원에서 얻는 에너지와 새로운 전력 저장 기술도 유용합니다.

5G는 셀룰러 네트워크의 병목현상을 제거하여 20 GHz 가 넘는 밀리미터파(mmWave) 대역과 같은 대역과 같은 새로운 무선 스펙트럼을 개방함으로써 동시 초고속 무선 송신(심지어 혼잡한 환경에서도)을 가능하게 만들 것입니다. 처음에는 주택 및 소호 고객들에게 기가바이트 고정 무선 접속을 제공하기 위해 무선 통신회사들이 5G mmWave 서비스를 제공할 것입니다. 다음 단계에서는 5G mmWave를 사용하여 기가바이트 모바일 통신을 제공할 것입니다. 예를 들어, 큰 시합이 열릴 때 선수의 눈 4k 동영상을 군중의 스마트 장치들로 라이브 스트리밍 할 수 있습니다. 이를 위해 새로운 세라믹 및 기타 재료에 기반한 새로운 안테나와 RF 필터가 필요합니다. 이러한 첨단 mmWave 컴포넌트들은 핸드헬드 장치들과 네트워크 인프라 기지국들을 위해 필요합니다. 여기에는 네트워크 용량을 극대화하기 위해 동적인 빔 스티어링을 위한 대형 MIMO 안테나 어레이들이 사용될 것입니다.

5G는 기업들과 일상 생활을 변화시킬 것입니다. 5G를 실현하기 위해 필요한 하드웨어를 구현하려면 최신 수동 컴포넌트 기술을 포함한 고성능 전자 장치들이 필수적입니다.

마이클 , ICT 그룹 차장, 전자부품 판매마케팅 그룹, 선임 부사장, TDK

 

무선 액세스 네트워크들은 5G를 대비하기 위해 큰 변화를 겪고 있다. 원격 무선 헤드와 베이스밴드 유닛 간의 레거시 점대점 공공 무선 인터페이스(CPRI: Common Public Radio Interface) 네트워크는 이더넷 기반의 eCPRI 프런트홀 솔루션으로 대체되고 있습니다. 이 솔루션은 5G에서 요구하는 더 높은 대역 요건을 지원하는 더욱 유연하고 확장성 있는 방법을 제공합니다. 이러한 변화는 또한 네트워크 용량과 범위를 증가 시키는 전문화된 5G 이전 무선 액세스 장비의 설계와 배치를 촉진시키고 있습니다. 소형 셀, 분산형 안테나 시스템, 대용량 MIMO, 그리고 기타 5G 이전 무선을 위한 새로운 설계들은 LTE와 이더넷 연결을 동시에 지원해야 하므로 새로운 개발 문제에 직면하고 있습니다. 이로 인해 저위상 노이즈 LTE 클로킹, 낮은 지터 이더넷 클로킹, 그리고 시스템 클로킹을 지원하는 타이밍 솔루션에 대해 고유한 요구사항이 부과됩니다.

동영상 스트리밍과 모바일 데이터에 대한 급증하는 수요를 지원하기 위해 메트로 및 에지 네트워크가 더 높은 대역으로 향상됨에 따라 또 하나의 중요한 혁신이 현재 진행되고 있습니다. 이더넷 스위치/PHY, FPGA, 그리고 ASIC이 28 Gbps NRZ(non-return-to-zero) SerDes에서 더 속도가 빠른 56 Gbps 및 58 Gbps PAM4 위상-진폭 변조 SerDes로 이동하면서 현재 물리 계층에서 엄청난 혁신이 일어나고 있습니다. PAM4는 사이클 당 4개 상태를 입력함으로써 하나의 직렬 채널 상 동일한 시간에 더 많은 비트를 담을 수 있다. 그로 인해 링크의 비트 오류율이 악화되는 것을 방지하기 위해 신호대잡음비(SNR)는 훨씬 더 우수해야 합니다. 이에 따라 56G PAM4 SerDes를 위한 기준 타이밍을 제공하기 위해 더 낮은 지터 클록과 수정 발진기(XO)에 대한 필요성이 증가하고 있습니다.

제임스 윌슨, 선임 마케팅 이사, 타이밍 제품, 실리콘

 

최근에 3GPP 표준이 발표되면서 흥미진진한 5G의 진화가 시작되었습니다. 통신회사들은 이미 2018년 이내에 최초의 배치가 이루어질 것이라고 선언하고 있습니다. 무선관점에서 볼 때, OEM들과 운영업체들은 이런 최초의 5G 배치를 기존 4G 네트워크와 현존 구조의 자연적 진화로 취급하고 있습니다. 초기 단계에서 그들은 더 많은 MIMO를 추가하고, 안테나들을 더 작게 분할하고, 각 안테나 뒤에 트랜시버를 설치하는 전통적인 의미로 이 구조를 발전시킬 것입니다. 이는 이미 중국과 일본에서 검증된 4G/LTE-A Pro Massive-MIMO 전략과 비슷합니다. 이 솔루션은 완전 활성 안테나 어레이의 잠재력을 드러내지는 않지만, 덜 복잡한 하드웨어와 더 적은 수의 트랜시버 경로를 사용함으로써 초기 비용을 낮추며, 많은 제조업체는 이러한 단계적인 진화 쪽으로 기울어지고 있습니다.

사실상 이 솔루션들은 모든 안테나의 하위 섹션 뒤에 저전력 트랜시버를 설치합니다. 12개의 열과 8개의 행 및 2개의 극으로 이루어진 전형적인 192 IC 안테나 어레이가 64개의 트랜시버에 의해 구동될 것입니다. 일반적으로 이러한 구현은 높이가 약 0.8m 이고 폭이 0.4m로서 기존 매크로 셀 안테나에 잘 맞습니다.

증가된 트랜시버의 수와 대역폭 확대가 결합되어 엄청난 양의 원시 데이터를 생성할 것이기 때문에, 비용 효율이 높은 고속 프론트홀(front-haul) 솔루션 및 섬유 용량의 가용성은 장치 업체들에게 솔루션 분할을 다시 고려하게 만들고 있습니다. 새로운 eCPRI 표준은 CPRI 처리 기능을 RRU에 통합시켜서 프런트홀 네트워크에 대한 대역 요건을 효과적으로 축소시킵니다. 그러나 신형 저비용 100G 광학은 통신업체들에게 미래 보장형 RRU 구현을 위해 CPRI를 채택할 수 있는 옵션을 제공합니다.

5G 표준은 이제 막 설정되었지만, 전세계 제조업체들은 이미 바쁘게 움직이고 있다고 말할 수 있습니다.

데이비드 라이안, 사업개발 전략 마케팅 선임 매니저, MACOM

ECN Brainstorm 

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