Brainstorm: Wie bereiten sich die Hersteller auf 5G vor?

Brainstorm: Wie bereiten sich die Hersteller auf 5G vor?

Um sich effektiv mit der Frage auseinandersetzen, wie sich Hersteller auf die drahtlose 5G Netzwerk-Revolution vorbereiten können, muss man sich den Effekt ansehen, den 5G auf elektronische Endgeräte haben wird, die in der Zukunft 10 Mal schnellere Datenübertragungsraten und 1000 Mal mehr Datenverkehr unterstützen müssen. 5G wird eine leistungsstarke Konnektivität in allen Industriezweigen ermöglichen und fertigungstechnische Innovationen müssen soweit   in Umfang und die Qualität fortgeschritten sein, wie für eine zuverlässige Umsetzung benötigt wird.. Der Einfluss von 5G auf die Leiterplattenherstellung illustriert die benötigten Änderungen.

Für die 5G-Hochfrequenz-Netzwerkkonnektivität sind an jedem Knoten Leiterplatten mit hoher Kapazität unerlässlich, die die benötigten hohen Datenraten und Bandbreiten ermöglichen. Schnellere Downloadgeschwindigkeiten werden neue Anwendungen nahtlos und in Echtzeit ermöglichen, angefangen von Augmented- und Virtual-Reality (AR/VR) bis hin zur sicherheitskritischen autonomen Fahrzeugsensorik. Die erlaubte Fehlerrate bei diesen 5G Anwendungen ist praktisch gleich null wobei deren Wachstumsrate getrieben durch das IoT, die im Bereich von Milliarden Geräten liegt, zur einer exponentiell ansteigenden Störanfälligkeit der Netzwerke führt. Diese latent kritischen Anwendungen werden Zuverlässigkeitsstandards bezogen auf die Leiterplatte auf neue Niveaus treiben und einen direkten Einfluss auf die Herstellungspraktiken haben, um einen gleichbleibend hohen Level in der Produktion und Qualitätskontrolle zu gewährleisten.

Die Leiterplatten-Herstellung sieht sich aufgrund der höheren Frequenzen des 5G Netzwerks und den immer kleiner werdenden Formfaktoren einzigartigen Herausforderungen gegenüber. Erhöhte I/O auf immer kleineren Designs erfordern Interkonnektoren mit hoher Dichte (HDIs) und inhärenten dünneren Leiterbahnen. Diese ultra-dünnen Bahnen können möglicherweise eine Verschlechterung des Signalverhaltens nach sich ziehen. Wenn, zum Beispiel, die physischen Eigenschaften der Leiterbahn wie die Breite oben und am Leiterbahnfuß, vom ursprünglichen Design abweichen, kann die Übertragung des RF-Signals verzögert werden und so den nachgelagerten Datenfluss negativ beeinflussen. Hersteller müssen zwangsläufig eine Unzahl neuer Innovationen wie z.B. den modifizierten Semiadditiv-Prozess (mSAP) einführen, um sicherzustellen, dass Designs bei der Herstellung gut umgesetzt werden. Die nächste Herausforderung bei der Leiterplatten-Produktion besteht in der Prüfgenauigkeit und -zuverlässigkeit.

Werkzeuge zur Automatischen Optischen Inspektion (AOI) wurden erfolgreich dazu benutzt, Leiterplatten auf Defekte zu untersuchen, aber bis jetzt haben AOI-Systeme hauptsächlich CAM Designs untersucht, um sicherzustellen, dass das ursprüngliche Design getreu hergestellt wurde und den Gestaltungsrichtlinien entspricht. Für 5G Leiterplatten werden zusätzliche Fähigkeiten für die physikalische Messung der trapezförmigen und/oder rechteckigen Querschnitte benötigt. Dies erfordert ein AOI System, das sowohl die Ober- als auch Unterseite der Leiterplatte messen sowie verschiedene mögliche Mängel, einschließlich Laser-Durchkontaktierungen und Strukturierungen, mit minimaler Handhabung untersuchen kann. Einige wenige AOI-Werkzeuge besitzen ein paar Messfunktionen, messen aber trotzdem nur die Leiterbahnbreite an der Oberseite des Leiters, ohne die Breite am Leiterbahnfuß zu messen. Überraschenderweise können die Leiterbahnfuß-Messungen bis jetzt nur ausgeführt werden, indem sie an Stichproben manuell mit Hilfe eines Mikroskops untersucht werden, eine Praktik, die im Hinblick auf den Umfang und die für den Einsatz von 5G in der Zukunft benötigten Dimensionen unhaltbar ist. 

Der Fortschritt im Feld der AOI-Technologie zeigt sich in der Fähigkeit der Leiterplatten-Hersteller, die 2D Messtechnik dazu einzusetzen, die Leiterbahnoberseite und deren Fuß automatisch zu untersuchen und zu messen. Diese innovative Prüffähigkeit kann bei hohen Durchsatz- und Abtastraten umgesetzt werden und garantiert eine bessere Gesamtausbeute für die Hersteller. Dies ist ein wichtiger Schritt in Richtung der Leiterplatten-Qualitätsniveaus, die für eine kosteneffiziente Einführung von 5G benötigt werden.

Die bevorstehende Ankunft von 5G wird überall groß verkündet, aber ihre Umsetzung wird Änderungen und kontinuierliche Innovationen in einer Vielzahl von Technologien nach sich ziehen. Die Hersteller, als die wirklichen Vermittler dieser massiven Umwandlung, müssen sich deshalb an die Spitze dieser Innovation stellen, um deren Qualität und Zuverlässigkeit sicherzustellen. Die Weiterentwicklung der AOI Technologien, die benötigt wird, um 5G Systeme mit hoher Frequenz und niedriger Latenz durch schnellere Leiterplatten-Überprüfung und -Verifikation mit hoher Präzision zu unterstützen, stellen ein kleines repräsentatives Beispiel dafür dar.

Von Benny Solomon, AOI und AOS Marketingdirektor, Orbotech

5G, oft als der Schlüsselfaktor der “Vierten Industriellen Revolution” bezeichnet, ermöglicht durch die zuverlässige Verbindung großer Mengen von Geräten den Einsatz drahtloser Lösungen für Anwendungen in vielen Industriezweigen und bietet eine extrem niedrige Kommunikationsverknüpfungs-Latenz und Gigabit-Geschwindigkeiten.

5G kann Millionen von IoT (Internet der Dinge) - Geräte in einem dichten Stadtraum drahtlos verbinden und so stadtweite Fernerkundungs- oder Signalfeuer-Netzwerke ermöglichen. Konnektivitätsmodule sind effektive Einsatzlösungen und ermöglichen es vorzertifizierten 5G-Funkgeräten, einfach in massive IoT-Netzwerke integriert zu werden. Module verlassen sich darauf, dass fortschrittliche Herstellungstechniken wie hochdichte System-in-Package (SiP) Baugruppen, einschließlich der Einbettung aktiver und passiver Elemente in das Modul-Substrat, und die Benutzung passiver Komponenten mit höchster Leistungsfähigkeit, die benutzten fortschrittlichen ICs vervollständigen. Neuartige Stromspeichertechnologien sind ebenfalls hilfreich, einschließlich kontaktloser Niederspannungs-Batterien oder Energiegewinnung durch Solarzellen oder andere Quellen, die die Unabhängigkeit von Geräten erhöhen.

5G wird durch die Öffnung neuer Frequenzbänder wie die Millimeter-Wellenbereich (mmWave) – Bänder über 20 GHz die Datenstaus der Mobilfunknetze eliminieren und gleichzeitig eine drahtlose Übermittlung mit ultrahoher Geschwindigkeit ermöglichen (selbst in Umgebungen mit hohem Verkehr). Am Anfang wird die 5G mmWave höchstwahrscheinlich von Mobilfunkcarriern dazu benutzt werden, Haushaltskunden und SOHO-Kunden drahtlosen Gbit Festnetzzugang zu bieten. Der nächste Schritt wird darin bestehen, 5G mmWave dazu zu benutzen, Gbit Mobile wie Livestreaming Player´s Eye 4K Video während eines wichtigen Spiels an Geräte eines Massenpublikums zu übertragen. Dies erfordert neue Antennen und RF-Filter, die auf neuartigen Keramiken und anderen Materialien basieren. Diese fortschrittlichen mmWave Komponenten werden für tragbare Geräte und Netzwerk-Infrasturktur-Basisstationen benötigt, bei denen massive MIMO-Antennen zur dynamischen Strahlschwenkung dazu benutzt werden, die Netzwerkkapazitäten zu erhöhen.

5G wird Unternehmen und das alltägliche Leben verändern. Hochleistungsfähige Elektroniken, einschließlich der neuesten passiven Komponententechnologien, sind unabdingbar, um die Hardware entwickeln zu können, die benötigt wird, um 5G zur Realität werden zu lassen.

Von Michael Chinn, stellvertretender Geschäftsführer ICT Group, Electronic Components Sales & Marketing Group, leitender Vizepräsident, TDK

Funkzugangsnetzwerke werden in Vorbereitung auf 5G gerade einem grundlegenden Transformationsprozess unterzogen. Bestehende Punkt-zu-Punkt CPRI-Netzwerke zwischen Funkkopfstationen und Basisband-Einheiten werden druch Ethernet-basierte eCPRI-Lösungen abgelöst. Diese Lösungen bieten einen flexibleren, skalierbaren Weg, die von 5G benötigten höheren Bandbreiten zu unterstützen. Diese Umstellung spornt die Entwicklung und Umsetzung spezialisierter Pre-5G Funkzugangs-Geräte an, die die Kapazität und Abdeckung der Netzwerke erhöhen. Neue Designs für kleine Zellen, verteilte Antennensysteme, massive MIMO und andere Pre-5G-Funkgeräte sehen sich neuen Entwicklungs-Herausforderungen gegenüber, da sie gleichzeitig LTE- und Ethernet-Konnektivität unterstützen müssen. Dies stellt einzigartige Anforderungen an Timing-Lösungen, die LTE Clocking mit geringem Phasenrauschen, Low-Jitter Ethernet Clocking und System Clocking unterstützen müssen.

Eine weitere entscheidende Neuerung ist bereits im Gange, da Metronetze und Edge-Netze auf höhere Bandbreiten aufrüsten, um der großen Nachfrage nach Video-Streaming und mobilen Daten gerecht werden zu können. Im Moment gehen auch auf der physikalischen Schicht eine Vielzahl von Neuerungen vor sich, da Ethernet Switches / PHYs, FPGAs und ASICs von 28 Gbps non-return-to-zero (NRZ) SerDes zu 56 Gbps und 58 Gbps PAM4 phase-amplitude modulation SerDes migrieren. PAM4 packt auf einem seriellen Kanal mehr Bits in die gleiche Zeitmenge, indem es vier Zustände in jeden Zyklus drückt. Das resultierende Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) muss viel besser werden, um sicherzustellen, dass sich die Bitfehlerrate der Verknüpfung nicht erhöht. Dies verstärkt wiederum den Bedarf an Low-Jitter-Taktgebern und Quarzoszillatoren (XOs), um Referenzzeiten für 56G PAM4 SerDes bereitstellen zu können.   

Von James Wilson, Leitender Marketingdirektor, Timing Products, Silicon Labs

Die spannende Entwicklung von 5G wurde von den kürzlich angekündigten 3GPP Standards in Gang gebracht; Datenträger kündigen bereits erste Umsetzungen noch im Jahr 2018 an. Aus der Perspektive des Funks behandeln OEMs und Operatoren diese ersten Umsetzungen als die natürliche Entwicklung bestehender 4G Netzwerke und Architekturen. Ihre ersten Schritte werden darin bestehen, diese Architektur durch die Hinzufügung weiterer MIMO, die Aufspaltung der Antennen in kleinere Teile und Aufstellung eines Sender-Empfängers hinter jede Antenne, ähnlich der 4G/LTE-A Pro Massive-MIMO Strategie, die bereits in China und Japan validiert wurde, im herkömmlichen Sinne weiterzuentwickeln. Diese Lösung, die zwar nicht das Potential einer vollständig aktiven Antennengruppe erschließt, benutzt weniger komplexe Hardware und weniger Sender-Empfänger-Pfade, wodurch die Anfangskosten niedrig gehalten werden, und viele Hersteller setzen auf diese natürliche stufenweise Weiterentwicklung.

In der Tat wird bei dieser Lösung ein Sender-Empfänger mit niedrigerer Leistung hinter jede Antennen-Untergruppe gestellt – eine typische Antennengruppe mit 192 Elementen, bestehend aus 12 Reihen, acht Kolonnen und zwei Polarisierungen, wird von 64 Sender-Empfängern angetrieben. Normalerweise ist eine solche Umsetzung etwa 0,8 Meter hoch und 0,4 Meter breit und passt komfortabel in die Grundfläche einer bestehenden Makrozellen-Antenne.

Da die erhöhte Anzahl an Sender-Empfängern, kombiniert mit größeren Bandbreiten, eine enorme Menge an Rohdaten erzeugen wird, bringt die Verfügbarkeit von kostengünstigen Hochgeschwindigkeits-Fronthaul-Lösungen sowie die Faserkapazität Geräteverkäufer dazu, die Partitionierung von Lösungen zu überdenken. Der neue eCPRI Standard reduziert den Bandbreitenbedarf für Fronthaul-Netzwerke durch die Integration der CPRI Bearbeitungsfunktion in die RRU. Allergings bieten neu auftauchende kostengünstige 100G Optiken den Carriern die Möglichkeit, CPRI für zukunftssichere RRU Umsetzungen zu benutzen.

Die 5G Standards wurden zwar gerade erst festgelegt, aber es kann mit Sicherheit gesagt werden, dass die Hersteller auf der ganzen Welt bereits beschäftigt sind!  

Von David Ryan, Leitender Geschäftsentwicklungsmanager und Strategisches Marketing-Manger, MACOM