Auswahl von PCB-Schaltungsmaterialien und deren Einfluss auf verschiedene Frequenzbänder von 5G

Die Umstellung auf 5G wird für viele Branchen eine wichtige Entscheidung sein, aber die Umstellung hängt von ihren Anwendungen und Tätigkeiten ab. Einige Branchen müssen die neue Technologie schnell übernehmen, um wettbewerbsfähig zu bleiben, während andere sich vielleicht Zeit lassen wollen. Unabhängig davon, in welcher Branche Sie tätig sind, sollten Sie die potenziellen Kosten berücksichtigen, die mit der Verwendung neuer Hochgeschwindigkeitsmaterialien verbunden sind. Die Stapelzeit für Leiterplatten kann sich mit Hochgeschwindigkeitsmaterialien erheblich verlängern, so dass es sich lohnt, sich Zeit zu nehmen, um die richtige Entscheidung zu treffen.

Dielektrizitätskonstante

Bei der Auswahl des Leiterplattenmaterials ist die Dielektrizitätskonstante ein wichtiger Faktor. Sie bestimmt, wie schnell sich das Material ausdehnt und zusammenzieht, wenn es einer Temperaturveränderung ausgesetzt wird. Die Wärmeleitfähigkeit von Leiterplattenmaterialien wird in der Regel in Watt pro Meter und Kelvin gemessen. Verschiedene dielektrische Materialien haben unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten. Kupfer zum Beispiel hat eine Wärmeleitfähigkeit von 386 W/M-oC.

Bei der Auswahl des Leiterplattenmaterials ist zu beachten, dass die effektive Dielektrizitätskonstante des Substrats die Geschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen beeinflusst. Die Dielektrizitätskonstante des Leiterplattensubstrats und die Geometrie der Leiterbahnen bestimmen, wie schnell sich ein Signal durch den Schaltkreis bewegen kann.

Die Dielektrizitätskonstante ist ein wichtiger Faktor bei der Auswahl von Leiterplattenmaterialien für 5G-Netzwerke. Eine hohe Dielektrizitätskonstante absorbiert elektromagnetische Signale und verschlechtert die Empfindlichkeit der Kommunikation. Daher ist es wichtig, Leiterplattenmaterialien mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante zu wählen.

Spurendicke

Der Frequenzbereich der 5G-Technologie ist größer als bei den bisherigen drahtlosen Kommunikationstechniken. Dies bedeutet, dass kürzere Strukturen anfällig für die Anregung durch die Signale sind. In der Regel beträgt die Wellenlänge einer einzelnen Leiterbahn einen Zentimeter. Bei diesem Frequenzbereich kann eine einzelne Leiterbahn eine hervorragende Empfangsantenne sein. Je breiter jedoch der Frequenzbereich wird, desto empfindlicher wird eine Leiterbahn. Daher ist es wichtig, den besten Abschirmungsansatz zu finden.

Die Frequenzbänder des 5G-Standards sind in zwei Teile unterteilt - das Low-Band und das High-Band. Das erste Band ist der Millimeterwellenbereich, während das zweite Band unterhalb der 6-GHz-Schwelle liegt. Das Band um 30 GHz und 77 GHz wird für das Mobilfunknetz genutzt.

Das zweite Band ist das Low-Band, das im Energiesektor häufig zur Kommunikation mit abgelegenen Windparks, Bergbaubetrieben und Ölfeldern verwendet wird. Es wird auch für die Verbindung intelligenter Sensoren in der Landwirtschaft verwendet. Das 5G-Mittelband, das im Bereich von 1,7 bis 2,5 GHz sendet, bietet ein gutes Gleichgewicht zwischen Geschwindigkeit und Abdeckung. Es ist darauf ausgelegt, große Gebiete abzudecken und relativ hohe Geschwindigkeiten zu bieten, die immer noch schneller sind als das, was man mit dem heimischen Internet erreichen kann.

Kosten

Bei der Herstellung elektronischer Produkte ist die Wahl der Materialien für Leiterplatten von entscheidender Bedeutung. Bei der Herstellung von Hochfrequenzbändern, wie z. B. 5G, gibt es viele Herausforderungen. Glücklicherweise hat PCBA123 Materialfamilien entwickelt, die die Anforderungen für diesen neuen Frequenzbereich erfüllen.

Die in 5G-Netzen verwendeten höheren Trägerfrequenzen ermöglichen höhere Datenraten und geringere Latenzzeiten. Dies wird eine größere Konnektivität für eine viel größere Anzahl von Geräten ermöglichen. Dies bedeutet, dass 5G durchaus der Standard für das Internet der Dinge sein könnte. Mit der Erweiterung des Frequenzbandes steigt jedoch auch die Komplexität der Geräte.

Glücklicherweise gibt es einige Möglichkeiten, die Kosten für Leiterplatten zu senken. Eine Möglichkeit ist beispielsweise die Verwendung verlustarmer Flüssigkristallpolymere, die eine niedrigere Tg aufweisen. Diese Option kann zwar die Kosten senken, bringt aber neue Probleme mit der Permittivität mit sich. Alternativ können die Hersteller auch flexible Keramiken und Polyimide verwenden, die sich besser für Niedrigtemperaturanwendungen eignen.

Thermische Ausdehnung

Hochfrequenz-Leiterplattenschaltungen erfordern Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungseigenschaften. Während FR-4 das am häufigsten verwendete Material für Hochfrequenzschaltungen ist, gibt es auch viele andere Materialien, die zur Verlustminimierung verwendet werden können. Zu diesen Materialien gehören reines Polytetrafluorethylen (PTFE), keramikgefülltes PTFE, Kohlenwasserstoffkeramik und Hochtemperatur-Thermoplast. Diese Materialien weisen unterschiedliche Dk-Werte auf, und der Verlustfaktor hängt von Oberflächenverunreinigungen, der Hygroskopizität des Laminats und der Herstellungstemperatur ab.

Die in der 5G-Technologie verwendeten Leiterplattenmaterialien müssen höheren Temperaturschwankungen standhalten. Eine höhere thermische Beständigkeit wird es ermöglichen, Leiterplatten in den bestehenden Anlagen für die Leiterplattenverarbeitung zu verarbeiten. Darüber hinaus werden für die 5G-Technologien hochwertigere Leiterplattenmaterialien benötigt. Isola MT40 zum Beispiel ist ein Material mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten in Dickenrichtung, mit einem Dk/Df von 0,03, was darauf hindeutet, dass es für Hochfrequenzanwendungen geeignet ist.

Um die Signalintegrität zu gewährleisten, werden für 5G-Systeme Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzkomponenten benötigt. Mit einem effektiven Wärmemanagement können diese Komponenten so gestaltet werden, dass sie mit der höchstmöglichen Geschwindigkeit arbeiten. Die thermische Leitfähigkeit (TCR) ist eine Eigenschaft, die die Dielektrizitätskonstante eines Substrats in Abhängigkeit von der Temperatur misst. Wenn ein Schaltkreis mit hohen Frequenzen betrieben wird, erzeugt er Wärme und verliert an dielektrischer Leistung.