FS Technologyによる5G PCBAの包括的分析

概要2012年以降、5G信号が私たちの視野に入り、5G時代の到来とともに通信業界は大きな変化を遂げました。5G基地局のAAU高周波PCBAは従来のグリッドアイソレーションに代わり、5Gの周波数帯は高周波に広がり、高周波銅張積層板の世界的な需要が増加しています。

5G信号の紹介

5Gとは

通信技術の革新に伴い、5Gの話題が多くなっています。しかし、ほとんどの人は、5Gの本当の意味を知らず、5Gがより速く、より高価であることだけを知っています。社会全体にとって、5Gは技術進歩を促進する鍵になります。5Gは、ドライバーレス技術、遠隔医療技術、仮想投影技術など、幅広い応用が期待されています。

5Gとは、第5世代移動通信網の頭文字をとったものです。無線通信と有線通信(光ファイバーなど)の最大の違いは、信号を電波で送るか、媒体で送るかである。1Gから5Gへの反復更新では、基本的に電波の周波数を変えただけです。5Gの信号が速いのは、より高い周波数の電波を使うからです。周波数が高いほど多くのリソースを得ることができ、より多くの情報を同時に運ぶことができ、最終的には高速な信号を実現することができます。次のFS技術では、ドライバーレス技術を使って、5G信号の仕組みを紹介します。

ドライバーレス技術は、各種センサーで道路状況を収集し、収集したデータをデータ管理センターに送信し、最終的にクルマに指示を返すことで自動運転を実現する。この一連の動作の中で、データ伝送の速度と整合性が全体の難しさになります。自動運転車では毎秒約1GBのデータが生成されると言われており、従来の4Gネットワークではこのような膨大な情報を短時間でダウンロードすることができません。しかし、5G PCBA技術の進歩により、技術者はネットワークのデータ伝送速度の理論値を10Gb/sまで高め、1秒間に1.25GBのデータコンテンツをダウンロードすることができるようになったのです。こうして、無人運転が可能になったのです。

5G PCBと無人運転

5Gの電波と4Gの電波の違いについて

速度差。

ここが一番当たり前に感じるところです。4Gの平均速度が100Mbps程度であるのに対し、5Gのネットワークは4Gの100倍となる10Gbpsという驚異的な速度に到達します。

ディレイの違い。

ビデオ通話やゲームに表示されるのは、信号の遅延が原因です。4Gネットワークの遅延は約30~50msですが、5Gネットワークを使用すると遅延は1msに短縮されます。

互換性の違い

4G携帯電話は4Gネットワークしか受信できないので、使用するネットワークとは関係ありませんが、旧バージョンの 4G PCBA は携帯電話内部で使用されるため、ネットワークの互換性は強くありません。これに対し、5G携帯電話は5Gネットワークだけでなく、4G、3G、2Gのネットワークにも対応し、互換性が高い。以下、互換性不足の原因となる問題点を詳しく説明する。

原価の差

多くの人が、同じサイズのファイルをダウンロードする場合、5Gと4Gの利用コストは同じだと誤解しています。ダウンロードするデータ量は同じですが、5Gネットワークの単位トラフィックのコストは4Gよりも高くなります。

5G PCBAがもたらす課題

5Gプリント基板

5G技術の継続的なブレークスルーに伴い、コスト要因に基づいて、ハイエンドの電子機器への適用が大きくなっています。自律走行や遠隔医療など、人の健康に密接に関わるアプリケーションの場合、人々はエラーに対してほぼゼロの許容範囲を持っています。しかし、ネットワークに接続される機器が増えるにつれ、セキュリティ性能の欠点が徐々に露呈し、これらのアプリケーションのリスクは指数関数的に増大する。エレクトロニクス製造業の中核を担う末端企業として、我々ターンキーPBCAアセンブリ企業の責任はますます重くなっています。通信の継続性とデータ伝送の正確性の観点から、5G PCBAは以下のような課題に直面しています。

信号伝送の完全性

のしきい値として 5G PCBAアプリケーション シナリオはますます高くなり、回路基板メーカーに高周波化と小型化という製造上の二重の課題をもたらしています。高周波化に対応するため、設計の初期段階からI/Oの最適化、トレースの細線化が必要でした。で 高周波PCBA 基板設計レベルでは、トレースを薄くすることは、信号劣化のリスクを負うことを意味します。製造された回路基板の物理的特性が当初の設計の期待にそぐわない場合、RF 信号の伝送に遅延が発生することがあります。従来のエッチングによるディテーリングでは、基板を製造する際にトレースの断面が変になり、インピーダンスが異常に高くなることがあり、期待に応えられないのです。

信号出力の完全性を確保するためには、半製品の加工プロセスを改善することで、上記の問題を本質的に解決し、トレースをより正確にし、この予見可能なリスクを低減することができます。

5Gプリント基板の製造がどのような方法であってもフールプルーフであることを保証するために、FS Technologyは中国での製造工程に複数の品質検査リンクを設定することを推奨しています。FS Technologyは、生産と組み立ての品質を保証するために、作業場の複数の出口に手動目視検査窓を設置し、SMT組み立て完了後にAOI自動光学検査を実施し、完成品完成後に二次目視検査を実施しています。

5G PCBAの信号受け入れ互換性問題

5Gの信号について、多くの人が一番感じているのは、速度の飛躍です。実際、無線ネットワークの速度を向上させるために、研究者は多くの方法を用いてきましたが、例外なくすべて失敗してきました。しかし、Massive MIMOの技術を使うことで、この問題は完全に解決されます。Massive MIMOは、基地局や端末が使用するアンテナの数を増やすマルチアンテナ技術です。しかし、この技術は完璧ではなく、問題を解決する一方で、一連の問題をもたらします。本章では主に5G PCBAに焦点を当て、携帯電話との互換性に影響を与える問題点のみを紹介します。Massive MIMOを使用すると、信号の送受信の効率問題を解決できますが、4G携帯電話では壊滅的です。

4G携帯電話が信号を受信するための回路基板は、旧来の4Gや3GのPCBAです。使用に支障はありませんが、電子部品の送受信周波数が制限されます。4G PCBAの受信周波数帯域は600MHz〜5.925GHz、帯域チャネルは20MHz、IoTシステムは200kHzで、5Gの高周波信号の受信条件を満たせません。5G携帯電話の回路基板は、部品の送受信周波数を28GHz、30GHz、中には77GHzのミリ波周波数まで上げる設計になっています。帯域幅のチャンネルで言えば、5G情報システムは6GHz以下、400MHz以上の周波数を扱えるようになっています。

信号受信の変化に対応するため、ターンキーPCBA会社は、プリント基板の銅線のインピーダンス制御に加えて、使用する基板材料も更新する必要がある。通常のプリント基板の場合、その誘電率の標準は通常3.5~5.5であり、高速・高周波を必要とする5G PCBAには到底及ばない。そこで、PCBA各社は、誘電率が3程度と低い新材料の探索に力を入れており、これによって信号損失を低減し、信号の精度や信頼性を向上させることを期待しています。

5G PCBAのEMI問題(電磁波干渉)

プリント基板のEMI問題

EMIとはElectromagnetic Interferenceの略で、仕事中の電子機器が他の電子製品に与える信号の遮蔽や干渉のことを指す。世界中のほとんどの政府が、他国の電子機器から発生する有害なEMIを規制しようとしているため、EMI問題はすべての電子製品メーカーが時間をかけて解決しなければならない問題なのだ。

現代の高速システムにおいて メカニカルアセンブリ 各社は伝導および放射電磁波を抑制するためにコネクタを更新しています。 現在、中国で最も使用され、最も効果的なコネクタは以下の通りです。TE DEUTSCHフィルターコネクター、Smiths Interconnectフィルターコネクター、AVIC光電角型フィルター接続シリーズなどである。

プリント基板において、EMI の漏洩を防ぐために、FS Technology では、高速信号トレースについて、以下のデザインルールを遵守することが必要であると考えます。

トレースシールドルール5G 高速 PCBA のトレース設計では、EMI 漏洩を防ぐために、クロックなどの主要な高速信号線をシールドする必要があります。FS Technologyは、シールド線に1000milあたりの穴を開けて接地することを推奨しています。

クローズドループとオープンループのルールのルーティング。5G PCBA のような高密度回路基板では、クロック信号が多層基板のトレースで閉ループと開ループのどちらを発生させても、ループアンテナが発生し、EMI の放射が促進されることになります。

特性インピーダンスの連続性ルール。高速信号の場合、スイッチング時の特性インピーダンスの連続性を異なる層で確保すること、つまり同一層の配線幅が連続すること、異なる層のトレースインピーダンスが連続することが必要です。

配線方向のルールライン間のクロストークを避けるため、隣接する2層間の配線は垂直配線の原則、つまり隣接する配線層は水平・垂直の配線方向ルールを守らなければなりません。

トレース長の共振則。トレース長が1/4波長の整数倍の場合、トレースは共振効果を持ち、電磁波が放射され、干渉問題が発生する。

リターンパスのルール放射の大きさは、信号の伝送経路とリターンパスで囲まれた面積に関係することが分かっています。したがって、5G信号のリターンパスを妨げないようにし、高速信号のリターンパスを少なくすることも戦略としてある。

デカップリングコンデンサを配置する際のルールです。デカップリングコンデンサが有効でないことが分かったら,それはデカップリングコンデンサの配置を間違えたためかもしれません。従うべき原則は,電源のピンの近くに,コンデンサを作ることです。 電源とグラウンドのトレースで囲まれた領域は最小にします。

5G PCBAの熱管理問題

5Gの信号は非常に高速な要件があるため、プリント基板はより多くのリソースを吸収し、より多くの電流を生成する必要があります。電流の数が増えれば、PCBA基板の表面で多くの熱が発生します。また、基地局の機能を高めるために、基地局用PCBAの多くは高周波、高速、多層、高密度な回路基板となっている。部品が密集しすぎた構造は熱を蓄積し、回路基板の放熱が困難になるという問題が発生します。そのため、銅線の剥離、層間剥離、縮小、反りなどの問題が発生する。従来のFR-4では、この問題を克服することができません。などの熱管理性能に優れた回路基板を使用する必要があります。 IMS PCBA.熱伝導率はFR-4の8~12倍で、高温用途に対応できます。

5G PCBAが回路基板業界にもたらす機会

5Gの開発は、大規模なデータコントロールセンターが前提であることが分かっています。前述したように、5Gの信号の速度は電波の周波数と正の関係があり、光の速さ=周波数×波長となります。信号には、媒体中の減衰率が周波数に依存するという特性があります。周波数が低いほど減衰は少なくなり、伝搬能力は高くなります。しかし、高周波の5G基地局では、伝搬中に信号が急速に減衰してしまうため、不利になります。つまり、5Gの信号伝送の問題を完全に解決するには、基地局の数と密度を上げる必要があるのです。現在のエレクトロニクス社会では、すべてのエレクトロニクス製品はプリント基板と切り離せません。このような大きな環境を踏まえ、エンドユーザーのハイエンド通信用PCBAに対する要求は限りなく高まり、PCBAに対する品質要求も高まっている。これは通信業界にとっては大きな出費ですが、我々PCBAメーカーにとってはチャンスです。

5G基地局はハイエンドPCBAの開発を促進する

5Gの開発は、大規模なデータコントロールセンターが前提であることが分かっています。前述したように、5Gの信号の速度は電波の周波数と正の相関があり、光の速度=周波数×波長となります。信号には特性があり、媒体中の減衰率は周波数に関係する。周波数が低いほど減衰が少なく、伝搬能力が高い。しかし、高周波の5G基地局では、伝搬中に信号が急速に減衰してしまうため不利になる。つまり、5Gの信号伝送の問題を完全に解決するには、基地局の数と密度を上げる必要があるのです。現在のエレクトロニクス社会では、すべてのエレクトロニクス製品はプリント基板と切り離せません。このような大きな環境を踏まえ、エンドユーザーのハイエンド通信用PCBAに対する需要は限りなく高まり、PCBAに対する品質要求も高まっている。これは通信業界にとっては大きな出費ですが、我々PCBAメーカーにとってはチャンスです。

5Gアンテナ基板の使用状況

5Gの高周波帯域に対する要求が極めて厳しいため、回路基板も高周波化の傾向を示さざるを得ない。現在、アンテナ基板のソリューションは炭化水素系PCBA基板が主流で、価格は約3000~6000元/平方メートルと、通常のプリント基板の2~3倍となっている。研究院工業が発表した通信産業レポートによると、4G時代にはエイサー建設が2倍になり、小型基地局も元基の10倍以上になるという。信号の受信能力を向上させるため、基地局は巨大なアンテナ技術「Massive MIMO」を採用し始め、これが5Gアンテナの需要が急増する要因となっています。5G基地局アンテナの大量導入で高周波PCBAが増加する一方、IDCや通信基地局の増加で高速PCBAの需要も出てくる。

基地局建設

信号伝送能力に対する社会のニーズに応えるためには、基地局を構築するために大量の回路基板を使用することに加え、RFフロントエンド部品の数を増やし、より高度な高速基板を使用することが必要である。そのため、基地局1台のPCBAコストは、4G時代の3倍にもなります。

技術的側面

基地局から送信される信号は指向性を持たず、回り込んで送信されます。先ほど、周波数が高いということは、それだけ多くのリソースを使うということであり、リソースの無駄遣いも多くなることを述べました。そのため、基地局を建設する際には、ビームフォーミング技術を使ってリソースを束ねることが必要です。ビームフォーミング技術とは、5Gのアンテナアレイを基地局に敷設し、RF PCBAの利点を活かしてRF信号の位相を制御する技術です。この技術により、ターゲットにより集中的に信号を送信し、ターゲットの動きに合わせて方向を調整することができ、基地局の精度を最大限に高め、基地局の容量を拡大することができます。

5G携帯電話におけるPCBAの影響について

5G時代の到来は、基地局の建設を増やすだけでなく、携帯電話の反復更新を加速させている。この現象の背景には、市場のニーズに応えるためだけでなく、前述した「Massive MIMO」がある。

5G携帯電話とPCBAの関係も共生しています。PCBAは5G信号の伝送速度と精度を保証し、携帯電話業界は2022年にPCBA業界に600億以上の機会増をもたらすと予想されています。

PCBA業界全体では、回路基板の応用分野は、5G通信、航空宇宙、家電、軍事機器、医療機器など、非常に多岐に渡っています。すべてのアプリケーション端末の中で、通信、コンピュータ、民生用電子機器が当社のPCBA産業の中心であり、それぞれ27%、27%、14%を占めています。

PCBAの技術革新と5G時代の到来により、世界的に買い替えが活発化している。工業情報化部の統計によると、2019年後半から、より互換性の高い5G携帯電話を製造するため、大手メーカーは高周波PCBA部品の購入と多層HDI回路基板の製造を大規模に開始しました。2022年の中国の携帯電話出荷台数は5億7,400万台まで増加すると予想されています。5G市場の推進に伴い、FS Technologyは、通信がPCBA業界のハイライトになると考えています。

5Gの発展が中国のPCBA産業に与える影響

5G PCBAの需要が高まって以来、中国のPCBA市場は過去最高を切り開いた。市場調査機関のデータから、2017年以降、中国のPCB生産量は世界生産量の50%以上を占めており、半分以上が中国から輸出されていることになります。銅張積層板の輸出で大きな成果を上げていますが、データをよく調べると、中国の5G PCBAの市場環境はまだ楽観視できないことが分かります。

CCLの産業チェーンは細分化されており、川上にはコンデンサー、抵抗器、集積回路などの電子部品が含まれる。中流は プリント基板製造を、組立、機械組立の各業界に分業化した。このグローバル化した産業チェーンの分業化は、1990年代に導入されたTSMCにどこか似ている。当時、TSMCのボスは欧米の技術を使い、台湾を中心にTSMCの研究開発と製造を行っていた。科学研究の進展に伴い、TSMCの製造はターンキー・プロジェクトから、焼成とパッケージング、そしてテストという2つの産業チェーンに移行している。つまり、TSMCの製造工程の70%近くは、欧米の先進国から始まり、日本や韓国に移り、最終的に台湾中国に流れているのです。その結果、コア技術は欧米で習得し、台湾は機械化された組立作業しかできない。これは、現在のグローバル PCBA 市場環境

中国の5G PCBAの輸出は世界全体の50%を占めるが、輸出されるCCLのほとんどはローエンドでシンプルな製品である。高周波PCBA、DHI PCBA、その他の高度な回路基板タイプは、依然として欧米諸国が独占しています。これらのより高度な銅張積層板については、中国本土での年率成長率、複合成長率は5%程度であり、産業全体の成長率から見るとかなり低い水準にある。

現在、中国における5G銅張積層板の生産量はかなり少なく、基本的な高速・高周波製品はまだ先進国からの輸入に頼っている。2015年、中国の高周波基板の輸出入量は約2万トン。

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