5Gプリント基板

プリント基板とは、様々な機器の電子部品を構築するための主要な構造体です。電子機器の電子接続を可能にするだけではなく、プリント基板はデジタル信号、アナログ信号、高周波信号を、受信?送信します。現在のほとんどの機器のプリント基盤は、4Gプリント基板で構築されています。つまり、それらの機器は4Gシステムに合わせて設計されているのです。4Gネットワークは、5Gと比較すると速度と帯域幅のチャンネルが低速になります。より具体的に言うと、4Gシステムは600MHzから5.925Hz、つまり6GHz以下の周波数で機能するということです。

しかし、最近では、世界は超高速信号伝送を行う5Gネットワークへと徐々に向かっています。5Gネットワークの登場により、モバイル機器や通信機器などのデバイスには、5Gに適した高速プリント基板が必要になります。これは、5Gネットワークでは、アプリケーションの種類に応じて、26GHz、30GHz、77GHzといったより高い周波数領域での動作が求められるためです。これにより、5Gネットワークは4Gネットワークの10倍の速度になります。5Gでは、10～20倍の伝送速度、100倍のデータ容量、1平方キロメートルあたり10倍の接続数を提供することを目指しています。また、1ミリ秒のレイテンシーを提供することも求められています。

図1. pcbgogo.comで製造された5Gプリント基板

5Gネットワークは、より高い周波数とデータレートをサポートしているため、プリント基板設計者は、5Gをサポートする高周波の5Gプリント基板を設計するために様々な方法を採用する必要があります。しかし、これには課題が伴います。この記事では、5Gプリント基板が抱える設計上の課題と、それを克服するためにできることを探っていきます。5Gネットワークをサポートする高機能な5Gプリント基板を設計するために、使用できる最良の技術をいくつか探ります。また、5G プリント基板アプリケーションの、主要なアプリケーションについても知ることができます。5Gプリント基板についてもっと知りたい方も、5Gプリント基板について十分な情報を得た上で決定したいと思う方も、この記事は役に立つでしょう。では始めていきましょう。

5Gプリント基板設計の課題とその解決策

先に述べたように、5Gプリント基板の設計にはいくつかの課題があります。以下では課題とその解決策をご紹介します。

熱管理の課題

5Gシステムはより高周波数で動作するため、大量の熱が発生します。熱伝導率の低い材料を5Gプリント基板に使用してしまうと、銅トレースの剥がれや反り、縮みや剥離などが発生し、5Gプリント基板にダメージを与えてしまいます。

高温を適切に管理するためには、高い熱伝導率や熱係数の高い材料を使用する必要があるのです。優れた熱伝導率と、安定した誘電率を持つ材料は、5Gアプリケーションの要求に対応できる5Gプリント基板の製造に役立ちます。

EMIシールド

5Gネットワークのニーズに共通する課題は、EMI（電磁気妨害）、クロストーク、寄生容量です。これらの課題を克服する確実な方法は、基板上のトレースを分離することです。マルチレイヤープリント基板を使用することで、高速のトレースを分離し、アナログ信号とデジタル信号の信号経路を互いに離して配置し、DC（直流、定電流）とDCの回路を確実に分離することができます。

基板上の信号劣化の問題や、欠陥を特定して対処するためには、自動光学検査（AOI）や２次元計測技術を用いて、銅トレースを検査?測定することが不可欠なのです。

極めて高い周波数

5Gネットワークに超高周波（EHF）を採用することは、プリント基板設計者にとって大きな課題です。なぜかというと、5Gのミリ波は視線方向に移動するので、建物や雨?湿気などの悪天候の状況に遭遇すると、大量の減衰が発生してしまうためです。

この問題を対処するには、5Gシステムをサポートするためにより多くの基地局を用意する必要があります。ビームフォーミングを可能にするためには、複数のフェーズドアレイアンテナが必要になってきます。つまり、モバイル機器や基地局は、複数のアンテナアレイユニット（AAU）と、Massive MIMO（マッシブ マイモ）技術を搭載した5Gプリント基板を持つということになります。

図2. 5Gビームフォーミング

チャンネルひとつ当たりの高い帯域幅

5Gネットワークが5Gプリント基板の開発にもたらすもう一つの大きな課題は、チャンネルひとつ当たりの高い帯域幅です。4Gネットワークを支える機器やインフラでは、1チャンネルあたりの帯域幅は20MHzが使用されています。一方、5Gネットワークでは、6GHz以下で100MHz、6GHz以上で400MHzの周波数が必要になります。このような5Gネットワークの仕様を実現するためには、誘電体の伝送損失が小さく、熱伝導率の高い材料が必要になります。この理由は主に、RFフロントエンドが5Gのプリント基板に直接追加されるためです。6GHzを超えて動作するアプリケーションでは、5Gプリント基板のミリ波帯周波数に合ったプリント基板材を使用しなければなりません。

図 3．5G?4Gネットワークの特徴

5Gプリント基板の設計上の留意点

5Gプリント基板を設計する際の設計者の主な目標は、様々な5Gアプリケーション用に作られた基板が、混在している高速信号と高周波信号を管理できるようにすることです。また、優れたシグナル?インテグリティ、適切な熱調節、および優れたインピーダンス制御を提供することのできる5Gプリント基板の設計も目標としています。

熱伝導率と誘電率の熱係数は、5Gプリント基板を設計する際に考慮すべき2つの重要なパラメータとなるのです。

5Gプリント基板を効率的に製造するための設計上の主な注意事項は、以下の通りです：

● 非常に薄いラミネートを使用すると、共鳴波が発生する可能性があるので避けてください。また、薄いラミネートは、周波が導体を流れてしまう原因になります。

● 5Gプリント基板の設計者は、アナログ信号を制御する部品と、デジタル信号を制御する部品の間で発生する電磁気妨害（EMI）を防ぐ必要があります。

● 伝送線路には適切な導体を使用してください。選択可能な導体としては、マイクロストリップライン、ストリップライン、グラウンデッドコプレーナ型伝送路（GCPW）などがあります。これらの導体には長所と短所があります。マイクロストリップラインは最も一般的な導体ですが、30GHzを超えると放射損失が発生します。ストリップラインは優れた導体ではありますが、製造が困難です。それはさておき、ストリップラインとマイクロビアは最上層に接続する必要があります。グラウンデッドコプレーナ型伝送路（GCPW）は優れた導体ですが、マイクロストリップラインやストリップラインに比べて導電損失が大きくなります。

● 5Gプリント基板には、プリント基板の部品から発生する熱を逃がすため、熱伝導率の高い材料を使用してください。

● 誘電率の低いプリント基板材料を使用してください。誘電率が低いと、周波の速度が速くなり、伝送損失が最大で30%減少してしまいます。

● 最高動作周波数の波長の1/4から1/8の厚さの材料を使用してください。

● 5Gプリント基板のソルダーレジストは吸湿性が高いため、少量を塗布してください。5Gプリント基板は吸湿性が高いため、ソルダーレジストを少量にしてください。ソルダーマスクを多くすると吸湿性が高くなり、誘電損失が大きくなります。

● 基板上の銅トレースは平滑なものを使用してください。粗いもの、または不規則な銅トレースを使用すると不規則な回路になり、5Gプリント基板の抵抗損失が増加してしまいます。

● 5Gプリント基板の正確な跡線と直線的な壁を確保するために、セミアディティブ法を採用してください。従来の製造方法では、インピーダンス?トラックに影響を与える台形の断面になることが多いため、セミアディティブ法は従来の製造方法よりも有利なのです。

●5Gプリント基板が高品質であることを保証するために、基板の自動検査をしっかりと行ってください。これは基板上のエラーや、非効率な部分を検出して修正するのにも役立ちます。手動検査とは異なり、自動検査は製造時の時間を大幅に短縮し、コストを削減します。

マルチレイヤー5Gプリント基板

5Gネットワークの仕様では、5Gデバイスとインフラストラクチャーは、より高い周波数、高温、チャンネルひとつ当たりの高い帯域幅で動作することが求められます。そのため、5G機器やインフラには、5Gネットワークの要件を満たすための多層基板が必要です。5Gプリント基板とは、3つ以上の層を積み重ねて1枚の基板にした多層プリント基板のことです。5Gプリント基板の層数は、その用途によってそれぞれ異なります。多層基板の各層には、回路部品が実装されています。

多層基板は、単層基板や両面（2層）基板に比べて、積み重ねる層数が多く非常に強力なので、大きな回路部品を搭載することができます。多層基板のユニークなデザインと特性は、5Gプリント基板のような複雑なアプリケーションに最適です。

多層基板には、5Gプリント基板のような高周波基板の製造において、いくつかの利点があります。その複数の利点は以下の通りです：

● 5Gプリント基板上で、効率的且つ優れた配電を可能にします。

● 5Gデバイスや、その他の高周波基板アプリケーションに大量の電力を供給することができます。

● 5G基板やデバイスを、高速且つ大容量で動作させることができます。この理由は、主に多層構造によってより多くの回路接続が可能になるためです。

● 5G基板の適切な熱管理を可能にします。

● 多層基板は、5Gプリント基板上の高速トレースを分離するのに役立ちます。また、アナログ信号とデジタル信号の各ルートが互いに離れて配置されており、DC（直流、定電流）とDCの回路が確実に分離されます。

図4．5Gプリント基板

5Gプリント基板の用途

5Gプリント基板は、様々な業界で様々なアプリケーションがあります。5Gプリント基板の一般的なアプリケーションは、以下の通りです：

高速セルラーネットワーク

5Gでは高速通信が可能なため、メッセージや通話などのサービスにおいてより高速な通信が可能になります。このような高速化により、未送信のメッセージや通話の中断などの問題がなくなり、通話や大量のテキストメッセージをより高速に実行することが可能になります。

スマートホーム

5Gプリント基板は、携帯電話やiPadなどのデバイスと家庭内のスマートデバイスをワイヤレスで接続し、家庭内の活動を監視?制御することを可能にします。また、5Gネットワークの超高速通信により、携帯電話で中国中央電視台のライブ映像を見ることができます。

物流

5Gで作られたモバイル端末は、高速の5Gネットワークに接続することで、モバイル端末上で物流をスムーズに追跡することができます。また、携帯電話を使ってオンラインで貨物を適切に管理?配送することも可能になります。

エンターテイメント

5Gネットワークの高速性により、5Gプリント基板を搭載したモバイル端末では、Netflixでお気に入りのライブショーや映画を、破損することなく見ることができます。更に何があるでしょうか？それは、お気に入りのビデオを圧倒的な速さでダウンロードできます。

医療手術

5Gの高速通信により、患者の手術や移植を行う際にライブ映像を表示させることができます。

最終的な考察

世界は5Gネットワークに向かって進んでおり、このことは電子社会に素晴らしい機会をもたらします。ですが、プリント基板メーカーにとっては、5Gを採用できる適切なプリント基板を製造しなければならないという課題でもあります。この記事では、5Gがもたらす大きなチャンスについて考えてきました。また、5Gプリント基板の設計においてメーカーが直面する色々な課題と、様々なアプリケーションに対応した互換性のある効率的な5Gプリント基板を設計するために、それらの課題にどのように対処できるかについても見てきました。5Gプリント基板の設計においてメーカーが直面する課題には、熱管理の問題、EMIシールド、超高周波、チャンネルごとの帯域幅などがあります。

プリント基板メーカーは、この記事で紹介されている推奨設計のヒントに従うことで、5Gネットワークの要件を満たす高機能な5Gプリント基板を製造し、5Gが提供する巨大な機会を利用することができます。5Gプリント基盤のすべてのニーズを満たすために、信頼できるプリント基板メーカーをお探しの場合には、PCBgogoはお客様の最良の選択肢です。PCBgogoは、最短2～3日という短納期のプリント基板試作をご提供いたします。お客様のプロジェクトが急を要する場合は、12時間および24時間以内の特急サービスもご利用いただけます。弊社は最先端の機械と手順を用いて、最先端の施設でお客様のプリント基板試作の要求をすべて処理いたします。

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