Die 5G-Netze sind da – was sind die Auswirkungen auf Unternehmen, die Gesellschaft und die Leiterplattenindustrie?

In Asien und in den USA ist der Umstieg auf die neue Mobilfunkgeneration 5G bereits in vollem Gange. Der Samsung-Experte Chris Shu rät allen Unternehmen, sich genauer anzuschauen, welche neuen Chancen diese Revolution mit sich bringt – und neue Wege zu beschreiten.

MEHR ARTIKEL ZU DIESEM THEMA:

Chris Shu arbeitete zur Jahrtausendwende als Geschäfts- und Produktentwickler in der Mobilfunkbranche. Als Berater unterstützte er Unternehmen dabei, ihre Strategien für die Einführung des 3G-Mobilfunkstandards in Europa zu optimieren. Dann war er bei Sony Ericsson in China in der Forschung und Entwicklung tätig, bevor er wieder ins Consulting zurückkehrte. 2010 stieg Chris Shu dann bei Samsung ein, wo er derzeit als Vice President, Head of Product Strategy arbeitet. Er ist global für die niedrig- und mittelpreisigen Mobiltelefone und für alle Mobiltelefonprodukte in China verantwortlich. Zurzeit läuft gerade die weltweite Einführung der fünften Mobilfunkgeneration 5G. Die Vorreiterrolle kommt dieses Mal jedoch anderen Ländern zu.

„Offizielle Schätzungen der chinesischen Regierung sagen voraus, dass 5G im Jahr 2035 mit 2 Billionen US-Dollar zum weltweiten Wirtschaftswachstum beitragen wird.”

Chris Shu
Vice President, Head of Product Strategy, Samsung

„Bei der 3G- und auch noch bei der 4G-Einführung gab es in Europa eine große Begeisterung. Das ist heute nicht der Fall. Bislang sind viele Leute in Europa eher auf die technische Terminologie von 5G fokussiert als auf die Möglichkeiten, die diese Technologie in der Praxis bietet“, so Chris Shu.

Asien und die USA bilden das Zentrum des Geschehens. Südkorea, China und die USA haben bereits 2019 mit der kommerziellen Einführung von 5G-Diensten begonnen, Japan folgt 2020. Bei allen Ländern, die vorne dabei sind, hat die Regierung den Umstieg zur Priorität erklärt. Dahingegen standen in vielen europäischen Ländern bislang Sicherheitsbedenken gegenüber bestimmten Ausrüstern im Vordergrund, während die Netzbetreiber vor den hohen Kosten zurückschreckten. Zudem sind viele Endanwender zufrieden mit dem, was sie bereits haben.

„Doch die Unternehmen und alle, die an der Spitze der Entwicklung mit dabei sein möchten, müssen anfangen, sich die Chancen dieser Technologie und das Potenzial für neue Geschäfte anzuschauen, die durch 5G möglich werden. Offizielle Schätzungen der chinesischen Regierung sagen voraus, dass 5G im Jahr 2035 mit 2 Billionen US-Dollar zum weltweiten Wirtschaftswachstum beitragen wird. Es ist höchste Zeit, dass die Menschen kreativ und aktiv verschiedene Szenarien für ihr derzeitiges Geschäft oder für komplett neue Geschäftsideen entwickeln, die der technologische Wandel ermöglicht“, so Shu weiter.

Bis 2025 werden schätzungsweise allein in China 500 Millionen Menschen 5G-Telefone nutzen, also ein Drittel aller Mobilfunknutzer. Entsprechend wird für Europa bis 2025 mit 200 Millionen und für die USA mit 189 Millionen 5G-Nutzern gerechnet. Die Coronavirus-Krise wird diese Entwicklung zunächst sicherlich verlangsamen, doch in den nächsten vier Jahren wird sich 5G immer mehr verbreiten. Netzwerkausrüster und Unternehmen, die am Aufbau der Netze beteiligt sind, werden von dem immer breiteren Einsatz der neuen Technologie profitieren – zumal 5G mehr Basisstationen benötigt als 4G und viele Orte, etwa Einkaufszentren und Bahnhöfe, eigene interne Netze haben werden.

5G wird einen Paradigmenwechsel bringen

Vor allem aber stellt der Umstieg auf 5G im Vergleich zu früheren Generationswechseln einen viel größeren Sprung dar. Wir sehen von Anfang an einen Paradigmenwechsel. Erstmalig wird es beim Mobilfunk nicht mehr in erster Linie um die Kommunikation zwischen Menschen gehen, sondern mindestens ebenso sehr um die Kommunikation zwischen Menschen und Dingen und die Kommunikation zwischen Dingen. Der Umstieg läuft gerade erst an, und somit gibt es massive neue Geschäftsmöglichkeiten, die genutzt werden wollen.

„So wie 4G das Leben des Einzelnen verändert hat, kann 5G die gesamte Gesellschaft verändern. Unternehmen müssen unkonventionell denken und dürfen sich nicht auf ihre aktuellen Geschäftsfelder, Geschäftsmodelle oder Arbeitsmethoden beschränken.“

Chris Shu
Vice President, Head of Product Strategy, Samsung

„So wie 4G das Leben des Einzelnen verändert hat, kann 5G die gesamte Gesellschaft verändern. Unternehmen müssen unkonventionell denken und dürfen sich nicht auf ihre aktuellen Geschäftsfelder, Geschäftsmodelle oder Arbeitsmethoden beschränken“, sagt Chris Shu.

Drei Aspekte von 5G sind entscheidend für diese Transformation: eine wesentlich höhere Übertragungsgeschwindigkeit, neue Möglichkeiten für die Echtzeitsteuerung und die Fähigkeit, praktisch jedes Ding mit dem Internet zu verbinden. 

„5G wird Geschwindigkeiten von vielen Gigabit pro Sekunde ohne Glasfaser ermöglichen. Das wird unsere bisherige Vorstellung davon, was schnelles mobiles Internet ist, komplett verändern. Und es werden ganz neue Anwendungen möglich, zum Beispiel in den Bereichen Entertainment, AR (Augmented Reality), VR (Virtual Reality), Fernunterricht und nicht zuletzt im Gesundheitswesen“, erklärt Chris Shu.

Ein Beispiel für eine Revolution beim Zuschauererlebnis kommt aus Südkorea. Dort hat der Netzbetreiber SK Telecom einen Service gestartet, bei dem Baseball-Fans dank unzähliger 5G-Kameras im Stadion in Echtzeit selbst den Kamerawinkel festlegen können, der auf ihrem Smartphone angezeigt wird. Zu den neuen Möglichkeiten gehören außerdem AR-gestützte virtuelle Meetings und VR-gestützte virtuelle Besuche, zum Beispiel im Museum.

„Im Gesundheitssektor sind viele Anwendungen vorstellbar. Beispielsweise bin ich an einem Projekt zur Entwicklung eines vernetzten tragbaren Ultraschallgeräts beteiligt, das präzise Ferndiagnosen ermöglicht. Sogar Telechirurgie wird mit 5G zur Realität.“

In der Fertigungsbranche werden dank Echtzeitsteuerung Smart Factories mit einem nochmals höheren Automatisierungsgrad möglich. Beim öffentlichen Nahverkehr macht 5G den Weg frei für wesentliche Verbesserungen. Hier sind selbstfahrende Busse ebenso denkbar wie ein Verkehrsmanagement, das die Bedürfnisse in Echtzeit erkennt und den Verkehr entsprechend anpasst. Ein weiterer Bereich ist die Landwirtschaft, wo durch Datenerfassung und Echtzeitmanagement, zum Beispiel bei der Bewässerung, die Erträge gesteigert werden können.

„Wenn alles miteinander vernetzt ist, verändert sich auch auf der gesellschaftlichen Ebene vieles. Diese Entwicklung hat zwei Seiten. Einerseits bringt sie der Gesellschaft mehr Sicherheit, weil Ressourcen effizienter genutzt werden können, auch bei Notfällen. Beispielsweise könnten bei einem Unfall alle notwendigen Ressourcen automatisch an den Unfallort geführt werden. Die Gefahr ist allerdings, dass durch die Vielzahl an Kameras und Sensoren im öffentlichen Raum der Datenschutz leidet“, sagt Chris Shu.

Der Umstieg auf 5G bietet zudem verschiedene Chancen, um die Kosten für die benötigten Ressourcen wieder einzuspielen. Wie die Baseball-Übertragungen von SK Telecom zeigen, können Mobilfunkanbieter zu Medienanbietern werden oder beispielsweise soziale Netzwerke aufbauen. Diese potenziellen Einnahmequellen können helfen, die hohen Investitionen zu rechtfertigen, die für die Betreiber anfallen.

„Natürlich werden die Anbieter von Endgeräten – wie etwa Samsung oder unsere chinesischen Wettbewerber – sehr von dem Umstieg profitieren. Im hochpreisigen Segment sind bereits verschiedene 5G-Telefone verfügbar. Doch der entscheidende Schritt, nämlich die Markteinführung von 5G-Telefonen im Einsteiger- und Mittelklassebereich, hat sich aufgrund der Coronavirus-Krise verzögert. Auch zahlreiche Peripheriegeräte wie Adapter, Gateways usw. müssen ausgetauscht werden. Ein weiterer Effekt: Die Haushalte werden kein WLAN mehr benötigen.

Viele Aspekte des Umstiegs sind noch unklar. Was die Zahlungsmethoden oder das genaue Design der verschiedenen Anwendungen angeht, gibt es viel Raum für die Akteure in diesem Prozess, ihre Kreativität unter Beweis zu stellen. Ganze Unternehmen können um neue Lösungen herum aufgebaut werden.

„Auf der grundlegenden Ebene umfasst 5G eine Vielzahl vernetzter Sensoren, die große Datenmengen mit sehr hoher Geschwindigkeit an eine Plattform übertragen, wo diese Daten von Anwendungen verarbeitet werden. In Bereichen wie Unterhaltung, Smart Homes, Cloud-Lösungen und Gaming werden die Akteure ihre Plattformen ändern und massiv in sie investieren, um sich für die Zukunft eine führende Rolle zu sichern“, glaubt Chris Shu.

In vielen Bereichen werden neue Lösungen und Anwendungen entstehen. Jedes Unternehmen, egal in welcher Branche, kann profitieren, wenn es rechtzeitig auf den 5G-Zug aufspringt.

„Es wird nicht alles gleichzeitig passieren. Einige Szenarien lassen sich einfacher implementieren als andere. Der Entertainment-Bereich wird zu den Vorreitern gehören, die Landwirtschaft wahrscheinlich ebenso. Und die Transformation hin zu Smart Factories hat schon begonnen. Andere Dinge werden Zeit brauchen. Beispielsweise gibt es in der Infrastruktur unserer Gesellschaft vieles, was auf den neuesten Stand gebracht und angepasst werden muss. Auch die Mentalität der Menschen muss sich ändern, damit selbstfahrende Fahrzeuge einsetzbar werden. Meine Prognose lautet, dass diese gesellschaftlichen Veränderungen etwa zehn Jahre in Anspruch nehmen werden“, so das Resümee von Chris Shu.

Höhere Materialanforderungen und längere Durchlaufzeiten

Welche Auswirkungen hat der Umstieg auf 5G auf die Leiterplattenproduktion? Wir haben Andy Liu, Managing Director von NCAB in Asien, nach seiner Einschätzung gefragt.

Andy Liu hebt gleich am Anfang hervor, dass die in den Leiterplatten eingesetzten Materialien ganz neue Anforderungen erfüllen müssen. 5G-Anwendungen arbeiten mit deutlich höheren Frequenzbereichen. Da die Signale auf ihrem Weg zwischen den verschiedenen Komponenten durch die Leiterplatte laufen, müssen die Materialien damit umgehen können.

„Da die Elektronik permanent mit dem Internet verbunden ist, wird es entscheidend sein, dass die Leiterplatten mit der entstehenden Hitze zurechtkommen. Im Zuge von 5G werden wir den zunehmenden Einsatz von Kühltechnologien sehen.“

Andy Liu
Managing Director, NCAB Group Asia

„Die für Standardleiterplatten eingesetzten Materialien können Signale von 3 bis 5 GHz verarbeiten, doch 5G bringt Frequenzen von rund 25 GHz mit sich. Da die Herstellung solcher Hochfrequenzmaterialien schwierig ist, stehen nicht viele Materiallieferanten zur Auswahl, was die Durchlaufzeiten verlängert“, erklärt er.

Darüber hinaus benötigt 5G eine große Anzahl von Antennen und Signalübertragungs-Funktionsmodulen auf derselben Leiterplatte. Das macht die Signalintegrität zu einer Herausforderung und erfordert, dass die Steckverbinder mit höchster Präzision eingesetzt werden. Um zu verhindern, dass sich die verschiedenen Signale gegenseitig stören, setzen viele Leiterplattenentwickler auf das sogenannte Back-Drilling.

„Beim Back-Drilling kommt es sehr auf Präzision an, weil die Stubs so kurz wie möglich sein sollen. Für diesen Prozess sind deshalb noch strengere Standards erforderlich, um die Toleranzen auf ein Minimum zu reduzieren.“

Liu schätzt, dass die Leiterplatten nicht allgemein größer werden, sondern geht von einer dichteren Bestückung mit winzigen Bauteilen aus. Die großen Datenmengen, die mit 5G übertragen werden, machen auch leistungsfähigere Prozessoren erforderlich.  Das bedeutet wiederum, dass High-Density-Leiterplatten mit 10 bis 20 Lagen immer gängiger werden. Dadurch steigen die Anforderungen an die Verpressung. An vielen Stellen wird die Laserdirektbelichtung (Laser Direct Imaging, LDI) zum Einsatz kommen. Dasselbe gilt für die automatische optische Inspektion (Automated Optical Inspection, AOI), denn die Dinge werden so klein, dass sie mit bloßem Auge nicht zu sehen sind.

„Hier geht es um eine Verkleinerung der Lochgrößen auf bis zu 0,1 mm. Durch mechanisches Bohren ist das nicht zu erreichen, und deshalb werden verstärkt Laserbohrtechnologien eingesetzt. Die Automatisierung der Leiterplattenfertigung wird zunehmen“, sagt Andy Liu.

„Da die Elektronik permanent mit dem Internet verbunden ist, wird es entscheidend sein, dass die Leiterplatten mit der entstehenden Hitze zurechtkommen. Im Zuge von 5G werden wir den zunehmenden Einsatz von Kühltechnologien sehen“, prognostiziert Andy Liu.

Auch beim Design der Leiterplatten bringt die 5G-Technologie neue Herausforderungen. Die Entwickler müssen in der Lage sein, den Lagenaufbau der Leiterplatte zu optimieren und bei Material und Layout die richtigen Entscheidungen zu treffen, um Signalstörungen zu vermeiden.

„Sie müssen die Leiterplatten so entwerfen, dass verschiedene Materialien und Materialstärken auf derselben Leiterplatte vorkommen können, und dabei berücksichtigen, was in der Serienproduktion am besten funktioniert. Darüber hinaus wird es wichtig sein, eine Fabrik zu beauftragen, die mit den betreffenden Materialien vertraut ist. Möglicherweise sind mehr Prototypen und umfassende Tests erforderlich, um die Konzepte zu bewerten. All dies dient dazu, die Zeit bis zur Markteinführung zu verkürzen und die Qualität zu sichern“, sagt Andy Liu.

„Zudem befindet sich die Branche in einer Konsolidierungsphase, in der kleine Fabriken von größeren Akteuren aus dem Markt gedrängt werden. Dieser Prozess hat sich durch den Corona-bedingten Produktionsstopp nochmals beschleunigt.“

Andy Liu
Managing Director, NCAB Group Asia

Ein Problem, das sich aus den massiven laufenden Investitionen in 5G in China ergibt, ist der Mangel an Kapazitäten für die Produktion von komplexeren Leiterplatten. Das führt zu längeren Durchlaufzeiten in der Fertigung.

„Durch die Bemühungen der chinesischen Regierung, die Wirtschaft nach der Corona-Krise durch Maßnahmen wie einen beschleunigten 5G-Ausbau wieder anzukurbeln, hat sich die Situation nochmals verschärft. Eine Handvoll großer Unternehmen, die in diesen Prozess eingebunden sind, nimmt gerade einen sehr großen Teil der Produktionskapazität in Anspruch. Dadurch verlängern sich die bereits langen Durchlaufzeiten noch einmal“, sagt Andy Liu.

„Zudem befindet sich die Branche in einer Konsolidierungsphase, in der kleine Fabriken von größeren Akteuren aus dem Markt gedrängt werden. Dieser Prozess hat sich durch den Corona-bedingten Produktionsstopp nochmals beschleunigt“, fügt er hinzu.

Die NCAB Group hat durch ihre starke Kaufkraft und ihre engen Beziehungen zu führenden Leiterplattenfabriken Vorteile gegenüber Unternehmen, die auf eigene Faust kleinere Aufträge erteilen möchten. Wir sehen sogar den Trend, dass viele der größeren und modernen Fabriken gar keine Aufträge mehr von kleineren Bestandskunden oder von neuen Kunden annehmen.

„Das ist für uns ein Vorteil, aber wir gehen nicht davon aus, dass sich die Durchlaufzeiten verringern werden – eher im Gegenteil. Deshalb empfehlen wir unseren Kunden, proaktiv zu sein und uns so früh wie möglich zu beauftragen“, so das Fazit von Andy Liu.

PCB design tools

For more advice about PCB design or applications of PCBs, we
have different PCB tools that can be downloaded for free.

Learn more about our PCB design tools