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A topic from NCAB Group about integrated PCB Production

No 1 2020

Le reti 5G sono arrivate

–  quale sarà l’impatto sulla società, sulle imprese e sull’industria dei PCB?

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Il passaggio alla nuova generazione di comunicazioni mobili 5G è già iniziato in Asia e negli Stati Uniti. L’esperto di Samsung Chris Shu raccomanda a tutte le aziende di esaminare più da vicino ciò che questa rivoluzione può significare in termini di nuove opportunità e di adottare un nuovo approccio mentale.

Chris Shu si è occupato di business e sviluppo di prodotti nel settore delle comunicazioni mobili al volgere del millennio. In qualità di consulente ha aiutato le aziende a definire le loro strategie per il lancio dei loro servizi 3G mobili in Europa. Questa attività lo ha poi portato ad un lavoro di ricerca e sviluppo con Sony Ericsson in Cina, seguito da un ulteriore lavoro di consulenza. Nel 2010, Chris Shu è stato assunto in Samsung, di cui attualmente è Vicepresidente, Responsabile della Strategia di Prodotto. È responsabile della telefonia mobile di fascia bassa e media dell’azienda a livello globale e di tutti i prodotti di telefonia mobile in Cina. La quinta generazione di comunicazioni mobili, il 5G, è ora in fase di lancio a livello globale, questa volta con un diverso gruppo di paesi in prima linea nello sviluppo.

Chris Shu

“Le stime ufficiali del governo cinese prevedono che entro il 2035 il 5G contribuirà alla crescita globale con l’equivalente di 2.000 miliardi di dollari all’anno”.

Chris Shu
Vice President, Head of Product Strategy, Samsung

“Prima dell’introduzione del 3G, e anche con il 4G, in Europa c’era molto fermento. Oggi non sto notando la stessa cosa. Finora molte persone in Europa si sono concentrate più sulla terminologia tecnica del 5G che sulle possibilità che offre nella pratica.” afferma Chris Shu.

Invece, in Asia e negli Stati Uniti le cose si stanno muovendo. In Corea del Sud, Cina e Stati Uniti i servizi commerciali 5G hanno iniziato ad essere implementati nel 2019, mentre in Giappone il lancio dei servizi è previsto per il 2020. Ciò che stiamo osservando per tutti i paesi in prima linea è che i loro governi hanno fatto della transizione una priorità. In Europa, molti paesi hanno posto domande ad alcuni fornitori su questioni relative alla sicurezza nazionale, mentre allo stesso tempo gli operatori sono stati scoraggiati dai costi elevati. Infine, molti utenti finali sono soddisfatti di ciò che utilizzano attualmente.

“Ma le aziende e tutti coloro che vogliono essere coinvolti in questa evoluzione devono iniziare a guardare alle nuove possibilità che la tecnologia può offrire e al potenziale nuovo business che il 5G può generare. Le stime ufficiali del governo cinese prevedono che entro il 2035 il 5G contribuirà alla crescita globale con l’equivalente di 2.000 miliardi di dollari all’anno. È giunto il momento che la gente inizi a sviluppare in modo creativo e attivo diversi scenari per il proprio business attuale o per idee di business completamente nuove rese possibili dal cambiamento tecnologico”, continua.

Si stima che entro il 2025 la base di utenti dei telefoni cellulari 5G raggiungerà i 500 milioni di unità nella sola Cina, pari ad un terzo degli utenti complessivi. La cifra corrispondente nello stesso anno  sarà di 200 milioni in Europa e di 189 milioni negli Stati Uniti. Inizialmente, la crisi del coronavirus può ovviamente rallentare questo sviluppo, ma nei prossimi quattro anni il 5G registrerà senza dubbio una crescita progressiva. I fornitori di dispositivi di rete e le aziende coinvolte nella costruzione delle reti ne trarranno vantaggio quando tutte le nuove tecnologie verranno implementate. Vi sarà anche la necessità di più stazioni base 5G rispetto al 4G, e molti luoghi come centri commerciali e stazioni ferroviarie avranno le loro reti interne.

Il 5G comporterà un cambiamento di paradigma

Aspetto ancor più importante, il passaggio al 5G sarà più marcato rispetto a quello che abbiamo sperimentato con i passaggi di generazione precedenti. Sin dall’inizio, stiamo assistendo a un cambiamento di paradigma. Per la prima volta in assoluto, la comunicazione mobile non riguarda più principalmente la comunicazione tra le persone. È in misura uguale, o superiore, la comunicazione tra le persone e le cose, così come la comunicazione tra le cose collegate. La transizione è ancora agli albori; ciò significa che vi sono enormi nuove opportunità di business a cui attingere.

Se si può affermare che il 4G ha cambiato la nostra vita, allora il 5G può cambiare l’intera società. Le aziende devono ora pensare fuori dagli schemi, senza limitarsi ai settori di business, modelli di business o metodi di lavoro attuali.”

Chris Shu
Vice President, Head of Product Strategy, Samsung

“Se si può affermare che il 4G ha cambiato la nostra vita, allora il 5G può cambiare l’intera società. Le aziende devono ora pensare fuori dagli schemi, senza limitarsi ai settori di business, modelli di business o metodi di lavoro attuali”, afferma Chris Shu.

In poche parole, vi sono tre aspetti del 5G che contribuiranno a questa trasformazione: una velocità di trasferimento molto più elevata, nuove possibilità di controllo in tempo reale e la possibilità di collegare più o meno tutto a Internet.

“5G consente velocità di numerosi gigabit al secondo senza fibra. Cambia completamente ciò che noi percepiamo come Internet mobile veloce e ha tutti i requisiti per creare nuove applicazioni, ad esempio, nell’intrattenimento, AR (realtà aumentata), VR (realtà virtuale), formazione a distanza e, non da ultimo, nell’assistenza sanitaria”, spiega Chris Shu.

Un esempio di come la visione può essere rivoluzionata viene dalla Corea del Sud. Ad esempio, l’operatore SK Telecom ha lanciato un servizio in cui gli spettatori stessi controllano l’angolazione delle telecamere durante la visione di una partita di baseball filmata da un gran numero di telecamere 5G installate nello stadio. Altre novità saranno le riunioni virtuali che utilizzano l’AR e le visite virtuali, ad esempio, ai musei mediante VR.

“Nel settore sanitario, si possono ipotizzare numerose possibili applicazioni. Per esempio, io stesso sono coinvolto in un progetto per sviluppare uno scanner a ultrasuoni portatile collegato in rete che si può utilizzare per effettuare diagnosi a distanza. Anche gli interventi medici a distanza possono diventare realtà.”

Le opportunità di controllo in tempo reale, a loro volta, consentono un’industria manifatturiera più altamente automatizzata con fabbriche intelligenti. Nell’ambito del trasporto pubblico, ciò può aprire la strada a importanti miglioramenti, magari attraverso autobus senza conducente, ma anche consentendo alla gestione del traffico di rilevare le reali esigenze in tempo reale e di adattare il traffico di conseguenza. Un altro settore è l’agricoltura, dove le colture possono fornire raccolti migliori grazie alla raccolta di dati e alla capacità di gestire, ad esempio, l’irrigazione, in tempo reale.

“Quando tutto è collegato, vi sono cambiamenti anche a livello sociale. Potrebbe essere un’arma a doppio taglio. Da un lato, offre il potenziale per costruire una società più sicura con un utilizzo più efficiente delle risorse, per esempio quando si risponde alle emergenze. Quando si verifica un incidente stradale, tutte le risorse necessarie potrebbero essere indirizzate automaticamente verso il luogo di pertinenza. Dall’altro lato, quando un gran numero di telecamere e sensori sono installati in luoghi pubblici, la privacy personale può essere compromessa”, afferma Chris Shu.

Il passaggio al 5G può anche offrire varie opportunità per far fronte alla carenza di risorse. Come illustra il servizio di baseball di SK Telecom, gli operatori di telecomunicazioni possono diventare media provider o, ad esempio, creare social network. L’opportunità di creare nuovi flussi di reddito può aiutare a giustificare i grandi investimenti che gli operatori dovrebbero affrontare.

“Quando tutto è collegato, vi sono cambiamenti anche a livello sociale. Potrebbe essere un’arma a doppio taglio”.

Chris Shu
Vice President, Head of Product Strategy, Samsung

“Naturalmente, i fornitori di terminali, come Samsung e i nostri concorrenti cinesi, avranno molto da guadagnare dalla transizione. I telefoni 5G di punta sono già in fase di spedizione, ma la grande differenza si sentirà quando i telefoni di lancio e quelli di fascia media entreranno sul mercato, che è stato ritardato a causa della crisi del coronavirus. Anche molte periferiche come adattatori, gateway e così via dovranno essere sostituiti. A parte ciò, nelle abitazioni non sara più necessario avere il WiFi.

Molti aspetti della transizione rimangono ancora poco chiari. Quando si tratta di metodi di pagamento o di come le diverse applicazioni potrebbero essere progettate, c’è molto spazio per i player in questo processo per mostrare e applicare la loro creatività. Intorno a nuove soluzioni è possible costruire intere aziende.

“A livello base, il 5G coinvolge molti sensori collegati che trasmettono grandi quantità di dati ad altissima velocità, oltre ad una piattaforma in grado di gestirli, con applicazioni sulla piattaforma in grado di rispondere a tutti i dati. Intrattenimento, abitazioni intelligenti, soluzioni cloud e cloud gaming, in tutte queste aree, vedremo cambiamenti di piattaforma e grandi investimenti in piattaforme che ambiscono ad un ruolo dominante in futuro”, sostiene Chris Shu.

In molti settori emergeranno nuove soluzioni e applicazioni. Indipendentemente dal settore industriale in cui operano, le aziende hanno molto da guadagnare dall’adozione della transizione 5G in tempo utile.

“Non succederà tutto in una volta. Alcuni scenari sono più facili da realizzare di altri. Assisteremo ad un rapido cambiamento all’interno del segmento dell’intrattenimento. Probabilmente anche all’interno dell’agricoltura, mentre il passaggio alle smart company è già iniziato. Altre cose richiederanno tempo. Per esempio, molte delle infrastrutture della nostra società dovranno essere aggiornate e modificate. Dobbiamo anche assistere ad un cambiamento nella mentalità delle persone se, per esempio, useremo effettivamente veicoli semoventi. Se dovessi azzardare un’ipotesi su come andranno le cose in futuro, ritengo ci vorranno forse dieci anni perché questi cambiamenti nella società si realizzino pienamente”, conclude.

Funzionalità fondamentali nella rete 5G

EMBB – Banda larga mobile potenziata
Fornisce velocità di trasmissione fino a 20 volte superiori a quelle del 4G. L’esperienza sarà completamente diversa con, ad esempio, la possibilità di scaricare un lungometraggio in pochi secondi.

EMTC – Enhanced Machine Type Communication
Supporta un numero di connessioni dieci volte superiore rispetto al 4G all’interno di una certa area, il che consente un’enorme capacità di IoT e molte nuove applicazioni.

URLLC – Comunicazione ultra-affidabile a bassa latenza
Restituisce tempi di risposta più o meno garantiti di 1 ms, un decimo del ritardo in 4G. Un prerequisito per la chirurgia a distanza, i veicoli senza conducente e altri settori di applicazione avanzati…

Onde millimetriche
A differenza della precedente generazione di comunicazioni mobili, il 5G utilizza uno spettro di frequenze più elevato, dove la capacità è abbondante. Ciò consente anche di mantenere elevate velocità di trasmissione anche quando l’utente viaggia ad alta velocità.

Network Slicing
Permette di suddividere la stessa rete fisica in più reti logiche separate. Ad esempio, la rete della polizia può essere completamente separata e sicura, pur utilizzando le stesse risorse della rete aperta 5G, con la stessa velocità, capacità e basso ritardo.

Edge computing
In luogo di una posizione centralizzata del cloud, il cloud viene distribuito in diverse posizioni il più vicino possibile ai dispositivi collegati, il che accelera i processi per le diverse applicazioni.

IA
L’intelligenza artificiale è un’altra grande rivoluzione in corso che sarà combinata con il 5G su molti livelli. Un semplice esempio è il modo in cui gli assistenti vocali possono fornire un’esperienza utente senza soluzione di continuità quando si passa da un dispositivo collegato all’altro nella propria abitazione.

Maggiori esigenze di materiale e tempi di consegna più lunghi

Quale impatto avrà il passaggio al 5G sulla produzione di PCB? Abbiamo chiesto il parere di Andy Liu, Managing Director di NCAB in Asia.

Andy Liu afferma che, per cominciare, i materiali utilizzati nei PCB dovranno soddisfare nuove esigenze. Le applicazioni 5G richiederanno gamme di frequenza molto più elevate. Poiché i segnali passano attraverso la scheda durante il loro percorso tra i diversi componenti, i materiali devono essere in grado di gestire questo aspetto.

“Poiché l’elettronica sarà sempre collegata, sarà fondamentale che le schede siano in grado di gestire l’accumulo di calore. Con il 5G assisteremo a un uso crescente della tecnologia di raffreddamento”.

Andy Liu
Managing Director, NCAB Group Asia

“I materiali utilizzati in una normale scheda a circuiti stampati sono in grado di gestire segnali da 3 a 5 Ghz, ma con la piena funzionalità 5G ci troveremmo di fronte a circa 25 GHz e oltre. Poiché questi materiali ad alta frequenza sono difficili da produrre, non vi sono molti fornitori di materiali tra cui scegliere, il che allunga i tempi di consegna”, spiega.

A parte ciò, il 5G richiede un gran numero di antenne e di moduli funzionali di trasmissione del segnale sullo stesso circuito. Questo richiede l’integrità del segnale e l’inserimento dei connettori con la massima precisione. Il rischio è che segnali diversi possano interferire l’uno con l’altro, cosa che molti progettisti di circuiti stampati risolvono attraverso il cosiddetto “back-drilling”.

“È fondamentale che il back drilling venga eseguito con la massima precisione per controllare la lunghezza del rame in eccesso (stub), affinché sia il più corto possibile. Questo processo richiede norme ancora più severe con margini ridotti in proporzioni molto piccole.

Non ritengo che le schede in genere diventeranno più grandi, ma più densamente popolate di minuscoli componenti. Le grandi quantità di dati trasmessi dal 5G richiederanno anche processori più potenti e questo significa che saranno sempre più comuni i circuiti ad alta densità composti da 10-20 strati. Ciò metterà a dura prova il processo di pressatura. Quando i componenti saranno talmente piccoli da risultare invisibili a occhio nudo, in molti contesti si ricorrerà alla tecnologia Laser Direct Imaging (LDI), così come alle ispezioni ottiche automatiche (AOI).

“Stiamo considerando dimensioni dei fori fino a 0,1 mm, il che rende impossibile la foratura meccanica. Quindi assisteremo ad un crescente utilizzo della tecnologia di foratura laser. La produzione di PCB sarà caratterizzata da una maggiore automazione”, sostiene Andy Liu.

“Poiché l’elettronica sarà sempre collegata, sarà fondamentale che le schede siano in grado di gestire l’accumulo di calore. Con il 5G, assisteremo a un uso crescente della tecnologia di raffreddamento.”, prevede Andy Liu.

Anche per quanto riguarda la progettazione di PCB, la tecnologia 5G comporterà nuove sfide. I progettisti dovranno essere abili nell’ottimizzare lo stack-up del circuito e saranno in grado di fare la scelta giusta del materiale e del layout per evitare disturbi del segnale.

“Sarà necessario progettare i circuiti in modo tale da consentire l’inclusione di materiali e/o spessori di materiale diversi nello stesso circuito e tenere presente ciò che funzionerà meglio nella produzione in serie. Inoltre, sarà importante incaricare una fabbrica che abbia familiarità e adeguate competenze per i materiali in questione. Potrebbero essere necessari ulteriori progetti di prototipi e test approfonditi per valutare i loro concetti. Tutto questo per ridurre il time-to-market e garantire la qualità”, dice Andy Liu.

“L’industria si trova inoltre in uno stato di consolidamento, in cui le piccole fabbriche sono state estromesse dal mercato da parte dei grandi operatori. Questo processo è stato accelerato a seguito dell’arresto della produzione in relazione al coronavirus”.

Andy Liu
Managing Director, NCAB Group Asia

Un problema derivante dai massicci investimenti in 5G in corso in Cina è la mancanza di capacità per la produzione di PCB più avanzati. Questo porta a tempi di produzione più lunghi.

L’impatto della tecnologia 5G sulla produzione di PCB

  • Saranno necessari materiali di qualità superiore in grado di gestire segnali ad alta frequenza
  • L’integrità del segnale diventa ancora più importante con molte antenne sulle schede a circuiti stampati
  • La necessità di una precisione ancora maggiore aumenta l’automazione della produzione
  • I PCB multistrato e ad alta densità diventeranno sempre più comuni
  • Le tecnologie LDI e AOI stanno diventando sempre più comuni
  • Aumento dell’uso della tecnologia di raffreddamento per gestire l’accumulo di calore nelle applicazioni 5G
  • Nuove esigenze dei progettisti per gestire l’ottimizzazione dello stack-up, ecc.
  • La progettazione del prototipo e i test approfonditi avranno un ruolo importante
  • Carenze di capacità produttiva e tempi di consegna più lunghi dovuti alla transizione

“La situazione è stata ulteriormente aggravata dagli sforzi del governo cinese per stimolare l’economia dopo la crisi del coronavirus, tra l’altro accelerando la transizione al 5G. Una manciata di grandi aziende legate a questo processo sta occupando una parte molto importante della capacità produttiva. Questo allunga ulteriormente i tempi di consegna già lunghi”, segnala Andy Liu.

“L’industria si trova inoltre in uno stato di consolidamento, in cui le piccole fabbriche sono state estromesse dal mercato da parte dei grandi operatori. Questo processo è stato accelerato a seguito dell’arresto della produzione in relazione al coronavirus”, aggiunge.

Il Gruppo NCAB vanta un ampio potere d’acquisto e relazioni consolidate con le principali fabbriche di PCB. Questo semplifica le cose rispetto a chiunque cerchi di effettuare ordini più piccoli per conto proprio. In effetti, stiamo assistendo a una tendenza in cui molte delle fabbriche più grandi e più avanzate hanno smesso di lavorare per i piccoli clienti esistenti o nuovi.

“Questo ci offre un certo vantaggio, ma non ci sarà un accorciamento dei tempi di consegna in futuro, anzi, al contrario. Ecco perché consigliamo ai nostri clienti di essere proattivi e di effettuare gli ordini il prima possibile”, conclude Andy Liu.