INFOCUS:

A topic from NCAB Group about integrated PCB Production

No 1 2020

Wdrożenie sieci 5G

–  wpływ na społeczeństwo, przedsiębiorstwa i branżę PCB

MORE ARTICLES ON THIS TOPIC:

W Azji i Stanach Zjednoczonych rozpoczął się już proces przechodzenia na komunikację mobilną nowej generacji, 5G. Ekspert firmy Samsung, Chris Shu, zaleca wszystkim przedsiębiorstwom uważne przeanalizowanie nowych możliwości, jakie niesie ta rewolucja – i przyjęcie nowego sposobu myślenia.

Na przełomie tysiącleci Chris Shu zajmował się rozwojem działalności i produktów do komunikacji mobilnej. Jako konsultant pomagał firmom w kształtowaniu strategii podczas wdrażania usług telefonii komórkowej 3G w Europie. Ostatecznie Chris Shu zajął się pracą badawczo-rozwojową w firmie Sony Ericsson w Chinach, a z czasem w jeszcze szerszym zakresie zaczął świadczyć usługi doradcze. W 2010 roku Chris Shu podjął pracę w firmie Samsung, gdzie obecnie pełni funkcję wiceprezesa ds. strategii produktowej. Jest on odpowiedzialny za telefony komórkowe tej firmy z niskiej i średniej półki cenowej na całym świecie oraz za wszystkie produkty telefonii komórkowej w Chinach. Obecnie trwa wprowadzanie na rynek globalny telefonii mobilnej piątej generacji, 5G, przy czym tym razem w tej dziedzinie przoduje inna grupa krajów niż miało to miejsce w przypadku telefonii poprzednich generacji.

Chris Shu

„Według oficjalnych szacunków rządu chińskiego do 2035 roku sieć 5G przyczyni się do globalnego wzrostu gospodarczego w wysokości 2 bilionów dolarów rocznie”.

Chris Shu
Vice President, Head of Product Strategy, Samsung

„Wprowadzeniu telefonii 3G, a nawet 4G, w Europie towarzyszyło ogromne podekscytowanie. Dziś tego nie widzę. Jak dotąd wiele osób w Europie skupia się bardziej na terminologii technicznej dotyczącej sieci 5G, niż na oferowanych przez nią praktycznych możliwościach” – mówi Chris Shu.

Największą aktywność na tym polu wykazują dziś Azja i Stany Zjednoczone. W 2019 roku proces wdrażania komercyjnych usług 5G rozpoczął się w Korei Południowej, Chinach i Stanach Zjednoczonych, a na 2020 rok tego typu prace zaplanowano w Japonii. Widzimy, że rządy wszystkich krajów przodujących w tej dziedzinie traktują tę transformację priorytetowo. W Europie wiele krajów zadaje dostawcom pytania dotyczące kwestii związanych z bezpieczeństwem narodowym, a jednocześnie wysokie koszty zniechęcają operatorów. Wreszcie wielu użytkowników końcowych jest zadowolonych z tego, co obecnie posiada.

„Jednak firmy, a także każdy, kto jest zainteresowany rozwojem, musi zacząć analizować nowe możliwości wiążące się z tą technologią, w tym potencjał biznesowy sieci 5G. Według oficjalnych szacunków rządu chińskiego do 2035 roku sieć 5G przyczyni się do globalnego wzrostu gospodarczego w wysokości 2 bilionów dolarów rocznie. Najwyższy czas zacząć kreatywnie i aktywnie opracowywać różne scenariusze rozwoju dla już działających przedsiębiorstw, oraz te dotyczące zupełnie nowych pomysłów biznesowych, których realizację umożliwi ta zmiana technologiczna” – kontynuuje.

Szacuje się, że do 2025 roku liczba użytkowników telefonów komórkowych 5G w samych tylko Chinach osiągnie 500 milionów, co stanowi jedną trzecią wszystkich użytkowników. Szacunkowa liczba użytkowników w tym samym roku w Europie wyniesie 200 milionów i 189 milionów w Stanach Zjednoczonych. Tempo tego rozwoju może oczywiście początkowo ulec pewnemu spowolnieniu wskutek pandemii koronawirusa, ale niewątpliwie w ciągu najbliższych czterech lat korzystanie z sieci 5G będzie coraz bardziej powszechne. Wdrożenie nowej technologii przyniesie korzyści sektorowi dostawców sprzętu sieciowego i firm zajmujących się budową sieci. W przypadku sieci 5G zapotrzebowanie na stacje bazowe będzie większe niż w przypadku 4G, a wiele miejsc, takich jak centra handlowe i dworce kolejowe, będzie miało własne sieci wewnętrzne.

5G będzie wymagać zmiany modelu działania

Co ważniejsze, przejście na standard 5G będzie wiązać się z wyraźniejszymi zmianami niż miało to miejsce w przypadku wdrożenia telefonii poprzednich generacji. Od samego początku jesteśmy świadkami zmiany modelu działania. Po raz pierwszy w historii telefonii komórkowej nie chodzi przede wszystkim o komunikację między ludźmi. W równym – jak nie większym – stopniu chodzi o komunikację pomiędzy ludźmi a rzeczami, a także o komunikację pomiędzy rzeczami podłączonymi do internetu. Transformacja wciąż jeszcze jest w powijakach, co oznacza istnienie mnóstwa nowych możliwości biznesowych.

„Jeśli można powiedzieć, że pojawienie się technologii 4G zmieniło twoje życie, 5G może zmienić życie całego społeczeństwa. Firmy muszą teraz myśleć nieszablonowo, nie ograniczając się do obecnych obszarów działalności, modeli biznesowych czy metod pracy”.

Chris Shu
Vice President, Head of Product Strategy, Samsung

„Jeśli można powiedzieć, że pojawienie się technologii 4G zmieniło twoje życie, 5G może zmienić życie całego społeczeństwa. Firmy muszą teraz myśleć nieszablonowo, nie ograniczając się do obecnych obszarów działalności, modeli biznesowych czy metod pracy” – mówi Chris Shu.

Krótko mówiąc, transformacja ta będzie możliwa dzięki trzem aspektom technologii 5G: znacznie szybszemu transferowi, nowym możliwościom sterowania w czasie rzeczywistym oraz możliwościom podłączenia do internetu praktycznie wszystkiego.

„Sieć 5G umożliwi osiągnięcie prędkości wielu gigabitów na sekundę bez użycia światłowodu. To całkowicie zmienia to, co dziś uznajemy za szybki internet mobilny, i ma wszelkie warunki do tworzenia nowych zastosowań w takich obszarach, jak na przykład rozrywka, AR (rzeczywistość rozszerzona), VR (rzeczywistość wirtualna), nauczanie na odległość oraz służba zdrowia” – wyjaśnia Chris Shu.

Przykład możliwości zrewolucjonizowania wrażeń widzów pochodzi z Korei Południowej. Otóż operator SK Telecom oferuje usługę pozwalającą widzom na samodzielne sterowanie kątem ustawienia kamery podczas oglądania meczu baseballowego sfilmowanego przez wiele kamer 5G zainstalowanych na stadionie. Inne możliwości obejmują wirtualne spotkania z wykorzystaniem AR i wirtualne wizyty np. w muzeach z wykorzystaniem VR.

„Wiele możliwych zastosowań dotyczy służby zdrowia. Na przykład ja osobiście biorę udział w pracy mającej na celu opracowanie podłączonego do internetu ręcznego ultrasonografu, który można wykorzystać do diagnostyki zdalnej. Nawet zdalne operacje medyczne mogą stać się rzeczywistością”.

Możliwości sterowania w czasie rzeczywistym pozwalają z kolei na większą automatyzację przemysłu wytwórczego, w tym powstawanie inteligentnych fabryk. Może to też doprowadzić do znacznych usprawnień w dziedzinie transportu publicznego, na przykład poprzez wprowadzenie autobusów samojezdnych, a także zarządzanie ruchem z możliwością monitorowania faktycznych potrzeb transportowych w czasie rzeczywistym i odpowiednie dostosowywanie ruchu. Kolejnym obszarem zastosowań jest rolnictwo, gdzie dzięki gromadzeniu danych i możliwości zarządzania w czasie rzeczywistym np. nawadnianiem możliwe będzie zwiększenie plonów.

„Podłączenie wszystkiego do internetu oznacza zmiany nawet na poziomie społecznym. Może się to okazać mieczem obosiecznym. Z jednej strony mamy więc możliwość budowania bezpieczniejszego społeczeństwa i bardziej efektywnego wykorzystania zasobów, na przykład podczas reagowania na sytuacje kryzysowe. W razie wypadku drogowego wszystkie niezbędne zasoby mogą zostać automatycznie skierowane do danej lokalizacji. Z drugiej strony zainstalowanie dużej liczby kamer i czujników w miejscach publicznych może mieć wpływ na prywatność ludzi” – mówi Chris Shu.

Przejście na standard 5G może również oferować różne możliwości w zakresie radzenia sobie z niedoborem potrzebnych zasobów. Jak pokazuje przykład oferowanej przez SK Telecom usługi dotyczącej oglądania meczów baseballowych, operatorzy telekomunikacyjni mogą stać się dostawcami usług medialnych lub na przykład tworzyć sieci społecznościowe. Możliwość tworzenia nowych źródeł przychodów może ułatwić uzasadnienie dużych nakładów inwestycyjnych, jakie będą musieli ponieść operatorzy.

„Podłączenie wszystkiego do internetu oznacza zmiany nawet na poziomie społecznym. Może się to okazać mieczem obosiecznym.

Chris Shu
Vice President, Head of Product Strategy, Samsung

„Oczywiście z punktu widzenia dostawców urządzeń końcowych, takich jak firma Samsung i nasi chińscy konkurenci, przejście to wiąże się z dużym potencjałem korzyści. Flagowe telefony obsługujące standard 5G już są w sprzedaży, ale znaczącą różnicę będzie można odczuć w momencie wdrożenia i wprowadzenia na rynek telefonów z segmentu średniego, co opóźnia się ze względu na kryzys związany z pandemią koronawirusa. Wymiany będzie wymagać również wiele urządzeń peryferyjnych, takich jak adaptery, bramki itd. Poza tym zniknie zapotrzebowanie na Wi-Fi w domach.

Wiele aspektów tej transformacji wciąż pozostaje niejasnych. Jeśli chodzi o metody płatności lub sposób zaprojektowania różnych aplikacji, uczestnicy tego procesu będą mieli duże pole do popisu i wykazania się kreatywnością. Wokół nowych rozwiązań mogą powstawać całe firmy.

„Na poziomie podstawowym technologia 5G wykorzystuje wiele połączonych czujników, które z bardzo dużą prędkością przesyłają duże ilości danych, a także obsługującą je platformę z aplikacjami mogącymi reagować na te wszystkie dane. Rozrywka, inteligentne domy, rozwiązania w chmurze i gry, we wszystkich tych obszarach dojdzie do zmiany platform i dużych inwestycji w platformy z myślą o zdobyciu dominującej pozycji w przyszłości” – uważa Chris Shu.

W wielu obszarach pojawią się nowe rozwiązania i zastosowania. Przedsiębiorstwa, niezależnie od sektora, mogą wiele zyskać na przejściu na standard 5G w odpowiednim momencie.

„To wszystko nie stanie się naraz. Niektóre scenariusze są łatwiejsze do realizacji niż inne. Będziemy świadkami gwałtownych zmian w segmencie rozrywki, a także prawdopodobnie również w rolnictwie. Natomiast przechodzenie na inteligentne fabryki już się rozpoczęło. Inne rzeczy będą wymagały czasu. Na przykład duża część infrastruktury w naszym społeczeństwie będzie wymagała aktualizacji i zmiany. Muszą również nastąpić zmiany w mentalności ludzi, jeśli na przykład rzeczywiście mamy używać pojazdów autonomicznych. Gdybym miał przewidywać, jak będzie się kształtować sytuacja w przyszłości, wydaje mi się, że pełne wdrożenie tych zmian w społeczeństwie potrwa około dziesięciu lat” – podsumowuje.

Kluczowe funkcje w sieci 5G

EMBB – Rozszerzony mobilny szerokopasmowy dostęp do internetu
Zapewnia do 20 razy większą prędkość transmisji danych niż w przypadku sieci 4G. Umożliwi zupełnie inny komfort użytkowania, np. możliwość ściągnięcia filmu fabularnego w kilka sekund.

EMTC – Ulepszona komunikacja pomiędzy maszynami
Obsługuje dziesięciokrotnie większą liczbę połączeń w porównaniu z siecią 4G na danym obszarze, co umożliwia ogromną przepustowość na potrzeby internetu rzeczy (IoT) i wielu nowych zastosowań.

URLLC – Ultraniezawodna transmisja o niskich opóźnieniach
Zapewnia praktycznie gwarantowany czas reakcji wynoszący 1 milisekundę, czyli jedną dziesiątą opóźnienia występującego w 4G. Stanowi to warunek wstępny dla wprowadzenia chirurgii zdalnej, pojazdów autonomicznych i innych zaawansowanych obszarów zastosowań…

Fale milimetrowe
W odróżnieniu od komunikacji mobilnej poprzedniej generacji sieć 5G wykorzystuje wyższe spektrum częstotliwości o dużej przepustowości. Pozwala to również na utrzymanie wysokich prędkości transmisji, nawet gdy użytkownik podróżuje z dużą prędkością.

Network Slicing
Umożliwia podzielenie tej samej sieci fizycznej na kilka oddzielnych sieci logicznych. Na przykład sieć policyjna może być całkowicie oddzielona i bezpieczna, a jednocześnie korzystać z tych samych zasobów co otwarta sieć 5G, przy tej samej prędkości, przepustowości i małym opóźnieniu.

Edge computing
Zamiast scentralizowanej lokalizacji chmury, chmura jest rozproszona w różnych miejscach, jak najbliżej podłączonych urządzeń, co przyspiesza procesy w różnych zastosowaniach.

AI
Sztuczna inteligencja to kolejna duża, trwająca rewolucja, która na wielu poziomach będzie połączona z 5G. Prostym przykładem jest to, w jaki sposób asystenci głosowi mogą zapewnić bezproblemową obsługę podczas przełączania pomiędzy różnymi podłączonymi urządzeniami w domu.

Większe wymagania dotyczące materiału i dłuższy czas realizacji

Jaki wpływ na produkcję PCB będzie miało przejście na technologię 5G? Poprosiliśmy o opinię Andy’ego Liu, dyrektora zarządzającego NCAB w Azji.

Andy Liu mówi, że po pierwsze, materiały używane do produkcji płytek PCB będą musiały sprostać nowym wymaganiom. Aplikacje 5G będą wymagać znacznie wyższych zakresów częstotliwości. A ponieważ sygnały pomiędzy różnymi elementami przechodzą przez płytkę, materiały te muszą być w stanie sobie z tym poradzić.

„Ponieważ urządzenia elektroniczne będą stale podłączone do sieci, kluczowe znaczenie będzie miało radzenie sobie przez płytki z odprowadzaniem ciepła. Sieć 5G przyczyni się do coraz większego wykorzystania technologii chłodzenia”.

Andy Liu
Managing Director, NCAB Group Asia

„Materiały wykorzystywane w normalnej płytce mogą obsługiwać sygnały o częstotliwości od 3 do 5 GHz, ale przy pełnej funkcjonalności 5G ich częstotliwość będzie wynosić około 25 GHz i więcej. Produkcja materiałów nadających się do obsługi wysokich częstotliwości jest trudna, co oznacza ograniczony wybór dostawców materiałów i dłuższy czas realizacji zamówienia” – wyjaśnia.

Ponadto technologia 5G wymaga umieszczenia na tej samej płytce drukowanej dużej liczby anten i modułów obsługujących funkcję transmisji sygnału. To z kolei wiąże się z koniecznością zapewnienia integralności sygnału i najwyższej precyzji wykonania połączeń. Istnieje ryzyko, że różne sygnały mogą się wzajemnie zakłócać, co wielu projektantów płytek PCB rozwiązuje poprzez stosowanie techniki „back-drilling”.

„Ważne, aby back-drilling wykonywać z najwyższą precyzją, aby uzyskać jak najmniejszą długość pozostałości (nadmiaru) miedzi. Z powodu tak niewielkich tolerancji proces ten wymaga stosowania jeszcze bardziej rygorystycznych norm”.

Andy Liu nie przewiduje zasadniczego zwiększenia wielkości płytki, a raczej jej gęstsze upakowanie maleńkimi elementami. Duża ilość danych przesyłanych przez sieć 5G będzie również wymagała mocniejszych procesorów, a to oznacza powszechniejsze stosowanie płytek o dużej gęstości, mających od 10 do 20 warstw. To z kolei oznacza większe wymagania dotyczące procesu tłoczenia. W wielu przypadkach stosowana będzie technika bezpośredniego naświetlania laserowego Laser Direct Imaging (LDI), a także automatyczne inspekcje optyczne (AOI), ponieważ niewielka wielkość elementów będzie uniemożliwiać zobaczenie ich gołym okiem.

„Mówimy o rozmiarach otworów do 0,1 mm, co uniemożliwia wiercenie mechaniczne. Coraz częściej stosowana więc będzie technika wiercenia laserowego. Produkcja płytek drukowanych stanie się bardziej zautomatyzowana” – mówi Andy Liu.

„A ponieważ urządzenia elektroniczne będą stale podłączone do sieci, kluczowe znaczenie będzie miało radzenie sobie przez płytki z odprowadzaniem ciepła. Sieć 5G przyczyni się do coraz większego wykorzystania technologii chłodzenia” – przewiduje Andy Liu.

Technologia 5G przyniesie nowe wyzwania także w odniesieniu do projektowania płytek PCB. Projektanci będą musieli wykazać się umiejętnościami w zakresie optymalizacji układania stosu warstw płytki i właściwego doboru materiału i jego ułożenia, aby zapobiegać zakłóceniom sygnału.

„Konieczne będzie projektowanie płytek w sposób umożliwiający zastosowanie w tej samej płytce różnych materiałów lub grubości materiału, oraz uwzględnienie tego, co będzie się najlepiej sprawdzać w produkcji seryjnej. Co więcej, ważny będzie wybór fabryki zaznajomionej z wymaganymi materiałami i przygotowanej do ich stosowania. W celu oceny koncepcji konieczne może być opracowanie większej liczby prototypów i przeprowadzenie dokładnych testów. Wszystko to ma na celu skrócenie czasu wprowadzenia na rynek i zapewnienie jakości” – mówi Andy Liu.

„Branża podlega również konsolidacji, w wyniku której małe fabryki zostają wypierane z rynku przez większych graczy. Proces ten uległ przyspieszeniu w wyniku wstrzymania produkcji w związku z pandemią koronawirusa”.

Andy Liu
Managing Director, NCAB Group Asia

Jednym z problemów wynikających z ogromnych bieżących inwestycji w technologię 5G w Chinach jest brak wolnych mocy produkcyjnych dla bardziej zaawansowanych płytek PCB. Prowadzi to do wydłużenia czasu realizacji zamówień.

Wpływ technologii 5G na produkcję PCB

  • Wymóg stosowania wyższej jakości materiałów mogących obsługiwać sygnały o wysokiej częstotliwości
  • Wzrost znaczenia integralności sygnału w związku z umieszczeniem na płytce wielu anten
  • Większa automatyzacja w związku z potrzebą jeszcze większej precyzji
  • Coraz powszechniejsze stosowanie wielowarstwowych płytek PCB o dużej gęstości
  • Powszechniejsze stosowanie technologii LDI i AOI
  • Coraz szersze wykorzystanie technologii chłodzenia do odprowadzania ciepła w zastosowaniach 5G
  • Nowe potrzeby dotyczące optymalizacji układania warstw płytki w stosy itp.
  • Duże znaczenie projektu prototypu i przeprowadzenia dokładnych testów
  • Niedobory mocy produkcyjnych i dłuższe terminy realizacji zamówień w związku z transformacją

„Sytuację dodatkowo pogarszają wysiłki chińskiego rządu mające na celu pobudzenie gospodarki po kryzysie związanym z pandemią koronawirusa, m.in. poprzez przyspieszenie transformacji 5G. Garstka dużych przedsiębiorstw uczestniczących w tym procesie blokuje bardzo dużą część mocy produkcyjnych. Powoduje to dalsze wydłużenie i tak już długich okresów realizacji zamówień” – mówi Andy Liu.

„Branża podlega również konsolidacji, w wyniku której małe fabryki zostają wypierane z rynku przez większych graczy. Proces ten uległ przyspieszeniu w wyniku wstrzymania produkcji w związku z pandemią koronawirusa” – dodaje.

Grupa NCAB ma ogromną siłę nabywczą i ugruntowane relacje z czołowymi fabrykami płytek drukowanych. Dzięki temu jesteśmy w lepszej sytuacji w porównaniu z podmiotami próbującymi samodzielnie składać mniejsze zamówienia”. W rzeczywistości można obecnie zaobserwować tendencję, w ramach której wiele większych i bardziej zaawansowanych fabryk przestaje obsługiwać mniejszych klientów, dotychczasowych bądź nowych.

„Daje nam to pewną przewagę, ale w przyszłości nie spodziewamy się skrócenia czasu realizacji zamówień, a wręcz przeciwnie. Dlatego zalecamy klientom aktywne podejście i jak najszybsze składanie zamówień” – podsumowuje Andy Liu.




Read also

Reliable PCBs – Key factor that determines the quality of the end product

The electronics industry in Europe – Yesterday, today and tomorrow