GMM-Preis 2017 Innovative Millimeterwellen-Radarsensoren für die Industrie

GMM 2017 - Ausschreibungen
GMM 2017 - Ausschreibungen

Mit dem GMM-Preis zeichnet die GMM jedes Jahr eine besonders gelungene Veröffentlichung aus. Dieses Mal konnte eine Ver­-öffentlichung über die Entwicklung eines Millimeterwellen-Radarsensors überzeugen. Das Besondere daran: die integrierten Antennen und eine gut geeignete Gehäusetechnologie.

Der GMM-Preis 2017 ging an Prof. Dr.-Ing. habil. Dietmar Kissinger und Christopher Beck. Die beiden Wissenschaftler wurden für die Veröffentlichung „Industrielle Millimeterwellen-Radarsensoren mit integrierten Antennen in Embedded-Wafer-Level-BGA- (eWLB-)Gehäuse-Technologie“ ausgezeichnet, die im Folgenden kurz vorgestellt wird.

Radarsensoren in der Industrie

Mit Hilfe von Radarsensoren lassen sich Abstände zwischen dem Sensor und einem reflektierenden Gegenstand hochauflösend und in industriellen Szenarien zuverlässig messen. Dazu wird eine gezielt kohärente und definiert modulierbare, elektromagnetische Strahlungsquelle verwendet. Ein Empfänger detektiert die von einem Ziel reflektierte Strahlungsleistung. Damit ist es möglich, zum Beispiel Informa­tionen über Zielort oder Zielgeschwindigkeit zu erhalten.

Um eine effiziente, kompakte Frontend-Lösung für das 60-GHz-ISM-Band zu bekommen, ist eine integrierte Schaltung auf Basis der SiGe:C-Technologie ein vielversprechender Ansatz. Sie bietet ausgezeichnete Hochfrequenzeigenschaften und ist sowohl leistungsfähig als auch zuverlässig.

Solche integrierten Schaltungen lassen sich in größere Systeme jedoch nur dann kostengünstig integrieren, wenn sie in einer geeigneten Gehäusetechnologie bei hohem Durchsatz gefertigt werden können. Für Millimeterwellensysteme im Frequenzbereich um 60 GHz ist die eWLB-Gehäusetechnologie aus mehreren Gründen besonders geeignet:

  • Dank der Umverdrahtungsebene in Dünnschichttechnologie lassen sich sehr präzise Hochfrequenzleitungen fertigen
  • Die Verbindung zwischen Chip und Umverdrahtungsebene kann sehr kurz ausgeführt werden
  • Eine gute thermische Anbindung ist möglich

Das Radar-Frontend im Detail

Standard-eWLB-Gehäuse nutzen ty­pischerweise Einzellagen-Verteilungsebenen, aber Verteilungslagen mit zwei oder drei Ebenen sind ebenfalls möglich. Der Chip ist in einer Mold-Masse eingebettet und die Lötperlen sind elektrisch durch die Umverdrahtungsebene (Redistribution Layer, RDL) mit dem Chip verbunden.

Bild 1 zeigt den schematischen Querschnitt eines ty­pischen eWLB-Gehäuses mit Antenne in einer einlagigen RDL. Das vergrößerte Fan-Out-Gebiet kann für die Integration von Antennen oder anderen passiven Elementen genutzt werden. Mit diesem Aufbau ist es möglich, alle hochfrequenten Millimeterwellen-Schaltungselemente in einem gemeinsamen Gehäuse zu integrieren.

Somit müssen außerhalb des Gehäuses keine 60-GHz-Leitungen geführt werden. Das erhöht zum einen die Systemeffizienz, zum anderen kann das System kostengünstig auf FR4-Substraten aufgebaut werden.

Bild 2 zeigt das in eWLB-Technologie hergestellte 60-GHz-Radar-Frontend. Von diesem gehen die Anschlussleitungen in der Umverdrahtungebene nach außen auf die Anschlusslötperlen, die in einem 500-μm-Raster angeordnet sind. Auf dem Transceiver-Chip wurden außerdem in HF-unkritischen Teilbereichen zusätzliche Lötperlen zur Entwärmung eingefügt.

Im oberen Teil des Gehäuses liegen die Sende- und die Empfangsantenne, die als Dipole ausgeführt sind und von differenziellen 100-Ω-Leitungen gespeist werden. Außen befinden sich eine Abschirmung für die integrierten Antennen in der Umverdrahtungsebene sowie Lötperlen, die im Raster angeordnet sind. Dies dient der Vermeidung von störenden Einkopplungen und einer definierten Antennencharakteristik.

Die integrierten Front­ends im eWLB-Gehäuse wurden auf zweilagigen Leiterplatten aus Standard-FR4-Material aufgebaut. Damit konnte gezeigt werden, dass auf diese Weise eine effiziente Integration der Trans­ceiver in ein Gesamtsystem möglich ist, was zu einer Konstenreduktion führt. Bild 3 zeigt die Evaluierungsplatine für das integrierte Frontend. In der Mitte der Platine ist das eWLB-Gehäuse angebracht.

Zur Untersuchung der 60-GHz-Frontends, die in Zusammenarbeit mit den Partnern Infineon, Symeo, Siemens und Fraunhofer erfolgte, wurde ein FMCW-Radarsystem aufgebaut und im Labor in Betrieb genommen. Dafür wurden die Radar-Frontends mit einer individuellen Ansteuerung und Auswertung ausgestattet und im Systemaufbau untersucht. Mit einer zusätzlichen Linse verschmälert sich der Öffnungswinkel und die Reichweite kann erhöht werden.

Über den GMM-Preis

Der GMM-Preis wird als Literaturpreis für eine überzeugende Veröffentlichung vergeben. Dissertationen und Master-Arbeiten stehen also nicht im Fokus. Die Veröffentlichung sollte nicht länger als drei Jahre zurückliegen und darf aus sämtlichen Fachgebieten der GMM stammen.

Der mit 2500 Euro dotierte Preis wird an einen Bewerber vergeben, der nicht älter als 40 Jahre und GMM-Mitglied ist. Der diesjährige GMM-Preis wurde im ­Oktober im Rahmen des Mikrosystemtechnik-Kongresses verliehen.