Material- und Bauteil-Charakterisierung

»6G braucht womöglich andere Methoden als 5G« 

27. Mai 2022, 14:17 Uhr | Nicole Wörner
Schmuckbild 6G
© photon_photo / stock.adobe.com

Der zukünftige Kommunikationsstandard 6G bringt neue Herausforderungen für Entwickler mit sich. Wie werden sich Materialmessungen und Bauteil-Charakterisierung von den bisherigen Lösungen für 5G unterscheiden? Navneet Kataria, Produktmanager bei Anritsu, gibt seine Einschätzung.

Navneet Kataria, Produktmanager bei Anritsu: »Die messtechnischen Herausforderungen bei 6G sind etwas anders und komplexer als bei 5G.«
Navneet Kataria, Anritsu: »Die messtechnischen Herausforderungen bei 6G sind etwas anders und komplexer als bei 5G.«
© Anritsu

Markt&Technik: Herr Kataria, zunächst einmal ganz allgemein gefragt: Wie werden sich 6G-Komponenten und -Materialien von ihren 5G-Pendants voraussichtlich unterscheiden?

Navneet Kataria: Die Unterschiede zwischen 6G und 5G werden gravierend sein. Der Hauptgrund dafür sind die bei 6G extrem hohen Frequenzen über 100 GHz – von 140 bis 240 GHz –, die wiederum extreme Bandbreiten für die Übertragung von mehreren Gigabyte an Daten bieten. Zum Vergleich: Bei 5G liegen die Frequenzen im Bereich von 28/39 GHz. Mit dem aktuellen Know-how rund um die Konfektionierung, Fertigung und Messtechnik lässt sich ein 5G-System recht einfach herstellen, messen und insgesamt sehr effizient gestalten. Weil 6G-Komponenten jedoch diese hohen Frequenzen nutzen, muss man ihre Entwicklung, Verarbeitung und das Packaging entsprechend anpassen. Bei 6G lassen sich womöglich nicht die gleichen Methoden anwenden wie bei 5G.

Ein weiterer Aspekt: Hochfrequenzsignale leiden bei der Weiterleitung durch die 6G-Komponenten unter starken Dämpfungen und vielen anderen Problemen, weshalb man über die Verwendung spezieller Materialien für 6G diskutiert. Materialien wie SiGe kommen zum Einsatz und werden im Herstellungsprozess zur Reduzierung ihrer Dicke auf etwa 5 mil/2 mil für effiziente Komponentenentwicklungen und minimale Signalverluste forciert. Bei all diesen Aspekten muss die Messtechnik für die Beurteilung der Materialleistung hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit bei hohen Frequenzen gewährleisten.

Neben dem für 6G verwendeten Material ist die Charakterisierung der Bauelemente ein weiterer Aspekt für 6G. Hier kommen wieder die extrem hohen Frequenzen zur Sprache – entsprechend wichtig ist eine Charakterisierung dieser Bausteine, um zu verstehen, wie gut sie bei höheren Frequenzen funktionieren. Weil diese Bausteine so klein sind, erfordert ihre Charakterisierung besondere Tools: einen speziellen Messaufbau mit einem Vektor-Netzwerkanalysator (VNA), einem Waferprober, Messspitzen mit sehr kleinen Rasterabständen in der Größenordnung von 100 oder 75 µm, mit hochauflösender Kamera. Für die Kontaktierung auf dem Wafer braucht man zudem einen messtechnisch erfahrenen Anwender, um zu beurteilen, ob die Kalibrierungen bzw. Messungen gut sind oder nicht. Die Charakterisierung der Baugruppen ist vor allem sehr wichtig für die Modellierung, weil man sich für das Breitbandverhalten ihrer 6G-Bausteine interessiert und den Oberwellengehalt der Bausteine überprüfen möchte. Für Breitbandmessungen braucht man einen breitbandigen VNA.

Welche Messungen sind die wichtigsten?

Hier muss man unterscheiden. In Bezug auf die Materialien sind die wichtigsten zu messenden und zu validierenden Leistungsmerkmale die Materialeigenschaften wie Dielektrizitätskonstante, effektive Permittivität, Verlusttangente, Leitfähigkeit usw. Zwar sind die Parameter die gleichen wie bei allen technischen Materialien, die Herausforderungen bei 6G-Materialien sind jedoch die Messverfahren für diese Parameter. Weil die Materialdicke so gering ist und man davon ausgeht, dass sie bei extrem hohen Frequenzen arbeiten, ist äußerste Sorgfalt bei der Auswahl der Messmethode und der Durchführung der Messungen geboten.

Aus Sicht der Bauteilecharakterisierung ist die Messung der S-Parameter am wichtigsten, denn sie gibt Aufschluss darüber, wie gut oder schlecht das Bauteil funktioniert. Der S- oder Scattering-Parameter gibt an, wie viel Signal vom Baustein zurückreflektiert wird (S11) und wie viel davon den Baustein effizient durchläuft (S21). S-Parameter-Messungen bei so hohen Frequenzen – in der Größenordnung von 140 bis 240 GHz – sind aufgrund der Größe des Bauteils und seines Verhaltens mit speziellen Herausforderungen verbunden. Anritsu hat bereits verschiedene aktive und passive Komponenten in diesen Frequenzbereichen getestet.

Vor welchen Herausforderungen stehen die Entwickler beim Testen dieser Komponenten und Materialien?

Materialmessungen sind immer eine große Herausforderung, aber auch sehr interessant. Entwickler fragen sich immer wieder, was sie tun sollen: Welche Messmethode ist die richtige für ihre Materialien – resonante Methoden oder nicht-resonante Methoden, freier Raum? Was ist wichtiger, die Genauigkeit der Messung oder eine Breitbandmessung selbst? Mit welcher Messmethode erhält man die schnellsten und genauesten Ergebnisse? Welche Adapter können das sehr dünne Material/Blatt/Substrat aufnehmen? Welche Art Umgebung benötigt man für den Test des zu prüfenden Materials (MUT)? Wie lässt sich nach der Durchführung von Messungen bestätigen, dass die Messungen korrekt sind? All diese Fragen beschäftigen den Entwickler. Die Wahl der richtigen Messtechnik ist das wichtigste zu lösende Problem, das auch die meiste Zeit erfordert. Eine weitere zentrale Herausforderung ist die Wiederholbarkeit der Messungen für das gesamte System.

Bei der Bauteil-Charakterisierung interessieren sich Entwickler sehr für den Oberwellengehalt – also die 3. und 5. Harmonische – des zu prüfenden Bauteils und bevorzugen für S-Parameter daher immer breitbandige Sweep-Messungen, die von sehr niedrigen Frequenzen bis zu extrem hohen Frequenzen reichen, z. B. 70 kHz bis 220 GHz. So können sie die problematischen Bereiche ihrer Bausteine leicht aufspüren und entscheiden, ob sie entweder Änderungen am Design vornehmen oder andere vorbeugende Maßnahmen ergreifen müssen. Wie bereits erwähnt, besteht die größte Herausforderung bei Hochfrequenz-Bausteinmessungen in der Wiederholbarkeit der Messungen, der Stabilität der Messungen in Bezug auf Zeit/Temperatur und der Gewährleistung der Genauigkeit der Messungen.


  1. »6G braucht womöglich andere Methoden als 5G« 

Das könnte Sie auch interessieren

Verwandte Artikel

Anritsu GmbH