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Bessere Designmethoden

Höhere Integration für HF-Module

30. November 2020, 08:45 Uhr   |  Heinz Arnold

Höhere Integration für HF-Module
© Lunghammer - TU Graz

Wolfgang Bösch, TU Graz: »Normale Messtechnik stößt hier an Grenzen – wir müssen grundlegend Neues entwickeln und uns der Frage stellen, wie wir überhaupt messen können, was wir messen müssen.«

Passive Komponenten multifunktional zu machen und dreidimensional einzubetten – das ist das Ziel der Kooperation von Qualcomm, AT&S, Fronius und der TU Graz.

Die Zahl der Sende- und Empfangskanäle, die ein einem einzigen Gerät verbaut werden, steigt. Damit müssen nicht nur die ICs, sondern auch die passiven Komponenten auf immer kleineren Platz integriert werden. Zudem müssen mehrere Sendeeinheiten in unmittelbarer Nähe parallel betrieben werden. Deshalb entwickeln sich starke elektromagnetische Wechselwirkungen zunehmend zum Problem. Und nicht nur das: Einzelne Komponenten müssen mehrere Funktionen gleichzeitig übernehmen. Beispielsweise Antennen, die Signale empfangen und zugleich filtern können, sogenannte „Filtennas“.

Allerdings gibt es eine große Hürde, die höhere Integration und die Multifunktionalität realisieren zu können – und diese Hürde bilden ausgerechnet die Komponenten, auf die die wenigsten zuerst kommen würden: passive Bauelemente.

Denn was für aktive Bauelemente selbstverständlich ist, fehlt für passive Komponenten leider noch weitgehend: geeignete Modelle und effiziente Designstrategien für die Vorhersage ihres Verhaltens bei hohen Frequenzen und hohen Energiedichten – wie sie beispielsweise in 5G-Systemen vorkommen. Deshalb gibt es derzeit keine validen Modelle für passive elektronische Komponenten wie Antennen oder Filter, um sie effektiv in HF-Baugruppen einbetten zu können.  

Detailaufnahme einer Kalibrations-Platine im Wafer-Prober, einem Gerät für elektrische Tests einzelner Chips auf Wafer- oder Platinenbasis.
© Lunghammer - TU Graz

Detailaufnahme einer Kalibrations-Platine im Wafer-Prober, einem Gerät für elektrische Tests einzelner Chips auf Wafer- oder Platinenbasis.

Das will das neue „Christian Doppler Labor (CD-Labor) für Technologie-basiertes Design und Charakterisierung von elektronischen Komponenten“, kurz „TONI“ ändern: Gemeinsam mit den Unternehmenspartnern Qualcomm, AT&S und Fronius suchen Forschende der TU Graz gezielt Wege, elektronische Komponenten dreidimensional einzubetten und dabei eine sichere Multifunktionalität zu garantieren.

»Was dem Trend nach höheren Frequenzbereichen und ausgebauter Multifunktionalität noch deutlich hinterherhinkt, ist die Kombination aus Funktion und Integration im Gerätegehäuse. Dafür müssen wir den Fokus nun verstärkt auf die passiven Bauteile richten, die bislang eher eine Nebenrolle spielten. Sie sind aber ebenso wesentlich wie die bereits sehr gut erforschten Halbleiterelemente,« erklärt Wolfgang Bösch, Leiter des neuen CD-Labors und zugleich Leiter des Instituts für Hochfrequenztechnik der TU Graz. Gemeinsam mit den Unternehmenspartnern und in Zusammenarbeit mit dem Institut für Elektronik der TU Graz widmet sich das Team des CD-Labors der Frage, wie multifunktionale und hoch integrierte Komponenten mit kombinierter Filter- und Antennenfunktion umfassend in der Theorie beschrieben und mit neuen Technologien gefertigt werden können.

Grundlegend neue Messtechniken

Dafür werden passive Komponenten sowohl in der Leistungselektronik als auch im Mikrowellenfrequenzbereich genau vermessen und modelliert. Dazu steht dem CD-Labor TONI eine moderne Infrastruktur zur Verfügung, darunter ein europaweit einmaliger automatisierter Wafer-Prober mit Höchstfrequenz-Testsystem. Miniaturisierte Kontakte in Nadelform prüfen dabei die hochfrequenten Schaltungen auf Wafern oder Platinen.

»Normale Messtechnik stößt hier an Grenzen – wir müssen grundlegend Neues entwickeln und uns der Frage stellen, wie wir überhaupt messen können, was wir messen müssen«, sagt Wolfgang Bösch.

Neue Methoden für breitbandige Mikrowellenmessungen helfen die Genauigkeit in der Fertigung zu erhöhen und Fehler im Messprozess automatisch erkennbar machen. Darauf aufbauend werden neue Modelle für die Einbettung passiver und aktiver Komponenten in Leiterplatten erforscht, hier geht es insbesondere um die Verbindungselemente. Und schließlich wird untersucht, wie einzelne Komponenten mit ihren jeweiligen elektromagnetischen Feldern einander innerhalb des Gehäuses stören.

»Ziel ist es, Schwachstellen schon im Schaltungsdesign zu umgehen – Entwicklungen nach dem Trial-and-Error-Prinzip sollen nicht zuletzt aus Kostengründen der Vergangenheit angehören«, erklärt Bösch. Das CD-Labor TONI werde ein Simulations- und Design-Framework erarbeiten, damit schon im Entwicklungsprozess solcher Geräte alle Parameter bekannt sind und mit korrekten Modellen gearbeitet werden könne. »Nur so lässt sich die elektromagnetische Verträglichkeit bei gleichzeitig hoher Integrationsdichte und Multifunktionalität von vorneherein garantieren«, so Bösch.

Der Startschuss für das jüngste CD-Labor der TU Graz fiel am 27. November 2020. Größter öffentlicher Fördergeber ist das Bundesministerium für Digitalisierung und Wirtschaftsstandort (BMDW), inklusive der Mittel von den drei Unternehmenspartnern ist das CD-Labor für sieben Jahre mit rund vier Mio. Euro finanziert.

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