Communication Module Development

image - Glaswafer mit planaren Teststrukturen für Materialcharakterisierung
Glaswafer mit planaren Teststrukturen für Materialcharakterisierung

In der Gruppe für Communication Module Development verwenden wir unsere holistische Designmethode – den M3-Ansatz (Methoden, Modelle, Maßnahmen) – um eine systematische Entwicklung, den Test, die Charakterisierung und die Optimierung von energieeffizienten Drahtloskommunikationsmodulen im Mikro- und Millimeterwellenbereich (mmWellen) sowie bei Terahertzfrequenzen (THz) zu ermöglichen. Dabei stehen folgende Anwendungen im Vordergrund:

  • Drahtlose Kommunikationsinfrastruktur (z.B. Basisstationen) für 4G, 5G und zukünftige 6G Mobilkommunikation (Zugangsnetzwerk, Backhaul, Core-Netzwerk)
  • Satellitenkommunikationssysteme für niedrige, mittlere und geostationäre (LEO, MEO und GEO) Umlaufbahnen sowohl für Boden- als auch Satellitenterminals

Für die optimale Entwicklung der Module sind zwei weitere Themenfelder unerlässlich, welche wir in der Gruppe ebenfalls adressieren: Zum einen Entwurf, Charakterisierung und Optimierung von Interconnects und Komponenten sowie zum anderen die Charakterisierung von Basismaterialien und Herstellungstechnologien.

Interconnects und Komponenten

Im Themenfeld Interconnects und Komponenten entwerfen, testen, charakterisieren und optimieren wir Elektronik-Packaging-Verbindungen, integrierte Antennenarrays und HF-Frontendkomponenten wie Filter, Induktivitäten und Leistungsteiler. Neben den oben genannten Anwendungen in Kommunikationsmodulen adressieren wir hier zusätzlich Radarsensoren für Automotive/Autonomes Fahren, Transportsysteme (z. B. Züge und logistische Prozesse) und Home Automation

Materialien für Hochfrequenzanwendungen

Im Themenfeld HF Materialien untersuchen wir die Wechselwirkung von Materialien mit hochfrequenten Wellen. Dies schließt klassische AVT-Materialien ein, wie beispielsweise Leiterplatten; erstreckt sich aber auch auf die Materialien der Automobil- und Kommunikationsindustrie, die nicht primär im Packaging verwendet werden. Endanwendungen beinhalten die drahtlose Datenübertragung bei niedrigen Frequenzen (z.B. WLAN, Bluetooth), bis hin zu Systemen für 5G und 6G Kommunikation, Satellitenkommunikation und Automobilradare.

Ein Schwerpunkt der Gruppe ist die messtechnische Extraktion der Permittivität und des dielektrischen Verlustwinkels von Materialien bis in den THz-Bereich. Zu diesem Zweck werden Messmethoden kontinuierlich erforscht und weiterentwickelt.

Neben der Weiterentwicklung der Charakterisierungsmethoden, insbesondere für höchste Frequenzen, forschen wir am Einfluss der Materialalterung auf die dielektrischen Eigenschaften. Wir möchten verstehen, wie sich das Verhalten der Systeme über ihre Lebensdauer verändert. Mit diesem Wissen kann eine lange Lebensdauer als Designparameter integriert und ein Beitrag zum umweltgerechten Entwurf elektronischer Systeme geleistet werden.

Darüber hinaus untersuchen wir neue Metamaterialkonzepte für die Verwendung in der Hochfrequenz Systemintegration.

Materialklassen, mit denen wir arbeiten, schließen Leiterplatten, Kunststoffe (z.B. Mold- und Underfill-Materialien, Klebstoffe, auch allgemein Polymerwerkstoffe), Gläser, Keramiken, leitfähige Schirmmaterialien und weitere ein.
 

Aufbau- und Verbindungstechnik für die Hochfrequenzsysteme / High-Frequency Packaging

Aufbau- und Verbindungstechnik für die Hochfrequenzsysteme / High-frequency packaging
© Fraunhofer IZM

Der Aufbau von Kommunikations- und Radarmodulen umfasst heute eine Vielzahl an Fertigungstechnologien. Durch die steigenden Betriebsfrequenzen wird der Einfluss der Interconnects auf die Signalamplitude und -integrität immer relevanter. Wir entwerfen, analysieren und optimieren daher technologienah alle Verbindungen im Package.

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Antenna-in-Package-Entwicklung

Antennen sind unverzichtbare Bestandteile in drahtlosen Kommunikations- und Radarsystemen. Durch die steigenden Betriebsfrequenzen (Millimeterwellen und sub-THz-Frequenzen) werden vor allem integrierte Antennen für sogenannte Antennen-in-Package (AiP) Module immer relevanter. In diesen können alle passiven und aktiven Komponenten in einer Plattform integriert werden.

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Methodenentwicklung für Materialcharakterisierung

Hochfrequenz- Charakterisierung, Design & Optimierung von Packaging-Technologien und Interconnects
© Fraunhofer IZM | Volker Mai

Mit der fortschreitenden Miniaturisierung und Weiterentwicklung der Hochfrequenzelektronik stellen sich neue Anforderungen an die Materialien, die im Systemaufbau Verwendung finden. Besonders zeigt sich das in den Dielektrischen Werkstoffen. Zu ihnen zählen die Substratmaterialien, Epoxy Mold Compounds, Underfiller, RDL Polymere und viele mehr.

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Reflektierende Oberflächen für energieeffiziente Kommunikationsnetze

Die größte technische Herausforderung bei der Umsetzung von 6G Netzwerken besteht darin, die starke Freiraumdämpfung zu bewältigen. Eine Lösung, die in der Hochfrequenz-Forschungscommunity als disruptive Technologie diskutiert wird, sind Reconfigurable Intelligent Surfaces, kurz: RIS. Im Kern funktionieren die RIS als einstellbare Reflektoren für Hochfrequenzstrahlung.  

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AVT für die 6. Mobilfunkgeneration

Die Fertigungsprozesse kostengünstiger Antennenpackages für 6G- Anwendungen konnten bereits erfolgreich demonstriert werden.
© Fraunhofer IZM

Während die Märkte sich immer stärker nach 5G und mmWelle 5G ausrichten, arbeitet die Forschungscommunity bereits an der 6. Mobilfunkgeneration. Eine endgültige Netzwerkarchitektur für die neue Generation ist noch nicht definiert. Prognosen sehen aber bereits entscheidende Vorteile bei einer Nutzung von Frequenzen im sub-THz Frequenzbereich.

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Package-integrierte Resonatoren mit hoher Güte

Package-integrierte Resonatoren mit hoher Güte
© Fraunhofer IZM

Heutige Trends zur Miniaturisierung und die Nachfrage nach höherer Auflösung veranlassen Radartechnologien dazu Frequenzen bei ca. 75-110 GHz zu erforschen und zu nutzen. Am Fraunhofer IZM wurde ein planarer Spiralresonator entwickelt, der bei 13 GHz arbeitet und durch Frequenzmultiplikation für VCO-Anwendungen im W-Band geeignet ist.

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Dienstleistungen

Schliffbilder eines metallischen planaren Resonators
Offener Resonator
© Fraunhofer IZM | Volker Mai
Offener Resonator für die Charakterisierung von nicht-metallisieren Proben bis 140 GHz
  • Messungen zur Bestimmung der dielektrischen Eigenschaften von Materialien (Permittivität und Verlustfaktor)
  • Modellierung, Entwurf, Layouterstellung und Messung von planaren Resonatoren zur Charakterisierung von metallisierten Substraten
  • Materialcharakterisierung in unterschiedlichen Temperaturbereichen
  • Bestimmung des Einflusses von Feuchtigkeitsabsorption auf die dielektrischen Eigenschaften des Materials
  • Materialuntersuchung unter beschleunigter Alterung
  • Unterstützung bei der Auswahl geeigneter dielektrischer Materialien für die jeweilige Applikation

Hochfrequenz- Design, Messung und Optimierung von Packaging Interconnects bis 500 GHz

Hochfrequenz- Charakterisierung, Design & Optimierung von Packaging-Technologien und Interconnects
© Fraunhofer IZM | Volker Mai
  • Chip Verbindungen (z.B. Bonddrähte, Ribbon Bonds und Flip-Chip Verbindungen)
  • Planare und vertikale Verbindungen (z.B. Transmission Lines und Vias) in Umverdrahtungslagen (RDL), Interposer/Chip-Trägern (z.B. organisch, Mold, Keramik, Glas oder Silizium), Advanced Packages (z.B. PCB Embedding, Fan-Out-Wafer-Level-Packaging und In-System-Boards)
  • Package-zu-Board und Board-zu-Board Verbindungen (z.B. BGA balls, Sinter-Verbindungen, Pillars)
  • Hochfrequenzstecker und -steckverbinder

Dienstleistung Antennen- und Komponentenentwicklung

  • Drahtlose Kommunikationsinfrastruktur (z. B. Basisstationen) für 4G-, 5G- und zukünftige 6G-Mobilfunknetze (Funkzugangsnetz, Backhaul, Core...)
  • Satellitenkommunikationssysteme für LEO, GEO und MEO (Boden- und Raumsegmente)
  • Radarsensoren für Automotive/Autonomes Fahren, Transportsysteme (z. B. Zug-ETCS ) und Home Automation

  • Messung der Strahlungscharakteristik und des Gewinns von Antennen bis zu 325 GHz
  • Messung der S-Parameter von Packaging-Interconnects, Antennen und HF-Frontend-Komponenten in Abhängigkeit von Frequenz (bis 500 GHz) und Temperatur (-30°C bis 150°C)
  • DIREKTE ANFRAGE

  • Entwurf von Frontend-Modulen und deren Hardwarearchitekturen für die drahtlose Kommunikation, z.B. aktive Antennensysteme (AAS), multiple-input multiple-output (MIMO) Antennenmodule, Antenna-in-Package (AiP)- und Antenna-on-Package (AoP)-Lösungen, Package-on-Package (PoP)-Konfigurationen
  • Ausarbeitung von zugeschnittenen Systemintegrationsplattformen unter Verwendung einer breiten Auswahl verschiedener Aufbau- und Verbindungstechnologien und unter Berücksichtigung von Hochfrequenz (HF)-eigenschaften sowie von Anforderungen der Herstellung, der thermischen und thermo-mechanischen Zuverlässigkeit
  • 3D elektromagnetische Feldsimulation der Integrationsplattform und ihrer Packaging-Bausteine
  • Berücksichtigung der HF, der Signal- und Powerintegrität im Design und Layout der Frontend-Module, auch im Hinblick auf Miniaturisierung und hohe Integrationsdichte (HDI)
  • Messung und Charakterisierung der Frontend-Module und ihrer Bausteine

Projektauswahl

© Fraunhofer IZM
Teststrukturen zur elektrischen Charakterisierung von Substrat, Induktoren und Aufbau- und Verbindungstechnik bis 110 GHz

Advanced System Engineering Lab

Ausstattung und Tools im Bereich Hochfrequenztechnik - Advanced System Engineering Lab - Fraunhofer IZM - R3S
© Fraunhofer IZM

Ausstattung und Tools im Bereich Hochfrequenztechnik

Die Schwerpunkte des HF-Labors bestehen in der Vermessung von planaren "on-wafer" Teststrukturen bis 110 GHz und der 3D-Charakterisierung von Antennenmodulen in der Schirmkabine. Ferner können die dielektrischen Materialparameter von Substraten zerstörungsfrei bestimmt werden.

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Video

Online Expert Session: Materials for RF Applications: Quo vadis?

Dr. rer. nat. Julia-Marie Köszegi

 

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Flyer

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Veröffentlichungen

Hier finden Sie weiterführende Literatur zum Thema Communication Module Development

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