Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Integration von zukünftigen Millimeterwellenfunksystemen unter Verwendung der LDS-MID-Technologie (LDS-HF-Systeme)

Die Nutzung von Millimeterwellen wird heutzutage durch zwei große Trends immer verbreiteter. Zum einen steigt die Nutzung von Radarsystemen im KFZ immer weiter an. Insbesondere autonome KFZ haben einen besonders hohen Bedarf an solchen Systemen. Zum anderen wächst der weltweite Datenverkehr, insbesondere in drahtlosen Netzwerken, bedingt durch die rasante Digitalisierung (5G, WLAN, V2X etc.) immer weiter an. Da die heute genutzten Frequenzbänder durch den Datenverkehr bald ausgeschöpft sind, werden aktuell Technologien für die Nutzung deutlich höherer Frequenzen (bis 80 GHz) entwickelt. Der Aufbau- und Verbindungstechnik von Millimeterwellensystemen kommt eine besondere Bedeutung zu. Da Verbindungsstellen zwischen Schaltung (Transceiver-ICs, Ansteuernetzwerke) und Antenne besonders verlustreich sind geht der Trend zu einer monolithischen Integration. Silizium- und Leiterplattentechnologien sind dabei jedoch begrenzt auf 2D Aufbauten und Patchantennen. Die LDS-MID Technologie bietet die Möglichkeit, Schaltung und verschiedene Antennen dreidimensional anzuordnen und durch ihre geometrischen Freiheiten impedanztechnisch und auf die gewünschte Abstrahlcharakteristik hin zu optimieren. Daher soll ein neuartiges Millimeterwellensystem auf der Basis von LDS-MID Technologie entwickelt werden, in welchem Schaltung und Antenne in einer Baugruppe integriert sind. Dazu muss zum einen eine impedanzoptimierte Kontaktierung für die elektronischen Komponenten auf LDS-MID entwickelt werden und zum anderen müssen die benötigten Leitungsübergänge von den elektronischen Komponenten bis zur Antenne optimiert und umfassend charakterisiert werden. Um die Zuverlässigkeit der neuartigen Millimeterwellensysteme zu untersuchen, sollen die Systeme Umwelttests unterzogen werden und hochfrequenztechnisch charakterisiert werden. Abschließend soll ein Demonstrator aufgebaut und die Erkenntnisse in Form von Designregeln zusammengefasst werden. Für technologieanwendende KMU bietet sich die Chance, bestehende Produkte kleiner, leichter und kostengünstiger herzustellen und völlig neue Anwendungen zu realisieren, die bisher kaum herstellbar waren. MID-fertigende Unternehmen profitieren durch die Erschließung des stark wachsenden Marktes der Millimeterwellenanwendungen.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel war die Untersuchung und Optimierung der LDS-MID Technologie für Funk-Anwendungen im mmWellen-Bereich, sowie der Aufbau eines Demonstrators, der die Montage eines ICs in einem BGA Package, die Leitungsführung zur Antenne sowie ein 3D Antennenarray beinhaltet.

Zunächst wurden beim Projektbegleitenden Ausschuss die aus HF-Sicht notwendigen Anforderungen an die LDS-MID Technologie abgefragt und Versuchspläne ausgearbeitet. Zur Optimierung der Laserdirektstrukturierung und Metallisierung wurden zum einen Screeningversuche und zum anderen vergleichende Untersuchungen an Teststrukturen zu den Eigenschaften der Metallisierung auf spritzgeprägten und spritzgegossenen LDS-MID sowie auf geschäumten LDS-MID durchgeführt. Insbesondere wurde hierbei die minimale Rauheit, die Kantenschärfe der Metallisierung und deren Haftfestigkeit untersucht. Um die Haftfestigkeit und die elektrische Leitfähigkeit der LDS-MID Metallisierung zu verbessern wurden umfangreiche Untersuchungen zum Einfluss von thermischen Behandlungen durchgeführt.

Es wurde untersucht wie BGA Komponenten auf LDS-MID mit Löten aufgebaut werden können und wie sich der für diesen Prozess notwendige Lötstopplack lokal auf die LDS-MID aufbringen lässt. Darüber hinaus wurde untersucht, ob sich eine Umverdrahtung von einem LDS-MID auf eine Leiterplatte durch MID-seitige Polymerbumps bewerkstelligen lässt.

Um die Performance der LDS-MID Technologie im Vergleich zu PCB-Technologie im HF-Bereich zu untersuchen, wurden hochfrequente Leitungen mit Kalibrationsstrukturen und ähnlichen geometrischen Abmessungen hergestellt und hochfrequent vermessen. Diese Strukturen wurden dann Klimatests unterzogen und die Auswirkungen von Temperaturschocktests und Feuchte-Wärmelagerungen auf die Hochfrequenzperformance untersucht. Um die Ergebnisse abschließend zu verifizieren wurde ein 80 GHz Radardemonstrator entworfen, aufgebaut und abschließend charakterisiert sowie Anwendungsrichtlinien erarbeitet.