CD-Labor für Technologiebasiertes Design und Charakterisierung von elektronischen Komponenten

Wenn wir über komplexe smarte, drahtlos vernetzte Geräte sprechen, denken die meisten Personen an ein Smartphone. Wie auch in vielen anderen elektronischen Geräten werden hier aufwändige Technologien eingesetzt, um die vielen elektronischen Bauteile dreidimensional zu integrieren. Dies erlaubt die Komponenten untereinander optimal zu verbinden und durch die Minimierung der Abstände zueinander die Geräte zu miniaturisieren. Dies führt jedoch auch zu unerwünschter elektromagnetischer Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Bauteilen und sogar zu Ausfällen im System.

Dieses CD Labor erforscht Wege elektronische Komponenten dreidimensional einzubetten und dabei eine sichere Multifunktionalität zu garantieren.

Bis 2030 werden voraussichtlich 500 Milliarden Geräte mit dem Internet verbunden sein. Dass diese Geräte vernetzt sind und drahtlos miteinander kommunizieren ist heutzutage fast schon eine Selbstverständlichkeit. Die unterstützten Anwendungsbereiche reichen von Smart Cities, Smart Homes, Smart Factories, Smart Grids, automatisiertem Fahren, Gesundheitswesen bis zur Raumfahrt.

Wenn viele Geräte gleichzeitig drahtlos kommunizieren wollen, kommt es häufiger zu gegenseitigen Störungen. Um diese zu vermeiden, weicht man zu immer höheren Frequenzen aus. In zukünftigen 5G Systemen werden daher zunehmend Frequenzen im Millimeterwellenbereich eingesetzt. Zusätzlich werden vermehrt mehrere Sende- und Empfangskanäle gleichzeitig in den Geräten verbaut, um eine sichere und robuste Datenübertagung zu gewährleisten. Dies führt wiederum zu einem höheren Integrationsbedarf und einer Miniaturisierung aller elektronischen Komponenten. Oft müssen einzelne Komponenten dann auch mehrere Funktionen gleichzeitig übernehmen, wie zum Beispiel bei einer Antenne, die auch gleichzeitig die Signale filtern kann. Die Einbettung der elektronischen Komponenten in Trägermaterialien und die erforderlichen Verbindungstechnologien sind aber weitestgehend noch nicht erforscht. Hier fehlen präzise Messmethoden, geeignete Modelle und effiziente Designstrategien um bei hohen Frequenzen und gleichzeitiger hohen Integrationsdichte deren Verhalten genau vorherzusagen.

Wenn elektrische Bauelemente sehr dicht neben- und übereinander platziert werden, treten leicht gegenseitige Störungen durch starke elektromagnetische Wechselwirkung auf. Dies ist nicht nur bei drahtlos vernetzten Geräten ein Problem, auch in der Leistungselektronik sind gegenseitige Störungen aufgrund der hohen Packungsdichte der Komponenten ein großes Thema. Einerseits darf gegenseitige Beeinflussung nicht zu einer reduzierten Leistungsfähigkeit des Geräts führen, andererseits muss die Störung von anderen Geräten in der Umgebung vermieden werden. Diese elektromagnetische Verträglichkeit (EMC) stellt hohe Anforderungen an das zugrundeliegende Schaltungs- und Gerätedesign. Hier werden neue Methoden und Konzepte benötigt, um schon in der Designphase eines Gerätes trotz hoher Integrationsdichte elektromagnetischen Verträglichkeit garantieren zu können.

Im dem neuen CD-Labor für „Technologie basierendes Design und Charakterisierung von elektronischen Komponenten“ kurz „TONI“ werden neue Konzepte und Lösungsansätze für die Verbindungs- und Integrationstechnologien erarbeitet. Es umfasst auch die Minimierung unerwünschter elektromagnetischer Wechselwirkungen im Schaltungsdesign und die zughörige Messtechnik. Neue Materialien und neuartige Technologien sollen die Funktionalität noch weiter verbessern. Durch die Entwicklung neuer Methoden für breitbandige Mikrowellenmessungen soll die Genauigkeit der Fertigung erhöht und Fehler im Messprozess automatisch erkennbar werden. Ein Simulations- und Design-Framework wird erforscht, um die elektromagnetische Verträglichkeit und deren Auswirkungen bereits zu Beginn eines Entwicklungsprozesses vorherzusagen.