Elektromagnetische Wechselwirkungen passiver Komponenten

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Für multifunktionale passive Komponenten in eingebetteten elektronischen Schaltungen fehlen präzise Messmethoden oder geeignete Designstrategien. Schwachstellen im Schaltungsdesign sollen umgangen werden. Daran arbeiten Forscher der TU Graz.

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

In vernetzten, elektronischen Geräten finden sich nicht nur aktive Bauteile, wie Halbleiter, sondern auch passive elektronische Elemente wie Antennen oder Filter. Doch während die Einbettung aktiver Bauteile gut erforscht sind, gibt es bei den passiven Bauteilen noch keine validen Modelle für die einzelnen Bauteile: Es fehlen präzise Messmethoden, geeignete Modelle und effiziente Designstrategien für die Vorhersage ihres Verhaltens bei hohen Frequenzen, wie beispielsweise 5G, und bei gleichzeitig hohen Energiedichten wie besonders auch in der Leistungselektronik.

Hier setzt das neue „Christian Doppler Labor (CD-Labor) für Technologie-basiertes Design und Charakterisierung von elektronischen Komponenten“, kurz TONI, an: Gemeinsam mit den Unternehmenspartnern Qualcomm, AT&S und Fronius suchen Forscher der TU Graz gezielt Wege, elektronische Komponenten dreidimensional einzubetten und dabei eine sichere Multifunktionalität zu garantieren. Der Startschuss für das jüngste CD-Labor der TU Graz fiel am 27. November 2020. Größter öffentlicher Fördergeber ist das Bundesministerium für Digitalisierung und Wirtschaftstandort (BMDW), inklusive der Mittel von den drei Unternehmenspartnern ist das CD-Labor für sieben Jahre mit rund vier Mio. Euro finanziert.

Wenig beachtete Bauteile charakterisieren

Ob Smart Homes oder Smart Grids, ob Gesundheitswesen, autonomes Fahren oder Raumfahrt: Bis 2030 werden voraussichtlich 500 Mrd. Geräte mit dem Internet verbunden sein und drahtlos miteinander kommunizieren. Für eine sichere und robuste Datenübertagung werden vermehrt Sende- und Empfangskanäle gemeinsam in den Geräten verbaut. Das führt zu einem höheren Integrationsbedarf und einer notwendigen Miniaturisierung aller elektronischen Komponenten.

Einzelne Komponenten müssen dadurch oft mehrere Funktionen gleichzeitig übernehmen, wie Antennen, die Signale empfangen und zugleich filtern können. Hier spricht man von sogenannten „Filtennas“. Durch das Betreiben mehrerer Sendeeinheiten in unmittelbarer Nähe werden starke elektromagnetische Wechselwirkungen zunehmend zum Problem.

Jetzt stehen die passiven Bauteile im Fokus

„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 hatten. Sie sind aber ebenso essentiell 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.

Neue Messtechnik ist notwendig

Dafür werden passive Komponenten sowohl in der Leistungselektronik als auch im Mikrowellenfrequenzbereich genau vermessen und modelliert. „Normale Messtechnik stößt hier an Grenzen – wir müssen hier 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. Wir werden daher ein Simulations- und Design-Framework erarbeiten, damit schon im Entwicklungsprozess solcher Geräte alle Parameter bekannt sind und mit korrekten Modellen gearbeitet werden kann. Nur so lässt sich eine elektromagnetische Verträglichkeit bei gleichzeitig hoher Integrationsdichte und Multifunktionalität von vorneherein garantieren.“, berichtet Bösch abschließend.

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