Brian J. Laughlin, Ph.D.
Leitender Wissenschaftler, Brian.j.laughlin@dupont.com
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Während sich die Infrastruktur, Geräte und Anwendungen der 5G-Telekommunikation weiterentwickeln, ist der Bedarf an Schaltkreisen, die in den höheren Frequenzbändern der Millimeterwellen (mmWave) arbeiten, eindeutig. Der Betrieb von Hochfrequenzschaltkreisen bringt viele Herausforderungen mit sich, darunter die Notwendigkeit, eine effiziente HF-Signalverarbeitung und drahtlose Übertragung zu schaffen, was im Allgemeinen durch eine erhöhte Integration erreicht werden kann, die kürzere Kommunikationswege ermöglicht. Darüber hinaus sind fortschrittliche Materialien, die sowohl die heterogene Integration unterschiedlicher aktiver Bauelemente (z. B. Si, GaAs, GaN und SiC) als auch passiver Bauelemente (z. B. SMD, Antennen, Filter usw.) ermöglichen und gleichzeitig einen stabilen Betrieb und geringe Verluste in einer Vielzahl von Umgebungen gewährleisten, von entscheidender Bedeutung für die Leistungsfähigkeit. DuPont™ GreenTape™ Low-Temperature Co-fired Ceramic (LTCC) Tape und Silber (Ag)-Metallisierung bieten eine hervorragende Hochfrequenzleistung in Designs, die für hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer optimiert sind - auch in den schwierigsten Umgebungen.
Abbildung 1: GreenTape™-Dielektrizitätskonstante (Dk) und dielektrischer Verlust (Df), gemessen mit einem Fabry-Perot-Gerät von 20 bis 100 GHz.
Im Rahmen einer Initiative zur Demonstration der hohen Leistungsfähigkeit von GreenTape™ und zur Erstellung eines Referenzdesigns, das über ein einfaches Materialdatenblatt hinausgeht, hat DuPont Microcircuit and Component Materials (MCM) eine Partnerschaft mit Dr. Chun-An "Ivan" Lu von den Material and Chemical Research Laboratories (MCL) des Industrial Technology Research Institute (ITRI) in Taiwan. Das Ergebnis dieser gemeinsamen Arbeit ist ein drahtloses Kommunikationssystem mit einem Antenna-in-Package (AiP), das eine strahlsteuerbare Antennengruppe in ein Hochfrequenz-Front-End-Modul (RFFE) integriert, das bei 28 GHz arbeitet. Grundlage dieser Demonstration ist das keramische GreenTape™-Dielektrikum, das hervorragende dielektrische Eigenschaften bis 100 GHz bei einem Dk-Wert von 7,1 und einem Df-Wert von <0,0010 aufweist (siehe Abbildung 1). Darüber hinaus sind die dielektrischen Eigenschaften von GreenTape™-Keramik in dem extremen Temperaturbereich (-50°C bis 150°C), dem ein eingesetzter Funkkopf ausgesetzt sein kann, stabil (siehe Abbildung 2). Unter Verwendung einer ganzen Reihe hochleitfähiger Ag-Metallisierungspasten für Masseflächen, Durchkontaktierungen, Signalleitungen und lötbare Pads kann ein mehrlagiges Modul mit der Standard-LTCC-Verarbeitung† hergestellt werden, das mitgebrannt und dann für die Oberflächenmontage von passiven, Steckverbindern und aktiven Halbleitern weiterverarbeitet werden kann.
Abbildung 2: Die dielektrischen Eigenschaften von GreenTape™, gemessen bei 28 GHz in-situ von -50°C bis 150°C
Ein RFFE-AiP-Modul wurde entwickelt, um Anokiwave-Phasor-Chipsätze zu integrieren und eine 2 x 4 Patch-Antennengruppe zu verwenden. (Abbildung 3 zeigt Bilder der Ober- und Unterseite des LTCC-Moduls, eine Illustration des vollständig montierten Moduls und ein Schema der Systemarchitektur). Der Entwurf und das Prototyping des Moduls begannen mit den abstrahlenden Antennenfeldern, gefolgt von dem Zuleitungsnetzwerk und dem Leistungsteiler und schließlich der Integration und dem Betrieb mit dem Phasor-IC mit allen erforderlichen Passiven und Anschlüssen.
Abbildung 3: (oben) Bilder des LTCC-Moduls mit der Antennenseite auf der linken Seite und dem SMD/Connector/IC-Pad auf der rechten Seite. (Mitte) Abbildung des vollständig montierten Multilayer-Moduls. (unten) Eine schematische Darstellung des AiP-RFFE-Moduls und der Systemarchitektur.
Der hergestellte LTCC-Baustein zeigt eine hervorragende Übereinstimmung zwischen den Simulationen des Designs unter Verwendung der zuvor gemessenen Materialeigenschaften und der gemessenen Leistung, wie die Rückflussdämpfung der Antennenelemente zeigt (Abbildung 4). Das Modul wurde durch Over-the-Air-Messungen bei 28 GHz evaluiert, bei denen eine effektive isotrope Strahlungsleistung (EIRP) von mehr als 18 dBm beobachtet wurde, während der abgestrahlte Strahl durch das Array und die Phasor-ICs über ±35° gesteuert wurde. Bei einem 64-Quadratur-Amplitudenmodulationsschema (64 QAM) wurde weniger als 1 Teil pro Million Fehlervektorgröße (~0,7 ppm EVM) beobachtet. Diese Ergebnisse wurden aufgrund der hervorragenden Hochfrequenzeigenschaften des GreenTape™ LTCC-Materials und des hochintegrierten Designs des Systems erzielt.
Abbildung 4: (oben rechts) Simulierte und gemessene Daten für die Antennenelemente zeigen eine hervorragende Übereinstimmung. (oben links) Leistung der Antennengruppe bei einer Strahlsteuerung von ±35°. (unten) Foto der Senderkomponente und der EVM-Daten mit <1ppm Fehler.
Die AiP-Demonstration zeigt erfolgreich, wie DuPont™ GreenTape™ LTCC verwendet werden kann, um Geräte für die 5G-Telekommunikation im mmWave-Bereich zu entwickeln. Nach dem Aufbau eines Softwaresystems und Komponenten zur Simulation der Signalverarbeitungsfunktionen wurde ein Video mit 4K-Auflösung zuverlässig über 10 Meter übertragen.
Unser Referenzdesign ist analog zu mehreren Anwendungsfällen im realen 5G-Ausbau von Kundenendgeräten (CPE), darunter:
· in Innenräumen installierte kleine Zellen
- vernetzte Fabriken
- kommunale oder providereigene kleine Zellen für die Versorgung in dicht besiedelten Gebieten wie Smart Cities oder Arenen und Leistungszentren
- mmWave-Basisstation-Funkköpfe
Bei kleinen und makroskopischen Zellen, die im Außenbereich eingesetzt werden, bietet LTCC einzigartige Vorteile gegenüber organischen Laminat-Materialplattformen, da die Wärmeleitfähigkeit des Dielektrikums deutlich höher ist, was das Wärmemanagement bei Betriebsleistungen von Milliwatt bis >1W erleichtert. Außerdem hat sich LTCC als äußerst zuverlässiges Material mit einer Biegefestigkeit von über 200 MPa bewährt. Im Gegensatz zu anderen Materialien ist es hermetisch und daher unempfindlich gegen Feuchtigkeit, die die Leistung beeinträchtigen kann. Die thermische Ausdehnung von LTCC ist außerdem sehr gut an die kritischen ICs angepasst, die aktive Komponenten in den Modulen sind. Diese Daten und das Referenzdesign sollen Hardwareentwickler dazu anregen, die Eigenschaften von LTCC und die Hochfrequenzleistung von Geräten zu berücksichtigen, die einen besseren Zugang zu den 5G mmWave-Bändern ermöglichen. Das DuPont-Team freut sich über Anfragen von Industrieunternehmen, die gemeinsam an Antennenanwendungen für GreenTape™ arbeiten möchten.
Weitere Informationen und ein kurzes Video zu dieser Demonstration finden Sie unter: https://www.youtube.com/watch?v=gJcwya3HLzs
[This is automatically translated from English]
