ECSEL-Verbundvorhaben BEYOND5 - Energiesparende und vertrauenswürdige Höchstfrequenzelektronik aus Europa; Entwicklung von mm-Wellen-Schaltungs-IP für 5G und eines HF tauglichen Chip-Package für Automobilradar im Innenbereich

Abstract

Das übergreifende Ziel von BEYOND5 ist der Aufbau einer vollständig europäischen Wertschöpfungskette für Radiofrequenzelektronik auf Basis fortschrittlicher SOI-Technologien (FDSOI/RFSOI), um neue Anwendungsdomänen wie 5G-Mobilfunk, Internet der Dinge, Automotive-Konnektivität und Automotive-Radar in einer einzigen Technologieplattform zu vereinen. Das Konsortium bündelt Materialien, Halbleitertechnologien, Designs, Komponenten und Systeme, demonstriert den Mehrwert in sechs Anwendungsdemonstratoren und stärkt so das europäische Design-Ökosystem. Ziel ist die Entwicklung energieeffizienter, kostengünstiger und zuverlässiger HF-Bausteine für den Frequenzbereich von 0,7 GHz bis über 120 GHz sowie die Etablierung einer umweltfreundlichen Halbleiterproduktion vertrauenswürdiger Komponenten in Europa. Fraunhofer EMFT hat im BEYOND5-Projekt zu zwei zukunftsorientierten Lösungen beigetragen: Erstens entwickelte das Institut ein hoch performantes Konzeptverfahren, um winzige Radar- und Hochfrequenz-Chips in Silizium-Trägerplatten einzubetten und direkt mit kleinen Antennen zu verbinden – so entstehen zukunftsfähige Radarmodule für sehr hohe Frequenzen (rund 120 GHz). Ein neuartiges Si-Glass-Package für MIMO-Radarsensoren oberhalb von 100 GHz wurde konzipiert und realisiert. Kern des Ansatzes ist ein Siliziumwafer mit präzise geätzten und metallisierten Kavitäten, die den Radar-IC sowie die Millimeterwellen-Antennen aufnehmen. Darunter liegt eine Glas-Interposer-Schicht, die mittels Redistribution Layers (RDL) und Through-Glass Vias (TGV) das HF-Fan-out realisiert. Dieses Package minimiert parasitäre Verluste, führt das elektromagnetische Feld teilweise im Glas und ermöglicht bei etwa 120 GHz höchste Strahlungsleistung sowie Kanal-Isolation für Automotive-Radar-Anwendungen. Zweitens wirkte das Institut an der Entwicklung eines besonders energieeffizienten 5G-Zugangspunkts für große Verkehrsflugzeuge im 39-GHz-Bereich mit, der vielen Passagieren schnelle Internetverbindungen ermöglichen kann. Dafür setzte Fraunhofer EMFT einen hochmodernen 22 nm FD-SOI-Prozess ein und entwickelte gemeinsam mit Partnern einen einzigartigen MIMO-RFIC sowie das zugehörige System. Der Fokus lag dabei darauf, insbesondere bei hohen Datenraten den Stromverbrauch niedrig zu halten. In diesem Kontext übernahm Fraunhofer EMFT die Konzeption, Umsetzung und Validierung des Local-Oscillator-Multipliers (SX-Block) für ein 39-GHz-Beamforming-RFIC. Die wesentlichen Schritte waren: • Konzept und Architektur: Definition eines dreifachen Frequenzvervielfachers von 13 GHz auf 39 GHz in Quadratur mit Eingangsbalance, nichtlinearem Verstärker, abgestimmten Bandpass-Filtern, Polyphase-Filter und Ausgangs-Buffers. • Schaltungsentwurf und EM-Modellierung: Auslegung der pseudo-differenziellen Common-Source-Verstärkerstufen, Balun, Transformatoren und passiver Elemente in 3D-EM-Simulationen. • Layout und Tape-Out: Integration aller Blöcke in 22 nm FD-SOI, Erstellung von Testpads und Vorbereitung zweier Silizium-Fertigungen (RUN1 für Block-Tests, RUN2 für den Vierkanal-Transceiver). • Simulation und Verifikation: PVT-Simulationsläufe zur Ermittlung von Stromaufnahme, Konversionsgewinn, Harmonischenunterdrückung. • Aufbau und Messtechnik: Entwicklung einer Validierungs-PCB mit Chip-Bonding, Messung von DC-Kennlinien, S-Parametern, Ausgangsspektrum, Konversionsgewinn und Phasenrauschen