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TU Graz startet CD-Labor für multifunktionale und hochintegrierte elektronische Komponenten

Das „Christian Doppler Labor für Technologie-basiertes Design und Charakterisierung von elektronischen Komponenten“ erforscht Wege, mit denen sich elektromagnetische Wechselwirkungen in smarten, vernetzten Geräten insbesondere im 5G-Frequenzbereich besser kontrollieren lassen.

Im Rahmen des CD-Labors TONI suchen Forschende der TU Graz gezielt Wege, passive elektronische Komponenten dreidimensional einzubetten und dabei eine sichere Multifunktionalität zu garantieren. Im Bild: eine Kalibrations-Platine im Wafer-Prober, einem Gerät für elektrische Tests einzelner Chips auf Wafer- oder Platinenbasis. © Lunghammer - TU Graz

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In Smartphones und vielen anderen komplexen, drahtlos vernetzten Geräten werden aufwändige Technologien eingesetzt, um die einzelnen elektronischen Bauteile im Gehäuse zu integrieren. Während aktive Bauteile, etwa Halbleiter, schon gut erforscht sind, kann sich die Einbettung passiver elektronischer Elemente wie Antennen oder Filter derzeit auf keine validen Modelle der Bauteile selbst stützen: Es fehlen präzise Messmethoden, geeignete Modelle und effiziente Designstrategien für die Vorhersage ihres Verhaltens bei hohen Frequenzen – beispielsweise in 5G-Systemen – 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 Forschende 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 Millionen Euro finanziert.

„Gute und effiziente Hardware ist eine Voraussetzung für die Digitalisierung und unsere mobile Kommunikation“, betont Wirtschafts- und Forschungsministerin Margarete Schramböck. „Dieses CD-Labor arbeitet durch die Erforschung der Grundlagen daran mit. Zu den erwarteten Vorteilen gehören längere Akkulaufzeiten, effizientere Nutzung der wertvollen Rohstoffe und sicherere Datenübertragung. Auch hier zeigt sich: Forschung ist die Grundlage für unternehmerische Innovation“.

Charakterisierung wenig beachteter Bauteile

Ob Smart Homes oder Smart Grids, ob Gesundheitswesen, autonomes Fahren oder Raumfahrt: Bis 2030 werden voraussichtlich 500 Milliarden 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 zum Beispiel Antennen, die Signale empfangen und zugleich filtern können (sogenannte „Filtennas“). Durch das Betreiben mehrerer Sendeeinheiten in unmittelbarer Nähe werden starke elektromagnetische Wechselwirkungen zunehmend zum Problem.

„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.

Korrekte Modelle statt trial-and-error

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.“, so Bösch.

Dieses CD-Labor ist an der TU Graz im Field of Expertise „Information, Communication and Computing“ verankert. Die Unternehmenspartnerin AT&S hat dazu ebenfalls eine Newsmeldung veröffentlicht.

13 aktive und eröffnete CD-Labors an der TU Graz

  • CD-Labor für Technologie-basiertes Design und Charakterisierung von elektronischen Komponenten
  • CD-Labor für Festkörperbatterien
  • CD-Labor für Innovative Pichia pastoris Wirts- und Vektorsysteme
  • CD-Labor für Organokatalyse in der Polymerisation
  • CD-Labor für Ortssensitive Elektronische Systeme
  • CD-Labor für die direkte Fabrikation von 3D-Nanosonden
  • CD-Labor für Stofftransport durch Papier
  • CD-Labor für Methoden zur Qualitätssicherung von autonomen Cyber-Physikalischen Systemen
  • CD-Labor für Design von Hochleistungslegierungen mittels thermo-mechanischer Prozesstechnik
  • CD-Labor für modellbasierte Regelung komplexer Prüfstandssysteme
  • CD-Labor für bürstenlose Antriebe für Pumpen- und Lüfteranwendungen
  • CD-Labor für Faserquellung und deren Einfluss auf die Papiereigenschaften
  • CD-Labor für Semantische 3D Computer Vision

Information

In Christian Doppler Labors wird anwendungsorientierte Grundlagenforschung auf hohem Niveau betrieben, hervorragende Wissenschafterinnen und Wissenschafter kooperieren dazu mit innovativen Unternehmen. Für die Förderung dieser Zusammenarbeit gilt die Christian Doppler Forschungsgesellschaft (CDG) international als Best-Practice-Beispiel. CD-Labors werden von der öffentlichen Hand und den beteiligten Unternehmen gemeinsam finanziert. Wichtigster öffentlicher Fördergeber ist das Bundesministerium für Digitalisierung und Wirtschaftsstandort (BMDW).

Kontakt

Wolfgang BÖSCH
Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. MBA
TU Graz | Institut für Hochfrequenztechnik
Tel.: +43 664 60 873 3300
wboeschnoSpam@tugraz.at

Detailaufnahme einer Kalibrations-Platine im Wafer-Prober, einem Gerät für elektrische Tests einzelner Chips auf Wafer- oder Platinenbasis. © Lunghammer - TU Graz
Wolfgang Bösch leitet das „CD-Labor für Technologie-basiertes Design und Charakterisierung von elektronischen Komponenten“ an der TU Graz. © Lunghammer - TU Graz
Dem CD-Labor TONI steht hochmoderne Infrastruktur zur Verfügung, darunter ein europaweit einmaliger automatisierter Wafer-Prober mit Höchstfrequenz-Testsystem. Miniaturisierte Kontakte in Nadelform prüfen dabei die hochfrequenten Schaltungen auf Wafern oder Platinen. Im Bild: Laborleiter Wolfgang Bösch mit seinem Mitarbeiter Michael Gadringer. © Lunghammer - TU Graz
Auch in der Antennenmesskammer – einem reflexionsfreien Raum – werden im Rahmen des CD-Labors TONI Untersuchungen durchgeführt. Unter anderem können hier Antennendiagramme und Störabstrahlungen gemessen werden. © Lunghammer - TU Graz
Detailaufnahme einer Kalibrations-Platine im Wafer-Prober. © Lunghammer - TU Graz