Technologie

Simulieren, bis es funkt

18.11.2020 - Auf der Suche nach geeigneten Materialien für Hochfrequenz-Anwendungen.

Die Leistungsfähigkeit von Hoch­frequenz­anwendungen wie 5G oder Radar hängt vor allem von den verwendeten Materialien und Verbindungen ab. Um diese zu unter­suchen und zu optimieren, wurde am Fraunhofer-Institut für Zuver­lässig­keit und Mikro­integration in Berlin eine neue Arbeits­gruppe gegründet. Durch die Expertise der Forscher werden Hoch­frequenz-Strukturen so aufgebaut, dass eine optimale Wellen­über­tragung ermöglicht wird.

Am Fraunhofer-IZM werden schon seit über zwanzig Jahren Techno­logien für Hoch­frequenz-Anwendungen entwickelt. Die neue Gruppe unter der Leitung von Oliver Schwanitz untersucht jetzt Hoch­frequenz­materialien und deren Verbindungs­techno­logien. Ein gewaltiges Spektrum, ist doch die Entscheidung für ein Substrat­material auch ausschlag­gebend dafür, wie viel Leistung trans­portiert, also auch welche Anwendungen ermöglicht werden.

Die Gruppe ist in wichtige Forschungs­vorhaben eingebunden. So entwickelt sie beispiels­weise derzeit Milli­meter­wellen-Module in Verbindung mit anderen Arbeits­gruppen für zukünftige Radar­anwendungen im Fahrzeug oder forscht im Projekt 6GKom am nächsten Mobil­funk­standard. Auch Unter­nehmen aus anderen Gebieten, wie der Chemie- oder Pharmazie­branche fragen Leistungen der Gruppe an, um die elektrischen Werte ihrer Materialien charakte­ri­sieren zu lassen.

Im Rahmen ihrer Spezialisierung kann die Gruppe unter­suchen, welche Materialien sich eignen, um in HF-Anwendungen zu bestehen, ohne dass es zu Einbußen oder Veränderungen in der Performance kommt. Im Vorfeld von Messungen werden Simulationen erstellt, die den idealen Signal­verlauf in der Realität nach­stellen. Im Verlauf testen die Forscher Materialien und Verbindungen, so dass die Anwendungen möglichst simula­tions­nah und verlust­arm realisiert werden können.

Das grundlegende Ziel ist es, ein ganzheit­liches Verständnis der Einflüsse von Hoch­frequenz­eigen­schaften von Materialien zu gewinnen. Zentral dabei ist, dass die Permitti­vität und der dielek­trische Verlust­faktor eines Materials einen wesent­lichen Anteil an der zu erwartenden Performance von HF-Strukturen haben. Um sich in einem höheren Frequenz­bereich zu bewegen, wie es für 5G und Radar notwendig ist, müssen genau diese Werte bestimmt werden – nur dann ist zu erwarten, dass das System bei der ausgelegten Frequenz funktioniert und seine entsprechende Performance liefert.

Mit herkömmlichen Multimetern zu messen ist in der Hoch­frequenz­technik unmöglich, denn es handelt sich um derart kleine, orts­abhängige Amplituden, dass andere Mess­techniken zur Validierung und Verifi­zierung benötigt werden. Zur Unter­suchung von Hoch­frequenz-Materialien und deren Verbindungen verwenden die Forscher einen Netzwerk­analysator mit Wafer-Prober, der Teil der Forschungs­fabrik Mikro­elektronik Deutsch­land im Fraun­hofer-IZM ist. Damit können die Forscher HF-Strukturen in unter­schied­lichsten Temperatur­bereichen von -20° C bis 150° C bis zu einer Frequenz von 500 GHz unter­suchen.

Durch die Anwendbarkeit für alle HF-Entwicklungen ist die Expertise der Gruppe schon in vielen Projekten gefragt – doch es gibt auch eigene Zukunfts­pläne. „Mein Wunsch ist es, auch in Richtung Material­entwicklung zu gehen“, so Schwanitz. „Insbesondere sind für uns Meta­materialien interessant, deren elektrische Eigen­schaften natürlicher­weise nicht vorkommen. Damit können besondere Eigen­schaften geschaffen werden, wie wesentlich geringere Verlust­eigen­schaften bei steigender Temperatur. Noch sind das jedoch absolute Zukunfts­bereiche, und um diese zu erreichen bzw. industrie­reif zu machen, muss eine Trans­formation vom theore­tischen Forschungs­vehikel zum konkreten und funktio­nie­renden Proto­typen erfolgen.“

Erst einmal legt die Gruppe ihren Fokus auf bestehende Projekte und trägt durch Material­charak­teri­sierung und das Designen von Inter­connects maßgeblich dazu bei, dass innovative Hoch­frequenz­anwendungen verwirklicht werden. Eines der wesent­lichen Vorhaben ist dabei das Projekt 6GKom der Förder­richt­linie ForMikro des Bundes­ministeriums für Bildung und Forschung. In diesem Projekt wird mit anderen Projekt­partnern ein Modul entwickelt, welches für die kommende 6. Mobil­funk­generation vorgesehen ist. „Das mag zwar kurios klingen“, so Schwanitz, „da der 5G Mobil­funk­ausbau in Deutschland gerade erst begonnen hat, jedoch ist es essentiell für den Forschungs­standort Deutsch­land, hier nicht den inter­nationalen Anschluss zu verlieren.“

Fh.-IZM / RK

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