F R A U N H O F E R - I N S T I T U T F Ü R Z u v er l ä ssi g k eit un d M i k roin T e g ration I Z M

Abteilung RF & Smart Sensor Systems

Fraunhofer IZM

Abteilung RF & Smart Sensor Systems Das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegra­

Wie ist zukünftig der effiziente Entwurf elektronischer Systeme

tion IZM ist eines von 66 Fraunhofer-Instituten, die sich über-

zu gestalten, wenn diese Systeme mit neuen Technologien der

wiegend natur- und ingenieurwissenschaftlichen Themen der

Aufbau- und Verbindungstechnik realisiert werden sollen?

angewandten Forschung verschrieben haben. Als langjähriger Partner von Industrie und öffentlicher Hand bearbeitet das

In der Abteilung RF & Smart Sensor Systems werden neue

Fraunhofer IZM Projekte zu modernen Packaging-Technologien

Methoden und Werkzeuge für den zielgerichteten technolo-

und Smart System Integration. Ziel dabei ist es, den Anforde-

gieorientierten Entwurf elektronischer Systeme entwickelt.

rungen nach höherer Zuverlässigkeit, Multifunktionalität und

Dies erfolgt auf Basis entwicklungsbegleitender Simulationen

Reduzierung der Herstellungskosten gerecht zu werden. Dies

der unterschiedlichen Phänomene elektrischer, magnetischer

beginnt am Fraunhofer IZM beim effizienten Entwurf mittels

und elektromagnetischer, aber auch thermischer und mechani-

neuartiger Methoden, die eine frühzeitige Berücksichtigung

scher Kopplungen. Bereits in der Konzeptphase lassen sich so

der Applikationsanforderungen ermöglichen.

unterschiedliche Technologien unter Berücksichtigung der spezifischen Funktionalität und Belastungsfähigkeit der jeweiligen

Eine enge Kooperation besteht mit dem Forschungsschwer-

Systeme vergleichen. Zum Angebot gehören daher Funktions-,

punkt Technologien der Mikroperipherik der TU Berlin. An drei

Volumen-, Zuverlässigkeits- und Kostenanalysen, die bereits in

Standorten in Berlin, Dresden und Oberpfaffenhofen forschen

einer sehr frühen Phase des Entwurfs durchgeführt werden

rund 220 Mitarbeiter und 140 Studenten, Praktikanten und

können.

Diplomanden. Mithilfe dieser neuen Methoden und Werkzeuge werden in Technologische Schwerpunkte dabei sind

der Abteilung Technologiedemonstratoren und Prototypen so-

• Integration auf Waferebene

wohl für elektronische Baugruppen als auch für eingebettete

• Integration auf Substratebene

Systeme realisiert. Die wichtigsten Anwendungsbereiche sind

• Materialien, Zuverlässigkeit und nachhaltige Entwicklung

dabei

• Entwurfsmethodik und Systemdesign

• Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik • HF- und High-Speed-Systementwurf • Energieversorgung mikroelektronischer System

2 I 3

Miniaturisierte autarke Systeme für Logistikanwendungen

RFID-Label mit eInk-Display

Miniaturisierte Autarke systeme Autarke Mikrosysteme sind für viele Branchen eine wichtige

Entwurf und Realisierung

Querschnittstechnologie, die als Enabler für neue Produkte

Autarke Sensorsysteme erfahren derzeit in vielen Anwen-

und Dienstleistungen wirkt.

dungsbereichen die Überführung aus einem Nischendasein zum für den Innovationsgrad neuer Produkte bestimmenden

Condition Monitoring im Maschinenbau

Element. Das spezielle Kennzeichen der Entwicklungen am

Autarke Sensorsysteme unterstützen in komplexen Maschinen

Fraunhofer IZM ist die zielgerichtete Anpassung aller Teilkom-

und Anlagen die Zustandsüberwachung im laufenden Betrieb.

ponenten derartiger Systeme an die jeweiligen Anforderungen

Sie ermöglichen z. B. mittels Restlebensdauervorhersage eine

der Anwendung:

zustandsorientierte Instandhaltung. Hierfür entwickeln wir Sys-

• Die exakte Anpassung von Rechenleistung und Energiever-

teme, die auch in unzugänglichen Bereichen der Anlagen un-

brauch des Prozessors als das Herzstück eines autarken Sen-

ter rauesten Industriebedingungen einsetzbar sind.

sorsystems ist von zentraler Bedeutung, deshalb unterstützen wir hier eine große Bandbreite vom einfachsten

Energiewirtschaft Anlagen der Energiewirtschaft sind dezentral aufgebaut, wer-

Prozessor bis zu Systemen mit Co-Processing • Die Auswahl eines erforderlichen Speichers wird stark vom

den für lange Standzeiten ausgelegt, und müssen gleichzeitig

Grad der Vernetzung bestimmt – Langzeitdatenlogger oder

eine hohe Zuverlässigkeit trotz schwankender Einspeisesituati-

digitale Messwertaufbereitung und -weiterleitung in Echtzeit

onen durch regenerative Energiequellen sicherstellen. Daraus entsteht ein Bedarf an autonomen verteilten Sensorsystemen, die zu jedem Zeitpunkt und an jedem Ort des Gesamtsystems in der Lage sind, wichtige Zustandsgrößen aufzunehmen. Wir

• Die Auswahl der Sensorelemente orientiert sich unter der Nutzung hochauflösender Komponenten an besonders energiesparenden Messprinzipien • Ein aktueller Entwicklungsschwerpunkt ist die Integration

entwickeln für diesen Anwendungsbereich z. B. hochspan-

optischer Sensoren zur Farberkennung und für spektrale

nungstaugliche Sensorsysteme, die Temperatur, Durchhang,

Analytik

Leitungsstrom sowie mechanische Schwingungen aufgrund des Windes an einem Leiterseil überwachen können.

• Der Fokus beim Entwurf effizienter Kommunikation und Ortung liegt auf der richtigen Nutzung angepasster Sendeund Empfangsfrequenzen

Logistik

• Auf der Basis von Storyboards zu den Einsatzbedingungen

Informationen zu Handhabung, Aufenthaltsort, Umgebungs-

des Systems treiben wir die Entwicklung autarker Sensorsys-

bedingungen einer Sendung ermöglichen zusätzliche Angebo-

teme bis zum Gehäusedesign, das in der Regel integrierte

te oder verbessern bestehende. Daher war dieser Bereich einer

Sensorelemente enthält. Neben den Schutzfunktionen der

der ersten, in denen autarke Datenlogger und Anzeigesysteme

Gehäuse werden bei Bedarf auch Anzeige- und Bedienele-

Einzug hielten. Wir haben hierfür diverse semi-aktive und akti-

mente unter Beachtung der Montagefreundlichkeit direkt in-

ve Sensor-Tags und -Module teilweise mit Ortungsfunktionali-

tegriert.

tät und innovativen Anzeigesystemen realisiert.

Miniaturisierter Piezo-Wandler

Weltweit kleinster Funksensorknoten

Energieversorgung von Mikrosystemen Energieautarkie

Piezoelektrische Wandler

Mit der zunehmenden Miniaturisierung verteilter elektroni-

Piezoelektrischen Wandlern werden vielfältige Einsatzmöglich-

scher Systeme wachsen auch die Herausforderungen an eine

keiten bei Stromversorgungen, in der Aktorik und als Energie-

adäquate Energieversorgung.

erzeuger vorausgesagt. Sie werden zunehmend die Technologietreiber sein, wenn es darum geht, Netzversorgungen von

Parametrisierte Modelle

LED, Notebooks und Displays zu miniaturisieren und effizienter

Am Fraunhofer IZM wird die gesamte Energiewandlungskette

auszulegen.

– von der Quelle, die z. B. aus einer Primärzelle oder aber auch einem Energy Harvester bestehen kann, über eine geeignete

Stromversorgungen

Aufbereitung und Zwischenspeicherung, bis hin zu variablen

Das Fraunhofer IZM ist weltweit führend bei Entwurf und Op-

Lasten – modelliert und parametrisiert. So ist es möglich, be-

timierung von Piezo-Stromversorgungssystemen. Hervorzuhe-

reits beim Entwurf die Einflüsse der einzelnen Komponenten

ben sind dabei die Erfahrungen im Entwurf von extrem flachen

auf das Verhalten des Gesamtsystems zu beurteilen und damit

Hochspannungsgeneratoren zur Ansteuerung modernster Ak-

auch hinsichtlich bestimmter Kriterien zu optimieren.

toren, wie elektro-rheologische, Piezoaktoren und Elastomeraktoren. Unser Patentportfolio, das wir in den vergangenen

Energiemanagement

Jahren für dieses Gebiet aufgebaut haben, sichert unseren

Ein Schwerpunkt unserer Arbeit liegt im Bereich des Energie-

Projektpartnern den Markteintritt.

managements und damit der adaptiven Anpassung von dynamischen Lasten. Hierzu zählen bei drahtlos kommunizierenden

Anwendungsspezifischer IC-Entwurf

energieautarken Systemen insbesondere die Kommunikations-

Weiterhin besteht umfassende Expertise beim Entwurf integ-

schnittstelle sowie Komponenten zur Zustandsvisualisierung,

rierter Schaltkreise für Piezo- und Resonanzwandler, sowie für

die hinsichtlich ihres Energiebedarfs durch eine hohe Band­

extrem verlustarme Energiegewinnungsmodule, autarke Syste-

breite an Lastprofilen gekennzeichnet sind.

me, ebenso wie für Sensorik und RF-Design.

Drahtlose Energieübertragung

Jahrelange Erfahrungen bei der Optimierung von Systemen

Des Weiteren arbeiten wir an neuen Konzepten zur kontakt­

(evolutionäre Methoden, heuristische energiebasierte Verfah-

losen Wiederaufladung von Energiespeichern miniaturisierter

ren) ermöglichen es uns, Leistungen beim Entwurf und der

Systeme, um neue Einsatzszenarien für derartige Sys­teme er-

Optimierung kundenorientierter Systeme über Herstellung von

schließen zu können.

Prototypen bis zur Charakterisierung und messtechnischen Auswertung sowie der Markteinführung bei kurzer Entwicklungszeit anzubieten.

4

Antennencharakterisierung im ASE-Labor des Fraunhofer IZM

Numerische Verfahren zur Modellierung von Leitungsverlusten

HF- & High-Speed-SystemE – Entwurf und Integration Um der steigenden Nachfrage nach miniaturisierten elektroni-

Wir haben den M3-Ansatz eingesetzt, um Komponenten wie

schen Produkten nachzukommen, wird die Integrationsdichte

Flip-Chip- und Drahtbond-Verbindungen, Leitungen, Span-

auf allen Ebenen, auf dem Chip, im Package und auf dem

nungsversorgungslagen, integrierte Wellenleiter sowie Durch-

Substrat, kontinuierlich erhöht. Zudem verfügen immer mehr

kontaktierungen in Silizium (sog. Through Silicon Vias, TSVs)

Produkte über unterschiedliche Schnittstellen zur drahtlosen

und isolierenden Substraten (z. B. FR4, Keramik, Glas) von

Kommunikation. Diese hohe Integrationsdichte bei gleichzeiti-

Chip-Packages und Leiterplatten systematisch zu entwerfen.

ger Verwendung von Arbeitsfrequenzen über 1 GHz verursacht in zunehmendem Maße Probleme auf dem Gebiet der elektro-

Hochintegration von Mikroantennen

magnetischen Zuverlässigkeit, die unzureichende Signal- bzw.

In vielen Anwendungen kommt der robusten Kommunikation

Powerintegrität und elektromagnetische Störungen zur Folge

über drahtlose Schnittstellen eine sehr große Bedeutung zu.

haben können.

Die zuverlässige Integration der Antenne ist ein entscheidender Aspekt im Entwicklungsprozess derartiger Systeme. Auch

M3 – Methoden, Modelle, Maßnahmen

hier wurde der M3-Ansatz eingesetzt, um einen zuverlässigen

Unsere Forschungsaktivitäten konzentrieren sich auf die An-

Entwurf und die Integration planarer, konformer und dreidi-

wendung der elektromagnetischen Feld- und Netzwerktheorie

mensionaler Antennen für RFID, GPS, WLAN / WPAN, Radar

zur Entwicklung effizienter und akkurater elektrischer Model-

und Mobilfunkanwendungen von 100 kHz bis 100 GHz zu er-

lierungs-, Simulations- & Messmethoden. Diese Methoden er-

möglichen.

lauben die Extraktion zuverlässiger Modelle, die zur Analyse und Charakterisierung von elektronischen Chip-Packages

Modellbasierter Systementwurf

(z. B. SiP, SoP, CSP, WLP), Leiterplatten und Antennen dienen.

Als Dienstleistung bieten wir für die Entwicklung eines Produk-

Unsere Methoden und Modelle sind bis in den Bereich von

tes elektrische Modellierung, Simulation, Entwurf und Messun-

über 100 GHz gültig und durch entsprechende Messungen

gen, sowohl in der Pre-, als auch in der Post-Layout-Phase an.

(bis 110 GHz) validiert. Schließlich werden aus diesen Modellen

In der Pre-Layout Phase wenden wir den M3-Ansatz an. Im

Entwurfsmaßnahmen bzw. -regeln abgeleitet und angewen-

Post-Layout-Stadium benutzen wir State-of-the-Art Simulati-

det, um kostengünstige HF- & High Speed-Komponenten, Mo-

onswerkzeuge bzw. unser umfangreich ausgestattetes Labor,

dule und Systeme zu entwickeln. Darüber hinaus erlaubt die

um eine gründliche elektrische Analyse, Charakterisierung und

Vorgehensweise die Optimierung hinsichtlich Funktionalität

Optimierung durchzuführen.

und elektromagnetischer Zuverlässigkeit. Dieses umfassende und systematische Vorgehen beim Entwurf nennen wir M3Ansatz, denn hier werden Methoden, Modelle, Maßnahmen entwickelt und aufeinander abgestimmt.

5 I 6

Ringresonator zur Bestimmung der Dielektrizitätskonstanten

Entwurfswerkzeuge für die 3D-Heterosystemintegration

Elektrische charakterisierung

Methodik des systementwurfs

Die elektrische Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit vieler

Komplexere Mikrosysteme bestehen aus einer Vielzahl an Ma-

Komponenten, die für HF-, High-Speed- und Sensorsysteme

terialien, die mit unterschiedlichen Techniken zusammenge-

verwendet werden, hängen von dem jeweiligen Dielektrikum

fügt werden. Ausgehend von den wichtigsten Integrations-

bzw. Trägersubstrat und dem Gehäuse bzw. der Verkapselung

technologien und deren Freiheitsgraden entwickeln wir

ab. Deren dielektrische Eigenschaften sind abhängig von der

Modelle, um Problemstellungen der elektromagnetischen Zu-

Frequenz und den Umgebungsbedingungen wie Temperatur

verlässigkeit, der Systemminiaturisierung und der Kostenopti-

und Feuchte. Daher ist es entscheidend, die Materialien für

mierung effektiv zu lösen. Das Ergebnis sind entsprechende

den angedachten Frequenzbereich eingehend und unter Zu-

Entwurfsvorschriften, Komponentenanordnungen und Opti-

grundelegung realistischer Umgebungsbedingungen zu cha-

mierungsmaßnahmen. Anstatt der sonst üblichen isolierten

rakterisieren.

Betrachtung von Einzelkomponenten in einer starren Entwurfsreihenfolge wird hier ein flexibler, modellbasierter Ent-

HF-Eigenschaften in Abhängigkeit von

wurfsansatz bevorzugt.

Feuchte und Temperatur Das Ziel unserer Forschung besteht darin, aus einer Kombinati-

Steigerung der Entwurfseffizienz

on von Messmethoden, analytischen und numerischen Model-

Die einzelnen Entwurfsschritte ergeben sich dabei während

len die relative Dielektrizitätskonstante und den dielektrischen

des Entwicklungsprozesses durch Gewichtung der einzelnen

Verlustfaktor in Abhängigkeit von Frequenz, Temperatur und

Entwurfsentscheidungen in Bezug auf die Zielgrößen, z. B. das

Feuchtegehalt für eine Vielzahl von dielektrischen Materialien

Systemvolumen oder die Störfestigkeit. Dadurch wird eine er-

zu extrahieren. Hierfür werden spezielle Teststrukturen entwi-

hebliche Steigerung der Entwurfseffizienz möglich. Spezifische

ckelt.

Entwurfswerkzeuge werden dabei für verschiedene System-

Als Dienstleistung bieten wir unter anderem die Bestimmung

klassen entwickelt und validiert.

der elektrischen Parameter von dielektrischen Materialien mittels Teststrukturen und Split-Zylinder-Messungen sowie Durch-

Werkzeuge für den Systementwurf

bruchsspannungsmessungen an. Wir haben unsere Methoden

Die erarbeiteten Entwurfswerkzeuge werden nach einer

bereits eingesetzt, um organische Substrate, Glas und Silizium

ausführlichen Validierung anhand konkreter Entwurfsaufgaben

für Anwendungen bis in den mm-Wellenbereich zu charakteri-

zu universell einsetzbaren Tools weiterentwickelt. Diese Tools

sieren.

können dann bei unseren Projektpartnern im Entwurfsprozess integriert und verwendet werden. Die Leistungsfähigkeit der erarbeiteten Design-Methoden konnte bereits in Zusam­ men­arbeit mit Forschungspartnern und Industriekunden demonstriert werden. So wurden zum Beispiel besonders kostengünstige Reifendrucksensoren aber auch die weltweit kleinsten Sensorknoten für Adhoc-Funknetzwerke realisiert.

Service & Kontakt

Laborausstattung

Dienstleistungen

Advanced System Engineering Lab

Unser Angebot erstreckt sich über den gesamten Pfad des Ent-

In unserem neu gestalteten, hervorragend ausgestatteten Ad-

wurfs elektronischer Systeme – von der Machbarkeitsstudie bis

vanced System Engineering Labor bieten wir unseren Kunden

zum Prototyp.

vielfältige Angebote rund um den zielgerichteten effizienten

• Unterstützung in allen Phasen der Produktentwicklung

Entwurf und das schnelle Prototyping technologisch an-

• Entwicklung und Realisierung von Demonstratoren und

spruchsvoller elektrischer Systeme.

Prototypen

Die umfangreiche Messtechnik einschließlich hochqualifizier-

• Begleitende Entwurfsunterstützung (Pre- und Postlayout)

ten Personals steht unseren Kunden für kleinere Messauf­

• Durchführen der messtechnischen Systemverifikationen

gaben ebenso wie für langjährige Forschungsprojekte zur

• Ableiten von parametrisierbaren Modellen zur effizienten

Verfügung.

Systemsimulation • Technische und organisatorische Begleitung bei der Überfüh-

Hervorzuheben sind dabei: • HF-Charakterisierung bis 110 GHz von Technologien und

rung in die Serienfertigung

Komponenten der Mikroelektronik • Antennenmessung und -charakterisierung • Leistungsumwandlung für Energiespeicherung und piezo-

Kontakt

elektrische Komponenten • Mikroenergiesysteme

Fraunhofer IZM

• Rapid Prototyping:

Leitung: Prof. Dr. Klaus-Dieter Lang Gustav-Meyer-Allee 25

PCBs, 3D-Abformung, mechatronische Tests

13355 Berlin Electronics Condition Monitoring Lab

Fon:

+49 30 46403 153

• Zustandserfassung und Online-Ausfallbestimmung

Fax:

+49 30 46403 123

E-Mail: [email protected]

elektronischer Systeme • Kombinierte Lebensdauertests:

URL: http://www.izm.fraunhofer.de

Vibration, Temperatur, Feuchte Abteilungsleiter RF & Smart Sensor Systems Dr.- Ing. Ivan Ndip Fon:

+49 30 46403 679

E-Mail: [email protected] Harald Pötter Fon: Konzept & Redaktion: Fraunhofer IZM PR, Berlin + M.Creutzfeldt / MCC Berlin · Design: J. Metze / Atelier f:50 Berlin,

+49 30 46403 742

E-Mail: [email protected]

Birgit Metzger · Fotografie: Fraunhofer IZM, außer: diego_cervo / istockphoto.com (S. 3 li / re), luismmolina, jacus, Sergey Lavrentev / istockphoto.com (S. 4 li / re), Fotofragola78 / Fotolia.com (S. 5 re) und sweetym / istockphoto.com (S. 7 li / re).

SDI 14/07 - 5d'

Rufen Sie uns an, wir unterstützen Sie gern!