06.06.2012

Temperaturstabile Schaltkreise durch spezielle Materialmischungen

Wissenschaftler Steve Dai mit seinen temperaturkompensierten Materialien (Foto: Randy Montoya)

Experten der Sandia National Laboratories entwickelten eine spezielle Materialkombination für mehrschichtige, Keramik-basierende 3-D Mikroelektronikschaltungen, wie sie zum Beispiel in modernen Handys verwendet werden. Das neue Verfahren ist erstmals in der Lage, den bisher üblichen Effekt der Temperaturschwankungen so zu kompensieren, dass zum Beispiel der Temperaturkoeffizient keinen Einfluss mehr auf die Resonanzfrequenz hat.

Ein Handy ist ein gutes Beispiel für eine mögliche Anwendung des neuen Verfahrens. Die Fernmeldebehörden bestimmen, welche Anwendungsbereiche - Luftfahrt, Militär, Telekommunikation, usw. - welche Frequenzbereiche zugeteilt bekommen. Jedes Handy muss unter anderem mit der zugewiesenen Bandbreite auskommen. Aber bei Temperaturschwankungen verändern sich auch die Eigenschaften der Materialien innerhalb des Gerätes. Und das wiederum zieht Verschiebungen der Resonanzfrequenzen für den Sende-/Empfangsbetrieb mit sich.

Aufgrund dieser Verschiebungen sind Handyschaltungen so konzipiert, dass sie möglichst genau in der Mitte der Bandbreite funktionieren, um auf jeden Fall im vorgegebenen Frequenzbereich zu verbleiben. Das geht auf Kosten potenzieller Bandbreiten und des Datendurchsatzes.

Der Projektleiter Steve Dai arbeitete mit einem LTCC (low-temperature co-fired ceramic), einer mehrschichtigen 3-D Gehäuse- und Verbindungstechnologie, die auch passive Bauelemente (Widerstände, Kondensatoren und Spulen) integrieren kann.

Die meisten am Markt erhältlichen LTCC-Dielektrika zeigen einen weiten Temperaturbereich für den Temperaturkoeffizienten der Resonanzfrequenz. Dai erzielte durch die Mischung mit kompensierenden Materialien im LTCC einen Temperaturkoeffizienten von fast null. Das hinzugefügte Dielektrikum wirkt gewissermaßen gegen das Host-Dielektrikum und balanciert somit den Temperaturkoeffizienten der Resonanzfrequenz aus.

Dai: "Wir können die Materialeigenschaften so genau abstimmen, dass keine Frequenzverschiebungen auftreten. Mit einer derartigen Einstellung lässt sich die entsprechende Bandbreite erstmals voll ausnutzen." Für den Schaltungsdesigner ergeben sich zudem Kosteneinsparungen, da bisherige Temperaturkompensationen entfallen.

Eine nicht ganz einfache Aufgabe war für die Wissenschaftler die richtige Auswahl der Materialien, die sowohl physikalisch als auch chemisch kompatibel sein müssen. Der Herstellungsprozess selbst ist problemlos (wr).

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