Funktionale Via-Strukturen in keramischen Multilagensubstraten

Unter „Low Temperature Cofired Ceramcis“ (LTCC) wird eine Technologie verstanden, die sich im Gegensatz zu herkömmlichen Technologien von Leiterplatten, bzw. „Printed Circuit Boards“ (PCB), durch eine hohe Permittivität, niedrige dielektrische Verluste und geringe Fertigungstoleranzen auszeichnet. Die LTCC-Technologie bietet sich daher besonders für Anwendungen im Bereich der Hochfrequenztechnik an und kann hier, bedingt durch die mechanische Festigkeit und hohe thermische Leitfähigkeit, für eine hohe Integrationsdichte von HF-Bauelementen und HF-Komponenten sorgen. Zu diesem Zweck sollen funktionale Via-Strukturen (als Ersatz, bzw. Alternative zu Mikrostreifenleitungen) für den Entwurf von Filtern, Kopplern und Anpassnetzwerken verwendet werden. Dies ist bislang nur für PCBs bis 20 GHz erfolgreich umgesetzt worden und soll nun in LTCC-Multilagensubstraten auf 70 GHz erweitert werden. Hierfür müssen bestehende Modellierungsverfahren für Vias angepasst und erweitert werden. Anschließend sollen geeignete Teststrukturen sowohl entworfen als auch, mittels geeigneter Verfahren, messtechnisch erfasst werden.

Finanzierung: Freie und Hansestadt Hamburg

Kontakt: Ömer Faruk Yildiz, M.Sc.

Hochfrequenz Messspitzen und Kontaktflächen
entwickelt auf einem 10 mal 10 cm Low Temperature
Cofired Ceramic (LTCC) Substrat. Quelle: TET, TUHH

Seitenansicht zweier Hochfrequenz Messpitzen für W-Band Messungen bis 110 GHz von substratintegrierten Rechteckleitern auf einem Low Temperature Cofired Ceramic (LTCC) Substrat. Quelle: TET, TUHH

Entwurf passiver Mikrowellen-Komponentnen auf Multilagen-Leiterplatten mit Hilfe funktionaler Vias

Promotion Andreas Hardock. 01.01.2011 – 31.03.2015

Diese Arbeit behandelt den Entwurf von passiven Hochfrequenzkomponenten wie Filter, Koppler und Anpassnetzwerke auf Basis von funktionalen Vias (Durchkontaktierungen) in mehrlagigen Leiterplatten. Zu diesem Zweck werden die eigentlich parasitären elektrischen Eigenschaften der Vias detailliert analysiert und funktional eingesetzt. Die Entwürfe der Komponenten erfolgen auf theoretischer sowie auf simulativer Ebene und werden durch begleitende Streuparametermessungen bis zu 35 GHz validiert. Durch Vergleiche mit klassischen Hochfrequenzentwürfen auf Basis von Mikrostreifenleitungen werden die Vorteile und Nachteile in Bezug auf die elektrischen Eigenschaften und Platzbedarf diskutiert.

Oberfläche der simulationssoftware Mulatilayer Structure Simulator (MLSS) entwickelt am Institut für Theoretische Elektrotechnik (Quelle: TET, TUHH).

Draufsicht eines eigens entwickelten Via-Kopplers auf einer 8-lagigen Leiterplatte (Quelle: TET, TUHH).

Relevante Publikationen:

Andreas Hardock, Heinz-D. Brüns, Christian Schuster
Chebyshev Filter Design Using Vias as Quasi-Transmission Lines in Printed Circuit Boards
IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 63, no. 3, March 2015

Andreas Hardock, Young H. Kwark, Renato Rimolo-Donadio, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster
Using Via Stubs in Periodic Structures for Microwave Filter Design
IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 4, no. 7, July 2014

Andreas Hardock, Renato Rimolo-Donadio, Sebastian Müller, Young H. Kwark, and Christian Schuster
Signal integrity: Efficient, physics-based via modeling: Return path, impedance, and stub effect control
IEEE Electromagnetic Compatibility Magazine, vol. 3, no. 1, April 2014

Andreas Hardock, Renato Rimolo-Donadio, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster
Application of Vias as Functional Elements in Microwave Coupling Structures
IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,vol. 61, no. 10, October 2013

Andreas Hardock, Sebastian Müller, Xiaomin Duan, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster
Minimizing Displacement Return Currents in Multilayer Via Structures
IEEE Conference on Electrical Performance of Electronic Packaging and Systems (EPEPS), Tempe, AZ, USA, October 21-24, 2012

Andreas Hardock, Renato Rimolo-Donadio, Heinz Brüns, Christian Schuster
Double Stub Matching in Multilayered Printed Circuit Board using Vias
Electronic Components and Technology Conference (ECTC) 2012, San Diego, USA, May 29 – June 01, 2012

Kontaktierungstechnik für breitbandige Multitormessungen in der digitalen Aufbau- und Verbindungstechnik

Promotion Miroslav Kotzev. 01.10.2007 – 29.02.2013

Diese Arbeit befasst sich mit der Testsignalkontaktierung und Signaleinführungstechniken für breibandige Multitor-Messungen im Bereich der Aufbau- und Verbindungstechnik für digitale Systeme im Frequenzbereich von wenigen MHz bis 50 GHz. Drei verschiedene Signaleinführungstechniken werden im Zeit- und Frequenzbereich untersucht. Zuerst wird die Leistungsfähigkeit der Kontaktierung mit koaxialen Steckern in Messungen des Übersprechens von Backplane-Stecker analysiert. Im nächsten Schritt wird die „Recessed Probe Launche“-Technik präsentiert, wobei die Ergebnisse aus aktuellen Untersuchen in Bezug auf ihre Kalibration, ihre Anwendungen für Messungen von eingebetteten Multilagen-Strukturen und mögliche Modifizierungen für die Verbesserung der Messbandbreite im Mittelpunkt stehen. Schließlich wird das Konzept eines neuartigen Multitor-Adapters in den Messungen von dichten Via Array Strukturen reduziert und die Ergenisse mit Micorprobe-Messspitzen basierten Messungen validiert. Basierend auf 3D Vollwellen-Simulationen werden Vorschläge für die Optimierung des Layouts gemacht, die für die Anwendbarkeit dieser Technik für Datenraten bis 20 Gbit/s und darüber hinaus notwendig sind.

TUHH Universitätsbibliothek. TUBDok Link: http://doku.b.tu-harburg.de/volltexte/2013/1210/

12-Tor Vektornetzwerkanalysator von Agilent Technologies angeschlossen an einer Backplane Stecker Teststruktur (Leihgabe von IBM Deutschland Entwicklung GmbH, Böblingen, Deutschland) (Quelle: TET, TUHH).

Multitor Kontaktierungsmessaufbau für Untersuchungen in Strukturen mit dichten Durchkontaktierungen unter Benutzung von kommerziellen Micorprobe-Messspitzen und Mikromanupulatoren (Quelle: TET, TUHH).

Relevante Publikationen:

Miroslav Kotzev, Renato Rimolo-Donadio, Young H. Kwark, Christian W. Baks, Xiaoxiong Gu, Christian Schuster
Electrical Performance of the Recessed Probe Launch Technique for Measurement of Embedded Multilayer Structures
IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 61, no. 12, December 2012

Miroslav Kotzev, Young H. Kwark, Christian W. Baks, Xiaoxiong Gu, Christian Schuster
Electrical Performance of a Multiport Interposer for Measurements of Dense Via Arrays
IEEE Workshop on Signal Propagation on Interconnects (SPI), Naples, Italy, May 8-11, 2011

Miroslav Kotzev, Christian Schuster
Custom-Made Calibration Standards for Measurements of Multilayer Substrates
German Microwave Conference (GeMic), Darmstadt, Germany, March 14-16, 2011

Miroslav Kotzev, Heinz-D. Brüns, Christian Schuster
Effect of Via Stubs on the TRL Calibration Technique for Measurement of Embedded Multilayer Structures
European Microwave Conference (EuMC), Paris, France, September 28 – 30, 2010

Miroslav Kotzev, Roland Frech, Hubert Harrer, Dierk Kaller, Andreas Huber, Thomas-Michael Winkel, Heinz-D. Brüns, Christian Schuster
Crosstalk Analysis in High Density Connector Via Pin Fields for Digital Backplane Applications Using a 12-Port Vector Network Analyzer
IEEE Conference of Electronics System Integration Technology (ESTC), Berlin, Germany, September 13 – 16, 2010

Miroslav Kotzev, Renato Rimolo-Donadio, Heinz-D. Brüns, Christian Schuster
Multiport Measurement and Deembedding Techniques for Crosstalk Study in Via Arrays
IEEE Workshop on Signal Propagation on Interconnects (SPI), Hildesheim, Germany, May 9-12, 2010

Miroslav Kotzev, Renato Rimolo-Donadio, Christian Schuster
Extraction of Broadband Error Boxes for Microprobes and Recessed Probe Launches for Measurement of Printed Circuit Board Structures
IEEE Workshop on Signal Propagation on Interconnects (SPI), Strasbourg, France, May 12-15, 2009

Miroslav Kotzev, Xiaoxiong Gu, Young H. Kwark, Mark B. Ritter, Renato Rimolo-Donadio, Christian Schuster
Bandwidth Study of Recessed Probe Launch Variations for Broadband Measurement of Embedded PCB Structures
German Microwave Conference (GeMic) 2009, Munich, Germany, March 16-18, 2009