Hochfrequenz-Messung und -Modellierung von miniaturisierten Komponenten für High-Speed Anwendungen

Mit der fortschreitenden Entwicklung von hoch-integrierten und hoch-getakteten elektrischen und elektronischen Systemen werden miniaturisierte Komponenten wie z.B. Surface Mounted Device (SMD) Kondensatoren, Dioden und Transistoren sowie Monolithic Microwave Integrated Circuits (MMICs) vermehrt in Hochfrequenz-Designs eingesetzt. Eine Folge davon ist, die genaue Modellierung der Impedanzen und anderer Charakteristika miniaturisierter Komponenten für den Entwurfsprozess immer wichtiger werden.

Dieses von DAAD und CSC kofinanzierte Projekt zielt darauf ab, parametrisierte, skalierbare Modelle gemäß des Schemas in der Abbildung unten zu erstellen. Die wesentlichen Forschungsaspekte hierbei sind: (1) Identifikation der größten parasitären Effekte, (2) De-Embedding/Kalibrationstechniken für Simulationen und Messungen und (3) automatisierte Modell-Generierung.

 

Flussdiagramm für Modell-Generierung von miniaturisierten Komponenten

Finanzierung: DAAD, CSC
Kontakt: Yifan Qian, Ph. D.
Start Datum: 12.07.2021

Funktionale Via-Strukturen in keramischen Multilagensubstraten

Promotion Ömer Faruk Yildiz, 01.01.2017 – 30.04.2021

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.

 

Vergleich der Streuparameter eines mit funktionalen Vias auf einem Low Temperature Cofired Ceramic (LTCC) Substrat hergestellten Bandpass-Filters aus Messung und Simulation.

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).

Relevante Publikationen:

Ömer Faruk Yildiz, Nico Pathè, Marc Bochard, Cheng Yang, Christian Schuster

Introducing Functional Via Structures to Low Temperature Cofired Ceramics: How to Optimize Reliably and Efficiently Artikel

In: IEEE Electromagnetic Compatibility Magazine, vol. 10, no. 4, pp. 35-45, 2021.

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Ömer Faruk Yildiz, Nico Pathè, Marc Bochard, Cheng Yang, Christian Schuster

Analysis of Differential Crosstalk and Transmission for Via Arrays in Low Temperature Cofired Ceramics Konferenzbeitrag

In: IEEE Workshop on Signal and Power Integrity (SPI), virtual event, Siegen, Germany, May 10-12, 2021.

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Ömer Faruk Yildiz, Ole Thomsen, Marc Bochard, Cheng Yang, Christian Schuster

Vertical Integration of Passive Microwave Components Using Functional Via Structures in LTCC Multilayer Substrates Artikel

In: IEEE Transactions of Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 11, no. 4, pp. 635-646, 2021.

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Ömer Faruk Yildiz, Ole Thomsen, Cheng Yang, Christian Schuster

Vertically Integrated Microwave-Filters Using Functional Via Structures in LTCC Konferenzbeitrag

In: European Microwave Conference (EuMC), virtual event, Utrecht, Netherlands, Jan. 12-14, 2021.

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Ömer Faruk Yildiz, Christian Schuster

Design of Wideband Functional Via Structures for LTCC Multilayer Substrates up to 110 GHz Konferenzbeitrag

In: IEEE Electrical Design of Advanced Package & Systems Symposium (EDAPS), Kaohsiung, Taiwan, December 16-18, 2019.

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Zhongkui Wen, Qi Wu, Ömer Faruk Yildiz, Christian Schuster

Design of Experiments for Analyzing the Efficiency of a Multi-Coil Wireless Power Transfer System Using Polynomial Chaos Expansion" Konferenzbeitrag

In: Joint International Symposium on Electromagnetic Compatibility, Sapporo, Japan, 3-7 June 2019.

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Ömer Faruk Yildiz, David Dahl, Christian Schuster

Quantifying the Impact of RF Probing Variability on TRL Calibration for LTCC Substrates Konferenzbeitrag

In: IEEE Electronic Components and Technology Conference (ECTC), Las Vegas, USA, May 28-31 2019.

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Ömer Faruk Yildiz, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster

Variance-Based Iterative Model Order Reduction of Equivalent Circuits for EMC Analysis Artikel

In: IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 1, pp. 128-139, 2019.

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David Dahl, Ömer Faruk Yildiz, Eduard Frick, Christian Seifert, Marko Lindner, Christian Schuster

Feasibility of Uncertainty Quantification for Power Distribution Network Modeling Using PCE and a Contour Integral Method Konferenzbeitrag

In: 2018 Joint IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility & Asia-Pacific Symposium on Electromagnetic Compatibility, Singapore, June, 2018.

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Torsten Reuschel, Ömer Faruk Yildiz, Jayaprakash Balachandran, Cristian Filipa, Nitin Bhagwath, Bidyut Sen, Christian Schuster

Efficient Sensitivity-Aware Assessment of High-Speed Links Using PCE and Implications for COM Konferenzbeitrag

In: DesignCon, Santa Clara, CA, USA, January, 2018.

Ömer Faruk Yildiz, Jan Birger Preibisch, Jan Niehof, Christian Schuster

Sensitivity Analysis and Empirical Optimization of Cross-Domain Coupling on RFICs using Polynomial Chaos Expansion Konferenzbeitrag

In: 2017 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility & Signal/Power Integrity (EMCSI) Washington, DC, USA, 2017.

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Entwurf und Charakterisierung von HF-Komponenten und High-Speed Interconnects auf LTCC Substraten

Industrieprojekt, 01.12.2017 – 31.06.2019

In diesem Projekt werden in Zusammenarbeit mit einem Industriepartner verschiedene HF-Komponenten und High-Speed Interconnects auf Low Temperature Cofired Ceramics (LTCC) Multilagen-Substraten entworfen und charakterisiert. Das Projekt verfolgt im Generellen das Ziel, Erfahrung im Bereich Multi-GHz Entwurf für digitale als auch analoge Komponten auf LTCC zu gewinnen. Im Verlauf des Projektes werden (1) LTCC-Substrate messtechnisch analysiert und als Verbindungstechnik für breitbandige Kommunikation bewertet, (2) vertikale Durchkontaktierungen (Vias) und ihre Verwendung als funktionale Elemente für passive HF-Komponenten untersucht, und (3) allgemeine Entwurfs-Richtlinien auf Basis der erhaltenen Resultate abgeleitet. Die Charakterisierung erfolgt sowohl durch Simulation als auch Messung von Streuparametern bis 110 GHz.

 

Seitenansicht zweier Hochfrequenz-Messspitzen für Breitband-Messung von Streuparametern bis 50 GHz von substratintegrierten Rechteckleitern auf einem Low Temperature Cofired Ceramic (LTCC) Substrat. (Quelle: TET, TUHH)

Genereller Aufbau der Messumgebung: Probing-Station zum Halten des Low Temperature Cofired Ceramic (LTCC) Substrates und zur Bereitstellung des Zugangs mittels Messspitzen, Netzwerk-Analysator zur Messung der Streuparameter und Software-Tools für Kalibration und Nachbearbeitung derselben. (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

Design of Passive Microwave Components on Multilayered Printed Circuit Boards using Functional Vias Promotionsarbeit

2016, ISBN: 978-3-8440-4615-1.

Qi Wu, Alexander Vogt, Jan Birger Preibisch, Andreas Hardock, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster

Modeling of Mutual Coupling between Coaxial Probes in Flat Metallic Casings Using the Contour Integral Method Konferenzbeitrag

In: 2015 International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA), Turin, Italy, September 07-11, 2015.

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Jan Birger Preibisch, Andreas Hardock, Christian Schuster

Physics-Based Via and Waveguide Models for Efficient SIW Simulations in Multilayer Substrates Artikel

In: IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques , Bd. 63, Nr. 6, 2015.

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Andreas Hardock, David Dahl, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster

Efficient Calculation of External Fringing Capacitances for Physics-Based PCB Modeling Workshop

2015 IEEE 19th Workshop on Signal and Power Integrity (SPI), Berlin, Germany, May 10-13, 2015.

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Andreas Hardock, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster

Chebyshev Filter Design Using Vias as Quasi-Transmission Lines in Printed Circuit Boards Artikel

In: IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Bd. 63, Nr. 3, 2015.

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Miroslav Kotzev, Young H. Kwark, Sebastian Müller, Andreas Hardock, Renato Rimolo-Donadio, Christian W. Baks, Christian Schuster

High Frequency Measurement Techniques for Vias in Printed Circuit Boards Artikel

In: IEEE Electromagnetic Compatibility Magazine, Bd. 3, Nr. 4, 2014.

Links

Andreas Hardock, Young H. Kwark, Renato Rimolo-Donadio, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster

Using Via Stubs in Periodic Structures for Microwave Filter Design Artikel

In: IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, Bd. 4, Nr. 7, 2014.

Links

Andreas Hardock, Renato Rimolo-Donadio, Sebastian Müller, Young H. Kwark, Christian Schuster

Signal integrity: Efficient, physics-based via modeling: Return path, impedance, and stub effect control Artikel

In: IEEE Electromagnetic Compatibility Magazine, Bd. 3, Nr. 1, 2014.

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Andreas Hardock, Renato Rimolo-Donadio, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster

Application of Vias as Functional Elements in Microwave Coupling Structures Artikel

In: IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Bd. 61, Nr. 10, 2013.

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Sebastian Müller, Andreas Hardock, Renato Rimolo-Donadio, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster

Analytical Extraction of Via Near-Field Coupling Using a Multiple Scattering Approach Workshop

EEE Workshop on Signal and Power Integrity (SPI) Paris, Frankreich, 2013.

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Andreas Hardock, Sebastian Müller, Xiaomin Duan, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster

Minimizing Displacement Return Currents in Multilayer Via Structures Konferenzbeitrag

In: IEEE Conference on Electrical Performance of Electronic Packaging and Systems (EPEPS), Tempe, USA, October 21-24, 2012.

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Andreas Hardock, Renato Rimolo-Donadio, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster

Double Stub Matching in Multilayered Printed Circuit Board using Vias Konferenzbeitrag

In: Electronic Components and Technology Conference (ECTC), San Diego, USA, May 29-June 1, 2012.

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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.

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

Probing and Fixturing Techniques for Wideband Multiport Measurements in Digital Packaging Promotionsarbeit

2013, ISBN: 978-3-8440-1910-0.

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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 Artikel

In: IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Bd. 61, Nr. 12, 2012.

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Miroslav Kotzev, Young H. Kwark, Christian W. Baks, Xiaoxiong Gu, Christian Schuster

Electrical Performance of a Multiport Interposer for Measurements of Dense Via Arrays Workshop

IEEE Workshop on Signal Propagation on Interconnects (SPI), Naples, Italy, May 8-11, 2011.

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Miroslav Kotzev, Christian Schuster

Custom-Made Calibration Standards for Measurements of Multilayer Substrates Konferenzbeitrag

In: German Microwave Conference (GeMic), Darmstadt, Germany, March 14-16, 2011.

Miroslav Kotzev, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster

Effect of Via Stubs on the TRL Calibration Technique for Measurement of Embedded Multilayer Structures Konferenzbeitrag

In: European Microwave Conference (EuMC), Paris, France, September 28-30, 2010.

Miroslav Kotzev, Roland Frech, Hubert Harrer, Dierk Kaller, Andreas Huber, Thomas-Michael Winkel, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster

Crosstalk Analysis in High Density Connector Via Pin Fields for Digital Backplane Applications Using a 12-Port Vector Network Analyzer Konferenzbeitrag

In: IEEE Conference of Electronics System Integration Technology (ESTC), Berlin, Germany, September 13-16, 2010.

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Miroslav Kotzev, Renato Rimolo-Donadio, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster

Multiport Measurement and Deembedding Techniques for Crosstalk Study in Via Arrays Workshop

IEEE Workshop on Signal Propagation on Interconnects (SPI), Hildesheim, Germany, May 9-12, 2010.

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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 Konferenzbeitrag

In: IEEE Workshop on Signal Propagation on Interconnects (SPI), Strasbourg, France, May 12-15, 2009.

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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 Konferenzbeitrag

In: German Microwave Conference (GeMic), Munich, Germany, March 16-18, 2009.

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