Entwurf von passiven Hochfrequenzkomponenten in Mehrlagensubstraten mit Hilfe von funktionalen Vias

• Antragsteller: Professor Dr. Christian Schuster
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2014
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 181145560

• Erstellungsjahr: 2014

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen dieses Projektes wurden Vias (elektrische Durchkontaktierungen) auf Leiterplatten erfolgreich für den Entwurf von Hochfrequenzkomponenten erprobt und entsprechende Entwurfsrichtlinien abgeleitet. Ausgehend von den fundamentalen Eigenschaften der elektromagnetischen Kopplung zwischen Vias und der zeitlichen Signal-Verzögerung auf Vias konnten Richtkopppler, Anpassnetzwerke und Filter im Frequenzbereich bis 20 GHz realisiert werden. Eine untere Frequenzgrenze von typischerweise einigen GHz ist in der Praxis dabei durch die Dicke der Leiterplatte gegeben. Die theoretischen Vorhersagen wurden sowohl durch Messungen als auch durch Simulationen bestätigt. Im Laufe der Arbeiten wurde zur schnellen Vorhersage der Eigenschaften dieser Hochfrequenzkomponenten ein eigenes, schnelles Programm zur Analyse von Vias und Leitungen in Mehrlagensubstraten angepasst und erweitert. Damit steht am Ende des Projektes ein effizientes Entwurfs-Werkzeug im Frequenzbereich bis ca. 25 GHz zur Verfügung. In der zukünftigen Forschung soll eine Ausarbeitung der Vorzüge und Nachteile des Einsatzes von Vias für weitere Komponenten und Substrate erfolgen. Insbesondere von Keramiken mit ihren kleinen dielektrischen Verlusten und hohen relativen Dielektrizitätskonstanten ist zu erwarten, dass sie vorteilhaft eingesetzt werden können.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• ”Double stub matching in multilayered printed circuit boards using vias", IEEE Conference on Electronic Components and Technology Conference (ECTC), San Diego, CA, USA, Mai 29 – Juni 1, 2012
  A. Hardock, R. Rimolo-Donadio, H.-D. Brüns, C. Schuster
  
• ”Minimizing displacement return currents in multilayer via structures“, IEEE Conference on Electrical Performance of Electronic Packaging and Systems (EPSPS), Tempe, AZ, USA, 21-24 Oktober, 2012
  A. Hardock, S. Müller, X. Duan, H.-D. Brüns, C. Schuster
  
• ”Application of vias as functional elements in microwave coupling structures”, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 61, no. 10, pp. 3541-3550, Februar 2013
  A. Hardock, R. Rimolo-Donadio, H.-D. Brüns, C. Schuster
  
• “Using via stubs in periodic structures for microwave filter design”. IEEE Transactions on Components, Packaging, and Manufacturing Technology, vol. 4, no. 7, pp. 1212-1221, July 2014
  A. Hardock, Y. H. Kwark, R. Rimolo-Donadio, H.-D. Brüns, C. Schuster
  
• ”Signal integrity: Efficient, physics-based via modeling: Return path, impedance, and stub effect control“, IEEE Electromagnetic Compatibility Magazine, Volume: 3, Issue: 1, 1st Quarter 2014, 76-84
  J. Fan, A. Hardock, R. Rimolo-Donadio, S. Müller, Y. H. Kwark, C. Schuster
  
• ”Chebyshev filter design using vias as quasi-transmission lines in printed cuircuit boards”, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Volume: 63, Issue: 3, March 2015, 976-985
  A. Hardock, H.-D. Brüns, C. Schuster