Biegbare drahtlose Sensoren und Millimeterwellensender in ultra-dünner SiGe BiCMOS Technologie Acronym: Bend-IT
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Forschungsprojekt wurden biegbare drahtlose Sender, Herstellungstechniken und Schaltungen untersucht. Der Schwerpunkt des Projekts lag auf der Untersuchung des Verhaltens von mm-Wellen-Schaltkreisen in einer etablierten BiCMOS Technologie, die durch aggressives Abdünnen biegbar gemacht wurden. Es wurde ein Sendesystem erforscht, das aus einem spannungsgesteuerten 190-GHz-Oszillator, zwei Leistungsverstärkern sowie einem Array gefalteter Dipolantennen besteht. Sowohl der Leistungsverstärker als auch die Antenne wurden speziell für dieses System entworfen. Alle Schaltungsblöcke sind durch passive elektromagnetische Baluns miteinander verbunden. Es sind alle Bausteine auf einem Chip integriert, sodass nur die Versorgungsspannungen angeschlossen werden müssen. Die Herstellung der Schaltung basiert auf dem modernen IHP SG13 BiCMOS-Prozess. Ein fortschrittliches Finite-Elemente-Modell wurde in ANSYS 18.2 entworfen und sowohl durch analytische Gleichungen als auch durch Messungen bestätigt, um die durch Spannungen in der Ebene hervorgerufene Waferverformung zu charakterisieren. Das Modell umfasst die meisten Fertigungsdetails. Durch Verwendung der Theorie der Scherverformung erster Ordnung konnte die Modellkomplexität reduziert werden. Es zeichnet sich durch eine hohe Genauigkeit im Vergleich zu den Messergebnissen aus. Die aus jedem Back-End-Prozessschritt resultierenden Materialeigenspannungen wurden auf der Grundlage des entworfenen Modells extrahiert. Außerdem wurden mit diesem Modell sowohl die Verformungsvariationen des Wafers bei unterschiedlichen Waferdicken als auch die schwerkraftinduzierte Verformung charakterisiert. Das entstandene System wurde umfangreich untersucht. Das Gleichstromverhalten von Chips vor und nach der Waferabdünnung wurde verglichen und analysiert, um Informationen für die Schaltungseigenschaften zu erhalten. Bei der Schaltungscharakterisierung wurden zunächst die Chips mit Standarddicke gemessen, um einen Referenzpunkt für die Ausgangsleistung zu erhalten. Anschließend wurden die auf 20 μm Gesamtdicke abgedünnten Chips charakterisiert. Zunächst wurden die ultradünnen Chips (UTC) ohne Antenne auf dem Wafer Prober gemessen. Anschließend konnten abgedünnte Chips mit Antenne, durch Aufbringen auf einer halbstarren, biegbaren Leiterplatte in verschiedenen, durch speziell 3D-gedruckte Halterungen vorgegebenen, Biegeradien analysiert werden. Schließlich wurde das Antennendiagramm untersucht und mit elektromagnetischen Simulationen verglichen. Die Messergebnisse belegen, dass die Schaltung nach der Abdünnung bei Millimeterwellenfrequenzen funktioniert. Die Gesamtausgangsleistung wurde um maximal 8 dB verringert, während sich die Oszillationsfrequenz des VCOs unter Biegebelastung nur um 1% um die Mittenfrequenz von 186,5 GHz verschob. Durch Verbesserungen im Abdünnungsprozess wird sich die Leistungsfähigkeit von Chips mit Standarddicke und abgedünnten Chips noch besser angleichen, indem Schäden an den Chips in der Produktion minimiert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- "An Integrated mm-Wave Quadrature Up-Conversion Mixer Based on a Six-Port Modulator,” in 2019 14th European Microwave Integrated Circuits Conference (EuMIC), 2019, pp. 176–179
V. Rieß, P. Stärke, C. Carta, and F. Ellinger
(Siehe online unter https://doi.org/10.23919/eumic.2019.8909459) - “A mm-Wave Quadrature Down-Conversion Mixer Based on a Six-Port Junction in 130-nm SiGe BiCMOS,” in 2019 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS), 2019, pp. 232–235
V. Rieß, D. Fritsche, P. Stärke, C. Carta, and F. Ellinger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/mwsym.2019.8700739) - „Finite-element modelling of stress induced wafer warpage for a full BiCMOS process,“ in 2019 IEEE 19th Topical Meeting on Silicon Monolithic Integrated Circuits in RF Systems (SiRF), Orlando, FL, USA, 2019
Z. Cao, A. Goeritz, M. Wietstruck, S. T. Wipf, A. Trusch und M. Kaynak
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/sirf.2019.8709125) - “A 3-Bit DAC With Gray Coding for 100-Gbit/s PAM Signal Generation,” in 2020 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium (IMS), 2020, pp. 201–204
V. Rieß, P. Stärke, M. M. Khafaji, C. Carta, and F. Ellinger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/ims30576.2020.9224093) - “An Integrated 16-Element Phased-Array Transmitter Front-End for Wireless Communication at 185 GHz,” in 2020 German Microwave Conference (GeMiC), 2020, pp. 136–139
V. Rieß et al.
- "A 130 nm-SiGe-BiCMOS Low-Power Receiver Based on Distributed Amplifier Techniques for Broadband Applications From 140 GHz to 200 GHz," in IEEE Open Journal of Circuits and Systems, 2021
P. V. Testa, V. Riess, C. Carta and F. Ellinger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/ojcas.2021.3103604) - “A 130 nm-SiGe-BiCMOS Low-Power Receiver Based on Distributed Amplifier Techniques for Broadband Applications From 140 GHz to 200 GHz,” IEEE Open J. Circuits Syst., vol. 2, pp. 508–519, 2021
P. V Testa, V. Riess, C. Carta, and F. Ellinger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/ojcas.2021.3103604) - „An Advanced Finite Element Model for BiCMOS Process Oriented Ultra-thin Wafer Deformation,“ IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing, 2021
Z. Cao, A. Goeritz, M. Stocchi, M. Wietstruck, C. Hoyer, L. D. Steinweg, C. Carta, F. Ellinger, B. Tillack und M. Kayna
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/tsm.2021.3132550)
