28.04.2023

Neue Prozesse und Materialien für 6G-Mobilfunk

Projekt 6GKom soll ein Hardware-Fundament für den Mobilfunk von morgen legen.

Neuere Entwicklungen wie das autonome Fahren, die Telemedizin, aber auch die private Nutzung benötigen immer höhere Raten, um große Datenmengen in Echtzeit zu übermitteln. Dabei helfen soll 6G: Ziel ist es, eintausend Gigabit pro Sekunde zu übertragen und die Latenz im Vergleich zu 5G auf ein Zehntel zu verkürzen. In der aktuellen Entwicklungsphase forscht das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikro­integration IZM in Berlin zusammen mit Partnern an einem zuverlässigen Hardware-System für die Mobilfunk­kommunikation von morgen.

Abb.: Die Fertigungs­prozesse kosten­günstiger Antennen­module für...
Abb.: Die Fertigungs­prozesse kosten­günstiger Antennen­module für 6G-Anwen­dungen konnten bereits erfolgreich demonstriert werden. (Bild: Fh-IZM)

Laut Prognosen sollen 2025 bis zu 175 Zettabytes zirkulieren. Hinein spielt nicht nur die zunehmend Video-lastige Internet­nutzung im privaten Raum, auch Tendenzen der Wirtschaft hin zu Industrie 4.0 und Smart Cities benötigen immer höhere Datenraten. Für die Übertragung dieser gigantischen Mengen ist eine neue, zuverlässige Infrastruktur vonnöten – denn die Kanalbreiten der ersten vier Generationen der Mobilfunk­kommunikation sind fast vollständig ausgelastet. Schon zur Etablierung der 5. Mobilfunk­generation wurden deswegen höhere Frequenzen oberhalb der sechs Gigahertz eingerichtet. Doch auch dieser Standard reicht nicht aus, um alle Anforderungen der Zukunfts­anwendungen zu erfüllen. Deswegen wird intensiv an 6G geforscht.

Ein Ziel des neuen Standards soll sein, im Bereich von Terabit pro Sekunde Daten drahtlos zu übermitteln oder eine Echtzeit­kommunikation zu ermöglichen. Um dies umzusetzen, werden hohe Bandbreiten benötigt: Solche sind oberhalb von 100 GHz vorhanden. Untersuchungen laufen derzeit unter anderem im D-Band, also dem Frequenzbereich von 110 GHz bis 170 GHz. Bevor Hardware-Module für diesen Bereich nutzbar werden, ist umfassende Forschungs­arbeit nötig: Neuartige Module wie Package-integrierte Frontend-Komponenten und Antennen müssen entwickelt, aufgebaut und getestet werden. Bei der Konzeption neuer Bauelemente tritt die hohe Freiraum­dämpfung der Signale als ein großes Problem auf. Um diese zu überwinden, sind Architekturen mit hunderten Antennen pro Mobilfunk-Basis­station mit integrierter Strahlformung, massive MIMO-Archi­tekturen, notwendig. Zusätzlich müssen die parasitären Terahertz-Effekte bei der Planung des Basisbands mitgedacht werden.

Das Konsortium im Projekt 6GKom hat es sich zur Aufgabe gemacht, frühzeitig miniaturi­sierte, ultrabreit­bandige Module zu entwickeln und somit ein Hardware-Fundament für die Mobilfunk­kommunikation von morgen zu errichten. Das Projekt ForMikro - 6GKom wird vom Bundes­ministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit 2,86 Millionen Euro gefördert. Zugleich werden innovative Testverfahren und -umgebungen simuliert, damit das D-Band-Modul nach Fertigstellung getestet, validiert und optimiert werden kann. Um die Spezifikationen der neuen Generation anwendungs­orientiert umzusetzen, stimmten die Kooperations­partner ihre Vorstellungen im Vorfeld mit einem breit aufgestellten Industriebeirat aus den Bereichen Chip-, Leiterplatten- und Material­herstellung, der Telekommunikation sowie der Luftfahrt- und Landmaschinen­industrie ab.

Das Fraunhofer IZM koordiniert das Projekt und ist verantwortlich für die Entwicklung und den Aufbau einer aktiven 6G-Antenne sowie das Design und Packaging des Gesamtmoduls. Der Clou beim Aufbau ist das komplexe Design der Antenne: Um Verluste bei der Übertragung zu vermeiden, muss der Chip nämlich so nah wie möglich an der Antenne verbaut sein. Mit diesem Ansatz und bei der starken Miniaturi­sierung der Module entstehen sehr dichte Strukturen, so dass wiederum eine zuverlässige Wärme­ableitung und Signalintegrität gewährleistet werden müssen. Unter Abwägung aller Anforderungen entschied sich das Experten-Team rund um Michael Kaiser und Ivan Ndip für die Nutzung von Wafer-Level-Prozessen beim Aufbau: Dabei entstehen trotz feinster Strukturen nur sehr geringe Pfadverluste, zudem liegt die Rückseite des Packages frei, so dass an dieser Stelle eine direkte Anbindung zu einem Kühlkörper möglich ist.

Im Vergleich zu alternativen Lösungen – bei denen Antenne und Ansteuerchips als ein einziges Bauelement, sprich beide aus Silizium, hergestellt werden – setzt das 6GKom-Team auf den Aufbau einer Package-integrierten Antenne: Damit löst sich das Antennendesign vom Silizium als Grundmaterial. Die gewonnene Freiheit bei der Material­auswahl ermöglicht eine bessere Performance in Bezug auf die Bandbreite und den Antennengewinn. Die Packagingmaterialien können also hinsichtlich geringer Verluste ausgewählt werden, wodurch die Leistung effizient abgestrahlt und nicht in Verlust­leistung umgesetzt wird. Schließlich würde die Platzierung auf dem Chip dessen Fläche deutlich vergrößern, was sehr kostenintensiv ist. Deshalb integrieren die Forschenden die Antennen außerhalb des Chips. Zum Projekt­abschluss wird ein finaler Demonstrator entstehen, mit dem in einem Laboraufbau drahtlos zwischen den D-Band Modulen kommuniziert werden kann.

In der ersten Phase der techno­logischen Kreation identi­fizierten die Forschenden mit Hilfe von Simulationen und der Herstellung von Teststrukturen die Eignung der Grundbausteine des Packages, wie Leitungen, Leitungsübergänge und Antennen für das D-Band. Die Antennen erreichen in der vorgesehenen Integrations­plattform Bandbreiten von etwa zehn GigaHertz. Durch die Bündelung mehrerer Kanäle können schließlich die Terabit­datenraten erreicht werden. Nachdem die aktiven Komponenten zur Steuerung der Antennenabstrahl­charakteristik von den Projektpartnern gefertigt wurden, beginnen die Entwickler mit der Arbeit rund um die Integration zu einem Gesamtmodul. In enger Zusammenarbeit der Partner soll ein leistungsfähiges und zuverlässiges Hardware-System für Frequenzen über 100 GHz entstehen.

Fh.-IZM / JOL

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