Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS
Antenna-on-Chip (AoC) und Antenna-in-Package (AiP) sind die technologischen Antennen-Varianten, mit denen sich vollständig integrierte, kostengünstige und oberflächenmontierbare Millimeterwellensysteme (MMIC, Monolithic Microwave Integrated Circuit) für Hochfrequenz-Anwendungen in Telekommunikation und Radarsensorik realisieren lassen. Allerdings haben MMICs mit Antenna-on-Chip-Lösungen den Nachteil eines begrenzten Antennenwirkungsgrades und einer begrenzten Richtwirkung. Dagegen bietet die Antenna-in-Package-Technologie, bei der die Antennen im Gehäuse des MMIC integriert sind, deutlich höhere Bandbreiten und einen besseren Antennenwirkungsgrad.
Antenna-in-Package-Technologie
Für hochauflösende Radarsysteme oder Funkanwendungen mit hoher Bitrate sind sehr hohe Bandbreiten erforderlich, um eine gute Auflösung des Sensors zu generieren. Am Fraunhofer IKTS wurde auf Basis der LTCC-Technologie ein äußerst breitbandiges aperturgekoppeltes und gestapeltes Antenna-in-Package für Hochfrequenz-Anwendungen entwickelt, das bei einer Zielfrequenz von 140 GHz eingesetzt werden kann. Die Antenne besteht aus einer rechteckigen Apertur, zwei gestapelten gedruckten Patches und einem zweilagigen Durchkontaktierungszaun (SPA, Stacked Patch Antenna). Die Apertur sowie die notwendigen Mikrostreifenleitungen haben dabei eine Breite von ca. 30 µm und wurden mittels FineLine-Siebdruck, Aerosol Jet-Druck oder Laserstrukturierung auf das LTCC-Substrat aufgebracht.
Aufbau- und Verbindungstechnologie: Aerosol-Jet-gedruckte MMIC-Kontakte
Zur Kontaktierung von 50 µm dünnen MMICs für Hochfrequenz-Anwendungen werden üblicherweise Drahtbond- und Flip-Chip-Technologien verwendet, welche Nachteile für Anwendungen ab ca. 120 GHz aufweisen: Bei der Drahtbondkontaktierung sind aufgrund der Drahtlänge hohe Verluste zu erwarten und die Flip-Chip-Lösung ist infolge von Zuverlässigkeits- und Handlingproblemen schwer einsetzbar. Hier helfen die am Fraunhofer IKTS eingesetzten Drucktechnologien, die vorhandene technologische Lücke zu schließen. Mit Hilfe des Aerosol-Jet-Drucks können Koplanarleitungen direkt auf den MMIC-Chip aufgedruckt werden. Dabei entsteht ein direkter Übergang zwischen der Leitung auf dem keramischen LTCC-Substrat und den Kontakten auf dem Chip.
Aufbau- und Verbindungstechnologie: Keramikgehäuse
Die entwickelte planare SPA-Antenne ist Bestandteil eines LTCC-Gehäuses, das sowohl den MMIC-Chip mit den Außenkontakten umverdrahtet als auch eine Verbindung von MMIC zur Antenne mit sehr kurzen Leitungen gewährleistet. Die FineLine-Leiterzüge (30 µm Leiterbahnbreite) wurden dabei im massenfertigungskompatiblen Siebdruck realisiert. Über die außenseitigen Kontaktpads kann das LTCC-Gehäuse gedreht auf eine geeignete Leiterplatte gelötet werden.