November 2012

HF-Dünnschicht-Bauelemente für Smartphones

Je flacher, desto besser

Das elegante und flache Design von Smartphones stellt Entwickler vor große Herausforderungen. Um den Kundengeschmack zu treffen, benötigen sie dafür extrem niedrige Module und Bauelemente. TDK bietet Mini-Bauelemente, die so flach sind wie nie zuvor bei gleichzeitig verbesserter Leistungsfähigkeit.

Die Dünnschicht-Technologie wurde ursprünglich von TDK für die Fertigung von Schreib-/Leseköpfen von Festplattenlaufwerken entwickelt. Diese äußerst zuverlässigen Produkte beinhalten eine Mini-Spule, die aus einer hauchdünnen, leitenden Kupferschicht besteht und auf ein Ferrit-Material aufgebracht ist. So entsteht eine hochempfindliche und äußerst flache Spule.


TDK überträgt diese moderne Technologie auf die Entwicklung und Fertigung von HF-Bauelementen – insbesondere für Smartphones und kompakte Mobilfunkgeräte. Diese Technologie ermöglicht die Entwicklung einer neuen Produktlinie von kompakten, flachen Bauelementen mit herausragenden Leistungsparametern. Durch die Präzision, die mit der Dünnschicht-Technologie erreichbar ist, lassen sich diese Bauelemente mit extrem engen Toleranzen fertigen.

Gegenwärtig wird eine breite Palette von TDK-Bauelementen für HF-Anwendungen im LTCC-Verfahren (Low Temperature Co-Fired Ceramics) hergestellt. Dazu gehören unter anderem Richtkoppler, Filter, Symmetrierübertrager (Balun) und Kondensatoren für HF-Leistungsschaltungen. Allerdings stößt die LTCC-Technologie hinsichtlich der weiteren Miniaturisierung diskreter Bauelemente heute an ihre Grenzen. Bauelemente, die mit der TDK Dünnschicht-Technologie produziert werden und die die strengen Anforderungen an Bauhöhe und Grundfläche erfüllen, können LTCC-Standardbauelemente zukünftig ablösen.

Anhand des Leiterquerschnitts in Abbildung 1 ist ersichtlich, dass die Leiterkanten, die mit der Dünnschicht-Technologie gefertigt wurden, weitaus exakter und detaillierter ausgeformt sind und viel glattere Oberflächen aufweisen.


Abbildung 1: Vergleich der Querschnitte von Produkten in LTCC- und Dünnschicht-Technologie

Der mit der Dünnschicht-Technologie gefertigte Kupferleiter (rechts) ist hinsichtlich Form und Abmessungen weitaus gleichmäßiger und exakter als die Innenelektrode, die aus einer Silberpaste (links) in einem LTCC-Bauelement hergestellt wurde.



Optimierte Leistungsparameter
Dieses neue Herstellungsverfahren führt zu geringeren Abweichungen bei höheren Frequenzen und vorteilhafteren elektrischen Eigenschaften als beim LTCC-Verfahren. Abbildung 2 vergleicht die elektrischen Eigenschaften von Kopplern, die in LTCC- und Dünnschicht-Technologie hergestellt sind. HF-Koppler, die im Dünnschichtverfahren hergestellt werden, weisen im 2-GHz-Band eine deutlich geringere Einfügedämpfung sowie eine höhere Leistung auf.

Abbildung 2: Einfügedämpfung von Kopplern in LTCC- und Dünnschicht-Technologie

TDK TFSC-Dünnschicht-Koppler bieten bei gleichem Kopplungsgrad eine wesentlich niedrigere Einfügedämpfung als herkömmliche LTCC-Koppler.



Innovative HF-Dünnschicht-Bauelemente
TDK hat hauchdünne Dünnschicht-Koppler mit einer Bauhöhe von nur 0,25 mm auf den Markt gebracht. Dieser neue TDK TFSC-Richtkoppler bietet nicht nur eine überlegene Leistung wie in Abbildung 2 dargestellt. Er ist mit Abmessungen von nur 0,65 × 0,50 × 0,25 mm³ zudem erheblich kleiner und dünner als die früheren Produkte, die im konventionellen LTCC-Verfahren
(1,0 × 0,5 × 0,35 mm³) gefertigt wurden.

Auf Grundlage der Dünnschicht-Technologie hat TDK eine miniaturisierte Bauelemente-Kombination zum Filtern von Störanteilen und damit zum Schutz der Smartphone-Elektronik entwickelt. Die Baureihe TCE1210 umfasst die ersten Dünnschicht-Gleichtaktfilter, die eine schnelle Gleichtakt-Rauschunterdrückung und den ESD-Schutz in einem kompakten Bauelement kombinieren. Zu diesem Zweck ist ein ESD-Ableiter integriert. Dieser Meilenstein in der Miniaturisierung wurde mit der technologisch überlegenen Dünnschicht-Strukturierungstechnologie von TDK in Kombination mit kompakten und hochpräzisen Spulenmuster- und Kontaktierungsprozessen erzielt. Aufgrund seiner viel kleineren Grundfläche unterstützt der neue Filter eine hochdichte Montage und trägt erheblich zu dringend benötigten Platzeinsparungen bei. Die Baureihe TCE1210 wurde speziell für den Einsatz in den E/A-Bereichen von Display- und USB-Anschlüssen von Smartphones entwickelt.

Dünnschicht-Mikroverdrahtung ermöglicht weitere Miniaturisierung
Eine fortschrittliche Technologie zur Dünnschicht-Mikroverdrahtung ermöglicht die weitere Verkleinerung von HF-Bauelementen. Die neuen Baureihen TDK TFSB und TFSD von Dünnschicht-Bandpassfiltern und Duplexern besitzen eine Grundfläche von 1,0 × 0,5 mm² mit einer Bauhöhe von lediglich 0,3 mm. Die Filter umfassen im Wesentlichen eine Reihe von Resonatoren. Diese bestehen jeweils aus einem optimal abgestimmten Kondensator, der durch den oberen und unteren Leiter gebildet wird – diese sind durch einen dielektrischen Film getrennt – sowie aus einer durch die Leiterstruktur gebildeten Induktivität. So erzielen die Baureihen TFSB und TFSD die gleichen Leistungsparameter wie die viel größeren LTCC-Bauelemente. Die Filter sind für das 2,4-GHz- und 5-GHz-Band entwickelt und bieten sich daher sowohl für Bluetooth- als auch für WLAN-Anwendungen in Smartphones und anderen Mobiltelefonen an.

Die Baureihen TFSZ und TFSL von Dünnschicht-Symmetrierübertragern und Tiefpassfiltern sind nur 0,65 × 0,50 × 0,25 mm³ groß und bedeuten einen weiteren Erfolg in der Miniaturisierung. Damit kommen die Bauelemente den Anforderungen der Smartphone-Hersteller einen großen Schritt entgegen.

Lediglich 0,4 × 0,2 × 0,2 mm³ betragen die Abmessungen des Z-Match Kondensators zur Impedanzanpassung. Die Größenordnung des Kondensators, der für HF-Module entwickelt wurde, ist mit denen früherer Produkte identisch, die im Vielschichtverfahren hergestellt wurden. Das Resultat ist eine neue Baureihe kompakter, flacher Bauelemente mit herausragenden Leistungsparametern. Dank des Dünnschichtverfahrens von TDK, bei dem leitende Lagen auf dünnen Schichten von keramischem dielektrischen Material aufgebaut werden, erreichen die Z-Match Kondensatoren äußerst enge Toleranzen. Zudem bieten die neuen Bauelemente eine herausragende Eigenresonanzfrequenz (SRF) von 6,8 GHz (2,2 pF).

Die Dünnschicht-Kondensatoren haben eine niedrige Ersatzserieninduktivität (ESL) und einen niedrigen Ersatzserienwiderstand (ESR) mit einer Toleranz von ±0,05 pF, äußerst kompakte Abmessungen, einen hohen Gütefaktor Q und enge Toleranzen. Mit diesen Merkmalen zeichnet sich die neue Baureihe durch überlegene Hochfrequenzeigenschaften in Anpassungsschaltungen aus.

Die veränderte Bauweise, bei der die Anschlüsse auf der Unterseite der Bauelemente angebracht sind, und das hochgenaue Schneidverfahren gewährleisten eine größere Maßgenauigkeit als bei früheren Produkten. Damit ist auch auf hochdichten Modulen eine stabile Montage gesichert. Abbildung 3 zeigt das TDK-Portfolio von Dünnschicht-HF-Bauelementen für die Entwicklung von modernen Smartphones.

Abbildung 3: Das Portfolio von Dünnschicht-HF-Bauelementen von TDK

HF-Bauelemente, die auf Grundlage der Dünnschicht-Technologie gefertigt wurden, zeichnen sich durch ihre sehr kleine Grundfläche und die niedrige Bauhöhe aus. Damit eignen sie sich hervorragend für den Einsatz in flachen Smartphones.

Besonders die flache Bauform und die kompakten Abmessungen der Dünnschicht-Bauelemente empfehlen diese gleichermaßen für die Integration z.B. in SESUB-Module (Semiconductor Embedded Substrate) von TDK. Der Artikel SESUB-Module für Smartphones erläutert, wie hochkomplexe Halbleiter-Chips mit einer Dicke von ca. 50 µm in das Substrat eingebettet werden können, um moderne, miniaturisierte SiP-Module (System in Package) zu realisieren.

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