September 2012

Neue Dimensionen in Integration und Miniaturisierung

Smartphones brauchen immer mehr – aber immer kleiner

Immer mehr Funktionseinheiten müssen in Smartphones untergebracht werden. Dadurch steigen die Ansprüche an die Miniaturisierung dieser Funktionseinheiten und der darin eingesetzten elektronischen Bauelemente und Module. Mit Innovationsarbeit auf Basis der TDK und EPCOS Technologiekompetenz hat der TDK Konzern eine neue Dimension in Integration und Miniaturisierung erreicht und bietet stark verkleinerte Produkte, die sich durch extrem niedrige Bauhöhen auszeichnen.

Die technologischen Neuerungen bei TDK und EPCOS Produkten für Smartphones erstrecken sich über sämtliche Funktionsgruppen: vom Audioteil über die HF-Einheiten bis hin zum EMV- und ESD-Schutz. Eine ganze Palette an fortschrittlichen Technologien zur Integration und Miniaturisierung von Bauelementen und Modulen ermöglichen es Entwicklern, Mobiltelefone mit fortschrittlichem Schaltungsdesign und überlegener Performance zu realisieren – ein wesentlicher Erfolgsfaktor in diesem umkämpften Markt. TDK nutzt für seine stark verkleinerten Produktinnovationen neben neuen Werkstoffen, vor allem neuartige Gehäuse- und Integrationstechnologien sowie Dünnfilm-Technologien und bietet darüber hinaus auch MEMS-basierte Lösungen.

Mit der nächsten, der vierten Mobilfunk-Generation auf Grundlage des LTE-Standards (Long-Term Evolution) müssen Smartphones neben den bestehenden 2G und 3G Netzen zusätzliche Frequenzbänder unterstützen, was den Miniaturisierungsdruck bei Bauelementen wie SAW-Filtern, -Duplexern und Leistungsverstärkern weiter erhöht. Smartphone-Hersteller müssen immer mehr Funktionseinheiten und Konstruktionselemente in ihren Geräten integrieren, ohne dabei von der gewohnt kompakten Bauform und – noch wichtiger – flachen Ausführung der Telefone abzuweichen. In der Folge wird die Bauhöhe der miniaturisierten Bauelemente zusehend zur entscheidenden Größe.

DSSP-Technologie: derzeit höchster Miniaturisierungsgrad


Die innovative EPCOS Gehäusetechnologie DSSP® (Die-Sized SAW Package), ist ein wahrer Meilenstein in der Miniaturisierung diskreter Bauelemente. Erstmals entspricht dabei die Gehäusefläche der Chipfläche, womit sich der derzeit höchste Grad an Miniaturisierung realisieren lässt.

Filter und Duplexer in DSSP-Technologie werden hauptsächlich für den Einsatz in HF-Modulen konzipiert, da bei diesen sowohl in Bezug auf die Fläche als auch bei der Bauhöhe der größte Miniaturisierungsbedarf besteht. DSSP-Bauelemente sind mit einer Bauhöhe von nur 0,25 mm deutlich flacher – um 40 Prozent – als Produkte, die in der aktuellen CSSP3-Gehäusetechnologie gefertigt werden. Auch die Grundfläche der Filter konnte mit DSSP-Gehäusen im Vergleich zur ersten CSSP®-Generation um bis zu 85 Prozent verringert werden (Abbildung 1).

Abbildung 1: Miniaturisierung von EPCOS SAW-Filtern und -Duplexern

Durch die DSSP-Technologie lässt sich die Gehäusegrundfläche von EPCOS Duplexern im Vergleich zur ersten CSSP-Generation (siehe oben) um bis zu 80 Prozent, und bei Einzelfiltern um bis zu 85 Prozent verringern. Darüber hinaus sind DSSP-Bauelemente mit einer Bauhöhe von nur 0,25 mm 40 Prozent flacher als Bauelemente in CSSP3-Ausführung.



Die EPCOS DSSP-Technologie basiert auf einem Fine-Pitch mit einem Bump-Abstand von nur 220 μm und wird dadurch den Anforderungen modernster Modulfertigung gerecht. In der Modulproduktion können DSSP-Produkte mit Drücken von bis zu 80 bar bei der Verkappung verarbeitet werden. Außerdem sind sie nach IPC/JEDEC J-STD-020B MSL2a geprüft. Die Serienproduktion der ersten EPCOS DSSP-Produkte wurde bereits aufgenommen. Das Produktportfolio aus HF-Duplexern und -Filtern für LTE/W-CDMA-, GSM- und Navigationssysteme wird ständig erweitert.

EPCOS DSSP-Duplexer werden hauptsächlich für die Integration in FEMiD (Frontend-Modulen mit integrierten Duplexern), Duplexer-Bänken und PAiD-Modulen (Leistungsverstärker-Module mit integrierten Duplexern) genutzt. DSSP-Duplexer bieten nicht nur die besten Leistungsdaten ihrer Klasse, sondern überzeugen auch durch beträchtliche Einsparungen bei Montagefläche und Bauhöhe. Der typische Platzbedarf der ersten DSSP-Duplexer wird bei einer Bauhöhe von 0,25 mm nur 2,52mm² betragen (Kantenlänge 1,8 × 1,4 mm). Kundenmuster sind bereits für die W-CDMA-Bänder V, VIII, XIII und XVII erhältlich.

Das Portfolio an EPCOS DSSP-Filtern kann in zwei Kategorien unterteilt werden:
HF-Mobilfunkfilter etwa für GSM-Systeme und Filter für Navigationssysteme.
GSM-Filter werden als Einzelfilter oder Single-Chip-2-in-1-Filter angeboten.
GSM-Filter in DSSP-Technik werden ähnlich wie Duplexer eingesetzt und ebenfalls für die Miniaturisierung von HF-Frontend-Modulen verwendet.

SESUB-Technologie für extrem flache Module


Ein weiter bestimmender Miniaturisierungstrend bleibt die Integration vieler Funktionen und Bauelemente in Modulen oder Systemen, Stichwort System-in-Package (SiP). Dafür hat TDK SESUB (Semiconductor Embedding SUBstrate) entwickelt. Diese Innovationsleistung bietet erhebliches Miniaturisierungspotenzial und wird zusammen mit der Kompetenz bei 3D-HF-Designs die Verkleinerung unter anderem von kompletten HF-Frontend-Lösungen entscheidend vorantreiben.

Mit SESUB lassen sich neben passiven Bauelementen auch hochintegrierte ASIC- und Controller-Chips mit einer Dicke von ungefähr 50 µm und mit einer hohen Anzahl an I/Os mit kleinstem Kontaktabstand direkt in die Substratlagen einbetten. Das ermöglicht extrem flache und platzsparende Module (Abbildung 2). Ein großer Vorteil ist der integrierte Redistribution Layer zur Leiterplatte. Bauelemente, die sich nicht in das Substrat integrieren lassen, werden auf der Oberseite des Substrats aufgebracht. So lassen sich Module und SiPs mit erheblich kleineren Abmessungen realisieren, deren Bauhöhe um rund 35 Prozent verringert werden können, beispielsweise von 1,55 mm auf nur noch 1,00 mm. Ermöglicht wird dies durch die extrem dünnen, insgesamt nur 300 μm hohen Substratlagenstapel sowie durch Mikro-Leiterbahnstrukturen und Vias.

Vor allem Smartphones integrieren sehr viele Funktionalitäten wie WLAN, Bluetooth, GPS, NFC (Nahfeldkommunikation) und mobiles Fernsehen, weshalb der Bedarf an miniaturisierten Bauelementen im Hinblick auf Größe und Kosten extrem wichtig ist.

Abbildung 2: Platzsparende SESUB-Module

Neben der geringen Bauhöhe lassen sich durch die SESUB-Technologie auch Module realisieren, deren Platzbedarf um mehr als 40 Prozent geringer ist.


Die kompakte Auslegung von SESUB-Modulen bietet durch die Verwendung von Kupferanschlüssen auch exzellente thermische Eigenschaften. Außerdem ergeben sich eine hohe EMV sowie eine hervorragende Zuverlässigkeit. Die überlegenen thermischen Eigenschaften sind besonders für das Leistungsmanagement von Transceivern, Prozessoren und Leistungsverstärkern (PA) wichtig. Ein Vergleich zwischen diskret realisierten Halbleiter-Leistungschips und einer in SESUB eingebetteteten Variante ergibt eine um ca. 7 K geringere Temperatur an der Chipoberfläche. Die herausragenden thermischen Eigenschaften durch die Einbettung in SESUB bieten erhebliche Vorteile bei der Entwicklung und Konstruktion von Halbleiter-Leistungschips.

Die neuartige Modularchitektur entlastet die Hersteller von Mobiltelefonen deutlich bei der zeitintensiven Entwicklung. Darüber hinaus wird der logistische Aufwand reduziert, da nur ein einziges Modul anstatt einer ganzen Anzahl diskreter Bauelemente benötigt wird.

SESUB ist nicht nur hervorragend als Integrationsplattform für HF-Module geeignet. Durch diese Technik lassen sich auch stark miniaturisierte Power-Management-Module wie miniaturisierten Gleichstromwandlern realisieren.

Dünnfilm-Technologie für noch flachere Bauelemente


Um elektronische Bauelemente mit noch niedrigeren Bauhöhen herzustellen, setzt TDK seine führende Dünnfilm-Technologie ein, die sich in der Fertigung von Magnetköpfen für Festplatten bewährt hat. Diese Technologie ermöglicht die Kombination aus hervorragenden Leistungsmerkmalen, kleinsten Maßen und einer flachen Bauform, wodurch sich die so gefertigten Produkte ideal für Smartphones eignen.

Ein gutes Beispiel sind die TDK MLG 0402 und 0603 Serien von Multilayer-Chip-Induktivitäten mit hohen Güten. Damit eine große Anzahl von Bauelementen auf den Platinen auf engstem Raum untergebracht werden kann, müssen Multilayer-Chip-Induktivitäten, für die dünne Lagen aus Ferrit oder anderen Materialien verwendet werden, sogar noch weiter verkleinert werden und ein extrem flaches Profil aufweisen. Zur Erzielung hoher Güten, sind hochpräzise Fertigungstechniken erforderlich, welche die verteilten parasitären Kapazitäten und Skin-Effekte minimieren und zugleich ein optimiertes Design interner Elektroden ermöglichen. Das ist der Schlüssel für die Realisierung einer kompakten Bauweise für neue Smartphone-Designprojekte.

EMV- und EMI-Filterung sowie ESD-Schutz sind von höchster Bedeutung für die Stabilität und den Schutz von Smartphone-Designs. Die TDK TCE1210 Serie ist der erste Dünnfilm-Gleichtaktfilter, der sowohl die Unterdrückung von Gleichtaktstörungen in Hochgeschwindigkeits-Gegentakt-Systemen als auch ESD-Schutz in einem einzigen Bauelement vereint (Abbildung 3).

Abbildung 3: Dünnfilm-Gleichtaktfilter mit integriertem ESD-Schutz
Die TDK TCE1210 Serie integriert ein Mikrospalt-ESD-Schutzelement in einen Gleichtaktfilter unter Verwendung von Dünnfilm-Fertigungstechnologie.



Die Dünnfilm-Mikrodraht-Technologie ermöglicht zudem eine schlankere Bauweise von RF-Bauelementen. Die neue TDK TFSB Serie von Dünnfilm-Bandpassfiltern hat eine Grundfläche von 1,0 x 0,5 mm² und eine Bauhöhe von nur 0,3 mm. Die Filter sind auf das 2,4 GHz und 5 GHz Band ausgelegt und eignen sich somit für Bluetooth und WLAN-Anwendungenin in Smartphones und konventionellen Mobiltelefonen.

Die umfangreiche Produktpalette beinhaltet auch keramische Überspannungsbegrenzer (CTVS = Ceramic Transient Voltage Suppressor) für den ESD-Schutz von Daten-, Audio- und Videoleitungen in Smartphones. Das Produktspektrum umfasst verschiedene Baureihen von Vielschichtvaristoren sowie CeraDiodes®. Alle diese Bauelemente arbeiten bidirektional und leiten im Gegensatz zu TVS-Dioden positive wie negative ESD-Impulse gegen Masse ab.

Die neueste CTVS-Baureihe „Low clamping voltage series for portable devices“ eignet sich hervorragend für die Anforderungen heutiger Smartphones. Die Baureihe bietet exzellentes Ableitverhalten, niedrige Leckströme, kurze Ansprechzeiten und hohe Robustheit in miniaturisierten Gehäusen (EIA 01005 und 0201).

Vielschicht-Keramik-Kondensatoren (MLCCs) kombinieren minimale Baugrößen mit großen Kapazitätswerten. Sie werden zur Rauschunterdrückung und zur Spannungsstabilisierung verwendet und finden sich in nahezu allen elektronischen Geräten – und damit auch in Mobilfunkgeräten. Möglich werden diese Funktionen durch die niedrigen Impedanzen der MLCCs auch bei hohen Frequenzen. Hochfrequentes Stromversorgungsrauschen, das durch ICs entsteht, wird sicher unterdrückt. Die Menge der in Smartphones verbauten MLCCs steigt mit den zunehmend anspruchsvolleren Funktionen.

MEMS-Technologie für Smartphones


Smartphone-Benutzer erwarten von den Geräten immer mehr Funktionen mit immer größerem Bedienkomfort. MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) ermöglichen eine große Anzahl von Anwendungen, von Audiosystemen über die Gestenerkennung bis zur Navigation, während sie zugleich die Energieeffizienz und Robustheit von elektrischen Geräten verbessern.

Basierend auf den EPCOS Design-Möglichkeiten für MEMS- und ASIC-Spitzentechnologie, fundiertem Anwendungs-Know-how und einem reichhaltigen Patentportfolio waren die EPCOS Mikrofon-Serien T4000 und T4010 die ersten MEMS-Produkte, die eingeführt wurden. Auf diese folgten die Serien T4030 mit Digitalausgang und T4060 mit analogem Ausgang.

Die kompakten Abmessungen und herausragenden elektrischen Eigenschaften prädestinieren das Mikrofon für Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Audioqualität. Alle EPCOS MEMS-Mikrofon-Typen werden mit Hilfe der CSMP™ (Chip-sized MEMS Package) Technologie gefertigt, die für SAW-Filter entwickelt wurde und sich bereits in Millionen von Mobiltelefonen bewährt hat (Abbildung 4). Kunden können daher von ausgereiften EPCOS Produktionsprozessen sowie mehr als 15 Jahren Erfahrung in der Entwicklung von MEMS-Mikrofonen profitieren.

Abbildung 4: Stabile Verpackung für EPCOS MEMS-Mikrofone
EPCOS MEMS-Mikrofone werden mit der CSMP™-Technologie (Chip-Sized MEMS Package) gefertigt, die ursprünglich für SAW-Bauelemente entwickelt wurde und eine exzellente EMI-Abschirmung gewährleistet.



Das EPCOS C914-MEMS-Mikrofon, eines der neuesten Mitglieder der fortschrittlichen Mikrofonproduktlinie, weist ein sehr hohes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) von 65 dB(A) auf, wodurch es besonders gut für High-End-Audioanwendungen in Smartphones verwendbar ist. Das hohe SNR und die sehr niedrigen Verzerrungen (THD Distortion) verbessern die Audioqualität beim Aufzeichnen entfernter Tonquellen signifikant.

Die neuen EPCOS C920- und C923-MEMS-Mikrofone sind zwei der kleinsten Top-Port-Mikrofone auf dem Markt und verwenden einen einzigartigen Packaging-Ansatz, welcher Resonanzprobleme praktisch eliminiert und einen flachen Frequenzgang bis an die Grenze des hörbaren Spektrums bietet. Das C923 hat einen flachen Frequenzgang hinunter zur unteren Grenze des hörbaren Spektrums, während das C920 einen Hochpassfilter besitzt, der niedrige Frequenzen unter 100 Hz heraus filtert, was beim Unterdrücken von Windrauschen hilft.

Miniaturisierte EPCOS Drucksensoren können ebenfalls in Smartphones integriert werden. Mit Abmessungen von nur 2,2 x 2,8 x 0,7 mm³, ist der kalibrierte und temperaturkompensierte digitale Drucksensor T5400 einer der am kompaktesten gepackten Sensoren weltweit. Vorgesehen zur Messung von Absolutdrücken von 300 bis 1200 mbar, liefert er 16 Bit Auflösung an der seriellen Digitalschnittstelle. Er hat einen niedrigen Energieverbrauch von nur 2 μA im Ruhemodus und <1 mA im Betrieb. Der T5400 benötigt keine weitere Kalibrierung. Dies ist zum Beispiel vorteilhaft für Entwickler von Navigationsgeräten und Mobiltelefonen, die eine exakte Bestimmung der Höhe über dem Meeresspiegel mit Hilfe von Luftdruckmessungen vornehmen möchten. Zusammen mit einem per GPS ermittelten Ort, erlaubt die Höhenmessung eine präzise 3D-Positionierung. Des weiteren ermöglicht er Positionsinformationen mit einer Genauigkeit, die innerhalb eines einzelnen Stockwerks eines Gebäudes liegt, für Notrufe von Mobiltelefonen.

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