THz-Kommunikations-Leiterplatte: Der Grundstein der Tbps-Ära

Mit dem exponentiellen Wachstum von künstlicher Intelligenz (KI), Cloud Computing und dem Internet der Dinge (IoT) nimmt der globale Datenverkehr in einem beispiellosen Tempo zu. Um dieser Herausforderung zu begegnen, entwickelt sich die Kommunikationstechnologie von 5G-Millimeterwellen (mmWave) zu einer völlig neuen Grenze – der Terahertz (THz)-Kommunikation. Als Schlüsseltechnologie zur Verwirklichung der 6G-Vision verspricht die THz-Kommunikation Spitzenraten von Tbps und extrem niedrige Latenzzeiten im Mikrosekundenbereich. Um diese Vision jedoch in die Realität umzusetzen, müssen wir eine grundlegende physikalische Herausforderung überwinden: die Entwicklung und Herstellung von THz-Kommunikations-Leiterplatten, die in der Lage sind, diese Ultrahochfrequenzsignale zu übertragen. Dies ist nicht nur eine Weiterentwicklung der bestehenden Leiterplattentechnologie, sondern eine komplette Revolution, die das Design, die Materialien und die Fertigungsgrenzen von Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten neu definieren wird und als Grundstein für zukünftige Rechenzentren, autonomes Fahren und immersive Erlebnisse dient.

Was ist THz-Kommunikation? Warum ist das Leiterplattendesign der kritische Engpass?

Das Terahertz (THz)-Frequenzband, das typischerweise von 0,1 THz bis 10 THz reicht, liegt im elektromagnetischen Spektrum zwischen Millimeterwellen und Infrarotlicht. Dieses "letzte unberührte Gebiet des elektromagnetischen Spektrums" bietet eine riesige verfügbare Bandbreite, die theoretisch Datenübertragungsraten ermöglicht, die 10- bis 100-mal schneller sind als die aktuelle 5G-Millimeterwellen-Technologie. Diese bahnbrechende Fähigkeit wird völlig neue Anwendungen hervorbringen, wie holografische Kommunikation, hochauflösende digitale Zwillinge in Echtzeit und nahtlose Datenströme für Leiterplatten der nächsten Generation für erweiterte Realität (Extended Reality PCBs).

Die drastische Erhöhung der Frequenz bringt jedoch auch schwerwiegende physikalische Herausforderungen mit sich, die Leiterplatten (PCBs) von einfachen Verbindungsplattformen in den Leistungsengpass des gesamten Systems verwandeln.

1. Erschreckende Signaldämpfung: Bei THz-Frequenzen nimmt die Signaldämpfung (Einfügedämpfung) in Übertragungsleitungen (d.h. Kupferleiterbahnen auf Leiterplatten) exponentiell zu. Herkömmliche FR-4-Materialien sind bei diesen Frequenzen nahezu "opak", wodurch die Signalenergie schnell als Wärme abgeleitet wird.
2. Elektromagnetische Materialantwort: Die Dielektrizitätskonstante (Dk) und der dielektrische Verlust (Df) von Materialien erfahren im THz-Band drastische Änderungen, was zu Signalverzerrungen und Dispersion führt. Jede geringfügige Materialinhomogenität wird unendlich vergrößert.
3. Grenzen der Fertigungspräzision: THz-Wellenlängen sind extrem kurz (1 THz entspricht 0,3 mm), was bedeutet, dass Leiterbahnbreiten, Abstände, Oberflächenrauheit und andere physikalische Abmessungen auf PCBs eine Präzision im Mikrometer- oder sogar Submikrometerbereich erreichen müssen – weit über die Fähigkeiten traditioneller PCB-Fertigungsprozesse hinaus.
4. Elektromagnetische Interferenz (EMI): Bei extrem hohen Integrationsdichten werden Übersprechen und elektromagnetische Leckagen zwischen Signalen außergewöhnlich stark, was völlig neue Abschirmungs- und Isolationsdesigns erfordert.

Die Entwicklung fortschrittlicher THz-Kommunikations-PCBs ist somit kein einfaches Ingenieurproblem mehr, sondern eine interdisziplinäre Herausforderung, die Materialwissenschaft, elektromagnetische Feldtheorie und Präzisionsfertigung umfasst. Ihr Fortschritt wird die Ankunft der 6G-Ära direkt bestimmen.

Zentrale materialwissenschaftliche Herausforderungen von THz-Kommunikations-Leiterplatten

Materialien sind die Grundlage aller Hochleistungs-Elektronikprodukte, und für THz-Kommunikations-Leiterplatten wurde ihre Bedeutung auf ein beispielloses Niveau gehoben. Die Auswahl des richtigen Substratmaterials ist der erste und wichtigste Schritt zu einem erfolgreichen Design.

Dielektrische Materialien mit extrem geringen Verlusten

Im THz-Frequenzbereich ist die Signalenergie sehr anfällig für die Absorption durch dielektrische Materialien und die Umwandlung in Wärme, ein Phänomen, das durch den dielektrischen Verlust (Df) oder den Verlustfaktor (tanδ) gemessen wird. Herkömmliche FR-4-Materialien haben einen Df-Wert von etwa 0,02, während im THz-Bereich Materialien mit Df-Werten unter 0,001 erforderlich sind. Derzeit gehören zu den vielversprechendsten Kandidatenmaterialien:

• Modifiziertes Polytetrafluorethylen (PTFE): Wie z.B. HF-Materialien, die von Unternehmen wie Rogers und Taconic hergestellt werden, die extrem niedrige Df-Werte aufweisen, aber unter schlechten mechanischen Eigenschaften und hohen Kosten leiden.
• Flüssigkristallpolymer (LCP): Bietet exzellente geringe Feuchtigkeitsaufnahme und stabile dielektrische Eigenschaften, wodurch es sich hervorragend für mehrschichtige Leiterplattenstrukturen eignet.
• Gebundener Quarz/Glas: Bietet überragende elektrische Leistung und Dimensionsstabilität, ist aber extrem schwierig zu verarbeiten und wird typischerweise in Chip-Verpackungen oder optischen Modulen verwendet.
• Neue Polymer-/Keramik-Verbundwerkstoffe: Zielen darauf ab, elektrische Leistung, thermische Eigenschaften und Bearbeitbarkeit durch das Mischen von verlustarmen Keramikfüllstoffen mit Polymermatrizes auszugleichen.

Die Auswahl dieser Materialien geht über die Überprüfung von Datenblättern hinaus; sie erfordert die Bewertung ihrer tatsächlichen Leistung im THz-Frequenzbereich, was eine der Kernforschungsrichtungen in aktuellen 6G Forschungs-Leiterplatten-Projekten ist.

Auswirkungen der Oberflächenrauheit

Die Oberflächenrauheit von Kupferfolien, die bei niedrigen Frequenzen vernachlässigbar ist, wird im THz-Bereich aufgrund des „Skin-Effekts“ zu einer primären Verlustquelle. Signalströme konzentrieren sich in einer extrem dünnen Schicht auf der Oberfläche des Leiters, und raue Oberflächen erhöhen die Strompfadlänge, wodurch die ohmschen Verluste steigen. Daher müssen ultra-glatte Kupferfolien (VLP/HVLP) oder neue Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Leitern eingesetzt werden, um diesen Einfluss zu minimieren. Dies ist entscheidend für alle Hochfrequenz-Leiterplatten, einschließlich fortschrittlicher Hochfrequenz-Leiterplatten.

Extremes Design von Signalintegrität (SI) und Stromversorgungs-Integrität (PI)

Wenn Materialien das Fundament sind, dann sind SI- und PI-Design die Baupläne, die eine stabile und zuverlässige Signalübertragung auf diesem Fundament gewährleisten.

Signalintegrität (SI)

In THz-Kommunikations-PCBs steht das SI-Design vor revolutionären Herausforderungen:

• Innovationen bei Übertragungsleitungsstrukturen: Traditionelle Mikrostreifen- und Streifenleitungsstrukturen sind möglicherweise nicht mehr geeignet. Quasi-planare Übertragungsstrukturen wie Substrat-integrierte Wellenleiter (SIW) und Koplanarwellenleiter (CPW) gewinnen aufgrund ihrer geringeren Strahlungsverluste und Dispersion an Bedeutung.
• Interconnect-Design: Vias gehören zu den größten Diskontinuitäten in Mehrschicht-PCBs und können im THz-Bereich starke Signalreflexionen und Modenkonversionen verursachen. Designs müssen Mikrovias, Rückbohrungen und präzise Impedanzanpassungsstrukturen integrieren, um deren Auswirkungen zu minimieren.
• Übersprechkontrolle: Bei extrem hohen Verdrahtungsdichten kann der Leiterbahnabstand nur wenige zehn Mikrometer betragen. Strenge 3D-elektromagnetische Feldsimulationen müssen eingesetzt werden, um Übersprechen vorherzusagen und zu kontrollieren, und Abschirmwände oder Streifenleitungsstrukturen müssen möglicherweise eingeführt werden, um kritische Signale zu isolieren.

Power Integrity (PI)

THz-Transceiver-Chips erfordern eine außergewöhnlich hohe Reinheit und Stabilität der Stromversorgung. Selbst das geringste Rauschen in der Stromversorgung kann sich auf HF-Signale modulieren und zu einem starken Rückgang der Systemleistung führen.

• Effizientes Stromversorgungsnetzwerk (PDN): Das Designziel des PDN ist es, eine extrem niedrige Impedanz über ein breites Frequenzband bereitzustellen. Dies erfordert eine sorgfältige Platzierung von Entkopplungskondensatoren und die Nutzung von Strom-/Masseebenen, um niederinduktive Pfade zu schaffen.
• Co-Design von Gehäuse und Leiterplatte: Probleme der Stromversorgungsintegrität können nicht isoliert nur auf der Leiterplatte gelöst werden. Ein Chip-Gehäuse-Leiterplatten-Co-Design-Ansatz muss verfolgt werden, der On-Chip-, In-Package- und On-Board-Entkopplungslösungen als einheitliches System optimiert.

Diese Herausforderungen treiben Fortschritte in den Designmethoden voran, mit Komplexitäten, die die heutigen Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten-Designs weit übertreffen.

Wärmemanagement: Den "Hitzedämon" im Terahertz-Band zähmen

Hochfrequenzschaltungen gehen oft mit hohem Stromverbrauch einher, und THz-Schaltungen bilden da keine Ausnahme. Aufgrund von Einschränkungen in Halbleiterprozessen weisen Leistungsverstärker (PAs) im THz-Band eine extrem niedrige Effizienz auf, wobei der größte Teil der elektrischen Energie in Wärme umgewandelt wird. Diese Wärme konzentriert sich auf winzigen Chipbereichen und erzeugt extrem hohe Wärmestromdichten. Wenn sie nicht effektiv abgeführt wird, kann dies zu Chipüberhitzung, Leistungsabfall oder sogar dauerhaften Schäden führen. Wärmemanagementstrategien für THz-Kommunikations-Leiterplatten müssen mehrdimensional und vielschichtig sein:

1. Substrate mit hoher Wärmeleitfähigkeit: Wählen Sie Substratmaterialien mit von Natur aus hoher Wärmeleitfähigkeit, wie Keramikmaterialien wie Aluminiumnitrid (AlN) oder Berylliumoxid (BeO), oder verwenden Sie Metallkern-/Substrate. Dies ähnelt den Techniken, die bei Metallkern-Leiterplatten verwendet werden, muss aber mit der HF-Leistung kompatibel sein.
2. Verbesserte Wärmeableitungspfade: Füllen Sie thermische Vias dicht unter dem Chip, um Wärme schnell zur unteren Schicht der Leiterplatte oder zu Kühlkörpern zu leiten. Die eingebettete Kupfer-Coin-Technologie ist ebenfalls eine effektive lokalisierte Kühllösung.
3. Fortschrittliche Kühltechnologien: Für Anwendungen mit extrem hoher Leistung kann die herkömmliche Luftkühlung unzureichend sein. Mikrofluidische Kühlkanäle, die direkt in Leiterplatten oder Gehäuse integriert sind, sowie Spitzentechnologien wie die miniaturisierte thermoelektrische Kühlung (TEC), werden im Bereich der 6G-Forschungs-Leiterplatten aktiv erforscht.

Effektives Wärmemanagement ist die Lebensader für den langfristig stabilen Betrieb von THz-Systemen, dessen Bedeutung jedem elektrischen Designaspekt ebenbürtig ist.

Verschiedene Frequenzbänder besitzen einzigartige physikalische Eigenschaften, die ihre Eignung für verschiedene Szenarien bestimmen.