Multifunktionale MMICs: Integration von Größe, Gewicht, Leistung und Kosten für Anwendungen der nächsten Generation

Auf dem heutigen wettbewerbsorientierten Markt wird fast jedes neue Projekt zu einer technischen Meisterleistung. Systemdesigner fordern kontinuierlich mehr Funktionalität in einem kleineren Gehäuse, und das alles bei gleichen oder niedrigeren Kosten. Der multifunktionale monolithische integrierte Mikrowellen-Schaltkreis (MMIC) wurde entwickelt, um den Kunden eine erschwingliche, hochintegrierte Einheit zu bieten, die die gleiche Zuverlässigkeit und Leistung wie frühere MMICs mit Einzelfunktion bietet. Die Ingenieure treiben die Entwicklung von MMICs voran, um die Funktionalität in hochintegrierten Komponenten zu erhöhen und Platz auf den Leiterplatten der Systementwickler freizumachen. Dieser Trend wird sich in absehbarer Zeit nicht auflösen; die Kunden werden weiterhin optimale Größe, Gewicht und Leistung (SWaP) fordern und die Herausforderung, die perfekte Lösung zu finden, den Systemingenieuren und Konstruktionsteams überlassen.

Was ist die treibende Kraft dieses Wandels?

Diese Forderung macht Einzelfunktions-MMICs nicht überflüssig; sie dienen nach wie vor einer Vielzahl von Anwendungen in allen Bereichen und eignen sich hervorragend als Machbarkeitsstudie. Viele der heutigen Anwendungen, wie z.B. Radar und kommerzielles 5G, haben jedoch Größenbeschränkungen; der Abstand für Antennenelemente in einem phasengesteuerten Antennenarray bei 28 GHz beträgt beispielsweise nur 5 mm, was keinen Platz für mehrere integrierte Schaltkreise (ICs) lässt. Der Bedarf an höheren Frequenzen macht eine Multifunktions-Integration erforderlich, da der Platz auf der Leiterplatte knapp wird.

Stellen Sie sich vier Einzelfunktions-MMICs auf einer Leiterplatte im Vergleich zu einem einzelnen multifunktionalen Element vor. Bei der Verwendung von Einzelfunktions-ICs ist die Größe der Lösung aufgrund des Gehäusevolumens und der externen Entkopplung grundsätzlich begrenzt; innerhalb eines Gehäuses nimmt der aktive Baustein nur einen kleinen Prozentsatz des Platzes ein, während der Rest lediglich dazu dient, Leitungen in das Gehäuse hinein- und aus dem Gehäuse herauszuführen. Die heutige Technologie muss ihre Größe und Leistungsfähigkeit mit jeder Generation kontinuierlich weiterentwickeln. Ein multifunktionaler MMIC bietet die Möglichkeit, zusätzlichen Platz auf der Leiterplatte freizugeben, so dass diese kleiner und leichter in verschiedene Gehäuse passt, um die Anforderungen für die Anwendung des Kunden zu erfüllen. Dies ermöglicht mehr Variation in einem kleineren Paket, was letztlich mehr Entwicklungsmöglichkeiten für den Kunden bietet.

Multifunktions-MMICs werden genauso aussehen wie die Einzelfunktions-MMICs der vorherigen Generation; dieser einzelne „Chip“ wird für den Kunden denselben Zweck erfüllen wie die MMICs der vorherigen Generation, wobei der Unterschied in der Menge der Funktionen liegt, die jeder „Chip“ bedienen kann (Abbildung 1). Mehr Raum ist das Ergebnis einer präziseren Funktionalität.

Abbildung 1: Ein Multifunktions-MMIC (rechts) nimmt weniger Platz auf der Leiterplatte ein als mehrere Einzelfunktions-MMICs (links). (Bildquelle: MACOM Technology Solutions)

Die Integration reduziert parasitäre Verluste auf Leiterplatten. Dies wiederum reduziert den Bedarf an übermäßiger Verstärkung, wodurch der gesamte Stromverbrauch des Systems gesenkt wird. Die Kosten für das Chipgehäuse werden reduziert und durch die Reduzierung der Anzahl der Schnittstellen wird die mechanische und thermische Zuverlässigkeit - die in vielen Fällen die Gesamtbetriebskosten bestimmen - stark verbessert. Wenn der Kunde verschiedene Funktionen oder mehr Platz auf seinem Board benötigt, ist die neue Generation von MMICs ideal.

Gesamtbetriebskosten ↓

In der gesamten Branche stellen Unternehmen auf multifunktionale MMICs um, und die Kunden werden ihre Lieferanten sorgfältig auswählen müssen. Die neuen Integrationsebenen werden die Kosten für den Kunden senken; allerdings werden differenzierte Prozesse erforderlich sein, um Funktionalität und Leistung zu erreichen.

Dem Trend folgend, der allen Halbleitermärkten gemeinsam ist, bringt die Integration Größenvorteile, und Größenvorteile bringen Kostensenkungen. Kosten durch oft arbeitsintensive und zeitaufwendige Montage und Tests skalieren üblicherweise linear mit der Anzahl der produzierten diskreten Komponenten. Die Reduzierung der Anzahl der Schnittstellen verringert die Anzahl der Montageschritte und reduziert auch die Anzahl der Fehlerpunkte, wodurch die Ausbeute verbessert und die erforderlichen Testvektoren reduziert werden. Darüber hinaus wird mit den nun internen Schnittstellen des Multifunktions-MMIC die Testlast für den Kunden weiter verdichtet. Auch das Verpacken ist kostengünstiger; vier Funktionen in einem einzigen Gehäuse aufzunehmen, ist fast viermal weniger kostspielig als die Aufteilung in vier separate Gehäuse. Im Gegenzug ermöglicht die vereinfachte Verpackung bessere thermische Eigenschaften, wodurch die Anforderungen an den Kühlkörper reduziert werden, was zu einem geringeren Gesamtgewicht führt.

Je nach den wichtigsten Leistungszielen können differenzierte Prozesse erforderlich sein, um optimale Funktionalitäten innerhalb des multifunktionalen MMIC zu erreichen. Folglich sind Halbleiterunternehmen mit einem reichhaltigen und vielfältigen Technologieportfolio zu Recht am besten positioniert, um den Systementwicklern die überzeugendsten Lösungen anzubieten. Systemdesigner werden von den Anbietern profitieren, die ausgereifte und qualifizierte Varianten anbieten können, um die gewünschte Leistung zu erreichen.