Technologien für Baugruppen der Telekommunikation (Embedded Systems, Integration optischer BE)

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1 Information and Communication Networks M&L Operations Bln Technologien für Baugruppen der Telekommunikation (Embedded Systems, Integration optischer BE) 6. Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg Technologien für die elektronische Baugruppe Colonia de Sant Jordi, Mallorca, März 2003

2 Technologien für Baugruppen der Telekommunikation (Embedded Systems, Integration optischer BE) Dr. Frank-Peter Schiefelbein Siemens AG, ICN M&L OP, Berlin Tel.: +49/30/ / Fax: +49/30/ frank.schiefelbein@siemens.com Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg Technologien für die elektronische Baugruppe Colonia de Sant Jordi, Mallorca, März Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg Seite 2

3 Gliederung Technologien für Baugruppen der Telekommunikation Einleitung Integrierte Kühlsysteme für Baugruppen Integration von passiven Bauelementen in Leiterplatten Einsatz optischer Verbindungstechnik Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg Seite 3

4 Einleitung Optical Networks Produkte - Wir bauen die Datenautobahn Synchrone Leitungsausrüstung: Die Datenautobahn Synchroner Multiplexer: Die Auffahrt zur Datenautobahn TransXpress Die Überholspur auf der Datenautobahn Synchroner Netzknoten: Das Autobahnkreuz Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg Seite 4

5 Einleitung Technologietrends am Beispiel Telekomm.-technik Steigende Integrationsdichten in den Bauelementen Wachsende Anzahl von Funktionen auf den Schaltungsträgern Höhere Taktfrequenzen Erfüllung von Umweltschutzbedürfnissen (Preisverfall) Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg Seite 5

6 Einleitung Herausforderungen am Beispiel Telekomm.-technik Höhere elektrische Verlustleistung Wärmeabfuhr Übertragung hochbitratiger Signale (> 1 Gbit/s) Anforderungen an Signalintegrität Höhere Verarbeitungstemperaturen durch Einsatz Pb-freier Lote Komponentenanforderungen Preisverfall Prozessoptimierung Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg Seite 6

7 Einleitung Lösungsansätze Einsatz alternativer Basismaterialien bessere HF-Eigenschaften höhere Wärmeleitfähigkeit Integration von Widerständen, Kapazitäten und Induktivitäten Einsatz optischer anstatt elektrischer Verbindungen Trend zu Multifunktionellem Board Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg Seite 7

8 Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg Seite 8 Einleitung Querschnitt durch ein multifunktionales Board

10 Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg Seite 10 Integrierte Kühlsysteme für Baugruppen Ausführungsbeispiele Quelle: Ruwel

11 Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg Seite 11 Integrierte Kühlsysteme für Baugruppen Schliff durch Baugruppe mit Metallinnenlagen

12 Integrierte Kühlsysteme für Baugruppen Nutzen und Potential Verringerung der Gehäusedimensionen Erhöhung der Zuverlässigkeit durch geringere Betriebstemperaturen Einsparung von Material und von Prozessschritten durch Verzicht auf aktive und passive externe Kühler 2.5 GBit optischer Sender Alte Bauform Neue Bauform Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg Seite 12

14 Gliederung Technologien für Baugruppen der Telekommunikation Widerstände Siebdruck Galvanische Abscheidung Stromlose Abscheidung Kondensatoren Laminierung Dünnschicht Induktivitäten Galvanische Abscheidung Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg Seite 14

16 Triebkräfte Systemanforderungen Mitbewerber BE-Hersteller Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg Seite 16

17 Anforderungen Zukünftige Anwendungen: weniger im traditionellen Bereich (Telefon, Fax) z.b. Internet-/Multimedia-Anwendungen (Video on demand...) Erhöhung der Datenrate: diese riesigen Datenmengen erfordern Vermittlungs- und Übertragungseinrichtungen mit hoher Durchsatzrate (40 Gbit/s, 80 Gbit/s, 160 Gbit/s, 320 Gbit/s,...) elektrische Konzepte im Datendurchsatz begrenzt Platzbedarf für Baugruppen erhöht sich; dadurch Verbindungen gestellübergreifend, d.h. größere Leitungslängen Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg Seite 17

18 Grenzen der elektrischen Verbindungstechnik Verbindung von Mainframe-Rechnern mit konventionellen Kupfer-Kabeln vor Einführung der Glasfasertechnik Elektrische Verbindungstechnik 200 Mbit/s - Koax-Kabel bis max. 15 m 830 Mbit/s - Baugruppenleitung bis max. 1m Optische Verbindungstechnik Source: IBM 3 Gbit/s - SM-LWL einige 100 m bis einige km Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg Seite 18

19 Größenvergleich Kupferkabel/Stecker Ein mehradriges Kupferkabel mit Steckern (groß, schwer) wird ersetzt durch eine zweiadrige Glasfaserleitung mit Duplexstecker (geringe Masse, Volumen) Kupferkabel zul. Kabellänge: max. 122 m Gewicht: 150 kg/100 m Source: IBM ESCON is registered trademark of IBM Corporation LWL-Leitung zul. Leitungslänge: max m Gewicht: 2 kg/100 m Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg Seite 19

20 Grenzen optischer Verkabelung Enorme Zunahme des Datenverkehrs läßt selbst LWLverbindungen an Grenzen stoßen Lösungen zur effektiven und kostengünstigen Aufrüstung oder Neukonfiguration von Systemen erforderlich Fasermanagement-Systeme notwendig Typische Gestellverkabelung mit LWL-Leitungen in einem Rechenzentrum mittlerer Größe Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg Seite 20

22 Situation am Weltmarkt Namenhafte Anbieter von Telekom- und Datakom-Systemen arbeiten an der Integration von sowohl passiven als auch aktiven optischen Wellenleitern und Strukturen in und auf Schaltungsträger Freistrahlübertragung Lichtleitplatten Faseroptische Verbindungen Integriert optische Strukturen Kommerziell verfügbar - Faseroptische Lösungen Vorteil: Single- und Multimodeanwendungen möglich Nachteil: nur Punkt-zu-Punkt Verbindungen realisierbar, relativ teuer Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg Seite 22

23 Situation am Weltmarkt - Industrieaktivitäten 3M, USA Alcatel, Belgien/Deutschland Andus Electronic, Deutschland Asahi Glass Company, Japan ASET, Japan BAe Systems, Großbritannien Coretec, Kanada DaimlerChrysler AG, Deutschland Erni, Deutschland FhG-IZM, Deutschland Fuji Xerox, Japan Hitachi Chemical, Japan Ibiden, Japan Ilfa, Deutschland Isola, Deutschland Litton, USA NEC, Japan NTT, Japan Pluris, USA PPC, Schweiz Siemens AG, Deutschland Sycamore Networks, USA Teradyne Connection Systems, USA Terahertz Photonics Ltd., GB Tyco, USA Würth Elektronik GmbH, Deutschland Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg Seite 23

24 Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg Seite 24 Optical Bus- System Stacked optical starcoupler Star coupler Einsatz optischer Verbindungstechnik Optische Backplane - 1. Generation Fasergebundene Lösung Source: Siemens AG Electrical Connector PAROLI Tx Processor Board Optical Connector Multimode Fiber Ribbons Electrical Connector PAROLI Rx

25 Optische Backplane - 2. Generation Folien mit eingebetteten optischen Fasern Konv. Faser- Faserverlegung in einem Rack Source: Lucent manage- ment nach dem Folien- Prinzip Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg Seite 25

26 Optische Backplane - 2. Generation Optipath - Optical Interconnect Circuit - Lucent Source: Lucent Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg Seite 26

27 Optische Backplane - 3. Generation Elektrisch-Optische Leiterplatte - Overlay-Technologie Source: 3M Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg Seite 27

28 Optische Backplane - 3. Generation Elektrisch-Optische Leiterplatte - Inlay-Technologie Source: NTT Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg Seite 28

30 Gegenwärtige Situation bei BE-Herstellern Kostendruck BE-Hersteller drängen in Markt u. treiben Entwicklung massiv voran Customer Specific Standardized Quelle: Infineon Technologies AG Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg Seite 30

31 Vorteile von SMOD - Surface Mounted Optical Devices Vorteile für Anwender nichthermetisches Gehäuse keine Handmontage (Lead biegen, Gehäuse aufschrauben, Handlöten) automatische Bestückbarkeit und Lötbarkeit kein Faserhandling auf Board Quelle: Infineon Technologies AG Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg Seite 31

32 SMOD - Beispiele diverser Anbieter Quelle: Alcatel SEL AG BMBF Verbundprojekt PROBOS Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg Seite 32

33 Hybrides opto-elektronisches Modul auf Opto-PCB Legende: 1 - ICs 2 - Treiber-IC 3 - VCSEL 4 - Modulkontakte 5 - Cu-Lage auf PCB 6 - Spiegel 7 - Opt. WL in PCB 8 - Opt. Pfad 9 - Kugellinse 10 - PD 11 - Preamp-IC Quelle: MiLaSys technologies GmbH / DLR Institut für Technische Physik, Stuttgart Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg Seite 33

34 ASICs mit optischer Schnittstelle Quelle: BMBF Verbundprojekt Optische Sensorsysteme in Thin Film on ASIC (TFA)-Technologie Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg Seite 34

35 PCB goes Optics Integration optischer Funktionen in bzw. auf Leiterplatten Fachverbände (insbesondere in den USA) Erarbeitung von Roadmaps und Standards Global operierende Lohnfertiger Know-how Erarbeitung auf dem Gebiet der optischen Verbindungstechnik Zukauf von High-Tech Fertigungsstätten Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg Seite 35

36 Roadmaps und Standards IPC - The National Technology Roadmap for Electronic Interconnections 2000/2001 Part F - Section 4 - Optoelectronics IPC-0040 Optoelectronic Assembly and Packaging Technology Internet: Grundlagen LWL-Technik Applikationen - Low Cost/High Performance Design und Packaging Komponenten Materialien, Werkstoffe Assembly Test Technologien Zuverlässigkeit Standardisierung Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg Seite 36

37 Ausblick - Umsatzentwicklung lt. BPA-Studie Optical Backplanes Umsatz [Mio. US $] im Jahr Elektrische Backplanes Optische/Optisch-Elektrische Backplanes 2,2 157,5 Summe 1435,2 2192,5 2000: < 1 % aller Backplanes optisch bzw. optisch-elektrisch 2005: ca. 8 % aller Backplanes optisch bzw. optisch-elektrisch Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg Seite 37

38 Ausblick - Marktprognosen lt. BPA-Studie Optical Backplanes 2000: weltweiter Einsatz von optischen Backplanes 65 % im militärischen sowie Raum-und Luftfahrtbereich 25 % im Telekommunikationssektor 2005: weltweiter Einsatz von optischen Backplanes 65 % in Telekommunikationsanwendungen 20 % im militärischen sowie Raum-und Luftfahrtbereich 2005: 80 % aller optischen Backplanes werden Optisch-Elektrische Backplanes sein. 2005: mindestens 85 % aller optischen Backplanes werden Multimode-Lösungen sein Europa z. Zt. bei elektrisch-optischen Boards technologisch führend Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg Seite 38

39 Randbedingungen Elektro-optische Aufbau- und Verbindungstechnik - Schlüsseltechnologie für zukünftige mikroelektronische Systeme Wirtschaftlich ab Datenraten-Längenprodukt von ca. 4 Gbit/s * m Keine automatische Lösung aller EMV-Probleme Keine generelle Lösung des Verlustleistungsproblems In den nächsten 2 Jahren: ausschließlicher Einsatz fasergebundener Lösungen. Einführung planarer Technologien nach Elektrische Verbindungstechnik wird in Konkurrenz zur optischen Verbindungstechnik weiterentwickelt Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg Seite 39

40 Schlüsseltechnologien für die Elektronikproduktion Definition des Forschungs- und Handlungsbedarfes Marktvorgaben Komponenten Produkt- Roadmaps Automotive Avionik Consumer Industrie Kommunikation - Leistungssteigerung - Funktionalitätserhöhung - Mobilität, Komfort - Time to Market Ökonomie Forschungsund Handlungsbedarf für die Elektronikproduktion Elektronik der Zukunft - hohe elektrische Anschlußdichte - optische und thermische Kontaktierung - Verarbeitung hoher Frequenzen - neue Werkstoffe (z.b.: Substrate; Lote) - Zuverlässigkeit für hohe Beanspruchungen - Mikroelektronik - Optoelektronik - Mikrosysteme - Mikromechanik Ökologie Technologie- Roadmaps Quelle: Siemens AG BMBF Verbundprojekt PROnova Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg Seite 40