technologien für baugruppen der telekommunikation...

Informationand Communication NetworksM&L Operations Bln

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

6. Europäisches Elektroniktechnologie-KollegTechnologien für die elektronische BaugruppeColonia de Sant Jordi, Mallorca, 19. – 23. März 2003

Dr. F.-P. Schiefelbein

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ICN M&L Operations Berlin

Technologien für Baugruppen der Telekommunikation

(Embedded Systems, Integration optischer BE)

Dr. Frank-Peter SchiefelbeinSiemens AG, ICN M&L OP, 13627 Berlin

Tel.: +49/30/386-29166 / Fax: +49/30/386-26840

E-mail: [email protected]

--------------------------------------------------------------------------------6. Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg

Technologien für die elektronische Baugruppe

Colonia de Sant Jordi, Mallorca, 19. – 23. März 2003


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GliederungTechnologien für Baugruppen der Telekommunikation

Einleitung

Integrierte Kühlsysteme für Baugruppen

Integration von passiven Bauelementen in Leiterplatten

Einsatz optischer Verbindungstechnik


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EinleitungOptical Networks Produkte -Wir bauen die Datenautobahn

Die Überholspur aufder Datenautobahn

Synchroner Netzknoten:Das Autobahnkreuz

Synchrone Leitungsausrüstung:Die Datenautobahn

Synchroner Multiplexer:Die Auffahrt zur Datenautobahn

TransXpress

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EinleitungTechnologietrends am Beispiel Telekomm.-technik

Steigende Integrationsdichten in den Bauelementen

Wachsende Anzahl von Funktionen auf den Schaltungsträgern

Höhere Taktfrequenzen

Erfüllung von Umweltschutzbedürfnissen

(Preisverfall)


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EinleitungHerausforderungen 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


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EinleitungLösungsansätze

Einsatz alternativer Basismaterialien

bessere HF-Eigenschaften

höhere Wärmeleitfähigkeit

Integration von Widerständen, Kapazitäten und Induktivitäten

Einsatz optischer anstatt elektrischer Verbindungen

Trend zu Multifunktionellem Board


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EinleitungQuerschnitt durch ein multifunktionales Board


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Einleitung





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Integrierte Kühlsysteme für BaugruppenAusführungsbeispiele

Quelle: Ruwel


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Integrierte Kühlsysteme für BaugruppenSchliff durch Baugruppe mit Metallinnenlagen


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Integrierte Kühlsysteme für BaugruppenNutzen und Potential

Verringerung der Gehäusedimensionen

Erhöhung der Zuverlässigkeit durch geringere Betriebstemperaturen

Einsparung von Materialund von Prozessschritten durch Verzicht auf aktiveund passive externe Kühler

Alte Bauform

Neue Bauform

2.5 GBit optischer Sender


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Einleitung





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Widerstände

Siebdruck

Galvanische Abscheidung

Stromlose Abscheidung

Kondensatoren

Laminierung

Dünnschicht

Induktivitäten

Galvanische Abscheidung


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Einleitung





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Einsatz optischer VerbindungstechnikTriebkräfte

Systemanforderungen

Mitbewerber

BE-Hersteller


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Einsatz optischer VerbindungstechnikAnforderungen

Zukünftige Anwendungen:weniger im traditionellen Bereich (Telefon, Fax)

z.B. Internet-/Multimedia-Anwendungen (Video on demand ...)

Erhöhung der Datenrate:

diese „riesigen“ Datenmengen erfordern Vermittlungs- undÜbertragungseinrichtungen 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


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Einsatz optischer VerbindungstechnikGrenzen der elektrischen Verbindungstechnik

Verbindung von Mainframe-Rechnernmit 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

3 Gbit/s -SM-LWL einige 100 m bis einige km

Source: IBM


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Einsatz optischer VerbindungstechnikGrößenvergleich Kupferkabel/Stecker

Source: IBM

® ESCON is registered trademark of IBM Corporation

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

LWL-Leitung

zul.Leitungslänge:max. 3000 m

Gewicht:2 kg/100 m


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Einsatz optischer VerbindungstechnikGrenzen optischer Verkabelung

Typische Gestellverkabelung mit LWL-Leitungenin einem Rechenzentrum mittlerer Größe

Enorme Zunahme des Daten-verkehrs läßt selbst LWL-verbindungen an Grenzen stoßen

Lösungen zur effektiven und kostengünstigen Aufrüstung oder Neukonfiguration von Systemen erforderlich

Fasermanagement-Systemenotwendig


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Systemanforderungen

Mitbewerber

BE-Hersteller


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Einsatz optischer VerbindungstechnikSituation am Weltmarkt

Namenhafte Anbieter von Telekom- und Datakom-Systemenarbeiten an der Integration von sowohl passiven als auch aktivenoptischen Wellenleitern und Strukturen in und auf Schaltungsträger

Freistrahlübertragung

Lichtleitplatten

Faseroptische Verbindungen

Integriert optische Strukturen

Kommerziell verfügbar - Faseroptische LösungenVorteil: Single- und Multimodeanwendungen möglich

Nachteil: nur Punkt-zu-Punkt Verbindungen realisierbar, relativ teuer


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Einsatz optischer VerbindungstechnikSituation am Weltmarkt - Industrieaktivitäten

Ilfa, DeutschlandIsola, DeutschlandLitton, USANEC, JapanNTT, JapanPluris, USAPPC, Schweiz

Siemens AG, DeutschlandSycamore Networks, USATeradyne Connection Systems, USATerahertz Photonics Ltd., GBTyco, USAWürth Elektronik GmbH, Deutschland

3M, USAAlcatel, Belgien/DeutschlandAndus Electronic, DeutschlandAsahi Glass Company, JapanASET, JapanBAe Systems, GroßbritannienCoretec, Kanada

DaimlerChrysler AG, DeutschlandErni, DeutschlandFhG-IZM, DeutschlandFuji Xerox, JapanHitachi Chemical, JapanIbiden, Japan


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Einsatz optischer VerbindungstechnikOptische Backplane - 1. GenerationFasergebundene Lösung

Source: Siemens AG

Processor

Board

ElectricalConnector

ElectricalConnector

OpticalConnectorMultimode

Fiber

Ribbons

PAROLI

Tx

PAROLI

Rx

Optical Bus-SystemStackedoptical star-coupler

Starcoupler


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Einsatz optischer VerbindungstechnikOptische Backplane - 2. GenerationFolien mit eingebetteten optischen Fasern

Konv.

Faser-

verle-

gung

in

einem

Rack

Faser-

manage-

ment

nach

dem

Folien-

Prinzip

Source: Lucent


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Source: Lucent

Einsatz optischer VerbindungstechnikOptische Backplane - 2. GenerationOptipath - Optical Interconnect Circuit - Lucent


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Einsatz optischer VerbindungstechnikOptische Backplane - 3. GenerationElektrisch-Optische Leiterplatte - Overlay-Technologie

Source: 3M


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Einsatz optischer VerbindungstechnikOptische Backplane - 3. GenerationElektrisch-Optische Leiterplatte - Inlay-Technologie

Source: NTT


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Systemanforderungen

Mitbewerber

BE-Hersteller


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Einsatz optischer VerbindungstechnikGegenwärtige Situation bei BE-Herstellern

Kostendruck

BE-Hersteller drängen in Markt u. treiben Entwicklung massiv voran

Customer Specific

StandardizedQuelle: Infineon Technologies AG


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Einsatz optischer VerbindungstechnikVorteile 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


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Einsatz optischer VerbindungstechnikSMOD - Beispiele diverser Anbieter

Quelle: Alcatel SEL AGBMBF Verbundprojekt PROBOS


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Einsatz optischer VerbindungstechnikHybrides opto-elektronisches Modul auf Opto-PCB

Quelle: MiLaSys technologies GmbH / DLR Institut für Technische Physik, Stuttgart

Legende:

1 - ICs2 - Treiber-IC3 - VCSEL4 - Modulkontakte5 - Cu-Lage auf PCB 6 - Spiegel7 - Opt. WL in PCB8 - Opt. Pfad9 - Kugellinse

10 - PD11 - Preamp-IC


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Einsatz optischer VerbindungstechnikASICs mit optischer Schnittstelle

Quelle: BMBF Verbundprojekt „Optische Sensorsysteme in ThinFilm on ASIC (TFA)-Technologie“


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Einsatz optischer VerbindungstechnikPCB 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


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Einsatz optischer VerbindungstechnikRoadmaps und Standards

IPC - „The National Technology Roadmap for ElectronicInterconnections 2000/2001“

Part F - Section 4 - Optoelectronics

Grundlagen LWL-Technik

Applikationen -Low Cost/High Performance

Design und Packaging

Komponenten

Materialien, Werkstoffe

Assembly

Test Technologien

Zuverlässigkeit

Standardisierung

IPC-0040 „Optoelectronic Assembly and Packaging Technology“

Internet: http://www.ipc.org/html/IPC0040Proposal.pdf


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Einsatz optischer VerbindungstechnikAusblick - Umsatzentwicklunglt. BPA-Studie „Optical Backplanes“

2000: < 1 % aller Backplanes optisch bzw. optisch-elektrisch

2005: ca. 8 % aller Backplanes optisch bzw. optisch-elektrisch

Umsatz [Mio. US $] im Jahr 2000 2005Elektrische Backplanes 1433 2035Optische/Optisch-Elektrische Backplanes 2,2 157,5Summe 1435,2 2192,5


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Einsatz optischer VerbindungstechnikAusblick - Marktprognosenlt. 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-ElektrischeBackplanes sein.

2005: mindestens 85 % aller optischen Backplanes werden Multimode-Lösungen sein

Europa z. Zt. bei elektrisch-optischen Boards technologisch führend


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Einsatz optischer VerbindungstechnikRandbedingungen

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 fasergebundenerLösungen. Einführung planarer Technologien nach 2004.

Elektrische Verbindungstechnik wird in Konkurrenz zur optischen Verbindungstechnik weiterentwickelt


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- Leistungssteigerung- Funktionalitätserhöhung- Mobilität, Komfort- Time to Market

Komponenten- Mikroelektronik- Optoelektronik- Mikrosysteme- Mikromechanik

Elektronik der Zukunft

- hohe elektrische Anschlußdichte- optische und thermische Kontaktierung- Verarbeitung hoher Frequenzen- neue Werkstoffe (z.B.: Substrate; Lote)- Zuverlässigkeit für hohe Beanspruchungen

Marktvorgaben

Forschungs-und

HandlungsbedarfÖkonomie

Ökologie

für die Elektronikproduktion

Technologie-Roadmaps

Produkt-Roadmaps

AutomotiveAvionikConsumerIndustrieKommunikation

Quelle: Siemens AGBMBF Verbundprojekt PROnova

Schlüsseltechnologien für dieElektronikproduktionDefinition des Forschungs- und Handlungsbedarfes

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