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Erzeugung von 3D-Funktionsstrukturen für Hochfrequenzanwendungen durch Druckverfahren

AiF-IGF-Vorhaben „HF-Druck“ bewilligt

 

Mit der herkömmlichen photolithographischen Fertigungstechnik für Leiterplatten können in verschiedenen Lagen Leitungen erzeugt werden, die aufgrund ihrer Querschnittsgeometrie die gewünschten Hochfrequenzeigenschaften aufweisen. Die stets erforderlichen Verbindungen zwischen Leitungen in verschiedenen Lagen werden über Durchkontaktierungen in Form von Bohrungen in Verbindung mit nachgelagerten Metallisierungsprozessen hergestellt. Diese ausschließlich fertigungsbestimmte Geometrie stellt für Anwendungen bei hohen Frequenzen bzw. hohen Datenraten jedoch eine erhebliche Störstelle dar. Generell werden hochfrequenztechnische Eigenschaften von Leitungen durch Material- und Oberflächeneigenschaften sowie vor allem durch die geometrischen Formen der jeweiligen Strukturen bestimmt. Der Übergang von der Leiterplatte mit ihren planaren Strukturen auf darauf montierte, dreidimensionale elektrische Bauteile oder Verbinder zur Anwendungsumgebung ist für hochfrequente Signale damit nicht adäquat realisierbar. Gleichermaßen stellen Bonddrähte zur elektrischen Anbindung von integrierten Schaltungen parasitäre Induktivitäten dar und limitieren damit die Leistung des Gesamtsystems.

 

Im Rahmen des Forschungsprojekts InTeRaPID (gefördert durch die Bayerische Forschungsstiftung unter AZ-1057-12) mit den Partnern TH Deggendorf und Rhode & Schwarz (Werk Teisnach) wurden die Grenzen derzeitiger ätztechnischer Fertigungsprozesse für Anwendungen bei Frequenzen von über 40 GHz aufgezeigt, da mit immer geringer werdenden Strukturgrößen Störeinflüsse zunehmen, u.a. durch Abmessungsvariation, Registrierungsunsicherheit, nichtlinearen Verzug und Dickenschwankungen der Kupferkaschierung sowie von Prepregs. Deshalb ist die Sichtweise vertretbar, dass sich die Leiterplatte nach ihrer 80-jährigen Geschichte am oberen, auslaufenden Ast der S-Kurve (Bild 1) befindet, d.h. ein auch sehr hoher Entwicklungs- bzw. Investitionsaufwand nur noch zu einer marginalen Verbesserung dieser Fertigungstechnologie führt, wie es im Artikel „Hochfrequenz-Leiterplatten bis 80 GHz und darüber hinaus“, PLUS 10/2016 bereits einrucksvoll dargelegt wurde.

 

Die Leistungsfähigkeit moderner Fertigungstechnologien, wie z.B. 3D-Druck, könnten in Zukunft die Grenzen der bestehenden Technologie überschreiten. Im gerade begonnenen Forschungsprojekt „HF-Druck“ wird eine der möglichen Substitutionstechnologien erforscht, deren technisches Potential deutlich höher liegt. Der Ansatz hierzu ist die Aufhebung der gegensätzlichen Anforderungen von Fertigungstechnologie und hochfrequenztechnischer Funktion. Dieser Gegensatz hat seine Wurzel darin, dass die bestehende Fertigungstechnologie für Leiterplatten auf die Erzeugung planarer, d.h. im wesentlichen zweidimensionaler Strukturen ausgerichtet ist, während hochfrequenztechnische Eigenschaften von der dreidimensionalen Geometrie der Strukturen bestimmt werden. Durch zusätzliche oder ausschließliche Verwendung von 3D-Druckverfahren kann dieser Anforderungskonflikt grundsätzlich überwunden und so Fertigungs- und Funktionsanforderungen zusammengeführt werden. Die erforderlichen Entwurfswerkzeuge dafür – insbesondere 3D-Feldsimulatoren – sind ohnehin bereits seit langem verfügbar.

 

Ziel des Forschungsvorhabens ist daher eine Fertigungstechnologie zur Erzeugung von Funktionsstrukturen für Hochfrequenzanwendungen zu erforschen, welche wesentliche Nachteile bestehender Technologien überwindet. Der erste Schritt dahin ist die Erforschung geeigneter Materialien und Geometrien sowie Fertigungsverfahren und ihrer Parameter. Die dadurch erreichbare Gestaltungsfreiheit muss im zweiten Schritt für die Entwurfsphase beherrschbar gemacht werden, was bedeutet, dass insbesondere Simulationsmodelle und deren Parameter für die druckbaren Materialien und deren – im Vergleich zu herkömmlichen – „unscharfen“ Oberflächen und Kanten (Bild 2) bereitgestellt werden müssen. Im dritten Schritt ist – unter Verwendung der gewonnenen Modelle – zu untersuchen, welche hochfrequenztechnischen Eigenschaften mit den so erzeugbaren Strukturen erzielt werden können, wenn sie durch 3D-Druckverfahren in HF-gerechter Form ausgeführt werden und wie groß das Verbesserungspotential gegenüber den in der bestehenden Technologie üblichen Strukturen ausfällt. Im vierten und letzten Schritt sollen die gemessenen Eigenschaften gedruckter Funktionsstrukturen mit Simulationsergebnissen verglichen werden. Aus diesen Untersuchungen werden schließlich Entwurfsregeln und Verfahrensempfehlungen abgeleitet sowie ein Technologiedemonstrator gedruckt.

Im projektbegleitenden Ausschuss sind elf Mitglieder – u.a. Material-, Leiterplatten, MID- und Elektronikfertigungsbetriebe sowie Hersteller von Drucksystemen und Softwarehersteller zur Spritzgusssimulation und 3D-Feldsimulation – vertreten.

 

Das IGF-Vorhaben 19253 N der Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID e.V. wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Bearbeitung des Projektes erfolgt durch die Forschungsstellen FAPS (Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik, Leitung: Prof. Dr.-Ing. Jörg Franke) und LHFT (Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik, Leitung: Prof. Dr.-Ing. Martin Vossiek) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU).

Kontakt:

 

Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)

Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik (LHFT)

Prof. Dr.-Ing. Klaus Helmreich

Dr.-Ing. Gerald Gold

Cauerstraße 9

D-91058 Erlangen

Tel.: +49 9131 85 20743

www.lhft.eei.fau.de

gerald.gold@fau.de

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