Dual-Cure Materialien für die Hochfrequenztechnik
Laufzeit: 01.03.2026 – 28.02.2028
Beschreibung
Die technologischen Anforderungen in der Kommunikation, Sicherheitstechnik und Radarsensorik steigen durch immer höhere Frequenzen stetig an. Die klassische planare Leiterplattentechnik stößt dabei an ihre wirtschaftlichen und technologischen Grenzen.
Insbesondere bei Frequenzen oberhalb von 60 GHz sind neue Ansätze erforderlich, um die elektrische Leistungsfähigkeit von Hochfrequenz-Bauelementen wie Signalleitungen und Antennen zu erhöhen. Im Rahmen des Projekts soll dazu ein Dual-Cure-Material mit sehr niedrigem Verlustfaktor für die additive Fertigung (AF) entwickelt werden, das für Spiegelleiter, eine verlustarme Form der Signalübertragung auf Leiterplatten, eingesetzt werden kann. Dieses Material zeichnet sich durch eine sehr gute Haftung zum verwendeten Leiterplattenmaterial aus. Gerade die Haftung stellt bei den derzeit verfügbaren unpolaren thermoplastischen Materialien eine ungelöste Herausforderung dar. Als Herstellungsverfahren sollen DLP-Stereolithographie und Gel Dispensing Printing zum Einsatz kommen, wobei die Strukturen direkt auf die Leiterplatte aufgebracht werden.
Die verwendeten Dual-Cure-Systeme basieren auf einer Mischung aus verlustarmen UV-reaktiven Acrylaten und thermisch latent vernetzendem Epoxidharz. Dies ermöglicht die Herstellung von Grünlingen im AF-Prozess, die anschließend thermisch vernetzt werden. Durch die gute chemische Anbindung des Epoxidharzes an Metalle soll die notwendige Haftung zum verwendeten Platinenmaterial hergestellt werden. Kritische verarbeitungstechnische Einflussgrößen wie Maßhaltigkeit, Haftung und dielektrische Übertragungseigenschaften werden in diesem Projekt identifiziert und charakterisiert. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse sollen abschließend Designrichtlinien abgeleitet und ein funktionsfähiger Demonstrator, bestehend aus Versorgungsnetzwerk und räumlich ausgeführten Antennen, hergestellt werden.
Verfahren der flüssigbasierten additiven Fertigung; links: GDP, rechts: DLP
Die verwendeten Dual-Cure-Systeme basieren auf einer Mischung aus verlustarmen UV-reaktiven Acrylaten und thermisch latent vernetzendem Epoxidharz. Dies ermöglicht die Herstellung von Grünlingen im AF-Prozess, die anschließend thermisch vernetzt werden. Durch die gute chemische Anbindung des Epoxidharzes an Metalle soll die notwendige Haftung zum verwendeten Platinenmaterial hergestellt werden. Kritische verarbeitungstechnische Einflussgrößen wie Maßhaltigkeit, Haftung und dielektrische Übertragungseigenschaften werden in diesem Projekt identifiziert und charakterisiert. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse sollen abschließend Designrichtlinien abgeleitet und ein funktionsfähiger Demonstrator, bestehend aus Versorgungsnetzwerk und räumlich ausgeführten Antennen, hergestellt werden.
Resonator für die Charakterisierung der Dielektrika (Maße: 30x18x25 mm)
Forschungsziel
Erforschung eines Herstellungsverfahrens, das es ermöglicht, dielektrische Spiegelleitungen direkt auf einem Metallsubstrat, z. B. einer Leiterplatte, herzustellen oder diese in das Leiterplattensubstrat zu integrieren. Damit können neuartige Bauformen von HF-Frontends, die aus einem Speisenetzwerk und Antennenelementen bestehen, realisiert werden. Erreicht werden soll dies durch Dual-Cure-Materialien, bei denen verlustarme Acrylate mit Epoxidharzen kombiniert werden. Gleichzeitig sollen diese komplex vernetzenden Materialien durch ausgewählte, ebenfalls verlustarme Füllstoffe (z. B. PP, PE, Keramiken) hinsichtlich ihrer dielektrischen Eigenschaften hin zu niedrigeren Verlusten modifiziert werden. Die Fertigung der Strukturen soll mittels dispensendem (Direct Ink Writing) und Harzbadverfahren (Stereolithografie) verwirklicht werden. Durch den gezielten Einsatz von zwei unterschiedlichen Polymerisationsprozessen soll auch bei elektrisch als verlustarm geltenden Materialien (Verlustfaktor < 1•10⁻³) durch das eingesetzte Epoxidharz eine gute Materialhaftung erzielt werden. Die für den Zielfrequenzbereich von 40 bis 130 GHz erforderlichen Strukturgrößen mit konventioneller planarer Streifenleitertechnik liegen im Bereich von 200 bis 500 µm, während im Gegensatz dazu ein dielektrischer Wellenleiter mit einem Querschnitt von 1–2 mm selbst deutlich größer sein kann. Dies soll genutzt werden, um eine möglichst zuverlässige Kombination.
Funktionsprinzip der Spiegelleitung: Die metallische Schicht wird als Spiegelebene für das elektrische Feld innerhalb des Leiters verwendet. Die Höhe der dielektrischen Leitung wird halbiert, während die elektrische Höhe unverändert bleibt.
Beispiel des Demonstrators: Kunststoff-Spiegelleitung auf Kupfersubstrat (die Länge der Leitungen ist jeweils von unten beginnend: 40 mm, 50 mm, 60 mm, 70 mm, 80 mm, 90 mm; mit einem Querschnitt von 1 mm).
Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung für KMU
- Bewertung der Anwendbarkeit verschiedener Materialkompositionen/-kombinationen für die Herstellung von Hochfrequenzkomponenten
- Additive Fertigungsverfahren ermöglichen wirtschaftliche Kleinserienherstellung und schnelle und flexible Entwurfsanpassungen
- Evaluation von innovativen Fertigungsmethoden von räumlichen HF-Komponenten, eröffnen Unternehmen im Trend der HF-Technik „weg von der Leiterplatte“ einen Technologievorsprung
Anwendungen der Spiegelleitungen:
Verbindung zwischen IC-Chips
Übergang zwischen Hohlleiter und IC-Chips
kompaktere HF-Komponente
Forschungsinstitute und Kontaktpersonen
Für weitere Kontaktdaten, kontaktieren Sie bitte die Geschäftsstelle. E-Mail an Geschäftsstelle
- FAU Erlangen-Nürnberg Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik
- FAU Erlangen-Nürnberg Lehrstuhl für Kunststofftechnik
