Technologievorhaben

Hertz

Grafik: Hertz

 

 

Gesamtziel:

Nutzen der Vorteile der additiv-generativen Fertigung im Bereich der integrierten Schaltungstechnik zur Erzeugung von Antennenstrukturen direkt auf den Kontaktpads von Mikrochips.

Partner:

Laufzeit: 01.10.2017 - 30.09.2019

Ziele des Projektes

Die Ziele des Projektes Hertz sind zweigeteilt:

1. Entwicklung von Mikromonopolantennen (Durchmesser: 25 -100 µm, Länge: 375 µm) für Frequenzbereiche von 100 GHz bis 300 GHz mittels Additiver Fertigungsverfahren wie Laserpulver-Auftragschweißen (LPA) und dem Aerosoldruck

2. Prozessentwicklung zum Drucken von dielektrischen Linsen direkt auf Leiterplatten mit bereits integriertem Halbleiterchip zur Signalverstärkung

Grobstruktur des Projektes

 

Projektzwischenergebnisse

Mikromonopolantennen

PSN, TU Dresden

Ziel ist die Entwicklung eines integrierten Empfängers bei 200 GHz für ultra-breitbandige Kommunikation bis 40 Gbit/s. Durch die Erzeugung einer 3D Antenne direkt auf den Chips lassen sich dabei die Verluste reduzieren und folglich die Reichweite und Effizienz erhöhen. Dieses Vorhaben beinhaltet zudem den Entwurf und die Charakterisierung der relevanten Schaltungskomponenten, einschließlich eines Frequenzvervielfachers, rauscharmen Verstärkers und Abwärtsmischers.

Die Schaltungsentwicklung ist bereits weit vorangeschritten und erlaubt es erste Arbeiten für die Umsetzung des Demonstrators aufzunehmen. Am Ende des Projektes soll ein funktionsfähiger Aufbau mit den selbst entwickelten Komponenten und integrierten Antennen stehen. Dabei soll gleichzeitig der Stand der Technik vorangetrieben werden, damit die gewonnenen Ergebnisse auch als Grundlage für kommende Projekte dienen können. Dies unterstützt zudem die Position der TU Dresden und des Lehrstuhls für Schaltungstechnik als eine der führenden Institutionen in diesem Forschungsgebiet.

Fraunhofer IWS

Mittels Aerosoldruck konnten erste Monopolstrukturen aus kolloidaler Silbertinte gedruckt werden. Die Höhe der Strukturen lässt sich bis zu einer Höhe von ca. 500 µm definiert einstellen. Das Aerosoldruckverfahren ermöglicht es dabei die Antennenstrukturen bei geringen Prozesstemperaturen (ca. 90 °C) zu erzeugen.

Derzeitige Entwicklungsschwerpunkte werden in der Reduktion des „Oversprays“ am Antennensockel und der Verbesserung mechanischen Stabilität der Strukturen gelegt. Aufbauend darauf werden die Antennen direkt auf die Microchips (Fläche ca. 1 mm² mit einer Kontaktpad-Fläche für die Antennen von ca. 80 x 80 µm) aufgebaut. Anschließend erfolgt die elektronische Charakterisierung anhand von Demonstratorchips bei der TU Dreden. Zudem wurden Stabantennen mittels Laserpulverauftragschweißen (LPA) hergestellt. Die hier noch zu lösende Herausforderung beinhaltet die präzise Kontrolle des Wärmeeintrages in das Substrat (Chip), welches beim Aufschmelzen der zugeführten Pulverpartikel erfolgt.

Dielektrische Linsen

Silicon Radar

Es werden spezielle hoch performante Silizium-Germanium Chips entwickelt, die in direktem Kontakt mit dielektrischen Linsen stehen indem die Linsen angepasst auf die Chip-Geometrie gedruckt werden. Das resultiert in extrem kompakten Abmessungen, wie sie zum Beispiel auf kleinen Drohnen mit Radar-Sensoren gebraucht werden. Für den Test der Radar-Systeme mit gedruckten Linsen werden Test-Leiterplatten entwickelt, auf denen die Radar Chips mit den Linsen zusammengebracht werden und deren Funktion sowie Leistungsfähigkeit verifiziert wird. Nach dieser grundlegenden Forschung sind vielfältige Anwendungsmöglichkeiten möglich.

Bisher wurden zwei Radar-Chips entwickelt, die bei sehr hohen Frequenzen von 120GHz bzw. 300GHz arbeiten. Aufgrund der hohen Frequenzen können die Antennen im Chip integriert werden und aufgrund der großen Bandbreite können sehr genaue Messungen ausgeführt werden. Es wurde experimentell gezeigt, dass trotz der kleinen Abmessungen von wenigen Millimetern Reichweiten über 10 Meter erreicht werden können und dass Genauigkeiten für Schichtdicken-Messungen im Mikrometer-Bereich möglich sind. Anfangs wurden für die Messungen noch Silizium-Linsen verwendet. Diese werden im weiteren Verlauf des Projektes durch die gedruckten Linsen ersetzt, die teilweise schon vorliegen.

Fraunhofer IWS

Die erforderlichen hypersphärischen Linsen werden mittels FFF Verfahren (Fused Filament Fabrication) hergestellt. Dazu ist ein Material mit einer hohen Dielektrizitätskonstante notwendig (ε ~ 10). Die Prozessentwicklung beinhaltet das Drucken von hypersphärischen Linsen mit ABS (geringes ε), PVDF (mittleres bis hohes ε) und mit einem Spezialfilament (sehr hohes ε). Weiteres Augenmerk wird auf die prozessseitige Optimierung der Oberflächenwelligkeit in situ als auch post situ nach dem FFF-Druck gelegt (mit möglichst geringem „warping“-Effekt). Aufgrund des, im Vergleich zu ABS oder PLA deutlich anderen, Fließverhaltens des Spezialfilaments ist die Parameteroptimierung deutlich anspruchsvoller. In der nächsten Projektphase werden optimierte Linsen an Silicon Radar ausgeliefert und auf ihre Einsatzfähigkeit getestet.

Linsenstrukturen gedruckt mit einem high-ε Filament nach dem Druck (links)

und nach dem Einglätten (rechts). Durchmesser der Grundfläche 12 mm.

Struktur zur Parameteroptimierung gedruckt aus Spezialfilament mit

ε ~ 10 (Kantenlänge 10 mm)