»Wir hoffen, dass wir damit im besten Fall die Aufbautechnik revolutionieren können«

Forscher Christian Zech spricht über neuartige Aufbautechnik für Hochfrequenzelektronik durch sein Patent

Christian Zech ist Doktorand am IAF.
© Fraunhofer IAF

Christian Zech ist Doktorand am IAF.

Die benötigten monolithisch integrierten Mikrowellenschaltungen (MMICs, engl. monolithic microwave integrated circuits) zur Realisierung der Hochfrequenzkomponenten, werden in der metamorphen High-Electron-Mobility-Transistor (mHEMT)-Technologie des Fraunhofer IAF gefertigt.
© Fraunhofer IAF

Die benötigten monolithisch integrierten Mikrowellenschaltungen (MMICs, engl. monolithic microwave integrated circuits) zur Realisierung der Hochfrequenzkomponenten, werden in der metamorphen High-Electron-Mobility-Transistor (mHEMT)-Technologie des Fraunhofer IAF gefertigt.

Gelaserte Struktur in Silbertinte.
© Fraunhofer IKTS

Gelaserte Struktur in Silbertinte.

Dein Patent heißt »Mehrlagenkeramische Aufbautechnik für Hochfrequenzsysteme«. Was bedeutet das?

Früher wurden unsere Module für die Radar- und Kommunikationsanwendungen aufwändig und teuer in Hohlleitertechnik hergestellt. Jedes Modul muss dabei einzeln in aufwändiger Arbeit präzise gefräst werden. Daher nutzen wir seit einigen Jahren Leiterplatten, die kostengünstig und einfach herzustellen sind. Diese funktionieren bis 100 GHz sehr gut. Bei höheren Frequenzen lässt die Performance jedoch dramatisch nach. Da gab es keine Alternative zum Hohlleiter – bis jetzt.

»Mit dem Mehrlagen-Keramik Material LTCC, Low Temperature Cofired Ceramic, können wir Hochfrequenzsysteme ähnlich wie Leiterplatten kostengünstigen realisieren, die bis über 300 GHz funktionieren. Jeder spricht heute von 5G und 6G, wo hohe Frequenzen genutzt werden, aber wie solche Systeme kostengünstig aufgebaut werden können, ist bisher nicht klar. Unsere Technologie könnte die Lösung sein. Wir hoffen, dass wir damit im besten Fall die Aufbautechnik revolutionieren können.«

 

Wie funktioniert diese neue Aufbautechnik im Vergleich zur bisherigen?

Eine Leiterplatte besteht aus einem Substrat, typischerweise aus einem glasfaserverstärktem Kunststoff. Für hohe Frequenzen werden hingegen spezielle Flüssigkristallpolymer-Substrate eingesetzt. Dort wird beidseitig Kupfer aufgebracht und dieses strukturiert, also die Partien weggeätzt, die nicht benötigt werden. Danach werden die Bauteile aufgebracht.

»Der Aufbau auf einem Keramikboard funktioniert ganz ähnlich. Man startet mit einer hauchdünnen LTCC-Lage. Anstatt jedoch die Kupferflächen ätztechnisch zu strukturieren, wird Silbertinte per Aerosol-Jet-Druck aufgedruckt. Das tolle daran ist, dass man mit dieser Technik sehr feine Strukturen aufbringen kann. Feiner, als man sie heute beim Kupfer ätzen oder wie man sie mit einem anderen Druckverfahren herstellen könnte.«

 

Ein weiterer Riesenvorteil ist, dass Bondprozesse wegfallen. Bisher war es so, dass der Chip auf der Platine eingesetzt und dann mit Bonddrähten kontaktiert wird. Das ist technisch sehr aufwändig und führt auch dazu, dass ab etwa 100 GHz die Verluste so groß werden, dass das System nicht mehr leistungsfähig ist. Unsere Idee ist nun, dass der Chip in der LTCC-Keramik sitzt und der Drucker dann die Leiterbahnen auf die Keramik druckt. Dabei hört er nicht beim Chip auf, sondern druckt einfach darüber hinweg – so entsteht automatisch die Kontaktierung durch die Silbertinte. Wir entwickeln diese Methode im Projekt »TeraKer« weiter.

Aerosol-Jet gedruckte Leitungenmit direkter Ankontaktierung des Chips.
© Fraunhofer IKTS

Aerosol-Jet gedruckte Leitungenmit direkter Ankontaktierung des Chips.

Welche Auswirkungen erhoffst du dir durch dein Patent?

Bisher gab es das Henne-Ei-Problem. Die hohen Frequenzen werden nicht genutzt, weil die Systeme dafür teuer sind, und weil die Nachfrage gering ist, werden sie nicht günstiger. Die Nutzung von 77 GHz für die KFZ-Radare haben sich nur durchgesetzt, weil die Platinen günstig herzustellen sind. Es braucht keine speziellen Fertigungslinien.

»Wenn wir das auf die hohen Frequenzen übertragen können, können wir vielleicht einen »Technology Push« auslösen. Es gibt schon kommerzielle Keramikhersteller, die Erfahrungen im Bereich von 2 – 4 GHz für WLAN-Anwendungen haben, sodass wir hoffen, diese Fertigung auch für 300 GHz zu ermöglichen.«

 

Das Patent entstand gemeinsam mit dem Fraunhofer IKTS. Wie kam es dazu?

Wir sind bei einer Messe auf dem Fraunhofer-Gemeinschaftsstand mit Kollegen aus dem Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) ins Gespräch gekommen. Sie stellen Platinen aus Mehrlagen-Keramiken her. Wir haben dann ausprobiert, ob diese Technologie bei höheren Frequenzen hohe Leistungen ermöglicht – und das tut sie, sogar bei über 300 GHz. Das IKTS hat große Expertise in der Herstellung von Keramiksubstraten und Drucktechniken, und wir bringen unsere Erfahrung in der Hochfrequenztechnologie mit ein.

 

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Christian Zech promoviert am Fraunhofer IAF im Bereich der Hochfrequenzelektronik.

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Projekt »TeraKer«

Im Projekt »TeraKer« wird die neuartige Aufbautechnik von Christian Zech und dem Fraunhofer IKTS weiterentwickelt.

 

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