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Additive Fertigung für HF-Komponenten 3D-gedruckte RF-Sensoren mit sub-10-µm-Präzision

Von Sebastian Gerstl 2 min Lesedauer

Anbieter zum Thema

Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG
EBV Elektronik GmbH & Co. KG

Einem chinesisch-türkischem Forschungsteam ist es gelungen, 3D-Druck mit Kupfer-Metallisierung zu kombinieren, um damit 3D-Mikrostrukturen mit hohem Seitenverhältnis und einer Auflösung von unter 10 Mikrometern für RF-Sensoren herzustellen.

Das entwickelte Herstellungsverfahren besteht aus den folgenden Schritten: a) Aufschleudern des Positiv-Fotoresists AZ-4562 auf ITO-beschichtetes Glas, b) Auflegen des vorbereiteten Substrats auf den Probenhalter des 3D-Drucksystems und Belichten, um das gewünschte Muster zu erhalten, c) Entwickeln des belichteten Teils des Fotoresists, d) Dickschichtabscheidung von Kupfermetall auf der ITO-Keimschicht entlang der Linie des vorgegebenen Musters, e) Aufschleudern der Schutzschicht, f) Schneiden des Substrats in kleinere Stücke mit einer Würfelsäge, g) Entfernen des Fotoresists, h) Trockenätzen der ITO-Keimschicht mit ICP, und i) thermisches Tempern zur Stärkung der Kupferstruktur.(Bild: Anıl Çağrı Atak, Emre Ünal & Hilmi Volkan Demir)
Das entwickelte Herstellungsverfahren besteht aus den folgenden Schritten: a) Aufschleudern des Positiv-Fotoresists AZ-4562 auf ITO-beschichtetes Glas, b) Auflegen des vorbereiteten Substrats auf den Probenhalter des 3D-Drucksystems und Belichten, um das gewünschte Muster zu erhalten, c) Entwickeln des belichteten Teils des Fotoresists, d) Dickschichtabscheidung von Kupfermetall auf der ITO-Keimschicht entlang der Linie des vorgegebenen Musters, e) Aufschleudern der Schutzschicht, f) Schneiden des Substrats in kleinere Stücke mit einer Würfelsäge, g) Entfernen des Fotoresists, h) Trockenätzen der ITO-Keimschicht mit ICP, und i) thermisches Tempern zur Stärkung der Kupferstruktur.
(Bild: Anıl Çağrı Atak, Emre Ünal & Hilmi Volkan Demir)

Ein interdisziplinäres Forschungsteam der Bilkent-Universität und der Nanyang Technological University hat ein neuartiges Herstellungsverfahren für miniaturisierte HF-Komponenten vorgestellt. Die Methode basiert auf der Kombination von Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP), Elektroplattieren und Trockenätzen und ermöglicht die Fertigung hochpräziser 3D-Mikrostrukturen mit sub-10-µm-Auflösung und einem Seitenverhältnis von 1:4.

Präzise Strukturkontrolle

Im Fokus steht die Herstellung tief eingegrabener Kupferresonatoren für RF-Anwendungen, deren Geometrie direkt die Gütefaktoren (Q-Faktor) und Resonanzfrequenzen beeinflusst. So lassen sich Frequenzen im Bereich von 4–6 GHz gezielt einstellen. Der neue Ansatz verbessert nicht nur die Performance, sondern reduziert auch die Baugröße der Bauteile um bis zu 45 % gegenüber klassischen Leiterplattenlösungen.

Der Fertigungsprozess beginnt mit der 2PP-Technik zur Strukturierung eines Photoresists. Die entstandenen Mikrogräben werden anschließend mit bis zu 8 µm dickem Kupfer elektroplattiert. Nach dem Entfernen der Seed-Layer durch Trockenätzen entstehen freistehende Metallstrukturen mit glatten, vertikalen Seitenwänden und exzellenter Maßhaltigkeit.

Eine schnelle Wärmebehandlung sorgt für stabile Kupferbindungen und kompensiert thermische und mechanische Belastungen. Scanning-Elektronenmikroskopie bestätigt die hohe strukturelle Integrität der Bauteile, selbst bei minimalen Strukturbreiten von 2–3 µm.

Auch andere Komponenten vorstellbar

Designmuster mit hohem Seitenverhältnis. a) 10-11 µm tiefe dritte Dimension und 2-3 µm Breite; und b) flache Seitenwände. (Maßstabsleiste: 10 µm)(Bild: Anıl Çağrı Atak, Emre Ünal & Hilmi Volkan Demir)
Designmuster mit hohem Seitenverhältnis. a) 10-11 µm tiefe dritte Dimension und 2-3 µm Breite; und b) flache Seitenwände. (Maßstabsleiste: 10 µm)
(Bild: Anıl Çağrı Atak, Emre Ünal & Hilmi Volkan Demir)

Die direkte Kopplung von additiver und subtraktiver Fertigung eröffnet neue Konstruktionsfreiheiten im Design kompakter Hochfrequenzkomponenten. Die präzise steuerbare Strukturgeometrie ermöglicht es, den Q-Faktor um das Sechs- bis Siebenfache zu steigern und Frequenzverschiebungen von bis zu 200 MHz zu realisieren – wichtige Parameter für individualisierte RF-Systeme.

Neben klassischen RF-Sensoren sind auch Anwendungen im Bereich der tragbaren oder implantierbaren Medizintechnik denkbar. In Verbindung mit MEMS eröffnen sich Perspektiven für integrierte On-Chip-Antennen, Signalprozessoren und hochdichte IoT-Komponenten.

Die Methode gilt als skalierbar und kosteneffizient und bietet damit ein erhebliches Potenzial für die industrielle Serienfertigung. Perspektivisch soll die Integration weiterer funktionaler Materialien und die Umsetzung komplexer, mehrschichtiger Strukturen das Anwendungsspektrum weiter ausbauen.

Die Forschenden haben die Ergebnisse Ihrer Studie im Fachblatt Microsystems & Nanoengineering veröffentlicht (DOI: 10.1038/s41378-025-00888-5). Der Beitrag ist im Open Access einsehbar.(sg)

(ID:50416327)

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