DE102020104038A1

DE102020104038A1 - Verfahren zur Herstellung von hochfrequenztechnischen Funktionsstrukturen

Info

Publication number: DE102020104038A1
Application number: DE102020104038.5A
Authority: DE
Inventors: Gerald Gold; Klaus Helmreich; Konstantin Lomakin; Mark Sippel
Original assignee: Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Current assignee: Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Priority date: 2020-02-17
Filing date: 2020-02-17
Publication date: 2021-08-19
Also published as: WO2021165201A1; US20230070213A1; KR20220137763A; CN115176383A; EP4107812A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von hochfrequenztechnischen Funktionsstrukturen mit den Schritten Bereitstellen eines die Form der Funktionsstruktur bestimmenden Grundkörpers und Aufbringen einer elektrisch leitfähigen Schicht auf den formbestimmenden Grundkörper mittels Benetzen des Grundkörpers mit einer Mikropartikel und/oder Nanopartikel enthaltenden Dispersion.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von hochfrequenztechnischen Funktionsstrukturen.
Eine derartige Funktionsstruktur ist beispielsweise ein Wellenleiter zur Führung elektromagnetischer Wellen. Elektromagnetische Wellen, insbesondere Hochfrequenzsignale, können sich entweder in einem Raum oder in Wellenleiter-Vorrichtungen ausbreiten. Solche Wellenleiter-Vorrichtungen sehen leitfähige Strukturen vor, die ein räumliches Gebiet umfassen und so einen räumlichen Pfad oder Kanal ausbilden, um die elektromagnetischen Wellen bzw. Hochfrequenzsignale darin zu führen oder im Raum oder Frequenzbereich zu manipulieren.
Bei der Herstellung von Hochfrequenzkomponenten wird, insbesondere zum Erzeugen von Hohlräumen, das Bauteil fertigungsverursacht aus zwei Hälften zusammengesetzt. Die so entstandenen, z.B. in einen metallischen Grundkörper gefrästen Hohlräume, ergeben die eigentliche Funktionalität der Hochfrequenzbaugruppe. Dies können z.B. Wellenleiter, sogenannte Hohlleiter aber auch Filter, Resonatoren, Koppler oder Antennen sein.
Solche Hochfrequenzkomponenten können auch aus 3D-gedruckten oder spritzgegossenen Kunststoffgrundkörpern erzeugt werden. Für die spätere Funktion müssen sie mit einer leitfähigen Beschichtung versehen werden. Stand der Technik ist das galvanische oder stromlose Beschichten mit Metallen.
Essentiell ist die elektrische Leitfähigkeit und Beschaffenheit der Komponentenoberfläche, die mit der elektromagnetischen Welle wechselwirkt, insbesondere muss eine den Hohlraum bildende Innenwandung elektrisch leitend sein. Die Herstellung der Komponenten aus Metall bzw. elektrisch leitendem Grundmaterial ist nicht nur kostenintensiv, sondern auch aufwändig, insbesondere macht dies kostenintensive CNC-Fräsprozesse notwendig. Vor diesem Hintergrund wurde im Stand der Technik bereits der Ansatz verfolgt, derartige Komponenten stattdessen aus Kunststoff zu fertigen und diese erst in einem nachgelagerten Schritt leitfähig zu machen. Bekannte Prozessvorschläge sehen hier chemische Verfahren wie ein galvanisches oder auch stromloses Beschichten der Grundkörperoberfläche mit Metallen vor.
Prozessbedingt ist das Galvanisieren von Hohlräumen schwierig oder nur mit Elektroden möglich, die in die entsprechenden Hohlräume eingebracht werden, und stellt eine fertigungsverursachte Einschränkung für die Formgebung der Hochfrequenzbauteile dar. Für eine stromlose Beschichtung muss lediglich dafür Sorge getragen werden, dass die Prozessflüssigkeiten die entsprechenden Oberflächen erreichen, was bei Hochfrequenzbauteilen, z.B. Wellenleitern problemlos dadurch zu erreichen ist, dass leitfähige Strukturen um räumliche Gebiete nur insoweit und dort aufgebaut werden, wie und wo sie für die hochfrequenztechnische Funktion erforderlich sind. Die stromlose Beschichtung schränkt also die Freiheitsgrade im Entwurf von Hochfrequenzkomponenten weniger ein, als die galvanische Beschichtung.
Bezüglich der vorbekannten Verfahren besteht der Wunsch nach einer weiteren Vereinfachung des Beschichtungsverfahrens, um insbesondere auch eine komplexere Formgebung der Bauteile zu ermöglichen und zudem physikalische Eigenschaften der Oberflächenbeschaffenheit, wie beispielsweise die Haftfestigkeit oder Oberflächenrauigkeit zu verbessern.
Gelöst wird diese Aufgabe durch das erfindungsgemäße Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, bei der Herstellung einer Funktionsstruktur für hochfrequenztechnische Bauelemente zunächst einen die Form der Funktionsstruktur bestimmenden Grundkörper zu schaffen. Das Material zur Herstellung des Grundkörpers ist vorzugsweise elektrisch nicht-leitend, für die Verfahrensausführung könnte jedoch genauso gut ein elektrisch leitendes oder halbleitendes Material für die Herstellung des Grundkörpers verwendet werden.
Die notwendige elektrisch leitfähige Beschichtung des Grundkörpers wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass zumindest ein Teil, vorzugsweise die gesamte Oberfläche des Grundkörpers mit einer elektrisch-leitende Mikro- und/oder Nanopartikel enthaltenden Dispersion benetzt wird. Bei der Dispersion kann es sich um eine Tinte mit Mikro- bzw. Nanopartikeln handeln. Bei den verwendeten (Tinten)werkstoffen handelt es sich vorzugsweise um solche, die hohe Leitfähigkeiten erreichen. Die Dispersion bzw. Tinte ist bevorzugt wasserbasiert, zudem kann ein organisches Trennmittel vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich kann ein Lösungsmittel beigemengt sein. Denkbare Nanopartikel sind Aluminium, Silber-, Gold- oder Kupferpartikel oder eine Mischung daraus. Die Dispersion bzw. Tinte ist dabei auf die Oberflächenenergie des verwendeten Grundkörpermaterials, bspw. Kunststoffs abgestimmt, so dass eine ausreichende Benetzung der Oberfläche begünstigt wird. Des Weiteren kann die Viskosität der Dispersion bzw. des Tintenwerkstoffs auf die kleinsten vorkommenden Öffnungen in der Grundkörperstruktur abgestimmt sein, sodass die Benetzung durch die Dispersion gewährleistet ist.
Nach dem Verdampfen/Verdunsten des Lösungsmittels/Wassers ist die Oberfläche des Grundkörpers mit dem Tintenwerkstoff benetzt und durch optionale Nachbehandlung, vorzugsweise Sintern, bildet sich eine leitfähige Beschichtung aus. Das neue Verfahren stellt somit eine Alternative zur chemischen, stromlosen Beschichtung dar. Der Grundstoffkörper wird dadurch funktionalisiert, d.h. zur Hochfrequenzkomponente, indem er vollständig oder teilweise mit leitfähigem Tintenwerkstoff beschichtet wird.
Im Gegensatz zu chemischen Beschichtungsverfahren, bei diesen ein Körper in eine Reagenzflüssigkeit eingebracht wird und es zu einer chemischen Reaktion zwischen Reagenzflüssigkeit und Oberfläche des Körpers kommt, setzt das vorliegende Verfahren stattdessen auf eine Dispersion zur Beschichtung, die den Grundkörper physikalisch benetzt und durch Nachbehandlung eine leitende Beschichtung ausbildet.
Gegenüber dem chemischen Beschichtungsverfahren kann durch das erfindungsgemäße Verfahren eine glattere Oberflächenstruktur des beschichteten Grundkörpers erzielt werden, was insbesondere bei Bauteilen der Hochfrequenztechnik entscheidende Vorteile mit sich bringt. Je glatter die Oberfläche des Bauteils, desto besser die spätere Leistungsfähigkeit des Bauteils in der Hochfrequenzanwendung. Der chemische Prozess bestehender Verfahren führt häufig aufgrund erforderlicher Vorbehandlung zu einer nachteiligen Aufrauung der Körperoberfläche.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich bspw. zur Herstellung von HF-Leitungen, Antennen, bspw. Horn- oder Helix-Antennen, sowie von Hohlleitern, Filtern, Resonatoren, Kopplern oder sonstigen passiven HF-Bauteilen vorteilhaft einsetzen, wobei die Funktionsstruktur dieser Bauteile durch den beschichteten Grundkörper gebildet wird. Einige dieser Funktionsstrukturen erfordern ein von leitfähigen Strukturen umschlossenes räumliches Gebiet zur Führung der elektromagnetischen Wellen. In diesem Fall wird der Grundkörper mit entsprechendem Strukturen an den für die hochfrequenztechnische Funktion erforderlichen Stellen ausgeführt, wo es zur mechanischen oder elektrischen Funktion benötigt wird bzw. diese nur wenig einschränkt.
Das Auftragen und Benetzen erfolgt vorzugsweise durch vollständiges Eintauchen des Grundkörpers in ein Tauchbad, das die entsprechende Dispersion enthält.
Prinzipiell ausreichend ist das einmalige Eintauchen des Grundkörpers. Eine bessere Verteilung der Dispersion um oder durch den Grundkörper, insbesondere in einem optional vorhandenen Hohlraum wird durch mehrmaliges Eintauchen sichergestellt. Vorzugsweise wird ein die Dispersion enthaltendes Ultraschallbad genutzt. Nach dem Eintauchen in das Tauchbad kann der Grundkörper kurzzeitig geschüttelt werden, um überschüssige Dispersion zu entfernen.
Als Alternative zum Tauchbad lässt sich die Dispersion auch mittels Aerosolkammer aufbringen, in der die zu Tröpfchen vernebelte Dispersion den Grundkörper benetzt. Ferner besteht die Möglichkeit, den Grundkörper auch durch Besprühen oder Übergießen mit der Dispersion zu beschichten bzw. benetzen.
Nach Aufbringung der Dispersion kann die Qualität der Beschichtung und deren Leitfähigkeit durch thermische Nachbehandlung der Grundkörperoberfläche bzw. der anhaftenden Mikro- oder Nanopartikel hergestellt bzw. verbessert werden. Hierfür bietet sich ein Sintern im Ofen, eine UV-Behandlung, die Zuführung von Heißluft oder Infrarotbestrahlung an. Eine thermische Nachbehandlung kann sich positiv auf die elektrische Leitfähigkeit der aufgebrachten Beschichtung auswirken. So wird durch die anschließende Sinterung der Mikro- oder Nanopartikel, z. B. in einem thermischen Ofen, eine hohe Leitfähigkeit der resultierenden Oberflächenbeschichtung erreicht. Die Sintertemperatur des Tintenwerkstoffes ist auf die Glasübergangstemperatur des verwendeten Kunststoffs abgestimmt, sodass dieser nicht beschädigt wird.
Vorteilhaft kann es ebenso sein, wenn vor der Aufbringung der Dispersion eine Oberflächenvorbehandlung des Grundkörpers ausgeführt wird, um insbesondere eine Oberflächenreinigung oder -aktivierung zur optimierten Anhaftung der Beschichtung zu erreichen.
Während des Beschichtungsprozesses, insbesondere beim Einbringen in ein entsprechendes Tauchbad, kommt es maßgeblich darauf an, dass die entsprechende Dispersion sämtliche zu beschichtende Wandungsinnenflächen erreichen kann. Zur Förderung der Flüssigkeitszirkulation kann es daher ebenfalls von Vorteil sein, den Grundkörper so auszugestalten, dass Grundkörpermaterial nur dort vorhanden ist, wo es zur mechanischen oder elektrischen Funktion benötigt wird bzw. diese nur wenig einschränkt, also gewisse Wandungen des Grundkörpers von vorneherein nur dort aufzubauen oder sie nachträglich mit Aussparungen zu versehen. Dadurch wird das Vordringen der Dispersion in einen Hohlraum vereinfacht. Ferner sollte die Viskosität der eingesetzten Dispersion bzw. des Tintenwerkstoffs auf die kleinsten vorkommenden Öffnungen in der Grundkörperstruktur abgestimmt sein, sodass die Zirkulation gewährleistet ist.
Bei rechteckigen Hohlkörpern bzw. Hohlräumen können Wandungen entsprechend den Seitenwänden eines auf dem Stand der Technik bekannten Substratintegrierten Hohlleiters (substrat integrated waveguide SIW) unterbrochen ausgeführt sein, da diese Öffnungen die hochfrequenztechnische Funktion nicht beeinträchtigen, was ebenfalls auf dem Stand der Technik bekannt ist. Beispielsweise sind die schmalseitigen Wandungen des Hohlraumes geschlitzt, während die breitseitigen Wandungen des rechteckigen Hohlkörpers ohne entsprechende Öffnungen ausgeführt sein können.
Wie bereits vorstehend erwähnt, kann der Grundkörper aus einem elektrisch nichtleitenden Material bestehen. Als besonders geeignet erweisen sich hierbei Keramik oder Kunststoff. Die Herstellung des Grundkörpers kann dann mittels eines additiven Verfahrens erfolgen, bspw. mittels SLA 3D-Druck. Eine Herstellung mittels Spritzgussverfahren ist ebenso vorstellbar.
Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren umfasst die Erfindung auch eine entsprechende Funktionsstruktur für ein Bauteil der Hochfrequenztechnik, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurde. Dementsprechend ergeben sich für die Funktionsstruktur dieselben Vorteile und Eigenschaften, wie sie bereits anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert wurden, weshalb an dieser Stelle auf eine wiederholende Beschreibung verzichtet wird.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung sollen nachfolgend anhand einiger Beispiele für Hochfrequenzkomponenten aufgezeigt werden, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurden. Es zeigen:

1: eine mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Helixantenne
2: eine mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Rechteck-Hornantenne
3: eine mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte RillenHornantenne
4: eine mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Hohlleiterschlitzantenne
5: eine weitere mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Hohlleiterschlitzantenne
6: einen mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Hohlleiter,
7: ein komplexeres System aus mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Hochfrequenzkomponenten, bestehend aus Hohlleiter, Hohlleiterbögen sowie Hornantenne,
8: einen mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Hohlleiter-Koppler.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Helixantenne 1a, gefertigt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Die Helixantenne umfasst eine spiralförmige Wendel 2 und eine kreisförmige ebene Grundfläche 3 mit einer zentralen Öffnung 4 durch welche das untere Ende 5 der Wendel geführt ist. Wendel 2 und Grundfläche 3 sind kunststoffbasierend, auf ihre Oberflächen wurde jedoch erfindungsgemäß eine elektrisch-leitende, Nanopartikel enthaltende Tinte aufgetragen. Dazu wurden Wendel 2 und Grundfläche 3 zunächst mittels additivem Verfahren wie z. B. SLA 3D-Druck hergestellt und auf der Unterseite der Grundfläche 3 als normgerechter Hochfrequenzverbinder, bspw. Hohlleiterflansch, ausgestaltet.
2 zeigt eine Hornantenne 1b, welche aus aus einem Grundkörper 2 besteht und eine Hornöffnung mit rechteckigem Querschnittsprofil aufweist. Innenwände 3 und Außenwände 5 sind nach dem erfindungsgemäßen Verfahren leitfähig beschichtet.
3 zeigt als Beispiel für eine weitere passive Hochfrequenzkomponente eine Rillenhornantenne 1c. Die Komponente unterscheidet sich von der Rechteckhornantenne 1b durch eine Hornöffnung mit rundem Querschnittsprofil 2 und einen Übergang 5 auf einen normgerechten Anschluß mit rechteckigem Querschnitt. Die Innenwand der Hornöffnung weist eine gestufte oder gerillte Oberfläche 3 auf. Die Herstellung einer solchen Komponente kann vorteilhaft auch mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt werden.
4 zeigt eine erfindungsgemäße Hohlleiterschlitzantenne 1d, gefertigt und leitfähig beschichtet nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Die Hohlleiterschlitzantenne besteht aus einem Grundkörper 2 mit rechteckigem Querschnittsprofil, bei dessen additiver Fertigung in bestimmten Außenwandungen 5 Öffnungen 4 verbleiben, womit die beabsichtigte Funktion der Abstrahlung einer zunächst im Inneren geführten elektromagnetischen Welle erreicht wird.
5 zeigt hingegen eine erfindungsgemäße Hohlleiterschlitzantenne 1e, gefertigt und leitfähig beschichtet nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, deren grundsätzlicher Aufbau der Hohlleiterschlitzantenne 1d ähnelt, wobei jedoch Grundkörpermaterial nur dort aufgebaut wurde, wo es für die hochfrequenztechnische Funktion erforderlich ist (6), was ebenfalls vorteilhaft mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt werden kann.
6 zeigt einen erfindungsgemäßen Hohlleiter 1f für die Hochfrequenztechnik, gefertigt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Der Hohlleiter 1f umfasst im Wesentlichen einen Hohlkörper mit rechteckigem Profil als Grundkörper 2, dessen Innenwandungen 3 den notwendigen Hohlraum für die Führung elektromagnetischer Wellen bilden. Ähnlich wie bei der Hohlleiterschlitzantenne 1e ist Grundkörpermaterial 6 nur dort aufgebaut, wo es für die hochfrequenztechnische Funktion erforderlich ist.
7 zeigt eine Funktionsstruktur 1g, die ähnlich dem Hohlleiter 1f aufgebaut ist jedoch einen im Raum gebogenen Pfad für die elektromagnetischen Wellen vorgibt. Das eine Ende ist entsprechend einer Hornantenne 1b ausgebildet. Auch hier kommt das erfindungsgemäße Verfahren zur elektrisch leitenden Beschichtung der Funktionsstruktur zum Einsatz.
8 zeigt einen Koppler 1h für die Hochfrequenztechnik, dessen grundsätzlicher Aufbau zwei sich an ihren Seitenwänden berührenden Hohlleitern 1f ähnelt. Entlang dieser Berührungsfläche sind Öffnungen zwischen den beiden Hohlleitern funktionsnotwendig, um ein Überkoppeln der elektromagnetischen Wellen von einem in den anderen Hohlleiter zu ermöglichen. Alle anderen umschließenden leitfähigen Strukturen sind ähnlich dem Hohlleiter 1f nur dort aufgebaut, wo sie für die Führung der elektromagnetischen Wellen erforderlich sind. Auch hier kommt das erfindungsgemäße Verfahren zur elektrisch leitenden Beschichtung der Oberfläche des Kopplers 1h zum Einsatz.

Claims

Verfahren zur Herstellung von hochfrequenztechnischen Funktionsstrukturen mit den Schritten: Bereitstellen eines die Form der Funktionsstruktur bestimmenden Grundkörpers, Aufbringen einer elektrisch leitfähigen Schicht auf den formbestimmenden Grundkörper mittels Benetzen des Grundkörpers mit einer Mikropartikel und/oder Nanopartikel enthaltenden Dispersion.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Beschichtens ein ein- oder mehrmaliges Eintauchen des Grundkörpers in ein die Dispersion enthaltendes Tauchbad, insbesondere Ultraschallbad, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Beschichtens eine Behandlung des Grundkörpers in einer Aerosolkammer vorsieht, um die Dispersion auf den Grundkörper aufzutragen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Beschichtens durch Übergießen des Grundkörpers mit der Dispersion erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Beschichtens durch Besprühen des Grundkörpers mit der Dispersion erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Mikropartikeln und/oder Nanopartikeln um Gold- und/oder Silber- und/oder Kupfer- und/oder Aluminiumpartikel und/oder Partikel anderer Substanzen handelt, die leitfähige Schichten ausbilden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Beschichtung eine thermische Nachbehandlung des Grundkörpers erfolgt, insbesondere durch Sintern, Ultraviolett-Behandlung, Zuführung von Heißluft oder Infrarot-Bestrahlung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsstruktur eine Hochfrequenzleitung, insbesondere ein Hohlleiter, oder eine Antenne, insbesondere eine Horn- oder Helixantenne, oder ein Filter oder ein Resonator oder ein Koppler oder ein sonstiges passives HF-Teil ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper so gestaltet ist, dass Grundkörpermaterial nur dort vorhanden ist, wo es für die mechanische Festigkeit notwendig und/oder wo eine leitfähige Oberfläche zur Gewährleistung der hochfrequenztechnischen Funktion erforderlich ist, insbesondere derart, dass Wandungen mit Öffnungen versehen oder ganz oder teilweise als Wendel oder Gitter ausgeführt sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dispersion auf Wasser und/oder einem oder mehreren Lösungsmitteln und/oder zusätzlichen Adhäsiven basiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper aus Keramik oder Kunststoff oder Metall besteht bzw. dieses umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper mittels additivem Verfahren, insbesondere SLA 3D-Druck, oder Kunststoffspritzguss hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Grundkörpers vor der Beschichtung vorbehandelt wird.