Wissenschaftliche Publikationen

Entwicklung eines Herstellungsverfahrens für generativ gefertigte metallische Formeinsätze mit komplexen Geometrien für die Elektronikverkapselung mittels Epoxy-Molding Compound

Die richtige Zusammensetzung der Bäder ist entscheidend für den Erfolg bei der nasschemischen Oberflächenvorbehandlung und Metallabscheidung. Abweichungen oder Kontaminationen können den Prozess gefährden, weshalb eine kontinuierliche Überwachung unerlässlich ist. Ziel des Projekts war die Entwicklung von Methoden zur Inline-Überwachung von Bädern am Beispiel von spezifischen Prozessketten aus den Bereichen Oberflächenvorbehandlung und Metallabscheidung. Zwei komplementäre Messmethoden wurden entwickelt: die Laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS) für die Multielementanalyse und eine impedanzbasierte Methode zur Analyse der Badaktivität von außenstromlosen Kupferbädern.

Im Vorhaben wurde ein Konzept für ein Funksystem mit hemisphärischer Abdeckung mittels einem Antennenarray aus 8 Sektoren mit insgesamt 64 Kanälen bei einer Arbeitsfrequenz von 28-30 GHz erarbeitet. Die Auslegung des Systems umfasst Aspekte der 3D-Anordung der Antennen im Raum, des Frequenzangs der Antennenarrays, der Kontaktierung der notwendigen Hochfrequenz-Bauelemente, thermische Aspekte des Funksystems, Übergänge zwischen Schaltungsträgern und deren Hochfrequenzeigenschaften
sowie das Design einer Leiterplatte zur mechanischen und elektrischen Verbindung der 8 Sektoren. Das System basiert auf LDS-MID (Laserdirektstrukturierte Molded Inteconnect Devices oder Mechatronic Integrated Devices). Die 3D-Designfreiheit von LDS-MID erlaubt dabei 3D-Leiterstrukturen und neuartige Antennenkonzepte, welche auf planaren Schaltungsträgern nicht realisierbar sind.
 

This paper investigates the utilization of digital printing technologies for the fabrication of low temperature co-fired ceramics (LTCC). LTCC offer great opportunities for applications such as antennas, sensors or actuators due to their outstanding properties like low dielectric loss, low permittivity, low coefficient of thermal expansion and at the same time high reliability in harsh environments (heat, humidity, and radiation). LTCC are multilayer circuits that are typically functionalized by screen-printing. This publication investigates the replacement of screen-printing by digital printing processes, such as inkjet and Aerosol Jet printing, to facilitate a more
resource-friendly and customizable manufacturing of LTCC. The use of digital printing technologies not only streamlines small-scale productions and development processes but also offers the advantage of achieving miniaturization down to single-digit microns. In this publication, digital printing processes, filling of vias, lamination processes, co-firing at 850 ◦C and printing on fired LTCC were investigated. Three layers of nanoparticle silver ink were printed on green LTCC tape and 100% of the embedded printed structures were conductive after co-firing. Filling of vias with inkjet printing was investigated and the most important process parameters were found to be the clustering of vias, the amount of active nozzles and the substrate temperature. Printing on fired LTCC demonstrated high precision, and sintering at 600 ◦C achieved strong adhesion of printed structures to LTCC. These successful findings culminate in presenting a process chain for fully maskless structured, multilayer LTCC.

Voltage standards are widely used to transfer volts from Josephson voltage standards (JVSs) at national metrology institutes (NMIs) into calibration labs to maintain the volts and to transfer them to test equipment at production lines. Therefore, commercial voltage standards based on Zener diodes are used. Analog Devices Inc. (San Jose, CA, USA), namely, Eric Modica, introduced the ADR1000KHZ, a successor to the legendary LTZ1000, at the Metrology Meeting 2021. The first production samples were already available prior to this event. In this article, this new temperature-stabilized Zener diode is compared to several others as per datasheet specifications. Motivated by the superior parameters, a 10 V transfer standard prototype for laboratory use with commercial off-the-shelf components such as resistor networks and chopper amplifiers was built. How much effort it takes to reach the given parameters was investigated. This paper describes how the reference was set up to operate it at its zero-temperature coefficient (z.t.c.) temperature and to lower the requirements for the oven stability. Furthermore, it is shown how the overall temperature coefficient (t.c.) of the circuit was reduced. For the buffered Zener voltage, a t.c. of almost zero, and with amplification to 10 V, a t.c. of <0.01 µV/V/K was achieved in a temperature span of 15 to 31 °C. For the buffered Zener voltage, a noise of ~584 nVp-p and for the 10 V output, ~805 nVp-p were obtained. Finally, 850 days of drift data were taken by comparing the transfer standard prototype to two Fluke 7000 voltage standards according to the method described in NBS Technical Note 430. The drift specification was, however, not met.

Substrate materials for printed circuit boards must meet ever-increasing requirements to keep up with electronics technology development. Especially in the field of high-frequency applications such as radar and cellular broadcasting, low permittivity and the dielectric loss factor are key material parameters. In this work, the dielectric properties of a high-temperature, thermoplastic PEEK/PEI blend system are investigated at frequencies of 5 and 10 GHz under dried and ambient conditions. This material blend, modified with a suitable filler system, is capable of being used in the laser direct structuring (LDS) process. It is revealed that the degree of crystallinity of neat PEEK has a notable influence on the dielectric properties, as well as the PEEK phase structure in the blend system developed through annealing. This phenomenon can in turn be exploited to minimize permittivity values at 30 to 40 wt.-% PEI in the blend, even taking into account the water uptake present in thermoplastics. The dielectric loss follows a linear mixing rule over the blend range, which proved to be true also for PEEK/PEI LDS compounds.

Das Ziel des Forschungsvorhabens Thrust war die Materialentwicklung und die Untersuchung von hybriden Aufbauprozessen für neue komplexe 3D Schaltungsträger, da insbesondere für Hochfrequenzanwendungen die Kombination von dünnen Folien, dickwandigen Kunststoffteilen, mehrlagigen Schaltungsträgern und für das Prototyping der 3D Druck besonders interessant ist. Das Projekt umfasste dabei die Materialentwicklung eines neuen PEEK/PEI Systems, welches mittels Laserdirektstrukturierung (LDS) funktionalisierbar ist, sowie den Aufbau und die Charakterisierung verschiedener Schaltungsträger. 

Im Rahmen des Vorhabens wurden verschiedene Substratmaterialien für die Anwendung als Trägersubstrate für 3D-Schaltungsträger identifiziert. Im Weiteren wurden auf diesen unterschiedlichen Metallisierungstechnologien angewandt, wie z.B. außenstromlose Metallisierung, Digitaldruck, Jetting, Screen Printing.

Das Ziel des Forschungsvorhabens RAFAM war, auf Basis 3D-strukturierter und metallisierter Epoxy Molding Compound (EMC) Packages mit einer optimierten Aufbauund Verbindungstechnik hocheffiziente Antennenstrukturen für den Frequenzbereich über 100 GHz zu integrieren und zu ermöglichen. 

Substrate materials for printed circuit boards must meet ever-increasing requirements to keep up with electronics technology development. Especially in the field of high-frequency applications such as radar and cellular broadcasting, low permittivity and the dielectric loss factor are key material parameters. In this work, the dielectric properties of a high-temperature, thermoplastic PEEK/PEI blend system are investigated at frequencies of 5 and 10 GHz under dried and ambient conditions. This material blend, modified with a suitable filler system, is capable of being used in the laser direct structuring (LDS) process. It is revealed that the degree of crystallinity of neat PEEK has a notable influence on the dielectric properties, as well as the PEEK phase structure in the blend system developed through annealing. This phenomenon can in turn be exploited to minimize permittivity values at 30 to 40 wt.-% PEI in the blend, even taking into account the water uptake present in thermoplastics. The dielectric loss follows a linear mixing rule over the blend range, which proved to be true also for PEEK/PEI LDS compounds.

Entwicklung individueller Air Cavity   Packages für Hochfrequenz Anwendungen bis über 50 GHz

Hahn-Schickard has over 25 years of experience in the development of application-specific
3D electronics. Our wide range of technologies enables the matching of requirements, functionality and producibility to create customized solutions.

In our ISO 9001:2015 certified production we offer the entire process chain including base body production, surface structuring, metallization and 3D assembly and packaging.

The current industrial revolution derives much of its momentum from value creation based on interconnected products and related data based services. Such products must fulfill both mechanical and electrical requirements, making them mechatronic systems. The production of such systems via additive manufacturing (AM) processes offers advantages in achievable complexity, reduction of the amount of individual components, and cost-effective as well as sustaina ble production of small quantities. In this work, a process chain is presented that allows for refining additively manufactured 3D structures made from industry-standard materials into mechatronic components by creating electrically conductive structures directly on their surfaces. The process chain is based on masking the component’s surface and selectively removing the masking according to the circuit geometry using laser radiation. In a wet–chemical bath process, the surface is then exposed to palladium nuclei, the masking is fully removed and metal layers (copper/nickel/gold) are deposited by electroless plating. The procedure is developed using stereolithography as a model process for AM and transferred to four additional AM methods. In all cases, despite markedly different surface properties, good selectivity of metal deposition is observed as well as adhesion strength and conductivity comparable to industrially common injection-molded laser direct structured mechatronic interconnect devices.

Im Rahmen der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) wurde vom fem Forschungsinstitut und von Hahn-Schickard ein neues, innovatives Verfahren zur Erzeugung leitfähiger Strukturen auf Kunststoffsubstraten entwickelt. Das Verfahren kombiniert den digitalen Inkjet-Druck mit der außenstromlosen Metallabscheidung mit dem Ziel der Herstellung leitfähiger Strukturen auf unterschiedlichen Substratmaterialien, vor allem auf transparenten und temperatursensiblen Kunststoffsubstraten.

Im Rahmen eines Projekts sollen im Labormaßstab gängige Ansätze zur Probenvorbereitung in tragbare Geräte integriert werden. Der MIKROFLUIDIK-Automatisierung und der Fertigung mikrostrukturierter Kunststoffbauteile kommt dabei eine Schlüsselrolle zu.

Beschleunigungssensoren sind weit verbreitet und in vielen Märkten wie dem Mobilitätssektor, der Konsumerelektronik oder der Maschinen- und Bauwerksüberwachung anzutreffen. Die Aufgaben reichen dabei von einfachen Beschleunigungsmessungen, Navigation und Neigungsmessung bis hin zur Erfassung von Schwingungen. In den meisten Fällen kommen hierbei MEMS-Beschleunigungssensoren zum Einsatz. Diese sind meist kostengünstig, haben aber den Nachteil, dass sie während der Betriebsdauer driften und dadurch fehlerhafte Messergebnisse liefern. Um dem entgegenzuwirken, müssen sie im Betrieb häufig kalibriert werden. Ein neuer, vielversprechender Ansatz für driftfreie Beschleunigungssensoren wird in diesem Beitrag vorgestellt.

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