Mikro-3D-Druck bei der Herstellung von Elektronik-Komponenten

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Die Miniaturisierung von Bauteilen stellt die Elektronik-Branche vor Herausforderungen. Inzwischen wird der Mikro-3D-Druck immer mehr zur Alternative. Die Präzisionsmikro-Stereolithographie (PµSL) des Herstellers Boston Micro Fabrication (BMF) eröffnet geometrische Freiheit, geringe Vorlaufzeiten und die Fertigung von Serienteilen, wie ein aktuelles Anwendungsbeispiel belegt.

Mikro-3D-Druck in der Praxis: Der Bedarf an sehr kleinen, zugleich sehr komplexen Komponenten steigt in der Unterhaltungselektronik, bei Konnektoren, Chipsockeln und MEMS ebenso wie in anderen Bereichen der Elektronik. Um fortschrittliche Funktionen und verschiedene Drahtlos-Technologien unterzubringen, werden elektronische Geräte immer dichter mit vielfältigen kleinen Komponenten bestückt. Die Nachfrage nach kleinen, hochpräzisen Teilen steigt, aber die konventionellen Fertigungsverfahren sind langwierig und kostspielig. Viele Hersteller suchen nach neuen Möglichkeiten, winzige, aber detaillierte Produkte und Komponenten zu fertigen.

Mikro-3D-Druck: Die Projektions-Mikro-Stereolithografie

In diese Marktlücke hinein hat Boston Micro Fabrication (BMF) die Projektions-Mikro-Stereolithografie oder PµSL entwickelt. Dieses 3D-Druck-Verfahren beruht auf dem Prinzip der Stereolithografie. Wie im Digital Light Processing (DLP) sorgt ein Blitz von UV-Licht für die schnelle Photopolymerisation einer ganzen Harzschicht in Mikro-Auflösung. Dadurch erreicht der Prozess eine Genauigkeit, Detailtreue und Auflösung, die mit anderen Verfahren nicht möglich wären.

Die 3D-Drucker der MicroArch-Baureihe von BMF weisen eine hochpräzise Linse zwischen der Lichtquelle, einer DLP-Projektion und dem Harzbad auf. Die Drucker steuern Hochpräzisionstische in den XYZ-Bewegungen mit der Genauigkeit von Koordinatenmessmaschinen. Die Kombination und Koordination dieser Systeme ermöglicht je nach System eine optische Auflösung von 2 bis 10 Mikron und erreicht damit Toleranzen in dem Bereich von +/- 25 µm. In Verbindung mit der hohen Geschwindigkeit des DLP ergibt dieser Ansatz den Durchsatz, der für industrielle Anwendungen benötigt wird.

BMF stellt dazu ein offenes Materialsystem bereit. Anwender können mit speziell definierten BMF Flüssigpolymeren ebenso arbeiten, wie mit anderen Materialien ihrer Wahl. Die BMF-Linie von Photopolymeren umfasst harte, steife hochtemperaturbeständige, biokompatible und haltbare Materialien für funktionale Teile.

Herstellung einer Hohlleiterstruktur für Frequenzverdoppler

Neben Chipsockeln, Konnektoren und anderen Mikrobauteilen wurde mit diesem Verfahren kürzlich das Gehäuse eines Terahertz-Frequenzvervielfacher auf Basis von GaAs-Schottky Dioden hergestellt. Diese werden als zuverlässige Quellen für Lokaloszillatoren (LO) in Heterodyn-Empfängern eingesetzt, da sie bei Raumtemperatur einen hohen Wirkungsgrad zu niedrigen Kosten erreichen. Das Wellenleitergehäuse dieser Multiplikatoren wird üblicherweise mit CNC-Bearbeitung hergestellt, die hochwertige Komponenten mit hoher Genauigkeit, hoher Präzision und guter Oberflächengüte liefert. Damit werden die engen Toleranzanforderungen für die elektrische Abstimmung und genaue Platzierung der planaren Schaltungen in der Hohlleiterstruktur bei Sub-Terahertz-Frequenzvervielfachern eingehalten.

Der Hohlleiterhohlraum mit integrierten UG387/m-Flanschen wurde auf einem MicroArch S140 3D-Drucker mit 20 m Schichthöhe, 10 µm x/y optischer Auflösung, 40 mW/cm2 Laserausgangsleistungsdichte und einer Belichtungszeit von durchschnittlich 0,85s pro Bild hergestellt. Das Polymer aus dem Materialsystem von BMF war HTL Yellow20, das Temperaturen bis zu 114 Grad Celsius standhält.

Die fertigen Teile wurden in Propan-2-ol gewaschen und 30 Minuten lang mit UV-Licht nachgehärtet, anschließend thermisch bei 60 C° für 30 Minuten nahgehärtet. Die Teile sind mit Dübeln und Stiftlöchern versehen, um eine genaue Ausrichtung der beiden Hälften beim Zusammenbau zu erreichen. Der Radius des Dübels beträgt 0,75 mm, jener des Lochs 0,8 mm. Die Breite des Hohlleiterkanals, in den der MMIC eingesetzt wird, beträgt 630 μm, die Breite des MMIC 580 μm. Diese ist von entscheidender Bedeutung für eine präzise Platzierung des MMICs im Kanal.

Die Polymerhohlleiterblöcke wurden mit elektrolytfreiem Kupfer in etwa 4 μm Schichtdicke beschichtet, die dünne Schutzschicht aus Gold ist etwa 0,1 μm dick. Die Oberflächenrauheit des plattierten oberen Blocks wurde an verschiedenen Stellen mit dem optischen System von Alicona gemessen, sie beträgt durchschnittlich 1,4 μm.

Vergleich mit CNC-Fertigung

Nun werden die Messergebnisse mit dem mittels Mikro-3D-Druck gedruckten Bauteil denjenigen mit dem CNC-gefrästen gegenübergestellt. Bei einer Eingangsleistung von 100 mW betrug die erreichte maximale Ausgangsleistung des 3D-gedruckten Verdopplers etwa 33 mW und 35 mW für den CNC-gefertigten Verdoppler. Über dem Frequenzbereich von 120 GHz bis 130 GHz liegt die Ausgangsleistung für beide Verdoppler über 16 mW. Die gemessene Ausgangsleistung und der Umwandlungswirkungsgrad als Funktionen der Eingangsleistung liegen bei 125 GHz Ausgangsfrequenz.

Mikro-3D-Druck: Elektronik-Miniaturisierung mit PµSL

Mikro-3D-Druck öffnet einen kosteneffektiven Weg, um die Miniaturisierung von Elektronik-Komponenten zu meistern. Ohne die hohen Kosten spezieller Formen und Werkzeuge bringt er eine hohe Flexibilität für die Gestaltung und Produktion. Bei Anwendungen im Mikrobereich führt die Möglichkeit zum 3D-Druck von Hunderten oder Tausenden von Teilen zu Einsparungen und eröffnet schnelle Reaktionen auf Änderungen von Produktdesign oder Marktbedingungen.

Von Dr. Thomas Tosse.

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