3D-gedruckte Hochfrequenzkomponenten für 6G, Terahertz-Anwendungen und Industrie 4.0

Die Düsenfabrik Leipold ist als Hersteller von Hohlleitern und Verstärkern fest im Markt etabliert und adressiert anspruchsvolle Unternehmen in Kommunikation, Radar, Medizintechnik und industrieller Mess- und Prüftechnik. Um diese künftig noch flexibler und schneller mit präzisen HF-Komponenten versorgen zu können, wollen wir die Fertigung und Integration im Projekt grundlegend neu denken.

Kern der Innovation im Projekt »TERA-AMP« ist der Einsatz von 3D-Lasermikrodruck auf Basis der Zwei-Photonen-Polymerisation. Damit fertigen wir im Projekt hochpräzise Kopplungsstrukturen für Hochfrequenzanwendungen – nach aktuellem Stand erstmals weltweit in diesem Bereich.
 

Was ist 3D-Lasermikrodruck?

Beim 3D-Lasermikrodruck wird ein fokussierter nahinfraroter Laser in einen Photolack eingestrahlt. Durch Zwei-Photonen-Polymerisation härtet das Material ausschließlich im Fokusvoxel aus. Indem wir diesen Fokuspunkt gezielt im Raum bewegen, erzeugen wir nahezu beliebige dreidimensionale Mikrostrukturen – mit Abweichungen vom Design im Bereich weniger hundert Nanometer.

Ursprünglich in der Optik und Nanotechnologie eingesetzt, erschließen wir das Verfahren nun für die Hochfrequenztechnik: Aus komplexen Mikrostrukturen entstehen direkt funktionale Kopplungs-, Filter- und Antennenstrukturen.

Integration statt Montage und neue Designfreiheit

Anstatt einzelne Komponenten aufwendig zu montieren, integrieren wir Koppler, Filter und gegebenenfalls Antennen direkt auf den MMIC oder in das Hohlleitergehäuse. Dadurch eröffnen sich neue Freiheitsgrade im Design und Prototyping:

• kompaktere, integrierte HF-Übergänge
• reduzierte Schnittstellen und damit geringere Verluste
• Funktionalitäten (z. B. integrierte Filter), die mit klassischen Methoden kaum oder gar nicht realisierbar sind
• an Universalhohlleitergehäuse und beliebige Chip-Geometrien angepasste Kopplungsstrukturen

So entstehen durch additive Fertigung völlig neue Produktklassen hochintegrierter, anwendungsspezifischer HF-Bauteile, die wir schnell auf individuelle Unternehmensanforderungen zuschneiden können.

Ein weiterer Vorteil: Die Verfügbarkeit dieser Technologie in Europa wird zu einem wichtigen Wettbewerbsfaktor. Unser Ziel ist es, die Abhängigkeit von außereuropäischen Lieferketten zu reduzieren und maßgeschneiderte Komponenten kurzfristig in Europa bereitzustellen.

Im Projekt »TERA-AMP« entwickeln wir neue Fertigungswege für Hohlleiterverstärker mit integrierten MMICs. Im Fokus stehen die direkte Integration von MMICs in Hohlleitergehäuse, 3D-gedruckte Kopplungsstrukturen zwischen Chip und Hohlleiter sowie integrierte Filter- und Antennenstrukturen zur Funktionsverdichtung.

Dazu untersuchen und vergleichen wir drei additive Fertigungsansätze systematisch:

1.    Direkter 3D-Druck aus Polymer mit Metallbeschichtung

Wir drucken die HF-Struktur zunächst aus Polymer und beschichten sie anschließend metallisch (z. B. durch Sputtern oder Aufdampfen). Ziel sind glatte, leitfähige Oberflächen bei hoher Formgenauigkeit.

2.    Inverser 3D-Druck mit anschließender Galvanik

Wir drucken eine Negativstruktur im Polymer, bauen darin galvanisch die leitfähige Metallstruktur auf und entfernen anschließend das Polymer. So entsteht eine reine Metallstruktur. Ziel sind sehr gute Leitfähigkeit und HF-Eigenschaften bei komplexen Geometrien.

3.    Direktdruck von Metall (aktuell Silber)

Wir fertigen die HF-Strukturen direkt additiv aus Metall. Dadurch kann der Prozess kürzer werden, da keine nachträgliche Beschichtung nötig ist. Ziel ist es zu untersuchen, inwieweit sich der Direktmetalldruck für EHF- und THz-Bauteile eignet.

Für alle drei Ansätze entwickeln wir Kopplungsstrukturen, erproben sie an Hohlleitern und Verstärkerchips und bewerten ihre HF-Performance.

Technische Ziele und Leistungsparameter

Im Frequenzbereich von 75 GHz bis 220 GHz sollen die neu entwickelten Komponenten konventionellen Lösungen mindestens ebenbürtig sein, mit deutlichem Potenzial zur Leistungssteigerung.

Zentrale technische Ziele sind:

• minimale Einfüge- und Übergangsverluste bei gleichzeitig maximaler Bandbreite
• optimierte S-Parameter, wie z. B. gute Anpassung S11 (insertion loss) und hoher Durchlass S21 über den Ziel-Frequenzbereich
• reproduzierbare Fertigung der Strukturen mit Toleranzen im Submikrometer-Bereich

Die mittels 3D-Lasermikrodruck gefertigten Kopplungs-, Filter- und Antennenstrukturen vergleichen wir systematisch mit konventionell hergestellten Referenzstrukturen, die in aufwendigen Mehrschrittprozessen entstehen und manuell montiert werden. Messungen mit Vektornetzwerkanalysatoren (VNAs) zeigen, in welchen Frequenzbändern die neuen Ansätze Vorteile bei Dämpfung, Reflexion und Bandbreite bieten.

Der Entwicklungsprozess im Projekt folgt einem klar strukturierten Ablauf:

1. Anforderungsanalyse und Spezifikation
   Wir definieren die Ziel-Frequenzbereiche und S-Parameter und legen die Schnittstellen zwischen MMIC und Hohlleiter fest.
2. Simulation und Design der HF-Übergänge
   Wir simulieren die Koppler-, Filter- und Antennenstrukturen elektromagnetisch und optimieren sie hinsichtlich Verluste, Bandbreite und Fertigbarkeit.
3. 3D-Mikrodruck und Integration
   Wir fertigen die Strukturen mittels 3D-Lasermikrodruck (bzw. Direktmetalldruck), integrieren sie direkt auf dem Chip oder im Hohlleitergehäuse und führen bei Bedarf nachgelagerte Schritte wie Metallisierung oder Galvanik durch.
4. Montage der Hohlleiterverstärker
   Wir kombinieren MMIC, 3D-gedruckte Strukturen und Hohlleiter und stellen die mechanische Stabilität sowie die HF-Kontaktsicherheit sicher.
5. Messung und Validierung
   Wir charakterisieren die Komponenten mit Vektornetzwerkanalysatoren, vergleichen die S-Parameter mit konventionellen Referenzbauteilen und leiten Optimierungsmaßnahmen für den nächsten Iterationszyklus ab.

Durch diesen iterativen Prozess entwickeln wir schrittweise robuste Design- und Fertigungsrichtlinien für 3D-gedruckte Hochfrequenzkomponenten.

Die Übertragung des 3D-Lasermikrodruck in den EHF- und THz-Bereich ist technologisch anspruchsvoll.

Zentrale Herausforderungen liegen in den Materialeigenschaften und der Leitfähigkeit – etwa in der ausreichenden elektrischen Leitfähigkeit metallisierter oder direkt gedruckter Strukturen bei hohen Frequenzen sowie in geeigneten, verlustarmen Dielektrika.

Auch Oberflächenrauheit und Skin-Effekt spielen eine entscheidende Rolle: Bei Frequenzen von über 200 GHz fließt der Strom nur in einer sehr dünnen Oberflächenschicht, sodass selbst kleinste Rauheiten die Dämpfung direkt beeinflussen. Hinzu kommen Anforderungen an Haftung, Delaminationssicherheit und Prozessstabilität, insbesondere im Hinblick auf reproduzierbare Fertigungsprozesse für Kleinserien.

Gleichzeitig erfordert die Entwicklung einen hohen Einsatz hochqualifizierter Ressourcen, während die Investitionen in zusätzliche Großanlagen vergleichsweise gering bleiben, da vorhandene Infrastruktur genutzt wird. Parallel behalten wir Marktzugang und internationale Wettbewerber im Blick: Die Technologie muss sich nicht nur technisch, sondern auch bei Herstellzeit und -kosten gegenüber etablierten Verfahren behaupten.

Der Markt für Hohlleiterverstärker und HF-Komponenten im EHF- und THz-Bereich wird derzeit vor allem von US-amerikanischen und einigen europäischen Anbietern geprägt.

Aktuelle Lösungen basieren überwiegend auf klassisch gefertigten Hohlleitern – etwa durch Fräsen, Erodieren oder Mikromechanik – sowie auf der manuellen Integration von MMICs mittels Bonden, Kleben oder Drahtverbindungen. Die Designfreiheit bleibt dabei begrenzt, da sich die Geometrien an die jeweiligen Fertigungsprozesse anpassen müssen.

Mit dem Einsatz des 3D-Lasermikrodrucks verfolgt das Projekt einen anderen Weg:

• Alleinstellungsmerkmal 3D-Fertigung: hochkomplexe Geometrien, direkt auf die elektromagnetische Funktion optimiert
• Individualisierung als Standard: kundenspezifische Koppler, Filter und Antennen ohne neue Werkzeuge oder aufwendige Vorrichtungen
• Integration als USP: mehrere Funktionen (Kopplung, Filterung, Abstrahlung) in einem Bauteil vereint

Durch die Kombination mehrerer Funktionen – etwa Kopplung, Filterung und Abstrahlung – in einem Bauteil entsteht ein klarer technologischer Vorteil gegenüber dem aktuellen Stand der Technik.

Das Projekt basiert auf einer engen Zusammenarbeit zwischen Industrie und angewandter Forschung:

• Düsenfabrik Leipold
  • bringt langjährige Erfahrung in der Fertigung von Hohlleitern und Verstärkern ein.
  • stellt MMIC-Verstärkerchips und Hohlleiter bereit bzw. fertigt diese.
  • sorgt für den Zugang zu relevanten Märkten und Unternehmen in Kommunikation, Radar, MedTech und Industrie 4.0.
• Wir als Fraunhofer ITWM
  • entwickeln und betreiben das 3D-Lasermikrodruck für die Hochfrequenzanwendung.
  • übernehmen Simulation, Design und 3D-Mikrodruck der Kopplungs-, Filter- und Antennenstrukturen.
  • charakterisieren Materialien und Komponenten und begleiten die Überführung in Kleinserien.

Wir können die Technologie künftig sowohl in Form von Lizenzmodellen als auch als Auftragsfertiger für Kleinserien anbieten – und die entwickelten Komponenten in eigenen Systemen der zerstörungsfreien Prüfung nutzen.

Die im Projekt entwickelten 3D-gedruckten Hochfrequenzkomponenten eröffnen neue Möglichkeiten in einer Vielzahl von Einsatzfeldern. Zum Beispiel:

• Hochgeschwindigkeitskommunikation und Satellitensysteme
  • Frontend-Module für 6G und darüber hinaus
  • kompakte Hohlleiterverstärker in Satellitenlinks und Backhaul-Strecken
• Radar, Sensorik und Industrie 4.0
  • hochauflösende Radarsensoren für Automatisierung und Robotik
  • präzise HF-Schnittstellen für Mess- und Prüfsysteme in der Produktion
• Medizintechnik und zerstörungsfreie Prüfung
  • Bildgebung und Diagnose im Terahertz-Bereich
  • Prüf- und Inspektionssysteme, in denen wir am Fraunhofer ITWM bereits heute hohe Frequenzen einsetzen

Das Projekt »TeraAmp« (Terahertz Amplifier) mit dem Teilprojekt »TeraFAB« (Terahertz Component Fabrication) ist im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) angesiedelt und läuft bis Ende August 2026; Ziel ist es, die Technologie in marktfähige Produkte, Lizenzmodelle und die Kleinserienfertigung zu überführen und so einen nachhaltigen Wettbewerbsvorteil für europäische Industriepartner zu schaffen.