Aerosol Jet and Ultra Precise Dispensing Printed Millimeter Wave Interconnects

In den letzten Jahren konnte der Millimeterwellen- (mmW) und THz-Frequenz- bereich erschlossen werden, was durch erhebliche Fortschritte in der Halbleiter- technologie möglich wurde.
Allerdings kann die verfügbare Bandbreite bei diesen Frequenzen mangels geeigneter Aufbautechnik oft nicht ausgeschöpft werden.
Gedruckte Verbindungen sind eine vielversprechende Lösung für diesen Engpass, da sie eine konstante Leitungsimpedanz über die gesamte Verbindung aufrechterhalten und somit Reflexionsverluste vermeiden.
Außerdem vereinfachen sie Prototypenfertigung und Heterointegration und bieten zusätzlich eine gute Skalierbarkeit.
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In dieser Arbeit wird ein Herstellungsprozess für gedruckte mmW-Verbindungen im D-Band (110 - 170 GHz) und darüber entwickelt.
Als erstes werden zwei Topografien analysiert - rampenbasiert und planar.
Für beide werden die benötigten Prozesse entwickelt und optimiert, um die Rampe zu fertigen bzw. um verbleibende Lücken zwischen MMICs zu füllen.
Anschließend wird die erforderliche kleinste Strukturgröße in Abhängigkeit der Betriebsfrequenz geschätzt.
Aus diesen beiden Betrachtungen ergeben sich schließlich die Anforderungen an die Drucktechnologie, sodass zwei Druckverfahren ausgewählt werden können.
Das sind Aerosol Jet (AJ) Druck und Ultra Precise Dispensing (UPD) Druck.
Beide Technologien bieten eine hohe Genauigkeit, kleine Strukturgrößen, oberflächenfolgenden Druck sowie eine niedrige Tinte-Substrat-Interaktion.
Beide Druckverfahren werden charakterisiert und in ihrem Funktionsumfang für Anwendungen in der Hochfrequenztechnik erweitert.

AJ-Druck ermöglicht einfaches oberflächenfolgendes Drucken, erfordert aber Optimierung, um die erforderlichen Strukturgrößen bis 10 µm zu erreichen.
Bei derart kleinen Strukturen kann eine hohe Druckgeschwindigkeit zu Verformungen führen, während eine niedrige Geschwindigkeit eine hohe Schichtdicke zur Folge hat, die zur Rissbildung neigt.
Daher wird die maximal zulässige Geschwindigkeit in Abhängigkeit von der kleinsten Strukturgröße bestimmt.
Zusätzlich wird der Mechanismus, der zur Rissbildung führt, vorgestellt und basierend darauf zwei Sinterverfahren vorgeschlagen, die Risse vermeiden.
Des Weiteren wird die Homogenität des Druckbilds signifikant verbessert, indem eine neue Shutter on the Fly (SOTF) Routine programmiert wird.
Diese Entwicklungen erweitern den Funktionsumfang des AJ-Druckers und ermöglichen die erforderliche Präzision für mmW-Anwendungen.

Der UPD-Drucker erreicht intrinsisch die erforderliche Präzision, litt aber bisher unter einem arbeitsintensiven Prozess für den oberflächenfolgenden Druck.
Um dieses Problem zu lösen, wurde ein Programm entwickelt, das 2D-Druckpfade auf eine gemessene Oberfläche projiziert und daraus 3D-Verfahrbefehle generiert.
Diese Entwicklung ermöglicht halb automatisches oberflächenfolgendes Drucken, was den manuellen Arbeitsaufwand erheblich reduziert.
Außerdem lassen sich damit komplexere Oberflächentopografien als bisher bedrucken.
Beim oberflächenfolgenden UPD-Druck ist die korrekte Ausrichtung des Substrats von großer Bedeutung, was mathematisch begründet wird. Auch werden Methoden zur Verbesserung der Homogenität gedruckter Linien vorgestellt.
Darüber hinaus wird das Phänomen der wandernden Druckdüse bei langen Druckaufträgen systematisch analysiert.

Mit den derart optimierten Druckprozessen werden mehrere Demonstratoren einzelner Komponenten hergestellt.
Dazu gehören eine AJ gedruckte Mikro- streifenleitung sowie AJ und UPD gedruckte rampenbasierte Verbindungen für PCB-zu-PCB und PCB-zu-MMIC Verbindungen.
Darüber hinaus werden planare AJ und UPD gedruckte Verbindungen mit dem gleichen Aufbau hergestellt, die untereinander vergleichbar sind.

Als finaler Systemdemonstrator wird eine aktive Leckwellenantenne bei 220 bis 325 GHz für die 6G-Kommunikation aufgebaut.
Dafür verbindet eine UPD gedruckte Verbindung einen GaAs-Verstärker und eine InP-Leckwellenantenne.
Der maximal gemessene Antennengewinn ist 26 dBi, was einer Verbesserung um bis zu 15 dB gegenüber der der Leckwellenantenne alleine entspricht.

Diese Arbeit zeigt, dass gedruckte Verbindungen mmW-Systeme mit einer enormen Bandbreite und ausgezeichneter Performanz ermöglichen.
Des Weiteren erleichtern sie die Prototypenfertigung und Heterointegration mehrerer Halbleitertechnologien, was auf lange Sicht zu kürzeren Entwicklungszyklen und reduzierten Kosten führen kann.

Recent years have seen significant advancements in semiconductor technologies operating up to the millimeter wave (mmW) and THz frequency ranges.
However, the available bandwidth at these frequencies often remains underutilized due to a lack of suitable packaging technologies.
Printed interconnects are a promising solution to this bottleneck, as they can maintain a constant line impedance over the entire interconnect length and hence avoid reflection losses.
Additionally, they are well-suited for prototyping, heterointegration, and offer good scalability.

This work presents the development of a manufacturing process for printed mmW interconnects in D-Band (110 -170 GHz) and above. ... mehr
First, two topographies\textemdash ramp-based and planar\textemdash are introduced.
Both require distinct manufacturing processes to create the ramp or fill remaining gaps, which are carefully developed and optimized.
Subsequently, the required minimum feature size is estimated as a function of the target frequency.
With the topographies and minimum feature size determined, two printing processes are selected: Aerosol Jet (AJ) and Ultra Precise Dispensing (UPD) printing.
Both offer high printing accuracy, conformal printing capability, and low ink-substrate interaction. Next, both printing processes are analyzed, optimized, and extended.

AJ printing offers simple conformal printing but requires special attention to achieve the required high precision feature sizes down to 10 - 20 µm. For those structures, we find that a high printing speed can lead to deformations whereas a low printing speed yields a thick layer prone to crack formation. Therefore, we determine the maximum permissible speed depending on the feature size. We choose two sintering methods preventing cracks in thick layers by analyzing the mechanism behind crack formation. Additionally, we greatly improve homogeneity by developing a new Shutter on the Fly (SOTF) printing routine. These developments expand the limits of the AJ printer providing the required precision and feature size for mmW applications.


The UPD printer intrinsically reaches the required precision but previously suffered from a labor-intensive workflow for conformal printing.
To address this issue, a program capable of projecting 2D print paths onto a measured surface is developed.
This advancement enables semi-automatic conformal printing, significantly reducing manual labor.
It also allows for printing onto more complex surface topographies than before.
The importance of alignment for conformal printing is mathematically demonstrated, and methods to enhance line uniformity are introduced.
Additionally, the phenomenon of nozzle drift in long-duration print jobs is systematically analyzed.

Leveraging the optimized printing processes we fabricate multiple isolated component demonstrators.
These include an AJ printed transmission line, as well as AJ and UPD printed ramp-based interconnects for PCB-to-PCB and PCB-to-MMIC connections.
Furthermore, AJ and UPD printed planar interconnects are manufactured using identical assemblies for direct comparability.

Finally, a UPD printed interconnect enables an active beam-steering antenna for 6G communication applications, operating in the 220 - 325 GHz range.
The system integrates a power amplifier based on gallium arsenide (GaAs) technology and an indium phosphide (InP) leaky wave antenna (LWA).
It achieves a measured peak gain of 26 dBi, demonstrating a gain enhancement of up to 15 dB compared to the standalone LWA.

This work demonstrates that printed interconnects enable mmW systems with a very large bandwidth and excellent performance.
Additionally, printed interconnects facilitate rapid prototyping and heterointegration of multiple semiconductor technologies.