Tintenstrahldruck steuerbarer Mikrowellenkomponenten

In dieser Arbeit wird erstmals die Eignung des Tintenstrahldrucks als flexibles Verfahren für die Herstellung passiv steuerbarer Mikrowellenkomponenten untersucht. Hierfür wird das Material Barium-Strontium-Titanat (BST) verwendet, dessen feldstärkenabhängige relative Permittivität die Realisierung elektronisch abstimmbarer Komponenten erlaubt.

Für die Komponentenentwicklung werden zwei Konzepte untersucht. Als erstes Konzept wird die Realisierung partiell gedruckter Bauelemente verfolgt, bei der lediglich die dielektrische Schicht gedruckt wird. Anschließend wird auf diese Schicht eine koplanare, lithografisch strukturierte Metallisierung appliziert. Dieses Verfahren erlaubt eine optimale Wahl der Materialzusammensetzung und der thermischen Nachbehandlung der keramischen Schicht. Die lithografische Strukturierung der Elektroden ermöglicht zudem die Herstellung von Strukturen mit hoher Metallisierungsgüte und geringer Elektrodenbreite. Als zweites Konzept wird die Herstellung vollständig gedruckter Bauelemente verfolgt. Hierbei werden sowohl die metallischen Elektroden als auch das keramische Dielektrikum im Tintenstrahldruck aufgetragen. Diese Methode erlaubt die Fertigung steuerbarer Mikrowellenkomponenten in nur wenigen Druckschritten, bedarf jedoch einer geeigneten Zusammensetzung des Dielektrikums für einen Kosinterprozess mit den Elektroden.

Im Rahmen der Komponentenentwicklung wird eine Prozesskette zur Aufbereitung und Verarbeitung keramischer Dispersionen im Tintenstrahldruck aufgebaut. In diesem Zusammenhang erfolgt die Entwicklung einer Tintenzusammensetzung, die sich durch einen sehr schnellen Viskositätsanstieg nach der Deposition auszeichnet. Sie ist geeignet, Inhomogenitäten bei der Trocknung (u. a. den coffee stain effect) zu verhindern und ermöglicht so die Herstellung gleichmäßiger Dickschichten. Zusätzlich erfolgen Untersuchungen zum Einfluss der thermischen Nachbehandlung auf die Mikrowelleneigenschaften gedruckter BST-Dickschichten. Für die Herstellung vollständig gedruckter Komponenten werden eine Materialzusammensetzung und eine Prozessführung entwickelt, die eine Kosinterung der ferroelektrischen Schicht mit metallischen Elektroden bei 850°C erlauben.

Um die Eignung des Prozesses als zukunftsweisende Technologie sowohl für partiell als auch für vollständig gedruckte Mikrowellenkomponenten zu demonstrieren, wurden für beide Konzepte steuerbare Mikrowellenphasenschieber hergestellt. Der partiell gedruckte Phasenschieber erreicht bei 12 GHz eine maximale Phasenverschiebung von 382°. Die Phasenschiebergüte beträgt dabei 37,7°/dB. In Anbetracht des frühen Entwicklungsstadiums des Tintenstrahldrucks steuerbarer Dielektrika sind diese Werte durchaus beachtlich. Der vollständig gedruckte Phasenschieber erreicht bei 3,4 GHz eine Phasenverschiebung von 180° bei einer Phasenschiebergüte von 19,1°/dB. Aus der Literatur sind bisher nur sehr wenige Arbeiten zu vollständig gedruckten Phasenschiebern bekannt, die ausnahmslos im Siebdruckverfahren hergestellt wurden. Der in dieser Arbeit vorgestellte Ansatz kann als äußerst vielversprechend betrachtet werden, da er die Eignung des Tintenstrahldrucks zur Herstellung mehrlagiger, vollständig gedruckter Mikrowellenkomponenten demonstriert. Darüber hinaus erreicht die vorgestellte Komponente eine deutlich höhere Phasenverschiebung als bekannte siebgedruckte Phasenschieber.