Nano-Poren für Radarsensoren
Neue Bearbeitungstechnik verbessert elektrische Eigenschaften von Glaskeramik-Leiterplatten.
Ein Radar-Sensor erkennt den Abstand zu den anderen Autos und passt die Geschwindigkeit intelligent an: Solche Technologien sorgen heute bereits für mehr Sicherheit im Straßenverkehr. Während ihre Verbreitung weiter zunimmt, bleibt die Herstellung solcher Sensoren aus elektrotechnischer Sicht allerdings recht schwierig. Denn die Sensoren sollen mit sehr hohen Frequenzen arbeiten und trotzdem präzise und effizient funktionieren. Ein Team der TU Wien hat nun eine Bearbeitungstechnik entwickelt, mit der man glaskeramische Leiterplatten ganz gezielt nanostrukturieren kann. Damit lassen sich Materialeigenschaften anpassen und das elektromagnetische Verhalten von Sensoren deutlich verbessern.
Abb.: Durch das Ätzverfahren erzeugte poröse Oberfläche mit dadurch stärkerer Abstrahlung. (Bild: TU Wien)
Sensor-Antennen sind heute sehr klein und direkt auf die Leiterplatten aufgebracht. Die Leiterplatten selbst können beispielsweise aus spezieller Glaskeramik bestehen, die aus verschiedenen Schichten aufgebaut ist, zwischen denen die Leiterbahnen untergebracht sind. Auf der obersten Schicht befindet sich die Patch-Antenne. „Die Abstrahlcharakteristik einer Antenne wird stark vom darunterliegenden Material beeinflusst“, erklärt Ulrich Schmid von der TU Wien. Abhängig von den elektromagnetischen Eigenschaften der Leiterplatte kann das Material die Abstrahlung stören, es kann die ausgesendeten Wellen absorbieren und sich dabei im Extremfall so sehr aufheizen, dass Halbleiterchips in Mitleidenschaft gezogen werden. Besonders problematisch ist das im Hochfrequenzbereich: Radar-Sensoren von Autos arbeiten bei etwa 77 GHz, da dieser Frequenzbereich gesetzlich für Radarsensoren im Straßenverkehr reserviert wurde.
Um störende Materialeffekte zu verhindern, hat man bereits versucht, die Glaskeramik der Leiterplatten mit organischen Materialien zu verbinden, doch das verursacht neue Probleme. „Übergänge zwischen unterschiedlichen Materialien sollte man eher vermeiden“, sagt Schmid. Ganz besonders dann, wenn man es mit unterschiedlichen Materialgruppen zu tun hat, die sich bei Erwärmung unterschiedlich stark ausdehnen, sinkt die Lebensdauer des Radarsensors.
Abb.: Simulation der Abstrahlcharakteristik der Patchantenne. (Bild: TU Wien)
Schmid und seine Kollegen haben daher nach einer Methode gesucht, die elektromagnetischen Eigenschaften der Leiterplatten ganz gezielt zu verändern, ohne dafür ein zusätzliches Material verwenden zu müssen. Die Glaskeramik besteht aus winzigen Körnchen, die durch Hitze aneinander gebacken werden. Dabei entsteht Feldspat, der sich mit Säure wegätzen lässt – das restliche Substratmaterial bleibt übrig. Das Forscherteam stellte fest, dass man das Glaskeramik-Material auf diese Weise mit einer komplizierten Porenstruktur im Nano-Maßstab versehen kann, wodurch sich lokal die Eigenschaften des Materials verändern.
Vor der Säurebehandlung betrug die Permittivität des Materials 7 bis 8. Durch die Nanoporen sinkt die Permittivität um bis zu 30 Prozent. Die neue Ätz-Technik lässt sich punktgenau einsetzen, sodass die Glaskeramik an unterschiedlichen Stellen unterschiedliche Eigenschaften erhält. Das kann beispielsweise bei Arrays aus mehreren Antennen sehr nützlich sein, die zusammengeschaltet werden, um eine elektromagnetische Welle in eine ganz bestimmte Richtung zu senden. Außerdem wird man die Technik in Zukunft als Diagnosemethode einsetzen, um mehr über das Verhalten des Glaskeramikmaterials zu erfahren und sie weiterhin grundlegend verbessern zu können.
TU Wien / RK
