Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD)

FMD@FHR: Ihr Zugang zu modernsten Technologieparks

Das Fraunhofer FHR hat als Teil der »Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland« (FMD) in 2018 rund 6 Millionen Euro in modernste Technik investiert. Die Mittel flossen in den Ausbau von Kompetenzen und Tätigkeiten zum Innovationsthema Mikroelektronik.

Innenansicht der Messkammer in der Konfiguration zur Vermessung einer Antenne.
© Fraunhofer FHR/Bellhäuser

Innenansicht der Messkammer in der Konfiguration zur Vermessung einer Antenne.

3D-gedruckte Antennen (links) bieten gleiche Performance bei geringerem Gewicht und geringeren Fertigungskosten als konventionelle Teflon-Antennen (Mitte & rechts).
© Fraunhofer FHR

3D-gedruckte Antennen (links) bieten gleiche Performance bei geringerem Gewicht und geringeren Fertigungskosten als konventionelle Teflon-Antennen (Mitte & rechts).

Laserfräse LPKF ProtoLaser U4 bei der Bearbeitung einer Platine.
© Fraunhofer FHR/Bellhäuser

Laserfräse LPKF ProtoLaser U4 bei der Bearbeitung einer Platine.

Im Rahmen der FMD fördert das Bundesforschungsministerium (BMBF) 13 Forschungseinrichtungen mit insgesamt rund 350 Millionen Euro. Über 2.000 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bilden in der FMD den größten standortübergreifenden Forschungs und Entwicklungs -Zusammenschluss für die Mikro- und Nanoelektronik in Europa.

In dieser neuartigen Kooperation werden die Vorteile zweier starker dezentraler Forschungsorganisationen – der Fraunhofer-Gesellschaft und der Leibniz-Gemeinschaft – mit den Synergien einer zentralen Organisation verknüpft und bilden so den weltweit leistungsfähigsten Anbieter für angewandte Forschung, Entwicklung und Innovation im Bereich der Mikro- und Nanoelektronik. Durch die enge Verzahnung und das kohärente Auftreten kann die FMD somit nicht nur Kunden aus der Großindustrie, sondern gerade den kleinen und mittleren Unternehmen und Start-Ups einen umfassenderen und einfacheren Zugang zur nächsten Technologie-Generation bieten.

Zur Organisation dieser Kompetenzen und Ressourcen entstand 2018 ein institutsübergreifender One-Stop-Shop für alle Anfragen und Themen rund um die FMD in Berlin. Aber auch am Fraunhofer FHR in Wachtberg hat sich 2018 dank der FMD einiges getan.

 

Rapid Prototyping & Additive Fertigung

In Projekten zeitnah erste anschauliche Demonstratoren realisieren, innovative Bauteilkonzepte direkt produzieren und überprüfen, vereinfachte Ersatzteilversorgung oder der Austausch von defekten Gehäusekomponenten: Das sind nur eine Handvoll Beispiele, bei denen Additive Fertigung heute zum Einsatz kommt.

2018 hat das Fraunhofer FHR daher seine Kapazitäten für die Additive Fertigung um 3D Drucker erweitert. Die Anwendungsmöglichkeiten sind für die Millimeterwellentechnologie vielfältig, denn additiv gefertigte Komponenten erlauben eine schnelle, wirtschaftliche Anpassung der entwickelten Radarsysteme. Insbesondere bei neuen Materialien fehlen häufig Informationen über die Materialeigenschaften im Millimeterwellenbereich, daher werden neue Materialien zuerst auf den hauseigenen Messplätzen über einen weiten Frequenzbereich charakterisiert. Danach lassen sich bspw. Hochfrequenzantennen komplett im 3D Drucker herstellen. Dieses Verfahren spart nicht nur Zeit und Kosten, die Systeme werden durch die Kunststoffteile auch leichter – ein wichtiger Faktor unter anderem bei luftgetragenen Systemen. Durch die Mischung verschiedener Materialien oder die Strukturierung im Subwellenlängenbereich können homogene und inhomogene Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes realisiert werden, welche neue Antennenformen mit mehr Freiheitsgraden ermöglichen.

Um diese Ansätze bestmöglich verfolgen zu können, steht für 2019 neben der weiteren Charakterisierung verschiedener Druckmaterialien auch die Anschaffung von drei Spezialdruckern an. Neben einem außergewöhnlich großen Bauraum von bis zu einem Kubikmeter plant das Fraunhofer FHR selektives Lasersintern (SLS), 3D-Druck mit Kunststoff- und Metallpulvern sowie die Erprobung eines 5-achsigen Metalldruckers.

 

Aufbautechnik & Heterointegration

Im Bereich der Heterointegration werden innerhalb des FMD-Vebundes Komponenten im Millimeterwellen- und Terahertz-Bereich hergestellt. Die institutsinterne Herstellung der für die Radarsysteme benötigten Platinen ermöglicht es, auf spezielle Belange sofort reagieren zu können und langfristig Kosten und Zeit zu sparen. Daher wurden im Rahmen der FMD verschiedene Geräte der Aufbautechnik angeschafft, unter anderem die in Abbildung 3 dargestellte Laserfräse. Der Laser arbeitet bei einer Wellenlänge von 355 nm und ermöglicht die Herstellung von Strukturen bis zu einer Auflösung von 20 µm. Für 2019 sind hier noch weitere Anschaffungen geplant.

 

Messlabor für höchstfrequente Radardemonstratoren

Um die Leistungsfähigkeit von Antennen, Teilsystemen und vollständigen Prototypen beurteilen zu können, ist eine echofreie Messkammer mit einem geeigneten Messsystem, bestehend aus Netzwerkanalysatoren und passenden Hochfrequenzmodulen, erforderlich. Im Rahmen der FMD wurde in ein Messlabor im Millimeterwellenbereich investiert. Abbildung 1 zeigt die Innenansicht der Messkammer mit einer Messvorrichtung zur Antennencharakterisierung. Der Sender befindet sich hinter den Durchführungen zur Messkammer. Der Empfänger wird in einem Abstand von bis zu 6 m positioniert und lässt sich in einem Winkelbereich von 360° mit einer Schrittweite von unter 0.5° rotieren. Für eine quasimonostatische Messung ließe sich anstelle des Empfängers auch ein Objekt montieren, dessen Radarrückstreuquerschnitt (RCS) bestimmt werden soll. Des Weiteren können unter Verwendung von Referenzobjekten Radarsysteme getestet und charakterisiert werden.

Im Messlabor können Messungen für Frequenzen oberhalb von 20 GHz unter kontrollierten Umgebungsbedingungen durchgeführt werden. Störeinflüsse auf die Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen werden minimiert und so eine Prüfung und Evaluation der Komponenten ermöglicht.