Schirmverfahren

EMV für 5G – Die Schirmung aus dem Inkjet-Drucker

| Autor/ Redakteur: Franz Vollmann / Kristin Rinortner

Der Mobilfunkstandard der 5. Generation ist derzeit in aller Munde. Die vielen Vorteile von 5G lassen sich jedoch erst mit dafür verbesserten Geräten richtig ausnutzen. Wesentlich ist dabei eine ausreichende Schirmung. Wir stellen ein neues Verfahren auf Basis des Inkjet-Drucks vor, das Sputtern und Sprayen ersetzen könnte.

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EMV für 5G: Die Schirmung stellt die größte Herausforderung für Komponenten des aktuellen Mobilfunkstandards dar. Das Bild zeigt eine mit dem Inkjet-Verfahren hergestellte Silberschicht bei der Aushärtung.
EMV für 5G: Die Schirmung stellt die größte Herausforderung für Komponenten des aktuellen Mobilfunkstandards dar. Das Bild zeigt eine mit dem Inkjet-Verfahren hergestellte Silberschicht bei der Aushärtung.
(Bild: Heraeus)

Die Netze des Mobilfunkstandards 5G werden die Geschwindigkeit der drahtlosen Kommunikation deutlich erhöhen und eine Welt der beispiellosen Konnektivität eröffnen. Dabei ist der ul­traschnelle Download von Dateien für den Privatbereich nicht das einzige Anwendungsgebiet von 5G.

Für die Wirtschaft viel wichtiger ist: 5G ist ein Baustein bei der Umsetzung des autonomen Fahrens, der Tele-Medizin sowie der Echtzeitsteuerung und Kommunikation von Maschinen untereinander. Der neue Mobilfunkstandard bietet um den Faktor 50 kürzere Latenzzeiten. Das bedeutet, dass die Zeit, die ein Signal von Gerät zu Gerät benötigt, massiv verkürzt wird. Zudem bietet 5G eine um den Faktor 10.000 kleinere Fehlerrate bei der Signalübertragung.

Was muss sich nun aber in Geräten mit 5G-Technologie selbst ändern, damit diese optimal funktionieren? Zum einen ist für die schnellere Kommunikation mit der Sender- und Empfänger-Hardware eine höhere Anzahl von Antennen in den Geräten im Vergleich zur 4G-Technologie notwendig. Nur wenn Geräte in jeder Ausrichtung, Lage und Haltung immer einen ausreichend guten Kontakt zum Sendemast haben, erfolgt die Kommunikation in höchster Geschwindigkeit. Zum anderen arbeiten viele Komponenten innerhalb der Geräte mit deutlich höheren Arbeits- und Sendefrequenzen als früher: von 2,5 GHz für 4G LTE Pro und 3,5 GHz für 5G bei Mobiltelefonen bis weit in den zweistelligen Gigahertz-Bereich für viele Industrie-4.0-Anwendungen.

Mehr Leistung bedeutet mehr elektromagnetische Interferenz

Durch diese Frequenzerhöhung kann es innerhalb der Geräte zu Interferenzen zwischen einzelnen Komponenten wie Chips, Antennen und anderen aktiven Bauteilen kommen. Außerdem gilt weiterhin der Grundsatz, dass elektromagnetisch aktive Geräte die Sicherheit anderer Systeme in ihrer Umgebung nicht beeinflussen dürfen. Gerade die interne Abschirmung von Komponenten gegeneinander stößt so an ihre technischen Grenzen.

Bisher wurden für die elektromagnetische Abschirmung vor allem metallische Schirmbleche verwendet, die über ganze Platinen oder deren Teile gestülpt und mit ihnen verlötet wurden. Dieses Konzept stößt bei modernen Geräten an seine Grenzen – sowohl bei der Abschirmungsleistung als auch bezüglich des Platzbedarfs. Wenn alle Komponenten einzeln umhaust werden sollen, müssten Geräte allein wegen der Abschirmung größer werden. Der Platzbedarf im Gehäuseinneren ist aber hart umkämpft. Der gesteigerte Datenverkehr benötigt mehr Energie, sodass auch Akkus der nächsten Mobilfunkgerät-Generation potenziell größer werden müssen. Der vorhandene Platz muss also zwingend für kundenkritische Funktionen genutzt werden.

Sputtern und Sprayen sind teure Alternativen

Es gibt aktuell drei Alternativen zu Metallgehäusen: das Sputtern, das Sprayen und das Inkjet-Verfahren – zwei davon weisen jedoch gravierende Nachteile auf. In Tabelle 1 werden die Verfahren verglichen.

Das bekannteste Verfahren ist die Beschichtung von Epoxy-umspritzten Bauteilen mittels PVD-Verfahren (Physical Vapor Deposition), unter Fachleuten auch kurz „Sputtern“ genannt. Die Beschichtung findet in Prozesskammern unter Hochvakuum (10–8 mbar) statt und war bereits in den Jahrzehnten der CD- und DVD-Produktion das beherrschende Verfahren zum Abscheiden dünner Schichten. Für die elektromagnetische Abschirmung im 5G-Bereich wird derzeit ein Material-Sandwich aus Edelstahl mit einer Dicke von 150 nm, einer Kupferschicht von 5 bis 8 µm und einer weiteren Edelstahllage von 350 nm getestet. Neue Sputter-Anlagen sind aber nur für Preise im siebenstelligen Euro-Bereich zu haben.

Tabelle 1: Aktuelle Verfahren zur Schirmung von 5G-Komponenten im Vergleich.
Tabelle 1: Aktuelle Verfahren zur Schirmung von 5G-Komponenten im Vergleich.
(Bild: Heraeus)

Eine Alternative ist das Auftragen einer dünnen Silberschicht mittels einer Spray-Anlage. Das Spray-Verfahren wird hauptsächlich von Unternehmen forciert, die damit Tinten mit Silber-Nanopartikeln auftragen. Diese müssen relativ hoch in der Tinte angereichert sein (bis zu 60 Gew.-%) und werden flächig auf die Bauteile in einem Werkstückträger aufgebracht. Der hohe Silberanteil in einem Liter Tinte sowie die aufwändige Herstellung der Nanopartikel bringen allerdings Kostennachteile für dieses Verfahren mit sich. Dazu kommt eine technische Schwäche: Die Nanopartikel neigen im Laufe der (Produktions-)Zeit dazu, sich bereits in der Tinte zu agglomerieren und darüber hinaus die Düsenausgänge zu verstopfen und so die Kosten für Düsenköpfe zu erhöhen (sogenanntes „Nozzle Clogging“). Als Schichtdicke werden 3 bis 6 µm Silber im getrockneten Zustand aufgetragen.

Neuer Trend: Schirmung aus dem Inkjet-Drucker

Aufgrund des hohen Investitionsaufwands für das Sputtern hat das Heraeus Startup Printed Electronics als erstes Unternehmen ein vollumfängliches System als neue Alternative für elektromagnetische Abschirmungen entwickelt. Dabei wird eine dünne Silberschicht mittels eines industriellen Inkjet-Verfahrens aufgetragen und anschließend ausgehärtet. Der technische Unterschied zwischen den aktuell in den Markt eindringenden Verfahren liegt in der chemischen und physikalischen Struktur der Tinte, den Auftragsdruckköpfen und den damit herstellbaren Schichtstrukturen.

Das elementare Silber wird in Form einer metallorganischen Verbindung in einer Flüssigkeit gelöst und vermeidet sowohl die Nachteile der hohen Beladung und der teuren Nanopartikel, als auch die Verstopfung der Düsen im Inkjet-Druckkopf.

Bild 1: Struktur einer mit dem Inkjet-Verfahren hergestellen Silberschicht.
Bild 1: Struktur einer mit dem Inkjet-Verfahren hergestellen Silberschicht.
(Bild: Heraeus)

Das von Heraeus entwickelte Verfahren verdruckt die Silbertinte, die völlig ohne Nanopartikel auskommt, über eine ebenfalls durch das Unternehmen vertriebene Maschinenplattform, so dass Verbrauchsstoff, Anlage und Prozess aus einer Hand kommen. Das Verfahren bietet zudem aufgrund einer Schichtdicke von 1 bis maximal 2 µm und einer Investitionssumme von deutlich unterhalb 1 Mio. Euro für das Basismodul deutliche Vorteile. Darüber hinaus spart der Anlagenbetreiber sich die Kosten für die Errichtung und den Betrieb eines Reinraums, was sich ebenfalls positiv auf die Wirtschaftlichkeit der Lösung auswirkt.

Bild 2: Schirmdämpfung [dB] bei beschichteten und unbeschichteten Bauteilen.
Bild 2: Schirmdämpfung [dB] bei beschichteten und unbeschichteten Bauteilen.
(Bild: Heraeus)

Ein weiterer Vorteil liegt in der Möglichkeit, ohne zusätzliche Druckschritte an einzelnen Stellen der Bauteil-Oberfläche mehr oder weniger Tinte aufzutragen. Dieser Vorteil liegt in der digitalen Natur des Inkjet-Drucks begründet: Über die Möglichkeit der hochfrequenten Ansteuerung jeder einzelnen Druckdüse (bis zu 50.000 Tropfen pro Sekunde), kann bereits bei der Erstellung des Druckbildes eine unterschiedliche Auftragsmenge definiert werden, ohne dass ein weiterer Druckdurchlauf erfolgen muss. Kunden können dies einsetzen, um beispielsweise dickere Abschirmungsschichten an kritischen Stellen der Bauteiloberfläche aufzutragen. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist das Aussparen einzelner Flächen, unter denen beispielsweise die Antenne platziert ist. So kann diese trotz Abschirmung der Chips ihr Signal an die Umgebung abgeben.

Was die Zukunft für 5G-Anwendungen bringt

Zukünftig werden Kunden diese Technologie nicht nur im Bereich der Unterhaltungselektronik nutzen können – sondern auch für weitere 5G-Anwendungen. Dazu gehören beispielsweise Sensorsysteme, über die Gebäude und Infrastruktursysteme gesteuert werden. Diese müssen kleinste Messwerte aus einer elektromagnetisch überladenen Umgebung herausdetektieren und zuverlässig weitermelden. Auch hier stört eine Überlagerung durch andere Komponenten.

Ähnlich gelagert, aber sicherheitstechnisch noch viel relevanter, sind Sensor-Anwendungen im Bereich des autonomen Fahrens. Speziell Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb erzeugen in ihrer Leistungselektronik stark schwankende elektrische Felder, die elektromagnetische Störfelder von hoher Intensität erzeugen. Auch hier müssen Sensoren, die ein Abbild der Umgebung produzieren sollen, zuverlässig gegen Beeinflussung von außen geschützt werden.

Fazit: Mit den neuen technologischen Möglichkeiten durch 5G steigt auch die Bedeutung neuer Verfahren für die elektromagnetische Abschirmung. Hier punktet der Inkjet-Druck durch seine Flexibilität, Nachhaltigkeit und bessere Schirmdämpfung.

Der Artikel ist ursprünglich auf unserem Partnerportal Elektronikpraxis erschienen.

* Franz Vollmann ist Leiter des Heraeus-Startups Printed Electronics in Hanau.

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