KIT combina stampa 3D e metallizzazione per componenti terahertz integrati su chip
Il Karlsruhe Institute of Technology, meglio noto come KIT, ha sviluppato un metodo che unisce microstampa 3D ad alta risoluzione e rivestimento metallico selettivo per realizzare componenti destinati ai circuiti a onde millimetriche e terahertz. Il lavoro è stato pubblicato su Light: Advanced Manufacturing con il titolo Freeform terahertz structures fabricated by multi-photon lithography and metal coating e coinvolge ricercatori degli istituti IPQ, IMT, IHE e LTI del KIT, insieme a Teragear GmbH. Tra gli autori figurano Pascal Maier, Alexander Kotz, Joachim Hebeler, Qiaoshuang Zhang, Christian Benz, Alexander Quint, Marius Kretschmann, Tobias Harter, Sebastian Randel, Uli Lemmer, Wolfgang Freude, Thomas Zwick e Christian Koos.
Il punto non è stampare un chip intero, ma creare direttamente sopra o tra i chip piccole strutture tridimensionali in grado di trasportare segnali ad altissima frequenza. In questo ambito, anche differenze di pochi micrometri possono influire sulle prestazioni. Per questo i ricercatori hanno lavorato su una tecnologia capace di combinare libertà geometrica, precisione di allineamento e buone proprietà elettriche.
Perché le frequenze terahertz sono difficili da gestire
Le onde terahertz si collocano tra le microonde e l’infrarosso. Sono interessanti per comunicazioni wireless ad alta velocità, sensori, misure industriali, imaging e sistemi di elaborazione del segnale a banda molto larga. Il problema è che, a queste frequenze, il componente non può essere trattato come un semplice collegamento elettrico. La forma, la rugosità superficiale, la conducibilità del metallo e il modo in cui una struttura viene collegata al chip diventano parte del funzionamento del dispositivo.
Nei sistemi tradizionali, molti componenti terahertz richiedono lavorazioni meccaniche complesse, assemblaggi manuali o geometrie difficili da integrare direttamente su circuiti planari. Questo limita la miniaturizzazione e rende più difficile costruire sistemi compatti basati su chip fotonici, elettronici o ibridi. Il lavoro del KIT affronta proprio questo passaggio: costruire elementi tridimensionali metallizzati direttamente nel punto in cui servono, senza doverli produrre a parte e montarli in un secondo momento.
La soluzione: supporti polimerici stampati in 3D e metallo depositato in modo selettivo
Il metodo sviluppato dal gruppo di ricerca si basa su strutture chiamate MCFS, abbreviazione di metal-coated freeform structures, cioè strutture tridimensionali libere rivestite in metallo. Il processo parte dalla stampa 3D di supporti polimerici con litografia multifotone, una tecnica di scrittura laser diretta che permette di creare microgeometrie con precisione sotto il micrometro. Dopo la stampa, solo alcune aree vengono rivestite con metallo attraverso una deposizione altamente direzionale.
La parte più interessante è l’uso di strutture di ombreggiamento stampate in 3D. Queste micro-maschere controllano dove arriva il metallo durante la deposizione, permettendo di metallizzare zone precise del supporto polimerico e lasciarne altre isolate. In questo modo si ottiene una geometria 3D con parti conduttive e parti dielettriche, costruita direttamente sul circuito.
Il risultato è diverso da una semplice plastica ricoperta di metallo. Qui la geometria viene progettata per guidare il segnale, adattare l’impedenza, collegare piste su substrati separati o sollevare un’antenna rispetto alla superficie del chip. Il tutto in dimensioni nell’ordine di centinaia di micrometri.
Cosa hanno dimostrato i ricercatori
Il gruppo del KIT ha realizzato tre esempi principali: interconnessioni chip-to-chip, punte di misura terahertz e antenne sospese su chip. Nel primo caso, la struttura 3D funziona come un ponte tra linee di trasmissione posizionate su substrati separati. Nel secondo caso, la stessa tecnologia viene usata per creare sonde di test per circuiti ad alta frequenza. Nel terzo caso, l’antenna viene sollevata dal substrato, riducendo l’influenza del materiale sottostante e migliorando l’emissione verso lo spazio libero.
Le prestazioni riportate sono rilevanti per il settore. Le interconnessioni terahertz hanno superato una larghezza di banda a 3 dB di 0,33 THz. Le punte di misura hanno mostrato una larghezza di banda a 3 dB superiore a 0,19 THz, con una banda a 6 dB oltre il limite di 0,33 THz del sistema di misura utilizzato. Per le antenne sospese, il gruppo ha misurato un guadagno massimo realizzato di 5,5 dBi a 0,27 THz.
Sono numeri da leggere nel contesto della ricerca, non come scheda tecnica di un prodotto commerciale. Indicano però che la combinazione tra stampa 3D laser e metallizzazione può produrre elementi funzionali, non solo dimostratori geometrici.
Perché il rivestimento metallico è decisivo
La litografia multifotone permette di ottenere forme 3D molto precise, ma i materiali polimerici non sono adatti, da soli, a trasportare segnali elettrici terahertz con basse perdite. A queste frequenze servono superfici conduttive, lisce e integrate con il circuito.
Per questo il lavoro del KIT non si limita alla stampa del supporto. Dopo la realizzazione della geometria polimerica, i ricercatori depositano strati metallici tramite PVD a fascio elettronico. Nel caso delle interconnessioni e delle antenne, il rivestimento comprende titanio, rame, un secondo strato di titanio come barriera di diffusione e oro come passivazione. Per le punte di misura, il processo usa anche alluminio e uno spessore metallico maggiore.
La qualità della superficie è uno dei dati più importanti. Le strutture MCFS hanno mostrato una rugosità RMS di circa 13–14 nm, leggermente superiore a quella del supporto polimerico stampato, mentre la conducibilità effettiva misurata per i film metallici è pari a 3,29 × 10⁷ S/m, circa il 57% del valore IACS del rame massivo.
Questa differenza rispetto al rame massivo non è inattesa: nei film metallici depositati sotto vuoto entrano in gioco grana, spessore, continuità dello strato e interfacce tra materiali. Il dato mostra però che la struttura non è solo un oggetto stampato con finitura metallica estetica, ma un componente pensato per prestazioni elettriche ad alta frequenza.
Un processo pensato per lavorare vicino al chip
Il flusso produttivo descritto nello studio parte da substrati in allumina metallizzati in oro, sui quali sono presenti linee di trasmissione coplanari. I ricercatori hanno usato processi di incisione, taglio dei wafer, fissaggio temporaneo dei chip e successiva stampa dei supporti con allineamento ottico. L’asse del fascio laser viene orientato rispetto alla superficie del chip e le procedure automatiche permettono di rilevare l’altezza del substrato con precisione sotto i 100 nm.
Questo aspetto è importante perché la tecnologia non nasce per produrre un oggetto isolato su un piatto di stampa. Il valore sta nella fabbricazione in situ, cioè direttamente sul dispositivo o in prossimità delle linee elettriche e fotoniche già esistenti. La struttura 3D viene quindi costruita tenendo conto della posizione reale del chip, delle piste e del gap da superare.
È un approccio vicino al packaging avanzato: non si tratta solo di costruire il circuito, ma di collegare più elementi, adattare percorsi di segnale e ridurre il numero di passaggi manuali.
Le aziende e gli strumenti citati nel lavoro
Il lavoro è guidato dal Karlsruhe Institute of Technology e include l’affiliazione di Teragear GmbH, azienda di Karlsruhe attiva nello sviluppo di strumenti che combinano fotonica ed elettronica per generazione, elaborazione e analisi di segnali a banda larga. Christian Koos, autore corrispondente dello studio, è indicato anche come cofondatore e strategist di Teragear.
Nel processo sperimentale compaiono anche diversi fornitori di materiali e strumentazione. I substrati in allumina metallizzati arrivano da Reinhardt Microtech GmbH. Per la litografia laser diretta delle linee sono citati sistemi Heidelberg Instruments Mikrotechnik GmbH. Per alcune lavorazioni delle punte di misura viene usato un sistema di ablazione laser ProtoLaser R4 di LPKF Laser & Electronics SE.
La litografia multifotone è stata condotta con un sistema costruito internamente, usando un obiettivo Carl Zeiss Microscopy GmbH, un laser femtosecondo Menlo Systems GmbH e un fotoresist acrilico VanCore B di Vanguard Automation GmbH. Vanguard Automation, con sede a Karlsruhe e parte di Mycronic, sviluppa macchine, materiali e processi per nano-stampa 3D nel packaging fotonico.
Per la deposizione metallica è citato un sistema Univex 400 di Leybold GmbH. Nella parte di inkjet printing vengono menzionate cartucce FUJIFILM Dimatix Inc. e una stampante PiXDRO LP50 di SÜSS MicroTec SE. Per misure e simulazioni compaiono inoltre strumenti e software di KLA Inc., Keysight Technologies Inc., Dassault Systèmes SE e Keyence Ltd.
Queste aziende non vanno lette tutte come partner industriali del progetto, ma come parte dell’ecosistema tecnico usato per costruire e caratterizzare i dimostratori. La distinzione è utile: il contributo scientifico è del gruppo KIT, mentre materiali, strumenti e piattaforme commerciali mostrano quali tecnologie di microfabbricazione siano già disponibili per portare avanti processi simili.
A cosa possono servire componenti di questo tipo
Le applicazioni indicate nello studio riguardano comunicazioni terahertz, sensing e sistemi di elaborazione del segnale a banda molto ampia. In prospettiva, questi componenti possono interessare collegamenti wireless ad altissima velocità, moduli per misure non distruttive, sistemi fotonico-elettronici ibridi e packaging di chiplet ad alta frequenza.
Un esempio semplice è il collegamento tra un circuito fotonico integrato e un amplificatore terahertz. In un sistema compatto, i due componenti possono trovarsi su substrati diversi o avere quote e geometrie non allineate. Un ponte 3D metallizzato permette di adattare il percorso del segnale senza inserire un componente montato manualmente. Lo stesso concetto vale per antenne che devono uscire dalla superficie del chip o per sonde di misura progettate su una geometria specifica.
La tecnologia potrebbe essere utile anche nei laboratori che sviluppano prototipi ad alta frequenza. Invece di progettare e assemblare manualmente piccoli connettori o strutture meccaniche, si potrebbe stampare il componente vicino al circuito e rivestirlo con metallo nel punto necessario. Questo non elimina i processi di microfabbricazione convenzionali, ma aggiunge uno strumento in più per geometrie difficili da ottenere con soli processi planari.
Il legame con la stampa 3D fotonica
Il KIT lavora da tempo sull’integrazione fotonica 3D. Il Koos Lab si occupa di circuiti fotonici integrati, integrazione multi-chip, comunicazioni ad alta velocità, sensing industriale, metrologia e teratronics. La pagina del laboratorio cita anche l’uso di tecniche di nano-stampa 3D per l’integrazione fotonica e per collegamenti ottici tra piattaforme diverse.
In questo contesto, le strutture MCFS possono essere viste come un’estensione verso il mondo elettrico ad altissima frequenza. La fotonica 3D aveva già mostrato la possibilità di stampare micro-lenti, collegamenti ottici e strutture di accoppiamento direttamente sui dispositivi. Il passo successivo è portare una logica simile su componenti terahertz, dove però entra in gioco la necessità di metallizzare in modo controllato le geometrie stampate.
Limiti e passaggi ancora aperti
Il lavoro rimane una dimostrazione scientifica. I ricercatori stessi indicano margini di ottimizzazione nella qualità degli strati d’oro sui substrati, nell’uniformità della metallizzazione, nell’adattamento di impedenza e nella riduzione delle perdite. Anche la dimensione del campo di scrittura della litografia multifotone impone alcune suddivisioni: strutture più grandi vengono stampate in parti separate e riallineate con lo stadio di precisione.
La scalabilità industriale dipenderà dalla velocità del processo, dall’integrazione con linee di packaging esistenti, dalla ripetibilità su molti chip e dalla compatibilità con materiali usati nei moduli ad alta frequenza. Il fatto che il processo utilizzi tecniche note della microfabbricazione, come PVD, litografia laser, inkjet printing e simulazione elettromagnetica, rende però il percorso più concreto rispetto a una tecnologia completamente separata dal mondo dei semiconduttori.
Perché è un risultato interessante per la manifattura additiva
La stampa 3D viene spesso associata a componenti meccanici, prototipi o parti strutturali. In questo caso, invece, la funzione è elettromagnetica: la geometria stampata non serve solo a dare forma al pezzo, ma a controllare il comportamento del segnale. È una manifattura additiva su scala micro, con un ruolo nel packaging e nell’interconnessione di sistemi complessi.
Il lavoro del KIT mostra come la stampa 3D possa entrare in settori dove la precisione richiesta è molto più alta di quella dei processi additivi convenzionali. La combinazione tra litografia multifotone e metallizzazione selettiva permette di realizzare ponti, punte di misura e antenne che nascono già allineati al circuito. Per i sistemi terahertz, dove ogni passaggio tra chip, antenna e linea di trasmissione può introdurre perdite, questo approccio può diventare un elemento utile nella progettazione dei prossimi moduli ad alta frequenza.
