Kostengünstige Fertigung von Photonik, Optik und Elektronik

Für biokompatible Pflaster, die direkt an die Haut angepasst sein müssen, entwickeln die Forschenden ein dünnes und flexibles Polymersubstrat inklusive sehr dünner, eingebetteter elektronischer Bauelemente (dies und Titelbild)Bei der Entwicklung und Herstellung vieler elektronischer Geräte müssen neue und erweiterte Funktionalitäten auf kleinstem Raum realisiert werden. So hat sich das Advanced Packaging – die komplexe Aufbau- und Verbindungstechnik von Halbleiterbauelementen – als eine essenzielle Technologie für die Integration von Photonik, Optik und Elektronik herauskristallisiert.

Im laufenden EU-Projekt Applause fokussieren sich die Beteiligten auf die Entwicklung neuer Werkzeuge, Methoden und Prozesse für die Massenfertigung von elektronischen und optischen Komponenten in hohen Stückzahlen. Das Fraunhofer IZM wirkt an drei von sechs Anwendungsfällen mit.

Ein Konsortium, bestehend aus 31 europäischen Schlüsselakteuren aus den Bereichen Elektronik-Packaging, Optik und Photonik, führenden Ausrüstungslieferanten und Testexperten, treibt das Projekt ‚Advanced packaging for photonics, optics and electronics for low cost manufacturing in Europe' (kurz: Applause) voran. Das Projekt fördert die europäische Halbleiter-Wertschöpfungskette durch die Entwicklung neuer Werkzeuge, Methoden und Prozesse für die Großserienfertigung. Neben 12 Großunternehmen, 11 kleinen und mittleren Unternehmen und 7 Forschungs- und Technologieorganisationen ist auch das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM beteiligt. Neben diversen anderen spannenden Projekten sind die Forschenden in Berlin in drei industriellen Anwendungsfeldern involviert und arbeiten dort mit an der Erstellung:

• einer kostengünstigen Infrarotkamera für Automobil- und Überwachungsanwendungen
• eines Hochgeschwindigkeits-Datacom-Transceivers
• eines flexiblen Pflasters für die Herzüberwachung

Dank thermischem Infrarotsensor sicherer im Verkehr

Im Rahmen des ersten Anwendungsfalls entwickeln die Konsortialpartner für Automobil- und Sicherheitsanwendungen eine Kamera zur Erzeugung von Wärmebildern mit erhöhten Videoraten und VGA-Auflösung mittels eines kostengünstigen Mikrobolometers. Ein Mikrobolometer ist ein thermischer Sensor zur Erfassung elektromagnetischer Strahlung, etwa in Situationen, in denen das sichtbare Licht nicht mehr ausreicht. Der Mikrobolometer besteht aus einer mehrlagigen und trotzdem hauchdünnen Membran, auf der sich u. a. eine infrarotsensitive Absorberschicht befindet. Die Membran wird mit zwei winzigen Elektroden im Vakuum aufgehängt und ist somit thermisch isoliert. Die einfallende Infrarotstrahlung erwärmt durch Resonanz die thermisch isolierte Membran, was zu einer Änderung des elektrischen Widerstandes der Sensorschicht führt. Hierdurch ändert sich das Messsignal und wird von einer Ausleseschaltung erfasst. Da sich die Einzelmembranen in einem flächigen Raster auf der Ausleseschaltung befinden, ergibt sich eine Pixel-Matrix. Das Ergebnis ist ein Kamera-Sensor zur Aufnahme von Infrarotbildern.

Ziel des Projektes ist, einen kostengünstigen und leistungsfähigen thermischen Infrarotsensor anzufertigen. Da für die Funktionstüchtigkeit der Mikrobolometer eine Vakuumumgebung erforderlich ist, wenden die Forschenden am Fraunhofer IZM einen speziellen Packaging-Prozess zur robusten hermetischen Verkapselung an. Dabei decken sie die feinen dichtgepackten Mikrobolometer-Strukturen auf Wafer-Ebene mit einem Kappenwafer zu, der Fenster für die Infrarot-Übertragung besitzt. Hierdurch werden die hochempfindlichen Sensorelemente nicht nur für die weitere Integration in den finalen Kamera-Sensor geschützt, sondern auch unter Vakuum für ihre vollständige Funktion hermetisch gasdicht versiegelt.

Mit Hochgeschwindigkeits-Transceivern zu schnellerer Datenkommunikation

Damit der thermische Sensor in einer Infrarotkamera hermetisch versiegelt wird, nutzen Forschende spezielle Wafer Packaging-Prozesse: Ein Kappenwafer mit 200 mm Durchmesser umschließt die Sensoren unter Vakuum, so dass eine äußere Antireflexionsbeschichtung entstehtIm zweiten Anwendungsfall geht es um Kommunikation und Analyse von Daten. Hier sind immer höhere Geschwindigkeiten ein ständiger Antrieb für weitere Entwicklungen. Daher ist ein kostengünstiger optischer 400 Gb/s Hochgeschwindigkeits-Transceiver für die Datenkommunikation einer der nächsten Meilensteine in diesem Bereich. Hierfür wird am Fraunhofer IZM eine ambitionierte optische Siliziumbank für die Sendeeinheit (Transceiver) entwickelt. Das Besondere ist dabei die anvisierte passive Justage der Komponenten, die die submikrometrische, hochpräzise Montage für hohe Stückzahlen zeitlich verkürzen und vereinfachen soll. Montagekosten könnten somit im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik deutlich gesenkt werden. Durch die Kombination von Silizium-Mikrostrukturierung und goldbasierten Metallisierungen für die Hochfrequenzsignal-Umverdrahtung und die Flipchip-Lotkontakte wird ein 3D-Substrat für optische Elemente (Linse, Isolator, Faser) einschließlich mechanischer Stopper hergestellt. Dadurch kann das laseremittierende Bauelement (EML) mit einer Präzision unter 1 μm montiert werden. Der Ansatz profitiert von der engen Zusammenarbeit mit der Firma Almae Technologies im Projekt. Ein weiterer explorativer Ansatz für die Integration von optischen Elementen ist ein 3D-gedrucktes Substrat, welches parallel getestet wird.

Biokompatible Pflaster diagnostizieren direkt an der Haut

Das digitale Zeitalter treibt auch die Entwicklung von Überwachungstechnologien durch Wearables wie Fitness-Tracker und Smartwatches voran. Doch Kardiologen benötigen nach wie vor alternative Technologien für ihre Diagnose- und Überwachungsaufgaben. Hier kommt die flexible Elektronik ins Spiel. Solche Überwachungsgeräte erfordern einen engen Kontakt mit der Haut. Elektronische Komponenten müssen in flexible und sogar dehnbare Schichten integriert werden, die sich ideal an die Haut anpassen können. Der dritte Beitrag des Fraunhofer IZM zu Applause befasst sich mit der Integration dünner Bauelementen in ein dünnes und flexibles Polymersubstrat inklusive Umverdrahtungsschicht. Die entwickelten Technologien für dehnbare Elektronik auf Basis von thermoplastischem Polyurethan werden es ermöglichen, Elektroden und Elektronik in ein kompaktes, flexibles und biokompatibles Pflaster zu integrieren.

Die skizzierten Anwendungsfälle illustrieren deutlich das große Potenzial der Advanced Packaging-Technologien für die Zukunft. Im Gesamtprojekt liegen die erwarteten Auswirkungen bei einer Umsatzsteigerung von über 300 Mio. € bis 2025. Die neuen Technologien haben das Potenzial, den Marktanteil zu erhöhen und den Industriepartnern zusätzlichen Zugang zu neuen Marktsegmenten zu verschaffen. Das dreijährige Projekt Applause wird von der EU im Rahmen von Horizon 2020 und nationalen Förderorganisationen sowie der Industrie als Teil des Electronics Components and Systems for European Leadership Joint Undertaking (ECSEL JU) mit 34 Mio. € kofinanziert.