30 Jahre AVT in der Mikroelektronik

Das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM hat seinen Sitz in einem historischen Gebäude in BerlinGegründet wurde das Forschungsinstitut, das heute über 400 Mitarbeitende an drei Standorten beschäftigt, von einer 21-köpfigen Gruppe aus der deutschen Wissenschaft. Im Jahr 1987 hat Professor Herbert Reichl den Lehrstuhl für Technologien der Mikroperipherik an der Technischen Universität Berlin übernommen. Mikroelektronische Technologien entwickelten sich damals auch in Deutschland rasant, doch die Kluft zwischen immer kleiner werdenden Schaltkreisen und ineffizientem Packaging klaffte weit auseinander. Die Aufbau- und Verbindungstechnik musste deshalb mehr in den Fokus gerückt und Chiphersteller und Anwendungen aus der Industrie zusammengebracht werden. Die Idee zur Entstehung des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM war geboren.

Zur Historie – aufbauen, verbinden und integrieren

Unter der Leitung von Herbert Reichl kam eine Gruppe aus Wissenschaftlern der TU und HU Berlin sowie der Akademie der Wissenschaften in Chemnitz zusammen und schaffte im Dezember 1993 die Wiedervereinigung der Forschung aus West- und Ostdeutschland. Die Fraunhofer-Einrichtung für Zuverlässigkeit und Mikrointegration ging an den Start mit der Mission: Eine wettbewerbsfähige Aufbau- und Verbindungstechnik für die Industrie. Und zwar durch Technologien, die es in Europa so noch nicht gab und den Chipherstellern völlig neue industrielle Anwendungsfelder eröffnen. Damit sollte Deutschland als Wissenschaftsstandort in der Mikroelektronik manifestiert werden. Der erste Kooperationsvertrag mit dem Forschungsschwerpunkt ‚Technologien der Mikroperipherik' der TU Berlin wurde geschlossen, und auch personell arbeitete das Institut im engen Schulterschluss mit der Universität zusammen.

Bereits im Gründungsjahr gelang der erste Coup

Erstmals in Europa wurde der Einsatz von preisgünstigen polymeren Leiterplatten für die Flipchipmontage für eine kostengünstigere Herstellung untersucht. Bei der Flipchipmontage werden ungehäuste Halbleiterchips umgedreht und mit der gesamten aktiven Kontaktierungsseite mittels sogenannter Bumps anstelle von Drahtverbindungen mit einem Substrat verbunden. Durch dieses Verfahren lassen sich die Kosten des Bumpings einzelner Wafer sowie die Platzerfordernis auf dem Chip deutlich reduzieren. Bereits zwei Jahre später nahmen die Wissenschaftler die erste Flipchip-Assemblierungslinie in Europa in Betrieb und arbeiteten dafür mit führenden Anlagen- und Geräteherstellern zur Demonstration der Möglichkeiten dieser Technologie zusammen. Aufgrund des großen Erfolgs in Industrie und Wissenschaft erhielt das IZM den offiziellen Institutsstatus und wurde damit vollständig in der Fraunhofer-Gesellschaft etabliert.

Prominente Teilnehmer verfolgten den Festakt

Erste prominente Anwendung der Flipchiptechnologie

Die erste prominente Anwendung der Flipchiptechnologie erfolgte 1997 durch die Forschung zum Einsatz von Pixeldetektoren in Teilchenbeschleunigern und begründete bis heute die Zusammenarbeit zwischen dem CERN und dem IZM. Damals fertigten die Mitarbeitenden einen Demonstrator für ein Detektormodul auf Basis von Flipchiptechnologie, der dann im CERN zum Einsatz kam. Mit der Flipchiplinie konnte gezeigt werden, dass die Technologie des IZM in eine Produktionslinie für oberflächenmontierte Bauelemente (eng: Surface Mounted Technology, kurz SMT) integriert werden kann und somit bereit für die Einführung in der Industrie war. Dank eines solchen Musterbeispiels wurden viele KMU zur Kundschaft des Instituts.

Verschiedene Standorte, Personal und Umsatz aufgebaut

AVT-Experten diskutieren in der KaffeepauseAn den verschiedenen Standorten wurden nicht nur das Personal sondern auch neue Themenfelder aufgebaut: So entstand 1998 eine Abteilung und Außenstelle in Teltow und erweiterte das Institutsportfolio um das Thema Polymermaterialien und Komposite. Im gleichen Jahr wurde in Paderborn in Zusammenarbeit mit der dortigen Universität eine Projektgruppe gegründet und die Zusammenarbeit mit der TU Chemnitz verstärkt, so dass dort im Bereich Mikrosystemtechnik und Mikrosensorik eine Abteilung aufgebaut wurde, die seit 2008 eigenständig ist. In ähnlicher Weise entwickelte das IZM ab 2002 seinen Institutsteil in München innerhalb von acht Jahren mit Rolle-zu-Rolle- sowie 3D-Wafer-Technologien so weit, dass er mittlerweile zu einem eigenständigen Institut werden konnte.

Bereits nach zehn Jahren hat sich das IZM von knapp 20 auf über 200 Mitarbeitende und den Umsatz von 1,4 Mio. DM im Gründungsjahr auf 27,3 Mio. € im Jahr 2004 erhöht.

Integration der Anwendungen in die Elektronik

Ab 2003 rückte immer mehr die Integration der Anwendungen in die Elektronik in den Fokus. Neue Materialien, die dehnbarer und flexibler sind, werden bis heute kontinuierlich erprobt. Der Markt der Wearables und Smart Textiles war geboren und ist bis heute ein wichtiges Standbein des Instituts. Auf der IFA 2005 stellten die Mitarbeitenden erstmals Kleidung mit integrierten Kommunikationssystemen vor. Darunter eine Lösung für Fahrradkuriere, die Auftragsabwicklung, Ortung und Navigation integriert.

Entlang der Anwendungen entwickelte sich das Institut weiter und integrierte sich in Branchen wie der Automobil- und Industrieelektronik, der Medizintechnik, IKT und im Halbleiterbereich. Im Jahr 2010 gründete sich der bis heute bestehende Standort in Dresden, das Zentrum ‚All Silicon System Integration Dresden' (ASSID). Die Abteilung, in der Mitarbeitende in Berlin und Dresden zusammenarbeiten, verfügt an beiden Standorten über Reinräume und Labore mit hochmoderner produktionskompatibler Ausrüstung. Neben einer besonderen Flexibilität bei der Prozessierung von unterschiedlichen Wafergrößen zeichnet beide Prozesslinien aus, dass sie sich individuell an spezifische Prozessbedingungen anpassen können. Das ermöglichte im Jahr 2010 die Entwicklung einer Mikrokamera, die nicht größer als grob gemahlenes Salz ist und daher perfekt in eine Endoskopspitze passt. Dieser Durchbruch in der Medizintechnik war auf eine ausgeklügelte Aufbautechnik zurückzuführen, bei der die Integration von Optik und Sensor noch auf Waferebene erfolgt.

Start-A-Factory – eine einzigartige Prototypenlinie

Nach dem 20-jährigen Bestehen, einem weiteren kontinuierlichen Wachstum und mittlerweile unter Leitung von Prof. Klaus-Dieter Lang, gründete das IZM 2017 die Start-A-Factory, Berlins einzigartige Prototypenlinie bestehend aus Geräteinfrastruktur und einer Arbeitsumgebung, die speziell auf die Bedürfnisse von Hardware-Start-ups und die Entwicklung ihrer Prototypen ausgerichtet ist.

Zuverlässigkeit und Nachhaltigkeit von Anfang an

Auch dem Thema Nachhaltigkeit und Ressourcenmangel widmet sich das IZM im laufenden Großprojekt namens ‚Green ICT', um die Nachhaltigkeit von Informations- und Kommunikationstechnik (IKT) optimieren zu können, wobei die Expertise von Ökobilanzierungen und Nachhaltigkeitsstudien schon seit Anbeginn im Namen des Instituts steht. Zuverlässigkeit steht nicht nur für eine stabile Zusammenarbeit zwischen Forschung und Industrie, sondern auch für langlebige Elektronik, die bereits in der Produktion nachhaltig gedacht ist. Die Nachhaltigkeitsexperten des IZM arbeiten daher seit Jahren mit den führenden IKT-Unternehmen zusammen und haben auch bei der Entwicklung des Fairphones – dem Smartphone, welches auf Langlebigkeit und nicht den Neukauf nach nächstem Update setzt – mitgewirkt.

Heute stellen sich über 400 Mitarbeitende unter der Leitung von Prof. Martin Schneider-Ramelow neuen Herausforderungen wie dem Chipmangel, den steigenden Datenraten, der Energiekrise und vielem mehr. Dabei entwickeln sie Prozesse und Technologien für die Quantenelektronik, für 6G, für Zero-Power-Elektronik sowie hochperformante Systeme in außergewöhnlichen Anwendungen und für raue Umgebungsbedingungen.

Eines haben die Wissenschaftler sowie das Team in der Verwaltung beibehalten: Den Geist, Neues entdecken zu wollen und dabei physikalische Grenzen zu verschieben. Ganz in diesem Sinn ist das Symposium anlässlich des 30-jährigen Bestehens zu verstehen: Unter dem Titel „Crossing Frontiers in Microelectronics“ zeigen Forschende, welche Grenzen sie in den nächsten Jahrzehnten verschwinden lassen wollen.

Fachsymposium zeigte auf, wohin die Entwicklungen gehen

Dr. Tanja Braun, Fraunhofer IZM, übernahm als Moderatorin die Begrüßung. Sie gab dabei einen kurzen Rückblick auf die Ursprünge des historischen Gebäudes, in dem das IZM in Berlin seinen Sitz hat.

Danach verdeutlichte Dr. Isabelle Ferain, GlobalFoundries, den Semiconductor Foundries View on Heterogenous Integration. Für die Weiterentwicklung sind die Partnerschaft mit einem R&D-Ökosystem und die Personalentwicklung wichtig. Am Beispiel von Si-Photonic-Chips und GaN für Leistungselektroniken verdeutlichte sie, was für die 3D-Heterogene Integration an Materialien, Komponenten, Prozessen, und Funktionen erforderlich ist. Dazu gehören u. a. Interposer, TSV und das Die-to-Wafer-Bonding.

Das Advanced Packaging für den Anwendungsbereich High Performance Computing betrachtete Dr. Michael Schiffer, Fraunhofer IZM, ausgehend von den Herausforderungen. Die Entwicklung geht von der CPU über die GPU hin zur TPU. Für die Realisierung kommen Aufbauten als SoC oder günstiger als Chiplet infrage. Neue Technologien für TSV, Interposer und Ultrafine-Pitch-Bonding werden untersucht, darunter sind Mikrobumps basierend auf nanoporösem Gold.

Dr. Stefan Ruebenacke, Bosch Sensortec, informierte über Sensorsysteme für Leading Edge Consumer Anwendungen. Bosch ist mit einer täglichen Produktion von 4 Mio. MEMS in seinem Werk in Reutlingen Marktführer bei Smart Sensors. Denn diese haben vorteilhafte Eigenschaften für viele Anwendungen, wie anhand typischer Beispiele vom Hörgerät bis hin zur Drohne verdeutlicht wurde.

Integrationslösungen für modulare Kommunikationselektronik der fünften und sechsten Generation stellten Dr. Michael Kaiser und Dr. Julia-Marie Köszegi, Fraunhofer IZM, ausgehend von allgemeinen Modul-Aufbaumöglichkeiten beim IZM vor. Für Millimeterwellen und Sub-THz-Frequenzen sind integrierte Antennen, die als Antennen-in-Package (AiP)-Module basierend auf PCB-Embedding oder Mold-Embedding realisiert werden, eine Lösung. Für diese Frequenzen ist das Signalpfaddesign und die Materialcharakterisierung eine besondere Herausforderung. Im EU-Projekt SERENA wurde eine Plattform für die Systeme der nächsten Generation entwickelt, die deutliche Verbesserungen bezüglich Energieeffizienz, Kosten und Funktionalität bietet.

Karsten Schischke zeigte Möglichkeiten zur Reduktion des CO₂-Fußabdrucks von Elektroniken aufÜber hochintegrierte energieeffiziente mikroelektronische Systeme für zukünftige optische und mobile Anwendungen referierte Prof. Friedel Gerfers, Technische Universität Berlin. Er ging dabei v. a. darauf ein, wie die notwendige Energieeffizienzverbesserung erreicht werden kann, und zählte entsprechende Projekte auf. Der Trend geht aus Gründen des Wärmemanagements von QSFP-Modulen zu co-packaged optics (COBO).

Die Technologietrends in der Leistungselektronik erörterte Prof. Eckart Hoene, Fraunhofer IZM. Für die immer schneller schaltenden Elektroniken werden neue Lösungen gesucht. Die Reduzierung des Materialverbrauchs für jede Leistungselektronikeinheit ist der Schlüssel zur Ressourceneffizienz und Kostenwettbewerbsfähigkeit. Für die Massenproduktion sind PCB- sowie auf Moulding basierendes Packaging erfolgversprechend.

Den Weg von der Machbarkeit zum marktfähigen Advanced Package zeigte Robert Giertz, AEMtec, auf. Dazu stellte er sein Unternehmen, das eng mit dem IZM zusammenarbeitet, und dessen Dienstleistungsangebot und Equipment vor. Im nächsten wird ein eigenes UBM-System in Betrieb genommen. Auch das Fan-out-Wafer-Level-Packaging wird transferiert und soll bis 2025 ausgenommen RDL im Haus sein.

Zur Frage: ‚Bringt uns die Mikrointegration auf den 1,5°-Pfad?' verdeutlichte Karsten Schischke, Fraunhofer IZM, die aktuelle Situation und Verbesserungsmöglichkeiten anhand von Beispielen. Beispielsweise stammen 40 % des CO₂-Fußabdrucks von Labtops von den darin verbauten Halbleitern. Hier sind die HL-Hersteller gefordert. Karsten Schischke ging auch auf die Problematik der Kreislaufwirtschaft bei der zunehmend höheren Produktintegration ein, die für den CO₂-Fußabdruck günstig ist. Denn es gibt Wechselwirkungen zwischen Reparaturfähigkeit, Lebensdauer und Energieverbrauch (Energie-Label). Verbesserungen können mit SoC-Packaging und Embedding erreicht werden. Mikrointegration und -elektronik sowie Digitalisierung können die Reduzierung von Treibhausgasen bei Anwendungen ermöglichen, aber je nach Anwendungsfall kann eine technologische Lösung nachteilig oder vorteilhaft sein. Empfohlen wird das Potenzial des Packagings zu nutzen, um eine bessere Performance mit geringerem Halbleitereinsatz zu erreichen.

Festakt mit Danksagungen, einer Ehrung, einer Aufzählung von Highlights und einem Ausblick

Nach der Begrüßung ging Prof. Martin Schneider-Ramelow, Fraunhofer IZM, in einem Rückblick auf die Historie des Instituts sowie dessen Projekte und Schlüsselentwicklungen ein. Mit einem Lob und Dank für die gute langjährige und erfolgreiche Zusammenarbeit mit Kunden, Geldgebern und Partnern von anderen Instituten beendete er seine Ansprache.

Danach folgten Grußworte von:

• Prof. Axel Müller-Groeling, Vorstand Forschungsinfrastrukturen und Digitalisierung der Fraunhofer-Gesellschaft
• Dr. Henry Marx, Staatssekretär für Wissenschaft und Forschung, Berlin
• Dr. Roland Krüppel, Referat Elektronik und autonomes Fahren; Supercomputing im Bundesministerium für Bildung und Forschung
• Prof. Geraldine Rauch, Präsidentin Technische Universität Berlin
• Dr. Axel Kaschner, Senior Vice President Corporate Research, Advanced Technologies Robert Bosch

Zum Abschluss zählte Prof. Martin Schneider-Ramelow bei seiner Success Story des IZM u. a. die Ni-Under Bump-Metallisierung, das Embedding, die Mikrokamera und Smart Sensor-Systeme auf und ging dann auf die Future Mission des Instituts ein: Mit dem Chips Act ist auch eine Plattform für die Hetero- und Chiplet-Integration erforderlich. Die Vision des IZM ist hier das High End-Performance-Packaging.

Da pandemiebedingt keine Feier bei der Übergabe der Institutsleitung von Prof. Klaus-Dieter Lang an Prof. Martin Schneider-Ramelow möglich war, erfolgte nun eine nachträgliche Ehrung.

Und auch das Fraunhofer IZM Center All Silicon System Integration Dresden (ASSID) überreichte vor dem Get-together dem Gastgeber anlässlich des Jubiläums einen besonders gestalteten Wafer als Dank für die Zusammenarbeit.

Bilder

Sämtliche Aufnahmen: Gustl Keller