Erneut stellen wir zum Jahresende die Beiträge der Rubrik ‚Forschung und Technologie' in Kurzfassung vor, damit unsere Leser entscheiden können, ob sie den ein oder anderen Artikel noch einmal zur Hand nehmen und lesen möchten. Wir hoffen, mit den redaktionell ausgewählten Forschungsarbeiten und Studienberichten einen Überblick über wichtige Zukunftsthemen und Entwicklungsrichtungen der Elektroniktechnologie gegeben zu haben.
Optimierung von Verfahren der Leiterplattentechnik und gedruckte Elektronik
Januar: Galvanik und Ätzen – Heterogene Grenzflächen in der Praxis
Die Autoren dieses Beitrages untersuchten heterogene Grenzflächen an planaren Oberflächen, wie es Leiterplattenpanels sind. Ziel der Untersuchung ist, bei der galvanischen Abscheidung und beim nasschemischen Ätzen die Abscheide- bzw. Ätzgeschwindigkeiten zu erhöhen, dabei aber eine zufriedenstellende Abscheidehomogenität bzw. Ätzratenhomogenität zu gewährleisten. Sie stellen ein Messverfahren vor, mit dem die Lokalstromverteilung bei der galvanischen Abscheidung direkt auf einem Leiterplattenpanel ermittelt werden kann. Für Prozessingenieure in der Leiterplattenindustrie oder Anlagenhersteller ist dies von Bedeutung. Der Beitrag geht kenntnisreich auf die Prozesse in den heterogenen Grenzflächen ein, die an der Grenze zwischen dem flüssigen Elektrolyten bzw. dem Ätzmedium und der Paneloberfläche entstehen. In der Grenzschicht bewegen sich die Teilchen (Reaktionspartner) am langsamsten im Vergleich zum Elektrolyten oder Ätzmedium und zur Paneloberfläche. Vorgestellt werden zwei neue Entwicklungen zur Optimierung der Strömungsverhältnisse in galvanischen Anlagen, die gravitationsgestützte Konvektion und die Direktanströmung mit Elektrolytrückführung. Mit dem ausführlich beschriebenen Messsystem zur Lokalstromerfassung können Anwender selbst die galvanischen und nasschemischen Prozesse direkt in der Fertigung optimieren. Denn die lokalen Reaktionsgeschwindigkeiten lassen sich als Lokalströme erfassen und darstellen.
Februar: Druckfähige Elektrodentinte zur Herstellung von Superkondensatoren
Mehrere Wissenschaftler finnischer und deutscher Forschungseinrichtungen, darunter Ezgi İnci Yeşilyurt, Bosch Semiconductor Manufacturing Dresden, haben sich damit beschäftigt, wie eine druckfähige Tinte beschaffen sein muss, um nach dem Siebdruckvorgang als Elektrode für sogenannte Superkondensatoren zu fungieren. Diese eignen sich aufgrund ihrer sehr hohen Leistungsdichte sehr gut zur Energiespeicherung. Der Beitrag zeigt, wie Verbundstoffe aus Polyanilin (PANI) und CDC-Kohlenstoff (carbid derived carbon) durch In-situ-chemische oxidative Polymerisation hergestellt werden können. Als Bindemittel setzten die Forscher umweltverträgliches Chitosan aus Krebstierschalen ein. Der Artikel geht auch auf das Siebdruckverfahren und elektrische Eigenschaften der so hergestellten Superkondensatoren ein.
Systemintegration
März: Elektrooptische Plattform für quelloffene Prozessoren
Ein Projekt der TU Dresden und der Fraunhofer-Gesellschaft hat sich zum Ziel gesetzt, eine Plattform zu entwickeln, welche die Systemintegration photonischer Verarbeitungseinheiten (PPU) und photonisch integrierter Schaltkreise (PICs) durch entsprechende Aufbau- und Verbindungstechnik vorantreibt. Hauptaugenmerk liegt auf dem sogenannten elektro-optischen Silicium-Interposer, einem zusätzlich erforderlichen Umverdrahtungsträger zwischen den PICs und der Leiterplatte. Der Interposer kontaktiert Laser, PPU, Photodioden, Logikgatter und anwendungsspezifische integrierte Schaltungen mechanisch, elektrisch und optisch. Die Wissenschaftler stellen das Plattformkonzept und zwei entwickelte PICs mit Verschlüsselungsmechanismen für eine vertrauenswürdige Elektronik vor. Ausführlich geht der Forschungsbeitrag auf das Design der Plattform ein, die möglichst viele optische und elektrische Komponenten verbinden soll. Dazu gehören Entwurfsregeln für die Plattform, die Gestaltung der beiden Interposer-Layouts sowie der Aufbau eines Zufallszahlengenerators und eines Krypto-Multimodeinterferometers für die Verschlüsselung. Beschrieben wird auch anhand gut verständlicher Abbildungen der technologische Prozess zur Fertigung des Interposers und des Zufallszahlengenerators. Die im Rahmen des vom BMBF geförderten Projekts ‚Silhouette' entwickelte Plattform ist nach Kenntnisstand der Wissenschaftler der erste hybride System-in-Package-Ansatz, der photonische Schaltkreise, Photo- und Laserdioden sowie anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise auf einem Substrat vereint.
Umwelt/Recycling
Themen, die sich mit nachhaltiger Elektronikproduktion beschäftigen, bildeten einen Schwerpunkt in diesem Jahr. Das Redaktionsteam konnte in zahlreichen Gesprächen auf Messen und bei anderen Veranstaltungen erkennen, dass diese Thematik viele Akteure in der Elektronikindustrie umtreibt. Besonders mit der Schädlichkeit von PFAS für Mensch und Natur beschäftigen sich aktuell viele Forschungseinrichtungen. Dies ist nicht verwunderlich, da die problematische Stoffgruppe in fast allen Lebensbereichen und natürlich auch in der Elektronikindustrie Verwendung findet, über ihre schädlichen Auswirkungen aber inzwischen weitgehender Konsens herrscht. Auch im kommenden Jahr werden wir uns diesem Thema widmen (Ausgabe 3/2025).
April: Ewigkeitschemikalien vom Typ PFAS
Per-und polyfluorierte Alkylverbindungen (PFAS) scheinen einerseits in High-Tech-Industrien wie in der Medizin- und Halbleitertechnik aufgrund ihrer Eigenschaften bisher unbedingt notwendig, andererseits ist deren Anreicherung in der Umwelt und die schädliche Wirkung auf lebende Organismen unbestritten. Daher beleuchtet Prof. Wolfgang Hasenpusch, Chemiker und Wissenschaftsjournalist, diese Verbindungen genauer. Er geht zuerst auf die Anwendungsgebiete der PFAS (z. B. in Lithium-Ionenbatterien), auf die vielfältigen gesundheitlichen Schäden, welche diese verursachen, und auf ihre Vorkommen in der Umwelt ein. Der Beitrag konzentriert sich auf PFAS, die im Verdacht stehen, krebserregend zu sein. Prof. Hasenpusch stellt die tatsächlichen Kosten dar, die auf die Gesellschaft zukommen, um die Stoffe zu monitoren, das Trinkwasser zu reinigen usw. Er sieht für Deutschland die größte Gefahr einer Umweltverseuchung an den vier bedeutendsten Produktionsstandorten im Land und erläutert, welche PFAS-Gruppen bereits in deutschen und europäischen Gesetzen verboten sind, welche Ausnahmen es gibt und in welchem Zeitrahmen das Verbot durchgesetzt werden soll. Detailliert geht Prof. Hasenpusch auf die Einsatzbereiche und das Gefährdungspotenzial vier verschiedener Gruppen ein: PFOA (Perfluoroktansäure), PFOS (Perfluoroktansulfonsäure), PFNA (Perfluornonansäure) und PFHxS (Perfluorhexansulfonsäure). Diese Stoffe sind besonders besorgniserregend, weil sie zum Teil nicht nur krebserregend sind, sondern auch mutagen und reproduktionstoxisch – und in der Umwelt eben nicht abgebaut werden. Der Beitrag ist ein leidenschaftlicher Appell für einen verantwortungsvolleren Umgang bei der Produktion und Anwendung und bei der Überwachung und Festlegung von Grenzwerten.
September: Erhöhtes Risiko für Herz-Kreislauferkrankungen durch PFAS
Vorgestellt werden besorgniserregende Ergebnisse einer aktuellen Studie des Deutschen Zentrums für neurodegenerative Erkrankungen. PFAS können demnach nicht nur bestimmte Krebsarten mitverursachen, sondern wirken sich auch schädlich auf die Fettprofile im menschlichen Blut aus, sodass das Risiko für Herz-Kreislauferkrankungen steigt. Vor allem beunruhigend: jüngere Menschen sind besonders betroffen. Dargestellt werden Gestaltung und Ergebnisse der Studie und welche Schlussfolgerungen die Forscher daraus ziehen. Da PFAS in nahezu allen Lebensbereichen und bekanntermaßen auch in der Elektronikfertigung an vielen Stellen eingesetzt werden, scheint es dringend erforderlich, genau zu prüfen, wo PFAS tatsächlich unersetzlich sind und wo sie mit welchem Aufwand ersetzt werden können.
Juli: Wiederverwertung von in Kunststoff integrierter Elektronik
Der aus meiner Feder stammende Beitrag beschreibt einen Prozess, den Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Neue Materialien in Saarbrücken und weitere Partner entwickelt haben, mit dem In-Mould-und Printed Electronics-Baugruppen nach dem Ende der Lebensdauer aufbereitet und wiederverwertet werden können. Um das Recyceln zu ermöglichen, wird während des Herstellungsprozesses auf das Polymersubstrat eine Trennschicht aufgebracht, bevor die metallischen Leiterbahnen erzeugt werden. Im Artikel werden der Herstellungsprozess, das Recyceln und die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Baugruppen ausführlich beschrieben.
September: Konferenzbericht 'Electronic goes green’ (e.g.g.)
Unser Chefredakteur hat die außergewöhnliche, alle vier Jahre stattfindende internationale Konferenz ‚Electronics goes green' in Berlin besucht. Er stellt mit viel Sympathie und auch mit kritischem Blick die Entwicklung der Konferenz über die Jahre dar, zeigt auf, welche Erfolge hinsichtlich der Ökobilanz in der Elektronikfertigung erzielt wurden und was bislang nicht erreicht werden konnte. Er geht auf aktuelle Herausforderungen in der Elektronikfertigung ein und wie sie die Konferenzteilnehmer darstellen. Als Schwerpunkte kristallisieren sich die Themen geschlossene Rohstoffkreisläufe (Reparierbarkeit, Baukastenprinzip, Wartungsfreundlichkeit und Obsoleszenzmanagement), der Einsatz biobasierter Materialien und die Vermeidung von PFAS in der Elektronikfertigung heraus.
November: Energierückgewinnung direkt auf dem Chip
Forscher aus verschiedenen europäischen Ländern haben ein thermoelektrisches Material entwickelt, mit dem in Zukunft Verlustwärme, die bei Temperaturen unter 80 °C entsteht, zurückgeführt werden kann. Beschrieben wird, wie man durch Zusetzen von Zinn zu Germanium die thermische Leitfähigkeit unter Beibehaltung der elektrischen Eigenschaften reduzieren kann und welche Vorteile dies mit sich bringt. Die Forscher gehen auch darauf ein, wie sich die Technologie in bestehende Prozesse der Chipfertigung integrieren lässt.
Dezember: Alte Solarmodule reparieren statt häckseln
In der vorliegenden Dezemberausgabe wird ein Vorschlag ägyptischer Wissenschaftler besprochen, wie Solarmodule so gestaltet werden können, dass sie sich aus technischer wie aus ökonomischer Sicht wiederverwerten bzw. reparieren lassen. Aktuell werden ausgediente Module zerhäckselt, was wertvolle Rohstoffe bindet und gleichzeitig problematischen Müll erzeugt. Die Wissenschaftler gehen darauf ein, wie Solarmodule aufgebaut sind und welche Verfahren zum Trennen der Materialien nach aktuellem Stand der Technik mit ihren zum Teil erheblichen Nachteilen zur Verfügung stehen. Sie erläutern, welche Faktoren dazu führen, dass Solarmodule gegen Ende ihrer Lebensdauer ausfallen oder ineffizient werden. Daraus abgeleitet schlagen sie einen neuartigen Aufbau für reparaturfähige Module vor. Ein Vergleich mit herkömmlichen Modulen schließt die Überlegungen ab.
Neue Materialien und Technologien in der Mikroelektronik
Mai: Hybrides Graphen wird ferromagnetisch
PLUS-Autor Roman Meier stellt in der Maiausgabe Forschungsergebnisse der Zhengzhou-Universität aus China vor. Die chinesischen Forscher haben untersucht, wie sich Graphen durch gezieltes Einbringen von Wasserstoff- und Sauerstoffatomen ferromagnetisch machen lässt. Dies eröffnet neue Wege bei der Übertragung und Speicherung von Informationen, da dafür nicht nur die Bewegung der Elektronen genutzt werden kann, sondern eben auch die magnetischen Eigenschaften.
Mai: Photonenchips und Lichtwellenleiter
Vorgestellt wird ein neu entwickelter Mikrochip, der zur Informationsübertragung nicht die Bewegung von Elektronen, sondern die von Photonen nutzt. Ziel der Forschung in diesem Bereich ist es, die Rechengeschwindigkeit von Computern weiter zu erhöhen und gleichzeitig den Energieverbrauch zu senken. Im Beitrag wird dargelegt, wie dieser Chip aufgebaut ist und wie sich dessen Herstellung in etablierte Fertigungsprozesse integrieren lässt. Ebenfalls in der Maiausgabe stellen Forscher des Fraunhofer-Instituts IZM vor, welche Chancen der Einsatz von Glas als Substratmaterial zur Integration von Lichtwellenleitern bringt. Die Forscher erläutern, wie sich mit der von ihnen entwickelten Anlage die Ausbreitungsverluste in Lichtwellenleitern mit komplexen Layouts charakterisieren lassen.
Juni: Mit integriertem Licht zu den Computern der Zukunft
Besprochen wird ein Projekt von Forscherinnen und Forschern der TU Braunschweig und der Uni Jena, um Elektronik und Photonik auf einem einzigen Chip zusammenzubringen. Der vielversprechende Werkstoff dazu ist poröses Galliumnitrid. Mit Hilfe eines neuen Ätzverfahrens konnten die Forscher langgezogene, luftgefüllte Poren in das GaN einbringen. So werden Wellenleiter mit komplexer optischer Lichtführung denkbar. Der Vorteil: GaN und der etablierte Prozess der LED-Herstellung sind kompatibel. Dies eröffnet die Möglichkeit, elektronische und photonische Schaltkreise zu integrieren.
Juli: Verbindungstechnik mit Nanodrähten für hochintegrierte Chips
Mitarbeiter des Fraunhofer IZM in Dresden und Partner aus Wissenschaft und Industrie haben eine Verbindungstechnologie weiterentwickelt, mit der 100 nm bis 1 µm dünne Drähte aus Kupfer auf 300 mm-Siliciumwafern erzeugt werden können. Die Forscher beschreiben, wie die nm-Drähte auf dem Si-Wafer hergestellt werden. Mittels Bondtechnik bei Raumtemperatur lässt sich mit diesen sehr dünnen Drähten die elektrische Verbindung herstellen. Der Flächenbedarf für die Verbindungen ist bei dieser Technologie wesentlich geringer als z. B. in der etablierten Flip-Chip-Technik.
August: Dynamische zweidimensionale kovalente organische Netzwerkverbindungen für schaltbare Quantenzustände
Kovalente organische Netzwerkverbindungen (COFs – covalent organic frameworks) sind strukturierte poröse Materialien aus organischen Molekülen, die durch kovalente Bindungen zu einem Netzwerk verknüpft sind. Mit diesen Strukturen lassen sich funktionale Materialien mit molekularer Präzision herstellen, da sich deren strukturelle, optische und elektronische Eigenschaften gezielt züchten lassen, was ein wesentlicher Schritt in Richtung schaltbarer Quantenzustände ist. Einem Forschungsteam der TU Dresden ist es gelungen, eine Designstrategie zu entwickeln, mit welcher die Materialien ihre Poren schrittweise und kontrolliert öffnen und schließen können. So konnten z. B. die lokale Geometrie und verschiedene optische Eigenschaften reversibel verändert werden.
November: Glaskernsubstrate als Träger für Hochleistungshalbleiter
Der Beitrag zeigt, welche Substratmaterialien in der Hochleistungselektronik für Halbleiter-Dies eingesetzt werden können. Insbesondere Glaskernsubstrate und ihre Vorteile werden untersucht. Der Artikel geht auf Eigenschaften des Glases, die dem Einsatz noch im Wege stehen, und auf erfolgversprechende Lösungsansätze ein.
Branchenübergreifende Entwicklungen in der aktuellen industriellen Produktion
April: Europäisches Projekt zur Rückverfolgbarkeit für Batterierohstoffe
Vorgestellt wird ein Projekt mit dem etwas sperrigen Namen ‚MaDiTraCe'. Es setzt sich zum Ziel, nachhaltige und transparente Lieferketten für mineralische Rohstoffe auf der Grundlage allgemein anerkannter ESG (Environment/Social/Governance)-Standards zu gewährleisten und technologische Lösungen für die Rückverfolgbarkeit und Zertifizierung der Lieferketten in einem ‚Digital Product Passport' zu integrieren. Betrachtet werden Rohstoffe, welche für die Energiewende wichtig sind: Cobalt, natürlicher Graphit und Neodym.
August: Digitale Datenräume auch für kleine und mittlere Unternehmen
Der Beitrag zeigt auf, welche Möglichkeiten sich für Unternehmen ergeben, gemeinsam unternehmensübergreifende digitale Datenräume nutzen. Besonders angesprochen werden Fertigungsunternehmen, die u. a. digitale Zwillinge ihrer Fertigung in den Datenräumen erstellen können.
Oktober: Industrie 5.0. – unsinnig, unabdingbar oder unvermeidlich
Diese provokante Frage wird von Prof. Volker Banholzer von der TH Nürnberg im letzten Abschnitt seines interessanten Artikels beantwortet. Er erläutert zunächst, dass KI und Machine Learning neue Ansätze in der Industrie einfordern. In fünf Schritten untersucht er die Notwendigkeit von Industrie 5.0. Im ersten Schritt stellt er dar, warum gerade gesellschaftliche Kommunikation über aktuelle Entwicklungen, z. B. über Nanotechnologie und KI, unabdingbar ist, um in der Gesellschaft diese Entwicklungen zu bewerten. Im nächsten Schritt erläutert Prof. Banholzer, welche Grundidee hinter Industrie 4.0 steckt und warum sich viele Ideen, die hinter einer Entwicklung stehen, zu einem Begriff verdichten lassen. Mit dem Begriff Industrie 4.0 sei dies auch gelungen. Im Folgenden wird untersucht, ob die in Deutschland unter dem Begriff Industrie 4.0 entstandene Entwicklung auch als Exportschlager betrachtet und als Vorbild definiert werden kann. Im vierten Abschnitt wird die Entwicklung hin zu Industrie 5.0 beschrieben. Prof. Banholzer benutzt hier allerdings den englischen Begriff Industry 5.0, um auf den gesamteuropäischen Charakter der Entwicklung aufmerksam zu machen. Als treibender Faktor wird die sogenannte grüne Lücke aufgegriffen, also eine Verbreiterung der industriellen Basis jenseits von Öl- und Gasindustrien. Prof. Banholzer erläutert die unterschiedlichen Ansätze von Industrie 4.0 und Industry 5.0 und geht auf die Rolle der EU-Kommission ein. Im fünften Punkt wird begründet, warum Industry 5.0 nicht nur ein politisches Konzept, sondern auch für Unternehmen bedeutsam ist.
