TechBlog des Fraunhofer ISIT

Acht Milliarden Geräte waren Ende 2019 mit dem Internet der Dinge verbunden, ohne PCs, Laptops oder Smartphones. Tendenz stark steigend: Im Jahr 2025 sollen es bereits 20 Milliarden sein. „Eine große Herausforderung, die in den nächsten 20 Jahren vor uns liegt, ist die Reduzierung des Energieverbrauchs des Internet der Dinge durch die Gestaltung von Devices, die jede denkbare Energiequelle wie Vibration, Wärme und Licht nutzen“, resümiert der Experte Professor Dauskardt von der Stanford University. Neben dem Internet der Dinge gibt es viele weitere Anwendungsfälle, in denen Geräte autark arbeiten müssen, zum Beispiel in der Medizintechnik oder smarten Wearables. Energie aus Licht mit Solarzellen zu „ernten“ ist längst auch in großem Maßstab üblich. Bei direktem Lichteinfall in einer Außenumgebung ist dies auch eine hervorragende Energiequelle, wie die Grafik zeigt. Doch in anderen Einsatzumgebungen ohne direktes Sonnenlicht müssen andere Quellen wie mechanische Schwingungen oder elektro-magnetische Strahlung erschlossen werden, um Mikrokomponenten mit Energie zu versorgen oder aus einem verlustfreien Stand-by aufzuwecken (zero power stand-by).

Klingt ein wenig aus vergangenen Tagen, ist aber im Zeitalter künstlicher Intelligenz, autonomen Fahrens und Quantencomputern immer noch der erste Schritt, wenn es darum geht, beim Aufbau bzw. der Umsetzung eines applikationsnahen Demonstrators eine erste Idee zu realisieren, ein Stück Papier und etwas zu schreiben. Diese Skizze ist Grundlage für das weitere Vorgehen bei der Konstruktion. Auf Basis dieser Idee folgt der Einsatz eines 3D Modells, um dem Ganzen genaue Konturen zu geben, die Abmaße zu fixieren, weitere innovative Aspekte einzubringen und nicht zuletzt um den grundlegenden Aufbau für das Entwickler-Team visualisierbar und vorstellbar zu machen. Bereits in diesem Stadium lassen sich frühzeitig Fehler erkennen und entsprechend natürlich vermeiden.

Ein Schwerpunkt am Fraunhofer ISIT bildet die Entwicklung von hochminiaturisierten MEMS-Lautsprechern u. a. für Augmented Reality, Hearables, drahtlose Kopfhörer und Hörgeräte. Neben der Entwicklung und Fertigung der eigentlichen MEMS-Komponenten liegt ein zentraler Aspekt in der Realisierung geeigneter Ansteuerelektroniken. In der Gruppe "Akustische Systeme und Mikroantriebe" wurde hierfür ein neues Development-Kit entwickelt.

Berührungslos Temperaturen messen: Infrarot-Wärmesensoren ermöglichen dies, indem sie die Wärmestrahlung eines Objektes in eine elektrische Spannung umwandeln. Im BMBF-geförderten Projekt „Miniaturisierte Infrarot-Sensorsysteme“ (MIRS) hat das Fraunhofer ISIT mit seinen Partnern neue Technologien entwickelt, die hochwertige Sensorik für die Massenfertigung erschwinglich machen. Anwendungsfelder sind beispielsweise Spot-Thermometer zum Fiebermessen per Smartphone, kostengünstige In-Ohr Thermometer oder Sensoren zur Personendetektion.

Im Bereich der Wafer-Messtechnik werden im Rahmen von Kundenaufträgen und Forschungsprojekten an Bauteilen oder Strukturen eines Wafers elektrische Messgrößen wie z.B. Widerstände, Kapazitäten, Induktivitäten oder Resonanzfrequenzen ermittelt. Mit zuvor spezifizierten „Erwartungswerten“ dieser Messgrößen kann eine Prozess- bzw. Endkontrolle der Wafer erfolgen, bevor diese an den Kunden ausgeliefert oder im Reinraum weiter prozessiert werden.

Zur Qualitätsbeurteilung elektronischer Aufbauten und Komponenten werden hauptsächlich metallographische Querschliffe angefertigt, um Details im Mikrometerbereich verlässlich darstellen zu können. Diese Querschliffe zeigen jedoch von der eigentlichen Verbindung immer nur einen Teilbereich der Fügezone. Für die Analyse interessant sind z. B., Materialzusammensetzung, Gefügeaufbau, Verteilung von Phasenbestandteilen, sowie Inhomogenitäten wie Lunker, Hohlräume und Risse. Es ist jedoch schwierig, größere Flächen von Fügezonen mit Schichtdicken von wenigen Mikrometern planparallel zu präparieren.

Erhöhte Zuverlässigkeit durch verbesserte Anlieferqualität und Fertigungsprozesse.

Fortschrittliche Fehleranalyse stellt die Grundlage für Qualität, Zuverlässigkeit und garantierte Funktion elektronischer Produkte im Produktlebenszyklus dar.

Das Fraunhofer ISIT betreibt Fertigungslinien zur Bearbeitung von Silizium mit einer sehr hohen Genauigkeit. Diese präzisen Verfahren konnten inzwischen erfolgreich auf die Formgebung an verschiedenen Gläsern übertragen werden. Dieses innovative Verfahren des hochviskosen Glasfließens erlaubt dem kostengünstigen Herstellen präziser optische Komponenten auf Waferebene.

Die Forschungsgruppe Batteriesysteme für spezielle Anwendungen des Fraunhofer-Instituts für Siliziumtechnologie ISIT versteht sich als Forschungs- und Entwicklungspartner für alle, die wiederaufladbare Lithium-Ionen Zellen in Anwendungen einsetzen wollen, aber aufgrund gegebener Bedingungen keine “Batterien von der Stange“ verwenden können. Die Forscherinnen und Forscher des ISITs designen maßgeschneiderte Zellen, die exakt auf die Bedürfnisse des Kunden zugeschnitten sind. Aufgrund der etablierten Fertigungstechnologie können sogenannte Pouch-Zellen in einem weiten Bereich unterschiedlichster Formen und Größen realisiert werden, sodass die Zelle dem zur Verfügung stehenden Raum im Gerät angepasst ist. Auch der Betrieb von akkugetriebenen Anwendungen bei extremen Temperaturen (-20 bis 150 °C) oder Drucken (>600 bar) stellen eine Herausforderung dar, die Zellen made by ISIT leisten können.

Die Einpresstechnik ist eine spezielle Verbindungstechnik zur lötfreien Kontaktierung zwischen Leiterplatten und mechanischen Verbindungselementen wie Steckern oder Leistungsanschlüssen. Die Vorteile der Einpresstechnik sind die recht einfache, lötfreie Montage (wegfallende Temperaturbelastung der Anschlusskomponenten), hohe Haltekräfte, gasdichte elektrische Kontaktierung sowie keine Lötartefakte (wie z.B. durch Lotreste, Lotkugeln, Lotbrücken, Flussmittelrückstände oder ungenügenden Lotdurchstieg). Zusätzlich ist generell eine Reparatur- und Recyclingfähigkeit gegeben.