TechBlog des Fraunhofer ISIT

Die Verarbeitung miniaturisierter diskreter Halbleiter stellt den SMD-Fertigungsprozess vor neue Herausforderungen. Am Beispiel von Dioden der Größe 01005 (0,4 x 0,2 mm²) mit verdeckt liegenden Anschlussflächen (sogenannten Bottom Termination Components = BTC) werden im Rahmen einer Auftragsarbeit verschiedene Aspekte eines Baugruppenfertigungsprozesses beleuchtet. Die Ergebnisse fließen in die „Application Note“ des Bauelemente-Herstellers und helfen dem Anwender seinen Verarbeitungsprozess zu optimieren.

Wasser wird seit langem mit Chlor und UV-Strahlen desinfiziert, aber auch Ozon tötet Keime ab. Bislang wird Ozon als Oxidationsmittel bei großen Wasseraufbereitungsanlagen eingesetzt. Ein Projektkonsortium aus Schleswig-Holstein entwickelt nun einen miniaturisierten Ozon generator für zum Beispiel Getränkeautomaten oder Klein- und Haus haltsgeräte. Die Wissenschaftler vom Fraunhofer-Institut für Silizium technologie ISIT steuern den Sensorchip und die Elektrodensubstrate der Elektrolysezelle bei.

Am Fraunhofer ISIT wurde in der Arbeitsgruppe Modul-Services des Geschäftsfeldes Mikro-Fertigungsverfahren im Rahmen einer Abschlussarbeit zur Ausbildung eines Mikrotechnologen die Taktzeitverkürzung an einem Konvektionslötofen unter Qualitätswahrung realisiert.

Materialscreening, Prozessentwicklung und Maschinenqualifizierung sind typische Szenarien für den Einsatz von Testwafern. Während Produktwafer meist teuer und schwer zu beschaffen sind, lassen sich Testwafer kostengünstig produzieren und auf die jeweiligen Anforderungen maßschneidern. Neben standardisierten Komponenten für typische Anwendungen bietet das ISIT auch kundenspezifischen Lösungen an.

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.