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Um elektronische Komponenten kostensparend und direkt in Bauteile zu integrieren, werden dreidimensionale Oberflächen mit elektronischen Strukturen (Elektroden, Antennen, Heizstrukturen, Sensoren) bedruckt. Ein Roboterarm, der mit einem Druckkopf ausgestattet ist, bringt leitende oder isolierende Tinten auf verschiedenste Oberflächenmaterialien und -formen auf.
Das steckt dahinter: Auf eine Aluminiumscheibe werden zuerst mit einem Laser die Gräben strukturiert, in die man anschließend isolierende und leitfähige Materialien für die Leiterbahnen druckt. Danach werden die LEDs kontaktiert und schließlich die flache Aluminiumscheibe zu einer 3D-Struktur umgeformt. Die Herausforderung besteht darin, die Leiterbahnen auf der flachen Oberfläche so aufzubauen, dass nach dem Umformprozess alle Komponenten unbeschädigt und voll funktionsfähig sind. Dieser Prozess ermöglicht der Autoindustrie Bauteile so herzustellen, dass diese direkt mit allen nötigen Komponenten ausgestattet sind. Statt schwerer Kabelbäume können nun leichte gedruckte Kabel Verwendung finden, die das Gewicht reduzieren und dadurch kraftstoffsparend sind. Ein Entwicklungsbeispiel aus dem Fraunhofer-Leitprojekt »Go Beyond 4.0«.
Das steckt dahinter: Stromleitende Strukturen, Elektroden sowie ganze Schaltungsträger werden auf Folien gedruckt und später mit elektronischen Komponenten (Widerstände, Kondensatoren; ICs, …) ergänzt. Diese können beispielsweise zum Aufbau eines Sensorsystems genutzt werden. Die Herstellung solcher flexiblen Elektronikkomponenten erfolgt über ein Inkjet-Drucksystem, in dem Folienbahnen auf Rollen laufen. Über einen Druckkopf werden Tinten, die kleinste Metallpartikel enthalten, auf die Folien aufgedruckt und anschließend mit z.B. Wärme nachbearbeitet, um die Tinten leitfähig zu machen. Den so gedruckten Strukturen sind dabei kaum Grenzen gesetzt, sodass selbst Logos oder Bilder entstehen können.
Was steckt dahinter: Beim Aufbau von Mikrochips werden Siliziumscheiben – sogenannte Wafer – miteinander verbunden. Diesen Prozess nennt man Waferbonden. Die Verbindung kann durch unterschiedliche Methoden erfolgen und benötigt in einigen Verfahren Zwischenschichten aus Metall oder Glaspaste. Wenn die Zwischenschichten nicht vollflächig benötigt werden, sondern sich als viele kleine Rahmen auf der Waferoberfläche verteilen, kann der Siebdruck eingesetzt werden. Dabei werden pastenartige Tinten durch Metall- oder Polymersiebe – Schablonen auf denen mikrometergroße Strukturen abgebildet sind – gedrückt, die dann auf der Waferoberfläche das Muster der Schablone abbilden. Das Gelingen dieses Prozesses hängt von vielen Parametern, wie der Größe der Schablonenöffnungen, der Schablonendicke, den Siebdimensionen oder der Tintenviskosität sowie den Partikelgrößen, Binder und Lösemittel, ab. Am Fraunhofer ENAS wird erforscht, wie minimal die druckbaren Strukturen sein können und wie man die Tinten im Druckprozess handhaben muss, um die kleinsten Strukturgrößen zu erreichen.
Das steckt dahinter: Memristoren sind passive KI-Hardware-Bausteine mit neuartigen Funktionalitäten für die Vertrauenswürdige Elektronik und für die Sensornahe Datenverarbeitung, welche typischerweise in Crossbar-Strukturen angeordnet werden. Klassische, auf der Silizium-Technologie beruhende, digitale KI-Hardware-Bausteine stoßen bezüglich Latenz, Genauigkeit, Platzbedarf, Datendurchsatz, Energieeffizienz, CO2-Footprint und Lernrate an Grenzen, die sich auch durch die Weiterentwicklung von Software nicht oder nur mit äußerst großem Aufwand überwinden lassen werden. Am Fraunhofer ENAS werden analoge KI-Hardware-Bausteine basierend auf Bismut-Eisenoxid (BFO)-Dünnfilmen in der erforderlichen Qualität für die analoge Datenverarbeitung und analoge Datenspeicherung entwickelt. Die BFO-Memristoren sind aufgrund ihrer Elektroformierungsfreiheit grundsätzlich vorteilhaft für die Verwendung in Crossbar-Strukturen.
Das steckt dahinter: In mikrofluidischen Bauteilen werden kleinste Mengen von Flüssigkeiten oder auch Gasen manipuliert. Hierzu werden auch integrierte Mikropumpen verwendet. Die mikrofluidischen Komponenten sind dann Bestandteile von portablen Analysesystemen, z. B. Schnelltests, wie sie im Gesundheitswesen, in der Veterinärmedizin oder auch Lebensmittelkontrolle eingesetzt werden. Grundlage mikrofluidischer Systeme ist das besondere Verhalten von Flüssigkeiten in kleinen Kanälen, welches teilweise zu schnelleren Reaktionen und einzigartigen Phänomen führt. Die kleinen Kanäle und Strukturen werden am Fraunhofer ENAS unter anderem mittels Lasertechnik in das Polymer strukturiert.
Das steckt dahinter: Jede Halbleiterfertigung braucht zahlreiche Messungen zur Sicherstellung der Produktqualität. Noch wichtiger ist das Messen in Forschungsumgebungen, wo neue Produkte und Technologien entstehen. Das Bild zeigt eine Wafergeometrie-Messung mittels chromatischen Weißlichtsensoren nach dem Schleifen und Polieren der Wafer. Der Wafer wird dabei in Hochgeschwindigkeit von mehreren Sensoren abgerastert und es werden alle wesentlichen Geometrieparameter erfasst.
Das steckt dahinter: Parylene ist ein Polymer mit vielen nützlichen Eigenschaften, die für die Verkapselung von Systemen notwendig sind. Das Material ist zum Beispiel kompatibel mit biologischem Gewebe, beständig gegenüber vielen auch aggressiven chemischen Stoffen, luft- und wasserundurchlässig sowie optisch transparent. Als dünner Kunststofffilm kann es aus der Gasphase bei Raumtemperatur auf 3D-Oberflächen oder auch als flexible Folie abgeschieden werden. Setzt man Flüssigkeiten zwischen die einzelnen Schichten einer solchen Folie und scheidet darüber weitere Schichten ab, entstehen optische Linsen, die als flexible Bauelemente verwendet werden können.
Das steckt dahinter: Mikrochips aus Silizium werden auf sogenannten Lead-Frames (metallische Leitungsträger in Form eines Rahmens) befestigt, um die Chips auf isolierenden Träger oder in Gehäusen montiert und kontaktieren zu können. Für Leistungselektronik, die zum Beispiel in Elektrofahrzeugen eingesetzt wird, werden am Fraunhofer ENAS neue Konzepte entwickelt und Materialien erprobt, um zuverlässige Verbindungen zwischen Chip, Rahmen und Trägermaterial zu gewährleisten. Die Chips werden mit unterschiedlichen Packaging-Verfahren wie Drucken oder Bonden (Verbinden) auf die Rahmen aufgebraucht. Die dabei verwendeten Stoffe sind polymer- oder metallbasierte Materialien, wobei mit gesinterten Mikro- oder Nanopartikel auf Silber-, Kupfer- oder Goldbasis die beste Temperaturstabilität und Zuverlässigkeit der Verbindung erreicht wird.
Das steckt dahinter: Das Beschichten von Halbleitersubstraten in einem Rotationsvorgang wird genutzt, um zähfließende Flüssigkeiten wie Fotolacke oder Reinigungsmittel auf die Oberfläche aufzubringen. Wichtig ist eine homogene Verteilung der Flüssigkeit und das Erreichen einer bestimmten Schichtdicke. So werden z.B. die Halbleitersubstrate – sogenannte Wafer – für die Fotolithografie und nachfolgende Strukturierung vorbereitet. Auch die Aufbringung funktionaler Schichten kann auf diese Weise erfolgen.
2020 entstanden diese wissenschaftlich-technischen Aufnahmen am Fraunhofer ENAS, als Ines Escherich die Forschungsarbeiten am Institut aus ihrer fotografischen Sicht interpretierte.
© Ines Escherich
Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme
