Anwendungsbereiche

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Im Nutzen gefertigtes MEMS-Package.
Im Nutzen gefertigtes MEMS-Package.

Elektronische Bauelemente und Komponenten

 

Mit den wachsenden Anforderungen der Endanwender steigt der Bedarf an Komponenten, die bei zunehmender Integrationsdichte und Miniaturisierung auch unter widrigen Einsatzbedingungen höchste Zuverlässigkeit und Lebensdauer gewährleisten. Keramische Bauelemente bieten durch ihre spezifischen physikalischen Eigenschaften herausragende Vorteile für Hochfrequenz- und Hochtemperaturanwendungen. Das Fraunhofer IKTS entwickelt kundenspezifische Lösungen für feste und flexible Substrate, passive Bauelemente und integrierte Schaltungen. Eine Spezialität sind dabei polymerkeramische Kompositwerkstoffe, die die Verarbeitbarkeit von Kunststoffen mit keramiktypischen Eigenschaften wie Beständigkeit und Temperaturfestigkeit verbinden. Sie eignen sich besonders für hoch belastbare Bauteil- und Systemverkapselungen.

Sensorknoten als MEMS integriert in CFK-Struktur.
Sensorknoten als MEMS integriert in CFK-Struktur.

Sensoren und Sensorsysteme

 

Das Fraunhofer IKTS bietet komplette Sensorlösungen aus einer Hand für die chemische, elektrochemische, elektrische, thermische, akustische, elektromagnetische, mechanische und optische Sensorik. Ausgehend von der Synthese funktionskeramischer Werkstoffe oder der Verarbeitung kommerzieller Werkstoffe entwickelt das Fraunhofer IKTS Sensorkomponenten für Anwendungen in der Chemie-, Verfahrens-, Umwelt-, Energie- und Prüftechnik. Je nach Anforderung können die Sensorkomponenten für einen oder mehrere Parameter mit angepasster Auswerteelektronik versehen und in die jeweilige Systemumgebung integriert werden. Das Fraunhofer IKTS unterstützt Kunden und Projektpartner entlang der gesamten Prozesskette von der Werkstoffsynthese und -anpassung bis zur Integration des Gesamtsystems in bestehende Prozess- und Anlagenstrukturen.

Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Industrie- und Automobilsensorik sowie der zerstörungsfreien Prüfung von Metallen, Keramiken und Verbundwerkstoffen wie kohlefaserverstärkten Faserkompositen. Es besteht eine langjährige Kompetenz in der Auslegung hochtemperaturfähiger Sensorlösungen auf Basis keramischer Substrate.

Größenvergleich eines LTCC-MEMS-Packages.
Größenvergleich eines LTCC-MEMS-Packages.

Mikrosysteme

 

Keramische Packaging-Lösungen bieten durch hohe Temperaturbeständigkeit, mechanische Belastbarkeit und die Möglichkeit zur Fertigung im Nutzen eine ideale Integrationsplattform für mikrooptische, mikroelektromechanische (MEMS) und Sensorsysteme. Durch Hinzufügen von Aktoren, Heiz- und Kühlelementen, Fluidelementen und anderen Funktionalitäten eröffnen sich völlig neue Anwendungsgebiete für hochintegrierte Produkte. Mittels modernster Dickschicht-, Multilayer- (HTCC, LTCC) und Dünnschichttechnologien können diese dreidimensional integriert und bis auf Wafer-Level miniaturisiert werden. Darüber hinaus ist die komplette Einbettung dieser Sensoren in Strukturbauteile möglich.

Piezokeramische Aktorplattform für ebenen Hub.
Piezokeramische Aktorplattform für ebenen Hub.

Intelligente Materialien und Systeme

 

Funktionalität verlangt nicht zwingend Komplexität. Das Fraunhofer IKTS befasst sich mit smarten Systemen, bei denen verschiedene Komponenten in einem Gesamtsystem integriert sind. Steuerbare Funktionen können jedoch auch direkt vom Werkstoff ausgeführt werden. Dafür untersuchen die Mitarbeiter am Fraunhofer IKTS außergewöhnliche physikalische Materialeigenschaften. Solche sogenannten »intelligenten Materialien« können selbständig auf physikalische Parameter reagieren, elektrische und mechanische Funktionalität verbinden und so zum Beispiel auf engstem Raum mechanische Bewegungen ausführen. Diese Eigenschaften lassen sich exzellent für die Mikrofluidik, Optik und Lasertechnik sowie für mikromechanische Systeme nutzen. Am Fraunhofer IKTS werden solche Werkstoffe entwickelt, umfangreich charakterisiert, an Bauteilen erprobt und in Komponenten und Systeme integriert.

Röntgentomographie von 3D-gestapelten Bauelementen (Through-Silicon-Vias).
Röntgentomographie von 3D-gestapelten Bauelementen (Through-Silicon-Vias).

Materialkennwerte und Zuverlässigkeit

 

Die Zuverlässigkeit von nano- und mikroelektronischen Systemen wird zur zentralen Herausforderung, wenn Entwicklungszyklen sich verkürzen und die Komplexität auf Bauteil- und Systemebene steigt. Am Fraunhofer IKTS werden funktional und heterogen integrierte Systeme der Nano- und Mikroelektronik sowie Mikrosystemtechnik untersucht und evaluiert. Im Zentrum steht dabei die Bestimmung von Werkstoffkennwerten auf unterschiedlichen Skalen mit mechanischen und thermischen Prüfverfahren sowie hochauflösender Mikroskopie. Darauf basiert die nachfolgende Ableitung von Designregeln für robuste Komponenten. Anhand einer großen Bandbreite an In-situ-Messverfahren können spezifische Material- und Verbindungsanforderungen in Echtzeit evaluiert und optimiert werden, um geeignete Kennwerte für die Simulation bereitzustellen. Das so gewonnene Wissen über Materialien und Verbindungstechnologien, Degradations- und Ausfallmechanismen bildet die Grundlage für eine verbesserte Zuverlässigkeit.

Drucktinten und flexible Elektronik

 

Flexible Substrate aus Polymeren sind eine zunehmend wichtige Plattform für den Aufbau elektronischer Schaltungen und die Integration von Mikrosystemen. Die begrenzte Temperaturbeständigkeit von max. 200 °C erfordert es, niedrigsinternde Tinten für Metallisierungs- und Funktionsschichten aufzutragen. Dazu werden Techniken wie Sieb-, Inkjet- oder Aerosoldruck angewandt. Das Fraunhofer IKTS bietet dafür Nano-Suspensionen aus verschiedensten Materialien wie Ag, Au, Pt, Cu, ITO, CNT oder Graphen. Die Prüfung der Schichten bezüglich Haftung, Leitfähigkeit und Bondbarkeit erfolgt mit serientauglichen und produktionsnahen Methoden.