Projekte

Robuste sensorische Mikrosysteme

Ausgangssituation

Die am Fraunhofer IZFP Dresden neu gegründete Abteilung ordnet sich in das Geschäftsfeld Mikroelektronik / Mikrosystemtechnik / Nanotechnologie ein. Die Mitarbeiter untersuchen zentrale Fragen der Zuverlässigkeit von elektronischen Systemen. Elektronische Systeme begleiten uns z. B. in Form von mobiler Elektronik in Textilien, Überwachungssensoren für Trägerstrukturen oder Telekommunikationssystemen. Alle Elektroniksysteme haben den Einsatz von integrierten Schaltkreisen und den heterogenen Materialaufbau gemeinsam. Das Verlangen nach Steigerung der Integrationsdichte gepaart mit der Einbindung von unterschiedlichen Funktionen auf einem Chip und die Miniaturisierung führen zur Erweiterung der Funktionselemente in die dritte Dimension.

Abb. 1: Schema eines 3D-Packages

Der Trend zur heterogenen 3D-Systemintegration wird durch den Bedarf an neuen Funktionswerkstoffen und neuen Technologieentwicklungen begleitet. Die Entwicklungsarbeiten bis zum fertigen elektronischen Package können nur erfolgreich sein, wenn die Eigenschaften der Werkstoffe im Materialverbund ausreichend charakterisiert wurden. Folglich besteht eine Kernherausforderung darin, die Eigenschaften bis in den Nanometerbereich zu bestimmen.

Systemlösungen mit hoch integrierter, miniaturisierter Elektronik werden vom Markt in einer Vielzahl von Produkten nachgefragt. Sie finden z. B. in Überwachungssensoren für die Tragwerkstrukturen im Flugzeug Einsatz und ermöglichen, dass bei gleichbleibender Sicherheit leichter gebaut bzw. eine Struktur länger genutzt werden kann. Die vielfältige Verwendung von Sensorik und Elektronik in Produkten unserer Umwelt hat zur Folge, dass der Bedarf an langlebiger Elektronik und damit deren Zuverlässigkeit steigt. Denn die »kleinen Helfer« müssen mindestens die Lebensdauer bieten, wie das Element, in dem sie integriert sind.

Abb. 2: Flexible CIGS-Solarmodule auf einem PKW-Dach (Quelle: Solarion AG)

Aufgabenstellung

Um Elektronik / Sensorik zuverlässig auslegen zu können, müssen vom Beginn der Entwicklung die Aspekte der Umweltverträglichkeit berücksichtigt werden. Die Methoden des »Design for Reliability« umfassen die Betrachtung des gesamten Systems inklusive des Einbauortes. Für die Auslegung robuster Systeme ist die Wahl geeigneter Werkstoffe teilweise mitentscheidend und wird durch die Materialcharakterisierung gestützt. Der innere Aufbau der Elektronik / Sensorik und die Art der Ankopplung an die Umgebung werden mit Hilfe numerischer Berechungen konzipiert. Dadurch lassen sich Sensorkonzepte und Aufbauvarianten bewerten und Technologien für die Aufbau- und Verbindungstechnik ableiten. Über die Zuverlässigkeitsanalysen lässt sich die Robustheit realer elektronischer Baugruppen überprüfen. In umfangreichen Zuverlässigkeitstests, u. a. klimatischen Tests, mechanischen Prüfungen, Vibrationstests oder Hochstrombelastungen, werden die Baugruppen den für sie relevanten Umweltbelastungen ausgesetzt. In enger Zusammenarbeit mit der Abteilung Mikro- und Nano-ZfP finden Schadensanalysen über die »Physical Failure Analysis« (PFA) in Form von Röntgentomographie, REM / FIB- und TEM-Untersuchungen statt. Darin erkennt man die Fehlerursachen, die es zu verstehen und zu vermeiden gilt.

Wenn die reale Baugruppenbelastung geprüft werden soll, sind oft spezielle Prüfvorgänge notwendig. Die Abteilung entwirft spezifische Mess- und Prüfsysteme für mechanische, thermische und elektrische Prüfungen an sensorischen und elektronischen Baugruppen.

Daraus resultiert die Gliederung der Abteilung nach vier Arbeitsschwerpunkten:

  • mikro-/nanomechanische Materialcharakterisierung,
  • Finite-Elemente-Berechnungen,
  • Zuverlässigkeitsanalyse,
  • angepasste Prüfsysteme.

Abb. 3: Piezo-US-Wandler auf GFK montiert für SHM-Anwendungen

Aktuelle Arbeiten

Die Fa. Solarion AG entwickelt hochflexible Dünnschichtsolarmodule für den mobilen Einsatz in Textilien (z. B. Zeltbahnen, Jacken) oder zur Applikation auf gekrümmten Oberflächen (z. B. Segelflugzeug, Automobil). Dabei verschaltet sie CIGSSolarzellen mit Technologien der Aufbau- und Verbindungstechnik zu Modulen, welche abschließend in hochelastisches Polymer verkapselt werden. Das IZFP leistet Beiträge in der Auswahl der Werkstoffe für die Verkapselung, analysiert und bewertet die Kontaktierstellen nach Belastungstests und trägt dadurch entscheidend zur zuverlässigen Auslegung der Module bei.

Abb. 4: Netz eines SMD-Kondensators

Die Luftfahrtindustrie ist an Strukturüberwachungssensorik auf Basis von Ultraschallverfahren interessiert. Die Fügestelle zwischen dem Ultraschall-Wandler-Mikrosystem und der GFK-Struktur bildet ein Epoxidharz. Dessen mechanisches Materialverhalten beeinflusst signifikant die Schallausbreitung über der Koppelstelle. Sowohl die Temperatur als auch die Materialdegradation über dem Anwendungszeitraum bedingen das mechanische Verhalten. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, Einflüsse der Klebestelle auf das Langzeitverhalten des Mikrosystems zu untersuchen.

Weichlotwerkstoffe sind nach wie vor das bevorzugte Verbindungsmaterial zur elektrischen und mechanischen Kontaktierung von elektronischen Bauelementen. Sowohl die Lothersteller als auch die Anwender zeigen Bedarf an der genauen thermisch-mechanischen Charakterisierung (z. B. des Kriechverhaltens). Diese Daten sind Grundvoraussetzung zur Lebensdauerabschätzung von Baugruppen mittels moderner numerischer Berechnungsverfahren.