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INHALTE

Wachstumskern HIPS (High Performance Sensors)

Ziel des Wachstumskerns HIPS (High Performance Sensors) ist die Entwicklung und gemeinsame Vermarktung neuartiger, robuster, hochintegrierter Sensoren auf Basis einer einzigartigen Verbindung von Siliziumtechnologie und keramischer Mehrlagentechnik (SiCer). Das Silizium wird dazu dauerhaft und auf Waferlevel mit dem keramischen Träger verbunden. Durch die Verknüpfung der Vorteile beider Technologiewelten entsteht eine neue, unikale Technologieplattform für eine Vielzahl unterschiedlicher Sensoren mit großer Anwendungsbreite.

Im Bündnis HIPS arbeiten 12 regionale Unternehmen, 7 Forschungseinrichtungen und 5 assoziierte Partner aus dem Thüringer Technologiedreieck Jena/Hermsdorf-Erfurt-Ilmenau zusammen. In diesem Verbund sind die Partner erstmals in der Lage, umfassende Lösungen zu Hochleistungssensoren anzubieten, die in SiCer-Form bisher weltweit noch nicht verfügbar sind. Zielstellung ist die Entwicklung von innovativen Materialien, Verfahren und Bauelementen auf dieser neuen Technologieplattform, die vielfältig eingesetzt werden können und damit die Voraussetzung für die breite Erschließung neuer Anwendungsfelder der Sensorik (Abb. 1) schaffen.

 

Prinzipielle Vorgehensweise bei der Herstellung eines SiCer-Systems (Abb. 2):

Nach dem Vorprozessieren beider Substrat-Layer (Silizium und LTCC-Grünfolien) werden diese zueinander ausgerichtet und gestapelt. Das anschließende Laminieren und Sintern (900 °C) führt zu einem quasimonolithischen Verbundsubstrat (SiCer). Dieses kann dann mit MEMS-Technologien weiterprozessiert werden. Eine nachfolgende Prozessierung mit Technologien der Aufbau- und Verbindungstechnik nutzt die Fähigkeit/Eigenschaft der LTCC als keramischen Schaltungsträger um Teile der Sensorelektronik (Primärelektronik) direkt am Messwandler (kurze, vertikale Leitungswege) zu integrieren. Gleichzeitig kann bei Bedarf eine Häusung realisiert werden.

Damit steht  ein Materialverbund zur Verfügung, bei dem eine Vielzahl von Werkstoffen sowie Mikro- und Nanostrukturen monolithisch in die LTCC oder auf die Silizium-Seite des Substrates integriert werden können. Die thermische Anpassung des Systems erlaubt damit sowohl die Nutzung von Hochtemperartur-Prozessen in der Fertigung als auch einen Einsatz des fertigen Systems unter Hochtemperatur-Bedingungen bis mindestens 600 °C. Damit ergeben sich folgende Vorteile für SiCer-Sensoren:

  • Hohe Funktionsintegration (Multisensoreigenschaften) durch Verknüpfung von Silizium- und LTCC-Technik
  • Robustheit durch Trägerfunktion der LTCC-Keramik und hohe Bondfestigkeit zwischen LTCC und Silizium: bis zu 5000 N/cm²
  • Inertheit durch gasdichtes Bondinterface (He-Dichtheit <1,1·10-8 mbar·l/s)
  • Kompatibilität zu Dünnschicht- und MEMS-Prozessen (Standardanlagen)
  • Kostengünstig durch Wafer-Level-Packaging
  • Miniaturisierung durch 3D-Aufbau der Sensoren
  • Integrierbarkeit von Fluidkanälen
  • Temperaturfestigkeit durch anorganische Materialien und robuste elektrische und thermische Vias (bis mindestens 600 °C)
  • Einfaches Wärmemanagement durch extremen Wärmeleitfähigkeitsunterschied des Verbundsubstrats: Silizium: 150 W/(m·K), LTCC: 5 W/(m·K)

Im Rahmen der Forschungsarbeiten an der TU Ilmenau werden drei eng miteinander verknüpfte  Verbundprojekte bearbeitet:

 

VP1: Entwicklung von SiCer-Basistechnologien für Anwendungen in der High Performance Sensorik - SiCer-Basistechnologien

Das Teilprojekt beinhaltet die Erforschung, Weiterentwicklung und Evaluierung der SiCer-Plattform mit dem Ziel, neue Materialien und Funktionselemente  für hochperformante Sensoranwendungen zu erschließen und die dafür erforderlichen Prozesse auf ein Niveau zu heben, mit dem die Umsetzungsstrategie der industriellen Verbundprojektpartner erfüllbar sind. Die TU Ilmenau verfügt im Konsortium über den höchsten Erfahrungsschatz in der Verbundtechnologie SiCer und wird dabei den Technologietransfer an die Partner vorantreiben.

VP2: Entwicklung und Aufbau SiCer-basierter, multifunktioneller Sensorsysteme für den Anwendungsbereich „Flüssigkeitssensorik“

Ziel dieses Teilvorhabens ist die Überführung und demonstratorische Anwendung der SiCer-Technologie in das Design und den Aufbau von Flüssigkeitssensoren. Die unterschiedlichen Materialien, Herstellungstechnologien, Struktur- und Funktionselemente der SiCer-Plattform sollen für verschiedene Themenschwerpunkten (TS) hinsichtlich ihrer Eigenschaften, Anwendungspotentiale und Skalierbarkeit für „High-Performance Flüssigkeitssensoren“ untersucht und angewendet werden. In diesem Teilprojekt gibt es drei Themenschwerpunkte die bearbeitet werden und jeweils unterschiedliche Applikationsbeispiele für multifunktionelle SiCer-Sensorsysteme im Bereich der Flüssigkeitssensorik repräsentieren:

• SiCer-Multi-λ-Sensor für das Wassermonitoring
• SiCer-Feuchte-Sensor für aggressive Umgebungen
• SiCer-Impedanz-Sensor für Durchfluss-Zytometrie und Biofilm-Monitoring

VP3: SiCer-basierte Messaufnehmer für Anwendungen in der Gassensorik

Das Teilprojekt beinhaltet die Entwicklung, technologische Umsetzung und Evaluierung von SiCer-basierenden Sensorelementen für die Gassensorik. Konkret sollen drei prototypische Anwendungen für einen Aufbau in der Verbundsubstrattechnologie SiCer zuerst separat voneinander und danach vereint in einem Sensor-Demonstrator umgesetzt werden. Die Herausforderung im Verbundprojekt liegt in der stark differierenden Spezifik der einzelnen prototypischen Anwendungen Infrarotsensor, Drucksensor und Temperatursensor begründet. In der technologischen Umsetzung des Sensorelements sind jeweils unterschiedliche Prozesse und Prozessfolgen anzuwenden, die sich ggf. gegenseitig beeinflussen bzw. im Extremfall ausschließen könnten (z.B. Hochtemperaturprozesse, die durch Diffusion piezoelektrische Dehnungssensoren wegdriften lassen).

Teilprojektleiter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jens Müller
Wissenschaftliche Mitarbeiter: Dipl.-Ing Michael Fischer, M. Sc. Cathleen Kleinholz, M. Sc. Sebastian Gropp
Projektlaufzeit: 09/2019 - 08/2022
Projektträger: Forschungszentrum Jülich GmbH
Förderung: BMBF - Bundesministerium für Bildung und Forschung

Partner:
Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik e.V. (IBA) Heiligenstadt, CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH (CiS) Erfurt, IFU GmbH (Lichtenau), Ernst-Abbe-Hochschule Jena (EAH) Jena, Friedrich-Schiller-Universität Jena (FSU), Fraunhofer-Institut für Keramische Technolog. und Systeme (IKTS) Hermsdorf, LUST Hybrid-Technik GmbH (LHT) Hermsdorf, Micro-Hybrid Electronic GmbH (MHE) Hermsdorf, Micro-Sensor GmbH (MSE) Hermsdorf, Siegert Thinfilm Technology GmbH (STFT) Hermsdorf, VIA electronic GmbH (VIA) Hermsdorf, 5microns GmbH (5M) Ilmenau, Ilmsens GmbH (ILSN) Ilmenau, IL Metronic Sensortechnik GmbH (ILM) Ilmenau, Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gGmbH (IMMS) Ilmenau, Kompass GmbH (KOM) Ilmenau, UST Umwelt Sensor Technik GmbH (UST) Geschwenda, LLT Applikation GmbH (LLT) Ilmenau

Assoziierte Partner:
Osyso GmbH (Osyso) Jena, CMOS-IR GmbH (CIR) Erfurt, Landesentwicklungsgesellschaft Thüringen mbH (LEG) Erfurt, JenaBatteries GmbH Jena, X-FAB MEMS Foundry GmbH Erfurt

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3DWeMo

Das Projekt 3DWeMo (2D und 3D Werkstoff-Morphologien für das reaktive Mikrofügen in der Elektronik) untersucht den Einfluss der Substrat-Morphologie auf eine reaktive Mehrlagenschicht. Selbst fortschreitende Reaktionen metallischer Mehrlagen, besonders solche basierend auf Ni/Al, wurden in den letzten Jahrzehnten umfangreich untersucht. Dabei lag der Schwerpunkt auf Nanofolien und gesputterten Schichtsystemen. Die Ausnutzung dieser Reaktionen zum Fügen von elektronischen Chips oder mikromechanischen Bauteilen (MEMS) bietet den Vorteil einer örtlich begrenzten Wärmebelastung. Die durch lokale Zündung ausgelöste Kettenreaktion ist schwer zu kontrollieren und die Reaktionsprodukte weisen oft hohe Spannungen auf. Es ist bekannt, dass nanoskalige Krümmungsradien die Oberflächen- und Grenzflächenenergie beeinflussen. Dies soll ausgenutzt werden, um die freie Enthalpie einer Mehrschichtfolge gezielt zu beeinflussen und somit Beschleunigung und Geschwindigkeit der Reaktionsausbreitung zu beeinflussen. Ein zusätzlicher Faktor ist die geänderte Mehrlagenmorphologie durch die Nanostruktur, welche das Fortschreiten der Reaktion ebenfalls beeinflusst. Im Projekt werden verschiedene Mehrlagen-Architekturen untersucht, wobei sowohl die Oberflächengestalt als auch der Schichtaufbau berücksichtigt wird. Deren Einfluss auf die Phasenumwandlung wird untersucht.  

Somit wird die Grundlage für die Entwicklung vorgefertigter Strukturen für eine zukünftige Chipmontage gelegt. Das erworbene Wissen trägt zu maßgeschneiderter Aufbau- und Verbindungstechnik bei, die in Zukunft definierte Zündpfade für den dosierten Energieeintrag in Lotverbindungen für die Chipmontage ausnutzt.

Projektleiter: Dr.-Ing. Heike Bartsch

Wissenschaftlicher Mitarbeiter: M. Sc. Konrad Jaekel

Projektlaufzeit: 15.11.2019 – 14.11.2022

Förderung: DFG

Partner: Fachgebiet Werkstoffe der Elektrotechnik

INFERSAT

Im Projekt INFERSAT (INtegration von FERrit­materialien für Komponenten in der SATel­liten­kommunikation) sollen Kompo­nenten (insbesondere Zirkulatoren) für Hoch­frequenz­anwendungen entwickelt werden. Ziel ist es, flexible Kommunikationssatelliten hinsichtlich der Effizienz (Verhältnis Nutzlast zu Funktion, Kosten) und Betriebsparameter (Bandbreite, Rekonfigurierbarkeit, etc.) auf langfristige Sicht zu verbessern. Für die Prozessierung der HF-Komponenten (Ferritintegration in die LTCC-Technologie) ist das Fachgebiet Elektroniktechnologie der TU Ilmenau zuständig. Dabei wird das bestehende Technologie-Know-How angewandt und die Forschungs­ergebnisse bezüglich Ferrit­werkstoffen aus dem Projekt iKERSATEC erweitert.

Mit der LTCC-Technologie ist es möglich hochintegrierte Mehrlagenmodule zu entwickelt. Die Ferrite können somit sehr kompakt in die Technologie eingebracht werden. Durch den Multilayer-Prozess fallen hybride Integrationsschritte und Verbindungstechniken wie Kleben, Bonden oder Löten weg. Damit werden hohe Integrationskosten sowie etwaige Luftspalten an Verbindungsstellen vermieden.

Verschiedene Ferritmaterialien (Hart- und Weichferrite) sollen erforscht und in der LTCC-Technologie eingebettet werden. Frequenzen im Bereich 27,5 bis 31 GHz für Weichferrite und 37,5 bis 42,5 GHz für Hartferrite werden angestrebt.

Folgende Punkte sollen bei der Umsetzung beachtet werden:

  • Volumen-/Gewicht- und Kostenreduktion
  • Erhöhung der Arbeitsfrequenz und damit der verfügbaren Bandbreite für Kommunikations­anwendungen
  • Optimierung des thermalen Managements durch das Einbetten der Komponenten im keramischen Schaltungsträger
  • Verbesserung der Zuverlässigkeit (mechanisch, EMV)
  • Modularisierung für optimale Wiederverwendbarkeit
  • Strahlungsresistenz und Vakuumtauglichkeit

Am Ende des Projektes soll die entwickelte Technologie in einen serienreifen Prozess überführt werden.

Durch das Konsortium aus KMUs und Forschungseinrichtungen wird das strategische Ziel verfolgt, die Kompetenzen im Bereich Subsystem- und Komponentenentwicklung sowie –technologie am Wirtschaftsstandort Deutschland zu stärken. Mit INFERSAT wird der Grundstein für eine wirtschaftliche Verwertung dieser Komponenten für Anwendungen im Raumfahrtbereich gelegt.

Teilprojektleiter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jens Müller
Wissenschaftlicher Mitarbeiter: M. Sc. Johannes Schur
Projektlaufzeit: 01.01.2018 - 31.12.2020
Projektträger: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
Partner: Ernst-Abbe-Hochschule Jena, Technische Universität Hamburg-Harburg, AFT microwave GmbH, VIA electronic GmbH, Fraunhofer IKTS Hermsdorf (im Unterauftrag)

SPIRIT

Das Projekt SPIRIT (System – in – Package Interposer basierend auf innovativer Glas – Keramik – Verbund – Technologie) befasst sich mit dem neuartigen Materialsystem Glas-Glaskeramik als Interposer-Substrat. Dabei werden die vorteilhaften Eigenschaften jeder Material- bzw. Technologieklasse gezielt miteinander kombiniert. Die LTCC-Technologie bietet die Möglichkeit des mehrlagigen Aufbaus von Modulen mithilfe der Dickschichttechnologie. Somit können passive 3D-Bauelemente integriert und zum Beispiel eine hohe Verdrahtungsdichte oder eine gute Wärmeleitfähigkeit mit thermischen Durchkontaktierungen (Vias) realisiert werden.  Das Glas-Substrat hingegen eignet sich für die Dünnschichttechnologie und ermöglicht unter anderem die Mikro-Strukturierung der Metallschichten. Die Integration der beiden Substrate und der Technologien zu einem Glas-LTCC-Interposer ist ein neues Technologie-Konzept, welches ein neues Spektrum an Möglichkeiten für die Aufbau- und Verbindungstechnologie eröffnet.
Die mögliche Anwendungsplattform des neuen Interposers umfasst Hochfrequenztechnik, Sensorik, optische Systeme sowie Aufbau- und Verbindungstechnologie für spezielle biologische Anwendungen. In diesem Projekt soll das Fügen von Glaswafern oder –Substraten mit ungesinterten LTCC-Folien in erster Linie erforscht werden. Des Weiteren sollen thermische, thermomechanische, elektrische, dielektrische und Hochfrequenz-Eigenschaften des Verbundsubstrates untersucht und die Anwendung in der Packaging-Technologie erprobt werden.

Teilprojektleiter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jens Müller
Wissenschaftliche Mitarbeiterin:  Dipl.-NanoSc. Mahsa Kaltwasser
Projektlaufzeit: 04/2018 – 03/2021
Förderung: Thüringer Aufbaubank
Partner: VIA electronic GmbH, Siegert Thinfilm Technology GmbH

 

FOQUOS

Das Projekt unter dem Akronym FOQUOS (Thüringer Forschergruppe zu quantenoptischer Bildgebung mit verschränkten Photonen) ist eine von der Thüringer Aufbaubank (TAB) geförderte Forschergruppe der Friedrich-Schiller-Universität Jena und der TU Ilmenau.

Ziel der Untersuchungen der Forschergruppe ist es, Systeme in der bildgebenden Quantenoptik zu realisieren, die unter der Ausnutzung verschränkter Photonenpaare in zwei spezifischen Wellenlängenbereichen arbeiten. Diese sind der mittlere Infrarotbereich (MIR) zwischen 2 µm und 10 µm Wellenlänge sowie der kurzwellige Spektralbereich von einigen 10 nm im Ultraviolett- oder Röntgenbereich (XUV). Im Rahmen des Projektes sollen für beide Wellenlängenbereiche Photonenpaare erzeugt werden, bei denen jeweils ein Photon im sichtbaren Spektralbereich ist und das andere Photon im entsprechenden Anwendungsbereich (MIR oder XUV). Mittels verschränkter Photonenpaare lässt sich das sogenannte Ghost-Imaging durchführen. Dabei interagiert ein Photon mit dem zu vermessenden Objekt, das andere Photon wird parallel dazu räumlich auflösend detektiert.

Ein Schwerpunkt des Projektes ist hierbei die Ansteuer- und Auswerteelektronik. Es gilt, die bisher nötigen langen Messzeiten zwischen Kamera und Detektor zu verringern. Die Detektion beider Photonen soll dabei möglichst in Echtzeit erfolgen. An der TU Ilmenau werden hierfür Schaltungsträger auf keramischer Basis (LTCC) realisiert, die diesen Anforderungen entsprechen sollen. Der Vorteil liegt hier in der Realisierung sehr kurzer Verbindungswege der Einzelkomponenten, die eine schnelle Signalverarbeitung ermöglichen. Die Kombination mit dünnschichtfähigen Gläsern wird untersucht, um den Integrationsgrad zu erhöhen und die Implementation optischer Komponenten zu verifizieren.

Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. Jens Müller
Wissenschaftlicher Mitarbeiter: M. Sc. Björn Müller
Projektlaufzeit: 03/2018 - 02/2021
Förderung: Thüringer Aufbaubank