i-FPS Kompakte, performante und hoch-integrierte Faint Pulse Source bei 850 nm; Teilvorhaben: E/O-Hardware-Plattform für Faint Pulse Source

Ziel des Gesamtvorhabens ist die Realisierung  einer kompakten Photonenquelle mit abgeschwächten Pulsen, eine sogenannte Faint Pulse Source, für die Erzeugung von Quantenschlüsseln mit hoher Schlüsselrate in der satellitenbasierten Kommunikation. Die Gesamtziele des Teilvorhabens ordnen sich diesem übergeordneten Ziel unter und fokussieren auf die Elektronikentwicklung und HF –tauglichen Modulintegration einer Faint Pulse Source, die den Anforderungen an den Einsatz in der Satellitenkommunikation gerecht wird. Zentrale Fragestellungen sind mechanische bzw. thermomechanische Robustheit sowie Miniaturisierung und Gewichtsminimierung. Zur Lösung der komplexen Aufgabenstellung für die Hardwareplattform soll auf eine im Rahmen  von DLR – geförderten Projekten entwickelten und verifizierten Mehrlagenkeramiktechnologie aufgesetzt werden.

Projektleiter:  Prof. Dr.-Ing. Jens Müller
Wissenschaftlicher Mitarbeiter:  M. Sc. Cathleen Kleinholz
Projektlaufzeit: 01.08.2021 - 30.06.2024
Projektträger: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR)
weitere beteiligte Fachgebiete: Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

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 – 30.09.2023

Förderung: DFG

Partner: Fachgebiet Werkstoffe der Elektrotechnik

Memristive Werkstoffe für die neuromorphe Elektronik (MemWerk)

LTCC-Wafer mit vertikalen Kontakten (Vias) und einer lithographie-tauglichen Oberfläche

Das Ziel des MemWerk (Memristive Werkstoffe für die neuromorphe Elektronik) Projekts ist die Entwicklung neuer funktioneller memristiver Materialien für energieeffiziente neuromorphe Elektronik, d.h. elektronische Systeme, deren Prinzip auf Paradigmen der biologischen Informationsverarbeitung basiert.

Memristive Materialien haben einen Memory-Effekt und können ihre elektronischen Eigenschaften (elektrischer Widerstand) durch externe Signale (z. B. elektrischer Strom oder Spannung, Gase, Licht, Temperatur usw.) ändern. Folglich ermöglichen diese Materialien die Erstellung von Geräten, deren Funktionen in vielerlei Hinsicht denen von Synapsen in neuronalen Netzen ähnlich sind. Sie bilden somit den zentralen Kunststoffbaustein in künstlichen neuronalen Netzen (ANNs).

Der Entwicklungsschwerpunkt des Teilprojektes liegt auf der Systemintegration. Es werden Verbindungs- und Kontaktkonzepte entwickelt und getestet, die ein größeres Feld oder ein Cluster von memristiven Komponenten elektrisch adressieren, ohne auf Schnittpunktstrukturen zurückzugreifen.

Folgende Konzepte werden bei der Umsetzung dieser Aufgabe berücksichtigt:

a) Aufbau von Flip-Chip-Memristivmatrizen auf einem mehrschichtigen LTCC-Substrat.

b) Direkte Integration von Memristoren auf einem geeigneten vorkonfektionierten Substrat mit bereits implementierter Verdrahtung. Dieser Ansatz nutzt Niedertemperatur-Einbrand-Keramiksubstrate (LTCC) mit angepassten Ausdehnungskoeffizienten. Die Technologie ermöglichte die Verdrahtung von bis zu 100 Schichten. Die Glättung der gesinterten LTCC-Oberfläche ist hierbei ein Entwicklungsschwerpunkt, zur Glättung kommen u.a. Polierprozesse auf verschiedenen Oberflächen zum Einsatz.

Teilprojektleiter: Jens Müller

Fördermittelgeber: Carl-Zeiss-Stiftung

Laufzeit: 04/2020 - 03/2025

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Heike Bartsch, Dr. Kateryna Soloviova

Link: https://memwerk.de/

µRase - MEMS-raumerfassende Radarsensorik

Bei der Konzeptionierung und Realisierung von autonomen Systemen spielt die raumerfassende Sensorik eine entscheidende Rolle. Fortschrittliche Sensorik ermöglicht autonomen Systemen andere Objekte zu erkennen, Geschwindigkeiten und Abstände zuordnen und bei Gefahr für sich oder benachbarte Objekte Reaktionsempfehlungen an die Steuereinheit der Systeme zu geben. Durch die Kombination aus THz-Radarsystem, innovativer Aufbau-, Verbindungs- und MEMS-Technologie sowie der Silizium-Keramik-Verbundtechnologie können bisherige Limitierungen überwunden werden.

Das Ziel des Projektes ist die Kombination und Etablierung einzelner Technologiemodule der Projektpartner zu einem übergeordneten Radarmodul mit hoher Kosteneffizienz und hoher bildgebenden Auflösung. Dieses Vorhaben wird durch die Kombination von modularen Subsystemen realisiert:

  • schwenkbare MEMS-Strukturen für THz-Antennen auf SiCer-Substraten
  • Radarkonzepte und Signalauswertung
  • Design und Aufbau von Ultra-Hochfrequenzsystemen
     

Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Jens Müller

Wissenschaftlicher Mitarbeiter: M. Sc. Cathleen Kleinholz

Projektlaufzeit: 01/2023 - 09/2025

Förderer: BMBF

Projektpartner: Fraunhofer FHR, Ruhr Universität Bochum, Technische Universität Berlin

Reaktives Mikrofügen und Packaging - mechanische, thermische und elektrische Funktionalitäten (Teil II)

Al/Ni Reaktive Mehrschichtsysteme im LTCC-Substrat mit integriertem Pt-Temperatursensor, (a) vor der Reaktion, (b) nach der Reaktion

Reaktive Multilayersysteme (RMS) sind neu entwickelte Befestigungsverfahren, die eine schnelle, hermetische und homogene Verbindung zwischen dem Schaltungsträger und den Bauteilen ermöglichen. Der Schwerpunkt dieser Projektarbeit liegt auf der Entwicklung von Adhäsionsmechanismen für die RMS-Verbindung von thermisch gering leitfähigen Substraten wie Glaskeramiken. Es soll ein Modell entwickelt werden, um die wechselseitigen Zusammenhänge zwischen Randbedingungen (Wärmeleitfähigkeit, Rauheit, Schichtdicken etc.) und Prozessparametern (Reaktionsgeschwindigkeit und Temperatur) und deren Auswirkung auf die Fügehaftung zu beschreiben. Auf experimenteller Seite geht damit die Entwicklung eines neuartigen In-situ-Testsubstrats einher, das eine direkte Temperaturmessung während der Reaktion an der Verbindungsstelle mithilfe von Thermoelementen anstelle eingebetteter und isolierter Thermistoren ermöglichen soll. Darüber hinaus zielt die zweite Phase auf strukturierte, lokalisierte RMS-Bindungen zur funktionellen Charakterisierung ab.

Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. Jens Müller

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Nesrine Jaziri

Projektlaufzeit: 01/2024 - 12/2025

Förderung: DFG

Partner: Universität des Saarlandes, Fachrichtung Systems Engineering, Lehrstuhl für Mikrointegrationund Zuverlässigkeit

Weitere abgeschlossene Projekte

Quanten-HUB Thüringen

Silicium-Keramik-Hybridsubstrat als Integrationsplattform für photoakustische und optische Anwendungen (PaSiC)

Forschergruppe E-PhoQuant

Reaktives Mikrofügen und Packaging - mechanische, thermische und elektrische Funktionalitäten

VEDIAS - digitale, international ausgerichtete Studiengänge mit Social Virtual Reality-Anwendung (VEDIAS-VR) (Laufzeit 01/2021 - 12/2022)

Wachstumskern HIPS (High Performance Sensors) (Laufzeit 09/2019 - 12/2022)

SPIRIT - System – in – Package Interposer basierend auf innovativer Glas – Keramik – Verbund – Technologie (Laufzeit 04/2018 - 09/2021)

Forschergruppe FOQUOS - Thüringer Forschergruppe zu quantenoptischer Bildgebung mit verschränkten Photonen (Laufzeit 03/2018 - 02/2021)

INFERSAT - Integration von Ferrit­materialien für Komponenten in der Satel­liten­kommunikation (Laufzeit: 01/2018 - 04/2021)

µNOX - Tragbares Messgerät für die mobile Messung von Stickoxiden (Laufzeit: 05/2017 - 09/2019)

MUSIK - Multiphysikalische Synthese und Integration komplexer Hochfrequenz-Schaltungen (Laufzeit 01/2016 - 06/2019)

BiSWind - Bauteilintegrierte Sensorik für Kraftübertragungselemente in Windenergieanlagen (Laufzeit 12/2015 - 07/2019)

KERBESEN - Keramische Mehrlagenbauelemente für die Hochtemperatursensorik und -elektronik (Laufzeit 01/2016 - 12/2018)

SACCA - System zur automatischen Zellkultivierung und -analyse (Laufzeit 01/2014 - 12/2017)

MetaZIK - BioLithoMorphie (BioLithoMorphie I Laufzeit: 04/2014 - 03/2015; BioLithoMorphie II Laufzeit: 10/2015 - 03/2018)