Die EU-Kommission hat die Mikro- und Nanoelektronik als eine der fünf Schlüsseltechnologien für Europa definiert. Aktuell ist dieser Industriezweig für zehn Prozent des europäischen Bruttoinlandprodukts (BIP) verantwortlich. Miniaturisierte elektronische Schaltungen erfüllen eine Vielzahl von wichtigen technischen Funktionen: Sie steuern nicht nur unsere PCs, Tablets, Smartphones und DVD-Player. Auch das Stromnetz wäre weniger effizient, der Airbag würde nicht aufgehen und medizinische Geräte würden ohne die winzigen Chips nicht funktionieren. »Der Trend geht zu immer kleineren und komplexeren Bauteilen. Schon jetzt finden einzelne Elemente wie Transistoren, elektronische Widerstände, Kondensatoren, Resonatoren oder Mikro-Controller auf einer elektronischen Schaltung von weniger als ein paar Quadratmillimetern Platz«, erklärt Charles-Alix Manier aus der Abteilung »System Integration and Interconnection Technologies« am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM in Berlin.

Stapeln statt nebeneinander anordnen

Die Forscher haben ein Fertigungsverfahren entwickelt, mit dessen Hilfe sich eine bestimmte Art dieser Mikrochips noch weiter miniaturisieren lässt: programmierbare Oszillatoren. Diese, etwa 1,5 Quadratmillimeter großen Schaltungen, sorgen für die zeitliche Synchronisation der Informationsübertragung in elektronischen Geräten. Die winzigen Taktgeber befinden sich beispielsweise in drahtlosen Kommunikationssystemen wie GSM oder Bluetooth sowie in mp3- und DVD-Playern sowie Navigationssystemen. Die Mikrotechnologie-Experten vom IZM stapeln die einzelnen Bestandteile des Mikrosystems übereinander, anstatt getrennte Bauteile nebeneinander anzuordnen. Alle benötigten Komponenten sind so in einem einzelnen Modul vereinigt. Viele tausend Bauelemente können so gleichzeitig gefertigt werden.

»Wir sparen durch die Integration sehr viel Platz und reduzieren die Kosten des gesamten Herstellungsprozesses. Produktivität und Miniaturisierung steigen deutlich an«, so Manier. Die mikroelektronischen Bauteile sind aus Wafern hergestellt. Das sind meist kreisrunde, etwa einen Millimeter dicke Scheiben aus Silizium. Sie ähneln CDs oder DVDs, sind mit einem Durchmesser von bis zu 30 Zentimetern aber größer. Unter Vakuum fügen die Wissenschaftler nun nicht mehr die einzelnen Komponenten, sondern die gesamten Scheiben so zusammen, dass schließlich – in einem Schritt – eine Vielzahl fertig »verpackter« Mikrochips entsteht. »Damit die Bauteile nicht zu dick werden, wenden wir im Lauf des Packaging-Prozesses ein Dünnungsverfahren an. So erreichen wir derzeit Modulhöhen von weniger als 500 Mikrometern«, beschreibt Manier das Know-how am IZM. Ziel der Forscher ist es, durch das neue Moduldesign die Größe des in Silizium verpackten Oszillators zu reduzieren und gleichzeitig seine Einsatzflexibilität zu erweitern. Die Idee dahinter: Durch die SoC-Integration (System-on-Chip) – kombiniert mit der Stapelung der Bauteile – reduzieren sich die Fläche und der Stromverbrauch der Schaltung.
Zum Einsatz kommt diese Expertise des IZM im europäischen Forschungsprojekt »Go4Time« (www.go4time.eu). Hier optimieren Mikroelektronik-Experten aus Finnland, Deutschland, Italien, der Niederlande und der Schweiz das Design der winzigen Schaltungen. Die sieben Partner aus Forschung und Industrie haben speziell Oszillatoren ins Auge gefasst. Das Problem: Die Frequenz der Module – die den Takt der Informationsverarbeitung vorgibt – kann je nach Temperatur der Umgebung und Design des eingebauten Resonators schwanken. Passiert dies, können Interferenzen auftreten oder die Handy-Verbindung kann unterbrechen und der mp3-Player ins Stocken geraten.

Oszillatoren direkt programmieren

Um das zu verhindern, arbeitet »Go4Time« daran, das Taktmodul so zu konstruieren, dass es individuell programmierbar ist. Über eine Software ließen sich dann nicht nur die Frequenz kontrollieren, sondern auch Temperaturschwankungen kompensieren. »Unser Ziel ist es, Oszillatoren herzustellen, die für beliebige Anwendungen einsetzbar sind und extrem effizient arbeiten. Eine komplexe Aufgabe, die Prozessentwicklung, Fertigungstechnik, Schaltungsdesign und mikroelektronische Montage umfasst«, so Manier. Erste Ergebnisse sollen im Laufe dieses Jahres veröffentlicht werden. Ein Prototyp des Taktmoduls wird auf der Messe Sensor + Test 2013 vom 14. bis 16. Mai in Nürnberg präsentiert (Halle 12, Stand 537). Mehr Informationen hier.