Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM
System-on-Flex
Die Forschungsgruppe "System on Flex" am Fraunhofer IZM konzentriert sich auf die Weiterentwicklung der Bereiche flexible Hybrid-Elektronik (FHE), dehnbare Elektronik und elektronische Textilien. Das Ziel besteht darin, innovative Lösungen für verschiedene Anwendungen zu entwickeln. Die Gruppe legt den Schwerpunkt auf die Entwicklung skalierbarer Fertigungsprozesse für die Industrie. Dies umfasst das Prototyping neuer Konzepte und deren Überführung in fertigungsbereite Lösungen, um die Produktion flexibler elektronischer Systeme in größerem Maßstab zu ermöglichen.
FHE beschreibt elektronische Systeme, die sich verschiedenen Formen und Oberflächen anpassen können, sowie Komponenten und Strukturen kombinieren, die mit unterschiedlichen Technologien realisiert wurden. Dies beinhaltet das Design, die Entwicklung und die Herstellung flexibler Leiterplatten, Verbindungen, Sensoren und Komponenten unter Verwendung neuartiger Materialien und Fertigungstechniken.
Ein weiteres wichtiges Ziel ist die Verbesserung der Zuverlässigkeit und Haltbarkeit flexibler elektronischer Systeme. Hierzu gehört die Erforschung der mechanischen und elektrischen Eigenschaften sowie der Fehlermechanismen von Elektroniksystemen gefolgt durch die Entwicklung von Techniken zur Bewältigung von Problemen wie Ermüdung, Delamination und Versagen unter mechanischer Belastung.
Die Forschungsgruppe strebt an, anwendungsorientierte Lösungen zu bieten, indem sie mit Industriepartnern zusammenarbeitet und spezifische Herausforderungen in Branchen wie Automobil, Gesundheitswesen/Medizin, Unterhaltungselektronik, Verteidigung und intelligente Verpackung angeht. Das Ziel besteht darin, elektronische Systeme zu entwickeln, die auf die spezifischen Anforderungen dieser Branchen zugeschnitten sind.
Ein weiteres wichtiges Ziel ist die Förderung von Innovation und Wissenstransfer durch aktive Beteiligung an gemeinsamen Projekten, die Organisation von Workshops und die Veröffentlichung von Forschungsarbeiten. Das Ziel ist es, zur Weiterentwicklung der Bereiche flexible Hybrid-Elektronik, dehnbare Elektronik und elektronische Textilien beizutragen. Die Forschungsgruppe teilt ihr Fachwissen mit der wissenschaftlichen Gemeinschaft und Interessenvertretern der Industrie.
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Forschungsschwerpunkte
Electronic Textiles
Elektronische Textilien (E-Textiles) bieten im Vergleich zu reinen Textilprodukten durch integrierte elektronische Komponenten zusätzliche Funktionalität. Auf Faden-, Textil- und Produktebene integrierte Bauteile ermöglichen es E-Textiles beispielsweise zu heizen oder zu kühlen, Energie zu erzeugen, Sensor- und Aktuatorfunktion zu übernehmen, Daten zu sammeln oder zu warnen.
Conformable Electronics
Starre und flexible Leiterplatten sind bestens etablierte und weit verbreitete Verdrahtungsträger für elektronische Baugruppen. Neue Produktkonzepte erfordern darüber hinaus elektronische Systeme, die auf oder in dreidimensional geformte Freiformflächen appliziert oder integriert werden können: Sogenannte Conformable Electronics.
Stretchable Electronics
Dehnbare Elektronik findet in unterschiedlichen Themenfeldern zunehmend an Bedeutung. Anwendung findet sie beispielsweise in Wearables wie Smartwatches und -rings, Fitness-Trackern oder intelligenter Kleidung. Diese Produkte können komfortabel am Körper getragen werden, ohne dabei die Bewegungsfreiheit einzuschränken. So können sie nahtlos in den Alltag integriert werden. Als dehnbare Solarzellen und Batterien können sie zur Energieerzeugung und -speicherung genutzt werden.
Flexible Elektronik
Elektronik ist überall zu finden, heute soll sie leicht sein und zuverlässig funktionieren. Die Integration in Anwendungen mit hohen Miniaturisierungsanforderungen und dreidimensionalen Geometrien hat zu einem steigenden Bedarf an flexibler Elektronik geführt. Flexible Hybrid Electronics – also flexible Schaltungen mit einer Kombination aus konventionellen und gedruckten Komponenten haben in den letzten Jahren besonders viele neue Anwendungen ermöglicht.
Leistungsangebot
NCA-Bonding Kontaktierungsprozess für E-Textilien
Viele Anwendungen von E-Textilien - wie Systeme zur Überwachung von Vitaldaten oder zur Erfassung ergonomischer Daten, Heizkissen, Beleuchtung oder innovative Mensch-Maschine-Schnittstellen - erfordern Sensoren und elektronische Komponenten, die in das Textil selbst integriert sind. Diese Kombination aus elektrischen Komponenten und weichen Textilmaterialien und die daraus resultierenden Anforderungen an Komfort, Waschbarkeit, Design, Zuverlässigkeit oder Signalstabilität machen den Integrationsprozess zu einer komplexen Herausforderung.
Waschbarkeit von E-Textiles
Eine der wichtigsten Anforderungen für Bekleidung mit integrierter Elektronik aber auch für E-Textiles aus anderen Bereichen ist die Waschbarkeit. Eine textiltypische Nutzbarkeit – die für die Akzeptanz der Produkte unerlässlich ist – erfordert, dass die E-Textiles bei Verschmutzungen gereinigt und gewaschen werden können. Speziell bei den für E-Textiles sehr wichtigen Anwendungsbereichen Medizin, Sport, Pflege oder Schutzbekleidung ist die Hygiene und damit auch die Reinigungsfähigkeit unverzichtbar.
Advanced Flex Assembly
Besonders bei flexibler Elektronik stellen höhere Anschlußdichten und immer kleiner werdende Kontaktflächen hohe Anforderungen an die Aufbau- und Verbindungstechnik. In der Gruppe System on Flex werden insbesondere Flip-Chip-Technologien eingesetzt. Unter Verwendung von hochpräzisen Flip Chip Bondern werden IC’s mit Kontaktmittenabständen von <50µm und Siliziumdicken bis 10 µm auf flexible Substrate gebondet.
Prototyping
Unsere Expertise im Bereich Wearable Electronics ermöglicht es uns, schnell Prototypensysteme für das Biomonitoring zu entwickeln. Mithilfe von Sensoren, den neusten ICs am Markt und elektronischen Komponenten können wir tragbare Geräte schaffen, die wichtige Parameter (HR, HRV, ECG, EMG, EEG, SpO2, BioZ, Motion, Pressure etc.) erfassen und analysieren. Dadurch können Sie Gesundheitsdaten in Echtzeit überwachen und auswerten.
Substrattechnologien
Flexible Substrate sind eine Schlüsselkomponente, um die Art und Weise zu verändern, wie wir mit elektronischen Geräten interagieren und diese nutzen. Im Gegensatz zu herkömmlichen starren Leiterplatten kann flexible Elektronik gebogen, gedreht und an verschiedene Formen angepasst werden, was sie ideal für Anwendungen macht, bei denen Flexibilität von entscheidender Bedeutung ist.
Projekte
Sensor-Armband misst umfassend Umwelteinflüsse und verbessert so die Behandlung von Lungenkrankheiten
Projekt REMEDIA
Ob Feinstaub oder giftige Gase – von Geburt an sind Menschen dauerhaft verschiedenen äußeren Umwelteinflüssen ausgesetzt. Diese externen Faktoren, in ihrer Gesamtheit als Exposom bezeichnet, wirken sich nachhaltig auf die menschliche Gesundheit aus. In einem europäischen Forschungsprojekt wird nun untersucht, inwieweit das Exposom den Verlauf von Lungenkrankheiten beeinflusst.
Art-Tech-Kollaborationen
Projekt
Design und Kunst sind untrennbar mit der textilen Welt verwoben. Auch für E-Textiles an der Schnittstelle von Textil und Elektronik spielen gestalterische Aspekte eine große Rolle. Deshalb kooperieren wir seit über 20 Jahren regelmäßig in co-kreativen Prozessen mit Designer*innen und Künstler*innen. Solch eine Zusammenarbeit birgt durch neue Impulse und veränderte Blickwinkel enormes Innovationspotential.
Weltkleinstes Impedanzspektroskopie-System in Form einer Pille
Projekt MST-Pille
Zur Fehleridentifikation einfach eine Pille einwerfen – das haben Forschende am Fraunhofer IZM in Kooperation mit Micro Systems Technologies (MST) Realität werden lassen. So klein wie ein Bonbon kann der wasserdichte IoT-Sensor die Eigenschaften von Flüssigkeiten auch an schwer zugänglichen Orten zuverlässig messen. Das kann die Wartung von Industriemaschinen deutlich erleichtern und sogar bei der Identifikation von Krankheiten helfen.
SoMaRo
Projekt
Im interdisziplinären Projekt SoMaRo wird in Zusammenarbeit mit den Fraunhofer Instituten IPK, ISC und IAP ein einzigartiger Roboter-Greifer auf Basis weicher, adaptiv regelbarer Soft-Kinematiken mit integrierten Soft-Aktuatoren, -Sensoren und -Elektroniken auf der Grundlage neuartiger Smart Materials entwickelt, die sich mittels Software-Regelung mit elektrischen Feldern gezielt verformen lassen.
F2E – Free Form Electronics
Projekt
In diesem Projekt haben wir am Fraunhofer IZM voll inline-fähige SMT-Prozesse auf der Basis von thermoplastischen Substraten, Drucken und Kleben entwickelt. Im Mittelpunkt stand die Entwicklung einer robusten Aufbau- und Verbindungstechnik für elektronische Bauteile, die den hohen thermischen und mechanischen Belastungen bei den Folgeprozessen Thermoformen und Spritzguss standhält.
Newlife
Projekt
Im Rahmen des Projektes sollen neue, nicht-invasive Überwachungslösungen zur Sicherstellung der Gesundheit von Müttern und Babies vor und nach der Geburt erforscht und entwickelt werden. Das Wohlbefinden von Müttern und Babies steht zunehmend im Fokus und die Früherkennung von Komplikationen stellt die Grundvoraussetzung zur Vorbeugung von mütterlicher und perinataler Morbidität und Mortalität dar.
Moore4Medical
Projekt
Die Behandlung von chronischen Krankheiten muss nicht zwangsläufig mit kostspieligen Medikamenten und unerwünschten Nebenwirkungen einhergehen. Mit Hilfe von Neuromodulation können Krankheiten wie z.B. chronische Kopfschmerzen, Asthma oder Parkinson behandelt werden. Um dieses Vorhaben zu realisieren, entwickeln Forschende am Fraunhofer IZM im europaweiten Projekt Moore4Medical eine neue Generation von Mikroimplantaten.
Applause
Projekt
SMART PATCHES, die zur Vitalparameterüberwachung eingesetzt werden können, sind inzwischen auf dem Markt verbreitet und werden für eine Vielzahl nützlicher klinischer Anwendungen eingesetzt. Das hat bereits zu einem Paradigmenwechsel in der Diagnose multipler Erkrankungen – z.B. Vorhofflimmern – geführt.
Im Rahmen des Projektes Applause wurde in Zusammenarbeit mit den Partnern eine neuartige Patch-Architektur umgesetzt und gleichzeitig neue Integrationstechnologien untersucht und entwickelt, um die bisherigen Einschränkungen zu beseitigen.
Bandage misst in Echtzeit Kniewinkel
Projekt MOTEX
Im Projekt MOTEX - Monitoring Textiles - wurde von den Partnern Fraunhofer IZM, MOBILAB (BE), CENTEXBEL (BE) eine Kniebandage entwickelt die es ermöglicht zwei verschiedene Kniewinkel (Beugungs- und Streckungswinkel, Varus/Valgus-Winkel) präzise in Echtzeit zu messen. Die Daten werden vom Elektronikmodul entsprechend aufbereitet und in Echtzeit an ein Smartphone übermittelt sowie gleichzeitig in hoher Auflösung gespeichert.
Sensorbasierte Pflaster als Fitness Tracker
Projekt XPatch
Im Eurostars Projekt XPatch wird ein flexibles Sensorsystem entwickelt, dass die biochemischen Informationen aus dem Körperschweiß in Echtzeit überwachen kann. Zum sekundengenauen medizinischen Monitoring des Herz-Kreislauf-Systems entwickelt das internationale Konsortium eine neue Generation von sensorischen Pflastern für Leistungssportlerinnen und -sportler.
Neuartige Mensch-Maschine Schnittstellen auf Basis von Flüssigmetallen
Projekt Soft Interfaces
Das kollaborative Art-Tech Projekt entwickelt innovative physische Schnittstellen, die »materielle« Artefakte um eine digitale/elektronische Dimension erweitern. Dabei wird Flüssigmetall als innovatives Leiterbahnmaterial für dehnbare und weiche Elektroniksysteme genutzt. Flüssigmetall zeichnet sich durch niedrigviskose Eigenschaften bei Raumtemperatur, Ungiftigkeit und allgemein gute Umweltverträglichkeit aus. Als hervorragendes elektrisch leitfähiges Material wird es bereits in verschiedenen Anwendungen wie Soft Robotics, Smart Textiles und medizinischen Geräten erforscht.
mehr info (https://www.art-design.fraunhofer.de)
Drucksensor aus Flüssigmetall auf dehnbarem TPU-Substrat
Ausstattung
Forschungslabore für E-Textilien
Das Fraunhofer IZM bietet mit dem TexLab und Textile Prototyping Lab (TPL) eine herausragende Ausstattung, hochqualifiziertes Personal, langjährige Expertise und eine Vielzahl von Geräten, um die Entwicklung innovativer Anwendungen in den Bereichen E-Textilien zu unterstützen und voranzutreiben.
Für die Fertigung von E-Textilien stehen im TexLab verschiedene hochmoderne Laminierpressen zur Verfügung, die eine nahtlose Integration von elektronischen Komponenten in Textilien ermöglichen. Durch eine Industriestickmaschine mit optionaler TFP-Legeeinheit können unterschiedliche Arten von leitfähigen Garnen direkt auf Textilien gestickt werden, um elektronische Schaltungen zu realisieren. Zur Verschweißung von Thermoplasten stehen Ultraschall-Punktschweißgeräte und Rollnahtschweißgeräte bereit.
Analytik
Die Analytik ist ein elementarer Bestandteil zur Überprüfung von mikroelektronischen Systemen. Sie wird zur Qualitätskontrolle, Fehleranalyse, Materialcharakterisierung, Prozessoptimierung und Zuverlässigkeitsbewertung eingesetzt. Für eine zerstörungsfreien Analytik ohne vorherige Probenpräparation werden Licht-, Röntgen- und Niedervakuumrasterelektronenmikroskope genutzt. Für dreidimensionale Volumenuntersuchungen kommt die Micro-Röntgen-Computertomographie (Micro-XCT) zum Einsatz.
Reliability Tests
Zuverlässigkeitstest begleiten die Entwicklung neuer Prozesse. Neben mechanischen Prüfverfahren, Feuchte- und thermischen Tests nach verschiedenen Standards werden auch auf die Anwendungsbedingungen angepasste kombinierte Tests eingesetzt. Wir bieten Ihnen auch kundenspezifische Bedingungen für Zuverlässigkeitstests an.
Substrat
Die Substratlinie am IZM ermöglicht die Fertigung flexibler Substrate in Sheet-Größen bis 60 X 40 cm2. Neben Polymid als typischem Substratmaterial kommen immer häufiger thermoplastische Materialien (TPU, PC, LCP) zum Einsatz oder auch Materialien, die besonders für medizinsche Anwendungen geeignet sind (z.B. Parylen, LCP). Es kommen subtraktive und semiadditive Strukturierungsverfahren für Cu-Leiterbahnen zum Einsatz. Damit können bereits 10 µm lines/space erzielt werden.
Flex Assembly
Wir bieten eine breite Palette von Montage- und Verbindungstechniken für unsere Kunden an. Zusätzlich zu den Standard-SMD-Prozessen haben wir auch verschiedene Lösungen für Flip-Chip-Prozesse sowie für Anwendungen wie Flex-to-Flex im Angebot. Feinabgestimmte Flip-Chip-Prozesse werden in einer Reinraumatmosphäre durchgeführt.
