Fraunhofer IZM - Archiv

Du hast Lust auf Forschung in der Mikroelektronik, bist aber komplett verwirrt vom Technolekt?

Am Begriffs- und Abkürzungsverständnis soll es nicht scheitern!

Hier in unserem Archiv sammeln wir Fachbegriffe und Definitionen aus der täglichen Arbeit an einem Forschungsinstitut und erklären sie Dir ganz verständlich.

Einmal im Monat kommt dank unseres fleißigen und wissbegierigen µ ein neuer Begriff hinzu.

Wenn Du also mal nicht weiterweißt, schreib uns gerne eine Mail und wir fragen für Dich bei den Expert*innen vom Fraunhofer IZM nach.

Und jetzt: Scroll durch und erfahre alles zu Panels, Reinräumen, ICs und vielem mehr.

Wenn Strom transportiert wird, rechnet man normalerweise mit Verlusten, zum Beispiel in Form von Wärme. Um diese zu umgehen, werden Supraleitungen genutzt: Das sind Materialien, die bei sehr niedrigen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt keinen elektrischen Widerstand mehr aufweisen. Eine weitere Eigenschaft von Supraleitern ist der so genannte Meißner-Ochsenfeld-Effekt, bei dem magnetische Felder vollständig aus dem Inneren des Materials verdrängt werden. Durch ihre hohe Stromtragfähigkeit sind Supraleiter besonders im Bereich der Energietechnik gefragt.

Quantum Computing/ HalQ

Bevor ein Produkt oder System in der Produktion implementiert wird, wird ein funktionierendes Modell, ein so genannter Prototyp, hergestellt.

Damit werden Design, Funktionen und Nutzungserfahrung getestet. Durch die schnelle Umsetzung erhält man beim Prototyping frühzeitig Feedback und kann das Produkt optimieren, bevor es in die Massenproduktion geht.

Start-A-Factory - Hardware-Prototyping auf höchstem Niveau

Textile Prototyping Lab - Projekt

Diese Kennzeichnungen liefern Informationen über den Energieverbrauch und die -effizienz eines Produkts. Sie sorgen für mehr Transparenz und sollen Verbraucher*innen helfen, bewusste Kaufentscheidungen zu treffen. Große elektronische Geräte wie Waschmaschinen und Kühlschränke werden durch die Label schon seit Jahren in Energieeffizienzklassen eingeordnet. In Zukunft werden die Energielabel auch für andere Produktgruppen wie Smartphones und Tablets ausgeweitet.

News - Smartphones und Co. im Nachhaltigkeitstrend

Nachhaltige mobile IT-Geräte für die Umwelt: Lang lebe das Smartphone und Tablet! (REALIZM Blog)

Arbeitsgruppe - Policy, Ecodesign and Circular Materials (PEC)

Low-Power Electronics zeichnen sich durch besondere Energieeffizienz und lange Batterielaufzeit ab. Um den Energieverbrauch zu minimieren, werden zum Beispiel schlafende Sensoren oder Technologien des Energy-Harvesting eingesetzt. Anwendung finden Low-Power Electronics vor allem in tragbaren Geräten wie Smart Watches, aber auch in kleinster Medizintechnik wie Herzschrittmachern oder robusten IoT-Geräten, die langfristig ohne externe Stromquelle betrieben werden.

Towards Zero Power Electronics (youtube)

Die Quantenphotonik beschäftigt sich mit der Wechselwirkung von Lichtteilchen und quantenmechanischen Systemen. Mit verschiedenen Methoden werden Phänomene wie Verschränkung und Quantenzustände von Photonen untersucht und kontrolliert. Anwendungsfelder sind z.B. die sichere Informationsvermittlung via Quantenkommunikation und das Quantencomputing. Forscher*innen arbeiten weiterhin daran, neue Technologien zu entwickeln, um mit Hilfe der Gesetze der Quantenmechanik eine höhere Leistungsfähigkeit und Sicherheit in der Datenverarbeitung und -übertragung zu ermöglichen.

Arbeitsgruppe Optische Verbindungstechnik

The glass revolution of quantum systems (REALIZM)

In leistungsstarker und miniaturisierter Elektronik entsteht im Betrieb Wärme, die abgeführt werden muss, damit das System zuverlässig und langlebig weiterarbeitet. Durch thermisches Management kann diese Herausforderung gelöst werden: Mittels Simulationen und Charakterisierungen des Materials, Packages sowie Gesamtsystems unter Einfluss verschiedener Faktoren können Schwachstellen identifiziert und das Design optimiert werden.

Leistungsangebot - Thermal Management

Durch das weltweite Glasfasernetz werden täglich Daten übertragen. Die Informationen werden dabei in Form von Lichtimpulsen durch die optische Faser geführt: Glasfasern sind also eine Form von Lichtwellenleitern. Auch am Fraunhofer IZM wird zu optischen Fasern geforscht: Von der Ankopplung über die Anwendung neuer Arten wie der Hohlkernfaser bis zu ihrer Integration.

Linsen von Glasfasern
Schweißen von Glasfasern und Glaskapillaren mit dem Laser

Ähnlich wie bei der Software, spricht man auch bei der Hardware von Heterogenität, sofern mehrere unterschiedliche Aufbautechniken zusammen in einem System vorkommen. Die vielfältigen Logiken der einzelnen Einheiten stehen dabei unter starken Wechselwirkungen. Ein Beispiel sind Mikrosysteme: Darin werden Sensorik, Bauteile für die Datenverarbeitung, Stromversorgung und drahtlose Kommunikation in einer Komponente integriert.

Wafer Level System Intergration
Chiplets

Chiplets sind die Einzelkomponenten eines Chips. Statt eines monolithischen Silizium-Chips können durch den Einsatz der modularen Verarbeitungseinheiten größere integrierte Schaltkreise gebildet und das Design flexibler gestaltet werden. Sie sind weniger anfällig für Prozessdefekte und können damit die Leistung der Elemente auf begrenztem Bauraum steigern. Zudem lassen sich Chiplets wiederverwenden und erleichtern somit Modernisierungen.

Trendthemen Chiplets

Durch seine hervorragenden dielektrischen Eigenschaften eignet sich Glas besonders für Anwendungen im Bereich der Hochfrequenz und Photonik als Substrat. Notwendig dafür sind elektrische Glasdurchführungen, die das Glas für die 3D-Intergration nutzbar machen. Dazu werden ultrafeine Löcher im Glas metallisiert – die Through-Glass-Vias. Diese Through-Glass-Vias selbst werden mittels Laser-Drilling und/oder Ätzen vertikal in das Material geätzt.

TGV-Integration

Unter Galvanik, auch Galvanotechnik genannt, versteht man die elektrotechnische Abscheidung metallischer Überzüge von der Oberfläche bestimmter Substrate. Dazu wird elektrischer Gleichstrom durch ein elektrolytisches Bad geleitet. Damit werden Substrate gleichmäßig mit einer metallischen Schicht versehen oder diese verändert. Durch die Galvanik können neue Anwendungsfelder im Packaging oder der Sensorik erschlossen werden.

Mikrogalvanik

Korrosion ist eine Systemeigenschaft und bezeichnet in der Materialwissenschaft die Reaktion eines metallischen Werkstoffs mit seiner Umgebung.  Diese Reaktion ist meist chemischer oder elektrochemischer Natur und führt zur Veränderung des Werkstoffs und seiner Funktionalität.  Ein gängiges Beispiel ist das Rosten von Eisen oder Stahl, wenn der Werkstoff mit Wasser und Sauerstoff reagiert.  In der Mikroelektronik werden die Degradationsmechanismen durch besondere Verkapselungen der Bauteile minimiert, so dass sie auch unter rauen Bedingungen eine möglichst lange Lebensdauer aufweisen.

Korrosion, elektrochemische Migration, Feuchtediffusion

Korrosionsfeste Sinterverbindungstechnologie für korrosionsgefährdete Anwendungen

Corrosion Analysis Lab

Ein Sensorknoten, auch als Sensor Node bezeichnet, stellt einen größentechnisch variablen Computer dar, der per Funk mit anderen Computern kommunizieren kann. In einem zusammenhängenden Sensornetz sind sie die Bestandteile, die Daten (z.B. eine Änderung der Temperatur) aus der Umgebung erfassen und an Prozessoren im Netzwerk weiterleiten.

Forschung Kompakt - Sparsamer Funkverkehr

Forschungsschwerpunkte - Autonome Sensorknoten für die Land- und Energiewirtschaft

Der Begriff Transducer (dt. Wandler) bezeichnet in der Mikroelektronik alle Baugruppen oder Bauelemente, die eine Energieform in eine andere Energieform umwandeln können oder den Wert einer physikalischen Größe (z. B. Spannung) in einen anderen (z.B. Frequenz) überführen. Unterschieden wird zwischen Wandlern von Energieformen, Umsetzern von Informationen und Umrichtern, die Wechselspannungen transformieren.

Kompakte Umrichter mit hoher Leistungsdichte

MEMS (Mikro-elektronisch-mechanische Systeme) sind sehr kleine messende Bauelemente, die elektrische Logikelemente und mikromechanische Strukturen in einem Chip vereinen. Sie können dabei elektrische oder auch mechanische Informationen verarbeiten und bilden eine unverzichtbare technische Grundlage für innovative Lösungsansätze in der Mikroelektronik. Durch ihre kleine Baugröße, geringe Produktionskosten und niedrigen Energiebedarf sind MEMS für Anwendungen wie die Hochfrequenztechnik besonders attraktiv.

Hermetic MEMS & Sensor Packaging

Die Flip-Chip-Montage (dt. Wende-Montage) ist ein Verfahren in der Aufbau- und Verbindungstechnik: Dabei werden ungehäuste Halbleiter-Chips nicht mit Drähten, sondern mit Bumps kontaktiert. Der Chip wird umgedreht und mit der aktiven Kontaktierungsseite nach unten auf ein Substrat montiert. Im Gegensatz zu Drahtkontaktierungen kann hier die gesamte Fläche des Chips genutzt werden, was zu kürzeren Verbindungen und verbesserter Performance führt.

Flip Chip Adhesive Bond Technologies

Damit elektronische Systeme möglichst langlebig und nachhaltig sind, wird ihre Zuverlässigkeit und Effizienz identifiziert. Hierzu werden Felddaten gesammelt und interpretiert, so dass Rückschlüsse auf den Zustand und die restliche Lebenszeit gezogen werden können. Besonders hilfreich sind solche Konzepte, um Systemausfälle im Vorhinein zu erkennen und durch entsprechende Wartung zu vermeiden. Zusätzlich können in Schadensanalysen Ursachen für Ausfälle analysiert werden.

Forschungsschwerpunkt - Zustandsüberwachung elektronischer Systeme
Forschungsschwerpunkt - Methoden zur Systembewertung
Projekt - AMWind Zustandsüberwachung für Windkraftanlagen

Beim Thermoforming werden thermoplastische Kunststoffe wie Polycarbonat oder Polyurethan unter Einwirkung von Wärme, Druckluft sowie Vakuum verformt. Die elektronischen Baugruppen werden dabei in dreidimensionale Form gebracht. Um die elektronischen Funktionen wie Schalter, LEDs und Sensoren im Prozess nicht zu beschädigen, müssen diese dehnbar, wellen- oder mäanderförmig ausgelegt sein.

Forschungsschwerpunkt - Thermoforming

Through-Silicon Vias (dt.: Silizium-Durchkontaktierungen) sind elektrische Verbindungen, die in der Halbleiterei zur Verbindung von Chips im Zuge der 3D-Integration von integrierten Schaltkreisen genutzt werden. Diese metallische Kontaktierung führt zur Volumenreduzierung und Steigerung der Leistungsfähigkeit und wird z.B. für fälschungssichere Kryptochips oder KI-basierte Analytiksysteme in der Medizintechnik eingesetzt.

TSV-Integration

Hierbei handelt es sich um Umverdrahtungsträger, die es ermöglichen, dass unterschiedliche Designs innerhalb der Mikroelektronik angeglichen werden. Durch die Nutzung dieser elektronischen Schnittstellen können auch gänzlich verschiedene Komponenten kontaktiert werden. Sie können u.a. aus Silizium, Leiterplattenmaterialien oder auch aus Glas bestehen.

2.5 D Interposer

Interposer Module

Cu-TSV Interposer

Beim Sputtern werden Festkörper mit energiereichen Ionen beschossen. Dadurch lösen sich Atome und gehen in die Gasphase über. In der Mikroelektronik entstehen meist auf Wafer-Ebene leitende, halbleitende oder isolierende Schichten. Eingesetzt wird es als Beschichtungstechnik, zur Reinigung von Oberflächen oder als Analyseverfahren zur Zusammensetzung von Oberflächen.

TGV-Integration

Beschichtungsanlage

Methoden, Modelle, Maßnahmen (M3), beschreibt einen Forschungsansatz der Abteilung "RF & Smart Sensor Systems" am Fraunhofer IZM, mit dem in drei Schritten unter Anwendung der elektromagnetischen Feld- und Netzwerktheorie Methoden entwickelt werden, aus denen dann Modelle ableitbar sind, mit Hilfe derer Maßnahmen ergriffen werden können, um kostengünstige Hochfrequenzkomponenten, Module oder Systeme zu entwickeln. Dieser Ansatz erlaubt zusätzlich die Optimierung einzelner Bauteile hinsichtlich ihrer elektromagnetischen Zuverlässigkeit.

Arbeitsgruppe - Radar Frontends & Modules  

"Best Paper of Session" - Auszeichnung für Beitrag zur Satellitenkommunikation

Unter einem Polymer versteht man in der Chemie eine Verbindung, die aus verzweigten Molekülen, sogenannten Makromolekülen, besteht. Das Adjektiv polymer bedeutet entsprechend “aus vielen gleichen Teilen aufgebaut”. Synthetische Polymere sind in der Regel Kunststoffe und aufgrund ihrer Zuverlässigkeit und geringen Preise beliebte Materialien in der Mikroelektronik. Dort werden sie für die Herstellung von Strukturen mit polymeren Fotolacken oder optische Wellenleiter, für den 3D-Druck oder zum Unterfüllen und Verkapseln von Chips genutzt.

Füge- und Strukturierungstechnik in Polymer für optische und fluidische Anwendungen

Post-Consumer High-tech Recycled Polymers for a Circular Economy

Der Begriff Radar ist die Abkürzung für “radio detection and ranging” und umfasst verschiedene Erkennungs-, Ortungsverfahren und -geräte auf Grundlage elektromagnetischer Wellen im Radiofrequenzbereich. Radare wurden primär zu militärischen Zwecken konzipiert, erfreuen sich aber auch in der Entwicklung autonomen Fahrens steigender Beliebtheit.

KoRRund - 360°-Echtzeiterfassung: Mit 3D-Radarsensoren zum autonomen Fahren ohne tote Winkel

Projekt 77 GHz Radar für Fahrerassistenzsysteme

Ein Transceiver, aus den englischen Wörtern “transmitter” und “receiver” zusammengesetzt, bezeichnet in der Funktechnik ein Bauteil, das Signale drahtlos sowohl senden als auch empfangen kann.

Der Transceiver ermöglicht seit den 1930er Jahren beidseitige Funkkommunikation ohne Kanalwechsel und ist Grundlage für viele Anwendungen der Signalübertragung.

GlassPack

Tech News - Der Weltweit erste hybrid integrierte on-board Transceiver auf Basis eines Glasinterposers

Unter einem Substrat versteht man allgemeinsprachlich einen Träger, also eine materielle Grundlage, welcher durch entsprechende Bearbeitung verschiedene Eigenschaften zugeführt werden können. In der Elektronik ist dies meist die Leiterplatte. In der Halbleitertechnik werden bspw. Wafer als Grundmaterial für die Chipherstellung verwendet und hier auch Substrate genannt. Meist wird die Oberfläche des Substrats für einen störfreien Prozess beschichtet oder veredelt.

Einbettung und Substrate

Substrat-Integrations-Linie

Substratfinish und Zuverlässigkeit

Der Begriff Panel entstammt dem Französischen “panneau” (= Tafel) und bezeichnet in der Elektronik meist eine Bedienoberfläche, wie bspw. Anzeigedisplays eines Smartphones oder eines Bedienelements am Computer. In der Elektronikherstellung ist damit das für die Massenfertigung optimierte Vollformat der Leiterplattensubstrate gemeint. Es ist 610 x 457 mm² groß.

Panel Level Packaging Consortium

Panel Level Packaging

Tech News – Panel Level Packaging auf dem Weg in die Zukunft: PLC 2.0

Ökodesign beschreibt den Ansatz, Produkte so zu gestalten, dass Umweltbelastungen möglichst minimiert werden. Und das nicht nur in der Produktion, sondern über den gesamten Lebenszyklus (Nutzung, end-of-life) des Produkts hinweg. Für ein umweltgerechtes Produktdesign werden auch Bewertungsmethoden genutzt und entwickelt, die die Ökobilanz (zum Beispiel den CO₂ Fußabdruck) oder andere Teilaspekte, wie die Reparierbarkeit des Produktes, bewerten.

Umweltbewertung für Elektroniksysteme

Lernfabrik Ökodesign

Abkürzung für Forschung und Entwicklung. Mit wissenschaftlichen Methoden soll anwendungsorientiertes Wissen geschaffen werden. Die Finanzierung ergibt sich aus Investitionen aus der Industrie und öffentlichen Zuschüssen. Und so finanziert sich das Fraunhofer IZM.

Kombiniert man Textilien mit Elektronik, wird die Funktionalität der Textilien erweitert: Sie reagieren dann auf Umwelteinflüsse mit Eigenschaftsänderungen. Möglich ist es, elektrisch leitende Fasern einzuweben, zu sticken oder Elektronik auf die Textilien zu drucken. Dies ist besonders nützlich, um Vitalfunktionen von Patienten oder Sportlerinnen zu messen und Änderungen anzuzeigen.

Forschungsschwerpunkte - Smart Textiles

Forschungsschwerpunkte - Textile Leiterplatten

Tech News - High-Tech Fashion – Kunst und Wissenschaft für die Kleidung von morgen

Um elektronische Systeme weiter zu minimieren, versucht man einzelne Bauteile 3-dimensional zu stapeln. Das kann z.B. durch das Einbetten (Embedding) von Integrierten Schaltkreisen (ICs) direkt in die Leiterplatte geschehen. Dabei werden die elektronischen Bauteile schon während der Leiterplattenherstellung in eine oder sogar mehrere Aufbaulagen integriert und miteinander verbunden. So entstehen hochkompakte Elektroniksysteme – in Leiterplatten, Textilien oder Wafern.

Prozess- und Produktentwicklung - Einbetten

Forschungsschwerpunkte - Einbetten - Leiterplattentechnologien

Forschungsschwerpunkte - PCB - Einbetten

Man könnte die Leiterplatten als die Werkbänke der Elektrotechnik bezeichnen, denn sie sind in fast allen Geräten vorhanden. Sie sind die Träger aller elektronischen Bauteile, die sie elektrisch und mechanisch miteinander verbinden. Zur Montage der Komponenten wird meist die so genannte Oberflächenmontagetechnik (SMT, surface mount technology) verwendet. Der Leiterplattenentwurf ist entscheidend für die spätere korrekte Funktion des Systems, da insbesondere in der Hochfrequenztechnik die Abstände zwischen Leiterzügen exakt eingehalten werden müssen, um z.B. das Übersprechen von Signalen zu verhindern.

Embedding-Leiterplattentechnologien für die Leistungselektronik

PCB Embedding

Textile Leiterplatten

Elektro-optische Leiterplatte

Dünne Drähte verbinden integrierte Schaltkreise mit anderen elektronischen Anschlüssen oder dem Gehäuse. Bonddraht besteht meist aus Gold, Aluminium oder Kupfer und hat einen minimalen Durchmesser von 12,5 µm, kann aber aufgrund der zu übertragenden elektrischen Leistung gerade in der Leistungselektronik deutlich dicker sein. Die Verbindung zum Bauelement wird durch ein Mikroschweißverfahren erzeugt – das Drahtbonden. In der Halbleiterei ist das Drahtbonden neben dem Löten das Standardverfahren zur elektrischen Kontaktierung.

Prozess- und Produktentwicklung - Drahtbonden

Das sind Räume, in denen die Konzentration der luftgetragenen Partikel künstlich auf einem Minimum gehalten wird. Temperatur und Luftfeuchtigkeit – alle Parameter müssen abgestimmt werden, um die hochkomplexen Fertigungsbedingungen zu ermöglichen. In der Halbleiterfertigung werden zurzeit 7 nm-Technologien eingeführt. Ein Haar hat etwa den Durchmesser von 10 µm, was 10.000 nm entspricht. Unterschieden werden die Reinraumklassen nach der Anzahl der Partikel pro Kubikmeter Luft.

Was das Fraunhofer IZM so in seinen Reinräumen anstellt.

Ist die sechste Generation der Mobilkommunikation, die in frühestens 10 Jahren auf den gerade einzuführenden 5G-Standard folgen wird. Das Ziel ist es, die Datenübertragung deutlich zu steigern und die Latenzzeit nochmals zu verringern. Auch die verwendete Sendefrequenz soll gesteigert werden. Man geht von über 100 GHz aus. Durch die hohen Frequenzen entsteht aber auch eine starke Freiraumdämpfung, d.h. die Abstände der Antennen zum Sender müssen weiter verringert werden.

Arbeitsgruppe - RF Materials & Components

Außenstelle Hochfrequenz-Sensorsysteme des Fraunhofer IZM in Cottbus

Integrierte Schaltkreise (IC) sind elektronische Schaltungen, die zumeist auf Transistoren basieren. Da diese gemeinsam auf einem Silizium-Wafer hergestellt werden, bezeichnet man sie auch als monolithische Schaltkreise ("aus einem Stein"). Mit der heute kleinsten Halbleitertechnologie (14 nm-Knoten) können mehrere Milliarden Transistoren auf einem IC miteinander hergestellt werden. Zum Schutz und zur Kontaktierung müssen sie in Chipgehäusen verkapselt werden - das bezeichnet man als Electronic Packaging.

Tech News - Fraunhofer IZM schließt sich EUROPRACTICE IC Service an

Forschungsschwerpunkt - Advanced IC-Design

Fachartikel - IoT-Systeme für den Mittelstand (Download PDF)

Beschreibt die herstellungs- oder materialbedingte Abnutzung und Alterung von Produkten. Man unterscheidet zwischen zwei Arten. Die absolute Obsoleszenz resultiert aus der technisch möglichen Lebensdauer. Die relative Obsoleszenz beschreibt das Ende der tatsächlichen Nutzungsdauer eines Produkts und kann von Technologiesprüngen, Modeerscheinungen und ökonomischen Faktoren abhängen. Wie umfangreich das Phänomen ist, erforscht das Fraunhofer IZM im größten Obsoleszenz-Projekt der Bundesregierung.

Tech News: Fraunhofer IZM leitet EU-Projekt zu vorzeitiger Obsoleszenz

Um physikalische oder chemische Größen zu erfassen, werden Sensoren genutzt. Die aufgenommenen analogen Daten werden in skalierte (digitale) elektrische Signale umgewandelt und können anschließend ausgewertet werden. Es existiert eine enorme Bandbreite von Sensoren, die teilweise den Sinnen des Menschen nachempfunden sind, aber auch Bereiche abdecken, die der Mensch nicht detektieren kann wie z.B. Radar, pH-Wert oder auch Strahlung im nicht-sichtbaren Bereich.

Autonomes Fahren soll dank Radar-Sensor-Modul sicherer werden

Umweltsündern auf der Spur

Sensor-Entwicklung und -Integration

Sensor Nodes & Embedded Microsystems

Hermetic MEMS & Sensor Packaging

RF & Smart Sensor Systems

Wafer ist die englische Bezeichnung für Waffeln. In der Elektronik versteht man darunter meist Silizium-Substrate (Si): Runde Substrate, basierend auf Einkristallen in der Mikroelektronik und quadratische, polykristalline in der Solartechnik. Aufgrund der halbleitenden Eigenschaften können die Wafer nach speziellen Dotierungsverfahren zur Herstellung von Transistoren verwendet werden. Als reines Substratmaterial, auf denen elektrotechnische Komponenten miteinander verdrahtet werden, gibt es aber auch Wafer aus Glass, Keramik, Metall und Kunststoff.

Was man mit Wafern alles anstellen kann

µ fragt nach: Panel, Wafer, bitte was?