Produktentwicklung in der Mikroelektronik

Auf CMOS Elektronik basierte heterogen integrierte Gas-Sensoren ermöglichen eine Vielzahl an neuen Anwendungen für den Verbrauchermarkt. Die Erforschung und Anwendung von Nanotechnologie ermöglicht diesen Entwicklungssprung und ist ein Forschungsschwerpunkt am MCL. Dafür werden vor allem Metalloxid-Nanowires, dünne Schichten und Nanopartikel auf CMOS Chips integriert. Durch diese kann nicht nur der Stromverbrauch deutlich reduziert sondern auch die Sensitivität und Selektivität für unterschiedlichste Gase gesteigert werden.
Gemeinsam mit Firmenpartnern wird eine Prozesskette entwickelt, die eine sichere Herstellung von hetero-integrierten CMOS-Gassensoren ermöglicht. Dabei werden Microhotplates mit 40x40 µm Größe mit funktionalen Schichten versehen und weiter mit Hilfe von Nanopartikeln funktionalisiert, um die technischen und wirtschaftlichen Ziele zu erreichen.

Hoch-selektive und sensitive Sensoren durch Nanowires und Nanopartikeln

In internationalen Projekten (link zu MSP) werden die Sensoren weiter funktionalisiert, um die Selektivität zu erhöhen und um CMOS-basierte Plattformen für den Massenmarkt zu entwickeln. Ziel dieser Aktivitäten ist es, eine „Plug-and-play“ 3D-Integration für Sensoren zu ermöglichen, die für „Internet of Things“-Applikationen skalierbar ist.  

Eingebettete Datenverarbeitung für Metalloxid-Nanosensoren

Die meisten MOx-basierten Sensoren sind nicht nur für ein Gas selektiv, sondern zeigen eine deutliche Querempfindlichkeit. Auch wenn diese durch den Einsatz von Nanotechnologie deutlich reduziert werden kann, bleibt sie dennoch bestehen. Ebenfalls ist der Sensordrift durch Materialalterung ein zu berücksichtigender Aspekt. Durch den Einsatz von unterschiedlichen „orthogonalen“ Sensormaterialien auf einer Plattform und einer effizienten Datenverarbeitung, die später auf Micro-Controller übertragen werden kann, können nun unterschiedliche Sensormessdaten gemeinsam verarbeitet und die Präzision deutlich gesteigert werden.

Umweltmonitoring

Zur Umweltüberwachung eingesetzte Mikrogassensoren sind ein großes Ziel der Forschungsaktivitäten. Solche Sensoren werden in Zukunft uns Menschen vor gefährlichen Gasen wie Ozon oder Kohlenmonoxid warnen und Belüftungssysteme steuern.

Kontakt: Anton Köck

In-situ Charakterisierung von LED Modulen mittels Computertomographie

LED’s sind aufgrund ihrer hohen Effizienz ein sehr stark wachsender Markt. Oft sind die Module aus mehreren Chips aufgebaut, die mit feinen Drähten kontaktiert und zum Schutz und zur Einstellung der Farbe mit einem Verguss übergossen sind. Die Drähte in diesem Aufbau sind allerdings Schwachstellen und Drahtbruch ist der Hauptgrund für ein Versagen des Modules.

Um die Belastungen auf den Draht zu minimieren, muss der präzise Belastungszustand bekannt sein. Am MCL werden präzise Auslenkungen der Drähte im Verguss bei der relevanten Temperatur mit hochauflösender Computertomographie untersucht. Dies ermöglicht das Erkennen von Positionen mit hoher Belastung und eine Quantifizierung der Dehnung.

Simulation der thermisch-mechanischen Eigenschaften von LED-Modulen

Gemeinsam mit Firmenpartnern werden die Belastungen in LED’s simuliert. Dafür werden am MCL parametrische FE-Modelle erstellt und Materialmodelle generiert. Diese Modelle ermöglichen eine Vorhersage der Belastungen in den Baugruppen als Funktion z.B. der Form der Drahtbonds. Durch die Kopplung mit der Computertomographie ist es möglich, diese Modelle sehr effektiv zu validieren.

Durch die validierte Simulation ist es möglich, bestehende Designs zuverlässig thermo-mechanisch weiterzuentwickeln und neue Designs schnell zu realisieren. 

Thermisches Management von High-Power-LED‘s

Ein Schlüsselaspekt in der Zuverlässigkeit von High-Power-Packages im Allgemeinen und Power LED’s im Speziellen liegt im thermischen Management. Dabei muss der Wärmetransport innerhalb der untersuchten Systeme präzise verstanden werden. Eine Möglichkeit, dies zu gestalten, ist die thermische Pfadanalyse mittels FE-Simulation. Diese Pfade werden durch die Umgebungsparameter mitbestimmt, was die Analyse komplex macht. Durch den gezielten Einsatz von Wärmesenken lässt sich das Problem allerdings vereinfachen. Die Simulation erlaubt die Festlegung von Wärmepfaden und ermöglicht damit den zielführenden Einsatz der Thermische-Impedanz-Analyse.
Die thermische Impedanz ermöglicht die Simulation und Charakterisierungen von unterschiedlichen Belastungen, die im Einsatz auftreten können. Gleichzeitig bekommt man über die Simulation Kenntnisse über die schwer zugänglichen Materialparameter Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität.
Möglich wird dies durch eine Beschreibung der Messergebnisse durch ein Netzwerk aus thermischen Widerständen und thermischen Kapazitäten. Durch inverse Modellierung können die einzelnen Parameter an die Messkurven angepasst und damit physikalisch richtig bestimmt werden.
Diese Modelle werden dann zur Weiterentwicklung bzw. Neuentwicklung von LED-Modulen eingesetzt.

Online Lebenszeit-Monitor für Power-LEDs (OPAL)

Die gesammelten Ergebnisse und validierten Netzwerke können auch zum Verfolgen der Langzeitstabilität der einzelnen Komponenten dienen. So kann bei jedem Ein-Aus-Zyklus eine thermische Impedanz-Kurve aufgenommen werden. Diese kann auf relativ kleinen Prozessoren nachgerechnet und mit Fehlerbilder korreliert werden. Dadurch wird eine Zustandsüberwachung des Systems möglich. Ebenfalls lässt sich damit durch gezielten Eingriff in den Betriebszustand die Lebenszeit verlängern.

Kontakt: Elke Kraker