Themen und Exponate aus dem Bereich Heterointegration

Radar- und Kamerasysteme für das autonome Fahren – zwei vielversprechende Technologien mit spezifischen Vor- und Nachteilen. Das eine System ist etwa in der Bilderkennung überlegen, das andere liefert lichtunabhängig verlässliche Informationen. Durch die Kombination eines innovativen 79 GHz MIMO-Radar-Systems mit einem Stereo-Kamera-System in einem Package und der Fusion der Sensordaten wird in einem vom BMBF geförderten Konsortium ein hoch performantes Sensorsystem für das autonome Fahren geschaffen. Das in der FMD kooperierende Institut Fraunhofer IZM entwickelt hierfür mit Partnern die Hardware-Komponenten (Stereo-Kamera, Radar-Frontend, MIMO-Antennen). Das Radar-Frontend wird in einer innovativen Glas-Interposer-Technologie umgesetzt, welche durch einen skalierbaren Ansatz auch für andere hochauflösende Anwendungen in Zukunft eingesetzt werden kann.

Projekt: »KameRad«

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Das Internet of Things (IoT) bietet ein riesiges Potenzial für den Gesundheitsbereich – von der Diagnostik über die Patientensicherheit bis hin zu optimierten logistischen Prozessen. Insgesamt 21 europäische Partner arbeiten im Projekt SERENE-IoT daran, elementare Grundlagen für IoT-Anwendungen im Gesundheitswesen zu schaffen. Das deutsche Konsortium unter Koordination des in der FMD kooperierenden Instituts Fraunhofer EMFT entwickelt im Rahmen des Projekts ein IoT-fähiges, mobiles Analysegerät zum Nachweis von multiresistenten Staphylococcus aureus (MRSA).

Projekt: »Serene IOT (EU/Penta)«

In dem für die Sensor+Test 2020 geplanten Exponat des Windkanals sollte die Dünnfilm-Mehrschicht-Technologie auf Glassubstraten des Fraunhofer IZM dargestellt werden. Hiernach ist es möglich, dass 20 μm dünne Silizium-Druck- und Beschleunigungssensoren in Polymer/Kupfer-Mehrschichtaufbauten eingebettet werden. Der ultradünne Mikrosensor für die Schwingungsmessung ist damit Teil eines Beschleunigungssensors, der sich in einer flexiblen Zone zur Erkennung von Vibrationen befindet. Besonderes Highlight des Demonstrators: Die Frequenzempfindlichkeit kann individuell eingestellt werden.

Projekt: »MUSE«

Für den Aufbau der Sensormodule übernahm das Fraunhofer IZM alle Arbeitsschritte von der Aufbau- und Verbindungstechnik, der Herstellung von Durchkontaktierungen und Verdrahtungslagen, Abscheidung von Mikrolotkontakten über die Flip-Chip-Montage bis zum Chip- und Drahtbonden. Jedes Modul besteht aus einem 2D-Feld aus Avalanche-Dioden (SPAD) mit 256 x 256 = 65.536 Pixeln (Pitch: 40 μm), welches in einen 10 x 10 mm² großen Siliziumchip integriert ist (Gesamt-dicke: 88 μm). Jede SPAD-Zelle beinhaltet einen TSV (Durchmesser: 8 μm, Tiefe: 88 μm), welches den elektrischen Kontakt zur Rückseite des SPAD-Feldes herstellt, wo dann Lotbumps (Durchmesser: 25 μm) jedes Pixel mit dem Auslese-ASIC (12 x 12 mm², Dicke: 725 μm) verbinden. Die 3D-SiP-Module wurden final auf ein PCB gebondet und die umlaufenden IOs an den vier Seiten des ASICs durch Drahtbonden mit dem PCB verbunden.

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Innerhalb einer Anlage müssen Messdaten an zum Teil schwer zugänglichen Stellen erfasst und energieeffizient kommuniziert werden, um die Lebensdauer von Maschinenteilen zu erhöhen. Dabei gilt es, die Sensorik so zu entwerfen, dass sie miniaturisiert, langlebig, drahtlos vernetzt und energieeffizient ist, sodass diese direkt in die Maschinenteile integriert werden können. Hierzu konzipiert, entwickelt und erprobt das »Leistungszentrum Mikronano« die Integration von Sensoren und Aktuatoren in Maschinen im Rahmen einer Entwicklungsplattform zur Erstellung intelligenter Komponenten für Industrie 4.0 Anwendungen. Dies wird am Beispiel eines Kugelgewindetriebes (KGT) durch die Implementierung eines Sensor-Ringes demonstriert.

Projekt: »Strukturintegrierte, drahtlose Sensorik/Aktorik im Maschinenbau« (SimiKom)

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Für die permanente Überwachung von Umweltparametern (etwa pH und Leitfähigkeit) im Abwasserkanal wird ein energieautarkes Sensorsystem entwickelt. Das System besteht aus einem oder mehreren Sensorringen, auf denen wasserdichte Funktionsmodule montiert sind. Die Module kommunizieren über ein drahtgebundenes Bussystem, die Ringe untereinander drahtlos via Funk. Ein ereignisbasierter Abtast-Algorithmus steuert die Messungen. Dabei ist ein Sensor mit geringem Energiebedarf ständig im Betrieb, der bei vordefinierten Bedingungen die Inbetriebnahme der gesamten Sensorik auslöst. In Kombination mit der speziell entwickelten »Low Power«-Architektur wird ein minimaler Ruhestrombedarf erreicht. Das microMole-Projekt wird gefördert im EU-Programm Horizon 2020 mit der Fördernummer 653626. 

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Das Projekt HiBord erforscht zukünftige Bordnetztopologien für den Einsatz in hoch- und vollautomatisierten Fahrzeugen. Um den Aufbau von vollständig redundanten elektrischen Systemen im Fahrzeug zu vermeiden, soll ein intelligenter Verbund aller elektronischen Komponenten eine sehr hohe Zuverlässigkeit und Fehlertoleranz des Bordnetzes ermöglichen. Das Fraunhofer IZM hat einen Demonstrator gebaut, der aus einem Steuermodul und einem Bordnetzteil besteht. Er visualisiert die Möglichkeiten zur Sicherstellung von Redundanz bei geringstmöglichen zusätzlichen Leitungen. Partner in dem Projekt sind: Fraunhofer IISB, BMW, Bosch, Siemens, Kromberg & Schubert, smartCable.

Projekt: »HiBord«

Mehr zum Thema Intelligente Hochstromschalter

An innovative die-attach technique for 3D power integration. This technology allows micro-structured devices with thin metal films to be joined together without an intermediate layer. Normally, the direct bond is formed completely under solid-state conditions without liquid phase. In case of silver finish, direct bonds exhibiting high bonding strength and good interlayer electrical conduction can be already obtained at low temperature and pressure.

Next-generation Silver Direct Bonding Techniques for 3D Power Integration

At Fraunhofer IISB, direct bondingwith Ag metallized dies and substrates has been recently researched and analyzed. The effects of various processing parameters such as temperature, bonding time and pressure on shear strength are firstly investigated via the design of experiments (DoE) method. Experiments according to a two-level full factorial design are utilized to determine an optimal parameter set for achieving the maximum shear strength.

Projekt: »Vertigo«

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Das BMBF-Projekt »Graph-POC« legt seinen Fokus auf die Entwicklung einer graphenbasierten Point-of-Care-Diagnostik-Plattform. Das rein elektrische System soll es ermöglichen, bestimmte Biomarker des menschlichen Bluts zu erkennen und eine eventuell vorhandene Infektion als bakteriell, viral oder fungal einzustufen. Technologische Merkmale dieses Projekts, das in Kooperation mit der TU Berlin durchgeführt wird, sind die hochpräzise Abscheidung von organischem, reduziertem Graphenoxid, die biologische Funktionalisierung mittels Fängermolekülen und das Einbetten der Sensoren mit Mikrofluidik und RDL in ein »Disposable Package«. Zukünftig könnte das Gesamtsystem auch für andere Biomarker verwendet werden.

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Kern des Projektes, an dem auch vier der in der FMD kooperierenden Institute beteiligt sind, ist eine Universelle Sensor Plattform (USeP). Die Entwicklung der USeP Technologien fokussiert unterschiedliche Spitzentechnologien von Globalfoundries und mehreren Fraunhofer-Instituten in einem Sensor-Package. Dieses ist in zwei Teile untergliedert. Ein Teil kann vorproduziert werden und enthält grundlegende Elemente, wie Prozessoren, Speicher oder Energieversorgung. Im zweiten Teil werden individuell auswählbare Sensoren integriert. Die Gliederung der Herstellung in stetige und in flexible Komponenten ermöglicht dabei erstmalig die schnelle Produktion spezifisch angepasster Sensorsysteme mit höchster Performance. Dieses Konzept richtet sich speziell an kleine und mittelständische Unternehmen und gibt ihnen einen essentiellen Marktvorsprung. 

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Mit bloßem Auge können Verbraucher beim Einkauf nur selten den tatsächlichen Frischegrad eines Lebensmittels feststellen. Besonders Lebensmittel mit einem hohen Frischegrad wie rohe Fleisch- und Fischprodukte sind jedoch sehr anfällig für mikrobielle Verderbprozesse. Da Frischemonitoring bei abgepackten Produkten besonders schwerfällt, arbeitet die Fraunhofer EMFT gemeinsam mit dem Fraunhofer IVV und Industriepartnern im Rahmen des Projekts FRESH an der Entwicklung einer Verpackungsfolie, die anhand ihrer Farbe den Frischegrad von Lebensmitteln anzeigt.

Projekt: »FRESH (gefördert durch BLE)«

Pflanzenviren verursachen jährlich wirtschaftliche Verluste von mehreren Milliarden US-Dollar. Die oftmals unspezifischen Symptome einer Virusinfektion und die große Variabilität der Genome von Pflanzenviren machen zuverlässige Diagnosen zu einer Herausforderung. Im Fraunhofer-internen Projekt BioPat arbeiten Forschende der Fraunhofer EMFT gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Ökologie IME sowie dem Fraunhofer Center for Systems Biotechnology CSB an der Entwicklung von hochspezifischen und robusten In-field-Sensorbauelementen zur Erkennung von Pflanzenkrankheiten. 

Die Bewohner der meisten Großstädte weltweit haben ein gemeinsames Problem; die verschmutzte Großstadtluft gefährdet ihre Gesundheit. Im Rahmen eines Fraunhofer-internen Projektes Zepowel arbeiten die Wissenschaftler:innen der Fraunhofer EMFT an einem extrem energie-effizienten System zur Detektion vom Feinstaub in der Umgebungsluft. Das System ist kompakt genug, um in einem Smart Phone Platz zu finden, und beinhaltet eine Mikropumpe, um die Luft möglichst schnell zum Sensor zu führen. 

A selective silver sintering process has been developed on IISB. This process makes it possible to have a state of the art joining of SMD components and a sintering for the highly stressed power devices. Thereof the new technology of selective sintering on PCB enables smaller chip sizes for a maximum power density on simple and cost effective printed circuit board designs.

Projekt: »Vorsch«

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A novel packaging concept was developed at Fraunhofer IISB in Erlangen, which is based on the embedding of power semiconductors in ceramic circuit carriers.
This prepares the ground for an extensive and more economical use of wide-bandgap semiconductors such as SiC (silicon carbide). SiC devices offer a vast potential for the growing market of power electronics. They allow the switching of very high currents and voltages in compact, miniaturized systems and thus are a key enabler for the development of highly efficient and intelligent solutions for mobility, industrial applications, and energy technology. With the new approach for packaging and circuit carriers, the existing physical constraints, such as limited operation temperature or undesired parasitic inductances, can be enhanced.
With the new technology – called Ceramic Embedding – the power devices are placed inside a special prepared direct bonded copper (DBC) substrate by suitable die bonding techniques such as soldering or silver sintering. Subsequently, all gaps are filled with a high-temperature potting material. The resulting prepackage is forming an easy-to-use power electronics building block.