„Im Projekt ›KoVoPack‹ entwickeln wir mit unseren Partnern mit neuen Prozessen, Technologien und Anlagen eine ganzheitliche Technologieplattform, mit der sich vollintegrierte elektronische Systeme, sogenannte ›System-in-Package‹-Lösungen (SiP), effizient und kostengünstig herstellen lassen. Damit schaffen wir wichtige Grundlagen für moderne Kommunikations- und Erlebniswelten, die mit den beiden Mobilfunknetzen 5G und 6G möglich werden“, erläutert Dirk Wünsch, Leiter der Gruppe „Wafer-Bonden und Integrationstechnologien“ und Projektverantwortlicher am Fraunhofer ENAS, die Zielstellung des Vorhabens.
Gemeinsam mit Forschungspartnern aus Industrie und Wissenschaft ist das Chemnitzer Fraunhofer-Institut Teil des dreijährigen Projekts, das den neuen Mobilfunkstandards einen deutlichen Entwicklungsschub verleihen wird. Daneben sind die Infineon Technologies Dresden GmbH & Co. KG als Halbleiterhersteller, die VON ARDENNE GmbH als Experte für Vakuumprozesstechnik, der Mikrochiphersteller SAW components Dresden GmbH und die Technische Universität Chemnitz involviert. Das Projekt wird durch den europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) kofinanziert. Außerdem wird diese Maßnahme mitfinanziert durch Steuermittel auf der Grundlage des vom sächsischen Landtags beschlossenen Haushalts.
Zunehmende Miniaturisierung im Fokus
„Hinter der Projektidee steckt die Motivation, dass heutige technische Geräte immer kleiner und flacher werden, dabei aber mit immer mehr Raffinessen und Funktionalitäten ausgestattet sein sollen. Die fortschreitende Miniaturisierung technischer Produkte setzt eine stetige Verkleinerung der in ihnen verbauten mikroelektronischen Komponenten und Systeme voraus. Damit diese in Zukunft noch kompakter, kleiner und flacher werden können und für optische, Rundfunk- und Radar-Applikationen und damit für Anwendungen im 5G- und 6G-Netz einsatzfähig sind, braucht es ausgeklügelte Technologien, Materialkonzepte sowie Aufbau- und Verbindungstechniken“, erklärt der Fraunhofer-Wissenschaftler.
Voraussetzungen für enorme Speicherkapazitäten
So sollen im Projekt „KoVoPack“ unter anderem neue Prozesse, Technologien und Anlagen für Phasenwechselmaterialien (PCM) auf der Basis des Halbleitermaterials Germanium-Antimon-Tellurid (GeSbTe) entwickelt werden, um Hochfrequenzschalter und optische Bauelemente herzustellen. Phasenwechselmaterialien wurden in der Vergangenheit vor allem im Bereich der wiederbeschreibbaren Blue-Ray-Discs eingesetzt. Wirken thermische Einflüsse auf sie ein, können sie ihre Struktur zwischen kristallin und amorph ändern. Diese strukturellen Veränderungen bewirken wiederrum eine Änderung ihrer elektrischen und optischen Eigenschaften. Damit eignen sich PCMs für die Herstellung photonischer und elektronischer Komponenten, die beispielsweise in Display- und Speichertechnologien zum Einsatz kommen. Auf diese Weise könnten Smartphones der nächsten Generationen entstehen, die sich durch eine deutliche Energieeffizienz, größeren Speicherbedarf, lange Akkulaufzeiten und erhöhte Lebensdauern sowie hochauflösendere Displays auszeichnen. Basierend auf PCMs lassen sich daneben auch RF-Schalter realisieren, die in Antennen und Antennentunern eingesetzt werden können. Auf diese Weise lässt sich eine bessere Signalübertragung und -qualität und damit eine optimale Mobilfunkversorgung ermöglichen. Schließlich sind PCM auch „Enabler“ für integrierte Photonik und gestatten die Fertigung von Modulatoren, abstimmbaren Resonatoren, photonischen Speichern und optischen Filtern, die gänzlich ohne bewegliche Komponenten funktionieren. Als zukünftige Anwendung wäre hier unter anderem das photonische neuromorphe Rechnen denkbar, was Computer für die Künstliche Intelligenz deutlich schneller und gleichzeitig energiesparender werden lässt.
Das Fraunhofer ENAS wird im Rahmen des Projekts Abscheideverfahren basierend auf der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) für Phasenwechselmaterialien entwickeln, Methoden für deren Strukturierung erforschen und die realisierten Materialien mithilfe analytischer Verfahren mit dem Ziel charakterisieren, diese in zukünftige Bauelementekonzepte integrieren zu können.
Beschleunigte Datenübertragung und neue Steuerungskonzepte
Kleine und flache elektronische Module für 5G- und 6G-Anwendungen erfordern deutlich kompaktere und vor allem hermetisch dichte Waverlevel-Packages, um diese vor dem Eindringen von Feuchtigkeit zu schützen und ihre kontinuierliche Leistungsfähigkeit zu gewährleisten. Mit seiner ausgewiesenen und langjährigen Expertise im Bereich der Waferbondtechniken mit verschiedenen Substraten wird das Fraunhofer ENAS im Rahmen von „KoVoPack“ die Erreichung dieses Ziels unterstützen. So sollen neuartige Waferbondverfahren für Waverlevel-Packages auf Basis von Silizium-basierten Bipolar-CMOS (BiCMOS) Wafer sowie kompakte Lösungen zur hermetischen Verkapselung und elektrischen Kontaktierung erarbeitet werden.
Die im Projekt entstehenden Aufbau- und Verbindungstechniken werden dazu beitragen, zum Beispiel effiziente Hochfrequenzmodule zu fertigen. Da mit der Einführung von 5G und dem nächsten Entwicklungsschritt 6G völlig neue Anwendungen im Bereich der Industrie 4.0 und dem autonomen Fahren entstehen werden, welche die Übertragung deutlich größerer Datenmengen bei höheren Übertragungsgeschwindigkeiten erfordern, können mit leistungsfähigeren Hochfrequenzmodulen riesige Datenmengen in noch kürzer Zeit übermittelt werden. Aber auch für radargestützte Gestenerkennungssensoren sind die entstehenden Aufbau- und Verbindungstechniken interessant. Hochsensible Sensoren erlauben beispielsweise die intelligente Bedienung und Steuerung modernster Smartphones über feinste Bewegungen ihrer Nutzerinnen und Nutzer ganz ohne physischen Kontakt.
Die im Rahmen des Projekts „KoVoPack“ entwickelten Technologien und Prozesse werden in der industriellen Fertigung eine wichtige Hürde nehmen, um neue Komponenten für 5G- und 6G-Anwendungen herzustellen. Damit soll der Einführung und Marktdurchdringung der neuen Kommunikationsstandards der Weg geebnet werden.
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Weiterführende Links
👉 www.enas.fraunhofer.de
Foto: Fraunhofer ENAS
