Neue Entwicklungen in der Mikrosystemtechnik Anforderungen an die Systemintegration

Transkript

1 Neue Entwicklungen in der Mikrosystemtechnik Anforderungen an die Systemintegration Dr. Randolf Schließer Dresden,

2 Gliederung Definition Mikrosystemtechnik Stand der MST und zukünftige Trends Anforderungen an die Systemintegration Zusammenfassung

3 Mikrosystemtechnik - Definition Was verstehen wir unter Mikrosystemtechnik (MST)? In einem Mikrosystem werden unter Anwendung verschiedener Mikro- und Systemtechniken mehrere Einzelfunktionen zu einem miniaturisierten, intelligenten Gesamtsystem verknüpft. Dabei wird Mikroelektronik mit optischen, mechanischen, chemischen oder biologischen Vorgängen auf engstem Raum kombiniert, so dass sensorische, aktorische und signalverarbeitende Funktionen realisiert werden. Naturwissenschaften werden mit Ingenieur-wissenschaften interdisziplinär vernetzt. Sensor Signalverarbeitung Aktor empfinden entscheiden reagieren

4 Zusammenspiel der MST-Technologien Mikroelektronik Mikromechanik Mikrofluidik Schichttechnologien Mikrostrukturierungstechniken optische Technologien: Mikrooptik, Faseroptik, Integrierte Optik Systemintegration, Aufbau- und Verbindungstechnik

5 Ökonomische Bedeutung der Mikrosystemtechnik 23% Σ: Σ: % Σ: Σ: Medizintechnik Mess- / Regeltechnik Optik 77% 37% Elektrotechnik Elektronik 63% KFZ 27% 26% Maschinenbau 74% 65 Mrd US $ Prognose (ex ante Evaluation MST) 200 Mrd US $ Prognose 2005 (NEXUS) Mrd US $ Weltmarkt MST Hebeleffekt bei Nutzung von MST in Produkten: Ø Faktor Mrd US $ Mrd US $ ,9 Mrd US $ 0 Mikrosysteme Ø WR 18% / a Quelle: NEXUS Task Force Market Analysis; 2002 MST-Komponenten Ø WR ~25% / a Quelle: System Planning Corp.; ,5 Mrd US $ kleine und mittelständische Unternehmen (1-999 Beschäftigte) Groß-Unternehmen WR: Wachstumsrate

6 Branchen/ Anwendungsfelder Diffusionsgrad der MST in wichtigen Branchen Automotive Medizintechnik Informations- und Kommunikationstechnik Maschinen- und Anlagenbau Umwelttechnik Nano-Bio-Sensoren UbiComp Telekom + Netze Peripherals Intelligentes Werkzeug Drive by wire Lab on Chip Diagnostik (Bio) Implantate Chemie/Pharma µvt Analytik Haus- und Gebäudetechnik privat Zweckbau Bräunungssensor für Toaster Brandmelder/ Bewegungsmelder Logistik in Handel u. Produktion Scannerkasse Energietechnik Solarmodule erste Ansätze/ Potenziale/ FuE-Ergebnisse Einzelne Produkte mit großen Stückzahlen und Markterfolg Durchdringung einzelner Produktzweige Hoher Wertschöpfungsanteil/ MST als Marketinginstrument/ entscheidender Marktvorteil Diffusionsgrad/ Durchdringung

7 Trends in der MST weitere Durchdringung traditioneller Branchen durch marktnahe Entwicklungen Nutzung neuer Technologien und Materialien für neue Optionen technologieübergreifende Systemintegration (z. B. Biotechnologie, Nanotechnologie, Mikroelektronik) skalenvertikale (Nano Mikro Makro) Systemintegration

8 Marktnahe Entwicklungen - Anforderungen an die AVT Miniaturisierung (Verkleinerung der Strukturgrößen) und steigender Integrationsdichte (Erhöhung der Anschlusszahlen) steigende Verlustleistungen und Taktfrequenzen Gehäusetechniken und hybride Integrationstechniken zur Integration von Mikrosystemen in die Makroumgebung Integration in nichtkonventionelle Einsatzfelder (z. B. Textilien) Vereinheitlichung und Standardisierung von Komponenten und Prozessen der AVT Erhöhung der Zuverlässigkeit und Erweiterung der Einsatzbereiche von Verbindungsverfahren und Aufbautechniken (z. B. Einsatz für Hochtemperatur-Anwendungen > 125 C oder biokompatibel AVT)

9 Technologieentwicklung Mikroelektronik und IT IC s: Verdopplung der Taktfrequenz alle Monate Photonics: Verdopplung der Übertragungskapazität alle 12 Monate Speicher: Verdopplung der Speicherdichte alle 9 Monate Displays: Verdopplung der Pixels alle 2 Jahre Wireless: Faktor 10 bis 1000 in der Kanalkapazität alle 5 Jahre

10 Marktnahe Entwicklungen - Anforderungen an die AVT Miniaturisierung (Verkleinerung der Strukturgrößen) und steigender Integrationsdichte (Erhöhung der Anschlusszahlen) steigende Verlustleistungen und Taktfrequenzen Gehäusetechniken und hybride Integrationstechniken zur Integration von Mikrosystemen in die Makroumgebung Integration in nichtkonventionelle Einsatzfelder (z. B. Textilien) Erhöhung der Zuverlässigkeit und Erweiterung der Einsatzbereiche von Verbindungsverfahren und Aufbautechniken (z. B. Einsatz für Hochtemperatur-Anwendungen > 125 C oder biokompatibel AVT) Vereinheitlichung und Standardisierung von Komponenten und Prozessen der AVT

12 Nutzung neuer Materialien und Technologien - Beispiel Polytronic mech. Komponenten Batterien Mikropumpen Membranen Mikrooptik Leiterbahnen Schaltungsträger Klebstoffe Gehäuse Formteile Die Polytronic umfasst die Entwicklung und Applikation von passiven und aktiven elektronischen und photonischen Polytronic Komponenten, basierend auf organischen Funktionsmaterialien, und deren Systemintegration Packaging Power Devices Displays OFET s Beleuchtung Solarzellen Displays/OLED Sensoren Aktoren Transistors Labels

13 Roadmap Polytronic / Stand der Technik exemplarische Herstellung vielversprechender Bauelemente ist möglich OFET- Systeme OFET s 3 G (z. B. Calculator) Smart Cards Smart Labels vollpolymere Lösungen für wichtige aktive Bauelemente (z. B. Bipolar- Transistor) und Systeme sind unzureichend oder nicht vorhanden Displays Power Devices CDT Ltd. OLED s Polymerbatterien Smart Cards Solar Blankets TV-Displays R/W-Paper Power Generation Systems Verfügbarkeit von Prototypen kostengünstige Fertigung und Konfektionierung (z. B. Druckverfahren oder Rolle-zu-Rolle-Fertigung) ist nicht entwickelt Materialien und Fertigungstechnologien erlauben derzeit noch keine reproduzierbare Herstellung polytronischer Systeme

14 Roadmap Polytronic OFET- Systeme OFET s 3 G (z. B. Calculator) Smart Cards Smart Labels Displays CDT Ltd. OLED s Smart Cards TV-Displays R/W-Paper Power Devices Power Generation Systems Solar Blankets Polymerbatterien

15 Polytronische Systemlösungen AVT, passive Baulemente Realisierung von Sensoren und Aktoren Front Panal Applikationen MEMS-Anwendungen (z. B. Lab-on- Chip, Pumpen) Anwendungen Logistik (z. B. Lebensmittel) Kommunikationstechnik Medizintechnik (intelligentes Pflaster)

16 Polytronic - Stand der Technik exemplarische Herstellung von vielversprechenden Bauelementen ist möglich vollpolymere Lösungen für wichtige aktive Bauelemente (z. B. Bipolar-Transistor) und Systeme sind unzureichend oder nicht vorhanden kostengünstige Fertigung und Konfektionierung (z. B. Druckverfahren oder Rolle-zu-Rolle-Fertigung) ist nicht entwickelt Materialien und Fertigungstechnologien erlauben derzeit noch keine reproduzierbare Herstellung polytronischer Systeme

17 Polytronic - Anforderungen an die AVT Weiterentwicklung der aus der SMD-Technik bekannten Schablonendrucktechnik (Substrate: LP, Papier, Textilien) Entwicklung von hochproduktiven, z. B. auf der Rolle-zu-Rolle-Drucktechnik basierenden Technologien, die auf den für Printmedien bekannten Verfahren aufbauen Quelle: FhG-IZM

18 Polytronic - Anforderungen an die AVT Integration von dünnen Silizium-ICs mit polymerer AVT (Silicon in Polymer). Verfahren zur Herstellung passiver polymerer Komponenten (Leiterbahnen, Induktivitäten usw.) bei gleichzeitiger Realisierung der Kontaktierung und von Teilen des Packaging embedded passives mehrlagige funktionale Schichtaufbauten 3D-Verbindungstechnik mit Durchkontaktierungen

20 Skalenvertikale Systemintegration Strukturgröße Physik MAKRO Elektrotechnik Elektronik miniaturisieren 0,1 mm MIKRO NANO 0,1 µm 0,1 nm Biologie Chemie Zellbiologie Mikroelektronik funktionalisieren komplexieren Materialdesign Funktionelles Moleküldesign Supramolekulare Chemie Komplexchemie Molekularbiologie Quanteneffektnutzung Biosensorik Molekularelektronik Neurotechnologie Molekularmedizin Biospeicher... Systemgenerierung Integriertes Nutzen biologischer Prinzipien physikalischer Gesetze chemischer Eigenschaften Jahr

21 Skalenvertikale Systemintegration Wichtige Anforderungen der AVT im Mikro-Nano-Verhältnis: Realisierung der notwendigen mechanischen, elektromagnetischen oder bio(chemischen) Verbindungen Anordnung, Platzierung und Verdrahtung von Nanobausteinen. Damit nimmt die AVT wesentlichen Einfluss auf die Funktionalität und Kommunikation der Systeme Assemblierung, Wachstum und Selbstorganisation als Konstruktionsprinzipien gegenüber der bisherigen Bearbeitung vorhandener Strukturen (vom Subtraktiven zum Additiven). Die Schaffung von Fähigkeiten zur Selbstreparatur und zur Entsorgung (z. B. biologisch abbaubare Produkte).

22 Mikro-Nano-Interface Einbettung der Nanobauelemente, ihrer Träger und Baugruppen in eine äußere technische, mikrometerskalige Umgebung sowohl passive als auch eine funktionale Verbindung Mikrogreiferarrays Selbstorganisations-Prozesse Technologien, basierend auf fluidischen Trägermedien: Ausnutzung der Oberflächenspannung bei Verwendung von partiell hydrophilen und hydrophoben Trägeroberflächen; Biomimetische Verfahren, bei denen die Bauteile mit als Etikett fungierenden (Bio)Molekülen ausgestattet werden auf der Schwerkraft basierende Prinzipien mit entsprechender Formanpassung von Nanokomponente und Substrat

23 Zusammenfassung Die originäre Leistung der Mikrosystemtechnik ist die Systemintegration verschiedener Technologien und Komponenten und der Brückenschlag zwischen Makro-, Mikro- und Nanowelt. Dementsprechend vielfältig sind die Systemintegrationstechniken und ihre Aufgaben. Die Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) ist ein Schlüsselelement der Systemintegration. Sie ist häufig sowohl der limitierende Faktor für die Gesamtgröße eines Mikrosystems als auch - bei kleinen oder mittlere Stückzahlen - entscheidend für die Kosten. Die Umsetzung in erfolgreiche Produkte erfordert vor allem die Beherrschung flexibler Fertigungsverfahren, die mit den Kostenstrukturen von Massenfertigungsverfahren mithalten können und gleichzeitig der Tendenz nach individualisierten Produkten Rechnung tragen.

24 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!