Integration: Der Weg der Prozesse und Systeme in der Mikrotechnik Holger Reinecke

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1 Integration: Der Weg der Prozesse und Systeme in der Mikrotechnik Holger Reinecke HSG-IMIT, Villingen-Schwenningen Lehrstuhl Prozesstechnologie, IMTEK, Universität Freiburg

2 HSG-IMIT Eckdaten (2011) Gründung 1988 Sitz: Villingen-Schwenningen Personal 95 FTE Haushalt 9,9 Mio. Mikrofluidik Lab-on-a-Chip Mikrodosiersysteme Sensoren und Systeme Thermische Sensoren Inertialsensoren Energieautarke Systeme Mikromedizin Prozesse, Prototypen und Fertigung Reinraumproduktion AVT und Zuverlässigkeit Sondermontagen Qualitätsmanagement zertifiziert nach DIN EN IS0 9001:2000

3 Universität Freiburg, IMTEK MEMS Lehr- und Forschungsstätte 22 Lehrstühle 300 Forscher 550 Studenten Netzwerke und Forschung Mitglied in den Excellenzclustern BIOSS Brain Links Brain Tools Mitglied im Spitzencluster microtec Südwest

4 Lehrstuhl für Prozesstechnologie Wir erforschen und entwickeln innovative Verfahren zur Mikrostrukturierung und Replikation von Metallen, Halbleitern, Kunststoffen und Ultrapräzisionszerspanung Mikro-Drahterodieren Mikro-Senkerodieren Elektrochemische Bearbeitung UV-Lithographie Galvanik Heißprägen Nanoimprint Spritzgießen Messtechnik

5 Integration von Materialien, Technologien und Prozessen aus unterschiedlichen Fertigungen zur Optimierung von Größen, Leistungen, Zuverlässigkeit, Adaptierbarkeit und Kosten Funktionen zur Optimierung von Volumen, Energiebedarf, Bedienbarkeit, Zuverlässigkeit und Kosten Produktverbesserungen und Dienstleistungsangeboten zur Optimierung der langfristigen Innovationskraft auch bei kürzeren Produktlebenszeiten

6 Smart System Integration

7 Technologische Kernaufgaben

8 Einsatz mikrotechnischer Systeme

9 Kunststoffprodukte Beispielhafte Prozess-Integration Lithographie Strukturierung Mechanische Bearbeitung Laser- Silizium- Mikromechanik Kombinationen Formnestherstellung durch Galvanoformung Replikation - Spritzgiessen - Heissprägen - Roll-Embossing Oberflächenbehandlung (optional) Montage - Füllen - Fügen

10 Elektrochemische Bearbeitung (ECM) Werkzeug (Kathode) Folgereaktion: Werkstück (Anode) Patentierung im Jahre 1930, Erfinder Gusseff

11 Formgebende Verfahren Elektro-Chemische Bearbeitung (ECM) Anodische Metallauflösung Werkzeug: Vorstrukturierte Metalle und Legierungen Materialien: Gehärteter Stahl Titan Minimierung der Werkzeuggeometrie: Kohlefasern (Ø < 10 µm) Minimierung des Arbeitsspalt: Oszillierendes Werkzeug (PECM) Senken und Drahtschneiden Gefördert durch die

12 Prozesskombinationen Minimierung der Werkzeuggeometrie für die ECM Standard Siliziumtechnologie zur Mikro- und Nano-Strukturierung von hochdotierten Siliziumwerkzeugen Formgebung von Werkzeugstahl via ECM mit Siliziumwerkzeugen 1 mm Mikro-Strukturen in Werkzeugstahl für Polymerreplikation oder Stempelverfahren Applikation: z.b. Schutz vor Produktpiraterie IMTEK logo in Werkzeugstahl mit R a = 90 nm 1 mm 400 µm Patent pending

13 Replikationsverfahren Heißprägen (HE) Großflächenreplikation für Prototypen und Kleinserienfertigung HEX04-Einheit von Jenoptik Probendurchmesser: bis zu 300 mm T max = 350 C F press 400kN Materialien: Thermoplastische Polymere Thermoplastische Elastomere Vorteilhaft für Optiken auf Grund niedriger interner thermischer Spannungen

14 Replikationsverfahren Nano Imprint Lithographie Beispiele UV-Belichtungseinheit für UV unterstützte Polymerisation von z.b. Laminaten, Monomer-Resistsystemen Entwickelt von IMTEK Prozesstechnologie Innovated durch Jenoptik 100 mm Transparente Werkzeuge z.b. SiO 2, PDMS Nanostrukturen auf großen Oberflächen

15 Prozesskombinationen Kombination von Interferenz- und Nano Imprint Lithographie Großflächige Masterformgebung mittels Interferenzlithographie in Resist PDMS-Werkzeugfertigung durch Abguss für NIL 10 mm Großflächige NIL eines Monomer-Resists mit anschließender UV-Polymerisation Nanostrukturen auf großen Oberflächen 10 mm

16 Systemintegration - Strömungssensor Umsetzung Plattformentwicklung HSG-IMIT Chipfertigung von ca Sensoren in 2011 am HSG-IMIT Vormontage in KMU Systemintegration in KMU Differenzdrucksensor in Klimaanlagen Gruner AG, Wehingen Nutzen Arbeitsplätze bei KMU s Luftgeschwindigkeitsmessung Schmidt Technology GmbH, St. Georgen

17 Systemintegration - Strömungssensor MID-Technologie und Sensorchip Adaption des Messbereiches durch Austausch des Silizium - Chips Kundenspezifische Schlauchanschlüsse und deren Positionierung am Gehäuse durch Werkzeugeinsätze Chip Globtop Kleber MID-Gehäuse Bondpads

18 Systemintegration - Strömungssensor

19 Integration der Energieversorgung Energiewandlung Energiespeicherung Energiemanagement Sensor Input Communication Energiespeicher Energie management Tx / Rx Umgebungsenergie Microcontroller Energiewandler Mikrosensor Quelle: DFG GRAKO 1322

20 Miniaturisierung der Energieversorgung Bild Fleischhaue r Quellen:

21 Idee Brennstoffzelle auf dem Mikrochip IMTEK - Lehrstuhl Prozesstechnologie patents pending

22 Vision einer miniaturisierten Energiequelle patents pending

23 Integration von Spannungsversorgung und Controller der Brennstoffzellen This research and development project is funded by the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF) within the Framework Concept Research for Tomorrow s Production

24 Muster des chipintegrierten Brennstoffzellenchips Elemente 7 Kaskaden je 8 Einzelchips PLCC68 Keramikgehäuse Leistungsdaten Leerlaufspannung > 6V Leistung 450 µw/cm² Vergleichsdaten (theor. Kapazität) Wafer Level Batterie 30 mah/cm³ Li-Ionen Batterie (CR 1216) 159 mah/cm³ Chipintegrierte Brennstoffzelle 500 mah/cm³

25 Integrierter Brennstoffzellenakkumulator Lade/Entlade-Reaktionen LaNi 5 Metallhydridspeicher Bifunktionale Luftelektrode Ni/LaCaCoO 3 Alkalische Polymerelektrolytmembran (AAEM) 50 1 cm µm PTFE Membran Si Ni Stromkollektor Auffangreservoir für wässrigen Elektrolyten Si 3 N 4 Diffusionsund Ätzbarriere

26 Photochemische Metallhydridladung Photochemische Diode an n-srtio 3 /KOH aq Trennung von photogenerierten Ladungsträgern an Halbleiter-Elektrolyt-Kontakt Löcher erzeugen O 2 an SrTiO 3 Oberfläche Elektronen ermöglichen weitere Metallhydridbildung Energieinhalt der Metallhydridelektrode steigt MeH n Me E F

27 Photoladeexperiment Versuchsbedingung Presskeramik 0.05 at.% V Zelle zu Beginn ungeladen 26 mw/cm 2 Beleuchtung 0.1 ma Entladestrom Ergebnis Prinzip nachgewiesen Ausgangsleistung von µw Mittlerer Ladestrom von 6.5 µa

28 Einsatzgebiete integrierter Systeme Implantat zur Epilepsiediagnostik, NMI ITV, Denkendorf Regelung der Bodenverdichtung

29 Zusammenfassung Die Integration ist der nächste Schritt der Mikrosystemtechnik und findet statt auf allen Ebenen der Wertschöpfung: Materialien, Technologien und Prozessen aus unterschiedlichen Fertigungen zur Optimierung von Zuverlässigkeit, Adaptierbarkeit und Kosten Funktionen zur Optimierung von Volumen, Energiebedarf, Bedienbarkeit, Zuverlässigkeit und Kosten Produktverbesserungen und Dienstleistungsangeboten zur Optimierung der langfristigen Innovationskraft bei kürzeren Produktlaufzeiten

30 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit auf dem Pfad der besseren Prozesse