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Alfred Binder © Priv.
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"Heterogene Integration - mehr als Moore"

06.04.2020

Alfred Binder, Leiter der Forschungsgruppe Heterogene Integration bei SAL

Sie kennen das Moore'sche Gesetz!? Es besagt im Wesentlichen, dass man immer mehr Transistoren auf die gleiche Chipfläche packen kann und dies zu immer günstigeren Preisen. Gordon Moore war hier einer der wenigen echten Propheten, denn er sagte diese Entwicklung bereits 1965 voraus und sie galt lange Zeit. Derzeit wird an 3nm! (Nanometer, 1 Nanometer ist ein Millionstel Millimeter) kleinen Transistoren gearbeitet. Man geht nun aber davon aus, dass bald das Ende des Moore'schen Gesetzes kommt und damit das Ende der Miniaturisierung wie wir sie kennen.

Hier kommt die Heterogene Integration ins Spiel. Sie hat zum Ziel, verschiedenartige elektronische Komponenten, die man nicht einfach alle auf einen Chip packen kann, zu integrieren, um so ein funktional erweitertes System mit verbesserter Performance zu erhalten. Im Gegensatz zum Moore'schen Gesetz spricht man dann von "More than Moore"-Technologien. So kann man weiterhin über die Chipintegration hinaus zur Miniaturisierung elektronischer Systeme beitragen. Beispiele gibt es hierfür mittlerweile sehr viele. Bei smarten Sensoren wird heute gleich die zugehörige Elektronik zur Signalverarbeitung, Linearisierung und Kommunikation mittels eines ASIC (Application Specific Integrated Circuit) mitintegriert. Man spricht dann von einem sogenannten System in Package (SiP). Bildgebende Sensoren werden zusammen mit Optik und Ansteuerlogik als 3D Stapel miniaturisiert aufgebaut und millionenfach in Mobiltelefone verbaut. Hieran kann man erkennen, dass die Heterogene Integration miniaturisierte Systeme mit hoher funktionaler Dichte erst möglich macht.

Allerdings gibt es dabei einige typische Herausforderungen, welche die Forschung befeuern. Die Miniaturisierung bedeutet, dass elektrische Verbindungsstellen, die von einigen Jahren noch im Bereich von 100 μm (1 Mikrometer ist ein Tausendstel Millimeter) lagen, nun im Bereich von 10μm gefordert sind und darunter. Hier arbeitet die Forschung an den entsprechenden Kontaktierverfahren, da herkömmliches Löten bei so kleinen Dimensionen zu Kurzschlüssen führt. Weiters muss die Positioniergenauigkeit verbessert werden bis in den sub-μm Bereich, um die Komponenten hochgenau aufeinander auszurichten. Diese "High Density Interconnects" werden für Hochgeschwindigkeitsspeicher im Bereich High Performance Computing entwickelt.

Die Vielzahl an unterschiedlichen Komponenten, die in ein System integriert werden sollen, bringen weitere Herausforderungen mit sich. Jedes Bauteil hat seine eigenen thermischen, elektrischen und mechanischen Charakteristiken, die im Verbund abgestimmt werden müssen. Hier werden spezielle neue Materialien und Verarbeitungsprozesse benötigt. Immer wichtiger wird dabei die Systemsimulation welche gekoppelte, multi-physikalische Effekte berücksichtigt, um das System vorneherein richtig zu designen. Altherkömmliche Vorgangsweisen wie Bauen - Charakterisieren - Modifizieren sind zu teuer und müssen mehr durch virtuelle Entwurfszyklen, die vollkommen am Computer durchgeführt werden, ersetzt werden, bevor das Produkt gebaut wird.

Die SAL ist hier sehr aktiv und hat zurzeit mehr als 10 Projekte im Bereich der Heterogenen Integration. Eine Gruppe von Projekten sind Waferlevel-Packages - also kleine Systeme deren Baugröße kaum über die Chipabmessungen hinaus gehen. Diese sind vor allem für Mobiltelefone oder auch für günstige, zukünftige optische Sensoren von Bedeutung.

Oben beschriebene "Systems in Packages" sind in allen Bereichen der SAL relevant. Hier werden zunehmend auch Leistungshalbleiter applikationsspezifisch gemeinsam mit den Ansteuuerungsschaltungen und passiven Komponenten (Drosseln, Kondensatoren) miniaturisiert aufgebaut. Die hohe Leistungsdichte und thermische Beanspruchung gehen dann oft an die Grenzen der verfügbaren Materialien.

Weitere Projekte beschäftigen sich mit flexibler Elektronik. Wir kombinieren hier den direkten Druck von Leiterbahnen auf Papier mit diskreten Bauelementen für künftige patientennahe Labordiagnostik. Wichtige Blutwerte können dann direkt beim niedergelassenen Arzt oder auch zuhause gemessen werden, wobei der Messstreifen mit NFC-Technologie (Near Field Communication) komfortabel am Handy ausgelesen wird.

Produkte werden smarter und benötigen immer mehr Sensoren, die integriert werden müssen. Photonische Systeme wie Gassensoren, elektro-optische Kommunikation, Micro-LEDs bis hin zur Quantenoptik sind am Vormarsch. Was die Zukunft der Heterogenen Integration betrifft kann man sicher sein, dass dies eine Schlüsseltechnologie bleiben wird. Übrigens selbiger Gordon Moore sagte 1965 auch in seiner berühmten Publikation "Cramming More Components onto Integrated Circuits" voraus: "Es kann sich als wirtschaftlicher erweisen, große Systeme aus kleineren Funktionen zu bauen, die separat verpackt und miteinander verbunden sind." Das genau ist Heterogene Integration!

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