Ultradünne flexible Chips und Schaltungsträger zum Einsatz in Mikrosystemen

Technical Showcase des Spitzenclusters MicroTEC Südwest

Bedarfsfeld:
Denkende Pflaster und intelligente Textilien - In den nächsten Jahren steigt der Bedarf an Produkten in flexiblen Substraten mit intelligenten Funktionen, die nur mit hochintegrierten Siliziumchips realisierbar sind, kombiniert mit Sensorik, Energieversorgung oder Aktorik. Ultradünne Chips können aufgrund ihrer geringen Dicken von 10-20 µm direkt in flexible Substrate integriert werden. So sind neuartige Produkte mit geringeren Abmessungen und verbesserten mechanischen Eigenschaften möglich, die beispielsweise formangepasst in Oberflächen integriert oder als flexible Folien auf Textilien oder der Haut eingesetzt werden können.

Zielsetzung
Die Entwicklung der flexiblen Leiterplatte für kosteneffiziente Produkte und der dazu notwendigen Fertigungstechnologien sowie die Erprobung der Technologie an Anwendungsbeispielen ist Ziel des Projektes. Um diese Herausforderung zu meistern, arbeiten Wissenschaft und Wirtschaft aus dem Bereich der Leiterplattenherstellung, der Sensorik und der Kunststofftechnologie Hand in Hand. Im Rahmen der Produktionsplattform PRONTO werden die entwickelten Technologiebausteine für andere Partner im Cluster qualifiziert. So wird eine nachhaltige Verwendung der Technologie in anwendungsbezogenen Zukunftsfeldern ermöglicht.

Beispielsweise im Bereich der Diagnostik bietet diese Technologie vielfältige Möglichkeiten für zukünftige Anwendungen. Somit wäre es möglich, bei Gelenkverletzungen mit Hilfe eines "intelligenten Pflasters" ein komplettes Mikrosystem aufzubringen, welches Daten aufnimmt, auswertet und direkt weiterleiten kann. So könnten Behandlungsmaßnahmen wirkungsvoll optimiert werden.

Bei erfolgreicher Umsetzung der Technologie sind neben Anwendungen aus der Medizintechnik auch Applikationen in der Sicherheitstechnik, der Industrieelektronik, der Automobilelektronik oder der Automatisierung denkbar.

Abb.1:Funktionspflaster zur Knie-Diagnostik

Die ultradünnen Siliziumchips werden mit dem am Institut für Mikroelektronik Stuttgart (IMS) speziell entwickelten ChipfilmTM-Verfahren hergestellt. Hierzu werden zunächst vergrabene Hohlräume in Standard-Siliziumwafer eingebracht. Oberhalb dieser Hohlräume werden auf den dünnen "Siliziumdeckeln" der Hohlräume die Schaltkreise aufgebracht. Diese so hergestellten Chips werden mit einem speziellen Verfahren aus dem Wafer gelöst, so dass man ultradünne Siliziumchips erhält.
Die Einbettung der Chips in flexible Leiterplatten basiert auf dem "CHIP+" Prozess der Würth Elektronik, der in Abbildung 2 dargestellt wird. Diese effiziente Aufbau- und Verbindungstechnik für neuartige Elektroniken besticht durch ihre Einfachheit, Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit. Durch leiterplattentypische Prozesse kann unter anderem auf zusätzliche Verbindungsstellen und Verbindungsmaterialien wie Lot oder Bonddrähte verzichtet werden. Die auf einer Kupferfolie befestigte Komponente wird in einem standardisierten Laminierprozess zu einem Multilayer aufgebaut sowie gebohrt und metallisiert.
Abb.2:Fertigungsablauf "CHIP+"

Der Fokus der Arbeiten im Projekt ULTIMUM liegt auf der Untersuchung der Handhabbarkeit und der flexiblen Verbindungstechnologie dieser neuartigen Funktions-Schaltungsträger in der industriellen Fertigung und Anwendung. Dazu werden die entwickelten Fertigungstechnologien an Beispielen erprobt und können als Basistechnologien auch noch in weiteren Projekten zum Einsatz kommen. Die möglichen Anwendungsgebiete reichen von der kostengünstigen Rolle-zu-Rolle-Fertigung (R2R), welche bei der Herstellung energieautarker Systeme eine wichtige Rolle spielt, bis hin zu Anwendungen in der Medizintechnik, wie am Beispiel des intelligenten Pflasters deutlich wird.

Abb.3:Flexibler Schaltungsträger mit integriertem flexiblem Chip
Die Schaltungsträger mit den integrierten Bauelementen können mit anderen Komponenten und Funktionsmodulen (Sensoren, Antennen) kombiniert und so kostengünstig bereits in kleinen Stückzahlen gefertigt werden. Auf Basis dieser Technologie werden Systeme mit signifikant verbesserten Eigenschaften und guten Marktchancen entwickelt.