Mikroelektronik

Höchstintegrierte Chips: Superhirne fürs IoT-Zeitalter

| Autor / Redakteur: Katrin Tina Möbius * / Dr. Anna-Lena Gutberlet

Reifendrucksensor (Infineon, Sensonor, SINTEF), hergestellt mit der von der Fraunhofer EMFT patentierten 3D-Technologie.
Reifendrucksensor (Infineon, Sensonor, SINTEF), hergestellt mit der von der Fraunhofer EMFT patentierten 3D-Technologie. (Bild: Fraunhofer EMFT)

Elektronische Geräte werden immer kleiner, flacher und multifunktionaler – und mit ihnen die mikroelektronischen Systeme. Aktuell gewinnt die 3D-Integration noch einmal an Bedeutung, denn sie ermöglicht hochintegrierte smarte Sensorsysteme, wie sie für das Internet of Things gebraucht werden.

Chips verfügen heute über so komplexe Funktionalitäten, dass sie als Mini-Computer bezeichnet werden könnten: Ultra-miniaturisierte elektronische „Gehirne“ – in Anlehnung an ein großes Europäisches Projekt e-Brains – die auch mit Sensorik ausgestattet sind, quasi den Sinnesorganen der Dinge. Möglich macht das insbesondere eine hoch-performante 3D-Integration, bei der die Einzel­komponenten vertikal gestapelt und mit elektrischen Durchkontaktierungen und Chip-Verbindungen zu einem höchstintegrierten mikroelektronischen System verbunden werden.

Als Peter Ramm und sein Team von der Fraunhofer-Einrichtung für Mikrosysteme und Festkörper-Technologien EMFT bereits vor ca. 30 Jahren anfingen, sich mit der dreidimensionalen Integration mikroelektronischer Systeme zu beschäftigen, galten sie in der damaligen Mikroelektronikwelt noch als Exoten.

Davon kann heute keine Rede mehr sein: Inzwischen hat sich die 3D-Integration als Schlüsseltechnologie etabliert, um mikroelektronische Systeme immer kleiner und gleichzeitig leistungsfähiger zu machen. Das Prinzip der 3D-Integration ist einfach erklärt: Die oft heterogenen Komponenten eines Chips werden übereinander gestapelt und mit elektrischen Durchkontaktierungen zu einem einzigen Schaltkreis (IC) verbunden.

Evolutionsprozess seit den 80er Jahren

Die Technologie hat dabei von ihren Anfängen in den 80er Jahren bis heute einen außerordentlichen Evolutions­prozess durchlaufen. In dieser Zeit haben sich im Wesentlichen vier unterschiedliche Bondverfahren etabliert. Als Pioniere im Bereich 3D-Integration hat Peter Ramms Münchner Team – und hier insbesondere seine Kollegen Armin Klumpp und Josef Weber – im Laufe der Zeit mit allen davon gearbeitet.

Anfang der 90er begannen die Fraunhofer-Forscher mit dem so genannten dielektrischen Bonden. Dabei werden die Wafer durch eine Oxid-Schicht mechanisch miteinander verbunden. Im nächsten Schritt erfolgen dann die eigentlichen vertikalen elektrischen Durchkontaktierungen (Through Silicon Vias, TSV). Problematisch waren bei der Methode die vergleichsweise hohen Bondtemperaturen, die sich negativ auf Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Bauteils auswirken.

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