MIIMOSYS – Fortschritt in der Mikroelektronik

26.05.2019

Mit Hilfe einer Pinzette wird ein Chip mit einer Leiterplatte verbunden
Mit Hilfe einer Pinzette wird ein Chip mit einer Leiterplatte verbunden

Begriffe wie „Digitalisierung“ und „E-Mobilität“ sind derzeit in aller Munde. Auch in Halver wird bei der Turck duotec zu diesen Themen erfolgreich geforscht. Hauptverantwortlich für den Bereich Forschung im Unternehmen sind dabei Dr. Hubert Volz und Bernd Thyzel.

Gemeinsam mit dem Lehrstuhl für elektronische Bauelemente der Universität Erlangen, der Electronic Design Chemnitz GmbH und dem Fraunhofer Institut IAF in Freiburg erforschen Volz und Thyzel derzeit eine Möglichkeit, Galliumnitrid auf Silizium auftragen zu können.

Die Vereinigung von Galliumnitrid und Silizium

Dies mag zunächst sehr unspektakulär klingen, ist es aber nicht. Denn bislang vertragen sich Galliumnitrid und Silizium nicht – die Gittermuster der Atome passen nicht übereinander: „Die Kristallgitter würden sich gegenseitig verbiegen. Das sind unerwünschte Eigenschaften“, so Volz, „in etwa so, als ob man versuchen würde, eine viel zu große Schraube in ein kleines Loch zu drehen“.
Hierfür wurde die Methode des Mikro Transfer Printings entwickelt, die derzeit intensiv erforscht wird. Bei der Methode des Mikro Transfer Printings können zwei oder mehr ungehäuste Chips miteinander verbunden und „verpackt“ werden. Dabei werden die Chips mithilfe eines Stempels vom Grundträger aufgenommen und auf einen anderen Halbleiter abgesetzt.
„Unser Ziel ist es, die Galliumnitrid- und die Siliziumtechnologie zu verheiraten und somit eine neue Technologie zu entwickeln“, erklärt Volz. „Mit der Verbindung von Galliumnitrid und Silizium ist es möglich, verlustarme Schaltnetzteile mit sehr hohen Frequenzen zu bauen.“

Einsatz im Mobilfunk

Doch wo könnte die neue Technologie überhaupt zum Einsatz kommen? Eine Einsatzmöglichkeit findet sich zum Beispiel im Bereich Mobilfunk. Galliumnitrid ist für sehr hohe Frequenzen geeignet. Bisher wurde diese Technik im X-Band im militärischen Bereich eingesetzt, vor allem in der Flugabwehr. Zunehmend findet diese Technologie aber auch Verwendung in zivilen Bereich, zum Beispiel in Handymasten. „Der Wirkungsgrad ist enorm. In diesem Bereich geht es ja immer um Kilowatt, und da freut man sich natürlich über jedes Zehntelprozent weniger Abwärme“, erklärt Dr. Volz. „Bei hohen Frequenzen geht nur noch klein. Man kann da keine voluminösen Schaltungen mehr bauen, denn dann würden die Signallaufzeiten insgesamt zu lang. Je höher die Frequenz, desto kleiner wird die Schaltung.“

Mehr Effizienz in allen Bereichen

Des Weiteren gibt es Überlegungen, Galliumnitrid auch in Schaltnetzteilen einzusetzen. Dies wäre interessant für LEDs oder den Bereich Elektromobilität, denn es hätte Vorteile für die Wärmeabfuhr. Mit einem Schaltnetzteil werden Ströme umgeschaltet. Während des Schaltens hat man Schaltverluste. Wenn man durch höhere Frequenzen die Schaltzeit kleiner kriegt, sind auch die Schaltverluste geringer. „Man kann damit sehr steile Schaltflanken erreichen“, erklärt Volz. „Im Wesentlichen geht es darum, Verluste zu verringern. Weniger Abwärme bringt letztendlich mehr Reichweite, und das macht diese Technologie für den Bereich Elektromobilität besonders interessant.“
Eingesetzt wird die Technologie möglicherweise auch bei Ladestationen für Handys. Oder in Computern, denn wo die Mikroprozessoren immer schneller werden, sind auch immer höhere Schaltfrequenzen nötig. „Auch in Waschmaschinen werden effizientere Motorantriebe immer wichtiger“, so Volz.
Letztendlich geht es um mehr Effizienz in allen Bereichen.

Die Forschungsgruppe und ihre Aufgaben

Turck duotec ist innerhalb der Forschungsgruppe vor allem für die Aufbau- und Verbindungstechnik zuständig. Ein diffiziler Punkt ist hierbei die Wärmeableitung: „Kleine Bauteile haben eine kleine Fläche, und damit ist es problematisch, die Wärme auf ein Kühlblech zu übertragen. Das muss auch gelöst werden.“
Das Forschungsprojekt soll noch bis Ende 2021 laufen und wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Forschung gefördert. Beteiligt sind die Turck duotec Gmbh, das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF, Freiburg, EDC Eletronic Design Chemnitz GmbH sowie die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg.