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Open Access
Entwicklung einer Prozesskette für den Aufbau individualisierter Foliensysteme
(2022) Janek, Florian; Zimmermann, André (Prof. Dr.-Ing.)
Bereits seit einigen Jahren befindet sich das Feld der flexiblen Elektronik im Wachstum. Diese zeichnet sich insbesondere durch ihre hohe mechanische Flexibilität, aber auch durch eine niedrige Bauhöhe und geringe Masse aus. Die Einbettung ultradünner, mechanisch flexibler Siliziumchips in Kunststofffolien erweitert die flexible Elektronik und eröffnet das Potential, Sensorsignale direkt am Ort der Erfassung auswerten zu können. Um eine zielführende Prototypenfertigung dieser Foliensysteme mit eingebetteten, ultradünnen Siliziumchips zu ermöglichen, wurde in dieser Arbeit eine digitale Prozesskette entwickelt, mit der die Fertigung dieser Systeme individualisiert werden kann. Dazu wurden geeignete Einzelprozesse entwickelt und deren Prozessparameter betrachtet. Zu Beginn wurden Prozesse zur Montage der ultradünnen Siliziumchips untersucht, um diese sowohl manuell als auch automatisiert klebtechnisch fixieren zu können. Es wurden dabei sowohl die Montage einzelner Chips als auch die simultane Klebung mehrerer ultradünner Chips berücksichtigt, indem eine innovative Fügemethode unter Zuhilfenahme einer temporär haftenden Klebefolie entwickelt wurde. Damit konnte eine homogene Klebung von 4,7 mm x 4,7 mm großen ultradünnen Siliziumchips mit maximaler Klebstoffschichtdicke von 15 µm erreicht werden. Anschließend wurde ein Conformal-Coating-Sprühverfahren zur Applikation eines mechanisch flexiblen, photosensitiven Lötstoppmaterials untersucht, in das die fixierten Siliziumchips eingebettet wurden. Die Verwendung photolithographischer Prozesse erlaubte die Freistellung von Kontaktflächen auf den geklebten Siliziumchips. Dazu wurde ein auf UV-LEDs basierendes Direktbelichtungsverfahren eingesetzt, sodass auf zusätzliche Photolithographiemasken verzichtet werden konnte. Es wurde weiterhin eine Methodik entwickelt, mit der die Platziertoleranz und die Verdrehung von gefügten, ultradünnen Siliziumchips optisch erfasst und durch ein individuell erstelltes Direktbelichtungslayout kompensiert werden konnte. Mittels Inkjetdruck nanopartikulärer Tinten wurden die eingebetteten Siliziumchips mit Widerstandswerten im niedrigen zweistelligen Ohm-Bereich elektrisch kontaktiert. Die Analyse unterschiedlicher Kontaktöffnungsausprägungen ergab, dass beim verwendeten Lötstoppmaterial eine runde Kontaktöffnungsgeometrie mit 90 µm Durchmesser vorteilhaft für die Kontaktierung der Chipmetallflächen über Inkjetdruck ist. Die entwickelten Einzelprozesse wurden anschließend in eine anwendungsorientierte, digitale Prozesskette überführt. Hierbei hatte die Reihenfolge der Einzelprozesse einen entscheidenden Einfluss auf die Durchführbarkeit der Prozesskette und die erzielten Resultate der jeweiligen Einzelprozesse. So konnte festgestellt werden, dass zu Beginn der digitalen Prozesskette die Montage der ultradünnen Siliziumchips, gefolgt von der Einbettung mittels Conformal-Coating, photolithographische Freistellung der Chipkontaktflächen mittels Direktbelichtung und Entwicklung sowie der sich anschließenden elektrischen Kontaktierung über Inkjetdruck erfolgen sollte. Die Bestückung mit diskreten Bauelementen sollte abschließend erfolgen, um die übrigen Prozessschritte nicht einzuschränken. Die resultierenden Foliensysteme mit eingebetteten, ultradünnen Siliziumchips zeigen nach Ablösen vom starren Träger eine hohe mechanische Flexibilität und können so auf gebogenen Oberflächen eingesetzt werden.
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Herstellung von mikrostrukturierten Kunststoffoptiken
(2019) Röder, Marcel; Zimmermann, André (Prof. Dr.-Ing.)
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Leiterplattenbasierte Sensoren mit Ausleseelektroniken auf Basis von Zeitmesstechnik
(2024) Bülau, André; Zimmermann, André (Prof. Dr.-Ing.)
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Mechatronische Funktionsintegration auf additiv gefertigten Bauteilen aus Standardkunststoffen mittels laserbasierter Oberflächenbearbeitung und selektiver Metallabscheidung über nasschemische Prozesse
(2024) Vieten, Tobias; Zimmermann, André (Prof. Dr.-Ing.)
In der vorliegenden Arbeit wird eine Prozesskette vorgestellt, die es ermöglicht, additiv gefertigte 3D-Körper zu einem mechatronischen Bauteil zu veredeln, indem unmittelbar auf der Oberfläche elektrisch leitfähige Strukturen erzeugt werden. Die Prozesskette basiert auf der Maskierung der Bauteiloberfläche und dem selektiven Abtrag der Maskierung entsprechend der Schaltungsgeometrie mittels Laserstrahlung, bei dem auch die Bauteiloberfläche bearbeitet wird. In einem nasschemischen Badprozess werden dann nacheinander die Oberfläche mit Palladiumkeimen beaufschlagt, die Maskierung final entfernt und Metallschichten (Cu/Ni/Au) außenstromlos abgeschieden. Der Prozess ist somit nicht auf Spezialwerkstoffe angewiesen, sondern ermöglicht den Einsatz branchenbekannter Materialien aus dem Bereich der additiven Fertigung, sofern diese nicht elektrisch leitfähig sind. Als Maskierungsmaterial wurden eine anorganische Schicht in Form eines Natriumsilikatglases und eine organische Schicht in Form eines photostrukturierbaren Negativlacks untersucht. Das anorganische Maskierungsmaterial musste aufgrund starker Rissbildung auf 3D-Bauteilen jedoch zunächst verworfen werden. Das Verfahren wurde unter Verwendung des Digital Light Processing als Modellprozess der additiven Fertigung erarbeitet und die erzeugten Metallschichten hinsichtlich Haftfestigkeit (Hot-Bump-Pull-Tests), Leitfähigkeit (Vierleitermessung) und Oberflächenrauheit (Weißlichtinterferometrie) charakterisiert. Dabei konnten Haftfestigkeiten und Leitfähigkeiten der Metallschicht vergleichbar mit industriell gängigen, spritzgegossenen laser direktstrukturierten Mechatronic Interconnect Devices aufgezeigt werden. Zum Nachweis der Transferierbarkeit des Verfahrens auf andere additive Fertigungsverfahren wurden Bauteile mit vier weiteren Verfahren, Stereolithographie, PolyJet, selektives Lasersintern und HP Multi Jet Fusion, prozessiert und die Metallstrukturen charakterisiert. In allen Fällen konnte, trotz der stark unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften, eine gute Selektivität der Metallabscheidung gezeigt werden. Abschließend wurden Designregeln für das Verfahren aufgestellt.
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Miniaturisierung von Beschleunigungssensoren auf Basis des Tunneleffekts
(2023) Haub, Michael; Zimmermann, André (Prof. Dr.-Ing.)
Die weitere Miniaturisierung von Beschleunigungssensoren stößt unter Verwendung herkömmlicher Wandlerprinzipien aufgrund der Skalierungsgesetze bei einer isometrischen Verkleinerung der Sensorstrukturen an ihre Grenzen. In dieser Arbeit wird die Miniaturisierung von Beschleunigungssensoren daher durch den Einsatz einer hochsensitiven quantenmechanischen Tunnelstrecke untersucht. Die theoretische Auslegung der Sensorstrukturen bedarf einer eingehenden Analyse der Zusammenhänge zwischen dem Tunneleffekt, der geometrischen Form und Größe der Feder-Masse-Systeme (FMS) sowie der Parameter der elektrostatischen Aktorik. Die Ergebnisse zeigen zwei Modelle mit einfachem (M1) und spiralförmigem (M2) Federbalken sowie zusätzlicher seismischer Masse und elektrostatischer Aktorik. Durch die geringere Steifigkeit kann mit M2 bei gleichbleibender Empfindlichkeit eine weitere Miniaturisierung erfolgen. Die Tunnelstrecke wird an der Position der größten Empfindlichkeit integriert. Die Steifigkeit der Strukturen ist durch die anziehenden Kräfte zwischen den Tunnelelektroden bei Abständen weniger nm begrenzt. Der Flächenbedarf der Sensorkernfläche (M1 & M2) beträgt einige 10x10 µm2. Die Implementierung der Tunnelelektroden erfolgt, nach Herstellung der Sensorstrukturen durch den Foundry Service PolyMUMPs von MEMSCAP Inc., durch den Einsatz eines „Focused Ion Beam“ (FIB, Ga+) und die Abscheidung von metallorganischem Precursormaterial (MeCpPtMe3) mit einem „Gas Injection System“. Dies führt insbesondere zu zwei Herausforderungen: Zum einen muss ein Prozess entwickelt werden, um Elektrodenspitzen weniger nm im Radius zu generieren. Zum anderen bedarf es einer Untersuchung des metallorganischen Gefüges sowie geeigneter Parameter des FIB, um die Tauglichkeit der Elektroden für den Tunneleffekt sicherzustellen. Daher werden Materialanalysen des Gefüges (Transmissionselektronenmikrokopie und energiedispersive Röntgenspektroskopie) sowie der elektronischen Parameter (Widerstandsmessung und Tunnelmikroskopie) durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Tunnelelektroden mit hohen Blendenströmen des FIB (260 pA, 30 kV) hergestellt werden müssen. Dies führt zu einem erhöhten Platinanteil sowie einer homogenen Verteilung der Platinpartikel im Gefüge. Es werden Elektrodenspitzen mit Radien bis 5 nm hergestellt und initiale Elektrodenabstände von etwa 30 nm bis 300 nm erreicht. Die messtechnische Charakterisierung zeigt den Nachweis des Tunneleffekts bei Tunnelspannungen von 200 mV bis 1 V durch die exponentielle Abhängigkeit zwischen Tunnelstrom und Elektrodenabstand. Die Anregung der Sensorstrukturen mit einer äquivalenten Beschleunigung erfolgt durch die elektrostatische Aktorik. Durch die steigende Sensitivität des Tunneleffekts nimmt das Signalrauschen mit Verkürzung des Tunnelabstandes zu. Der Messbereich beträgt 20 g bei einer Empfindlichkeit des Messsignals von bis zu einigen 10 pA/g. Unter Verwendung der metallorganischen Elektroden lassen sich, je nach Tunnelspannung, Ströme bis 150 pA messen. Die Begrenzung des Tunnelstroms ist auf den hohen Materialwiderstand der Elektroden zurückzuführen. Aus den Ergebnissen folgt die Anforderung nach metallisch „reinen“ Tunnelelektroden, da der dem Tunnelstrom äquivalente Messbereich (einige 10 nA) durch die metallorganischen Materialien maßgeblich begrenzt wird. Im Bezug auf frühere Arbeiten zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass der hochempfindliche Tunneleffekt, anstatt zur Erhöhung der Sensorauflösung eines Beschleunigungssensors, auch zur deutlichen Miniaturisierung der Sensorfläche genutzt werden kann.
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Montage und Biegeverhalten von SMD-Bauelementen und ultradünnen Chips auf Foliensubstraten
(2024) Saleh, Rafat; Zimmermann, André (Prof. Dr.-Ing.)
Flexible Elektronik gewinnt in der Industrie und Forschung zunehmend an Bedeutung. Ein wichtiger Bereich der flexiblen Elektronik ist das sogenannte System-in-Foil (SiF), bei dem Bauelemente und Strukturen auf oder in einer Polymerfolie integriert werden. Die Anwendungsbereiche von SiF umfassen Unterhaltungselektronik, Industrietechnik, Gesundheitswesen, Automobil-, Luft- und Raumfahrttechnik. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Montage und Biegecharakterisierung von SMDs und ultradünnen Chips auf Foliensubstraten. Dafür wurde ein dynamischer Biegeprüfstand zur Charakterisierung von Folienaufbauten konzipiert und umgesetzt. Anschließend wurden mithilfe einer Versuchsplanung leitfähiges Kleben und Löten zur Integration von SMDs auf Foliensubstraten vergleichend untersucht, wobei Prozess- und Materialvariationen angewendet wurden. Die erstellten Aufbauten wurden mithilfe von Scher- und Biegeprüfungen bewertet. Es wurde festgestellt, dass SMDs, die durch Löten auf Foliensubstrate aufgebracht wurden, im Vergleich zu geklebten SMDs höhere Scherkräfte aufweisen. Im Gegensatz dazu zeigten die geklebten SMDs eine höhere Anzahl an Biegezyklen bis zum Ausfall. Das Oberflächenfinish erwies sich als ein sehr wichtiger Einflussfaktor auf das Biegeverhalten der Aufbauten. Außerdem wurde ein Konzept zur Integration von ultradünnen Chips auf Foliensubstraten mithilfe von adaptiver Belichtung und Dispenstechniken erarbeitet, das erfolgreich durchgeführt und unter dynamischer Biegeprüfung evaluiert wurde. Die entwickelte Prozesskette ermöglicht es, Chips unabhängig von ihrer Bestückungsgenauigkeit zuverlässig zu erkennen und zu kontaktieren. Mit diesem Konzept wurde ein Aufbau von weniger als 130 μm Dicke ohne große Versteifung an der Verbindungsstelle realisiert. Bei der Biegeprüfung unter 10 mm Biegeradius haben die Aufbauten Tests mit über 10.000 Biegezyklen bestanden. Diese Prozesskette bildet die Grundlage für die Herstellung von multichipfähigen Mikrosystemen.
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Reliability of solder interconnects under high current loading conditions
(2021) Mei, Jie; Zimmermann, André (Prof. Dr.-Ing.)
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Untersuchungen zu flüssigkeitsbasierten, kapazitiven Neigungswinkelsensoren
(2022) Schwenck, Adrian; Zimmermann, André (Prof. Dr.-Ing.)
Bei der Neigungswinkelmessung wird die relative Lage von Objekten zum Erdschwerfeld bestimmt. Stand der Technik im Bereich der Konsumgüter, der Industrietechnik, der Messtechnik oder der Fahrzeugtechnik sind vor allem Sensoren auf Basis von Beschleunigungssensoren. Diese werden hauptsächlich als Mikrosysteme (MEMS) ausgeführt und mittels mikrotechnischer Verfahren hergestellt. Die Neigungswinkelmessung, erfolgt dabei anhand einer Messung der Projektion der Erdbeschleunigung auf die sensitive Achse oder Achsen. Der in dieser Arbeit vorgestellte flüssigkeitsbasierte, kapazitive Sensor soll eine Alternative zu den MEMS-Beschleunigungssensoren bieten. Aufgrund seiner einfachen Herstellbarkeit mittels Standard-Surface-Mount-Technology (SMT) kann er durch kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) auf meist vorhandener Anlagentechnik produziert werden. Die MEMS-Fertigung hat den Vorteil der kostengünstigen Massenfertigung im Batch. Dafür sind jedoch technologisch anspruchsvolle Reinraumprozesse notwendig, die nur bei großen und darauf spezialisierten Unternehmen zu finden sind. Die Arbeit stellt zuerst den Stand der Technik der Neigungs- und Beschleunigungsmessung sowie der Molded Interconnect Device (MID) Technologie vor und beschriebt dann das Sensorprinzip der flüssigkeitsbasierten +/-90° und 360° Neigungswinkelmessung. Dieses basiert darauf, dass sich die Oberfläche einer Flüssigkeit aufgrund der Gravitationskraft immer horizontal ausrichtet. Der Sensor verwendet eine dielektrische Flüssigkeit in einer teilweise gefüllten Kavität und bestimmt kapazitiv seine Lage zur Flüssigkeitsoberfläche. Zur Sensorauslegung werden ein analytisches Modell sowie eine Monte-Carlo-Simulation verwendet. Danach werden die Aufbau- und Verbindungstechniken (AVT) zur Herstellung der Sensoren beschrieben. Es kommen dabei zwei Varianten für die Ausformung der Kavität für das Fluid zum Einsatz. Eine Sensorvariante nutzt die die MID-Technik. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung von Standard-Leiterplatten, welche gestapelt und verlötet werden. Anschließend wurden die grundlegenden Sensoreigenschaften von drei Sensorvarianten charakterisiert. Dazu wurden Kennlinien der Sensoren bei Raumtemperatur aufgenommen und daraus eine Kalibrationsvorschrift für die Winkelberechnung abgeleitet. Da Neigungswinkelsensoren eine Sensitivität auf Neigungen quer zur Messachse haben können, wurden Messungen mit unterschiedlichen Querneigungen durchgeführt. Zur Charakterisierung der dynamischen Eigenschaften wurde die Abklingzeit der Sensoren bestimmt. Da der Sensor einen systematischen Einfluss der Temperatur auf die Steigung der Sensorkennlinie zeigt, wurde dieser gemessen und Möglichkeiten zur Kompensation untersucht. Temperaturschocktests zur beschleunigten Alterung schließen die Charakterisierungen der Sensoren ab. Abschließend diskutiert die Arbeit die Monte-Carlo-Simulation, die Temperaturkompensation und die Ergebnisse des Benchmarks. Ein Vergleich einer Monte-Carlo-Simulation mit einem analytisch berechenbaren Fall zeigt die grundsätzliche Eignung der Simulation zur Beschreibung des Sensorverhaltens. Die Ergebnisse der Simulation für verschiedene Temperaturen wurden drüber hinaus mit Messungen von Sensoren und einem rechnerischen Ansatz zur Temperaturkompensation verglichen. Dabei zeigte sich ebenfalls eine sehr gute Übereinstimmung von Simulation und Messung. Mithilfe der mathematischen Temperaturkompensation konnte der systematische Temperaturfehler weitgehend korrigiert werden. Bei der Diskussion des Benchmarks werden die wichtigsten technischen Eigenschaften der Sensoren, Allan-Deviation, Temperaturstabilität und Nichtwiederholbarkeit verglichen. Dabei zeigten die flüssigkeitsbasierten Sensoren eine im Zielmarkt wettbewerbsfähige Performance, vor allem für Anwendungen, welche ein geringes Rauschen, eine gute Bias-Stabilität sowie eine geringe Hysterese des Sensorsignales benötigen.