photonische systeme - Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und

F R A U N H O F E R - I N S T I T U T F Ü R Z u v er l ä ssi g k eit un d M i k rointe g ration I Z M
PHOTonische Systeme
Photonik –
Kommunikation, Licht
und optische Sensorik
Fraunhofer IZM is an independent research facility with more than 250 scientists. It develops
advanced assembly and packaging technologies, which maximize the functional density and
reliability of mesa-, micro- and nanosystems. Medical applications, in particular, benefit from advances in microsystem technologies, since the latter often facilitate progressive miniaturization.
Such technologies have so far been successfully applied to products like pacemakers, hearing
aids, bio-microfluidic devices or retinal implants.
Indeed, the many assembly and packaging technologies, ranging from flip-chip soldering to
adhesive bonding, from flexible circuit substrates to microfluidic channels, can be used in a wide
range of bio- and biomedical applications. The most advanced of these processes are being used
in permanent implants, like pacemakers or auditory prostheses. Developments like eye pressure
implants are also nearing approval. Future concepts include disappearing sensor and actuator
devices, for example, sensor band aids, sensor-shirts or integrated hybrid electro-microfluidic
devices.
By using tele­medicine infrastructure combined with advanced sensor technology and nonobtrusive system integration for constant monitoring at the point-of-care (POC), overall medical
costs are re­duced while quality of care is improved.
Und dies ist jetzt Blindtext, gemacht ohne Jabberwocki. Da habe ich nur den Text von oben noch
einmal kopiert und hier noch einmal eingesetzt. Fraunhofer IZM is an independent research facility with more than 250 scientists. It develops advanced assembly and packaging technologies,
which maximize the functional density and reliability of mesa-, micro- and nanosystems. Medical
applications, in particular, benefit from advances in microsystem technologies, since the latter
often facilitate progressive miniaturization. Such technologies have so far been successfully
applied to products like pacemakers, hearing aids, bio-microfluidic devices or retinal implants.
Indeed, the many assembly and packaging technologies, ranging from flip-chip soldering to
adhesive bonding, from flexible circuit substrates to microfluidic channels, can be used in a wide
range of bio- and biomedical applications. The most advanced of these processes are being used
in permanent implants, like pacemakers or auditory prostheses. Developments like eye pressure
implants are also nearing approval. Future concepts include disappearing sensor and actuator
devices, for example, sensor band aids, sensor-shirts or integrated hybrid electro-microfluidic
devices.
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Die Photonik im Sinne der Nutzbarmachung von Photonen für die Bedürfnisse des Menschen
hat heute alle Sphären des täglichen Lebens erreicht. Beginnend mit der Verwendung künstlicher
Lichtquellen in Form von Feuer, spielt sie inzwischen eine zentrale Rolle für moderne effiziente
W ir entwi c k e l n
Beleuchtung, ultraschnelle Datenkommunikation und -verarbeitung sowie bei Sensoren in den
k om p l ette
Bereichen Umwelt, Verkehr, Industrie und Medizin. Auch das Fügen, Trennen und Modifizieren von
p hotonis c he
Materialien kann ohne Photonik nicht mehr zeitgemäß realisiert werden. Denn eines ist diesen An-
S y steme –
wendungen gemein: Ihre erhöhte Funktionalität vereinigt unterschiedliche Komponenten, Materi-
v om E ntwurf b is
alien und Schnittstellen. Da die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems aber das Produkt aller Faktoren
zum Protot y p en
ist, muss jedes Glied in dieser Kette ebenso extrem zuverlässig sein. Diese Herausforderung unter
ökonomischen Aspekten zu realisieren und gleichzeitig mit der Photonik neue Wege zu gehen, die
Funktionalität zu erhöhen und Ressourcen zu schonen, ist das Ziel des Fraunhofer IZM.
optische Verbindungstechnik und 3D-Integration
Vor der Assemblierung von optoelektronischen und optischen Komponenten werden in der
Regel eine optische Simulation des Systems durchgeführt und sowohl die Optimallagen als
auch die Toleranzbereiche ermittelt. Moderne Bestückungsmaschinen mit ihrer leistungsfähigen
Hardware erreichen so mithilfe von im Prozess aufgenommenen Kamerabildern und Detektorsignalen eine bestmögliche Justage. Beim Active Alignment können Laserdioden, Optiken und
T ite l
Fasern räumlich in x / y / z mit < 100-nm-Genauigkeit und mit wenigen Winkelsekunden um drei
Einzelphotondetektion mit
Drehachsen platziert werden – und damit zwei Größenordnungen genauer als elektronische
angepassten Laserpulsen
Komponenten.
Lin k S
Eingesetzt werden am Fraunhofer IZM dazu folgende Techniken:
GlassPack: Elektrooptischer
• Kleben von Mikrooptiken durch UV- und Twin-cure-Systeme mit definiertem/minimalem
Transceiver mit 4  10 Gbit / s
Schrumpf
• Automatisches Active Alignment mit < 0,5 µm Toleranz
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• Faserlinsen und kleberfreies, stoffschlüssiges Fügen von Glasfasern
ADOSE: Multifunktionale optische Sensoren für Automobil-
Die entsprechenden Ziele unterscheiden sich je nach Anwendung, eine hohe Bandbreite bei
anwendungen
gleichzeitig geringem Übersprechen, Energieeffizienz und elektromagnetische Verträglichkeit
(EMV) sind jedoch wesentliche Treiber.
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3D Wafer Level Packaging
einer Mikrokamera
(Copyright Awaiba)
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FestkörperBeleuchtung
Der Anteil von LEDs im Segment der allgemeinen Beleuchtungsprodukte ist aktuell bereits
signifikant hoch. Doch darüber hinaus halten sie zunehmend auch Einzug in alle Bereiche, in
Dur c h g ä n g i g e
denen Licht Verwendung findet. Diese reichen von Außen- und Innenbeleuchtungen, über Fahr-
U nterstützun g
zeugkomponenten und Materialbearbeitungen bis hin zu medizinischen Anwendungen und
v on Low Cost
analytischem Equipment. Heutige Lösungen erreichen schon die Effizienz von Leuchtstoffröhren.
b is H i g h E n d
Für die Zukunft gilt es diese auf das Doppelte zu steigern. Neben der evolutionären Optimierung
der Effizienz stehen aber auch revolutionäre Lösungen wie die Implementierung von Sensoren,
bidirektionale Kommunikation und neue Konzepte zur Farbgebung bevor.
Diese Herausforderungen sind für das Fraunhofer IZM von zentraler Bedeutung. Im Bereich der
Energieeinsparung helfen neue Kontaktierverfahren, die Betriebstemperatur der LEDs gering zu
halten und so eine lange Zuverlässigkeit zu gewähren. Auch kommen Multi-Die-Bondprozesse
kleinster Chips zum Einsatz, die zum einen für ein entspannteres Entwärmungskonzept sorgen,
zum anderen eine individuell anpassbare homogene Farbgebung ermöglichen. Im Bereich der
integrierten Funktionalität werden dazu sowohl High-end-Lösungen mit 3D-strukturiertem Silizium als auch Laminierungs- und Kontaktierungsprozesse auf Boardebene von uns entwickelt.
Deshalb kann das Fraunhofer IZM seine Kunden bei der Entwicklung von kostengünstigen und
zuverlässigen Produkten mit ausgereiften Angeboten unterstützen:
• Neue Kontaktierverfahren für höhere Effizienz und Lebensdauer
• Integrierte Funktionalität durch 3D-Silizium- und Boardtechnologien
• Verbesserte Farbtreue
• Sonderentwicklungen wie hermetische Module, Aufbau substratloser LEDs, höchste
Leistungsdichte auf Spezialsubstraten
• Charakterisierung, Fehler- und Zuverlässigkeitsanalysen
• Thermisches und thermomechanisches Design, Simulation und Charakterisierung
• Prozessoptimierung
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Zuverlässigkeit und
thermisches Management
Das thermische Management ist heute in nahezu allen photonischen Systemen eine essentielle
Herausforderung. Denn während einerseits der Trend zu immer höheren Verlustleistungsdichten
geht, sind auf der anderen Seite – insbesondere in der hochbitratigen Datenkommunikation –
Z U V E R LÄ S S I G E
sehr stabile Temperaturen notwendig. Entstehende Wärme muss also gespreizt und abgeführt
ENTWÄRMUNG
werden, um die Zuverlässigkeit und Lebensdauer eines Bauteils zu optimieren. Sie wird deshalb
U N D L A N G Z E I T-
vom Chip ausgehend durch mehrere Grenzschichten, thermische Interface-Materialien, Spreizer
S TA B I L I TÄT I M
und Substrate geleitet, bevor sie durch einen Kühler in die Umgebung entweicht. Jede dieser
SUB-µ-BEREICH
Komponenten beeinflusst den thermischen Widerstand eines Systems und muss deshalb zu den
Anforderungen der jeweiligen Anwendung passen.
Mit Hilfe von Simulationen und Experimenten kann schon während des Designs der Wärmepfad
optimal ausgelegt und so die Zuverlässigkeit und Lebensdauer deutlich verbessert werden.
Da der Verbund unterschiedlicher Materialien während des Aufbaus als auch im Betrieb zu
thermomechanischen Spannungen führt, finden im Fraunhofer IZM auch umfassende Zuverlässigkeitsanalysen statt, die diesen Aspekt zentral behandeln. Die Belastung wird hierbei nicht
nur gezielt beschleunigt eingetragen, sondern parallel dazu auch simuliert und der Ausfall
analysiert.
Das grundlegende Verständnis des Fehlermechanismus erlaubt es uns damit nicht nur die
Zuverlässigkeit zu bestimmen, sondern auch zielführende Verbesserungsvorschläge für unsere
Kunden zu erarbeiten:
• Thermische Simulation, Optimierung und Charakterisierung
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• Thermische Charakterisierung von thermischen Interface-Materialien (TIM)
1.200 W High Power LED-Modul
• Beschleunigte Alterung (Temperatur- und Betriebszyklen, Temperatur und Feuchte, Vibration,
mit Sintertechnologie auf
Temperaturschock, UV- und Tageslicht ...)
AiN-Wasserkühler
• Elektromigration
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Hermetisches Package für Festkörperbeleuchtung und Sensorik
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Thermische Flusssimulation
von Submounts und
Through Silicon Vias
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Elektro-optische Integration
auf Baugruppenträgern
Häufig erfordert der Übergang zu einer photonischen Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) ein
vollständiges Redesign. Dadurch bietet sich jedoch auch die Chance, physikalische Möglichkeiten, die sich durch neue Architekturen (3D-Integration), Materialien (Glas- und Siliziumphotonik)
und Prinzipien (Plasmonik) ergeben, zu nutzen. Bedarf hierfür besteht vor allem in der Tele- und
Datenkommunikation, aber auch in der Sensor-, Beleuchtungs- und Projektionstechnik. Die anwendungsspezifisch notwendige Flächengröße ist dabei ein wesentlicher Faktor für die Auswahl
der Technologie.
Aus diesem Grund verfolgt das Fraunhofer IZM auf der Leiterplattenebene drei Ansätze:
H ohes M ar k tp otenzia l d ur c h
I nte g ration
o p tis c her un d
e l e k tris c her
S i g na l e
• Dünnglasbasierte Substrate mit integrierten multimodalen optischen Wellenleitern mit
Gradientenindex
• Polymerbasierte Substrate mit integrierten optischen Stufenindex-Wellenleitern
• Einbetttechnik und Laminierung mit Standardbasismaterialien der Leiterplattentechnik
Designer optischer Aufbauplattformen, die auf immer kleinerem Raum stetig leistungsfähigere
optische Bauteile integrieren, müssen deshalb optische, thermische und elektronische Effekte
berücksichtigen und die Aufbautechnik perfekt beherrschen.
Die optische Integration von Signalwegen auf Modulebene wird hierbei möglich durch:
• Siliziumsubstrate/mikrooptische Bänke mit Präzisionsstrukturen zur Komponentenjustage
durch Ätztechniken und Ultrapräzisionsfräsen
• Silicon-on-Insulator (SOI)-basierte Komponenten und Plattformen
• Dünnglasbasierte Substrate mit einmodigen optischen Wellenleitern mit Gradientenindex
• Interfaces für die optische Glasfaserkopplung
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3
Zukünftige
photonische Systeme
Der technologische Ansatz zukünftiger photonischer Systeme (Enhanced Photonic Systems)
verspricht die Realisierung einer neuen Generation schneller Computerchips sowie höchst empfindlicher Sensoren. Im Mittelpunkt dieser Entwicklungen steht mit der Plasmonik eine Technik,
die genauso futuristisch klingt, wie sie zukunftsweisend ist. Auch wenn der plasmonische Effekt
bereits seit Jahrhunderten zur Manipulation des Lichts verwendet wird, ermöglicht erst das heu-
Photoni k für
tige Verständnis der physikalischen Zusammenhänge eine gezielte Nutzung. So können selbst
zu v er l ä ssi g e
schnelle Glasfasertechnologien um Größenordnungen beschleunigt werden.
me d izinis c he
S y steme un d
Auch das Feld optischer Sensoren wird eine Revolution erfahren. Einerseits werden preiswerte
eine hohe Le -
zuverlässige Systeme technologische Unterstützung in allen Marktbereichen wie Agrar, Automo-
b ens q ua l it ä t
tive, Ambient Living, Assisted Living oder Sicherheit bieten. Zum anderen wird die Entwicklung
von Systemen höchster Sensitivität gerade auch im medizinischen Bereich einer verbesserten
Diagnostik und Therapeutik den Weg ebnen und so dazu beitragen, adäquat auf den demografischen Wandel zu reagieren.
Ein weiteres Forschungsfeld im Bereich künftiger photonischer Systeme ist die Realisierung neuer
rein optisch arbeitender Komponenten. Auf kleinstem Raum werden hier optische Speicher oder
optisch aktive Komponenten wie Combiner, Filter, Resonatoren und Splitter aufgebaut. Dabei
kommen auch SOI-Technologien zum Einsatz.
1
Um einen sowohl in zeitlicher wie technologischer Hinsicht fließenden Übergang von konven-
Querschnitt durch 500 µm Glas-
tionellen Technologien zu den denen der künftigen photonischen Systeme zu gewährleisten,
panel mit integrierten Glaswel-
werden auch etablierte Verfahren zur Realisierung von RF-Leitungen, Antennen und Mikrowel-
lenleiter, die einen Abstand von
lenstrukturen ständig weiter optimiert und Schnittstellen zu den neuen photonischen Systemen
250 µm haben
geschaffen.
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Die Herausforderung, die sich hier für das Fraunhofer IZM stellt, ist die Integration dieser un-
Dünnglasbasiertes Substrat mit
terschiedlichen technologischen Ansätze und deren Zusammenführung mit konventionellen
integrierten multimodalen opti-
Technologien in einem Produkt. Dabei werden schwerpunktmäßig folgende Bereiche bearbeitet:
schen Wellenleitern
• 3D-photonische und plasmonische Komponenten und Systeme
• Silizium-Photonik
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• Mikrowellen- und Millimeterwellen-Photonik
Plasmonik: Biochip, der plasmo-
• Multiphysikalische Aufbau- und Verbindungskonzepte
nische Interferometer zur Messung der Glukosekonzentration
in menschlichem Speichel nutzt
Ihr Partner:
Fraunhofer IZM
Services und Leistungen des
Fraunhofer IZM
Am Fraunhofer IZM werden Aufbau- und Verbindungstechniken für Packages, Boards, Module und
Systeme entwickelt, um aktuellen und zukünftigen photonischen Herausforderungen gerecht zu
werden. Unser Ansatz ist es, etablierte und neue Methoden aus der Mikroelektronik – wie Wafer
S ie ha b en d as
Pro b l em –
wir Die L ö sun g .
Level Packaging (WLP), Integration in die Leiterplatte und Technologien der Oberflächenmontage
– mit Standardequipment auf die Optoelektronik anzupassen und sie mit den hierfür spezifischen
Technologien sowohl zuverlässig als auch automatisierungsfähig zu kombinieren.
Das Fraunhofer IZM bietet seinen Kunden dafür zahlreiche Lösungen:
Konta k tieren
sie uns
• Herstellung und Montage optischer Komponenten
• Montage- und Verbindungstechniken elektrooptischer Komponenten
• Simulation, Entwurf und Messtechnik (thermisch, mechanisch, optisch und HF)
• Photonische und plasmonische Systeme
• Qualifizierung, Fehler- und Zuverlässigkeitsanalysen
und Mikrointegration IZM
Telefon: +49 30 46403-219
E-Mail: [email protected]
Leitung:
Prof. Klaus-Dieter Lang
Optische Verbindungstechnik
Dr.- Ing. Henning Schröder
Telefon: +49 30 46403-277
E-Mail: [email protected]
Verbindungsmetallurgie und Prozesse
Dr.- Ing. Hermann Oppermann
Telefon: +49 30 46403-163
E-Mail: [email protected]
Photonic & Plasmonic Systems
Gustav-Meyer-Allee 25
Dr.- Ing. Tolga Tekin
13355 Berlin
Telefon: +49 30 46403-639
URL: www.izm.fraunhofer.de
E-Mail: [email protected]
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PH 14/01 - 1d
Dr.- Ing. Rafael Jordan
rechts (Awaiba) und S. 7 (Domenico Pacifici/Brown University, Providence, USA).
Leiter Geschäftsfeld Photonische Systeme
für Zuverlässigkeit
Fotografie: Fraunhofer IZM, außer Titelbild und S. 8 (Marco Bellini, Istituto Nazionale di Ottica – CNR, Florence, Italy), S. 3
Fraunhofer Institut
Konzept & Redaktion: Fraunhofer IZM, Berlin + mcc Agentur für Kommunikation, Berlin · Design: J. Metze / Atelier f:50 Berlin
• Integration mittels Wafer Level Packaging