Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland FMD

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Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland FMD

Bundesweit koordiniertes Technologie-Know-how aus einer Hand

Das Fraunhofer IISB ist eines der 13 Mitglieder der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD) – der mit über 2000 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern größte standortübergreifende FuE-Zusammenschluss für die Mikro- und Nanoelektronik in Europa.  

In der neuartigen Kooperation werden die Vorteile von zwei starken dezentralen Forschungsorganisationen – der Fraunhofer-Gesellschaft und der Leibniz-Gemeinschaft – mit den Synergien einer zentralen Organisation zum weltweit leistungsfähigsten Anbieter für angewandte Forschung, Entwicklung und Innovation im Bereich der Mikro- und Nanoelektronik verknüpft. Durch die enge Verzahnung und das kohärente Auftreten kann die FMD somit nicht nur Kunden aus der Großindustrie, sondern gerade auch den KMUs und Start-Ups einen umfassenden und einfacheren Zugang zur nächsten Technologie-Generation bieten.  

-> Homepage der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland FMD

 

Standorte der FMD
Prozesslinie zur Bearbeitung der Rückseite von Siliciumcarbid-Wafern für vertikale Leistungsbauelemente.
© Kurt Fuchs / Fraunhofer IISB
Prozesslinie zur Bearbeitung der Rückseite von Siliciumcarbid-Wafern für vertikale Leistungsbauelemente.

Die Rolle des Fraunhofer IISB in der
Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland

© Kurt Fuchs / Fraunhofer IISB
Disco-Schleif- und Poliermaschinen zum Rückdünnen und Polieren von SiC-Halbleiterscheiben.
© Kurt Fuchs / Fraunhofer IISB
Röntgentopographieanlage der Firma Rigaku, Model XRTmicron.
© Kurt Fuchs / Fraunhofer IISB
Hoch-Raten Xenon-Plasma FIB-Anlage (Focussed Ion Beam) mit Mikro-Zug-Modul.

Die FMD ist ein globaler Innovationstreiber, der als größter standortübergreifender FuE-Zusammenschluss für die Mikroelektronik in Europa eine einzigartige Kompetenz- und Infrastrukturvielfalt bietet. Die FMD schlägt dabei die Brücke von der Grundlagenforschung bis zur kundenspezifischen Produktentwicklung. Im Themenfeld »Leistungselektronik« umfasst das Leistungsangebot der FMD die Herstellung leistungselektronischer Bauelemente und deren Integration in Module und Systeme. Spezielles Augenmerk liegt dabei auf der Herstellung und Prozessierung von Wide-Band-Gap-Halbleitern (WBG), also Halbleitermaterialien mit großer Bandlücke (SiC, GaN, AlN, Diamant).

Mit seiner durchgängigen, zertifizierten Produktionslinie zur Prozessierung von individuellen SiC-basierten Prototyp-Bauelementen in einem industriekonformen Umfeld hat das Fraunhofer IISB innerhalb der FMD ein Alleinstellungsmerkmal.  

Am Fraunhofer IISB können im Frontend-Bereich für Wafergrößen von 100 mm und 150 mm alle gewünschten Prozessschritte, etwa Epitaxie, ICP-Trockenätzen, Wachstum von Siliziumdioxid, Aluminiumimplantation bei erhöhter Temperatur, Aktivierungstempern oder auch leitende Kontaktlegierungen, durchgeführt werden. Üblicherweise werden für die Leistungselektronik in SiC vertikale Bauelemente hergestellt. Deshalb kommt der Bearbeitung der Rückseite der SiC-Wafer eine entscheidende Bedeutung zu. Die FMD-Investitionen ermöglichen nun auch das Bonding und Debonding von bereits prozessierten Scheiben, das Dünnschleifen der Scheiben und die Reduzierung des Kontakts auf der Rückseite mittels fortschrittlicher Metallisierung und Lasersilizidierung.

Im Backend-Bereich stehen neue Integrationstechniken und innovative Aufbau- und Systemkonzepte für das Prototyping und die Herstellung zukünftiger Leistungsmodule zur Verfügung. Damit können beispielsweise besonders komplexe und kompakte Aufbauten, stark beanspruchte (Spezial-) Anwendungen mit teils kleinen Stückzahlen oder langlebige Hochtemperatur-Leistungselektronikmodule realisiert werden.

Für die Qualitätskontrolle sind entlang der Prozesskette umfangreiche, sich ergänzende Methoden vorhanden. Hervorzuheben sind hier eine schnelle, hochauflösende Röntgentopographie-Anlage zur Analyse der strukturellen Eigenschaften von Kristallen, Wafern und teilprozessierten Wafern sowie ein kombiniertes Oberflächeninspektions-Photolumineszenzgerät zur Analyse der oberflächennahen Materialeigenschaften von SiC entlang der Prozesskette. Ergänzt wird die Ausstattung durch spezielle Messplätze, die auf die spezifischen, teils extremen Bedingungen der Leistungselektronik angepasst sind, wie ein Höchstspannungsmessplatz sowie spezielle Lebensdauer- und Zuverlässigkeitsprüflabore.

Für die Erforschung neuer Halbleitermaterialien mit großer Bandlücke werden Kristalle aus diesen Materialien benötigt, die dann zu Wafern weiterverarbeitet werden müssen, um darauf in der FMD das Potential für die Leistungselektronik oder für andere Anwendungen – wie zum Beispiel im Bereich der Quantentechnologie – zu evaluieren. Da es sich in der Regel bei den neuen Kristallmaterialien, zum Beispiel GaN, AlN oder Diamant, um Kristalle mit kleinem Durchmesser (50 mm oder kleiner) handelt, wird am Fraunhofer IISB ein spezielles Substrat- und Waferinglabor betrieben, um aus solchen Kristallen Wafer herzustellen. Die Qualität der Wafer für die Bauelementherstellung wird durch verschiedene analytische Verfahren überprüft, bis hin zur Feststellung der Epitaxietauglichkeit und Fertigung spezieller Teststrukturen.

Wafering-Labor für neue Wide-Bandgap-Materialien am Fraunhofer IISB

Aluminiumnitrid-Kristall
Aluminiumnitrid-Kristall
Rundschleifen
Rundschleifen
Orientieren
© Kurt Fuchs /Fraunhofer IISB
Orientieren
Sägen
© Kurt Fuchs /Fraunhofer IISB
Sägen
Schleifen
© Kurt Fuchs /Fraunhofer IISB
Schleifen
Polieren & Reinigen
© Kurt Fuchs /Fraunhofer IISB
Polieren & Reinigen
Epitaxie
© Kurt Fuchs / Fraunhofer IISB
Epitaxie
AlN-Wafer
AlN-Wafer

SiC-Waferdünnung und Rückseiten-Kontaktierung bis zu 150 mm

Advanced Packaging Linie für die Leistungselektronik

Die gut etablierten, seriennahen Prozesse der Aufbau- und Verbindungstechnik für Leistungshalbleiter und –bauelemente wie Schablonendruck, Die-Bond, (Vakuum-) Reflow, Drahtbond und Verguss sind erweitert um Prozesse und Anlagen, die den gestiegenen Anforderungen z.B. aus der anhaltenden Miniaturisierung und fortschrittlichen Einsatzfällen gerecht werden:

  • Fügeschichten, Leiterbahnen und Windungen können von auf planaren Substraten arbeitenden Sieb- oder Schablonendrucker mit erweiterter Genauigkeit in Positionierung und Volumen verarbeitet werden.
  • Durch Ink-Jet Druckverfahren wird es ermöglicht, hochviskose Pasten und niederviskosere Tinten auch über Topographie und auf komplexe 3D-Strukturen aufzubringen.
  • Ein hoch-präziser Die-Bonder positioniert Bauteile auf Substraten oder anderen Bauteilen, die anschließend im Verbund oder in-situ gebondet/versintert werden (Chip-2-Wafer, Chip-2-Interposer, Chip-2-Chip, Package-on-Package).
  • Die flexible Sinterpresse erlaubt das einseitige und doppelseitige Sintern großer und kleiner Flächen unter Inert- als auch Reaktivgasatmosphäre mit engen mechanischen und prozesstechnischen Toleranzen und guter Reproduzierbarkeit.   

Der nachhaltige Schutz vor Umwelteinflüssen von Bauelementen, Subtraten, Modulen und Systemen wird komplettiert durch:

  • Prozessstabile (Vakuum-)Vergussanlage Weich- und Hartvergussmaterial als etablierte Versiegelung
  • Flexible Parylene-Beschichtungsanlage für eine konforme Versiegelung mit widerstandsfähigen organischen Dünnfilmen wie sie in der Medizin und  Luftfahrtelektronik bereits etabliert ist
  • Neuartige anorganische Schutzschichten, die sehr hohe Temperatur- und Korrosionsfestigkeit aufweisen

Neuartige Packaging-Konzepte lassen sich mit fortgeschrittenen Verfahren umsetzen:

  • additiven Fertigung mit 3D-Druckern für Keramik, Metall und Kunststoffen umsetzen
  • Feinst-Bearbeitung mit Ultra-Kurzpuls-Laser und Ionen-Feinstrahl nebst in-situ Analytik

Die seriennahen Produktionsschritte werden in Reinraum der Klasse ISO 7 durchgeführt und erlauben Fertigung von Prototypen, Vor- und Kleinserien.                        

© Kurt Fuchs / Fraunhofer IISB
Schablonendrucker und Ink-jet Drucker für Sinter- und Lotpasten sowie das Drucken von Polymeren und Thermal-Interface-Materialien im Reinraum der AVT
© Kurt Fuchs / Fraunhofer IISB
Hoch-Raten Xe-Plasma Focussed Ion Beam Anlage mit integrierbarem Mikro-Zug-Modul
© Fraunhofer IISB
Hochpräzisions Die-Bonder

Umweltlabor Leistungselektronik – Bauelemente und Systeme

Prüflabor von leistungselektronischen aktiven und passiven Bauelementen, intelligenten Modulen und Systemen (inkl. SiC-Komponenten) für die Anwendung in den Feldern Energieübertragung, Mobilität, Aerospace und Industrie.

Es deckt extremen Umweltbedingungen ab hinsichtlich:          

  • Vibration
  • Temperatur und Feuchte inklusive Temperaturshock
  • Korrosive Atmosphäre – Schadgas und Salzspray

und trägt den besonderen Prüfanforderungen von (Wide-Band-Gap)-Leistungselektronik Rechnung:

  • Hohe Leistungen mit hohen Spannungs- und Stromwerten
  • Durchbruch/Avalanche- und Doppelpuls-Messung
  • Aktive Zyklen

Die Einbindung in eine moderne, für das Anwendungsgebiet Leistungselektronik spezialisierte Infrastruktur für Charakterisierung und Analytik erlaubt die durchgängige Prüfung und Qualifizierung z.B. nach AQG324

© Kurt Fuchs / Fraunhofer IISB
Shaker-Labor Laser-Doppler-Vibrometer Frequenzganganalyse einer Leiterplatte mit Laser-Doppler-Vibrometrie an einem Schwingerreger
© Fraunhofer IISB
Aktive Leistungsumschaltung von Breitband-Gap-Halbleitern.
© Fraunhofer IISB
Korrosion in Flüssigkeiten und Gasen