Nano-HySiF – Nanokontakte für flexible Elektronik

Flexible elektronische Systeme erobern insbesondere in den Bereichen Medizintechnik und Life Style Produkte zunehmend Marktsegmente und ermöglichen eine Vielzahl neuer Produkte. Getrieben wird die Entwicklung von medizinischen Applikationen, beispielsweise Kathetern, die ausgerüstet mit Sensorfunktionen erhebliche Verbesserungen der Arbeitsabläufe und damit von Betriebssicherheit und Patientenschutz ermöglichen. Möglich wird dies nur durch die Integration leistungsfähiger Siliziumkomponenten (Sensoren, ASICs und Mikroprozessoren) in die flexible Folie, denn die erforderliche Funktionalität kann nicht allein mit Dünnschichtkomponenten erzielt werden. Am IMS werden diese Hybriden Systeme in Folie (HySiF) mit eingebetteten rückgedünnten Siliziumchips seit Jahren erforscht. Mit der patentierten Chip- Film Patch (CFP) Technologie konnten flexible Multichip-Module mit eingebetteten ASICs und Mikrocontrollern in Kombination mit gedruckten Sensoren und anderen Dünnschichtkomponenten hergestellt werden. Die waferbasierte und CMOS-kompatible CFP Technologie ermöglicht Chipverbindungen mit Pad-Größen < 10 μm und kleinen Pad- Abständen unter Verwendung adaptiver Layout-Prozesse mit Laser-Direktschreiben. Entscheidend ist hier vor allem die zuverlässige Ankontaktierung der verschiedenen Komponenten (Sensoren, ICs) in das flexible System. Im CFP Prozess erfolgt dies ebenso wie bei Halbleiterprozessen mit Sputterund Ätzprozessen sowie lithografischen Strukturierungen. Im Projekt Nano-HySiF wird ein anderer Weg unter Verwendung von Nanokontakten untersucht. Gemeinsam mit der hessischen Firma NanoWired arbeitet das IMS seit 2021 an der Integration ultradünner Siliziumchips in flexible Foliensysteme. Nanowiring ist ein galvanischer Prozess, der bei Raumtemperatur einen metallischen Rasen auf Kontaktoberflächen erzeugt. Die haarfeinen Metallstäbchen können je nach Anwendung und Kontaktgröße bis zu einigen Mikrometern lang sein. Die Kontaktdurchmesser, die mit einer Nanowiring-Struktur hergestellt werden können, liegen zwischen 3 μm und mehreren Millimetern. Die Materialien dieser Nanowiring-Strukturen bestehen in der Regel aus Kupfer, können aber auch aus Gold, Silber, Nickel oder Platin hergestellt werden. Sind die Nanowiring-Strukturen erst einmal auf den Substraten erzeugt, stehen dem Anwender verschiedene Verbindungsmethoden zur Verfügung, für die NanoWired die Prozessbezeichnungen „Klett-Welding, Klett-Sintering, Klett-Glueing“ eingeführt hat. Befinden sich auf beiden Werkstücken zur Kontaktierung Nanokontakte, kann der Fügeprozess bereits bei Raumtemperatur erfolgen. Die Nanostrukturen bilden ähnlich wie bei Klettverschlüssen mechanische und so auch elektrische Verbindungen. Mit veränderten Fügeparametern (Temperatur und Druck) können auch Systeme verbunden werden, die nur auf einer Seite des Kontakts Nanostrukturen aufweisen. Für Chipaufbauten auf starren Systemen konnten elektrische Widerstände von < 1 μOhm/mm² und Wärmeleitfähigkeiten von 350 W/mK bei Festigkeiten von bis zu 60 MPa erreicht werden. Die Ankontaktierung rückgedünnter und damit biegbarer Siliziumchips stellt natürlich eine besondere Herausforderung für die Aufbautechnik dar, bietet aber eine Vielzahl von Vorteilen für die hybride Integration. So wird durch die Face-down-Montage der Chips auf die vorbereitete Folie der Prozess erheblich vereinfacht, aufwändige ViaÄtzprozesse auf den eingebetteten Chips entfallen. Mit den bereits nachgewiesenen kleinen Kontaktgrößen und -pitches < 10 μm und geringen Temperaturanforderungen ermöglicht die Nanowired-Technologie dazu die direkte Montage kleiner Chiplets mit minimalen Strukturgrößen auf Foliensysteme. Für die Herstellung von medizinischen Kathetern sind minimale Dimensionen und damit auch die Größe dieser Chiplets entscheidend. Im laufenden Projekt wird deshalb eine Folie mit Biegesensoren für eine Katheteranwendung zur Evaluation der Technologie verwendet. Zunächst arbeiten die Partner aber mit gedünnten Siliziumchips, die eine Vielzahl von unterschiedlichen Kontakten und Teststrukturen aufweisen. Abb. 2 zeigt solche Kontaktpads