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Sonntag, 23.07.2017
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Kupfer, Gold und Zinn machen LED-Chips effektiver

Neues Verfahren erleichtert die Herstellung von leistungsfähigen Halbleitern

Chips für LED-Anwendungen müssen besonders leistungsfähig und klein sein. Damit sie diesen Anforderungen genügen, haben Fraunhofer-Forscher eine neue Methode entwickelt, bei der die Funktion von Halbleitern mit Hilfe von Gold, Kupfer oder Zinn und speziellen Galvanik-Prozessen verbessert wird. Das neue Verfahren erleichtert die Fertigung solcher Chips, vor allem die LED-Industrie könnte daher davon profitieren.
Halbleiter-Chips

Halbleiter-Chips

Sie sind besonders klein, haltbar und sparsam: LEDs haben die Automobilbranche erobert, heute kann man schon am Design der LED-Scheinwerfer die Automarke erkennen. Ob Innenraum, Anzeigen, Infotainmentsystem oder Brems-, Stand- und Nebelleuchten – im modernen Auto wird diese Beleuchtungstechnik inzwischen nahezu überall eingesetzt. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Halogen- oder Xenon-Lampen benötigen die Licht emittierenden Dioden allerdings spezielle Treiber. Deren wichtigste Aufgabe: Sie müssen die Leuchtdioden konstant mit Strom versorgen. Zudem sollen sie komplexe Aufgaben übernehmen und zum Beispiel mehrere LEDs in Serie ansteuern oder aber einzelne mehrstufig schalten, wenn sich die Innenraumbeleuchtung dimmen lassen soll.

Die Anforderungen an die LED-Treiber sind enorm: Sie sollen den hohen Temperatur- und Spannungsschwankungen in einem Auto trotzen oder gegen aggressive Chemikalien resistent sein. Um eine zuverlässige Leuchtkraft zu garantieren, muss durch die Schaltkreise der Treiber ein höherer Strom fließen. Forscher vom Fraunhofer-Institut für Mikroelektrische Schaltungen und Systeme (IMS) in Duisburg haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich die passenden Chips für solche Anwendungen besser bauen lassen.

Kupfer für einen höheren Stromfluss


Das neue Verfahren basiert auf der Galvanisierung, einem Prozess in der Halbleiterindustrie, bei dem man spezielle Metalle auf den Halbleitern abscheidet. Holger Vogt und seine Kollegen am IMS setzen dabei insbesondere auf Kupfer. "Damit können wir noch mehr Strom durch die Chips fließen lassen", erklärt Vogt. Das ist wichtig, denn für die meisten Anwendungen müssen die Chips immer kleiner werden – der Strom, der durch sie fließt, bleibt aber gleich. Allerdings ist die Integration von neuen Materialien wie eine Kupferschicht nicht ohne weiteres möglich, da den gewöhnlichen Prozessen zur Herstellung von Chips Grenzen gesetzt sind. Die IMS-Forscher haben deshalb eigens eine Fertigungslinie für das "Post-Processing" aufgebaut, um die Chips auf den Substratwafern je nach Anwendungsbedarf verbessern zu können.


Neben Kupfer sind die Ingenieure in der Lage, auch andere Metalle oder Verbindungen wie Kupfer-Zinn oder Gold-Zinn auf Chips abzuscheiden. "Diese Schichten sind lötbar", erklärt Vogt. Das bietet einen erheblichen Vorteil: Direkt auf dem Wafer kann man den Deckel auf den Chip löten. "Das Ergebnis ist das kleinste Gehäuse für einen Chip, das man haben kann", sagt Vogt. Damit lassen sich sensible Sensoren umschließen und schützen, ohne deren Funktionsweise zu beeinträchtigen. Ein Beispiel sind Bolometer, Sensoren, die zur Temperaturmessung dienen. Weil die Gehäuse für Bolometer für eine unverfälschte Messung auch noch unter Vakuum gelegt werden müssen, war deren Fertigung bisher sehr aufwändig und damit teuer. Mit Hilfe des neuen Verfahrens lassen sich jedoch kostengünstige und damit massentaugliche Gehäuse herstellen.

Zudem ist es den Forschern möglich, komplexe Bauelemente innerhalb eines Gehäuses zu produzieren. Über die Galvanisierung mit Kupfer können sie zwei Chips miteinander verlöten, etwa einen Opto-Chip mit hochempfindlichen Photosensoren mit einem CMOS-Chip, der einzelne Photonen messen kann. Solche mikroelektronischen Bauelemente eignen sich beispielsweise hervorragend für Nachtsichtgeräte oder für lichtarmen Mikroskopie-Anwendungen.
(Fraunhofer-Gesellschaft, 14.12.2012 - NPO)
 
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