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GRK 1401:  Nano- and Biotechniques for Electronic Device Packaging

Subject Area Systems Engineering
Term from 2006 to 2015
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 20046032
 
Final Report Year 2016

Final Report Abstract

Das Packaging ist der Teil der Technik, der Funktionskomponenten zu technischen Systemen zusammenführt und die Funktion der Komponenten und des Gesamtsystems unter zugelassenen Umgebungsbedingungen aufrecht erhält und sichert. Es muss folgende Aufgaben erfüllen: geometrische Anordnung der Funktionskomponenten im System; die Energie- bzw. Stromversorgung (einschließlich struktureller werkstoffwissenschaftlicher und elektromagnetischer Aspekte); Signalverteilung (einschließlich topologischer und elektromagnetischer Aspekte); Verlustwärmeabführung; Schutz aller Teilkomponenten und des Gesamtsystems gegen mechanische, chemische, elektromagnetische und andere Störungen, Kompatibilität zur Umgebung. Das Packaging ermöglicht damit überhaupt erst, dass physikalische, chemische oder biologische Funktionsprinzipien als technische Systeme handhabbar werden. Mit der fortschreitenden Integrationsdichte mikroelektronischer Systeme und der weiteren Entwicklung der Mikro- und Nanosystemtechnik sowie der Biotechnologie steigen die Anforderungen an das Packaging hinsichtlich der Miniaturisierung, der Integration zusätzlicher nichtelektrischer Informations- und Stoffflüsse in solchen Systemen und die Implementierung selektiver Schutzmechanismen. Das Graduiertenkolleg hat für solche Systeme mit extremen Anforderungen durch die Anwendung von Nano- und Biotechniken neue, innovative Packaginglösungen entwickelt und untersucht. Beispielhaft seien genannt: Verwendung von Biomolekülen: Biomoleküle sind Polymere, deren charakteristische Dimension im Nanometerbereich liegt und deren Struktur und Abmessungen sich auswählen bzw. sogar präzise einstellen lassen. Damit eignen sie sich z.B. direkt als Leitbahnen oder auch als nanolithografische Masken. Für die Verdrahtung mikroelektronischer sowie mikro- und nanoelektromechanischer Systeme mit Strukturbreiten von weit unter 100 nm ließen sich SWCNT (single-walled carbon nanotubes) verwenden, deren Wachstum auf speziellen Proteinen gezielt gesteuert werden kann. Solche Proteine wurde wiederum über ein biologisches Templating auf geeigneten Substraten assembliert.  Mit solchen Techniken ist die Herstellung von Vias möglich, wobei wegen des dreidimensionalen Charakters neue Entwurfsregeln für die Systemverdrahtung entwickelt werden mussten, da anders als bei der klassischen Mikroelektronik die dreidimensionale elektrisch-thermisch-mechanischen Verkopplungen einschließlich solcher effekte wie Thermomigration berücksichtigt werden müssen. Wegen der Vielzahl von biomedizinischen und biotechnologischen Anwendungen wird eine immer größere Zahl von Mikro- und Nanosystemen im Kontakt mit lebenden Zellen eingesetzt. Ein solcher Kontakt zwischen technischen und biologischen Systemen ist wegen der Biokompatibilität und der Arbeitsbedingungen des technischen Systems äußerst problematisch. Deshalb wurden Packaging-Lösungen entwickelt und erforscht, mit denen z.B. Zellen durch ein stationäres elektrisches Feld stimuliert und damit hinsichtlich Form, Orientierung, Entwicklung und Bewegungsrichtung gezielt beeinflusst werden können. Besonderer Fokus lag auf Grenzflächen (z.B. Mikroelektronden-Arrays) ohne metallische Elektroden (die die Zellen im Gleichfeld in kurzer Zeit vergiften würden). Für praktische Anwendungen erforderte dies immer die Verbindung mit einem mikrofluidischen System.

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