Im Labor gibt es sie schon 08.11.2002, 18:22 Uhr

Bald Chips von der Rolle

die Plastikchips von der Rolle.

Mitte des Jahres hat die Fraunhofer-Gesellschaft in München ein Produktionszentrum in Betrieb genommen, in dem die Voraussetzungen für eine Massenfertigung der flexiblen und preiswerten Schaltkreise untersucht werden sollen.
Wie viele Plastikchips brauchen Sie denn?“ Der Ingenieur greift sich eine Schere und geht damit an die etwa armdicke Kunststoffrolle, die an der Maschine hängt. Science Fiction? Keineswegs: Plastikchips von Rolle gibt es schon im Labor und in wenigen Jahren werden wir ihnen auf Schritt und Tritt begegnen. Denn man will nicht in eine Anwendungsnische hinein, sondern denkt in großen Dimensionen: Millionen-Stückzahlen für den Start, Milliarden-Stückzahlen dann nach wenigen Jahren. Zu Preisen, die solche Planungen möglich machen: 1 Euro-Cent pro Stück als Zielgröße.
Am 2. Juli 2002 ging in München an der Hansastraße im Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) das „Anwenderzentrum Rolle-zu-Rolle“ in Betrieb. Der Industrie wird hier ein Entwicklungswerkzeug in die Hand gegeben, mit dem flexible, dünne Elektroniksysteme in klassischer Art, oder aus Polymer-Komponenten realisiert werden können. Im Applikationszentrum stehen alle benötigten Anlagen für die Beschichtung und Strukturierung von Substratfolien zur Verfügung: Siebdrucker, Geräte für die Direktmetallisierung der Folien, Mask-Aligner, Entwickler und Ätzer.
Nicht nur Polymere, auch Textilien und sogar Papier kommen als Trägermaterial für Plastikchips in Frage. Sie sollten nur in Bahnen strukturiert sein, damit man sie „von der Rolle“ verarbeiten kann. Doch Polymere haben eine besonderen Reiz, den man längerfristig gerne nutzen möchte: die Fähigkeit zur Selbstanordnung („self assembly“) von zwei komplementären Polymermaterialien zueinander. Bock kommt ins Schwärmen: „Stellen Sie sich vor, Plastikchips würden in einem Bottich herumschwimmen und wüssten genau, wo sie sich auf dem Folienträger anordnen sollen!“ So könnte man beim Rolle-zu-Rolle-Verfahren einen kontinuierlichen Prozess realisieren.
Aber das ist nur die eine Seite. Ein anderes Ziel nämlich ist die Entwicklung von „Low Cost Active Components“ – Billigschaltkreisen also, die pro „Chip“ zwischen 20 und einigen hundert Bauelementen haben. Eine typische Anwendung wären Transponder zur kontaktlosen Informationsübertragung (so genannte „RFID Tags“ – Radio Frequency Identification): Sie stellen keine Konkurrenz zu Siliziumschaltungen dar, da sie zunächst nur für Anwendungen mit relativ geringen Anforderungen an die Technik eingesetzt werden können, was z.?B. für die Speicherkapazität oder die Reichweite gilt.
Im Siemens-Forschungslabor in Erlangen gibt Wolfgang Clemens einen Einblick in seine Arbeit: „Technisch ist der Aufbau solcher Polymerchips eher trivial – vier Schichten auf Polyestersubstrat.“ Üblicherweise kennt man Polymere nur als gut isolierende Werkstoffe, doch gibt es einige Materialien mit halbleitenden oder auch leitenden Eigenschaften. Bei diesen Materialien lösen sich in der Struktur Einfachbindungen und Doppelbindungen im Molekül miteinander ab, es bilden sich so genannte konjugierte Ketten. Leitfähige Polymere haben eine Leitfähigkeit von 10 S/cm2 bis 100 S/cm2 – Kupfer hingegen etwa 105 S/cm2. Clemens: „Eine andere Frage ist die Ladungsträgerbeweglichkeit bei organischen Halbleitern: Es gibt schon Materialien, die eine Trägerbeweglichkeit in der Größenordnung von amorphem Silizium haben: Tetrazen und Pentazen zum Beispiel mit Ladungsträgerbeweglichkeiten in Einkristallen von etwa 3 cm2/Vs. Mit ihnen hat man im Labor schon unglaublich hohe Arbeitsfrequenzen für Polymertransistoren erreicht. Der Weltrekord liegt bei etwa 11 MHz.“
Aber schon die Herstellung dieses Materials ist unwirtschaftlich für den kommerziellen Einsatz: Pentazen ist für Kunststoffchips einfach zu teuer. Und diese Chips liefern auch nichts anderes, was man mit Silizium nicht mindestens genau so gut machen kann. Clemens: „Technisch sind heute organische Polymere von Interesse, da sie sich in bestimmten Lösungsmitteln gelöst wie eine elektrische Tinte mit Druckverfahren verarbeiten lassen.“
Mit halbleitenden Polymeren werde man Ladungsträgerbeweglichkeiten von etwa 10–3 cm2/Vs bis 10–2 cm2/Vs erzielen können. Mit geeigneten Drucktechniken kann man Strukturen im Bereich von etwa 10 µm bis 20 µm auflösen, somit auf Schaltfrequenzen von 100 Hz bis 1000 Hz kommen. Clemens: „Im Labor haben wir zeigen können, dass auch mit den polymeren Halbleitern Schaltfrequenzen von über 100 kHz erreichbar sind. Dies geht derzeit jedoch nur bei recht hohen Spannungen von 80 Volt.“
Zu den möglichen Anwendungen meint Clemens: „Wir setzen auf Anwendungen, in denen der Plastikchip seine Vorteile ausspielen kann, nämlich dass er sehr dünn, flexibel, großflächig und vor allem sehr preiswert ist. Hier visieren wir Bereiche an, wo heute noch gar keine Elektronik vorhanden ist: Beispielsweise den Einsatz von RFID-Transpondern als elektronischer Barcode in der Verpackung von Lebensmitteln, als elektronische Briefmarke oder auch als elektronisches Wasserzeichen.“
Bis zur breiten praktischen Anwendung gibt es jedoch auch in der Produktionstechnik noch Hemmnisse zu überwinden. Um höhere Frequenzen zu erreichen, muss man kleinere Abmessungen schaffen – darin sind sich Siliziumtechnik und Polymerelektronik gleich. Doch sind in der Strukturierung und Produktion von Polymerchips in Drucktechnik derzeit die Grenzen erreicht.
Paula T. Hammond, Professorin am Massachusetts Institute of Technology im Department of Chemical Engineering, hat eine mögliche Lösung: Wenn auf der Oberfläche eines Polymers zwei oder mehr elektrische Ladungen vorhanden sind, dann kann man dort eine neue Polymerschicht selbstanordnend anbringen. Mit selbstanordnenden Monolayern und Mikrokontakt-Printing lassen sich nach ihrer Meinung noch 3-µm-Strukturen auf dem Polymer realisieren. Bisher konnte man Auflösungen zwischen 4 µm und 12 µm erreichen, je nach Material. Ob die Stromtragfähigkeit dann für bestimmte Anwendungen ausreicht, muss noch untersucht werden.
Auch die in der Praxis wichtige Frage, ob man einen Polymer-Chip hundertmal oder hunderttausendmal biegen kann, soll am IZM geklärt werden. Im übrigen veranstaltet das Fraunhofer-Institut in München am 25. und 26. November einen Workshop zum Thema „Reel-to-Reel Processes for Thin and Flexible Electronic Systems“.
KLAUS H. KNAPP
www.izm.fraunhofer.de

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