Polymere Elektronik 13.09.2002, 18:21 Uhr

Mit Kunststoff lassen sich Chips einfach drucken

Polytronik bietet die Chance zur Massenfertigung von einfachen Chips. Denn überall da, wo Elektronik flach, flexibel und preiswert sein muss, können Polymere die Vorteile ihrer kostengünstigen Produktionsverfahren ausspielen.

Kunststoffe leiten gewöhnlich keinen Strom. Doch mehr und mehr verschwimmen die Einsatzgebiete zwischen Metallen, Halbleitern und Kunststoffen, denn mittlerweile gibt es auch Polymere in leitender oder halbleitender Form sowie als Pasten, bei denen Metallpartikel in Kunststoff gebettet sind. Je nach Mischung lassen sich die gewünschten Eigenschaften einstellen.
Mit diesen neuen Charakteristika werden die Polymere zu aktiven Komponenten in elektronischen Geräten, etwa als Folienbatterie oder halbleitende Beschichtung von Solarzellen. Jene Forschung, die sich um ihr Einsatz- und Fertigungspotenzial in der Elektronik rankt, nennt sich „Polytronik“, eine Wortsynthese aus „Elektronik“ und „Polymer“. Diese eröffnet über Produktinnovationen hinaus auch neue Produktionstechniken, die sich aus der Natur der Kunststoffe
ergeben.
Mehrere Fraunhofer-Institute haben sich diesem Thema angenommen, darunter das Team um Dr. Karlheinz Bock, Abteilungsleiter für polytronische Systeme beim Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) in München. Kürzlich wurde hier das Anwenderzentrum „Von Rolle zu Rolle“ eröffnet, in dem die Herstellung von Elektronik auf flexiblen Substraten ausgelotet wird. Ein Park an Industriemaschinen steht bereit, um mit verschiedenen Techniken zu beschichten, zu strukturieren und zu bedrucken. Von Walze zu Walze durchläuft dabei das Trägermaterial wie etwa Papier, Textilie oder Kunststofffolie die verschiedenen Fertigungsetappen, vom Siebdruck zum Auftragen der Leiterbahnen z. B. in Form einer silbergefüllten Polymerpaste bis zum Laminieren, wo der Chip eine schützende Versiegelung erhält.
„Polytronik bietet erstmals die Chance zur Massenfertigung von Billigstelektronik. Überall da, wo Elektronik flach, flexibel und preiswert sein muss, können Polymere ihre Vorteile ausspielen“, sieht Bock neue Einsatzchancen für die Kunststofftechnik und nennt intelligente Etiketten für Konsumgüter, Ausweise mit gespeicherter Adresse, medizinische Analysetests als mögliche Anwendungen.
Noch gibt es keine standardisierten Rezepturen für die Herstellung solcher innovativen Chips. Nicht jeder Kunststoff verträgt sich mit jedem anderen Werkstoff, deshalb arbeiten die Forscher daran, optimale Kombinationen von Materialien und Techniken je nach Anwendung bereit zu stellen: So haftet beispielsweise das halbleitende Polyhexylthiophen P3HT gut auf dem Standardthermoplast PE. Das könnte eine Basis für einen preiswerten Chip werden, der jedoch nicht all zu viel Leistung bieten würde: Arbeitsfrequenz und Integrationsdichte liegen niedrig. Denn die Ladungsträger sind in diesem halbleitendem Polymer – und in Kunststoffen allgemein – deutlich weniger beweglich als in Silizium. Deshalb wäre ein solcher Chip etwa eine Million mal langsamer als herkömmliche Silizium-Produkte und verfügte nur über einige hundert Hertz Arbeitsfrequenz.
Doch auch für eine Produktion von leistungsfähigeren Folienchips sehen die Entwickler noch Entwicklungspotenzial für die Rolle-zu-Rolle-Technik. Bock: „Zum Beispiel kann polykristallines Silizium auf die Trägerfolie schon bei 100 oC ganzflächig aufgetragen werden. Ein Laser erzeugt daraus dann viele kleine Kristallite. Auf diesem Polysilizium können Transistoren mit Verfahren ähnlich der CMOS-Technologie hergestellt werden, mit geringerer Leistungsfähigkeit, aber dafür auf sehr großen Flächen.“ Für diese Transistoren oder Schaltungen erwartet der Münchner Polytronik-Experte höhere Taktzeiten als für derzeitige halbleitende Kunststoffe.
Zwar werde ein solcher Chip teurer als der reine Plastikchip sein, aber dennoch preiswerter als übliche Computerchips, so prognostiziert Bock, weil die aufwendige Fertigung im Reinraum entfalle. Die Anforderungen seien zum einen niedriger, zum anderen schlichtweg neu. Der Markt der Polytronik werde sich deshalb nicht mit dem der gängigen Elektronik decken.
Bis dahin gilt es allerdings noch einige Probleme zu meistern. Kunststoffe altern, sie werden vom Sauerstoff und Wasser aus der umgebenden Luft angegriffen. Dadurch nimmt ihre Leitfähigkeit ab, schlimmstenfalls kann eine aktive Kunststoffkomponente ihre Funktion verlieren. „Es wird eine Gratwanderung sein, zu entscheiden, wie zuverlässig ein Plastikchip sein muss“, urteilt Bock. Denn ewig brauche er nicht unbedingt zu halten: Sei die Milch in der Kartonverpackung erst einmal gekauft und verbraucht, so störe ein Ausfall sicherlich nicht mehr. Wenn der Preis stimme, könne es auch für Polymerelektronik ein Verfallsdatum geben, meint der Wissenschaftler.
Doch was ist mit einem Ausweis, der nach einigen Jahren alle gespeicherten Daten verloren hat? Ein Verbund mehrerer Fraunhofer-Institute versucht dieses Problem durch verschiedene Schutzschichten zu lösen. Die Forschung konzentriert sich dabei auf Glas, Metall oder Verbundwerkstoffe.
Auch wenn Fragen der optimalen Zusammensetzung noch nicht vollständig geklärt sind, werden bereits die ersten Transistoren im IZM auf Folien gedruckt. Sie zeigen, dass Printtechniken sich zur Massenfertigung von Plastikchips eignen. „Wir arbeiten nach einem anderen Prinzip als die bisherigen industriellen Chiphersteller: Wir fügen Material hinzu, beschichten den Träger damit gezielt an bestimmten Stellen. Bei Silizium dagegen wird zunächst ganzflächig beschichtet und dann lokal Material weggenommen“, fasst Bock zusammen. Die Technik des Hinzufügens, analog einem Positivdruck, lasse sich leichter automatisieren. SUSANNE DONNER/Si

Von Susanne Donner/Jürgen Siebenlist
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