MEMS Executive Congress Europe MEMS und IoT: Eine große Chance für Europa

Die Umsetzung von IoT, Industrial Internet und Industrie 4.0 erfordert riesige Mengen an Sensoren im zweistelligen Milliarden-Bereich. Doch welche technischen Voraussetzungen müssen MEMS-Sensoren mitbringen? Wieviel dürfen sie kosten, und was müssen sie leisten?

Die erste Antwort lautet: Miniaturisierung. Verkleinert sich die Bauform der MEMS-Chips, dann passen mehr von ihnen auf einen Wafer, und die Kosten sinken. Dr. Franz Lärmer, der bei Bosch maßgeblich den DRIE-Prozess (Deep Reactive Ion Etching) entwickelt hat, ging in seiner Keynote-Speech davon aus, dass MEMS-Dies künftig auch auf 12-Zoll-Wafern gefertigt werden, sogar den Übergang auf die nächste Wafer-Generation (450 mm) hält er für möglich.

Doch die Miniaturisierung treibt noch ein weitere Faktor voran: Je kleiner die Sensor-Dies, umso mehr lassen sich auf Modulen oder sogar auf Systems-in-Package (SiP) unterbringen. Das erhöht wiederum die Funktionalität und die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems – ebenfalls ein wichtiger Trend für Sensorsysteme, die im IoT-Umfeld Erfolg haben sollen. Deshalb werden nach den Worten von Dr. Franz Lärmer die Interconnection-, Assembly- und Packaging-Techniken eine immer wichtigere Rolle spielen. Als ein Beispiel nennt er die Through-Silicon-Via-Technik (TSV), um Wafer-Level-Packaging zu ermöglichen, aber auch Systems-in-Package effektiv fertigen zu können. Miniaturisierung bedeutet also nicht notwendigerweise die monolithische Integration. Um die IoT-Anforderungen erfüllen zu können, muss die Performance auf Systemlevel steigen. Das kann einmal bedeuten, mehrere Sensorfunktionen in einem Gehäuse oder einem Modul zu integrieren, es kann aber auch bedeuten, die Daten von Sensoren zusammenzuführen, die über das System verteilt sind. Dazu sind ausgefeilte Algorithmen erforderlich.

Die Prozesstechnik ist noch nicht ausgereizt

Zurück zu den MEMS-Sensoren: Die Prozesstechnik für ihre Fertigung ist noch längst nicht ausgereizt. Zunehmend werden exotisch anmutende Materialien wie AlNi, PCT und optisch aktive Materialien Einzug halten. »Das würde ich mir wünschen, denn damit könnte man in der Zukunft höchst interessante Dinge tun«, sagt Lärmer. Die Fortentwicklung der Prozesstechnik kann laut Lärmer – wie in der Vergangenheit auch schon – nur in enger Zusammenarbeit mit den Equipment-Herstellern funktionieren. Und hier komme es darauf an, die Zeit nicht zu unterschätzen, die für Entwicklungen erforderlich sind: »Drei bis fünf Jahre sind normal. Wenn man das berücksichtigt, bekommt man die Tools zur richtigen Zeit.«

Auf die Wafer kommt es an

Auch die Wafer-Hersteller tragen dazu bei, die Performance der MEMS-Sensoren zu erhöhen, die Fertigungskosten zu senken und das Time-to-Market zu beschleunigen. »Engineered Wafer« sind das Schlagwort, wie Jaakko Sormunen erklärt, Sales Manager von Wafer-Hersteller Okmetic. Okmetic liefert vorstrukturierte Wafer an die MEMS-Hersteller, in denen z.B. die Kavitäten schon eingearbeitet sind. »Die SOI-Wafer brachten Mitte der 90er-Jahre den Durchbruch für die MEMS-Fertigung. Heute ermöglichen die Cavity-SOI-Wafer eine deutliche Reduzierung der Baugröße und ganz neue, bisher nicht realisierbare MEMS-Designs«, erklärt Sormunen. Weil sich die Prozesstechnik damit insgesamt vereinfacht, fallen auch die Kosten für die MEMS. Den Cavity-SOI-Ansatz hätten inzwischen die meisten Automobilhersteller bereits übernommen. Der nächste logische Schritt bestünde nun darin, auch die Through-Siliocn-Via-Technik in den Prozess zu integrieren. Was das bringt, zeigte er am Beispiel eines Oszillators: In einem kombinierten TSV-Cavity-SOI-Wafer-Prozess gefertigt, nimmt er eine Fläche von nur 1 x 0,8 mm ein, 35% weniger als in herkömmlicher Technik. Das zeigt, wieviel Spielraum in der MEMS-Prozess-Technik noch steckt.