Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 12.11.2013

Wie ein Nervensystem verbinden elektronische Leiterplatten die Bauteile von Smartphones. Strom und Abwärme werden dort über komplexe, dreidimensionale Kupferbahnen geleitet. Die Herstellung dieser hauchdünnen Kupferverbindungen auf großflächigen Leiterplatten ist anspruchsvoll. Ein entscheidender Innovationssprung ist dabei Saarbrücker Materialwissenschaftlern um Professor Frank Mücklich gelungen. Mit einer selbstheilenden Kupferschicht, die dünner als ein Zehntel einer Haaresbreite ist, konnten sie das Verkupfern der Leiterplatten wesentlich erleichtern. Für diese patentierte Erfindung wurden den Forschern in Hamburg der Innovationspreis 2013 des Deutschen Kupferinstitutes verliehen.

„Damit Smartphones immer flacher und leistungsfähiger werden, müssen auch ihre elektronischen Bauelemente schrumpfen und auf filigrane Weise miteinander vernetzt werden. Eine elektronische Leiterplatte ist heute ein äußerst komplexes, dreidimensionales Gebilde“, sagt Frank Mücklich, Professor für Funktionswerkstoffe der Universität des Saarlandes und Leiter des Steinbeis-Forschungszentrums für Werkstofftechnik (MECS). Für die großflächige und präzise Fertigung von Leiterplatten wird das Galvanik-Verfahren genutzt. Die Leiterplatte wird dabei in eine kupferhaltige Säure, den Elektrolyt, getaucht. Dann fließt extrem starker elektrischer Strom durch die Platte und transportiert das Kupfer auf die Oberfläche und in winzige Bohrlöcher, die für spätere Bauteile und Kontakte vorgesehen sind. „Die Leiterplatte wird dadurch mit einer gleichmäßigen Kupferschicht überzogen, die dünner ist als ein Zehntel des Durchmessers eines menschlichen Haares“, erklärt der Materialforscher.

Die Leiterplatten werden dabei von säureresistenten Titanklammern gehalten, die den Strom auf die Platte leiten. „Diese Halterungen müssen eine enorme elektrische Energie auf wenigen Quadratmillimetern aushalten. Der extrem starke Strom schädigt sie bei jedem Durchlauf durch Funkenbildung, ähnlich wie ein Blitzeinschlag“, beschreibt Frank Mücklich das grundsätzliche Problem von modernen Galvanik-Anlagen. Gemeinsam mit den Materialwissenschaftlern Dominik Britz und Christian Selzner untersuchte er die Schädigungsvorgänge nicht nur im Elektronenmikroskop, sondern mit Hilfe von Tomographen auch in Nanodimensionen und sogar auf atomarer Ebene. „Wir mussten dabei erkennen, dass die bisherige Strategie nicht zum Erfolg führt. Es reicht nicht, immer neue Werkstoffe mit noch höherer Widerstandskraft gegen diese zerstörerischen, viele tausend Grad heißen Funken zu entwickeln“, erläutert Mücklich. Denn auch sehr teure Edelmetalle wie Platin konnten diesen Prozess letztlich nur verzögern, aber nicht aufhalten. Stattdessen fanden die Materialforscher ein äußerst sparsames und zuverlässiges Verfahren. „Dieses ähnelt der Heilung von Wunden, mit der unser Körper zeitlebens die Haut regeneriert“, vergleicht Frank Mücklich.

Wie in einem Karussell wandern die Kontakte jetzt in der Produktionsanlage im Kreis herum und werden genauso wie die Leiterplatten immer wieder mit einer neuen dünnen Kupferschicht überzogen. „Damit erzeugen wir eine recycelbare Verschleißschicht auf den Kontakten, heilen aufgetretene Schäden sofort aus und verbessern ganz nebenbei sogar die Leitfähigkeit der Halterungen um ein Vielfaches“, sagt der Materialforscher. Durch das neue Verfahren müssen die Halterungen in Zukunft nicht mehr aufwändig in den Produktionsstätten ausgebaut und ersetzt werden. Da in jeder der rund 600 Produktionsanlagen weltweit etwa 200 Halterungen im Einsatz sind, spart der Hersteller jetzt jährlich mehrere Millionen Euro. Professor Mücklich kann sich vorstellen, dass sich die selbst erneuernden Schutzschichten nach diesem Prinzip auch für andere Anwendungen einsetzen lassen. „Wenn Bauteile während der Produktion stark beansprucht werden, sollte man nicht nur über Hightech-Werkstoffe wie Titan nachdenken, sondern auch vergleichsweise alte, aber nicht weniger geeignete Materialien wie Kupfer oder Kupferlegierungen in die Überlegungen einbeziehen“, sagt Mücklich.

Für ihre Materialanalysen nutzen die Saarbrücker Wissenschaftler verschiedene dreidimensionalen Verfahren, um zum Beispiel die so genannte Elektroerosion an den Werkstoffen, die durch starke Stromflüsse ausgelöst wird, zu bewerten. „Wir haben dafür hoch auflösende Elektronenmikroskope sowie die Nano-Tomographie und Atomsonden-Tomographie eingesetzt. Die dabei erfassten Bildserien werden anschließend im Computer wieder zum exakten räumlichen Abbild zusammengefügt – bis hin zum einzelnen Atom“, erläutert Professor Mücklich. Bei der Suche nach robusten Materialien setzen die Wissenschaftler auch das Laserstrahlauftragsschweißen (Lasercladding) ein, um in mikroskopischen Lagen verschiedene Materialien auf einen Werkstoff aufzutragen. Außerdem bearbeiten die Saarbrücker Wissenschaftler Materialoberflächen mit dem so genannten Laserinterferenz-Verfahren, um Werkstoffe zum Beispiel härter und widerstandsfähiger zu gestalten.

Hintergrund: Innovationspreis des Deutschen Kupferinstituts

Der Innovationspreis des Deutschen Kupferinstituts wird jedes Jahr für ein neues Verfahren verliehen, das die deutsche Kupferindustrie im internationalen Wettbewerb voranbringt. Professor Frank Mücklich erhielt den Innovationspreis gemeinsam mit seinen wissenschaftlichen Mitarbeitern Dominik Britz und Christian Selzner für ihren „wegweisenden Beitrag für die Entwicklung innovativer Produkte aus Kupfer und Kupferlegierungen“, so die Jury. Der mit 2.500 Euro dotierte Innovationspreis wurde auf der Jahrestagung des Deutschen Kupferinstituts in Hamburg verliehen.

Externer Link: www.uni-saarland.de

Pressemeldung der Universität Wien vom 18.10.2013

Quantenphysiker an der Universität Wien liefern ein weiteres Beispiel dafür, wie aus fundamentaler Forschung unerwartet technologische Innovationen entstehen können. Das Start-Up-Unternehmen „Crystalline Mirror Solutions“ (CMS) ist spezialisiert auf die Herstellung von Hochleistungs-Spiegeln für präzise optische Messungen. Das Unternehmen, gegründet von Garrett Cole und Markus Aspelmeyer, ist ein Spin-Off der Quantenforschung an der Fakultät für Physik der Universität Wien und dem Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ).

Die präzisesten Messungen von Zeit und Raum basieren heutzutage auf Laserlicht, das in sogenannten optischen Resonatoren zwischen hochreflektierenden Spiegeln hin- und hergeworfen wird. Die erreichbare Genauigkeit dieser Messungen ist durch die Eigenschaften der Resonatorspiegel fundamental beschränkt. Als besonders große Hürde der letzten zehn Jahre stellte sich dabei die thermische Bewegung der optischen Beschichtungen heraus, die die reflektierenden Elemente der Spiegel bilden. Diese mechanische Bewegung prägt der Messung ein unvermeidbares „thermisches Rauschen“ auf.

„Unsere Spiegel sind ein großer Sprung nach vorne in der Technologie optischer Beschichtungen“, erläutert Garrett Cole, Mitbegründer und Geschäftsführer von Crystalline Mirror Solutions.

Ein eigens entwickelter Beschichtungsprozess ermöglicht die Verbindung von hoch-reflektierenden monokristallinen Halbleiterfilmen mit nahezu beliebigen optischen Bauteilen. Dadurch können die einzigartigen Eigenschaften von Halbleiter-Einkristallen erstmals für optische Präzisionsmessungen genutzt werden. Garrett Cole erklärt: „Verglichen mit früheren Technologien lässt sich das Messrauschen durch diese einzigartige Kombination sofort um einen Faktor 10 reduzieren – und wir wissen, dass wir noch besser werden können.“ Ein internationales Patent ist bereits angemeldet und bringt das junge Unternehmen in eine strategisch hervorragende Position als weltweit einzige Anbieter dieser neuen Beschichtungstechnologie.

Die Verbesserung der Messgenauigkeit und Stabilität von optischen Präzisionsmessungen hat weitreichendes Anwendungspotential: angefangen bei Experimenten der Grundlagenforschung bis hin zu fortgeschrittenen Anwendungen wie chemische Spurenanalyse, Trägheitsnavigationssysteme und Breitbandkommunikation. Erste erfolgreiche Messungen an den neuen kristallinen Spiegeln wurden in Zusammenarbeit mit der Universität Wien und JILA, dem Joint Institute der Universität von Colorado-Boulder und dem „National Institute of Standards and Technology“, in Boulder, Colorado (USA), durchgeführt und erst kürzlich in der August-Ausgabe von Nature Photonics vorgestellt („Tenfold reduction of Brownian noise in high-reflectivity optical coatings“; doi: 10.1038/nphoton.2013.174). Die Ergebnisse sind bereits auf großes Echo gestoßen, sowohl von Seiten der Wissenschaft als auch von möglichen Industriepartnern.

Bei einer kürzlich in Elba abgehaltenen Tagung zum Thema „Gravitationswellendetektoren“ wurde die von CMS entwickelte kristalline Beschichtungstechnologie  einstimmig zum „spannendsten Ergebnis der Tagung“ erklärt. Derzeit arbeitet CMS mit wissenschaftlichen Partnern an den führenden nationalen Metrologie-Instituten Deutschlands und der USA, der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig und dem National Institute for Standards (NIST) in Boulder daran, mit neuen optischen Resonatoren die präziseste Uhr der Welt zu bauen.

Start-up in Österreich leicht gemacht

„Die ursprüngliche Idee für diese Spiegeltechnologie hatten wir eher zufällig während unserer aktuellen Forschung an makroskopischen Quantenphänomenen in mechanischen Systemen hier an der Fakultät für Physik – sozusagen ein klassisches ‚Abfallprodukt'“, so Markus Aspelmeyer. „Die Universität Wien war dann besonders hilfreich, die wichtigen Kontakte ‚außerhalb des Elfenbeinturms‘ herzustellen“.

Nach der Beratung durch INiTS (das Wiener Gründungszentrum der Stadt Wien, der Universität Wien und der Technischen Universität Wien), erhielt CMS eine Förderung sowohl durch das von der AWS abgewickelte JITU-Preseed Programm des BMWFJ, als auch durch die neu gegründete Proof of Concept-Initiative des European Research Council (ERC), welches letztendlich zur Gründung der Firma führte. „Die frühe Unterstützung durch AWS und ERC hat es uns erlaubt, sehr rasch einen ersten Prototypen zu entwickeln. Nachdem sich die Technologie dann als funktionstüchtig erwiesen hatte, waren wir von dem großen Interesse der Fachwelt an unseren Spiegeln sehr überwältigt, aber auch überfordert. Die einzige Möglichkeit, die Nachfrage erfüllen zu können, war, die Technologie auszugliedern und ein eigenes Start-Up zu gründen“, erläutert Markus Aspelmeyer: „Das ist ein wunderbares Beispiel dafür, wie zweckfreie Grundlagenforschung durchaus auch kurzfristig High-Tech-Produkte für Industrie und Wissenschaft generieren kann“.

Externer Link: www.univie.ac.at