Elektronik

Das Labor für Elektronik hat seinen ausbildungsseitigen Schwerpunkt im Bereich der analogen Bauelemente und Schaltungen. Dabei werden alle gängigen analogen Bauelemente und Schaltungen im Schwerpunkt Elektronik abgedeckt. Bei den Praktika im Bereich Elektronik werden Versuche durchgeführt, bei denen Bauelemente und Schaltungen aus den Vorlesungen im Bereich Elektronik praktisch eingesetzt werden. Aufgrund der umfassenden Ausstattung werden aber auch immer wieder Forschungsaufträge zusammen mit Kooperationspartnern oder für externe Kunden durchgeführt. Dies eröffnet den Studierenden die zusätzliche Möglichkeit, sich auch bei Forschungsprojekten mit der Technologie zu beschäftigen.
Die Herstellung von halbleitenden keramischen Strukturen mittels Siebdruck ist einer der Forschungsschwerpunkte des Labors für Elektronik. Gerade in diesem Bereich gibt es viele technische Anwendungen, in denen die keramischen Halbleiter z.B. für Temperatursensoren eingesetzt werden.
Der zweite Forschungsschwerpunkt liegt im Bereich der Herstellung und Untersuchung von Dickschichtelektrolumineszenz- Leuchtstrukturen, die auch im Siebdruckverfahren hergestellt werden

Entwurf von Leiterplattenlayouts

Der Entwurf von Leiterplattenlayouts mit entsprechenden Programmen gehört heute zum Standard bei der Entwicklung von Leiterplatten. Es können Layouts mit Standard-Bauelementen oder SMD-Bauelementen entworfen werden. Die Voraussetzung für ein korrektes Arbeiten ist die Zuordnung der Gehäuse zu den Bauteilen.
Zuerst wird der Schaltplan mit dem Programm Multisim entworfen. Betriebsspannung und Eingangsspannung werden nicht mehr benötigt. Alle Ausgänge und Eingänge werden mit einem Stecker verbunden. Allen Bauteilen wird ein passendes Gehäuse zugeordnet.
Danach wird die Schaltung von Multisim nach Ultiboard transformiert.
Danach müssen die Bauelemente optimal positioniert werden. Je nach Gehäuse(SMD, bedrahtete Bauelemente) müssen die Leiterbahnen verlegt werden. Bei einseitige Leiterplatten werden SMD-Bauteilen auf der Oberseite der Platine und bei bedrahteten Bauelementen auf der Unterseite der Platine positioniert.
Nach der fertigen Entwicklung des Layouts können, um eine reale Leiterplatte herstellen zu lassen, die Daten als Gerber-Datei ausgegeben werden. Das Gerber-Format ist eine Standard-Dateistruktur im ASCII-Format, die den Datenaustausch zwischen Entwicklung und Produktion ermöglicht.

Schaltungssimulation

Die Schaltungssimulation mit Computern und entsprechenden Schaltungssimulationsprogrammen gehört heute zum Standard bei der Entwicklung elektronischer Geräte. Die Funktionsweise analoger und digitaler Schaltungen kann mit den entsprechenden Simulations- Programmen entsprechend simuliert und getestet werden, ohne dass man die gewünschte Schaltung tatsächlich aufbauen muss. Voraussetzung für ein korrektes Arbeiten der Schaltung ist allerdings, dass die realen Bauelemente bei der Implementierung der Simulationssoftware genau nachgebildet werden.
Je nach Einsatzgebiet wird zwischen verschiedenen Schaltungssimulationen und deren Methoden unterschieden. Für die Schaltungssimulation von meistens analogen Schaltungen ist typisch, dass Schaltungen und deren Bauelemente mit den zugrundeliegenden physikalischen Parametern beschrieben werden. Die zu simulierenden Schaltungen kann meist als Schaltplan in das Simulationsprogramm eingegeben werden. Die Eigenschaften der Schaltung werden dann mit simulierten Messgeräten (Oszilloskope, Strom-Spannungs-Messgeräte etc.) ermittelt. Aus den Messergebnissen lässt sich dann schließen, ob die Simulation das richtige Ergebnis liefert. Simulationsprogramme haben in der Regel eine Vielzahl an unterschiedlichsten Bauelement-Dateien und eine große Zahl an Messgeräten.
Zusätzlich können mit Simulationsprogrammen noch spezielle Analysen wie AC-Analyse, Transientenanalyse, Fourier-Analyse etc. durchgeführt werden. Die Fourier-Analyse zerlegt eine Funktion in verschiedene Sinusschwingungen und zeigt das Amplitudenspektrum zu diesen Schwingungen. Damit können somit die Frequenzen und Amplituden der Grund- bzw. Oberwellen bestimmt werden.

Dickschicht-Hybridtechnik

FH-Köln / Michael Brunner

Die Dickschicht-Hybridtechnik ist eine Aufbau- und Verbindungstechnik zur Herstellung elektronischer Schaltungen (Dickschicht-Hybridschaltung), bei welcher sowohl integrierte als auch diskrete Bauteile Verwendung finden.
Als Trägermaterial dienen meist Substrate aus Aluminiumoxid, auch Keramikfolien für LTCC-Technologie (LTCC = englisch Low Temperature Cofired Ceramics). Leiterbahnpasten, die aus einer Mischung von Ag/Pd und Glaspulver bestehen, und Widerstandspasten ,die aus Metalloxid oder aus Kohle-basiertem Material sowie Glaspulver bestehen, werden im Siebdruckverfahren aufgebracht und danach bei einer Temperatur von 850 eingebrannt. Sowohl Leiterbahnen und auch Widerstände sind dann fest mit dem Substrat verbunden. Nachträglich werden Widerstände durch das Lasertrimmen auf den endgültigen Wert eingestellt.
Dickschichtschaltungen werden auch mit weiteren Bauelementen bestückt, die sich nicht im Siebdruckverfahren herstellen lassen. Der Einsatz ungehäuster Halbleiterchips “DIES“, bietet sich aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit des Substrates an. Diese werden auf die Keramik geklebt und dann mit Golddrähten in die Schaltung eingebondet.
Daneben werden Dickschichtschaltungen in der Regel auch mit SMD-Bauteilen bestückt. SMD-Bauteile haben keine Anschlussdrähte wie konventioneller Bauelemente, die durch Bestückungslöcher geführt und auf der Rückseite der Leiterplatte verlötet werden Vor der Bestückung wird Lotpaste auf die Kontaktflächen aufgebracht. Danach wird die Dickschichtschaltung mit den SMD- Bauteilen bestückt. Die komplette Schaltung wird dann in einem Reflowofen gelötet.

Vorteile der Dickschicht-Hybridtechnik:

• Der Einsatz von Bauteilen verschiedener Fertigungstechniken ist möglich
• Die Al2O3 Substrate sind gute, verlustarme Isolatoren, die Verlustleistung wird gut über das Substrat abgeführt.
• Es können drucktechnisch realisierbare Widerstände mit höchster Genauigkeit (Laserabgleich, besser als 0,1 %) in weiten Wertebereichen (Milli- bis Megaohm) hergestellt werden.

Forschung:

Keramische Halbleiter
Der erste aktuelle Forschungsschwerpunkt, der gemeinsam mit der wissenschaftlichen Forschungsgesellschaft CARAT ( Ukraine) durchgeführt wird, beschäftigt sich mit der Entwicklung von neuen umweltgerechten langlebigen und zuverlässigen Dickschichten und ihren mehrschichtigen Strukturen mit im Voraus bestimmbaren Thermistor-Effekt, der auf Spinellen aus Sauerstoff-Mangan -Verbindungen für eine große Zahl von Bauteil-Anwendungen basiert.
Spinell-Typ-Verbindungen wie komplexe Sauerstoff-Mangan-Verbindungen begrenzt auf das Konzentrations-Dreieck NiMn2O4-CuMn2O4-MnCo2O4, patentiert in der Ukraine von Carat, sind die Hauptstudienobjekte.
Der hohe Stand der Funktionsgenauigkeit und die Stabilität der entwickelten Dickschicht-Strukturen ist durch ihre chemisch-technologische Optimierung in der Sinterungsphase geschaffen. (verschiedener Inhalt von Glas-Zusätzen)
Die bedeutendste Leistung ist die Entwicklung von neuen Dickschichtstrukturen, die aus bleifreien Gläsern bestehen um eine bessere Effizienz und eine Reduzierung des Volumens des chemischen Abfalls zu erreichen.
Die phänomenologischen und mikrostrukturellen Modelle sind geplant um zum ersten Male das sogenannte Ermüdungs-Verhalten der Alterungskinetik der präparierten Dickschichten erklären zu können.
Das prinzipiell Neue ist im Design der entwickelten Dickschicht P-N-Strukturen enthalten, die gleichzeitig eine Zahl von praktisch wichtigen Funktionen wie Temperatur-Messung erfüllen.

Dickschichtelektrolumineszenz-Leuchtstrukturen
Der Schichtaufbau einer Dickschichtelektrolumineszenz-Leuchtstruktur entspricht prinzipiell dem eines Plattenkondensators. Zwischen zwei Elektroden werden eine dielektrische Schicht und eine Leuchtstoffschicht aufgebaut. Eine der beiden Elektroden ist dabei lichtdurchlässig. Ist das Trägermaterial lichtundurchlässig z.B. Aluminium-Oxid-Keramik oder glasfaserverstärktes Epoxidharz, wird von dem inversem Aufbau gesprochen. Oft wird zusätzlich und unabhängig von der Aufbauvariante eine Schutzschicht auf die Deckelektrode überdruckt.
Wie in der Dickschichttechnik üblich, ist die Fertigung einer Dickschichtelektrolumineszenz-Leuchtstruktur ein sehr komplexer Prozess. Mit der Wahl des Substrats, auf das die Schichten aufgebracht werden, werden die Druckpasten gewählt. Nun kann mit der Schichterzeugung auf das Substrat (Drucken) begonnen werden. Der Druckprozess ist vorbereitet. Das Ausgangsmaterial für den in der Dickschicht-Pulver-Elektrolumineszenz verwendeten Leuchtstoff (Leuchtphosphor) ist Zinksulfid.