Elektronik und Photonik in produktiver Symbiose
Mit den Weltleitmessen electronica im November 2026 und Laser World of Photonics im Juni 2027 bringt die Messe München zwei der Fach-Communities mit dem größten Impact überhaupt zusammen. In enger Symbiose erhöhen sie aktuell die Schlagzahl.
Die CMOS-Technologie zeigt den enormen technologischen Impact, wo die Elektronik und Photonik zusammenwirken. Zugleich ist sie in den zwei Technologiefeldern selbst einer der wichtigsten Fortschrittstreiber. Es ist ein Effekt, der an Zellteilung erinnert, bloß dass es hier um exponentiellen Fortschritt geht. Aber der Reihe nach.
Klassische CMOS- (Complementary Metal Oxide Semiconductor) -Technologie ist zentral für die Leistungssteigerung und Miniaturisierung von Prozessoren (CPU) und Grafikprozessoren (GPUs) oder Transistoren für Leistungselektroniken, die jeweils auf Siliziumwafern aufgebaut sind und in denen Elektronen das Medium für die Signalübertragung sind. Letztlich basiert sie auf nanometerkleinen An-/Aus-Schaltern, von denen auf Mikrochips heute mehr als 100 Milliarden auf der Fläche eines Fingernagels vereint sind.
Die enorme Packdichte bringt die klassische CMOS-Elektronik mittlerweile an Grenzen. Elektrische Widerstände und daraus resultierende Latenzen und Wärmeentwicklung sowie ihre elektromagnetische Sensibilität verlangen nach neuen Ansätzen. Die Photonik liefert sie. CMOS 2.0 Lösungen ergänzen die Logik der klassischen CMOS-Elektronik durch Elektrooptik, durch die Datenübertragung in Lichtgeschwindigkeit zwischen Rechenkernen, Rechenzentren und in zunehmend vernetzten Fertigungswelten möglich wird. Auch wird die Signalübertragung mit Photonen weder durch elektrische Widerstände noch durch elektromagnetische Störungen beeinträchtigt. Zugleich minimiert sie die Abwärmeentwicklung – und damit die Energieverluste. Diese buchstäblich Integrierten Photonik kommt für den weltweiten Boom energiehungriger KI-Rechenzentren genau zur rechten Zeit.
Schlüsseltechnologie für Smartphone, Digitalkamera und industrielle Bildverarbeitung
Direkt auf den Chips integrierte photonische und optische Komponenten wandeln Elektronen in Photonen und umgekehrt und sie leiten Daten in Lichtgeschwindigkeit weiter. Dabei liegen dieselben physikalischen, Effekte zugrunde, wie bei LEDs, Photodioden oder Diodenlasern, die auf der Übersetzung von Licht in Elektronik und umgekehrt basieren. CMOS-Sensoren sind zugleich der Schlüssel zu immer leistungsfähigeren, hochauflösenden Bildsensoren für Digitalkameras, Smartphones, Mikroskope oder das industrielle Imaging.
Diese ermöglichen immer leistungsfähigere Inline-Qualitätsprüfungen in der Halbleiter- und Elektronikfertigung sowie immer präzisere, von optischen Sensoren überwachte Laserprozesse. Gerade in der Halbleiter- und Elektronikfertigung sind dabei immer öfter hocheffiziente Diodenlaser in den jeweils passenden Wellenlängen vom ultrakurzwelligen Ultraviolett bis zum langwelligen Infrarot im Einsatz. So heißt es etwa beim LASER-Aussteller Laserline: „Wurden zuerst nur Bauteile am Ende der Fertigungslinie per Laser markiert und beschriftet, geht es heute um sehr viel mehr Fertigungsschritte von Hitzeanwendungen am Anfang der Waferproduktion (Rapid Thermal Annealing) über Umschmelzvorgänge beispielweise mit blauen Diodenlasern (Crystallization/dopant activation) bis hin zur gezielten Beleuchtung für die Fehlersuche in Zwischenprodukten. Je nach Anwendung kommen dabei verschiedenste gepulste und CW-Lasersysteme in einem sehr breiten Leistungs- und Wellenlängenspektrum zum Einsatz“.
Das Miteinander von Elektronik und Photonik in den Halbleiterlasern ebnet also wiederum den Weg zu immer produktiveren, hochqualitativeren und kosteneffizienteren Prozessen in einer zunehmend miniaturisierten Halbleiter- und Elektronikfertigung. Es ist eine Kaskade des Fortschritts, der sich wie die Zellteilung exponentiell beschleunigt – und die zugleich eine immer höhere Vielfalt an Funktionalitäten hervorbringt. Dafür ergänzt Photonik die Elektronik mit ihren logischen Steuerungsschaltkreisen durch integrierte aktive optische Bauelemente – neben den Lasern auch entsprechende Modulatoren, Detektoren, Lichtwellenleiter sowie die optischen Fasern und deren Anschlüsse.
Herausforderung Packaging
Eine Voraussetzung dafür ist extrem präzises Packaging. Und auch hier liefern die Elektronik und die Photonik ihre eigenen Lösungen – von nanometergenauen Positioniersystemen und ultrapräziser Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik, die diverse Anbieter sowohl auf der LASER als auch auf der electronica präsentieren – bis zur sub-µm-genauen Ausrichtung der optischen Fasern und Lichtquellen, die zu den Kernkompetenzen diverser LASER-Aussteller und der zeitgleich ausstellenden Automatisierungsspezialisten auf der automatica gehört. Die Fortschritte im Packaging beginnen allerdings schon beim Chipdesign – und auch hier öffnet das Zusammenspiel von Elektronik und Photonik mittlerweile neue Möglichkeitsräume. Um noch mehr Chipleistung und -performance auf noch weniger Raum zu erreichen, setzt die Halbleiterbranche neuerdings auf Glassubstrate, in die sie per Laser Millionen mikroskopisch kleiner Löcher einbringt, die sie mit leitfähigem Material beschichtet. Die photonische Lösung für die präzise Perforation liefert LASER-Aussteller TRUMPF mit seinem HiPIMS-Verfahren. Damit ist es möglich, die sehr tiefen und schmalen Löcher im Sinne fehlerfrei beschichteter Durchkontaktierungen zuverlässig ins Glas einzubringen.
HIPIMS Generatoren von TRUMPF erzeugen ein hochionisiertes Plasma. Die Ionen lassen sich mithilfe elektrischer und magnetischer Felder gezielt steuern und in die tiefen, schmalen Löcher lenken. Die Ionisierung sorgt für höhere Dichte der beim Beschichten eingebrachten Moleküle – und schafft so die Voraussetzung für äußerst homogene Beschichtungen. Diese sind laut TRUMPF der Schlüssel zu einer höheren Ausbeute in der Fertigung und damit zur wirtschaftlichen Serienproduktion künftiger hochleistungsfähiger KIChips. Doch das ist bei Weitem nicht der einzige photonische Beitrag zu leistungsfähigeren Mikrochips. So sind es Ultrakurzpulslaser, die die tiefen, schmalen ThroughGlass-Vias in die Glassubstrate bohren. Und TRUMPF ist mit ZEISS und dem Fraunhofer IOF auch der Urheber jener laserbasierten EUV-Lithographie, die Strukturgrößen von mittlerweile 4 Nanometern auf Wafern ermöglicht.
Photonik – das Rückgrat für immer leistungsfähigere Elektronik
Doch auch Nanometer-Strukturgrößen sind nicht das Ende der Fahnenstange. Chiphersteller gehen aktuell dazu über, Chips zu stapeln und zu verbinden, um noch mehr Rechenleistung auf noch weniger Raum zu ermöglichen. Das setzt neue Lösungen der Wärmeabfuhr voraus, damit die Chip-Stacks nicht überhitzen. Die Lösung sind mikro-fluidische Kanäle, die es hoch präzise in die Strukturen aus extrem hartem Siliziumkarbid einzubringen gilt. Das Mittel der Wahl kommt auch hier aus der Photonik: Ultrakurzpulslaser (UKP) können die Kanäle nicht nur fünfmal schneller als herkömmliche Ätzverfahren in die Stacks einbringen und sorgen für sehr glatte Oberflächen in den µm-genauen Kühlstrukturen. Photonik ebnet also auch hier den Weg zu mehr Qualität, Energie- und Kosteneffizienz in der Elektronik.
Diese und viele weitere Beispiele zeigen, dass es sich für Aussteller der LASER lohnen kann, sich mit ihren Kompetenzen auch auf der electronica zu präsentieren – und umgekehrt. Denn Fortschritt entsteht mittlerweile immer häufiger in der engen Symbiose von Elektronik und Photonik. Über 50 Aussteller haben verstanden – und präsentieren sich bereits auf beiden Münchener Weltleitmessen.