Test und Zuverlässigkeit bei 4 Kelvin Cryo-Labor: Was passiert mit einem Chip bei minus 269 Grad?

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Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS

TU Chemnitz

Heitec AG

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Vogt AG Verbindungstechnik

Wie zuverlässig funktioniert die Aufbau- und Verbindungstechnik für Quantencomputer nahe dem absoluten Nullpunkt? TU Chemnitz und Fraunhofer ENAS haben mit CRYME ein Labor eröffnet, in dem Elektronik und Materialien unter kryogenen Bedingungen untersucht werden können.

Für Elektronikentwickler bedeutet eine extreme Betriebstemperatur häufig Hitze. Bei bestimmten Quantentechnologien liegt die Herausforderung hingegen am anderen Ende der Temperaturskala: Ionenfallen für Quantencomputer werden im Hochvakuum auf Temperaturen von weniger als 10 Kelvin heruntergekühlt. Damit müssen auch Materialien, elektronische Komponenten und Teile der Aufbau- und Verbindungstechnik unter Bedingungen funktionieren, die nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt liegen.

Wie sich Materialien und elektronische Systeme unter diesen Bedingungen verhalten und wie zuverlässig sie langfristig funktionieren, soll im „Cryo-Lab for Materials and Electronics Packaging Chemnitz“, kurz CRYME, untersucht werden. Die Technische Universität Chemnitz und das Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS haben das neue Labor im August angekündigt und jetzt am 2. September 2026 eröffnet.

Packaging wird bei tiefen Temperaturen zur Herausforderung

Der Betrieb bei kryogenen Temperaturen stellt besondere Anforderungen an die heterogene Systemintegration. Materialien verändern beim Abkühlen ihre Eigenschaften und ziehen sich unterschiedlich stark zusammen. An Grenzflächen, Kontaktierungen und anderen Verbindungsstellen können dadurch thermomechanische Belastungen entstehen. Für die Entwicklung kompakter Quantensysteme müssen deshalb nicht nur die eigentlichen Quantenbauelemente, sondern auch Materialien, Packages und Verbindungen für den Betrieb bei tiefen Temperaturen ausgelegt und charakterisiert werden.

Im CRYME wollen Wissenschaftler Materialien, Komponenten und Systeme für künftige Quantencomputer entwickeln, untersuchen und ihre Zuverlässigkeit bewerten. Dabei geht es unter anderem um die thermischen und mechanischen Eigenschaften der eingesetzten Materialien sowie um Aufbau- und Verbindungstechniken für kryogene Elektronik.

Das Labor ist Teil des European Test and Reliability Center (ETRC). Beteiligt sind neben Fraunhofer ENAS und der Professur für Werkstoffe und Zuverlässigkeit mikrotechnischer Systeme der TU Chemnitz auch Partner der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD), das Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien sowie das Forschungszentrum MAIN.

Zwei Kryostate und ein Rasterelektronenmikroskop

Für das neue Labor wurde spezielle Gerätetechnik beschafft. Dazu gehören zwei Kryostate, mit denen Proben und Systeme auf extrem niedrige Temperaturen gebracht werden können. Einige der Anlagen werden mit flüssigem Helium betrieben. Die Versorgung übernimmt unter anderem eine neue Heliumverflüssigungsanlage des benachbarten Instituts für Physik.

Hinzu kommt eine Kryo-Werkstoffprüfanlage, mit der sich thermomechanische Materialeigenschaften bei tiefen Temperaturen bestimmen lassen. Ein neuer Teststand in einem Helium-Kryostaten ermöglicht beispielsweise die Untersuchung der thermischen Eigenschaften dünner Schichten im Bereich von rund –269 bis 25 °C. Außerdem steht ein Kryo-Rasterelektronenmikroskop zur Verfügung. Die Kombination der Anlagen soll es ermöglichen, nicht nur einzelne Werkstoffe, sondern auch Komponenten und deren Integration unter realistischen Betriebsbedingungen zu charakterisieren.

Von SPADs bis zur Ionenfalle

Ein konkretes Forschungsfeld sind Quantencomputer auf Basis von Ionenfallen. Dabei werden einzelne Ionen durch elektrische Felder eingefangen und für Quantenoperationen genutzt. Um störende Einflüsse aus der Umgebung zu reduzieren, wird die Ionenfalle im Hochvakuum auf weniger als 10 Kelvin gekühlt. Für eine weitere Miniaturisierung solcher Systeme sind neue Ansätze für die heterogene Integration notwendig. Im Umfeld der CRYME-Eröffnung stellen die Forscher deshalb unter anderem Arbeiten zur thermomechanischen Charakterisierung von Quantum- und Cryo-Packaging vor. Ein weiteres Thema ist die Integration und kryogene Charakterisierung von Single-Photon Avalanche Diodes (SPADs) für Ionenfallen-Quantencomputer.

Die Infrastruktur soll dabei nicht auf akademische Forschung beschränkt bleiben. Nach Angaben von Fraunhofer ENAS haben mehrere Unternehmen Interesse an einer Zusammenarbeit angemeldet. Erste konkrete Kooperationsprojekte seien bereits angelaufen, weitere befänden sich in Planung. Das Institut bezeichnet insbesondere die Kombination der verschiedenen Untersuchungsmöglichkeiten des Labors als in Deutschland und Europa außergewöhnlich. Damit soll CRYME auch eine Lücke zwischen der Entwicklung von Quantenbauelementen und der späteren technischen Umsetzung kompletter Systeme schließen. (sb)

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