Auf Wafer-Level–Basis aufgebauter Funksensorknoten für den 2,4-GHz-Bereich (15 mm x 10 mm x 2 mm).

Auf Wafer-Level–Basis aufgebauter Funksensorknoten für den 2,4-GHz-Bereich (15 mm x 10 mm x 2 mm).Fraunhofer IZM/Volker Mai

Im Consumer-Bereich wird auch in Zukunft das Smartphone eine Schlüsselstellung einnehmen. Angelehnt an die fünf menschlichen Sinne: Sehen, Hören, Riechen, Tasten und Schmecken werden immer mehr Sensoren bereitgestellt, um das Smartphone zu einem universellen Analysegerät zu verwandeln. Ob zur Interpretation von Sprache, ob für medizinische Diagnosen (z.B. der Analyse der Atemluft) oder zum Schnelltest von Lebensmitteln (Ist der Apfel faul? Ist die Milch sauer?). Mittels miniaturisierten, vernetzten Sensoren, intelligenter Auswertesoftware und dem gewaltigen Wissen des Internets ist das Anwendungsspektrum gewaltig. Auch in der Industrieproduktion helfen Cyber-Physical-Systems-Daten (CPS) von Prozessen, Anlagen, Maschinen, Werkzeugen, ja sogar von einzelnen Werkstücken aufzunehmen, um den gesamten Produktionsprozess einschließlich der Logistik und der Infrastruktur im Sinne von Industrie 4.0 zu optimieren und auf eine neue, effizientere Automatisierungsstufe zu stellen.

Neben einer angepassten Sensorik und der meist drahtlosen Vernetzung wird auch die Übertragung großer Datenmengen über kurze Strecken eine wichtige Rolle spielen, wofür beispielsweise leistungsfähigere Antennen und sogar unter Umständen optische Übertragungskanäle nötig sind. Infolge der äußerst vielfältigen Anwendungsbereiche der Sensoren kommt den Systemintegrationstechnologien bei der Umsetzung hier eine entscheidende Rolle zu, um die Elektronik beziehungsweise Sensorik in kleinsten Baugrößen aufzubauen, hohe Zuverlässigkeit bei niedrigen Kosten zu erreichen, geringe Energieverbräuche der Systeme zu realisieren und nicht zuletzt auch eine wirtschaftliche Fertigung durch niedrige Produktionskosten zu erzielen.

Komponenten für Cyber-Physical-Systems

Mit dem Wafer-Level-Packaging und dem Panel-Level-Packaging stehen hier zwei grundlegende Aufbau- und Packaging-Strategien für die Realisierung von Cyber-Physical-Systems zur Verfügung, die den ständig steigenden Anforderungen beim Einsatz der elektronischen Systeme Rechnung tragen. Doch woraus setzen sich Cyber-Physical-Systeme zusammen?

Sensor-Netzwerke und Sensor-Integration

Es gibt eine Vielzahl typischer Anwendungen der Datenerfassung, -verarbeitung und -kommunikation in der Industrie und im alltäglichen Leben. Ermöglicht werden diese durch eine autarke Energieversorgung sowie durch die drahtlose Kommunikation mobiler Sensorsysteme, die in der Folge eine überaus flexible Topologie und kosteneffiziente Implementierung in bestehende Systeme ermöglichen. Auf Grundlage einer optimierten Aufbau- und Verbindungstechnologie ist es möglich, miniaturisierte, drahtlose Sensoren überall dort zu installieren, wo eine verdrahtete Infrastruktur zu kosten- und wartungsintensiv ist. Gleichzeitig sind sie jedoch auch limitierende Faktoren, da sie Grenzen in der Kommunikationsreichweite, der Datenübertragungsrate oder auch in der Energiedichte mit sich bringen. Für solche Themen müssen die bestehenden Methoden und Konzepte fortlaufend überarbeitet und durch Forschung und Entwicklung weiter vorangetrieben werden, um anwendungsspezifisch optimierte Lösungen zu finden. Bei den Sensornetzwerken gilt es hierbei die Bereiche Multifunktionalität, Identifikation und Datensicherheit, Energy Harvesting, Low-Energy-Systeme, Erhöhung der Datenraten und Datenübertragungen in höheren Frequenzbereichen weiterzuentwickeln. Gleichzeitig müssen die steigenden Anforderungen an das mechanische Gehäuse gegenüber Anwendungen in rauen, industriellen Umgebungen berücksichtigt werden.

Zugeschnittene Energieversorgung

Die gesamte Energieversorgung im CPS muss gezielt für die Anwendung, also für die unterschiedlichen Aufgaben zugeschnitten werden und nicht ausschließlich für den Betrieb des elektronischen Systems. Bevor also eine Entscheidung für den Einsatz der Energiequelle (Batterie, Akkumulator, Energy-Harvesting-System) getroffen werden kann, muss die Anwendung genau definiert und die Umwelt betreffenden Randbedingungen analysiert werden, damit der Energiebedarf für das System abgeschätzt werden kann. Vor allem, wenn es das Ziel ist, einen Langzeitbetrieb sicherzustellen oder sogar ein autarkes System aufzubauen ist die Energiebilanz eines der wichtigsten Teile des Systemdesigns, wo alle potenziellen Randbedingungen entsprechend Berücksichtigung finden müssen. Dieser Herausforderung kann mit einem kombinierten Ansatz zur Datenverarbeitung und zum Energiemanagement begegnet werden, die auf einer gemeinsamen Verarbeitungseinheit verknüpft werden. In den meisten Fällen erfolgt die Realisierung hierbei durch einen Mikrocontroller oder einen digitalen Signalprozessor. Das Resultat dieses Ansatzes ist eine Energieversorgungskette, die aus Komponenten wie Energiewandlern, zugehörigen Energiespeichern und Spannungsreglern sowie aus einem softwaregesteuerten Energiemanagement besteht.

Identifikation und Sicherheit

Die Datensicherheit gewinnt bei der drahtlosen Vernetzung von Maschinen, Anlagen und Geräten und der Übertragung sensibler Daten zunehmend an Bedeutung. Hier erfolgt eine Unterteilung in drei verschiedene Abstraktionsebenen: Die erste Ebene ist die Hardwareebene, in der die Komponenten gegenüber äußere Attacken abgeschirmt werden müssen. Die Abschirmung soll einerseits schützen und gleichzeitig das Aussenden von elektromagnetischer Strahlung verhindern, die wiederum missbraucht werden kann, um vertrauenswürdige Informationen zu gewinnen. Die zweite Ebene ist die Kommunikationsebene, in der Daten verschlüsselt und gegen Manipulation geschützt werden müssen. Und schließlich betrifft die dritte Ebene die Anwendung selbst und die Umgebung. Hierbei geht es um den Schutz von Informationen, bei dem das Netzwerk registriert, identifiziert und Informationen mit der Umgebung austauscht. Jeder nicht autorisierte Zugriff auf einen Sensorknoten oder seine Beeinflussung durch Manipulation wird durch das Netzwerk detektiert. Außerdem kann die Datenübertragung auf ausgewiesene Knotenpunkte im Netzwerk, über Richtantennen und Dual-Channel Kommunikation fokussiert werden.

Kommunikation

Die Kommunikation in industriellen Anwendungen wird im Allgemeinen über ISM-Bänder unterhalb von 1 GHz realisiert, wodurch sich unmittelbar hohe Reichweiten und niedrige Datenraten ergeben. Der wachsende Bedarf, mit höheren Abtastraten (z.B. für das Echtzeitmonitoring) auch größere Datenraten zu erzielen, treibt die Forderungen nach höheren Übertragungsfrequenzen voran. Aber auch die verbesserte Datensicherheit durch die vereinfachte Abschirmung infolge der Raumbegrenzung sind Vorteile bei der Übertragung in höheren Frequenzbändern. Allerdings führen diese wiederum zu komplexeren RF-Designs und aufwändigeren Antennenkonzepten.

Ein weiteres wichtiges Feld insbesondere für industrielle, energieautarke Systemlösungen ist der Datenaustausch in begrenzten Funkzellen, da hierbei sowohl eine höhere Systemperformance durch leistungsstarke Kommunikationsverbindungen als auch eine direkte Internetverbindung ermöglicht wird. Dies eröffnet den Anwendungen zudem die Möglichkeit, Informationen und Messwerte, die über die Sensoreinheiten gesammelt wurden, direkt an Tablets und Smartphones und damit an den Endnutzer zu verteilen.

Hochleistungsfähige Antennen für Highspeed-Datenübertragungen

Eine der wichtigsten Anforderungen an das Internet der Dinge (IoT) und die Cyber-Physical-Systems ist die Datenübertragung und -auswertung in Echtzeit. Im Vergleich zu sub-Mikrowellenbändern bieten Millimeterwellenfrequenzen sehr schnelle Datenraten und minimieren damit die Latenzzeit bei der Datenübertragung. Der Aufbau der Antenne spielt eine ganz wesentliche Rolle bei der drahtlosen Datenübertragung im Millimeterwellenbereich. Infolge der enormen Vorteile gegenüber konventionellen Antennen erhielten zum Beispiel technologie- oder strukturadaptierte Antennen in den letzten Jahren eine Beachtung.

Bild 1: 3D Model, Abstrahlungscharakteristik und Vergleich zwischen Messung und Simulation einer Bonddrahtantenne.

Bild 1: 3D Model, Abstrahlungscharakteristik und Vergleich zwischen Messung und Simulation einer Bonddrahtantenne.Fraunhofer IZM

In diesem Zusammenhang wandte das Fraunhofer IZM beispielsweise den M3-Ansatz (Methode, Modelle, Maßnahmen) an, einen Ansatz zum systematischen Aufbau und der Optimierung von Drahtbondantennen. Das Konzept beinhaltet 1) die Entwicklung eines parametrisierten Models, um die realistische Form von Bonddrähten zu erfassen, 2) die Entwicklung eines parametrisierten Modells, um die Länge der Drahtverbindungen in Abhängigkeit der Bondparameter zu bestimmen und 3) die Implementierung der parametrisierten Modele, um ein 3D-EM-Model der verdrahteten Antenne zu erhalten. Auf Grundlage der Modellierung und der Quantifizierungsergebnisse wurden schließlich Designmaßnahmen zur elektromagnetischen Optimierung der Antenne festgelegt.

In Bild 1 ist ein 3D-Model einer ‚half-loop‘-Drahtbondantenne zu sehen. Der Antennengewinn kann ebenso dieser Abbildung entnommen werden. In der Hauptebene hat die Antenne den höchsten Gewinn von ~ 3.4 dBi, für ±46°< θ<±56°. In der azimutalen Ebene erreicht sie einen maximalen Gewinn von ~ 0.04 dBi für ±85°≤ θ≤±99°. Zudem wurde ein guter Zusammengang zwischen Messung und Simulation erhalten, wie die Grafik rechts von Bild 1 zeigt.

Systemintegration und Packaging-Strategien für CPS

Wafer-Level-Packaging und Panel-Level-Packaging sind zwei grundlegende Systemintegrationsstrategien, die als Plattform zum Aufbau von Cyber-Physical-Systems geeignet sind.

Systemintegration durch Wafer-Level-Packaging

Bild 2: Entwicklung des Wafer-Level-Packaging zur 3D-Integration.

Bild 2: Entwicklung des Wafer-Level-Packaging zur 3D-Integration.Fraunhofer IZM

Entsprechend dem Moore‘schen Gesetz wird die Komplexität zukünftiger integrierter Schaltkreise auch in Zukunft rapide ansteigen. Die Packages müssen deshalb so aufgebaut werden, dass die Anzahl der Kontaktierungen weiter erhöht werden kann (Bild 2). Um erforderliche Kostenvorgaben einzuhalten und gleichzeitig eine sehr hohe Zuverlässigkeit erzielen zu können, müssen hochdichte Wafer-Level-Systemintegrationstechniken eingesetzt und verschiedene Packaging-Technologien erfolgreich kombiniert werden.

Verschiedene Wafer Level-Technologien, die solchen hohen Anforderungen gerecht werden, gibt es bereits. Der aktuelle technologische Entwicklungsstand umfasst die Bumping-Technologie, die Umverdrahtung sowie die Integration passiver Bauelemente. Weitere Schritte der Integration beinhalten Prozesse, um Einbett-Komponenten aufzubauen, dünne Bauelemente einzubetten und alle Arten von 3D-Integrationstechnologien. Die Entwicklung des Wafer-Level-Packaging zur 3D-Integration ist in Bild 2 zu sehen. Bei den System-Integrationstechnologien gewinnen Wafer Level-Prozesse zum Aufbau von Cyber-Physical-Systems zunehmend an Bedeutung. Im Folgenden soll die Wafer Level Technologie zum Einsatz für Cyber Physical Systems anhand der Silizium-Durchkontaktierungen (TSV) diskutiert werden (vgl. Bild 3). Die TSVs stellen eine Basistechnologie für die 3D-Integration dar.

Bild 3: Querschnitt eines Interposers mit Cu-TSV (l.) und ein Packaging mit TSV-Interposer mit Flip-Chip-montierten Schaltkreisen.
Bild: Fraunhofer IZM (l.) und MPD (r.)

Bild 3: Querschnitt eines Interposers mit Cu-TSV (l.) und ein Packaging mit TSV-Interposer mit Flip-Chip-montierten Schaltkreisen.
Bild: Fraunhofer IZM (l.) und MPD (r.)
Fraunhofer IZM

Beispiel: Trough-Silicon Vias (TSV) für Interposer und 3D-Integration

TSVs sind zentrale Elemente in einen Silizium-Interposer, um 3D-Systems in Packages (SiPs) zu realisieren. Mit der Implementierung von TSVs lassen sich Silizium-Interposer und Umverdrahtungsebenen (Redistribution Layer, RDL) zusätzlich mit aktiven und passiven Bauelementen verknüpfen. Dadurch ermöglichen sie die elektronische Signalübertragung von der Oberseite bis zur Interposer-Rückseite im Package.

Leistungsfähige TSV-Interposer sind multifunktionale Komponenten. Sie dienen als hochdichte Verdrahtungsträger, um eine hohe Zahl an Kontaktierungen für Ein-/Ausgänge zu realisieren, um Umverdrahtungen zu höheren Pitches durchzuführen und um Hochgeschwindigkeitsverbindungen zwischen Prozessoren, Speicherelementen und Logik-Bausteinen für Netzwerke und Computeranwendungen zur Verfügung zu stellen. Interposer können zudem die mechanische Stabilität und somit die Zuverlässigkeit von gestapelten Komponenten verbessern. Gleichzeitig kann der Interposer quasi als standardisierte Schnittstelle für verschiedene Anwendungen dienen. Weitere wichtige Vorteile der Interposer sind die anwendungsunabhängige Fertigung, sehr kurze Markteintrittsphasen und eine mögliche kostengünstige Produktion. TSV-Interposer werden entwickelt und hergestellt für eine Vielzahl von Anwendungsbereichen. Dies führt wiederum zu verschiedenen technischen Spezifizierungen der Interposer, von der hochdichten TSV Integration, hochdichten Umverdrahtungen (RDL) für digitale Anwendungen, bis hin zu Interposern für RF-Anwendungen, zur MEMS-Integration oder für optische Verbindungen. Für die Realisierung von Cyber-Physical-Systems ist es möglich, hochkomplexe Systeme mittels von passiven oder aktiven TSV-Interposern aufzubauen. Diese miniaturisierten und hochkomplexen Systeme lassen sich mit weiteren Sensorelementen, Mikrocontrollern, Antennen und Funkschnittstellen in ein 3D-System integrieren (Bild 4).

Bild 4: Auf Wafer-Level-Prozessen aufgebaute Funksensorknoten mit integriertem Mikrocontroller und aufgebrachten Antennenstrukturen.

Bild 4: Auf Wafer-Level-Prozessen aufgebaute Funksensorknoten mit integriertem Mikrocontroller und aufgebrachten Antennenstrukturen.
Fraunhofer IZM/Volker Mai

Systemintegration durch Panel-Level-Packaging-Strategien

Das Fan-out Wafer-Level Packaging (FOWLP) ist einer der aktuellsten Trends des Packagings in der Mikroelektronik. Die Mold-Embedding-Technologie wird derzeit auf Wafergrößen bis zu 12 Zoll (300 mm) durchgeführt. Der nächste Schritt wird sein, die Technologie auch auf 450 mm große Wafer zu übertragen. Eine alternative Variante ist der Übergang der Packaging-Technologie auf Panel-Level Basis als Fan-out-Panel-Level Packaging (FOPLP). Dabei können die Abmaße des Panels Größen von 18 Zoll x 24 Zoll (457 mm x 610 mm) und größer annehmen (Bild 5).

Danksagung

Die Autoren danken den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Fraunhofer IZM und des Forschungsschwerpunktes „Technologien der Mikroperipherik“ der TU Berlin für die Forschungsergebnisse und Technologiebeispiele, die in diesen Artikel Eingang gefunden haben.

Die Leiterplatten-basierenden Laminier-Prozesse für Einbetttechniken finden Anwendung bei rekonfigurierten Mold-Embedding- und Compression-Molding-Prozessen, wobei Granulare oder Pasten als Materialien zum Einsatz kommen. Als alternative Verfahren können Molding Compound Laminierungen, sowie Sheet Molding Compounds betrachtet werden. Maskenlose Laser-DirectImaging-Technologien (LDI) verfügen gegenüber der Photolithographie über ein höheres Potenzial bei der Reduktion der Herstellungskosten und zudem Vorteile in der Prozessgestaltung. So bestehen vor allem Kostenvorteile von LDI bei der Verwendung von großen Panelgrößen einschließlich den 450-mm-Wafern.

Bild 5: Leiterplatten-Panelgröße im Vergleich zu verschiedenen Wafergrößen.

Bild 5: Leiterplatten-Panelgröße im Vergleich zu verschiedenen Wafergrößen.Fraunhofer IZM

Bereits heute bieten Leiterplattentechniken die Möglichkeit, Packaging-Prozesse auch auf großflächigen Panels von 24 Zoll x 18 Zoll (610 mm x 457 mm) zu verwirklichen und zum Beispiel Umverdrahtungen (RDL) für große rekonfigurierte Wafer oder Panels zu realisieren und damit Umverdrahtungen auf Dünnfilmbasis zu ersetzen.

Für Platinen-basierte Umverdrahtungen wird eine Resin-Coated-Copper-Schicht (RCC) auf den rekonfigurierten Wafer oder das Panel laminiert (Bild 7). Anschließend werden Mikrovias durch die RCC-Schicht realisiert und die Die-Pads schließlich elektrisch durch eine Kupfermetallisierung verbunden. Der letzte Verfahrensschritt ist das Ätzen der Kupferleitungen unter Verwendung von LDI-Techniken, die sich zur Bildung von maskenlosen Strukturen einsetzen lassen. Mit derzeit verfügbaren Geräten und Materialien werden Strukturbreiten und Abstände unter 20 µm ermöglicht, wobei ein klarer Entwicklungstrend zu Strukturbreiten von 10 µm erkennbar ist, die folglich den Dünnfilmverfahren sehr nahe kommen.

Bild 7: Schnitt durch ein panelbasiertes Package mit Leiterplatten-basierter Umverdrahtungstechnologie.

Bild 7: Schnitt durch ein panelbasiertes Package mit Leiterplatten-basierter Umverdrahtungstechnologie.Fraunhofer IZM

Die Kombination aus beiden Konzepten, Einbettung in Polymer durch Kompressionsmolding oder Mold Compound Laminierung und Umverdrahtung vermittels PCB-Technologien, die die Produktion von Panelgrößen bis zu 515 mm x 610 mm (Bild 6) erlauben, besitzen das Potenzial für die Herstellung von hochgradig integrierten und vor allem kostengünstigen Packages. Die Panel-Level-Technologie ist damit definitiv geeignet, um miniaturisierte, robuste und bezogen auf die großen Formate auch kostengünstige Packages herzustellen. Die Packages lassen sich mit einer hohen Präzision herstellen und weisen darüber hinaus eine hohe thermische Robustheit sowie eine hohe Zuverlässigkeit beim Einsatz in feuchten Umgebungen auf. Damit bietet die Panel-Level-Systemintegration sehr gute Voraussetzungen für hochqualitative Lösungen im Bereich der Cyber-Physical-Systems, die sich obendrein zu niedrigen Kosten produzieren lassen.

Zusammenfassung

Das Internet der Dinge durchdringt nahezu alle Lebensbereiche von der Kommunikation, dem Wohnen, der Mobilität, der Energieversorgung, dem Handel, der Logistik bis zur Industrieproduktion mit dem in Deutschland bekannten Industrie-4.0-Ansatz. Dabei wird die Vernetzung von Geräten und nahezu beliebigen Objekten vorangetrieben, was zu völlig neuen Anwendungen führen und unsere Welt nachhaltig verändern wird.

Bild 6: Mold-Lamination eines eingebetteten, rekonfigurierten 18 Zoll x 24 Zoll großen Panels.

Bild 6: Mold-Lamination eines eingebetteten, rekonfigurierten 18 Zoll x 24 Zoll großen Panels.Fraunhofer IZM/Volker Mai

Aber erst die fortschrittliche Systemintegrationslösungen sorgen schließlich dafür, dass die Sensorik und die benötigte Elektronik hierbei auch multifunktional, energieeffizient, robust und entsprechend der Anwendung bauraumangepasst aufgebaut und nicht zuletzt auch kostengünstig hergestellt werden kann. In Bezug auf die Umsetzung des Industrie-4.0-Ansatzes hat die Elektronikbranche hier eine Vorreiterrolle eingenommen. Laut Umfragen des ZVEI beschäftigen sich schon mehr als 75 Prozent aller deutschen Unternehmen der Elektroindustrie mit der Umsetzung von Industrie 4.0. Diese liefern entweder Komponenten hierfür oder setzten diese zur vernetzten Produktion in der eigenen Fertigung ein.

Trendsetter SMT Hybrid Packaging 2015 zeigt Technologiebeispiele und erste Praxislösungen

Auch die diesjährige SMT Hybrid Packaging 2015 in Nürnberg greift das Thema der Vernetzung in der Produktion entsprechend des Industrie-4.0-Ansatzes auf und stellt in Messe und Kongress aktuelle Entwicklungen vor. Mit den beiden diesjährigen Schwerpunkten Hochfrequenzbaugruppen und Photonische-Systeme wird während des Kongresses in diesem Jahr auf geeignete Substrate, Systemdesigns, Aufbautechnologien und Module zur hochbitratigen Datenübertragung fokussiert. Natürlich fehlen auch Anwendungsbeispiele nicht. Der Kongress wird wieder halbtägig stattfinden und den Besuchern damit die Gelegenheit geben sich die neusten Entwicklungen auch auf der Messe anzusehen.