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Die Anforderungen an die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der zu platzierenden Bauteile wachsen mit der Miniaturisierung. Eine Möglichkeit der Bauteilplatzierung stellt die Wirebond-Technologie dar.
Der Chip wird direkt mit der aktiven Kontaktierungsseite nach unten zum Substrat hin montiert. Das führt zu geringen Dimensionen des Gehäuses und besonders kurzen Leiterlängen.
VCSEL oder Oberflächenemitter (englisch vertical cavity surface emitting laser) sind Halbleiterlaser, bei denen das Licht senkrecht zur Ebene des Halbleiterchips abgestrahlt wird. Sie dienen als optische Sender für die Datenübertragung per Glasfaser.

Die Exceet-Gruppe versteht sich als internationaler Technologiekonzern, mit den Schwerpunkten intelligente Elektronik und Sicherheitstechnik. Das Angebot reicht dabei von Smart Cards über komplexe Elektronikmodule bis hin zu kompletten Sicherheitslösungen. Der Konzern gliedert sich in die drei Geschäftssegmente EMCS Electronic Components, Modules & Systems, IDMS ID Management & Systems und ESS Embedded Security Solutions. Die Leistungen innerhalb der Gruppe umfassen sowohl Design, Entwicklung und Fertigung als auch After Sales Services für alle Kunden. Die rekrutieren sich aus nahezu allen Branchen: Medizintechnik und Gesundheitswesen, Avionik, Industrieautomatisierung, Finanzdienstleistungen, Sicherheitstechnik, Transport, öffentliche Verwaltung und Einzelhandel. Neben dem Entwicklungs-Know-how und der Qualifikation der Kundenprodukte bieten die Produktionsstätten in Europa vom Rapid Prototyping bis zur Serienfertigung ein komplettes Leistungsspektrum und können somit flexibel auf die spezifischen Anforderungen jedes einzelnen Kunden reagieren.

Innerhalb der Sparte ECMS, zu der weitere fünf eigenständig agierende Firmen zählen, nimmt AEMtec mit rund 130 Mitarbeitern aufgrund spezieller Elektronikapplikationen eine Sonderstellung ein. Rund zwanzig Entwickler und Ingenieure arbeiten hier an speziellen Aufgaben. AEMtec hat sich auf die Entwicklung und Produktion elektronischer Mikrosystemtechnik als Elektronikfertigungs-Dienstleister spezialisiert. Großen Wert legt man auf die Entwicklungsarbeit, und die beginnt bereits in einem sehr frühen Stadium – und das ist nur in enger Kooperation mit dem Kunden möglich. Denn je eher die Spezialisten den Anwender unterstützen, desto näher liegen die Lösungen an den verfügbaren Produktions- und Prüfmöglichkeiten. Produktentwicklung bedeutet nicht nur die Schaffung eines neuen Produktes: Parallel sind Antworten zu finden, wie die Produkte kostengünstig zu fertigen und auch zu testen sind. Unter Umständen genügt bereits eine kleine Designkorrektur im Vorfeld, um spätere unnötige Folgekosten zu vermeiden.

Kleine Lose, große Vielfalt

Auch bei AEMtec ist die Tendenz zu kleinen Auflagen und großer Typenvielfalt nicht zu übersehen. Gleichzeitig verkürzen sich die Entwicklungsintervalle und parallel nimmt das Niveau an Komplexität permanent zu. So sind heute die Produkte des Unternehmens hochkomplex und extrem dicht bepackt. CoB (Chip on Board), Flip-Chip, SiP (System in Packages) und andere Verfahren sind heute vermehrt gefordert. Deshalb werden im Vorfeld jeder Aufgabenstellung mit dem Auftraggeber diverse Konzeptentwicklungen diskutiert. Exakte Spezifikation, Machbarkeit und mehrere Varianten an Risikoanalysen bilden dann die Basis für sichere und zuverlässige Entscheidungen.

Denn das Unternehmen betreut ein Produkt quasi von der Idee bis zum Einsatzort. Und übernimmt meist auch einen qualifizierten Kundendienst, sowie Service und Wartung. Nur so lassen sich die Verantwortlichkeiten belegen und im Ernstfall auch exakt zuordnen. Erste Prototypen müssen sich peniblen Modulartests, Integrationstests sowie Systemtests unterziehen. Doch nicht nur elektronische Baugruppen werden mit höchster Komplexität gefertigt. Die Nähe zur finalen Anwendung legte die Entwicklung mechanischer Geräte und intelligenter Software nahe. Über allem steht der Anspruch, auf allen Entwicklungsstufen und damit am Ende der Produktionskette alles punktgenau produzieren und auch prüfen zu können. Dafür stehen präzise interne Vorgaben für die Herstellung der Produkte sowie Designregeln für das Testen. Da kein Test dem anderen gleicht, wird für jedes Produkt bereits in der Entwicklungsphase sowohl die optimale Produktion als auch die beste Testmöglichkeit entwickelt.

In allen Chiptechnologien zuhause

Direkt und ohne weitere Anschlussdrähte wird der Chip beim Flip-Chip-Verfahren mit den Lotkugeln nach unten auf das Trägermaterial verbunden. Neben dem Bonden wird neben den konventionellen Verfahren wie Löten und Kleben auch das Thermokompressionsbonden als Fügeverfahren genutzt. Allerdings ist bei diesem Verfahren intensiv auf die Temperatur zu achten. Zu hohe Temperaturen können den Ausfall von Bauteilen heraufbeschwören. Geschätzt wird die Flip-Chip-Montage wegen ihres geringen Raumbedarfs. Konsequenterweise stehen auch andere Verfahren zur Auswahl, etwa die Klebemethoden ICA (Isotropacally Conductive Adhesive), ACA (Anisotropacally Conductive Adhesive) und NCA (Non Conductive Adhesive) oder auch Copper-Pillar. ICA, ACA und NCA unterscheiden sich durch verschieden hohe oder wie bei NCA gar keine Anteile an leitenden Füllstoffen. Copper-Pillar dagegen sind zylinderförmige Anschlüsse aus Kupfer mit einer Spitze aus Lot und sollen konventionelle Solder-Ball-Bumps ersetzen.

Eine weitere Alternative ist CoB: Ungehäuste ICs werden auf das Trägermaterial geklebt und per Drahtbonden mit dem Leiterbild verbunden. Das Bonden ähnelt in etwa dem Schweißen und macht Unterschiede zwischen Ultraschall-Bonden mit Aluminiumdrähten und Thermosonic-Bonden mit Golddrähten. Welches Verfahren letzten Endes als die ideale Lösung gewählt wird, hängt in erster Linie vom gewünschten Ergebnis oder der Aufgabenstellung ab. Bei der als SiP (System in Package) oder CSMCM (Chip Stack Multi Chip Module) bekannten Technik kommunizieren die einzelnen ICs außerhalb des Chips über elektrische Signale, so als wenn sie in unterschiedlichen Gehäusen auf eine Leiterplatte montiert wären.

Feine Strukturen

Die derzeit kleinsten Bauelemente der Größe 01005 erinnern mit ihrer Größe von 0,2 mm Länge und 0,1 mm Breite eher an Vogelfutter als an SMD-Chips. Um diese Bauteile korrekt und zuverlässig zu verarbeiten bedarf es einiger Erfahrung. Ganz besonderes Augenmerk legt das Berliner Unternehmen auf die Montage optischer Komponenten. Für die gewünschte Funktionssicherheit ist eine exakt punktgenaue und gewissenhafte Montage unerlässlich. Optische Komponenten wie zum Beispiel Laserdioden oder Pindioden erfordern ein extrem genaues und sorgfältiges Handling. Das ist einer der Gründe, warum alle kritischen Arbeitsschritte unter strengsten Reinraumkonditionen der Klasse ISO-5 erfolgen. Auch hochkomplexe optische Baugruppen müssen getestet werden. Dafür steht in Eigenregie entwickeltes präzises Testequipment zur Verfügung. Mit einem Netzwerk an erfahrenen Partnern werden optische Toleranzen punktgenau abgestimmt.

Die genannten komplizierten Bauelemente erfordern auch besondere Aufmerksamkeit beim Bestücken. Für die Verarbeitung von 01005-Bauelementen ist es mit einem „01005 ready“-Bestückautomaten nicht getan. Beim Verarbeiten dieser extrem kleinen Bauelemente verfolgten die AEMtec-Spezialisten einen Systemansatz, bei dem Substrat, Layout, Bauteile und Verarbeitungsprozesse optimal aufeinander abgestimmt sind. Sonst geht vieles schief. Doch damit ist die Problematik keinesfalls gelöst. Denn beim abschließenden Löten taucht das nächste Problem auf. Dafür sind vorab die Druckschablonen für die Lotpaste zu fertigen und sehr präzise im Drucker auszurichten. Sauberkeit spielt in diesem Kontext eine sehr große Rolle. Die Lötpaste muss äußerst feinkörnig sein, damit mehr als ein Kügelchen auf die Platinen kommt. Damit das funktioniert, muss die Bestücklinie den Anforderungen angepasst werden. In der AEMtec-Linie waren Feeder und Nozzles zwar für automatisches Bestücken konzipiert. Doch das bedeutete nicht, dass alles einfach so funktionierte. Also wurde die Maschine sukzessive den neuen Gegebenheiten angepasst und optimiert, bis die Bauteilchen punktgenau auf ihrem Bestimmungsort landeten. Unterwegs verlorene Bauteile waren beim besten Willen nicht mehr auffindbar, selbst das Niesen musste in der Nähe des Automaten vermieden werden, wie sich einige Mitarbeiter erinnern.

Richtig spannend wird es dann beim eigentlichen Lötprozess: Die Benetzung mit Lot war aufgrund der kleinen Bauteildimensionen sehr gering. In Bezug auf die geringe Bauteilmasse gegenüber den Lotdepots kann es durchaus zu unerwünschten Effekten kommen, die das Bauteil vollkommen verschieben. So traten anfangs Tombstone-Effekte auf. Das eine und andere Bauteil stellte sich durch Adhäsionskräfte senkrecht zum Lot auf. Und das Risiko nimmt mit der Reduktion der Bauteilgröße zu. Die Ursache kann bereits im fehlerhaften Design der Anschlussflächen liegen. Um das in der AOI zu entdecken, war ein hohes Maß an Feintuning erforderlich.

Der etwas andere EMS

Die Nähe zur finalen Anwendung schuf mit die Grundlage für die Entwicklung mechanischer Geräte und intelligenter Software. Das wiederum bedeutete für die AEMtec mit zunehmender Zahl ausgelieferter Komplettgeräte, den Aufbau eines funktionierenden Kundendienstes. Der installiert die Geräte sach- und fachgerecht, weist die Kunden vor Ort in die Handhabung der Geräte ein und übernimmt erforderliche Reparaturarbeiten. Mit dem voraussehbaren EOL (End of Life) hatte AEMtec auch stets eine alternative Anschlusslösung parat. Via Re-Design werden die Geräte komplett überarbeitet und an aktuelle Aufgabenstellungen angepasst. AEMtec arbeitet in Übereinstimmung mit den Standards ISO 9001, ISO 16949, ISO 14001 und ISO 13485. Durch die Ausrichtung des Qualitätsmanagements auf den Geschäftszweck erfahren die Produkte der AEMtec einen zusätzlichen Wertzuwachs.

SMT Hybrid Packaging 2013, Halle 9, Stand 210