Baugruppenfertigung im Umbruch

Carmina Läntzsch von Laserjob erläuterte den Ablauf der Veranstaltung.Marisa Robles Consée

Wie ein roter Faden zog sich der Begriff Embedding durch das Technologieforum, zu dem Laserjob am 06. November 2014 nach Fürstenfeldbruck nahe München einlgeladen hatte. Die fortschreitende Miniaturisierung macht neue, mitunter unbequeme Wege erforderlich, denn in der Elektronikproduktion werden immer kleinere und komplexere Systemlösungen mit einer immer höheren Integrationsdichte gefordert. Namhafte Experten aus Wirtschaft, Forschung und Anwendung präsentierten daher Lösungsvorschläge und Praxisbeispiele. Dabei wurden neue Systemansätze durch Embedding vorgestellt und die aktuellen Trends in der Leiterplatte aufgezeigt – von Embedding bis HDI. Zweifelsohne ist die Leiterplatte von heute ein Schaltungsträger, der hochkomplexe Verschaltungen erlaubt und dabei immer kleiner und flacher werden muss. „Der aktuelle Trend zeigt die Integration von komplexen Systemen mit höchstem Miniaturisierungsgrad und erweiterten Funktionalitäten“, erläuterte Georg Kleemann in seiner Begrüßungsansprache. Der Geschäftsführer von Laserjob merkte weiter an: „Gleichzeitig werden immer mehr Anschlüsse pro Fläche notwendig. Diese Weiterentwicklung setzt sich fort in der Verringerung der Leiterbahnstrukturbreiten, aufgrund der zunehmenden Nachfrage nach kleinsten Bauteilformen der Baugröße 01005 und 03015.“ Georg Kleemann nutzte die Gelegenheit, um seinen Rückzug aus dem aktiven Geschäftsleben anzukündigen. Er will sich im Ruhestand vor allem karitativen Einrichtungen zuwenden. Seine Nachfolge tritt sein Sohn, Stefan Kleemann, an.

Stefan Kleemann, neuer Geschäftsführer von Laserjob, wird gemeinsam mit Robert Englmaier, ebenfalls Laserjob-Geschäftsführer, die Geschicke des Unternehmens leiten.Marisa Robles Consée

Eine zentrale Bedeutung kommt dabei der Entwicklung effizienter Prozessabläufe und dem Verständnis für die Wechselwirkungen innerhalb der gesamten Fertigungsprozesskette zu. Dass diese Entwicklungen nicht vor dem Schablonendruckprozess halt machen, ist offensichtlich. Gerade die Verarbeitung kleinster Winzlinge wie 01005 und die noch kleinere Variante 03015 (mm) sorgen für eine unglaublich hohe Pad-Anzahl auf der Platine und somit auch dafür, dass die Druckschablonen konstanten Weiterentwicklungen unterworfen ist. Durch die Moderation führte Frank Ansorge vom Fraunhofer IZM.

Interessante Systemansätze

Als Ende der 1990er Jahre die Einführung der Flip-Chip-Technik erfolgte, wurde sie als Ersatz für oberflächenmontierbare Technik gesehen. Als SMT-Alternative konnte sich die Technik zwar nicht durchsetzen, immerhin werden heute aber mehr als 10 Prozent der Halbleiter als Flip-Chips verarbeitet, mit steigender Tendenz. Seit 2011 ist man in der Lage, Chip-Embedding prozesssicher in Serie herzustellen. Der wohl größte Vorteil besteht darin, dass die Technik Platz für die 3D-Integration bietet. Die größte Herausforderung ist, dass eine neue Supply-Chain erforderlich wird, erklärt Andreas Ostmann vom Fraunhofer IZM, Berlin: „Sie macht völlig neue Firmen und Ansprechpartner notwendig.“ Größter Treiber war interessanterweise die Leistungselektronik: Infineon Technology und TDK-Epcos begannen, Technologien zur Integration von Leistungshalbleitern in die Leiterplatte mit Leiterplattenherstellern wie AT&S und Schweizer Electronic zu konzipieren. Beispielsweise kann ein Chip-Embedded-Package DC/DC-Treiber, MOSFETs und Controller beherbergen. Dabei werden übliche Verbindungsverfahren wie Draht- oder Clipbonden sowie herkömmliche Presstechniken durch galvanische Prozesse ersetzt. Das hat zur Folge, dass die Verbindungen sehr zuverlässig sind und sich weniger Induktivitäten ergeben. Die Einbettung benutzt demnach Leiterplatten-Vorgänge für 3D-Integration aktiver und passiver Elemente, um SiPs zu erschaffen. Dadurch ist eine weitere Miniaturisierung bei gleichzeitig verbesserter Leistungsfähigkeit möglich. Geht es nach dem Marktforschungsunternehmen Yole, dann wird sich der Markt der Chip-Embedded-Packages von 340 Mio. Dollar (2013) auf 1700 Mio. Dollar im Jahr 2016 erhöhen. Ostmann geht davon aus, dass es nicht viele Hersteller geben wird, die diese Embedding-Technik prozesssicher in Serie beherrschen werden.

Andreas Ostmann vom Fraunhofer IZM, Berlin stellte neue Systemansätze durch Einbettung in die Leiterplatte vor.Marisa Robles Consée

Die Trends für die nächsten drei bis fünf Jahre werden laut Ostmann vor allem Leadframe Packaging, Strip Packaging und Wafer-level Packaging beziehungsweise Fan-out Wafer-level Packaging sein. Allerdings wird man sich von den runden Waferscheiben verabschieden, um die Kosten weiter reduzieren zu können. Die runden Scheiben werden seiner Ansicht nach durch Leiterplatten-Platten ersetzt werden. Eine zum Beispiel 60 cm x 60 cm (24″ x 24″) große Platine ist einfach deutlich größer als ein Wafer mit 450 mm Durchmesser. Auf solch eine Platte passen beispielsweise etwa 30.000 Spannungsregler mit sechs Verbindungen, die sich im Leiterplattenprozess kostengünstig und vor allem schnell fertigen lassen. „Der Durchsatz ist einfach viel höher als bei Wafern.“ Andreas Ostmann wagt auch den Blick in die ferne Zukunft: Da wird die so genannte modulare Mikroelektronik bestimmend sein: „Komplexität im Inneren und eine simple Verbindung nach außen.“ Was sich so einfach anhört ist alles andere als trivial. Denn die ‚wertvollen‘ Chipmodule werden in Stapeltechnik miteinander verbunden und dürfen deshalb keine Ausbeuteverluste aufweisen. Eine Hürde dabei ist die Software, denn die Module müssen miteinander kommunizieren, sprich Daten übertragen können. Dass dies gelingen kann, hat das Fraunhofer IZM in dem Projekt „Modular Camera Module“ bewiesen: einem Kameramodul mit integrierter Bildverarbeitung.

Anforderungen an die Leiterplatte

Ralph Fiehler von KSG Leiterplatten informierte über die aktuellen Trends in der Leiterplatte – von HDI bis Embedding.Marisa Robles Consée

Die Hauptinnovation der Leiterplatte liegt darin, ein Träger und elektrisches Verbindungselement für elektronische Bauelemente zu sein. An dieser Hauptfunktion hat sich trotz kontinuierlicher Technologiesprünge bis heute nichts geändert. Im Zuge der sich verändernden Technologien sind jedoch neue Materialien gefragt, erläutert Ralph Fiehler von KSG Leiterplatten und gewährt einen Blick auf den momentanen Leiterplattenmarkt. Derzeit werden für etwas mehr als 45 Mrd. Euro weltweit Leiterplatten produziert. 90 Prozent der Leiterplattenproduktion findet allerdings in Asien, respektive China statt. „Die Musik spielt heute in Asien und nicht mehr in Europa. Wir haben mehr oder weniger die Technologien nach Asien transferiert, weshalb Asien mit modernsten Fertigungsstätten seinen Siegeszug antreten kann.“ Den Leiterplattenmarkt in Europa bezifferte er mit etwa 6,6 Mrd. Euro, der von knapp 30 Prozent von europäischen Platinenherstellern abgedeckt wird. Dabei spielt Deutschland eine entscheidende Rolle: Mit rund 800 Mio. Euro ist die Platinenproduktion innerhalb Europas hauptsächlich in Deutschland angesiedelt. Wesentliche Treiber sind die Industrieelektronik (43,8 Prozent) und die Automobilindustrie (16,7 Prozent), die gemeinsam über 60 Prozent zum europäischen Leiterplattenumsatz beisteuern und damit die Trends festlegen. In Technologien umgemünzt, kommen im Wesentlichen Multilayer (41,1 Prozent) und durchkontaktiere Leiterplatten (20,6 Prozent) zur Anwendung, gefolgt von starflexiblen Platinen (11,3 Prozent) und HDI (11 Prozent).

Jedoch verliert absehbar die durchkontaktierte Leiterplatte immer mehr an Boden, zu Gunsten von HDI. „Wir sind hier in Europa mit den unterschiedlichsten Technologien konfrontiert, angefangen von HDI-Platinen über Multilayer bis hin zu Embedding“, resümiert Fiehler die Marktanalyse. Besonderes Augenmerk richtet er auf die HDI- und HF-Technik und lenkt anschließend die Aufmerksamkeit auf die Leistungselektronik und das hierfür notwendige Wärmemanagement und den hierbei etablierten Technologien. KSG Leiterplatten hat dabei die „Iceberg“-Technologie entwickelt. Darunter ist eine Kombination von Dickkupferstrukturen von bis zu 400 μm mit Leiterbild-Strukturen von bis zu 70 μm auf der Außenlage bei planaren Oberflächentopographien (Pad, Lötstopplack) zu verstehen.

Miniaturisierung als Entwicklungstreiber

Über die Herausforderungen im Schablonendruckprozess bei der Verarbeitung von Bauteilen der Größe 01005 berichtete Stefan Härter von FAPS.Marisa Robles Consée

Die Miniaturisierung ist einer der wesentlichen Technologietreiber in der Elektronikfertigung. Das zeigt sich bei passiven Komponenten am steigenden Einsatz von 01005-Bauelementen. Parallel dazu werden die Produktionsprozesse stark beeinflusst, gerade bei einer mischbestückten Baugruppe. „Jedes moderne Smartphone ist deshalb so dünn, weil sich durch neue Integrationsstufen und neue Bauelementformen zunehmend Funktionen in einem Chip integrieren lassen. Das hat Vorteile in Bezug auf den Bauraum und auch die Bauhöhe, mit dem Nachteil, dass dies eine enorme Auswirkung auf die Prozesskette und Verarbeitung hat“, erklärt Stefan Härter vom Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung FAPS.

Auch wenn die Bauform 01005 seit Jahren existiert, ist die Verarbeitung nach wie vor eine Herausforderung, die hohe Anforderungen an die Vorentwicklung respektive Voruntersuchung stellt. FAPS hat deshalb eine Versuchsreihe mit 01005-Demonstratoren gestartet, deren Ergebnisse vorgestellt wurden. Im Rahmen der Untersuchungen zum Pastendruck wurden nach Identifikation der optimalen Prozessparameter die Haupteinflussfaktoren bewertet. Zum Einsatz kamen übrigens Druckschablonen von Laserjob. Wesentlichen Einfluss haben demnach sowohl die richtige Schablonendicke nebst Aperturdesign als auch die richtige Auswahl der Lotpastentypen. Weitere charakteristische Merkmale sind zudem die Transfereffizienz und die Area Ratio.

Greg Wade von Indium Corp. kam eigens von Chicago eingeflogen, um über die Effizienz im Lotpastendruck zu referieren.Marisa Robles Consée

Trotz aller Tüftelei: Die 01005-Komponenten auf mischbestückten Baugruppen erfordern einen Kompromiss bei der einzusetzenden Druckschablone. Weit mehr noch bei der nächst kleineren Bauform 03015m, erklärt Härter: „Ein stabiler Druckprozess von 03015m-Padgeometrien stellt erhebliche Anforderungen an die eingesetzten Komponenten und Materialien.“ Daher sei die Betrachtung der gesamten Prozesskette der Aufbau- und Verbindungstechnik wichtig, ist sich der Experte sicher: „Sie bietet das Potenzial, den Einfluss geringfügiger Prozessschwankungen auf komplexe Fertigungsfehler bewerten zu können.“

Aus der Praxis für die Praxis: Christoph Hippin von Endress+Hauser erläuterte wie die Schablonendruckoptimierung in der Praxis aussieht.Marisa Robles Consée

Die Winzlinge fordern auch Bestückungstechnologen heraus. Norbert Heilmann, Technology-Scout von ASM Assembly Systems erläutert, wie ein sicheres Bestücken von kleinsten Bauteilen 01005, 03015m und 0201m gelingen kann. Künftig wird es nicht mehr ausreichen, sich nur auf die Bauformen zu beschränken, weist Heilmann darauf hin: Handelt es sich bei einem 03015m-Bauteil um einen Widerstand, einen Kondensator oder eine Diode? Das ist insofern wichtig, weil nicht nur unterschiedliche Padgeometrien zu berücksichtigen sind, sondern auch weil die Bauteile herstellerabhängig unterschiedlich metallisiert sind. Beispielsweise weist ein 03015m-Widerstand von Panasonic eine dreiseitige Metallisierung auf, während der 03015m-Widerstand von Rohm nur auf der Unterseite metallisiert ist: „Dieser Miniaturisierungsschritt bedeutet nicht nur einfach kleinere Kantenlängen, sondern eine komplette bauteilspezifische Prozessanpassung innerhalb einer neuen Bauteilklasse“, beschreibt Heilmann die künftigen Prozessanforderungen, die sich wie ein Rattenschwanz entlang der SMT-Fertigung ziehen werden: „Das hat Einfluss nicht nur auf die Bestückung, sondern auch auf die Padgestaltung, Lotpastenmenge und Schablonengestaltung.“

Wie gelingt sicheres Bestücken von kleinsten Bauteilen der Größe 0201, 01005 oder 03015? Norbert Heilmann von ASM Assembly Systems wusste Rat und gab Tipps.Marisa Robles Consée

Erschwerend kommt hinzu, dass die Winzlinge kaum Gewicht auf die Waage bringen und mit etwa 0,02 bis 0,03 mg zwangsläufig noch leichter als die 01005-Bauformen sind. Dadurch haben die Bauteile keine Gewichtskraft mehr, sind aber der Oberflächenspannung und der Benetzungskraft im Lötprozess ausgeliefert, erklärt Heilmann: „Solch ein Bauteil schwimmt auf dem aufgeschmolzenen Lot. Erst durch die Erstarrung des Lotes kommt das Bauteil nur im bestimmten Anteil der Fälle auch wirklich parallel zur Leiterplatte zum Liegen.“

Bauteilspezifische Prozessanpassung

Die 03015m-Baugröße bedeutet also eine bauteilspezifische Prozessanpassung. Künftig müssen Anwender noch mehr Faktoren als bisher berücksichtigen. Neben dem herstellerspezifischen Paddesign mit entsprechenden Schablonenaperturen (schon allein, weil sich die Widerstände baulich unterscheiden), wird sich voraussichtlich die Anzahl unterschiedlicher Pipetten erhöhen, was nicht nur der Größe, sondern auch der Oberflächenbeschaffenheit der häufig aus Silizium bestehenden Winzlinge geschuldet sein wird: „Der Bestückkopf hat nur eine endliche Anzahl an Pipetten und je mehr verschiedene Bauteilformen vorhanden sind, umso mehr unterschiedliche Pipettengrößen sind erforderlich und damit sinkt quasi die Bestückleistung“, beschreibt Heilmann die Auswirkungen der Winzlinge auf den Bestückprozess. Dennoch zeigt sich ein Silberstreif am Horizont: In der Zukunft werden Widerstände noch etwas schrumpfen und auf die gleiche Länge und Breite wie Kondensatoren kommen, prognostiziert Heilmann in Rücksprache mit einigen Bauteilherstellern. „Dies macht Sinn, weil dann eine Pipette für beide Typen passt.“

Bei prozesssicheren Reworkverfahren für kleinste Bauteilgeometrien und Kontaktabstände, wie 01005, QFN, BGA, kannte sich Andreas Schmidt von Finetech bestens aus.Marisa Robles Consée

Ist denn überhaupt ein Rework noch möglich? Die Herausforderung wird vor allem in der Erkennbarkeit dieser Winzlinge liegen, weist Andreas Schmidt von Finetech hin. Künftige Reworksysteme müssen hinsichtlich der Beleuchtung, Handhabung der Bauteile, Vakuumkontrolle, Kamerasystem inklusive Optik mit hoher Auflösung und Vergrößerungsmöglichkeiten (Zoom beziehungsweise Makroerkennung) einiges aufbieten, damit der Anwender die entsprechende Nachbearbeitung durchführen kann. Und dann muss der Anwender ein Virtuose seines Faches sein, um solche Bauteile nicht versehentlich zu zerstören, sondern erfolgreich aus- und wieder einlöten zu können.

Small-Packaging-Lösungen für die nächste Generation von mobilen Systemen, automotive Anwendungen, Highspeed- und drahtloser Kommunikation – darüber sprach Norbert Bauer von Murata Elektronik.Marisa Robles Consée

SMT Hybrid Packaging 2015:

ASM Assembly Systems: Halle 7, Stand 319

Finetech: Halle 6, Stand 307

Indium Corp.: Halle 7, Stand 331 und 100

KSG Leiterplatten: Halle 6, Stand 217M

Laserjob: Halle 7, Stand 413

(mrc)