Industrie-Forschungsprogramm für Electronic Packaging

Mit 300.000 Chips, 30.000 SMDs und 110 Leiterplatten innerhalb von zwei Jahren ist die Bilanz des ersten Forschungsprojekts zum Thema Panel Level Packaging beeindruckend. Jedoch sind damit die Forschungsaktivitäten noch lange nicht abgeschlossen, weshalb das weltweit erfolgreichste Konsortium im Bereich des Panel Level Packaging nun einen Schritt weitergeht: Nach erfolgreichem Abschluss des zweijährigen Programms ist das Konsortium nun wieder offen für neue Mitglieder und weiterführende Themen. Mit Unternehmen aus der ganzen Welt werden nun Gespräche geführt, um das erste Forschungsprogramm mit Branchenführern der Fertigungstechnologien und der Materialentwicklung weiter voranzubringen.

Low-Cost-Packages im Panel-Format

Mobile Produkte im Consumerbereich und das autonome Fahren sind treibende Kräfte für die Weiterentwicklung im Electronic Packaging. Das Fraunhofer IZM war daher die letzten zwei Jahre der optimale Standort, um mit den führenden Industrieunternehmen aus Europa, USA, Japan, Korea und Taiwan Basisprozesse für das neue Panel Level Packaging zu entwickeln und erste Demonstratoren auf diesen großen organischen Substraten zu realisieren. Immerhin war die Expertise des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM in den Bereichen Wafer Level Packaging und Substrattechnologie im Jahr 2016 der Keim für die Gründung des Panel-Level-Packaging-Konsortiums mit 17 Industriepartnern.

Das internationale Konsortium schuf die Grundlagen für industriell nutzbare Prozesse zur Herstellung von Low-Cost-Packages im Panel-Format mit der Größe von 18 Zoll x 24 Zoll. So sind sehr dünne Komponenten entstanden, die auf das übliche Substrat verzichten, dabei aber exzellente elektrische Eigenschaften und nur einen sehr geringen thermischen Widerstand besitzen. Wegen der kurzen elektrischen Verbindungen sind diese Packages sehr gut für Hochfrequenz-Anwendungen, wie 5G und Radaranwendungen geeignet und kommen vor allem den Entwicklungen für das autonome Fahren zugute. Schwerpunkt der zweijährigen Kooperation war die gesamte Prozesskette des Panel Level Packaging: Bestückung, Molding, Umverdrahtung, Kostenmodellierung und Standardisierung.

PLC 2.0 mit anspruchsvollen Zielen

Der große Erfolg veranlasste das Fraunhofer IZM ein zweites Konsortium zu planen: Die Geburtsstunde des PLC 2.0. Viele der Firmen aus dem ersten Konsortium werden wieder dabei sein, aber die Türen sind auch für neue Mitglieder geöffnet. Im Gegensatz zu den eher allgemeinen Zielen im ersten Programm des Konsortiums konzentrieren sich die Partner nun auf drei spezifische Ansätze: Erstens der Weiterentwicklung und Präzisierung der technologischen Entwicklung insbesondere in Hinblick der Schnittstellen zwischen den einzelnen Prozessschritten. In der zweiten Stufe sollen die Leitungsverdrahtungen immer feiner werden und damit bis zu den Grenzen des Möglichen vordringen. Aufgrund der weiteren Miniaturisierung auf Chipebene ist auch eine höhere Verdrahtungsdichte auf den organischen Substraten zwingend notwendig. Daher ist im PLC-2.0-Konsortium das Ziel, eine Verdrahtungsdichte bis zu 2 μm Linienbreite und 2 μm Abstand zu realisieren. Dabei soll auch eine möglichst hohe Systemzuverlässigkeit erreicht werden. Daher werden auch die Elektromigration und die Kupferdiffusion Schwerpunkte der zukünftigen Forschung sein. Ein erweitertes Kostenmodell rundet das Forschungsprojekt ab.

Um diese Herausforderungen anzugehen, wurden im Vorfeld des PLC 2.0 weitere Geräteinstallationen am Fraunhofer IZM vorgenommen. Hier sei auch dem BMBF gedankt, da einige der großen Investitionen innerhalb der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland erfolgten. Weiterhin wird es aufgrund der erfolgreichen Implementierung des Workflows nur eine Kategorie der Mitgliedschaft geben.

„Wir planen, mit dem neuen Konsortium im Dezember 2019 unsere Arbeit aufzunehmen. Ich bin gespannt, welche Unternehmen sich uns anschließen und das zweite Level mit uns erreichen wollen.“ Fraunhofer IZM / MIKA Fotografie

Das Gesicht des Panel-Level-Konsortiums und die Gruppenleiterin am Fraunhofer IZM, Tanja Braun, ist zuversichtlich: „Wir planen, mit dem neuen Konsortium im Dezember 2019 unsere Arbeit aufzunehmen. Ich bin gespannt, welche Unternehmen sich uns anschließen und das zweite Level mit uns erreichen wollen.“

300.000 Chips, 30.000 SMDs und 110 Leiterplatten innerhalb von zwei Jahren

Die Leistungen, die im ersten Konsortium erreicht wurden, sprechen für sich: Im ersten Jahr wurde die gesamte Prozesskette von der Montage über das Formen bis hin zur Gerätevereinzelung auf einem Halbformat-Panel von 18 Zoll x 12 Zoll etabliert und optimiert. Hierzu wurden Testverfahren und Demonstratoren entwickelt sowie erste Zuverlässigkeitstests durchgeführt. Im zweiten Jahr konzentrierte sich das Konsortium dann auf die Modifizierung des Designs. Basierend auf den Ergebnissen des ersten Jahres wurde die Technologie vom Halbformat zum Vollformat von 18 Zoll x 24 Zoll skaliert und vertikale Verbindungselemente (VIE) sowie passive Komponenten integriert. Insgesamt wurden in diesen zwei Jahren über 110 Panels hergestellt und nahezu 300.000 Chips zusammen mit 30.000 SMDs eingebettet. Neben diesem technischen Fortschritt wurde ein umfassendes Kostenmodell aufgestellt, welches je nach Anwendung und Materialanfrage angepasst werden kann. Teile der erfolgreichen Forschungsarbeit wurde auf zahlreichen wissenschaftlichen Konferenzen und auch Messen vorgestellt.

Tanja Braun und Michael Töpper haben die Standardisierung der Panelgrößen auf verschiedenen öffentlichen Veranstaltungen erörtert. Im Rahmen von SEMI wurde eine Initiative zur Standardisierung eingerichtet, an der Mitglieder des Panel-Level-Konsortiums beteiligt sind. Das Konsortium 1.0 gilt laut Tanja Braun als „das beste in diesem Bereich“. Zum Erfolg des PLP-Konsortiums haben neben dem Fraunhofer IZM folgende Partner beigetragen: Ajinomoto-Gruppe, Amkor Technology, ASM Pacific Technology, Atotech Deutschland, Österreich Technologie & Systemtechnik, Brewer Science, Evatec, Fujifilm Electronic Materials USA, Hitachi Chemical Company, Intel, Meltex, Merck, Mitsui Chemicals Tohcello, Semsysco, Shin Etsu Chemical, die Süss Micro Tec SE und die Unimicron Technology.

Productronica 2019: Halle B1, Stand 221

(mrc)