Halbleiter-Chips direkt im Substrat eingebettet

Smartphones sind heute einer der wesentlichen Technologietreiber für die Miniaturisierung. Da der Energieverbrauch dieser Geräte geradezu sprunghaft ansteigt, wird die Batterie immer größer.

Nicht nur die Mikroprozessoren benötigen mehr Strom, auch die von den Anwendern geforderten, bildschirm-gestützten Funktionen fordern ihren Tribut. Die Konsequenz: Um Platz für den Akku zu schaffen, müssen alle übrigen Bauelemente kleiner werden.

Künftig müssen Smartphones – zusätzlich zu den heute üblichen 2G- und 3G-Netzen – auch die Frequenzbänder des neuen Mobilfunkstandards LTE (Long-Term Evolution) unterstützen. Dadurch entsteht ein zusätzlicher Bedarf an miniaturisierten Bauelementen wie etwa SAW-Filtern, Duplexern, Induktivitäten, Kondensatoren oder Leistungsverstärkern. Von den Herstellern der Smartphones wird zudem erwartet, dass sie neue Funktionen integrieren. Ziel ist dabei, die kompakten Abmessungen der Geräte – allen voran deren Höhe – zumindest beizubehalten. Vor diesem Hintergrund ist mittlerweile die Bauhöhe von miniaturisierten Komponenten zu einem entscheidenden Kriterium für den Markterfolg geworden. Mit seiner SESUB-Technologie leistet TDK gerade in diesem Punkt einen wertvollen Beitrag.

SESUB – Modulbauweise für die Miniaturisierung

SESUB ist eine innovative Substrattechnologie, basierend auf patentierten Verfahren von TDK. Damit lassen sich Halbleiter-Chips direkt in das Substrat einbetten, nachdem ihre Höhe bis auf 50 µm verringert wurde. TDK hat zahlreiche Verfahren entwickelt, um selbst komplexe Bauelemente prozesssicher integrieren zu können. Die Gesamthöhe des Substrats beträgt einschließlich der integrierten Halbleiter-Chips nur 300 µm (Bild 1).

In den SESUB-Modulen können auch mehrere Halbleiterbauelemente Seite an Seite eingebettet werden. So entstehen multifunktionale und äußerst kompakte Module, wie sie Designer und Entwickler von fortschrittlichen und von Konsumenten begehrten Geräten gesucht werden. Zusätzlich erforderliche, diskrete passive als auch aktive Bauelemente können oben auf das Substrat bestückt werden. Um die Integrationsdichte noch weiter zu erhöhen, sollen in einem nächsten Schritt auch dünne passive Bauelemente in das Substrat integriert werden.

Sehr gutes thermisches und elektrisches Verhalten

Ein weiterer Vorteil der SESUB-Module ist ihr sehr gutes thermisches Verhalten. Weil der IC vollständig eingebettet und auf allen Seiten vom Substrat umgeben ist, wird die Abwärme des Halbleiters über die gesamte Oberfläche abgeführt. Die Substratlagen selbst wiederum beinhalten mikro-strukturierte Leitungswege aus Kupfer, die die Abwärme homogen und effizient verteilen. Mit diesem äußerst guten thermischen Verhalten bieten sich SESUB-Module insbesondere für das Energiemanagement, als Sende- und Empfangseinheit, für Prozessoren oder als Leistungsverstärker an – kurz gesagt für alle wesentlichen Komponenten eines Smartphones. Im direkten Vergleich zwischen einer diskret aufgebauten Lösung und einem SESUB-Modul, in welches die gleichen ICs eingebettet wurden, ergibt sich eine um rund 7 K geringere Oberflächentemperatur des Halbleiters.

Dank der abgesenkten Oberflächentemperatur kann man beim Design und in der Fertigung des Halbleiters bisweilen auf preiswerte Verfahren zurückgreifen. Auch auf das EMV-Verhalten wirkt sich das Einbetten der Chips positiv aus, da die metallischen Verbindungswege innerhalb des Substrats wie eine Abschirmung wirken. Der kompakte Aufbau des SESUB-Moduls sowie die kürzeren elektrischen Verbindungswege innerhalb des Substrats führen auch zu einer verbesserten Unterdrückung von Störeffekten und erhöhen damit die Betriebssicherheit des Gesamtsystems. Ein weiterer Vorteil ist, dass Entwickler und Designer ein stabiles, robustes und ausgereiftes Subsystem erhalten und damit deutlich weniger Aufwand in ihre eigene Entwicklungsarbeit stecken müssen.

Zusätzliche Umverdrahtungslagen werden überflüssig

SESUB bietet eine elegante Lösung für eine der größten Herausforderungen zukünftiger, hochkomplexer Halbleiterschaltungen: Wie soll deren hohe Anzahl an Fine-Pitch-I/Os mit der Leiterplatte verbunden werden? Beständig entwickelt die Halbleiterindustrie neue Technologien, um die Prozessgeometrien weiter zu verfeinern. Lag die Strukturbreite von Hochfrequenzschaltungen gerade noch bei 65 nm, so werden künftig eher 40 nm üblich sein. Prozessoren verwenden bereits Strukturen mit 28 nm. Als Folge dieses Trends zu kleineren Strukturbreiten werden auch die Lötpunkte der Chips immer kleiner (Pad-Rastermaße von 80 oder 50 µm).

Um diese filigranen Lötpunkt-Raster für das wesentlich gröbere Rastermaß der Leiterplatten in den Smartphones (350 bis 500 µm) umzuverdrahten, werden in den Chips standardmäßig mehrere kostspielige Umverdrahtungslagen (Redistribution Layers, RDLs) verwendet. SESUB kann mit seinen hauchdünnen Substratlagen, den mikro-strukturierten Leiterbahnen und seinen Vias, die Aufgabe des Umverdrahtens übernehmen (Bild 2). ICs können dann ohne eigene RDLs entwickelt werden, wodurch sich die Größe der ICs auch weiter verringern lässt. SESUB ermöglicht damit Module und SiPs mit deutlich reduzierten Abmessungen: Allen voran die Bauhöhe lässt sich um rund 35 Prozent verringern, beispielsweise von 1,55 auf nicht mehr als 1,0 mm. Damit ist SESUB die geeignete 3D-Integrationsplattform für miniaturisierte Module mit hohem IC-Anteil.

Vielseitig einsetzbare Integrationsplattform

Das erste in SESUB-Technologie realisierte Modul übernimmt das komplette Energiemanagement für Mobiltelefone und andere kompakte elektronische Geräte (Bild 3). Das Herz dieses miniaturisierten PMU-Moduls (Power Management Unit) bilden zwei eingebettete ICs, welche alle Energiefunktionen eines Smartphones steuern. Mit einer Fläche von 11 × 11 mm² benötigt das kompakte Modul satte 60 Prozent weniger Platinenfläche als eine vergleichbare, diskret aufgebaute Lösung. Trotz der geringen Einbauhöhe von 1,63 mm ist die Schirmung bereits enthalten. Das für den Einsatz in Smartphones optimierte Modul verfügt über folgende Einheiten:

• Fünf Schaltregler mit einer Schaltfrequenz von 4,4 MHz
• Schalt-Laderegler mit Strom-Bypass-Modus bis 4 A
• Rückwärts-geregelter Aufwärtswandler für die Blitz-LED der Kamera (bis zu 2 A) und zur Unterstützung der USB-on-the-go-Funktionalität
• 23 rauscharme Spannungsregler, jeweils mit geringen Aussetzfehlern bei gleichzeitig geringem Versorgungsspannungsdurchgriff und damit hohem PSRR (Power Supply Rejection Ratio)
• Echtzeituhr (RTC/Real-Time Clock) mit 32 kHz Quarz
• 19,2 MHz/26,0 MHz Taktgenerator mit fünf Ausgängen

Ein weiteres Beispiel für Bauelemente in SESUB-Technologie ist ein äußerst kompaktes Quad-Band-Connectivity-Modul, das WLAN, Bluetooth, UKW-Radio und GPS in einer einzigen Komponente vereint und zudem sehr gutes EMV-Verhalten aufweist.

Bild 4 zeigt ein laminiertes Modul mit dem Connectivity-IC auf der Oberfläche montiert. Beim SESUB-Modul hingegen ist der Connectivity-IC in das Substrat eingebettet, wo er rund 40 Prozent der Modulfläche belegt. Das PA-Frontend-Modul, die HF-Filter und Bauelemente in SMD-Technologie werden auf der Oberfläche des Moduls montiert. Mit seinen Abmessungen von gerade einmal 8,5 × 7,0 × 1,4 mm³ weist das SESUB-Modul nicht nur eine sehr niedrige Bauhöhe auf, sondern es beansprucht dazu rund 45 Prozent weniger Platinenfläche als vergleichbare, in konventioneller Laminat-Technik aufgebaute Module.

(ah)