In nahezu allen Bereichen unserer heutigen Welt vollzieht sich derzeit der Prozess der Digitalisierung, von deren Auswirkungen nahezu jeder betroffen sein wird.

Bild 1: Multi-Project Fan-out Wafer Level Packaging für Hochfrequenzanwendungen.

Bild 1: Multi-Project Fan-out Wafer Level Packaging für Hochfrequenzanwendungen. Fraunhofer IZM

Ein wesentlicher Trend in der Digitalisierung ist die Vernetzung von Geräten, die sich über eine Vielzahl von Alltagsgegenständen erstreckt, sodass man hier vom Internet der Dinge (Internet of Things) spricht. Von den zum Teil radikalen Veränderungen haben wir heute schon erste Vorstellungen, wenn wir Smartphones, elektronische Ausweise, smarte Armbänder, aber auch vernetzte Fahrräder oder Autos betrachten. Selbst im medizintechnischen Bereich bieten immer kleiner werdende Elektronikkomponenten einen unverzichtbaren Komfort für Menschen, der noch vor wenigen Jahren unvorstellbar erschien.

Was bei diesen Anwendungen oft stillschweigend vorausgesetzt wird, ist die optimierte Bereitstellung von miniaturisierten, multifunktionellen und autark (d.h. insbesondere mit Blick auf ihren Energiebedarf, die Vernetzungsfähigkeit und die Betriebsdauer) operierenden Elektroniksystemen (Smart Electronic Systems), um Daten aufzunehmen, zu verarbeiten und zu übertragen und auf die von ihnen gesteuerten Systeme und Kommunikationsnetzwerke einzuwirken.

Anforderungen an Smart Electronic Systems

Um den Prozess der zunehmenden Digitalisierung und Vernetzung von nahezu beliebigen „Dingen“ zu ermöglichen, muss die Elektronik immer leistungsfähiger und zugleich energieeffizienter, aber auch multifunktioneller und trotzdem preisgünstiger werden. Dazu sind in allen Ebenen der Digitalisierung eine Vielzahl von zum Teil auch disruptiven Innovationen vonnöten, die durch elektronische Komponenten, intelligente Firmware und neue Interface-Architekturen adressiert werden. Diese sind insbesondere auch auf spezifische Anwendungsbedürfnisse ausgerichtet.

Die Zahl der vernetzten Komponenten im Internet der Dinge wächst zudem extrem schnell. Ab dem Jahr 2025 rechnet man zum Beispiel mit einem exponentiellen Wachstum vernetzter Sensorknoten. Das Problem hierbei: Mit der Anzahl der Knoten steigt auch der Energieverbrauch weiter an. Im Jahr 2013 entsprach der Energiebedarf von allen vernetzten Geräten weltweit gemäß einer Studie der International Energy Agency dem Gesamtbedarf an elektrischer Energie in Deutschland. Innerhalb der nächsten Jahre wird sich dieser Bedarf sogar auf 1140 Terawatt pro Jahr nahezu verdoppeln, wobei die Digitalisierung und insbesondere das Internet der Dinge einen erheblichen Anteil an diesem Wachstum haben werden.

Bild 2: LED-Package mit Fan-out Wafer and Panel Level Packaging.

Bild 2: LED-Package mit Fan-out Wafer and Panel Level Packaging. Fraunhofer IZM

Aus diesem Grund ist es wichtig, dass Smart Electronic Systems beispielsweise viel energieeffizienter werden und die von ihnen gesteuerten Anwendungen besser mit der von ihnen genutzten Energie umgehen. Eine Energieoptimierung muss sowohl auf jeder Funktionsebene wie auch in der Gesamtsystembetrachtung stattfinden. Bereits beginnend in der Konzeptionsphase müssen alle Möglichkeiten der Energieeffizienz bei der Systementwicklung einbezogen werden. Im System betrifft dies vom Betrieb des Sensors, der Signalwandlung, dem Energiemanagement und den verwendeten Netzwerktechnologien, die gesamte Signalkette. Ein intelligenter Schaltungsaufbau wird ebenso wie optimierte Algorithmen der Datenverarbeitung und Nutzung geeigneter Netze mit geringsten Latenzen (< 1ms) bei höchstem „Quality of Service“ dafür sorgen, dass die Funktionen mit möglichst geringem Energieaufwand bereitgestellt werden können, um die Anwendung zu bedienen. Es betrifft aber auch den Einsatz von Energie-Harvesting-Systemen zur Vorort Energieerzeugung und Energiespeicherung, um die Betriebsdauer zu maximieren und gegebenenfalls auf externe Batterien zu verzichten und das System zu einem gänzlich energieautonomen System innerhalb seiner effektiven Lebenszeit hinzuführen. Hierbei spielen ein breitbandiges Multi-Energy Harvesting aus der Umgebung, eine Energiespeicherung für eine lange Betriebsdauer ohne Batteriewechsel und die Maximierung der Betriebsdauer durch Minimierung von Regelstrecken zur Verkürzung von Reaktionszeiten und energieverzehrenden Datentransfers eine entscheidende Rolle.

Die zunehmende Miniaturisierung ermöglicht es hierbei mittlerweile auch extrem kleine Batterien aufzubauen – zum Beispiel durch Wafer-Level-Technologien – und damit kleinste Objekte miteinander zu vernetzen. Mit dem aktuellen Trend, im Bereich von Assembly und Packaging auf größere Substratformate (zum Beispiel mit 18 Zoll x 24 Zoll großen Panels) zu setzen, können die Fertigungskosten trotz unterschiedlicher Fertigungsvolumina weitgehend niedrig gehalten werden. Mit dem Fan-out Wafer Level und Panel Level Packaging wird derzeit eine der neuesten Assembly- und Packaging-Trends in der System in Package-Welt verfolgt, die den zunehmenden Anforderungen an eine extreme Miniaturisierung und den steigenden Systemanforderungen gerecht wird. Der vorliegende Beitrag möchte aus der Vielzahl der zu bearbeitenden Schwerpunkte zwei sehr wichtige näher betrachten – die Aufbautechnologien und die Energieversorgung.

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