Fortschrittliche Systemintegration mit WLP und PLP

Miniaturisierung und viel höhere Leistungsfähigkeit wurden entscheidend durch die Einführung des Wafer Level Packagings (WLP) ermöglicht. Der Anteil dieser Packageform beträgt zurzeit für aktive Bauelemente etwa 50 Prozent in den aktuellen Smartphones und steigt weiter rapide an. Solche WLPs weisen oft jedoch nur noch als Dimension annähernd die Chipgröße selbst auf, sodass hier eine höhere Komplexität in 2D äußerst schwer möglich ist. Die Weiterentwicklung fokussiert sich deshalb unter anderem auf die Dreidimensionalität (Stacking, Through Silicon Vias). Zusätzlich erschwert die stetige Verkleinerung der IC-Strukturen, die sich weiterhin entsprechend dem Mooreschen Gesetz entwickeln, nun zunehmend die flächige Verteilung der Lotkugeln auf einen Pitch, der eine nachfolgende Assemblierung auf Standardleiterplatten ermöglicht.

Bild 3: Mikrobatterie auf Silizium-Glas-Basis in einem Testaufbau als Pufferspeicher eines energieautarken, drahtlosen Sensormoduls (l.). Lade- Entlade-Charakteristik einer Silizium-Mikrobatterie bei verschiedenen, kapazitätsgenormten Strömen (1C: Vollentladung in 1h, 2C: Vollentladung in 0.5 h usw., r.).

Bild 3: Mikrobatterie auf Silizium-Glas-Basis in einem Testaufbau als Pufferspeicher eines energieautarken, drahtlosen Sensormoduls (l.). Lade- Entlade-Charakteristik einer Silizium-Mikrobatterie bei verschiedenen, kapazitätsgenormten Strömen (1C: Vollentladung in 1h, 2C: Vollentladung in 0.5 h usw., r.). Fraunhofer IZM

Eine Weiterentwicklung ist das Fan-out WLP, welches durch eine Umverdrahtung über die Chipfläche hinaus eine Anschlusskonfiguration ermöglicht. Dabei werden als eine mögliche Prozessfolge die Wafer vereinzelt und die ICs mit der aktiven Fläche nach unten auf eine temporäre Folie geklebt. Von der Rückseite werden die ICs mit dem Molding Compound umspritzt. Nach Ablösen der Folie kann dann die Umverdrahtung erfolgen. Das Fan-Out WLP ist damit die ideale Verbindung zwischen einem substratlosen Package und der Möglichkeit, die Chipfläche für das SMT-Raster unter Verwendung von hoch-gefüllten Epoxidharzes (Molding Compound) zu verteilen. Im Gegensatz zum bisherigen WLP, bei dem die Umverdrahtung nur innerhalb des ICs (Fan-in) möglich ist, ist es nun möglich, das Anschluss-Layout anzupassen, sodass damit weitere Schritte der Systemintegration auf Package-Ebene erfolgen können. Dabei werden weitere ICs, Passive und auch andere Komponenten in das Package integriert und damit kostengünstige System-in-Packages (SiP) direkt im Package realisiert [1]. Kostenintensive Interposer zur Layout-Anpassung lassen sich so vermeiden. Bisher erfolgt die Prozessierung weitgehend auf 300 mm großen Wafer-Formaten, wobei sich die Formatgröße hierbei durch geringe Anpassung der Maschinenkonfigurationen bis auf maximal 330 mm ausdehnen lässt.

Ein weiterer Ansatz ist die Verwendung von großflächigen Panels (Substrate: Leiterplatte oder Moldings), wie diese bereits im LCD und Solarbereich verwendet werden. Werden die Fan-out-WLP-Prozesse auf solche großen Panels mit Formaten von 18 Zoll x 24 Zoll umgestellt, können die Fertigungskosten weiter reduziert werden. Während jedoch für die Wafer Level Packages die Prozesse weitgehend standardisiert sind, findet bei den Paneltechnologien noch eine Prozess- und Systementwicklung statt, um die Industrietauglichkeit für eine Serienfertigung herzustellen. Nachteil ist, dass hier eine Direktübernahme der Waferlevel-Materialien, -technologien und -standards in den meisten Fällen nicht möglich ist. Auch deshalb wurde auf Initiative des Fraunhofer IZM ein weltweites Konsortium (Panel Level Packaging Consortium) gegründet, um Fragen der Kostenmodellierung und der Technologieoptimierung in den Bereichen Bestückung, Umverdrahtung und Molding zu untersuchen sowie die Standardisierung voranzutreiben und die Ergebnisse in die Massenfertigung zu überführen (vgl. Bild 1 und 2). Die Partner des Konsortiums vertreten die gesamte Wertschöpfungskette vom Material und Equipment sowie vom OSAT bis hin zum Endanwender.

Entwicklungen bei der Energieversorgung miniaturisierter Systeme

Die Steigerung der Energieeffizienz wird ein wichtiger Baustein für die weitere Digitalisierung werden, dabei müssen die Energiequellen (Batterie, Akkumulator, Energy-Harvesting-System) so in Größe und Leistung angepasst werden, dass diese genau die notwendige Energie für die integrierte Funktionalität bereitstellen. Vor allem, wenn es das Ziel ist, einen Langzeitbetrieb sicherzustellen oder sogar ein autarkes System aufzubauen, ist die Energiebilanz eines der wichtigsten Bestandteile des Systemdesigns, wo alle potenziellen Randbedingungen Berücksichtigung finden müssen. Eine zuverlässige und langlebige Energieversorgung ist somit ein wichtiges Gütekriterium für das System.

Beispiel für die vom Fraunhofer IZM und der TU Berlin entwickelten Mikrostrukturbatterie.

Beispiel für die vom Fraunhofer IZM und der TU Berlin entwickelten Mikrostrukturbatterie.

Ein wichtiger Trend mit der fortschreitenden Miniaturisierung mikroelektronischer Systeme ist der steigende Bedarf an miniaturisierten Batterien, etwa für medizinische Anwendungen oder zur Unterstützung bei gesundheitlichen Einschränkungen (Hörgeräte). Für Batterien ergeben sich sehr hohe und beständig weiter steigende Anforderungen an Leistungsfähigkeit, Energiedichte und Aufbautechnik. Schlüsselindikatoren sind hier die spezifische – vor allem volumetrische und flächenbezogene – Kapazität, Stromtragfähigkeit und Zyklenfestigkeit der Zellen. Im Anwendungsfeld sehr kleiner Batterien stehen zudem noch keine Standardlösungen zur Verfügung.

Genau diesem Bedarf begegnen Forscher und Technologen durch die Entwicklung sogenannter ‚Mikrobatterien‘. Zu verstehen sind darunter kleinste Primär-, hauptsächlich aber Sekundärzellen, welche einen Kapazitätsbereich von etwa 0,1 bis 2 mAh abdecken und insbesondere für die Integration in winzige Sensorknoten oder mobile Systeme sowie als Pufferspeicher in verschiedensten energieautarken Anwendungen konzipiert sind. Gerade für diese Systeme kommt es auf Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der Energieversorgung an, denn aufgrund des Systemaufbaus oder Systemeinbauortes sind integrierte Energiespeicher hier nicht oder nur unter großem Aufwand austauschbar.

Bei der aufgrund ihrer hohen Energiedichte am weitesten verbreiteten Lithium-Ionen-Technologie kommt es in besonderem Maße auf ein hermetisches Packaging an – nicht nur um das Anwendungsumfeld vor dem Austritt von Schadstoffen zu schützen, auch weil die zum Einsatz kommenden Elektrolyte extrem feuchte- und teilweise auch luftempfindliche Verbindungen enthalten. Deshalb erfolgen die letzten Prozessschritte bei der Herstellung von Li-Ionen-Akkus auch unter trockenem Schutzgas oder in Trockenräumen. Die geringe Restfeuchte der Batteriematerialien von wenigen ppm muss über den gesamten Betriebszeitraum von oftmals mehreren Jahren garantiert werden, um Leistungseinbußen zu vermeiden.

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