Das 3D Packaging ist heutzutage eine Hochtechnologie, die sich entweder nur ab einer sehr großen Stückzahl lohnt oder mit hohem Aufwand verbunden ist. Viele Unternehmen, die kleine und mittlere Stückzahlen für ihre Produkte anbieten und keinen großen Invest für die Fertigung eines 3D Packages einplanen können, fallen damit aus dem Raster.

Am Anfang ihrer Neuentwicklung stand für das Team um Tobias Tiedje, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik (IAVT) der TU Dresden, die Frage, warum elektronische Bauelemente immer auf eine Leiterplatte gelötet werden müssen. „Könnte man nicht stattdessen die Bauelemente direkt ins Chipgehäuse integrieren?“, fragten sich Tiedje und seine Mitstreiter.

Die Wissenschaftler entwickelten dazu einen Fertigungsansatz, der nicht nur rund die Hälfte der üblichen Prozess- und Entwurfsschritte einspart, sondern gleichzeitig die aktuellen Herausforderungen der hohen Datenübertragung, Kühlung und Miniaturisierung besser bewältigen kann. Sowohl verschiedene Sorten von Bauelementen und Formteilen als auch Strukturen (Kavitäten und Mikrokanälen) können verwendet werden. Kontaktierung eingebetteter Komponenten als Technologielösung, kurz Konekt, lautet der Name der Technologie. „Damit bieten wir eine Packaging-Technologie, die ein freiformbares 3D-Gehäuse mit mehrlagig integrierten Bauelementen realisiert. Durch den adaptiven Fertigungsansatz können sowohl erste Muster und Prototypen effizient bis hin zur Serie realisiert werden“, fasst Sebastian Lüngen die Vorteile von Konekt zusammen. Mit ihrem im August 2020 gegründeten Start-up Micro Pack 3D schafften die vier Wissenschaftler es, aus dem Laborprozess eine Fertigungstechnologie abzubilden und erste Pilotanwendungen umzusetzen.

Durch den adaptiven Fertigungsansatz des Konekt-Verfahrens können erste Muster und Prototypen effizient bis hin zur Serie realisiert werden.

Durch den adaptiven Fertigungsansatz des Konekt-Verfahrens können erste Muster und Prototypen effizient bis hin zur Serie realisiert werden. MicroPack3D

Viele Gestaltungsmöglichkeiten

Zu den Besonderheiten an dem von Micro Pack 3D entwickelten Konekt-Verfahren im Vergleich zu anderen Verfahren des 2D und 3D Packaging zählt in erster Linie, dass das Gehäuse zuerst gefertigt wird. Die Bauelemente der zu integrierenden Baugruppe werden auf einen Temporärträger bestückt und dann direkt in das Gehäuse eingebettet. „Das Gehäuse ist frei formbar und lässt sich im Anschluss von dem Träger ablösen. Die Kontakte sind dann an der Oberfläche exponiert und lassen sich mit Kupfer metallisieren und strukturieren“, erläutert Andreas Krause. Bei mehreren Lagen werden mehrere Schichten hergestellt und die Löcher (sogenannte Vias) für die Wege beim Aufbringen direkt mit vorgesehen und im Anschluss mit verkupfert. „Mit Konekt lassen sich unterschiedlichste Produkte in der Fertigung realisieren“, erklärt Teamleiter Tiedje. „Angefangen von 3D-Sensorbaugruppen als Prototyp bis hin zu RFID- und Hochfrequenz-Baugruppen in Serie für das Internet der Dinge (IoT). Die neuartige Technologie bietet den Anwendern viele Gestaltungsmöglichkeiten, ohne sie in ihrer Kreativität und Innovation einzuschränken.“

Als elektro-optisch-fluidischer Technologiedemonstrator dient eine eingebettete LED im 3D-Gehäuse mit Mikrofluidkanälen, die als Gesamtkomponente auf eine Leiterplatte gelötet ist.

Als elektro-optisch-fluidischer Technologiedemonstrator dient eine eingebettete LED im 3D-Gehäuse mit Mikrofluidkanälen, die als Gesamtkomponente auf eine Leiterplatte gelötet ist. MicroPack3D

Wichtigste Zielmärkte

Laut der ZVEI-Mikroelektronik-Trendanalyse 2019 liegt in Europa der Fokus unverändert auf den Wachstumsfeldern Automobil- und Industrieelektronik – beim Einsatz von Halbleitern für Automobilelektronik ist Europa weltweit führend. Beide Bereiche lassen auch in den kommenden fünf Jahren hohe Zuwächse erwarten. Vor allem Industrie 4.0 und das Internet der Dinge sind Treiber dieser Entwicklung.

So verwundert es nicht, dass einer der ersten Kunden von Micro Pack 3D ein Automobilzulieferer ist. Dazu Vertriebschef Friedrich Hanzsch: „Was Branchen und Anwendungen in der Praxis anbelangt liegt das Hauptaugenmerk auf dem Packaging von elektronischen Schaltungen. Konekt bietet branchenunabhängig Vorteile bei drei wichtigen Anwendungen.“ Dazu zählt die Miniaturisierung. Für kleine Bauräume und komplexe Geometrien eignet sich die Technologie, um Elektronik genau dort zu integrieren. In der Hochfrequenztechnik lassen sich durch die Direktmetallisierung und den anpassbaren Entwurf Impedanz-angepasste Leitungen für die Hochfrequenzübertragung realisieren. In der Leistungselektronik schließlich können mit Hilfe der flächigen Kontakte elektrische und thermische Ströme effektiv geleitet werden.

Das Team von Micro Pack3 D (v.l.n.r.): Andreas Krause, Sebastian Lüngen, Friedrich Hanzsch und Tobias Tiedje.

Das Team von Micro Pack3 D (v.l.n.r.): Andreas Krause, Sebastian Lüngen, Friedrich Hanzsch und Tobias Tiedje. Lukas Lorenz

Zur Zukunft des jungen Unternehmens und zur Vorgehensweise, wie erarbeitete Innovationen später als Produkte und Dienstleistungen auf den Markt kommen, sagt F&E-Chef Dr. Andreas Krause: „Gemeinsam mit Pilotanwendern werden Packages erstellt. Wir benötigen lediglich Schaltplan, Stückliste und den mechanischen CAD-Entwurf und erstellen dann ein Package-Konzept, was wir anschließend auch schnell umsetzen. Wir möchten mit unseren Pilotanwendern neue Kunden und Märkte erschließen und so wachsen.“ Damit das auch gelingt, braucht Micro Pack 3D aber auch mehr Platz, als es das ‚Technikum für Technologien der Elektronik’ der TU Dresden im Werner-Hartmann-Bau momentan hergibt. „Derzeit suchen wir aktiv nach Laborräumen im Dresdner Raum. Viele Unternehmen aus der Elektronikbranche sind hier bereits ansässig.“

 

Über Mikro Pack 3D

Der Startschuss der Pilotanlage für das Konekt- Fertigungskonzept war im Januar 2020. Seit August 2020 agiert das Micro Pack 3D-Team als GmbH, um künftig die Produktion von adaptiv gefertigten 3D-Baugruppen in marktreifen Größenordnungen zu ermöglichen sowie klein- und mittelständischen Unternehmen „Packaging as a Service“ anzubieten.