Das Internet der Dinge ermöglicht viele neue Anwendungen und Geschäftskonzepte und durchdringt zunehmend alle Seiten unseres privaten, beruflichen und gesellschaftlichen Lebens. Um konkurrenzfähig zu bleiben, müssen kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) in ihrem Angebot mehr und mehr den Einsatz von IoT-Systemen bei ihren Produkten, Services und Anwendungen implementieren, denn sie ermöglichen es, physische und virtuelle Gegenstände miteinander zu vernetzen und sie durch Informations- und Kommunikationstechniken zusammenarbeiten zu lassen. So werden heute auch vorhandene Systeme durch einzelne Sensoren und Aktoren erweitert, um Funktionalitäten, Zustände und Ausführungen zu erfassen.

Nahaufnahme eines UseP-Modul. Fraunhofer IZM

Nahaufnahme eines UseP-Moduls. Fraunhofer IIS/ EAS

Für KMU und Start-ups

Die Herausforderung dabei ist, dass Systementwickler typischerweise auf die Verwendung handelsüblicher, standardisierter Komponenten zurückgreifen und so die Lösung nur bedingt auf spezifische IoT-Anforderungen optimieren können. Die Entwicklung von applikationsspezifischen Komponenten bleibt KMUs und Start-ups jedoch weitestgehend verwehrt. Technologieentwicklungen und die Modifikation von Packaging-Prozessen für die spezifische Integration von Sensoren oder anderen elektronischen Komponenten für kundenspezifische Applikationen sind teuer und zeitaufwendig. Genau hierfür ist das Konzept von USeP im August 2017 entstanden. In einer modular aufgebauten universellen Sensor-Plattform wird ein vorproduzierbarer Teil der hochintegrierten IoT-Systeme mit hoher Flexibilität des zentralen IC in 22nm FDX Technologie entwickelt. Dieser verfügt sowohl über digitale und analoge Schnittstellen für nahezu alle bekannten Sensoren/Aktoren sowie integrierter Datenwandlung, -speicherung, -verarbeitung und -verschlüsselung als auch zahlreiche Kommunikationsschnittstellen für drahtgebundene und drahtlose Datenübertragung und ein lokales Powermanagement für individuelle Sensorik. Er bildet dadurch die eine Basis für die Flexibilität und hohe Leitungsfähigkeit der Plattform.

Die andere ebenso wesentliche Basis für die kundenspezifische Konfiguration mit Sensoren und Kommunkationsinterfaces wird durch die spezielle Entwicklung einer flexiblen und hochdichten Gehäusetechnologie (Packaging) geschaffen. Das Packaging-Konzept ermöglicht individuelle Applikationsszenarien und ermöglicht somit einerseits die kostengünstige Herstellung der Kernelemente des IoT-Systems unter Verwendung der energieeffizienten 22FDX-Technologie von Globalfoundries und andererseits eine flexible Anpassung dieser Kernelemente an applikationsspezifische Anforderungen im Bereich der Systemumsetzung. Der Anwender kann basierend auf der Plattform seine individuelle Konfiguration definieren und schnell für Prototypen und Volumen erhalten. Das interdisziplinäre Forschungsprojekt ermöglicht damit insbesondere Startups und KMUs, sich mit hochspezialisierten Produkten zu niedrigen Entwicklungskosten und für schnelle Produktzyklen zu positionieren.

Individuelle Lösungen und kurze Entwicklungszeiten

Das Besondere an dem Projekt ist aber auch die Art, in der die Forscherinnen und Forscher zusammen mit ihrem Industriepartner Globalfoundries das Projektziel umsetzen. Seitens Fraunhofer sind an mehreren Standorten und Instituten Spezialisten für IC-Design, Software, Datensicherheit, Zuverlässigkeit und Sensorik sowie Packaging in der Entwicklung des Systems tätig. Allein am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM arbeiten Forscherinnen und Forscher aus drei Abteilungen an zwei Standorten an der Entwicklung und Umsetzung der Aufbau- und Verbindungstechnik für diese Sensor-Plattform. Die Berliner und Dresdner Kolleginnen und Kollegen vereinen in USeP das gesamte dazu erforderliche Leistungsangebot: Von der Herstellung hochdichter Mehrlagenverdrahtungen einschließlich der erforderlichen Durchkontaktierungen und Kontaktflächen zur Aufnahme hochpoliger Si-Chips und integrierter passiver Komponenten, über Wafermolding sowie die Herstellung von Verdrahtungs- und Kontaktstrukturen auf der Package-Oberseite, der SMD-Montage von Sensoren und Aktuatoren bis hin zum Wafer Level Balling und der physikalischen Charakterisierung der Aufbauten.

Querschliff durch ein FO-WLP mit Durchkontaktierungen und Lotbällen für die LP-Montage.

Querschliff durch ein FO-WLP mit Durchkontaktierungen und Lotbällen für die LP-Montage. Fraunhofer IZM

Zusammen mit der weiteren Fraunhofer-Expertise wird damit ein neues Package entstehen, welches das im Projekt entwickelte und von Globalfoundries in 22nm-FDX-Technologie gefertigte SoC als Systemkern enthält. Hierfür wird ein Fan-out Wafer Level Package mit RDL-First/Chip last für das Sensorsystem adaptiert und durch die Platzierung von Komponenten auf der Oberseite für kundenspezifische Applikationen erweitert.

Die Umsetzung des Systemkonzeptes erfordert eine innovative Packaging-Technologie, die Entwicklung moderner Bearbeitungsprozesse und abgestimmter Prozessfolgen sowie den Einsatz weiterentwickelter Materialien und angepasster Entwurfsregeln. Erste Demonstratoren für den Nachweis des Systemkonzeptes und der für die Hardwarerealisierung erforderlichen Technologie wurden umgesetzt, analysiert und Potenziale für Verbesserungen sowie Weiterentwicklungen identifiziert und diese in eine Roadmap für diese spezifische Packaging-Technologien überführt. Als Kernpunkte künftiger Arbeiten zeichnen sich die weitere Erhöhung der Integrationsdichte, die Umsetzung von Chiplets sowie die Integration zusätzlicher passiver Komponenten für Hochfrequenzanwendungen ab. Alle wesentlichen Komponenten der Plattform sind in Entwicklung und Testung. Im zweiten Quartal 2020 wird dann auch der SoC in die Package-Plattform integriert werden, sodass dem Aufbau funktionaler Demonstratoren nichts mehr im Weg steht. Das entwickelte Plattformkonzept gestattet auf verschiedenen Ebenen die Anpassung an kundenspezifische Anforderungen mittels Designänderungen.

Zusammen mit den weiteren Fraunhofer-Instituten IIS, EAS und IPMS und dem Projektpartner Globalfoundries werden die Fördergelder des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung und unterstützt durch den Freistaat Sachsen schnell, industrienah und fokussiert eingesetzt. Eine Ausgründung der Projektpartner, die Firma Sensry, wird die Entwicklungsergebnisse, die Plattform für kleine und mittelständige Unternehmen nach dem Entwicklungsabschluss industriealisieren und anbieten.