Fraunhofer IZM Einbetttechnik - eine günstige Alternative zum klassischen Packaging

Die Einbett- oder Embedded-Technik von Bauelementen in die Leiterplatte birgt großes Potenzial als kostengünstige Alternative zu den bekannten Packaging-Lösungen und in punkto Miniaturisierung. Im Serieneinsatz ist die Technik allerdings bislang nur in Asien. Europa hinkt da noch hinterher. Das soll sich künftig ändern, wenn es nach dem Fraunhofer IZM geht.

»Zu den großen Herausforderungen bei der Einführung der Einbetttechnik zählt die Wertschöpfungskette, die sich wesentlich von der herkömmlichen Fertigung unterscheidet«, erklärt Andreas Ostmann, Gruppenleiter beim Fraunhofer IZM. Bei der Einbett-Technologie werden Halbleiterchips direkt in Leiterplattenstrukturen integriert, ohne dass dafür Gehäuse (Packages) erforderlich sind. Auf diese Weise lassen sich Bauteile von der Oberfläche einer Baugruppe platzsparend in das Innere der Leiterplatte verlegen. »Das Hauptanwendungsgebiet liegt derzeit in der kostengünstigen Herstellung hochintegrierter Module mit ein oder zwei Chips, die dann selbst wiederum als Bauteil dienen«, erklärt Ostmann.

Solche Module und Komponenten sind kompakt und flach und eigenen sich für das 3D-Stacking zur Herstellung hochintegrierter Systeme. Die einzelnen Prozesse der Einbetttechnik basieren zwar auf etablierten Techniken, allerdings fallen beispielsweise Bestück- und Prüftechnik des elektronischen Systems nicht in den Kompetenzbereich der klassischen Leiterplattenhersteller. »Die Frage ist, welcher Teil der bestehenden Fabrikationskette sich der Aufgabe stellen wird, Fertigungsschritte der bisherigen Kunden bzw. Zulieferer in die eigene Fertigung zu integrieren«, gibt Dr. Thomas Löher, Projektleiter beim Fraunhofer IZM zu bedenken.

Der Knackpunkt ist, dass der Aufbau dieser zusätzlichen Kompetenz eine strategische Neuausrichtung der Hersteller erfordern würde und entsprechende Investitionen in neue Anlagen und Personal. Laut Aussage von Löher gibt es in Europa aber bereits nicht zuletzt aufgrund von Entwicklungsprojekten mit dem Fraunhofer IZM eine zunehmende Zahl von Unternehmen – sowohl klassische Leiterplattenhersteller als auch Halbleiterhersteller - die sich dieser Herausforderung stellen und zum Teil erhebliche Investitionen tätigen.

Das Fraunhofer IZM in Berlin hat bereits vor mehr als 10 Jahren das Potenzial der Chipeinbettung erkannt und an der Realisierung der Technik gearbeitet. Zusammen mit Partnern aus der Industrie entwickeln die Forscher des IZM die Technik seither für unterschiedliche Einsatzgebiete weiter und will sie auch in Europa »salonfähig« machen. Dafür stehen zur Herstellung von Prototypen und Kleinserien seit kurzem auch im Institut selbst moderne Anlagen der Montage- und Leiterplattentechnik zur Verfügung, die ein fertigungskompatibles Arbeiten auf Leiterplattenformaten von 600 x 450 mm² erlauben.

Wie funktioniert die Einbetttechnik?

Das Einbetten basiert im Wesentlichen auf der Mikrovia-Technik zur Herstellung hochintegrierter Leiterplatten. Dabei versieht man die Kontaktflächen der Chips mit einer zusätzlichen Kupfer- oder Nickel/Palladium-Metallisierung, um sie mit den folgenden Leiterplatten-Prozessschritten kompatibel zu machen. Anschließend werden die sich noch im Wafer-Verbund befindlichen Chips auf eine Stärke von 50 bis 250 µm gedünnt und auf einer inneren Leiterplattenlage montiert. Dies kann je nach Anwendung ein Multi-Layer oder auch nur eine Kupferfolie sein. Eine Laminierpresse bettet die Chips in einer Epoxydharzschicht ein.

 

In der etablierten Verbindungstechnik erfolgt die elektrische Verbindung der Chips entweder durch Wire Bonding oder kleine Lotkugeln nach dem Prinzip der Flip-Chip-Montage. Beim Einbetten hingegen ist das Verfahren komplexer: Ein Laser bohrt durch die Epoxydschicht die Löcher zu den Chipkontakten. Diese Löcher werden anschließend durch galvanische Abscheidung mit Kupfer gefüllt, wodurch der elektrische Kontakt hergestellt wird. Nach der Strukturierung der Kupferschicht über dem Chip ist die Schaltung prinzipiell fertiggestellt. Bei komplexen Verdrahtungen lassen sich weitere Verbindungslagen oberhalb des Chips erzeugen. Abschließend versieht man die Außenkontakte mit der gewünschten Endmetallisierung, wie Zinn, Silber oder Nickel/Gold versehen und vereinzelt die Module mit den eingebetteten Chips. »Die Integration von Chips bei der Herstellung von Leiterplatten stellt eine große technologische Herausforderung dar«, so Löher. »Insbesondere die für die Halbleiterkontakte erforderlichen geringen Toleranzen sind eine enorme Hürde«.  Erst durch die Einführung von Techniken wie das präzise Laserbohren von Mikrovias und die Laserdirektbelichtung (Laser Direct Imaging) lässt sich mittlerweile beim Chipeinbetten eine akzeptable Ausbeute erzielen. Allerdings gilt es dabei, nicht in die Kostenfalle zu tappen, wie Ostmann erklärt: »Die Komplexität der hergestellten Baugruppen und die Kosten der eingebetteten Bauteile sind so einzugrenzen, dass nicht die Ausbeuteverluste den Kostenvorteil gegenüber klassischen Packaging-Methoden aufzehren«.