Passive Integration

Grenzen der reinen Miniaturisierung

28. März 2023, 8:00 Uhr | Engelbert Hopf

Aktuell stellen Bauelemente der Baugröße 008004 die Kleinsten ihrer Art am Markt dar. Ob es Sinn macht weiter zu miniaturisieren, wird sich zeigen. Gleichzeitig wird an verschiedenen Ansätzen zur Performance-Steigerung durch passive Integration gearbeitet, auch mit Halbleiterfertigungstechnologie.

Seit inzwischen mehr als 30 Jahren beschäftigt die Hersteller passiver Bauelemente das Thema der passiven Integration. Das ursprüngliche Ziel dieser Anstrengungen zielte auf die Reduzierung der insgesamt notwendigen verwendeten Bauteile – ein Ziel, das rückblickend betrachtet meilenweit verfehlt wurde, sieht man sich die reinen Stückzahlen der vor 30 Jahren weltweit verbauten passiven Zahlen an und vergleicht diese Werte mit den heutigen Zahlen.

Aber auch die Halbleiterbranche schätzte die passive Integration vor gut 30 Jahren nicht richtig ein. Namhafte Vertreter der Halbleiterbranche gefielen sich zu dieser Zeit durchaus in der Attitüde, dass passive Bauelemente in Zukunft zu großen Teilen überflüssig werden würden, weil sie entweder in Halbleiter integriert oder durch entsprechende Halbleiterprodukte ersetzt werden würden. Auch die Propheten dieser Zukunftsvision lagen falsch.

Erste Konzepte zum Thema passive Integration sahen durchaus monströs aus. Es handelte sich um nicht unbedingt kleine Bauelemente, die verschiedenen Funktionen passiver Bauelemente in sich vereinen sollten. Im besten Fall sollte sich so etwas wie ein Hybrid aus Kondensator, Widerstand und Induktivität realisieren lassen. Über Konzepte und vielleicht den ein oder anderen Demonstrator dürften diese Anstrengungen damals aber wohl kaum hinausgekommen sein. Neben der technischen Machbarkeit sprach letztlich wohl auch das Kostenargument gegen diesen Ansatz.

Ein anderer Ansatz schien da erfolgversprechender. Mit der fortschreitenden Miniaturisierung passiver Bauelemente begann ein Trend zu Modulen. Mit der bekannteste dieser Ansätze dürften die »Low Temperatur Cofired Ceramics«, kurz: LTCC, sein, eine Technologie, welche die Herstellung von Mehrlagenschaltungen auf der Basis von gesinterten Keramikträgern ermöglichte. Auf diese Weise ließen sich in Modulen Leiterbahnen, Kondensatoren, Widerstände und Spulen erzeugen.

Auch im Bereich der Halbleitertechnologien wurden Fortschritte erzielt. So gilt die Integration von Widerständen und Kondensatoren in Halbleiterchips inzwischen als etabliert, etwa durch Spulenstrukturen in den Metallisierungsebenen oder Widerstände, deren Wert durch die Dotierung des Halbleitermaterials definiert wird. Allerdings sind die Möglichkeiten dieser passiven Integration bezüglich des Wertebereichs und der möglichen Toleranzen bislang eingeschränkt.

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Das bestätigt auch Alexander Gerfer, CTO von Würth Elektronik eiSos: »Die Integration von Widerständen und Kondensatoren in Halbleiterchips ist etabliert, allerdings in Bezug auf den Wertebereich und die Toleranzen eingeschränkt.« Gerfer verweist darauf, »dass diskrete passive Bauelemente nach wie vor eine größere Auswahl bieten und aus Gründen der Flexibilität zur Einstellung von Parametern häufig diskret belassen werden«. Bei Induktivitäten beschränkt sich die Integration nach seiner Darstellung bislang »auf Luftspulen mit sehr eingeschränkten Leistungsdaten«.

In Zusammenarbeit mit Partnern sei es Würth Elektronik eiSos gelungen, »deutliche Fortschritte etwa bei der Integration von Dünnschicht-Induktivitäten und -Transformatoren auf Halbleiterbasis zu erzielen und zur Marktreife zu bringen«. Mit dieser Technologie lassen sich bislang besonders kleine und flache (etwa 200 µm) Induktivitäten und Transformatoren herstellen. Als ungehäuste Chips lassen sie sich in sehr kompakter Weise in Module und SiPs integrieren, wie etwa das Beispiel Mikrotrafo zeigt. Gerfer geht davon aus, »dass für Anwendungen mit niedrigen Leistungen halbleiterähnliche Fertigungsprozesse die Miniaturisierung passiver Bauelemente in Zukunft noch weiter beflügeln und neue Anwendungen ermöglichen werden«.

Bei allen Anstrengungen zur passiven Integration konstatiert Ferdinand Leicher, Vice President Sales EMEA bei Bourns, doch immer noch Probleme »bei der Integration von Induktivitäten, Transformatoren und Kondensatoren aufgrund der Größe, EMI-Anforderungen und anderer Faktoren«. Selbst die SiC-Technologie erfordere noch viele Leistungs-Induktivitäten und Gate-Treiber-Transformatoren, »sodass wir in den nächsten 10 bis 20 Jahren nicht glauben, dass alle passiven Komponenten integriert werden können«. Bei Bourns geht man davon aus, »dass für kostensensitive industrielle Märkte auch weiterhin diskrete passive Komponenten benötigt werden. In Marktsegmenten mit spezifischen Anforderungen wie etwa der Luft- und Raumfahrt dürften dagegen hochintegrierte Komponenten in Zukunft eine schnellere Verbreitung finden«.