Passive Integration
Grenzen der reinen Miniaturisierung
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.
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
»In Zukunft wird den Halbleiterfertigungsverfahren ein größerer Stellenwert zukommen«.
Aus Sicht von Josef Vissing, President von TDK Europe, spielen beim Thema passive Integration vor allem Kombi-Bauteile wie etwa ThermoFuse eine Rolle, bei dem ein Varistor mit einer thermischen Sicherung in einem Gehäuse kombiniert wird. Er verweist auch darauf, dass CeraLink-Kondensatoren oder NTC-Thermistoren im Gehäuse beispielsweise von IGBTs oder anderen Leistungshalbleitern integriert werden. »Größere Hybridbauelemente mit diversen passiven Funktionen wurden hingegen bislang noch nicht realisiert.« Einen echten Vorteil würden dagegen keramische Substrate bieten, in die beispielsweise ESD-Schutzfunktionen integriert sind, wie das etwa beim CeraPad für LED-Beleuchtungen oder dem LTCC-AiP(Antenna in Package)-Keramikmodul der Fall sei, »das vier Antennen und vier Bandpassfilter für 5G-Anwendungen vereint«.
Für Philip Lessner, Senior Vice President Technology bei der Yageo-Gruppe, stellt die klassische Miniaturisierung den nach wie vor wichtigsten Trend in der Elektronik dar. Doch es gibt auch bei der klassischen Miniaturisierung Probleme zu lösen. So nimmt bei den gebräuchlichen X5R- und X7R-Dielektrika bei MLCCs die Kapazität mit der angelegten Spannung stark ab (manchmal um mehr als 60 Prozent bei Nennspannung). Auch die Verringerung der Z-Höhe unter 100 µm hat sich als schwierig erwiesen, da dünne Keramiken anfällig für Risse sind. Eine Lösung für dieses Problem bietet nach Ansicht von Lessner die Erforschung anderer Technologien: »Eine solche Lösung, bei der Halbleiter- und Nanotechnologie zum Einsatz kommen, besteht darin, Kohlenstoff-Nanofasern auf einem Siliziumsubstrat abzuscheiden und sie mit einem Dielektrikum und einer zweiten Metallelektrode zu beschichten.«
Diese CNF-MIM-Kondensatoren wurden nach Darstellung von Lessner bis zu einer Dicke von 40 µm nachgewiesen und bestechen durch sehr stabile Spannungseigenschaften. Ein diskreter Kondensator, der diese Technologie nutzt, wird nach Aussage von Lessner derzeit von Smoltek Semi, einem schwedischen Startup-Unternehmen, in Zusammenarbeit mit der Yageo-Gruppe entwickelt. Eine andere Methode, diskrete Bauteile auf neue Weise zu kombinieren, erlaubt die Technologie Kemet Konnekt, wie Lessner berichtet.
»Um diese Komponenten in einem einzigen, oberflächenmontierbaren Bauteil zu vereinen, wird ein transientes Flüssigphasensintermaterial, TLPS, verwendet, das bei normalen Reflow-Temperaturen ausgehärtet werden kann, aber eine Verbindung zwischen den einzelnen Komponenten ergibt, die nicht über +500 °C hinausgeht«. Verarbeiten lassen sich die auf diese Weise geschaffenen Baugruppen mit normalen Pb-freien Verfahren.
Aus Sicht von Olaf Lüthje, Senior Vice President Marketing Operations bei Vishay, ist eine erhöhte Integration passiver Bauelemente unter anderem aufgrund des verstärkten Einsatzes von Wide-Bandgap-Halbleitern wie SiC und GaN notwendig. »Auch eine Vollintegration ist im Rahmen dieser Entwicklung möglich, und wird derzeit auch in Interposern, FPGAs und Leistungshalbleitermodulen auf verschiedenste Arten und Weisen realisiert. Auch der HF-Bereich verlangt mit steigenden Frequenzen nach einer verstärkten Integration.«
Während im Bereich der Standardanwendungen nach Einschätzung von Vishay auch in Zukunft diskrete passive Bauelemente dominieren werden, »ist es durchaus realistisch, dass für spezielle Anforderungen wie etwa hochkapazitive Filterkondensatoren, Gate-Widerstände oder Snubber in Zukunft Halbleiterfertigungsverfahren ein größerer Stellenwert zukommen wird«.
Dass passive Integration letztlich nicht nur eine Frage der Miniaturisierung ist, macht Dr. Arne Albertsen, Senior Sales Manager bei Jianghai Europe Electronic Components, deutlich: »Kundenspezifische Folienkondensator-Module vereinen beispielsweise die Stromschiene, Zwischenkreiskondensator, X- und Y-Kondensatoren sowie Thermoelemente in einem kompakten Gehäuse. Sie sind zudem verlustarm und niederinduktiv und lassen sich direkt an Stromquelle und Leistungshalbleiter anschließen.« Im Vergleich zu diskreten Ansätzen bieten diese Module neben der Platzersparnis und der leichteren Montage vor allem überlegene elektrische Spezifikationen.
- Grenzen der reinen Miniaturisierung
- »In Zukunft wird den Halbleiterfertigungsverfahren ein größerer Stellenwert zukommen«.