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Technische Grenzen einfach umgehen

07. Oktober 2020, 09:00 Uhr   |  Andreas Krause

Technische Grenzen einfach umgehen
© Lightspring | Shutterstock

Adaptives elektronisches Fertigen ermöglicht individuell designte Bauteile. So entstehen Produkte für sehr spezielle Anwendungen, die gleichzeitig Energie sparen und dennoch bezahlbar bleiben. Das Start-up »MicroPack3D« macht sich dafür unter anderem das Vermeiden von Lötverfahren zunutze.

Seit einigen Jahren findet ein Wandel in der Industrialisierung der Produktfertigung statt, die neuen Möglichkeiten der In­dustrie 4.0 halten Einzug in die Produktionsprozesse und Produktvielfalt. Im Gegensatz zur Fertigung großer Mengen qualitativ hochwertiger und dennoch günstiger Produkte verlangen Auftraggeber:innen heute eine schnelle Fertigung von individuell angepassten Produkten. Sie erwarten flexible, hochspezialisierte und dabei energiesparende Elektronik, die trotzdem bezahlbar bleibt. Neue Techniken der additiven Fertigung (umgangssprachlich 3D-Druck), etwa Stereolitho­graphie (SLA), Lasersintern (SLS), Schmelzgussverfahren (FDM) oder 3D-Spritzguss (3D-MID), ermöglichen nun individuell gefertigte Formen oder Bauteile, die früher nur von spezialisierten Firmen angeboten wurden.

Individuell versus Massenmarkt

Gleichzeitig findet in der elektronischen Fertigung eine extreme Miniaturisierung von einzelnen elektronischen Komponenten bis hin zu kompletten integrierten Schaltungen (IC) statt (siehe Moore‘sches Gesetz). Mittlerweile werden Transistorstrukturen kleiner als 10 nm in der Massenfertigung durch große Auftragsfertiger wie TSMC und Samsung produziert. Die Technologie ist sehr aufwendig und damit teuer, nur in der Massenproduktion ist die Fertigung von hochintegrierten elektronischen Bauteilen sinnvoll. Die einzelnen »Dies« (einzeln fertig prozessierte ICs auf Silizium Wafer) werden demensprechend immer kleiner und die Funktionsdichte steigt rasant an. Diese einzelnen Dies müssen dennoch zur Verwendung und zum Verkauf im Massenmarkt in praktikable Gehäuse eingefügt und die Verbindung durch elektronische Leitbahnen nach außen ermöglicht werden. Dabei spielt die klassische Hausung von Bauteilen, das Anbinden der einzelnen Dies und die Verdrahtung nach außen (sogenanntes Bonden) sowie das Eingießen in eine Schutzhülle, eine wichtige Rolle . Diverse moderne Technologien der Hausung, wie das Fan Out Wafer Level Packaging  (FOWLP), sind neue aber dennoch teure Verfahren für kleine und mittlere Stückzahlen, um einzelne oder sogar mehrere Dies elektrisch zu kontaktieren und bisherige klassische Verfahren zu ersetzen.

Als nächster Schritt erfolgt typischerweise der Aufbau von Baugruppen über den klassischen Leiterplattenaufbau, die Strukturierung einer Metalllage mittels Masken auf einer Leiterplatte (engl. Printed Circuit Board, kurz PCB) sowie die Bestückung und elektrische Kontaktierung einzelner Bauelemente mittels diverser Lötverfahren. Die elektrische Verbindung kann neuerdings neben klassischen Lötverfahren aber auch durch additive Prozes­se, wie dem Druck von leitfähigen Pasten/Tinten erfolgen.

Von der Idee zum Start-up

Das Start-up »MicroPack3D« wird derzeit erst gegründet. Das angehende Unternehmen will mit seiner »KONEKT«-Technik die neuen Möglichkeiten für die adaptive elektronische Fertigung nutzen. Vier junge und motivierte Gründer werden durch den »EXIST«-Forschungstransfer am Institut für Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektrotechnik (IAVT) an der Technischen Universität Dresden gefördert. Durch die Fertigstellung einer automatisierten Produktionsanlage wollen sie die Möglichkeiten der neuen Technologien aufzeigen und neue Wege im elektronischen »Packaging« gehen. Die Idee zur Ausgründung entstand aus Mangel an geeigneten Packaging-Anwendungen am Institut, insbesondere in der geeigneten elektrischen Verbindung von hochfrequenztauglichen Mikrochips für Anwendungen jenseits von 100 GHz. Diese erfordern neue Konzepte, da bisherige Verfahren nur schlecht geeignet beziehungsweise geeignete Fertigungsverfahren dazu sehr teuer sind. Speziell sind hier die Kontaktierungen durch sogenanntes Drahtbonden problematisch, da die dünnen Drähte bei hohen Frequenzen wie eine Antenne wirken und das gewünschte Signal im Rauschen untergeht. Zahlreiche Versuche in Anlehnung an vorhandene Technik der additiven Fertigung, wie digitale Lichtverarbeitungs-Technologie (DLP) oder Fan-Out Wafer Level Packaging (FOWLP), ergaben eine innovative Prozesskette, die gleichzeitig deutlich einfacher und ressourcenschonender ist, aber dennoch die gewünschten Produkteigenschaften zur Hochfrequenztauglichkeit ermöglichte. Die elektrische Verbindung wird in der »KONEKT-Technik« durch die direkte Metallisierung von hochleitfähigem Kupfer und der Vermeidung von Lötverfahren sichergestellt. Nebenbei ergibt der entwickelte Prozess die Möglichkeit zur direkten Kontaktierung von Einzelchips sowie einer kompletten Hausung und Miniaturisierung ganzer Baugruppen (System-in-Package). Die oben genannten neuen additiven Fertigungstechnologien wie 3D-Druck- und Stereolithgraphie-Prozesse ermöglichen jetzt eine anwendungsangepasste freie Formung von Hausungen zur Integration der elektrischen Bauteile.

Maskenfreie Fertigung bis in die kleinste Komponente

Das Team von MicroPack3D will das Gehäuse eines Mikrochips über die bisherigen Anwendungen hinaus als integralen Bestandteil der elektrischen Baugruppe anbieten. Dabei vernachlässigen sie bewusst die bisherige Technik zur klassischen Fertigung von elektrischen Baugruppen auf Leiterplatten, um dafür individualisierbare Baugruppen in hoher Qualität kosten­günstig fertigen zu können. Dabei können sie die Limitationen einer Leiterplatte, wie die zweidimensionale Bestückung und die elektrische Anbindung von Bauteilen mittels diverser Lötverfahren, umgehen. Das ermöglicht den Gründern eine komplette, maskenfreie Fertigung und bis in die kleinste Komponente eine individualisierte Fertigung bei niedrigen Temperaturen sowie eine elektrische Kontaktierung durch die direkte Metallisierung mit Kupfer. Von Beginn an wird das Augenmerk auf neue Anforderungen der Fertigung, wie Ressourcenschonung, Verwendung von weniger toxischen Materialien (RoHS-Konformität, REACH) sowie eines geringeren Energieverbrauchs gelegt. Ziel ist es, durch die stetige Verbesserung der Prozesskette am Ende eine konkurrenzfähige Technik für die Entwicklung neuer Produkte anbieten zu können. Durch rapide Forschung und Entwicklung entstehen Bauteile mit neuen Funktionen, die unter anderem elektronische, optische und mikromechanische Komponenten, zum Beispiel für neue Sensorikanwendungen und miniaturisierte Schaltkreise, integrieren. Die „KONEKT-Technik“ soll für diesen Anwendungsbereich eine kostengünstige und schnelle Möglichkeit zur Fertigstellung und Produktentwicklung für den Auftraggeber bieten.

Der Autor

Andreas-Krause von MikroPack3D
© MikroPack3D

Andreas-Krause von MikroPack3D.

Andreas Krause

studierte Physik an der TU Dresden mit der Spezialisierung auf Halbleiter- und Laserphysik sowie Nanotechnologien mit dem Nebenfach Chemie. Nach erfolgreichem Studium startete Andreas Krause seine wissenschaftliche Laufbahn am Nanoelectronic Materials Laboratory (NaMLaB). Im Bereich von Nanotechnologie und Materialwissenschaften untersuchte er neue Materialien und Prozesse zur Integration in zukünftigen DRAM-Kondensatoren und schloss diese erfolgreich mit seiner Promotion ab. Sein Wissen nutzte er, um neue Themenbereiche, wie die Herstellung ferroelektrischer Schichten und Integration von Nanotechnologie in die  Batterie-forschung, am Institut zu etablieren. Seit Mai 2019 arbeitet er am Institut der Aufbau- und Verbindungstechnik der TU Dresden (www.iavt.de) im Ausgründungsvorhaben KONEKT als Experte für die Material- und Prozessentwicklung mit.

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