Zukunft der Verbindungstechnologie Von der Leiterplatte zum All-in-One-Package

Trends und Lösungsansätze in der AiOP-Verbindungstechnologie.
Trends und Lösungsansätze in der AiOP-Verbindungstechnologie.

Auf dem 14. AT&S-Technologieforum wurden aktuellen Trends, Herausforderungen und Lösungsansätze für Leiterplatten und umfassende Verbindungs-Technologien präsentiert. Interessant dürften u.a. sogenannte AiOP-Lösungen sein: All-in-One-Packages.

AT&S präsentierte im Rahmen des 14. AT&S Technologieforums innovative Technologien und Trends rund um Verbindungslösungen. Zahlreiche interessierte Kunden konnten sich über die neuesten Entwicklungen in der Elektronik- und Leiterplattenindustrie für Bereiche wie Mobile Devices, Automotive-, Industrie-, Kommunikations- und Medizintechnik informieren und sich mit den AT&S-Experten austauschen.

Steigende Integrationsgrade und hohe Datenraten

Weitreichende zu integrierende Funktionen, fortschreitende Miniaturisierung, höhere Leistungsdichten mit anspruchsvollen thermischen Anforderungen, hohe Daten¬raten mit hohen Signalgeschwindigkeiten und kurzen Latenzzeiten sowie optimierte Fertigungsprozesse bzw. Materialien stellen die wesentlichen Herausforderungen dar. Miniaturisierung kann nur durch immer höhere Packungsdichten der elektronischen Komponenten erreicht werden, wobei Leiterplatten- und Halbleiter-Technologien verschmelzen. Dafür bietet AT&S u.a. eine Kombination von bestehenden mit neuen Technologien (AT&S Toolbox), die ideal aufeinander abgestimmt sind.

Bisher besteht für ein optimiertes, miniaturisiertes Packaging-Design eine Lücke zwischen den Wafer-/Chip-Technologien (Fanout-Wafer-Level-Packaging, Flip-Chip-BGA, Interposer-basierte Komponenten) einerseits und der Leiterplatten-/Substrat-Infrastruktur anderseits. So liegen die Strukturbreiten (Leiterbahn/Abstand) auf Chip-Seite etwa zwischen 2/2 und 8/8 µm sowie auf der PCB-Seite bei derzeit 30/30 µm. Für eine weitere Miniaturisierung gilt es diese Lücke zu schließen. Hier setzt man bei AT&S derzeit u.a. auf mSAP (modified Semi-Additive Process) – sprich auf Leiterplatten-ähnliche Substrate, was sehr miniaturisierte und präzise Aufbauten ermöglicht.

Vor diesem Hintergrund sieht die Roadmap vor, Leiterplatten-Technologien (HDI), Substrate, Embedded-Technologie und eventuell auch aktives Wärmemanagement sowie Schirmungen zu kombinieren, um letztendlich AiOP (All-in-One-Package)-Lösungen zu realisieren.

»Angesichts der aktuellen Megatrends wie 5G, vernetzte Systeme, autonomes Fahren oder M2M-Kommunikation mit immer höheren Datenraten bzw. -mengen sowie hohen Leistungsdichten steigen auch die Anforderungen an die Verbindungstechnik«, betonte Walter Moser (Bild 1), CSO der Business Unit Automotive, Industrial und Medical von AT&S und Moderator des Technologieforums. »Wie das Technologieforum deutlich gezeigt hat, wurden von AT&S – in enger Zusammenarbeit mit den Kunden – zahlreiche innovative Lösungsansätze auf den Weg gebracht, um auch künftig technologisch führende und kosteneffiziente Produkte anbieten zu können.«

Die Einführung der neuen Mobilfunkgeneration (5G mit Frequenzbändern bis zu 6 GHz und deutlich darüber hinaus), aber auch das automatisierte/autonome Fahren mit Unterstützung durch leistungsfähige Radarsysteme (77 GHz) sind anschauliche Beispiele für die steigenden Anforderungen in Bezug auf die Datenraten und die Signalintegrität (Bild 2).

Für Verbindungstechnik-Hersteller bedeutet das u.a. Signalverluste und -störungen zu reduzieren, indem das Dielektrikum-Material, die Materialübergänge (Interfaces) bzw. auch die Kupfer-Rauheit optimiert werden. Bei letzterem gilt es beispielsweise das Dilemma zu überwinden, dass weniger raues Kupfer zwar für HF-Applikationen Vorteile bietet, jedoch eine etwas höhere Rauheit die Haftbarkeit bei der Leiterplatten-Verpressung verbessert.

Auch die Geometrie (Profil) der Leiterbahnen wirkt sich bei höheren Frequenzen auf Signalverzögerungen aus. Darüber hinaus untersucht man bei AT&S auch die Einflüsse verschiedener Metalle auf den Skin-Effekt im GHz-Bereich und entwickelt dementsprechend neue Oberflächenmaterialien.

Verifikationswerkzeuge für frühe Phasen des Designprozesses

Auf dem Forum wurden auch Hochfrequenz-Anforderungen in mehreren Vorträgen intensiv diskutiert. Moderne Simulationswerkzeuge, die AT&S zusammen mit seinen Partnern nutzt, ermöglichen beispielsweise eine frühzeitige Simulation in der Designphase. Verschiedene Vorträge erörterten die Anforderungen und Lösungen in Bezug auf die Systemintegration (Embedded-Technologien, Hybrid-Boards, Einbettung von Cavities etc.), die Strukturierung für eine weitere Miniaturisierung (dünnere Leiterplatten, Koplanarität, feinere Leiterbahnen und Vias, Reduzierung des Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE), Leiterbahnprofil, etc.) und das Thermo-Management mit aktuellen Lösungen (Wärme-Spreizung, Thermo-Vias und -Inlays) sowie künftigen Technologien (Heatpipes, Einbettung von Kühlelementen, etc.).

Im Rahmen der Konferenz wurden auch weitere aktuelle Themenstellungen rund um die Verbindungstechnologie wie die Einbettung (Embedded Power) von Leistungs-Chips (MOSFETs, etc.) in die Leiterplatte, die Fehleranalyse von Leiterplatten sowie die Untersuchung der Material-Zuverlässigkeit in Bezug auf die Lötstellen-Verbindungen dargestellt. Für die Kunden waren aber auch weniger technologische Aspekte und Vorträge interessant, wie das kosteneffiziente Design mit HDI-Leiterplatten sowie der zielgerichtete Einsatz der IPC2- und IPC3-Klassen – beides abhängig von der jeweiligen Applikation.

Mehr als 400 Mitarbeiter für Forschung & Entwicklung

Bei AT&S sieht man sich für die künftigen Anforderungen bestens aufgestellt. So widmen sich weltweit zurzeit mehr als 400 Mitarbeiter der Forschung und Entwicklung (R&D) und das Unternehmen investiert fast acht Prozent seines Umsatzes wieder in R&D. Ein Resultat daraus ist die enge Kooperation mit internationalen Partnern und mehr als 230 eingetragene Patente. Neben Forschung und Entwicklung mit Fokus in Österreich stehen modernste Fertigungsanlagen in Österreich, China, Korea und Indien zur Verfügung.

Erst kürzlich hat AT&S eine Investition von etwa 40 Millionen Euro für Technologie-Erweiterung und Kapazitätsaufbau für Hochfrequenz-Leiterplatten an den bestehenden Standorten in Nanjangud, Indien, und Fehring, Österreich, beschlossen. Damit soll insbesondere das Wachstumspotenzial im Bereich autonomes Fahren unterstützt werden.

(Nach Unterlagen von AT&S)