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Schub für neue Gehäusetechniken

5G treibt Advanced Packaging

26. März 2021, 14:27 Uhr   |  Asif Chowdhury, UTAC Group

5G treibt Advanced Packaging
© UTAC Group

Das Test and Assembly Center der UTAC Group in Singapore.

Der schnelle Aufstieg von 5G und 5G-mmWave erfordert neue Gehäusetypen, die für hohe Frequenzen ausgelegt sind. Für deren Entwicklung und Test sind viele HF-Experten erforderlich – eine Herausforderung für die OSATs.


Der Begriff „disruptiv“ wird heute eher überstrapaziert – kommt aber meist nur für eine einzige Technologie in Frage. Als zum Beispiel die PC-Branche Ende der 1990er Jahre richtig in Fahrt kam, führte dies zu einem zweistelligen Wachstum des Halbleitermarkts. Dies konnte trotz bester Bemühungen der Branche nicht wiederholt werden – bis Anfang der 2000er Jahre das Mobiltelefon erneut alles veränderte.

Viele suchen nach der nächsten disruptiven, also bahnbrechenden Technologie, die eine weitere Phase zweistelligen Marktwachstums für die Halbleiterbranche mit sich bringen soll. Das Internet der Dinge (IoT) wird seit einiger Zeit als ein solcher Auslöser angesehen – hat aber vielleicht aufgrund seiner unterschiedlichen Natur noch keine derartigen Auswirkungen gezeigt. Aber jetzt, mit dem Aufkommen von 5G, dem zunehmenden Interesse und Einsatz künstlicher Intelligenz (KI), der anhaltenden Bedeutung des Cloud-Computing und der Dynamik, die hinter Augmented/Virtual Reality (AR/VR) steht, ergibt sich wiederum die reale Chance für schnelles Wachstum. 

Trotz der unvermeidlichen und schwerwiegenden Auswirkungen der COVID-19-Pandemie auf alle Branchen, die zu einem geringeren oder sogar negativen Wachstum führen wird, dürfte die langfristige Prognose eher zuversichtlich sein. Tatsächlich sind die Auswirkungen dieser disruptiven Technologien kaum zu unterschätzen – nicht nur auf die Halbleiterindustrie. Das liegt zum Teil daran, dass bei der Konvergenz dieser Technologien ein Erfolgszyklus in Gang gesetzt wird, der die Grundlage für das weitere Wachstum anderer Märkte bildet.

Die Bedeutung des durchschnittlichen Verkaufspreises

Ein Grund dafür, dass der Umsatzanstieg der Halbleiterindustrie trotz der offensichtlich stärker gestiegenen Stückzahlen en Umsatzanstiegs im einstelligen Bereich geblieben sind, liegt darin, dass die Hersteller ständig unter dem Druck stehen, den durchschnittlichen Verkaufspreis (Average Selling Price, kurz ASP) zu senken. Unabhängige Halbleiterhersteller konkurrieren um fast jeden Design-Slot. Eine Möglichkeit, diesen Slot zu schützen, besteht darin, den Preis ihrer Produkte zu senken, sobald sie in höhere Stückzahlen kommen. Dies erlaubt ihnen zwar, für neue Produkte einen Aufschlag zu erheben, aber die Nutzungsdauer integrierter Bauelemente kann äußerst lang sein, während die Kosten für die Entwicklung eines neuen Bausteins weiter steigen.

Bild 1: Der durchschnittliche Verkaufspreis (ASP) von Sensoren sinkt weiter.
© Goldman Sachs

Bild 1: Der durchschnittliche Verkaufspreis (ASP) von Sensoren sinkt weiter.

Als Beispiel sei der ASP für Sensoren genannt. Die Einführung der MEMS hat aufgrund ihrer geringen Größe und des hohen Integrationsgrades das IoT vorangetrieben. Die Zunahme der ausgelieferten Stückzahlen hat sich jedoch entsprechend auf den Preis ausgewirkt (Bild 1).

Die Einführung von 5G stellt aber einen Wendepunkt dar. Zwar wird ein Teil der vorhandenen Infrastruktur in Betrieb bleiben, doch die Einführung wird auch völlig neue Ausrüstungen und Geräte erforderlich machen. OEMs werden deshalb neue Systeme entwickeln, die auf Halbleiterbausteinen basieren, die teilweise erst noch entwickelt werden müssen. Dies ist die Gelegenheit für diejenigen unabhängigen Halbleiterhersteller, die bereit und in der Lage sind, diese neuen Systeme zu entwickeln und zu vermarkten. So können sie sich Design-Wins für Komponenten zu sichern, die dann über mehrere Generationen Einsatz finden werden.

Bild 2: Die beiden Phasen bei der Einführung von 5G
© UTAC

Bild 2: Die beiden Phasen bei der Einführung von 5G

Es besteht jedoch noch eine gewisse Unsicherheit. Als Technologie besteht 5G aus zwei gleichnamigen Systemen: Zunächst werden 5G-Dienste über die vorhandene Infrastruktur bereitgestellt, die mit 6 GHz Bandbreite betrieben werden. Dies wird einige, aber nicht alle der 5G-Versprechen erfüllen. Wirklich alle Vorteile umsetzen zu können, wird erst ab der Einführung der  zweiten Phase der Infrastruktur möglich sein, die mit 24 GHz und höher betrieben wird, dem Millimeterwellen-(mmWave-)Band.

Die mmWave-Infrastruktur wird ab 2024 eingeführt und wird dann erhebliche Leistungsverbesserungen mit sich bringen, beispielsweise eine 100-fach höhere Datenrate, eine 10-fach kürzere Latenz und 100-fache Netzwerkkapazität. Dies erfordert eine viel dichtere Verteilung der Basisstationen – sie werden kleiner, aber weitaus zahlreicher sein.

Bild 3: Die zu erwartenden Verbesserungen von 5G mmWave gegenüber 4G.
© Bild 3

Bild 3: Die zu erwartenden Verbesserungen von 5G mmWave gegenüber 4G.

Die Entwicklung des ursprünglichen Mobiltelefons und der damit verbundenen Infrastruktur löste für die Halbleiterindustrie ein zweistelliges Wachstum aus. Der Präzedenzfall ist gesetzt. Kein Wunder also, dass die Erwartungen hoch sind.

Im Gegensatz zu den ursprünglichen Mobilfunknetzen, deren Überraschungserfolg die Textnachricht (SMS) war, können wir erwarten, dass durch die Hauptfunktionen von 5G sehr viele neue Anwendungen entstehen. Die hohe Datenrate ermöglicht beispielsweise Live-Streaming von 8K-Inhalten, aber auch eine wesentlich größere Variabilität des Netzwerkverkehrs. Wir können also davon ausgehen, dass fast alles – von großen Frachtschiffen bis hin zu winzigen Temperatursensoren – 5G-fähig sein wird.

Bild 4: Tatsächliche und prognostizierte Stückzahlen nach Gehäusetyp.
© Ab 2016 Prismark; bis 2030F UTAC

Bild 4: Tatsächliche und prognostizierte Stückzahlen nach Gehäusetyp.

Konvergierende Technologien treiben das Wachstum

Die Konvergenz zwischen 5G, KI, VR/AR und Cloud Computing wird zu einer Wachstumsspirale führen, die der gesamten Branche zugutekommt. Einige Analysten prognostizieren, dass die Halbleiterindustrie bis 2030 ein Volumen von 1 Billion Dollar erreichen und der OSAT-Marktanteil (Outsourcing Semiconductor Test and Assembly) für ausgelagerte Halbleitertests und -montage einen Wert von 100 Mrd. Dollar erzielen könnte. Bild 4 beschreibt, wie sich dies auf Angebot und Nachfrage der wichtigsten IC-Gehäusearten auswirkt, die derzeit zum Einsatz kommen. Die CAGR-Prognosen in den beiden Spalten ganz rechts berücksichtigen auch die Auswirkungen, die 5G in der Phase 1 (bis 6 GHz) und Phase 2 (>24 GHz) haben wird.

Das Lead-Frame-QFN-Gehäuse (Quad Flat No-Leads) bleibt voraussichtlich die kostengünstigste Option, weil von 2019 bis 2030 vermehrt Moulded-Interconnect-Substrate (MIS) verwendet werden, die sich gut als Gehäuse für IoT-Bauelemente wie Sensoren eignen. Für höher integrierte Bauelemente wird das WLCSP-Gehäuse (Wafer-Level Chip-Scale-Package) weiterhin bevorzugt und daher ebenfalls verstärkt eingesetzt. Etablierte Gehäuse wie SMD (Surface Mount Device) werden natürlich weiterhin eingesetzt, und auch die Nachfrage nach QFP-Gehäusen (Quad-Flat Pack) im Automotive-Bereich bleibt weiter hoch. Der Einsatz von BGA- (Ball Grid Array) und LGA-Gehäusen (Land Grid Array), die die Flip-Chip-Technologie umsetzen, wird durch das allgemeine Marktwachstum ebenfalls begünstigt. Außerdem ist mit einer erhöhten Nachfrage nach System-in-Packages zu rechnen.

Die sich aus dem Übergang zur mmWave-Technik ergebenden Möglichkeiten werden nicht ohne Auswirkungen auf die etablierte Lieferkette bleiben, gerade die OSATs werden das spüren. Die Entwicklung neuer Test- und Gehäusetechniken für 5G erfordert innovative Ansätze, weil die meisten IC-Gehäuse bislang für Frequenzen bis 6 GHz ausgelegt sind.

Bild 5: Die Entwicklung der HF-Frontends und ihrer Gehäuse in der Mobilfunkkommunikation und die Anforderungen für die 5G-Phasen 1 und 2.
© UTAC

Bild 5: Die Entwicklung der HF-Frontends und ihrer Gehäuse in der Mobilfunkkommunikation und die Anforderungen für die 5G-Phasen 1 und 2.

Der Übergang auf mmWave erfordert Gehäuse, die Funksysteme wie Phased-Array-Antennen aufnehmen können. Die damit verbundenen hohen Frequenzen bedeuten, dass Gehäuse auch höhere Einfügungsverluste um die internen Verbindungen herum aufweisen, was die Integration der Antenne in das Modul erfordert (Antenna-in-Package).

Dies kann bedeuten, dass das übliche gegossene Kunststoffgehäuse aufgrund der relativ hohen Dielektrizitätskonstante bei Frequenzen über 20 GHz ungeeignet ist. Die Hersteller sind dann gezwungen, das teurere Hohlraumgehäuse einsetzen zu müssen. Um sich diesen Herausforderungen zu stellen, benötigt die Branche Zugang zu mehr HF-Experten, die bereit sind, ihr Know-how im Bereich Backend-Test und Chipgehäuse einzusetzen.

Die erwartete Konvergenz der Technologien bei 5G wird sich beschleunigen, wenn wir in die zweite Phase eintreten. Auf dem Weg dorthin sind jedoch noch erhebliche Herausforderungen zu bewältigen. Der OSAT-Sektor wird an diesem Erfolg maßgeblich beteiligt sein.

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