Schwerpunkte

Gehäuse aus Glas

Kosteneffektives Packaging für HF-ICs

22. Januar 2021, 08:54 Uhr   |  Heinz Arnold

Kosteneffektives Packaging für HF-ICs
© LPKF

In der Aufsicht des Packages sind Leiterbahnen, ASIC und Wellenleiterhalterung zu sehen. Die Grundfläche misst 5.9 mm x 4.4 mm.

HF-ICs für Frequenzen über 100 GHz benötigen speziell angepasste Packages. Ein neues Wafer-Level-Packaging-Verfahren ermöglicht es, sie kostengünstig herzustellen.

Um im Umfeld des Internets der Dinge wettbewerbsfähig zu bleiben, müssen mittelständische Unternehmen der Industrie- und Prozessmesstechnik in ihren Sensorschaltungen spezifische ICs (ASICs) einsetzen. Sie lassen sich auf Wafer-Ebene relativ kostengünstig herstellen. Sobald sie aber aus dem Wafer-Verbund vereinzelt und ins Gehäuse gesetzt werden müssen, sieht es leider nicht mehr so günstig aus. Denn gerade HF-ICs benötigen individuell angepasste Packages. Allerdings lehnen die überwiegend asiatischen Packaging-Dienstleister es häufig ab, diese Aufträge anzunehmen, weil die Stückzahlen für sie viel zu gering sind.   

Dieser misslichen Situation will das vom BMBF geförderte Projekt »Glasinterposer-Technologie zur Realisierung hochkompakter Elektroniksysteme für Hochfrequenzanwendungen« (GlaRA) Abhilfe schaffen. Im Rahmen des Projekts werden Radarsensoren für die Industrie- und Prozessmesstechnik entwickelt. Die gegenüber der Mobilfunktechnik höheren Frequenzen von über 100 GHz und die strengeren Umweltanforderungen schließen Standardpackages aus. Sie müssen an spezialisierte Sensor-ASICs anpassbar sein und sich zugleich zu wettbewerbsfähigen Kosten in mittleren Stückzahlen realisieren lassen. Grundsätzlich eignet sich das neue Packaging-Verfahren für viele weitere Anwendungsgebiete wie die Druckmesstechnik, die Flüssigkeitsanalyse, für die Photonik und für MEMS. Einsatz können die so verarbeiteten Komponenten unter anderem in der Medizintechnik und in der Kommunikationstechnik jenseits von 5G finden.

SiPs für Sensoren über 100 GHz

Das Konsortium hat hierzu eine zuverlässige Interposer-Technologie auf Basis von Glas für breitbandige Millimeterwellenmodule mit Anwendung in Sensorik und Kommunikation bei Frequenzen über 100 GHz als System-in-Package (SiP) aufgebaut und charakterisiert. Der demonstrierte Technologiebaukasten stellt laut LPKF eine Revolution für das Sensorpackaging dar: Gegenüber dem Stand der Technik erhöht er die integrierbaren Funktionalitäten durch verschiedene Wellenleiterkonzepte, hochdichte Mikroverdrahtung sowie hermetische Verkapselung. Zudem ermöglicht er durch hohe Genauigkeiten und Materialgüten Anwendungen bis zu 300 GHz. Dies wird innerhalb eines einzigen Materialsystems (Glas) unter anderem durch gute Wellenleitungseigenschaften und hochpräzise Mikrobearbeitung realisiert.

Die Seitenansicht des Glas-Packages zeigt dreilagigen Aufbau, Vias und Lötkugeln.
© LPKF

Die Seitenansicht des Glas-Packages zeigt dreilagigen Aufbau, Vias und Lötkugeln.

Moderate Kosten durch Wafer-Level-Packaging

Durch die Verwendung von Glasinterposern mit elektrischen Durchführungen (Vias) wurde ein hermetisches Packaging demonstriert, bei dem die Komponenten zwischen zwei Glasinterposern eingeschlossen werden. Die Herstellung der Packages erfolgt dabei auf Wafer-Ebene bis 300 mm Durchmesser. Wafer-Level-Packaging zeichnet sich durch moderate Kosten aufgrund der parallelen Bearbeitung vieler Komponenten und eine Ausrichtungsgenauigkeit innerhalb der engen Toleranzen der HF-Technik aus. Dafür kommen angepasste Standard-Anlagen aus der Bearbeitung von Siliziumwafern zum Einsatz, was die kommerzielle Umsetzung stark beschleunigt. Glas ist zudem auch in großen Panelformaten verfügbar: eine Skalierung zu großen Stückzahlen wird dadurch deutlich vereinfacht.

Der Demonstrator: 160-GHz-Radarsensor misst Füllstand

Das Konsortium demonstriert dies anhand eines äußerst kompakten Radar-Frontends für künftige Radarfüllstandsensoren bei einer Betriebsfrequenz von 160 GHz, das bei der Endress+Hauser AG aufgebaut wurde. Das Glas-Package misst nur 5,9 mm x 4,4 mm x 0,8 mm und enthält einen Radar-ASIC in SiGe-Technologie, sämtliche elektrische Verbindungen zur Anbindung an externe Elektronik, Teststrukturen zur Charakterisierung sowie einen Wellenleiteranschluss, der auch als integrierter Primärstrahler für eine Linsenantenne verwendet werden kann. Solche künftigen Füllstandsensoren zeichnen sich durch hohe Entfernungsauflösung, Messgenauigkeit und Strahlbündelung bei sehr kompakten Abmessungen aus. Sie sind deshalb für die immer kleiner und modularer werdenden Anlagen smarter Prozessmesstechnik interessant.

Realisiert wurden die Demonstratoren durch eine neuartige Prozesskette, die mit dem laserinduzierten Tiefenätzen (Laser Induced Deep Etching, kurz LIDE) beginnt, die LPKF entwickelt hat. Das Verfahren zur Erzeugung von Mikrostrukturen in Glas vermeidet Beschädigung am Material, wodurch ein handhabbares und hermetisches Glas-Package erst möglich wird. Das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration hat einen industrietauglichen Prozess zur Metallisierung der Glas-Vias mit hohen Aspektverhältnissen realisiert. In einem Waferbond-Prozess erfolgt das hermetische Verpacken der assemblierten Komponenten durch Verbindung von zwei Glaswafern, die jeweils Vias und Kavitäten aufweisen.

Die Strukturierung und Metallisierung der Leiterbahnen auf den Glassubstraten übernimmt PacTech. Die Bestückung mit Lotdepots auf den außenstromlos erzeugten Kontaktflächen wird mittels des SB²-Prozesses von PacTech realisiert, einem lasergestützten Verfahren für die sequenzielle Aufbringung von Lotkugeln. Dabei kommen verschiedene Legierungen zum Einsatz, um ein gestaffeltes Assembly bei unterschiedlichen Temperaturen zu ermöglichen.

MSG Lithoglas unterstützt die Realisierung der Hochfrequenz-Packages durch Herstellung von Kavitäten, die beispielsweise zur Aufnahme der ASICs eingesetzt werden. Mittels Niedertemperatur-Beschichtung werden zudem hochpräzise Abstandshalter aus Glas hergestellt.

Mit einem vom Institut für Mikrowellentechnik der Universität Ulm entwickelten Hochfrequenz-Konzept für das neue Package kann das Radarsignal bei über 100 GHz sowohl über einen Primärstrahler direkt eine Linse ausleuchten als auch über einen flexiblen dielektrischen Wellenleiter verlustarm zu einer abgesetzten Antenne geführt werden. Mit den unterschiedlichen Möglichkeiten, die Radarsignale aus dem Package abzustrahlen, können vielfältige Anwendungen bedient werden.

Sentronics Metrology hat für die Qualitätskontrolle einen 3D-Hochgeschwindigkeitssensor mit Schichtauflösungen im Sub-Nanometerbereich entwickelt. Der Sensor wurde unter anderem für die Dichtheitsprüfung von verkapselten, evakuierten Glas-Packages qualifiziert.

Auf Facebook teilenAuf Twitter teilenAuf Linkedin teilenVia Mail teilen

Das könnte Sie auch interessieren

Faltbare Displays aus Glas
Saubere Schnittkanten und PCB-Prototyping mit TableTop
LPKF-Prozess spart 30 Prozent Kosten

Verwandte Artikel

LPKF Laser & Electronics AG