Redistributed Chip Packaging (RCP) Eine revolutionäre Montagetechnologie für hoch integrierte Multifunktionsbausteine

Autor / Redakteur: Andreas Wild* / Jan Vollmuth

Die neue RCP-Technologie reduziert durch eine enorm erhöhte Integrationsdichte die Layoutfläche und Bauhöhe von Gehäusen jeweils um bis zu 30% verglichen mit herkömmlichen PBGA-Gehäusen. Möglich macht‘s der Wegfall des Substrats sowie der Kontaktflächen für Drähte und der Flip-Chip-Montage auf dem Chip.

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Unter einem Dach: Mithilfe von RCP hat Freescale ein komplettes i.275-GSM-EDGE-Sende-/Empfangsteil in einem Gehäuse untergebracht
Unter einem Dach: Mithilfe von RCP hat Freescale ein komplettes i.275-GSM-EDGE-Sende-/Empfangsteil in einem Gehäuse untergebracht
( Archiv: Vogel Business Media )

Gehäuse spielen für Halbleiterprodukte in technologischer Hinsicht eine Schlüsselrolle. Neben den üblichen Funktionen wie der Herstellung elektrischer Verbindungen und dem Schutz des Chips vor mechanischen und umweltbedingten Beanspruchungen werden sie zunehmend zu einer unverzichtbaren Technologie für die Systemintegration. Chips profitieren von einer Verkleinerung ihrer Transistoren, und das lässt sich auch auf Systeme übertragen: eine Miniaturisierung resultiert in vielen Fällen in einer höheren Funktionalität zu kleinerem Preis. Auf Siliziumchips wird zwar im Einklang mit „Moore’s Law“ immer mehr Funktionalität integriert, aber in vielen Systemen repräsentieren diese Chips lediglich 10% der Bauteileliste. Moderne Gehäusetechnologien könnten dieses so genannte 90%-Problem lösen.

Freescale Semiconductor hat in den späten 80er Jahren das OMPAC (OverMolded Pad Array Carrier) für den Einsatz in besonders kompakten Produkten wie Funkgeräten, Pagern und Mobiltelefonen vorgestellt. Unter der Bezeichnung PBGA (Plastic Ball Grid Array) wurde es bald als Standard von JEDEC und EIAJ etabliert. PBGA wurde zum Wegbereiter für die SMT-Technologie (Surface Mount Technology) mit hoher Anschlusszahl. Es stellte einerseits eine elegante Lösung für das Koplanaritätsproblem dar, und andererseits zeichnete es sich durch hohe Ausbeute ebenso aus wie durch seine exzellenten elektrischen und thermischen Eigenschaften und die Fähigkeit, weiter verbessert werden zu können. Es ist dem PBGA zu verdanken, dass die Anbau und Verbindungstechnik mit den raschen Fortschritten in der Chipfertigung und der immer höheren Produktkomplexitäten schritthalten konnte.

Mit der Einführung der RCP-Technologie (Redistributed Chip Packaging) scheint die Branche vor einem Umbruch ähnlichen Ausmaßes zu stehen. RCP bietet eine bisher unmöglich gewesene Integrationsdichte und reduziert im Vergleich mit herkömmlichen PBGA-Gehäusen die Layoutfläche und Bauhöhe um jeweils 30%.

Der Schlüssel zu dieser Miniaturisierung liegt in der Integration der gehäusetechnischen Aspekte als funktionelle Bestandteile des Chips, um eine Systemlösung herbeizuführen. Im PBGA wurde der Leadframe durch ein Substrat (PCB) ersetzt. Das Chip wurde über Bonddrähte oder per Flip-Chip-Technologie elektrisch in Verbindung mit dem Substrat gebracht, dann wurden beide eingegossen. RCP geht einen Schritt weiter: das Substrat entfällt und damit auch die Notwendigkeit, auf dem Chip Kontaktflächen für Drähte oder Flip-Chip-Montage zu versehen. Ohne Substrat kann das Gehäuse flacher gebaut werden, ohne dazu den Chip zu verändern. Beispielsweise kann ein 9 mm x 9 mm kleines Gehäuse mit 280 Ein- bzw. Ausgängen versehen werden, bei einer Bauhöhe von lediglich 0,7 mm. Dieses ersetzt ein 13 mm x 13 mm x 1 mm großes MAPBGA-Gehäuse.

Redistributed Chip Packaging bietet konstruktionsbedingt eine ganze Reihe von Vorteilen:

Exzellente elektrische Parameter, hervorragende thermische Eigenschaften;

Ein einfacheres Montageverfahren und weitere mögliche Kostensenkungen durch die gleichzeitige Verarbeitung größerer Mengen in Losen;

Geringere Beanspruchung während der Montage, daher bestens geeignet für moderne, schnelle Chips, deren Verdrahtungslagen mit porösem Low-k-Dielektrikum isoliert sind;

Die geringere Beanspruchung resultiert darüber hinaus in höherer Qualität und Zuverlässigkeit

Extreme Flexibilität in puncto Material und Aufbau, genügt speziellen Anforderungen für eine Vielfalt von Anwendungen

Und last but not least ist RCP aufgrund der verwendeten Materialien ein „grünes“ Produkt, frei von Halogenen und Blei und RoHS-konform.

Um die in Aussicht gestellten Leistungsdaten in die Realität umzusetzen, hat der Montageprozess einige Anleihen aus der Halbleiterfertigung genommen. Bereits vereinzelte Chips werden auf einem Träger mit der Form eines Siliziumwafers platziert und anschließend vergossen, wobei die Oberfläche frei bleibt. Ein Träger mit 200 mm Durchmesser kann beispielsweise 82 Gehäuse mit den Maßen 17 mm x 17 mm aufnehmen, die bei 1 mm Kontaktabstand über jeweils 208 Ein- und Ausgänge verfügen. Der Teller mit den Chips durchläuft dann eine Reihe von Prozessschritten. Dabei wird er mit Standardgeräten bearbeitet, die man auch in der Halbleiterherstellung verwendet, ähnlich einem Siliziumwafer. Die Bearbeitungsschritte bestehen im Wesentlichen aus dem Aufbringen mehrerer Metallisierungslagen, die durch Isolierlagen getrennt werden. Die Verbindungsdrähte werden aus jeder Metallage durch ein lithographisches Verfahren gebaut.

Die Kontaktflächen auf der Oberfläche des Chips werden über die Metallisierungslagen mit Kontaktflächen verbunden, die auf der Oberfläche des Gehäuses angeordnet sind. Im Prinzip erfüllen die Metallisierungslagen die gleiche Funktion wie ein BGA-Substrat, jedoch mit sehr viel kleineren Strukturen: so wird bei der Verdrahtung ein Komprimierungseffekt erreicht. Die Kontaktflächen werden dann mit so genannten Bumps versehen, genau wie bei einem BGA.

Mit diesem vielseitigen Gehäusekonzept können zahlreiche Varianten verwendet werden, um etwa das Ergebnis hinsichtlich besonderer Applikationsanforderungen zu optimieren:

RCP eignet sich für die Montage einzelner wie auch mehrerer Chips und SiPs (System-in-Package).

Mit RCP können Chips übereinander montiert werden (Package-on-Package Stacking).

RCP ist kompatibel zu so genannten Cavity-Gehäusen, wie sie verschiedene MEMS-Bausteine usw. benötigen.

Durch seine außergewöhnliche Vielseitigkeit lässt sich RCP problemlos an die Bedürfnisse von 3G-Handys und einer Vielzahl anderer Systeme aus den Bereichen Konsum-, Industrie-, Verkehrs- und Netzwerktechnik anpassen. Eine Miniaturisierung wird möglich, indem man diese Innovation in der Gehäuse- und Montagetechnologie nutzt, um die 90%-Problemkomponenten zu konsolidieren. Einzelne Produkte können sofort von den Vorteilen von RCP profitieren, beispielsweise Netzwerkprozessoren wie PowerQUICC oder diverse DSPs.

Die RCP-Technologie lässt sich ebenso auf anwendungsspezifische Schaltungen anwenden, z.B. auf Single-Chip-Produkte für die Funkkommunikation wie Applikationsprozessoren, Basisbandprozessoren und Leistungsmanagementschaltungen. Des Weiteren lassen sich mit RCP auf einfache Weise vollständige Handymodule realisieren, denn mit RCP können auf nur einem Gehäuse Funkverarbeitung, HF-Transceiver oder Leistungsverstärker implementiert werden.

Das Potenzial der RCP-Technologie hat Freescale mit dem Bau eines kompletten Handymoduls auf nur einem Gehäuse exemplarisch unter Beweis gestellt (siehe Bild). Es umfasst die gesamte Elektronik einer i.275-GSM-EDGE-Plattform, inklusive Speicher, Leistungsmanagement, Basisbandverarbeitung, Transceiver und HF-Frontendmodulen – mit einer Kantenlänge unter 25 mm ist es etwa so klein wie eine Briefmarke.

Redistributed Chip Packaging ist eine moderne, mit Nanoelektroniksystemen kompatible Technologie. Sie bietet eine ganzheitliche, nahezu universelle Lösung für die nächste Generation hoch integrierter Multifunktionsbausteine, die unser Alltagsleben noch komfortabler gestalten werden.

Freescale, Tel. +49(0)89 921030

*Andreas Wild, Direktor des Freescale Semiconductor Forschungszentrums in Crolles.

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