AT&S Technologieforum Eingebettete Komponenten in der Leiterplatte

Redakteur: Kristin Rinortner

Leiterplatten-Hersteller müssen sicherstellen, dass Elektronik in den vorgegebenen, immer kleiner werdenden Raum passt. Ein wesentlicher Schritt und Treiber ist dabei die Modularisierung.

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Bild 1: Einbetten von Cu-IMS (Insulated Metal Substrate) oder Cu-Inlay für ein verbessertes thermisches Management
Bild 1: Einbetten von Cu-IMS (Insulated Metal Substrate) oder Cu-Inlay für ein verbessertes thermisches Management
(Bild: AT&S)

Auf dem Red Bull-Ring in Zeltweg präsentierte AT&S im Rahmen des 13. AT&S Technologieforums vom 18. bis 19. Oktober 2016 Spitzen-Technologie rund um Verbindungslösungen. Eine Rekordbeteiligung von etwa 150 Kunden informierte sich über aktuelle Entwicklungen in der Elektronik- und Leiterplattenindustrie für die Bereiche Automotive-, Industrie- und Medizintechnik. Im Fokus der breit gefächerten Vorträge standen globale Megatrends und ihre Auswirkungen auf die Elektronikindustrie.

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Miniaturisierung und Modularisierung sind die Schlüsselbegriffe in der Verbindungstechnik, das wurde auch in der Keynote von Heinz Moitzi, COO bei AT&S deutlich. Was Aristoteles mit „Das Ganze ist mehr als die Summe der einzelnen Teile“ umschrieb, fasste Moitzi in der Formel 1+1 = 3 zusammen. Miniaturisierung kann nur durch immer höhere Packungsdichten der elektronischen Module erreicht werden, wobei Leiterplatten- und Halbleiter-Technologien verschmelzen.

In Zukunft wird es nur noch elektronische Module mit einer dreidimensionalen Packungsdichte geben – die Leiterplatte wandelt sich von der Platte zur dreidimensionalen Verbindungslösung. Hierbei übernimmt die Verbindungstechnologie neben der elektrischen und mechanischen Verbindung zusätzliche Aufgaben wie z.B. Wärmemanagement, HF und Miniaturisierung.

Dafür bieten die Österreicher eine Kombination von bestehenden mit neuen Technologien, die optimal aufeinander abgestimmt sind. So werden „Advanced Packaging“-Lösungen ermöglicht, die extrem kompakt und energieeffizient sind. Am Ende dieser Entwicklung steht dann idealerweise das All-in-one-Package.

Was kommt nach dem Gesetz von Moore?

Die fortschreitende Miniaturisierung führte Hannes Vorarberger, Group Manager R&D, weiter aus, gemäß der Frage „Was kommt nach dem Gesetz von Moore?“. Während man mit Anylayer-Leiterplatten und Substraten derzeit Leiterbahnbreiten von ca. 40 µm erreicht, geht der Trend in Richtung 10 µm und darunter.

Dafür werden neben subtraktiven auch additive Technologien wie MSAP (Modified Semi-Additive Process) genutzt. Intensiv geforscht wird an bisher limitierenden Faktoren wie dem gezielten Ätzen oder der Rauheit der Kupferfolien, um die weitere Miniaturisierung voranzutreiben.

Vorarberger ist der Meinung, dass es zukünftig „ins Package hinein geht“. So werden in den nächsten zehn bis 15 Jahren die Technologie-Grenzen zwischen Substrat und Main Board verschwimmen.

Anforderungen an die Basismaterialien

Die Leiterplatten-Technologie ist auch durch die steigenden Anforderungen an die Basismaterialien gekennzeichnet. Walter Pessl, Quality Supplier Engineering bei AT&S, betonte hier u.a. die steigenden thermischen Anforderungen, komplexeren Aufbauten, das Handling von verschiedenen Spannungen und Abständen sowie die Signalintegrität.

Gerade Highspeed- und HF-Applikationen haben hier hohe Ansprüche. AT&S arbeitet daran, die maximalen Betriebstemperaturen (MOT) zu erhöhen (z.B. mit FR15 auf 150°C), die Löt-Zuverlässigkeit zu verbessern sowie die CAF (Conductive Anodic Filament)-Festigkeit zu erhöhen. Dafür wurden und werden umfangreiche Untersuchungen mit verschiedenen Materialien durchgeführt.

Advanced Packaging von 2-D- zu 3-D-Packages

Ein Schwerpunktthema am Technologieforum bildete das „Advanced Packaging“ – verfahrenstechnische Lösungen für Komponenten- und Halbleiter-Packaginglösungen – von derzeit 2-D-Packages zu 3-D-Packages, bei der die Komponenten in mehreren Schichten horizontal und vertikal zu einem einzigen Schaltkreis verbunden sind. Johannes Stahr, Group Manager Technology, zeigte dabei die Entwicklung der Embedded-Technologie bei AT&S auf, beginnend mit der Einbettung von passiven Komponenten bis hin zu ECP (Embedded Component Packaging) für System-in-Boards (SiB) und System-in-Packages (SiP).

Mittlerweile liefern die Österreicher ECP-Produkte bereits in Serienfertigung, mit zahlreichen bereits realisierten Produkten, von Computer-Boards über medizinische Sensor-Produkte bis hin zu MEMS-Mikrofonen. Außerdem arbeitet man mit Partnern intensiv an Embedded-Power-Produkten.

So konnte u.a. ein 500-W-Pedelec-Demonstrator unter Einbettung von MOSFETs, passiven Komponenten und Logikschaltungen realisiert werden. Umfangreiche Tests belegen die hohe thermische und Schockfestigkeit sowie das ausgezeichnete Schaltverhalten. Im nächsten Schritt sind noch leistungsfähigere Module im High-Power-Bereich geplant.

Chancen der Elektronik-Industrie in den kommenden Jahren

Flexibilität, Miniaturisierung, Module und Packages, hohe Datenraten und hohe Frequenzen, Leistungselektronik mit hohen Strömen und steigende thermische Anforderungen sowie optimierte Fertigungsprozesse stellen nach Hannes Vorarberger die Herausforderungen, aber auch Chancen der Elektronik-Industrie in den kommenden Jahren dar.

AT&S sei bestens aufgestellt, um diesen Herausforderungen zu begegnen. Als Beispiele nannte Vorarberger die flexible Integration von mehr Funktionen, wie die Einbettung von Kavitäten in MEMS-Applikationen, um elektronische Komponenten „tiefer“ zu positionieren, die Kombination von starren mit flexiblen Leiterplatten oder das X-in-Board-Konzept, bei dem beispielsweise eine Standard-FR4-Leiterplatte mit einer HF-Leiterplatte kombiniert wird.

Das X-in-Board-Konzept dürfte in den nächsten zwei Jahren insbesondere für die Automobilindustrie interessant werden, davon ist Vorarberger überzeugt.

Industrie 4.0 in der Leiterplattenfertigung

Bei der Umsetzung von Industrie 4.0 in der Leiterplatten-Industrie arbeiten die Österreicher intensiv an der Optimierung der Prozesse und der Produkte. Dank moderner Informations- und Kommunikations-Technologien können die Daten für die Produktionsprozesse in Echtzeit erfasst und verarbeitet werden, um die Prozesse zu optimieren.

So werden einerseits neue Produkte erst möglich, während die Nachverfolgbarkeit den Einsatz von Ressourcen wie Materialien, Wasser oder Energie optimiert und menschliche Fehler reduziert. Letztendlich wird damit auch ein wesentlicher Beitrag zum Umweltschutz geleistet. Eine enge Zusammenarbeit mit den Kunden und Lieferanten gewährleistet zudem hochwertige und kosteneffiziente Produkte.

Bei AT&S widmen sich weltweit zurzeit rund 400 Mitarbeiter der Forschung und Entwicklung (R&D). Im Rahmen der Konferenz wurden auch weitere aktuelle Themenstellungen der Leiterplattenindustrie wie Datenaufbereitungen, Design-for-Manufacturing, Anforderungen an Leiterplatten aus Sicht eines OEM, effiziente Umsetzung von Spezifikationen oder Vor- und Nachteile verschiedener Oberflächen diskutiert.

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