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IC-Packungslösungen nach automobilen Qualitätsstandards

Autor / Redakteur: Asif R. Chowdhury * / Margit Kuther

Die Automobilindustrie verlangt zunehmend „Null Fehler“, das heißt, keinerlei Feldausfälle. Eine Herausforderung für komplette automobile Halbleiterlieferketten, etwa für Montage- und Prüfdienste wie UTAC.

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UTAC-Werk in Bangkok: Die Automobilindustrie verlangt zunehmend „Null Fehler“.
UTAC-Werk in Bangkok: Die Automobilindustrie verlangt zunehmend „Null Fehler“.
(Bild: UTAC)

Die Nachfrage nach Halbleitern für den Einsatz in der Automobilindustrie steigt seit einem Jahrzehnt beständig, und eine Abschwächung dieses Trends ist nicht zu erkennen. Die Expansion ist angesichts der fortschreitenden Elektrifizierung der Autos noch stabiler als in anderen Märkten, was nicht zuletzt auf die immer größere Verbreitung von Fahrerassistenzsystemen (ADAS) und autonomem Fahren sowie wachsende Ansprüche an Sicherheit, Konnektivität (teilweise zur Unterstützung des autonomen Fahrens) und Komfort zurückzuführen ist.

Aufgrund dieser kontinuierlichen Trends sagen die Analysten ein jährliches Wachstum von 6 % auf dem automobilen Halbleitermarkt bis ins Jahr 2022 voraus. Diese Zahl bezeichnet das Gesamtwachstum, während die stärksten Anwendungsbereiche im Automobilsektor Elektrifizierung (19 %) und Fahrerassistenzsysteme (15 %) sein werden (Quelle: Prismark).

Dies schließt die Elektrifizierung bestehender Funktionen mit ein, vom Antriebsstrang bis hin zur Sitzverstellung, und ist ein Grund für die beständige Nachfrage nach neuen und verbesserten Lösungen, da die Automobilindustrie eine noch größere Effizienz anstrebt. Es eröffnen sich jedoch auch Chancen für die Lieferung neuer Lösungen, die speziell zur Unterstützung des Wachstums im Bereich autonomes Fahren entwickelt wurden. Ein Beispiel dafür ist die Verwendung von Sichtsystemen für Fahrzeugführung, Navigation und Sicherheitsfunktionen.

In der gleichen Kategorie verzeichnet die Branche ein schnelles Wachstum von Bildsensoren (Kameras), RADAR und in letzter Zeit LiDAR-Systemen, die nahezu ausschließlich von den fahrzeugeigenen Systemen verwendet werden und nicht vom Fahrer, um ein größeres Ausmaß an autonomen Fahrfunktionen zu ermöglichen.

Die Marktführer im Automobilsektor

Wie in den meisten anderen Halbleitersektoren wird auch die automobile Halbleiterlieferkette von Firmen dominiert, die sich grob in vier Gruppen einteilen lassen: Foundries, Tier 1s, IDMs (Integrated Device Manufacturers) / Fabless und OSATs (Outsourced Semiconductor Assembly and Test). Während Foundries die grundlegenden Waferherstellungsdienste anbieten, stellen OSATs die erforderlichen Montage- und Prüfdienste bereit, womit diese kritischen Phasen Speziallieferanten wie UTAC anvertraut werden, die besser positioniert sind, die zur Entwicklung der zukunftsweisenden Spitzenlösungen erforderlichen laufenden Investitionen zu tätigen und die heute von der Automobilindustrie verlangte höchste Qualität zu liefern in der Lage sind. Natürlich halten IDMs nach wie vor einen gewissen Anteil ihrer eigenen Herstellungs-, Montage- und Prüffunktionen aufrecht, aber auch sie wenden sich zunehmend an OSATs für Packungs- und Testlösungen und die entsprechenden Dienstleistungen.

Der gesamte verfügbare Markt für automobile Halbleiter wird von zehn Firmen dominiert, die zusammen etwa 70 % des Gesamtumsatzes generieren. Ihre relative Position in der Rangliste kann sich mit der Zeit ändern, aber die Firmen ganz oben auf der Liste bleiben die gleichen. Dazu gehören NXP Semiconductors, Infineon Technologies, Renesas Electronics, Texas Instruments, ST Microelectronics und ON Semiconductor. Es gibt zwar viele OSATs weltweit, die ausgelagerten Montage- und Prüfdienste für den Automobilmarkt werden aber von nur drei OSATs dominiert, darunter UTAC.

OSATs beschleunigen die Produktentwicklung

Aufgrund der starken Zunahme an Packungstypen, die heute in automobilen Anwendungen eingesetzt werden, wenden sich immer mehr IDMs an OSATs, um ihnen zu helfen, Produkte schneller zu entwickeln und gleichzeitig die Anforderungen an die Sicherheit, Qualität und Zuverlässigkeit und die allgemeine Designintegrität zu erfüllen.

OSATs, die sich bereits für den Standard ISO/TS 16949 der International Automotive Task Force (IATF) qualifiziert haben, sind gut positioniert für die Erbringung der richtigen Dienstleistungen. Dies ist einer der am weitesten verbreiteten Qualitätsmanagementstandards auf der Basis von ISO 9001:2015. Als solcher stellt dieser eine Ergänzung zu einem ansonsten allgemein gehaltenen Qualitätsmanagementsystem dar und fügt speziell für den Automobilmarkt entwickelte Anforderungen hinzu.

Fertigung in Singapur: Die Akkreditierung nach ISO26262 („Road vehicles – Functional safety“) erhielten die UTAC-Werke in Bangkok, Singapur (USG1 & USG2) sowie das Werk in Dongguan, China.
Fertigung in Singapur: Die Akkreditierung nach ISO26262 („Road vehicles – Functional safety“) erhielten die UTAC-Werke in Bangkok, Singapur (USG1 & USG2) sowie das Werk in Dongguan, China.
(Bild: UTAC)

Zu den Hauptherausforderungen, vor denen OSATs heute stehen, gehört die Ratifizierung von „Null-Fehler“-Qualität bei gleichzeitig angestrebten immer niedrigeren Kosten. Zusätzlich ergibt sich durch den Bedarf an höherer Leistung eine Nachfrage nach Packungen, die niedrigere Leitungsverluste und Induktivitäten mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit verbinden können. Dies wird beeinflusst durch vorhandene und neu hinzukommende Anwendungen für Halbleiter in Fahrzeugen. Die Investitionskosten für die Entwicklung und die erforderlichen Anlagen zur Herstellung einiger dieser fortschrittlichen Packungslösungen veranlassen immer mehr Foundries und IDMs, OSATs heranzuziehen, die sich durch die Bereitstellung passender Lösungen in der Praxis bewährt haben.

Davon abgesehen kann es zwischen zwei bis vier Jahren dauern, bis sich ein wesentlicher Ertrag aus dem Automobilgeschäft qualifizieren und realisieren lässt. Dagegen lassen sich Erlöse für einige Konsumgüter in sechs Monaten realisieren. Angesichts der strengen Qualifikationsanforderungen und der langwierigen Ertragsgenerierung können oder wollen sich viele OSATs nicht an der Montage und den Prüfungen im Automobilsektor beteiligen. Nach erfolgter Qualifikation können sich jedoch über zehn Jahre oder mehr kontinuierliche Erlösströme ergeben.

Packungslösungen für die Automobilindustrie

Digitale Bearbeitung ist ein wesentlicher Bestandteil der nächsten Phase in der Automobilbranche, und hier geht der Trend hin zu Packungen mit höherer Pin-Anzahl, einschließlich BGAs. Die Verwendung von QFP nimmt weiter zu, da diese Bauform eine größere Pindichte ermöglicht. Analoge Komponenten bevorzugen weiterhin einen Leadframe, wobei die Nachfrage nach Packungen des QFN-Typs signifikant wächst.

Für die Hochleistungsanforderungen im Zusammenhang mit der Motorsteuerung kamen in der Vergangenheit Keramikleiterplatten zum Einsatz, der Trend geht jetzt jedoch hin zu vergossenen Packungen und metallisolierten Plattenbefestigungslösungen. Der Leadframe bleibt die bevorzugte Packungsart für Leistungsbauelemente, wenn auch die an diese Halbleiterbauteile gestellten Anforderungen wie niedrigerer ON-Widerstand und Betrieb mit höherer Frequenz einen Bedarf an neuen Packungstypen schafft, die die parasitäre Kapazität und Induktivität minimieren können, wie etwa Copper-Clip-Verbindungen.

Eine der Triebkräfte für diese Trends ist der gestiegene Bedarf an Rechenleistung im Zusammenhang mit Fahrerassistenzsystemen, autonomem Fahren und allgemeiner Elektrifizierung. Die in der Automobilindustrie verwendeten Mikroprozessoren sind heute weit leistungsfähiger und reichen von einfachen 8-Bit-Bauteilen, die sich in TSSOP-Gehäusen mit Pin-Anzahlen im Bereich von 100 unterbringen lassen, bis hin zu 32-Bit-Prozessoren mit 600 Pins oder mehr. Das Flip-Chip Ball Grid Array (FCBGA) ist ein Beispiel für die heute für diese Bauelemente verwendete Packungsart.

Die Spezifikation AEC-Q100 sieht fünf Klassen vor, die nach ihren Betriebstemperaturschwankungen unterschieden werden. Klasse 0 bietet das größte Fenster von -40 °C bis 150 °C, während Klasse 4 den Bereich von 0 °C bis 70 °C abdeckt. Allgemein lässt sich sagen, dass Komponenten in Verbindung mit Fahrwerkselektronik und Sicherheit, Fahrerassistenzsystemen und Karosserieelek-tronik für Klasse 1 (-40 °C bis 125 °C) qualifiziert sein müssen, während Komponenten im Antriebsstrang üblicherweise zur Klasse 0 gehören.

Die Automobilindustrie fordert zunehmend „Null Fehler“

Automobile Anwendungen und Komponenten: Vom Antriebsstrang bis hin zur Sitzverstellung strebt die Automobilindustrie beständig nach neuen, verbesserten Lösungen.
Automobile Anwendungen und Komponenten: Vom Antriebsstrang bis hin zur Sitzverstellung strebt die Automobilindustrie beständig nach neuen, verbesserten Lösungen.
(Bild: UTAC)

Die Automobilindustrie verlangt zunehmend „Null Fehler“, das heißt keinerlei Feldausfälle. Dies setzt die Hersteller noch stärker unter Druck, da sie nicht nur sicherstellen müssen, dass der Halbleiter völlig fehlerfrei ist, sondern auch, dass die Packung und der Prozess zum Verlöten der Packung mit der Leiterplatte so realisiert werden, dass ein Fehlerpotential ausgeschlossen ist. Im Allgemeinen bezieht sich dies darauf, wie schnell die Packung im Herstellungsprozess verwendet werden kann, und dabei umfasst das dominierende Verfahren der Qualitätssicherung mit stringenter Qualitätskontrolle automatische Inspektionsverfahren, genauer gesagt, Automatische Optische Inspektion (AOI) und Röntgen.

QFN-Packungen mit benetzbarer Klemmenflanke unter Verwendung eines seitlichen Bleiüberzugs (SLP) stellen heute eine Anforderung für automobile Anwendungen dar. Daraus ergibt sich ein Lötsteg, der eine inspizierbare Verbindung für AOI-Ausrüstung bereitstellt. Die Verwendung dieser Packungstechnologie hat die Verbreitung von QFN in der Automobilindustrie ganz erheblich verstärkt.

Wie SLP QFN wird auch die Entwicklung der Copper-Clip-Verbindung oder Cu Clip von vielen führenden IDMs genutzt, die Halbleiterbauteile an die Automobilindustrie liefern. Die Cu-Clip-Technologie kann höhere Ströme unterstützen als Drahtbondverbindungen und zeichnet sich auch durch geringeren Widerstand und reduzierte Induktivität aus. Seine Hochleistungseigenschaften werden seit vielen Jahren in diskreten Leistungstransistoren genutzt, und mittlerweile gibt es Herstellungsprozesse, welche die Anwendung von Cu Clip in Multichip-Packungen ermöglichen, um Steuerung und Leistungsteil in einem einzelnen Bauelement zusammenzufassen.

MOSFETs, die in Hochleistungsanwendungen eingesetzte Transistortechnologie, erfordern einen zusätzlichen Niedrigleistungstransistor zum Ansteuern, wobei die Integration von Treiber und Leistungsstufen in einer einzelnen Packung zahlreiche Vorteile in vielen Märkten bietet, aber in automobilen Anwendungen unmittelbar zu höherer Effizienz, größerer Zuverlässigkeit und einer kleineren Stückliste wie auch zu einem reduzierten Gesamtplatzbedarf führen kann. Wegen seiner Fähigkeit, mit höheren Leistungsdichte-Pegeln umzugehen, ist Cu Clip heute in einer Reihe von Anwendungen einschließlich Reglern und Wandlern, Point-of-Load-Stromversorgungen und allgemeinen Leistungsmodulen verbreitet.

Eine weitere wichtige Packungstechnologie, die heute von der Automobilindustrie genutzt wird, ist System-in-Package (SiP). Das Leistungsversprechen ist dabei vielfältig, SiP kann eine kleinere Gesamtlösung mit höheren Gesamtleistungswerten und ein optimiertes Endprodukt bieten. Wie der Name vermuten lässt, ist SiP eine Methode zur Verkapselung mehrerer Komponenten, die in einer einzelnen Packung zusammen betrieben werden. Im Allgemeinen ermöglicht dies die Montage eines Prozessors und des zugehörigen RAM und nichtflüchtigen Speichers auf einem Substrat zusammen mit den Energieverwaltungskomponenten.

Komplexere Lieferketten fordern mehr Zusammenarbeit

Waferfertigung von UTAC im Werk Singapur: Der Fertigungsprozess ist hochgradig automatisiert. Dies gewährleistet Reproduzierbarkeit und eine völlig saubere Umgebung.
Waferfertigung von UTAC im Werk Singapur: Der Fertigungsprozess ist hochgradig automatisiert. Dies gewährleistet Reproduzierbarkeit und eine völlig saubere Umgebung.
(Bild: UTAC)

Angesichts der komplexeren Lieferketten, die zur Unterstützung der neuen Leistungsmerkmale von autonomen Fahrzeugen entstehen, kann ein SiP-Ansatz mehreren Halbleiterherstellern einschließlich IDMs und Fabless-Unternehmen ermöglichen, bei der Entwicklung und Bereitstellung von Lösungen der nächsten Generation besser zusammenzuarbeiten. In diesem neuen Modell stellen OSATs ein entscheidendes Maß an Know-how und Fertigkeiten bereit.

Die MEMS-Technologie (Micro-Electro-Mechanical Systems) kommt in der Automobilindustrie seit Jahren zum Einsatz, hauptsächlich in Airbag-Sensoranwendungen. Mit den erheblichen Verbesserungen bei verschiedenen Arten von MEMS-Sensoren nimmt aber auch die Nutzung in anderen automobilen Anwendungen zu. Zu den aktuell verwendeten MEMS-Geräten gehören Oszillatoren, Magnetometer, Beschleunigungsmesser und Gyroskope wie auch Druck- und Temperatursensoren. Die Optionspalette bei MEMS-Packungen umfasst konventionelle QFN und QFN mit Vertiefung, LGA mit Vertiefung und Überguss sowie SOIC.

Fazit: Halbleiterpackungstechnologien sind von wesentlicher Bedeutung, um dem Bedarf nach effizienteren, integrierteren und zuverlässigeren Bauelementen gerecht zu werden und so die aktuellen Trends auf dem Automobilmarkt zu ermöglichen. Dazu gehören die fortschreitende Elektrifizierung der Fahrzeuge, die zunehmende Anwendung von Autonomiefunktionen, erweiterte Konnektivität und kontinuierliche Verbesserungen des Fahrkomforts. Zur Erfüllung aller Anforderungen werden innovative Packungslösungen hoher Qualität benötigt, die nachhaltige Investitionen erfordern. OSATs sind in der Halbleiterlieferkette der Automobilbranche zunehmend in der besten Position, diese Investitionen zu tätigen und die Dienstleistungen zu gewährleisten.

Dieser Beitrag ist erschienen in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 3/2020 (Download PDF)

* Asif R. Chowdhury ist Senior VP bei UTAC

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