25 let Fraunhoferova institutu a rostoucí význam pouzdření v elektronice

Fraunhofer IZM, výkladní skříň elektronického výzkumu v Německu, je jedním z předních světových institutů orientovaných na aplikovaný výzkum a vývoj, se zaměřením na systémovou integraci elektroniky. V průběhu 25leté existence zde nalezlo technologické řešení více než 230 subjektů z průmyslu, mnohdy i ve spolupráci s akademickou obcí. Jsou zde řešeny mezinárodní výzvy a projekty v řadě elektrotechnických odvětví, jako je automobilová a průmyslová elektronika, zdravotnictví, ICT, polovodičové technologie a další, přičemž dosažené výsledky se uplatňují po celém světě. U příležitosti 25. výročí existence proběhlo v listopadu 2018 v Berlíně sympozium na téma „Současnost a budoucnost elektronického pouzdření“, kde přednášeli experti nejen z Fraunhoferova institutu, ale např. z Infineon Technologies, Globalfoundries U. S., Intel Corporation, Siemens, Audi nebo First Sensor. Z obsahu přednášek, které byly zaměřeny především na aplikace, lze jednoznačně usoudit, že pouzdření se stalo v moderní elektronice fenoménem, který v sobě zahrnuje klíčové faktory rozhodující o úspěchu na poli byznysu, jak je patrné z obr. 1. Od způsobu pouzdření se odvíjejí další oblasti směřující k dosažení optimálního a úspěšného řešení každého nově vyvíjeného elektronického obvodu či systému.

Integrace − heterogenní charakter inovovaných a nově vyvíjených elektronických obvodů a systémů vyžaduje řešení jak miniaturizace, tak také dílčích oblastí integrace. To se týká jak součástek a funkčních bloků (pasivní prvky, antény, paměti, MEMS apod.), tak vlastního konstrukčního provedení a uspořádání (multičipové obvody, SIP, 3D atd.).

Elektrické vlastnosti – jsou definovány požadavky na výkon, proudové zatížení a pracovní kmitočet, s čímž úzce souvisí použitý typ substrátu, parazitní vlastnosti a další faktory ovlivňující přenos signálu.

Spolehlivost − vychází z požadavků zákazníka, a proto vlastní provedení musí být zaměřeno na oblast použití, určené prostředí a životnost produktu.

Rozměry – jsou určovány požadavkem na miniaturizaci, počet vývodů a také v neposlední řadě na způsob zabudování do systému.

Tepelné vlastnosti – jsou určovány výkonovým zatížením produkujícím teplo, rozsahem pracovních teplot a také odvodem tepla v souvislosti s tepelnými odpory příslušného obvodu či systému. Cena − zahrnuje náklady na jednotlivé fáze životního cyklu počínaje vývojem a dále pouzdro součástky, pouzdření celého systému a také testování.

Nalezení a volba optimálního řešení pouzdření je otázkou bližší specifikace vycházející z konkrétní aplikační oblasti elektroniky (spotřební, výkonová, lékařská, automobilová, telekomunikační atd.), z čehož se potom odvíjí konstrukční a technologické řešení. Každá oblast aplikace má rozdílné požadavky na typ pouzdra z pohledu počtu vývodů, vedení signálu, chlazení atd. a obecně parametrů naznačených v obr. 1. Pouzdření tak prochází neustálým generačním vývojem, jak je ukázáno na obr. 2. Po první generaci založené na montáži tranzistorů a pouzder DIP následovala druhá generace v podobě povrchové montáže (SMT) a potom nastoupila třetí generace charakterizovaná trojrozměrným řešením pouzder (3D). Pouzdření se tak neustále vyvíjí a rozšiřuje se počet různých typů a provedení pouzder.

Základem každého elektronického obvodu či systému je nosná část (substrát), kde je umístěn jeden nebo více elektronických komponent. U moderních obvodů je snahou integrovat do jediného pouzdra polovodičové čipy, případně celý polovodičový wafer s funkční strukturou, spolu s pasivními součástkami. Tak vznikl nový směr pouzdření, jehož představitelem je pouzdro SIP (System in Package) umožňující umístit do jediného pouzdra celý systém nebo jeho podstatnou část (viz obr. 3). Zatímco na počátku byly jednotlivé polovodičové komponenty na substrátu spolu s pasivními součástkami v uspořádání 2D, v současné době směřuje vývoj k řešením v provedení 3D, jehož představitelem je pouzdro POP (Package on Package). Zde existuje celá řada možných kombinací, které se vyznačují heterogenní strukturou, což vyžaduje věnovat zvýšenou pozornost nejen elektrickým, ale i tepelným parametrům. Je zřejmé, že 3D uspořádání představuje další pokrok v integraci komponent, což dává předpoklady pro dosažení sofistikovanějších a komplexnějších elektronických zařízení a systémů. To s sebou přináší nutnost řešit nové aspekty, jak obvodové (parazitní vlivy na vedení signálu, odvod tepla atd.), tak technologické (menší rozměry součástek, vodivé cesty a spoje atd.).

Vývoji pouzdření je podřízena i struktura Fraunhoferova institutu z pohledu zaměření jednotlivých vývojových oddělení se statutem ústavu. Ty jsou uspořádány v celkem čtyřech odděleních, jež ukazují současné aktuální oblasti zaměření výzkumu:

• Ústav „Wafer Level System Integration“ rozvíjí pokročilé technologie vývoje polovodičových čipů včetně pouzdření a systémové integrace a nabízí zákaznická řešení pro mikroelektronické obvody na bázi moderních technologií, jako jsou pouzdření na waferu (WLP), hermetická MEMS pouzdra, Fine Pitch vývody (bumpy), integrace optoelektroniky a obecně řešení 3D pouzder.
• Ústav „System Integration & Interconnection Technologies“ zahrnuje konzultace, vývoj procesů až po řešení technických systémů s důrazem na miniaturizaci propojení a integraci. Důraz je kladen na rozvoj procesů a materiálů pro technologie propojení, jak na substrátech (DPS), tak v modulech a systémech, včetně integrace elektrických, optických a výkonových komponentů a systémů.
• Ústav „RF & Smart Sensor Systems“ je zaměřen na bezdrátové senzory a systémy, především pak na oblast komunikace včetně radarů. Předmětem výzkumu jsou návrhy a integrace vysokorychlostních systémů včetně antén a také napájení a správy energie, a to vše s podporou softwarových nástrojů.
• Ústav „Environmental & Reliability Engineering“ podporuje technologický vývoj s analýzou životního prostředí a spolehlivosti. Nové produkty musí splňovat rostoucí obsah norem a nařízení a současně musí být nákladově efektivní a šetrné k životnímu prostředí. Využívá pro to moderní nástroje, jako je ekologický návrh (Eco design), analýza životního cyklu (LCA) apod.

Laboratoře jsou vybaveny nejmodernějším měřicím zařízením, které lze využít až do kmitočtů 220 GHz.

Všechny nové výrobky a technologie musí splňovat nejen evropské normy, ale současně musí být nákladově efektivní a šetrné k životnímu prostředí. Rozhodující je i co nejkratší čas pro uvedení na trh.

Zajímavé a vypovídající je aplikační zaměření Fraunhoferova institutu. To zahrnuje v současnosti následující oblasti:

• Semiconductors (3D integrace, SiP, kontaktování wafer na wafer, implementace pasivních prvků do systému vodičů atd.)
• Automotive/Transportation (technologie senzorů a pohonů, výkonová elektronika, správa spolehlivosti a zabezpečení atd.)
• Medical Engineering (nové diagnostické koncepty umožňují rychlejší detekci původu chorob a rychlejší vývoj nových farmaceutických přípravků atd.)
• Industrial Electronics (globalizace, kybernetické systémy, průmysl 4,0: robustnost, miniaturizace, spolehlivost, bezpečnost atd.)
• Information and Communication Technology (sdílení a ukládání dat vyžaduje stále větší datová centra a prostředky pro přenos elektrických a optických signálů, stále vzrůstá poptávka po vysoce dynamických sítích, které mohou přenášet, zpracovávat a analyzovat data atd.)

V souladu se sledováním celosvětového vývoje je již zvažováno zavedení dalších nových aplikačních oblastí, jako jsou Cyber Physical Systems, Internet of Things & Big Data, 5G and Millimeterwave- based RF Systems a další, které mají přímou návaznost na praktické využití v současném byznysu. Ze zaměření Fraunhoferova institutu lze usuzovat, jakými směry se ubírá nejen současný vývoj v oblasti elektroniky, ale lze také předpokládat, jaké oblasti výzkumu a vývoje jsou perspektivní a významné a rovněž jaké směry zvolit pro inovaci výrobků v návaznosti na komerční úspěch.