Dezember 2013

Flach gepackt

Trendsetter bei Gehäusetechnologien

Gehäuse haben wesentlichen Einfluss auf den Miniaturisierungsgrad elektronischer Bauelemente und Module. Eine ganze Palette fortschrittlicher TDK und EPCOS Gehäusetechnologien ermöglichen stark verkleinerte Produkte, die sich durch extrem niedrige Bauhöhen auszeichnen.

Eine Vielzahl von Technologien zur Integration und Miniaturisierung von elektronischen Bauelementen und Modulen ermöglichen es Herstellern, Smartphones und herkömmliche Mobiltelefone sowie andere mobile Geräte mit fortschrittlichem Schaltungsdesign und überlegener Performance zu realisieren. TDK nutzt für seine miniaturisierten Produktinnovationen neben neuen Werkstoffen sowie Dünnfilm- und Integrationstechnologien vor allem eine Reihe unterschiedlicher Gehäusetechnologien. Sie ermöglichen äußerst winzige und flache Bauelemente und Module. Das ist ein entscheidender Vorteil angesichts der Tatsache, dass die Bauhöhe der miniaturisierten Produkte immer wichtiger wird.

Auf dem Gebiet der Hochfrequenz-Filterprodukte wurden mehrere neue Gehäusetechnologien entwickelt, die stark verkleinerte Bauelemente wie SAW-Filter und -Duplexer und damit auch Module mit extrem niedrigen Bauhöhen möglich machen. Dazu gehören die EPCOS Gehäusetechnologien CSSP®-Cu (Chip-Sized SAW Package) auf Basis von Rahmen aus Kupfer (Cu) sowie DSSP® (Die-Sized SAW Package), genauso wie die TDK Technologie TFP (Thin-Film Package). Das Miniaturisierungspotenzial hinsichtlich der Bauhöhe verdeutlicht Abbildung 1.

Abbildung 1: Maximale Bauhöhen von EPCOS Duplexern in verschiedenen Gehäusetechnologien

Für den Einsatz in Modulen ist eine möglichst niedrige Bauhöhe aller Bauelemente Voraussetzung. Entsprechend sind Bauelemente, die künftig in TFP-Technologie gefertigt werden, für die Integration in Module prädestiniert.

Robuste CSSP3-Cu-Frame-Technologie

SAW-Filter auf Basis der CSSP3-Cu-Frame-Technologie werden entweder als Einzelbauelement genutzt oder als integrierte Komponente in einem Modul. Vorteile sind unter anderem die niedrige Bauhöhe, die Dichtigkeit und die Möglichkeit, weitere Bauelemente in das Gehäuse zu integrieren. SAW-Bauelemente mit der CSSP3-Cu-Frame-Gehäusetechnologie sind maximal 450 µm hoch und im Gegensatz zu herkömmlichen CSSP-Gehäusen bis zu 100 bar Umspritzdruck – je nach Umspritzverfahren, das bei der weiteren Verarbeitung im Herstellprozess von Modulen eingesetzt wird (Abbildung 2).

Abbildung 2: EPCOS SAW-Filter im CSSP3-CU-Frame-Gehäuse

EPCOS Bauelemente mit CSSP3-Cu-Frame-Gehäusen sind dank Kupferrahmen und -sockel auch in Umspritzverfahren bis 100 bar stabil.

DSSP ermöglicht höchsten Miniaturisierungsgrad

Ein Meilenstein in der Miniaturisierung diskreter Bauelemente ist die innovative EPCOS Gehäusetechnologie DSSP (Die-Sized SAW Package). Erstmals entspricht hier die Gehäusefläche der Chipfläche, womit sich der derzeit höchste Grad an Miniaturisierung realisieren lässt (Abbildung 3).

Abbildung 3: EPCOS SAW-Filter im DSSP-Gehäuse

EPCOS Bauelemente in DSSP-Gehäusen sind mit einer Bauhöhe von nur 350 µm einschließlich Löt-Bumps deutlich flacher als herkömmliche Filterprodukte. Der Filter links hat eine Grundfläche von nur 0,8 × 0,6 mm².

Filter und Duplexer in DSSP-Technologie werden vorrangig für den Einsatz in RF-Modulen entwickelt, da bei diesen Produkten im Hinblick sowohl auf die Grundfläche als auch auf die Bauhöhe der größte Miniaturisierungsbedarf besteht. Der Grund für diesen Miniaturisierungsbedarf ist, dass moderne Mobiltelefone und Smartphones immer mehr Frequenzbänder bedienen müssen und entsprechend viele Filter erfordern. Nur durch extrem verkleinerte Bauelemente lassen sich die gewohnt kompakten Bauformen der Geräte beibehalten.

Das äußerst flache Design gehört zu den wichtigsten Leistungsmerkmalen der DSSP-Bauelemente, die mit einer Bauhöhe von nur 350 µm einschließlich der Löt-Bumps deutlich flacher sind als Produkte, die in anderen aktuell verfügbaren Technologien gefertigt werden.

Mit einem Fine-Pitch von bis zu 220 µm repräsentiert die DSSP-Technologie den am weitesten entwickelten Stand der Technik in der Modulfertigung. In der Modulproduktion können DSSP-Produkte – abhängig vom Verarbeitungsverfahren – einen Verarbeitungsdruck von bis zu 100 bar tolerieren und sind gemäß IPC/JEDEC J-STD-020B MSL2a getestet. Damit wird die Realisierung von SAW-Filtern von nur noch 0,6 × 0,7 mm² und Duplexern von 1,5 × 1,1 mm² und kleiner möglich. Gleichzeitig bieten die winzigen Bauelemente extrem niedrige Einfügedämpfungen und eine hohe Selektivität.

Die DSSP-Plattform ist eine hervorragende Basis für die weitere Integration und Miniaturisierung, was die Weiterentwicklung von DSSP belegt: So kann zum Beispiel in einer Weiterentwicklung der DSSP-Technologie die Integration von Anpass-Bauelementen wie Spulen mit hoher Güte auf den Deckelwafer erfolgen. Die Bauhöhe dieser Bauelemente liegt bei 375 µm (275 µm ohne Bumps).

Dünnfilm-Gehäusetechnologie für extrem flache BAW-Duplexer

Neuland betritt TDK mit seinen noch flacheren Filter-Bauelementen, die sich durch den Einsatz der TDK Dünnfilm-Technologie herstellen lassen. Sie ermöglicht die Kombination aus hervorragenden Leistungsmerkmalen, kleinsten Maßen und einer flachen Bauform. Bislang wurden auf Basis dieser Technologie Produkte wie Multilayer-Chip-Induktivitäten, keramische Bauelemente zum Überspannungsschutz oder MLCCs ­gefertigt.

Jetzt ist es gelungen, auch sehr flache BAW-Filter (Bulk Acoustic Wave) in TFP-Gehäusen zu realisieren, die für künftige, stark miniaturisierte Hochfrequenz-Module verwendet werden (Abbildung 4). Ihre Bauhöhe beträgt etwa 200 µm (inklusive Lötbumps). Mit der TFP-Technologie lassen sich technologisch überlegene Module und innovative Hochfrequenz-Architekturen realisieren.

Abbildung 4: Schematische Darstellung eines BAW-Duplexers in einem TFP-Gehäuse

Mit einem TFP-Gehäuse lässt sich insbesondere die Bauhöhe eines BAW-Duplexers weiter reduzieren – auf nur noch 200 µm.

Stabil verpackte MEMS-Technologie für Smartphones

Die Gehäusetechnologien für extrem miniaturisierte Hochfrequenzprodukte werden auch für MEMS-Produkte wie Mikrofone und Drucksensoren eingesetzt (Abbildung 5). Die neuen EPCOS C920- und C923-MEMS-Mikrofone sind zwei der kleinsten Top-Port-Mikrofone auf dem Markt. Verwendet wird ein einzigartiger Packaging-Ansatz, der Resonanzprobleme praktisch eliminiert. Das C923-MEMS-Mikrofon misst nur 2,75 × 1,85 × 0,9 mm³ und hat einen flachen Frequenzgang bis hinunter zur unteren Grenze des hörbaren Spektrums, während das C920 einen Hochpassfilter besitzt, der niedrige Frequenzen unter 100 Hz herausfiltert, was beim Unterdrücken von Windrauschen hilft.

Abbildung 5: Stabile Verpackung für EPCOS MEMS-Mikrofone

EPCOS MEMS-Mikrofone werden mit der CSMP™-Technologie (Chip-Sized MEMS Package) gefertigt, die ursprünglich für SAW-Bauelemente entwickelt wurde und eine exzellente EMI-Abschirmung bietet.


Eines der neuesten Mitglieder der stark miniaturisierten Mikrofonproduktlinie ist das C914-MEMS-Mikrofon. Es weist ein sehr hohes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) von 64 dB(A) auf, wodurch es sich besonders gut für High-End-Audioanwendungen in Smartphones eignet. Das hohe SNR und die sehr niedrigen Verzerrungen (THD Distortion) verbessern die Audioqualität beim Aufzeichnen entfernter Tonquellen signifikant. Neben diesen hervorragenden akustischen Eigenschaften bietet es Abmessungen von nur 3,35 × 2,5 × 1 mm³.

Miniaturisierte EPCOS Drucksensoren eignen sich ebenfalls sehr gut für die Integration in Smartphones. Mit Abmessungen von nur 2,23 × 2,78 × 0,7 mm³ ist der kalibrierte und temperaturkompensierte digitale Drucksensor T5400 einer der kompaktesten Sensoren weltweit (Abbildung 6). Vorgesehen zur Messung von Absolutdrücken von 300 bis 1200 mbar, liefert er 16 Bit Auflösung an der seriellen Digitalschnittstelle. Er hat einen niedrigen Energieverbrauch von nur 0,3 μA im Ruhemodus und 3 µA im Betrieb. Der T5400 benötigt keine weitere Kalibrierung. Davon profitieren etwa Entwickler von Navigationsgeräten und Mobiltelefonen, bei denen die exakte Bestimmung der Höhe über dem Meeresspiegel mithilfe von Luftdruckmessungen erfolgen soll. Zusammen mit einem per GPS ermittelten Ort erlaubt diese Höhenmessung eine präzise 3D-Positionierung, deren Genauigkeit innerhalb eines einzelnen Stockwerks eines Gebäudes liegt. Notrufe, die von so ausgestatteten Mobiltelefonen ausgehen, können die Arbeit von Rettungskräften erheblich erleichtern.

Abbildung 6: Miniaturisierter EPCOS MEMS-Drucksensor

Mit einer Bauhöhe von nur 0,7 mm ist der EPCOS MEMS-Drucksensor der flachste seiner Art.

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