Oktober 2014

Trends in der Miniaturisierung und Integration

Passive Embedding

Embedding und Integration passiver elektronischer Bauelemente machen dank neuer Materialien, Technologien und Miniaturisierung große Fortschritte. Mit eigens für das Einbetten konzipierten Bauelementen und Integrationstechnologien lassen sich Systeme immer kompakter gestalten und gleichzeitig ihre Zuverlässigkeit steigern.

Bei passiven Bauelementen entscheiden oft die Abmessungen und der Grad ihrer Robustheit gegenüber Weiterverarbeitungsprozessen, ob sie sich für Embedding und bestimmte Integrationstechnologien eignen. TDK ermöglicht hier mit innovativen Kondensatoren und Thermistoren sowie diversen Integrationsmethoden technologisch überlegene Lösungen.

Kondensatoren in IGBT-Module einbetten

Für IGBT-Module auf Si- und SiC-Basis in der mittleren Leistungsklasse werden traditionell externe Snubber-Kondensatoren eingesetzt. Durch das Embedding der Kondensatoren könnten hier ­ insbesondere lange Leitungswege, die mit parasitären Induktivitäten behaftet sind, deutlich verkürzt werden. Allerdings war das Embedding dieser Bauelemente bisher nicht möglich, da sie – ganz abgesehen von Abmessungen – nicht die erforderliche Hitzebeständigkeit für die Fertigungsprozesse des IGBT-Moduls aufweisen. Darüber hi­naus bieten sie nur geringe Kapazitätswerte pro Volumen und zeigen bei hohen Nennspannungen einen erheblichen Kapazitätsverlust. Mit dem TDK CeraLink™ wurde ein gänzlich neuer Kondensatortyp entwickelt, der keinen dieser Nachteile mit sich bringt. Da die CeraLink Technologie auf PLZT-Keramik (Lead Lanthanum Zirconate Titanate) basiert, liegt beim CeraLink im Gegensatz zu konventionellen Keramik-Kondensatoren das Kapazitätsmaximum bei der Einsatzspannung. Dieses steigt sogar mit zunehmendem Anteil der Ripple-Spannung (Abbildung 1).

Abbildung 1: Kapazität des TDK CeraLink als Funktion der Spannung

Im Gegensatz zu anderen Kondensatortechnologien steigt beim TDK CeraLink die effektive Kapazität mit steigender Spannung. Die Ripple-Spannungsbeaufschlagung verstärkt diesen Effekt zusätzlich.

Ein weiterer Vorteil liegt in der hohen Isolationseigenschaft. Die Entladezeitkonstante τ liegt bei 70000 ΩF bei 25 °C und selbst bei 150 °C fällt dieser Wert nur wenig ab. Dadurch wird das gefürchtete, sich selbst verstärkende Thermal Runaway ausgeschlossen. Auch die parasitären Beiwerte des CeraLink sind sehr gering: So liegt der ESR bei nur 50 mΩ bei 100 kHz und fällt bei 1 MHz auf nur noch 10 mΩ, wodurch sich sehr geringe Verluste ergeben. Der ESR-Wert sinkt mit steigender Temperatur noch weiter: Bei 85 °C liegt er bereits unter 20 Prozent des ursprünglichen Werts, den er bei 25 °C hat. Damit ergeben sich Lade- bzw. Entladezeiten zwischen 25 ns und 30 ns. Die ESL-Werte der CeraLink Kondensatoren liegen bei unter 5 nH, wodurch sich diese Technologie besonders für schnell schaltende Inverter eignet.

Alle diese Vorteile prädestinieren CeraLink für das Embedding als Snubber-Kondensatoren in IGBT-Module. Dafür sind zwei SMD-Typen mit Nennspannungen von 500 V DC verfügbar (Abbildung 2). Die Low Profile 1 µF-Variante mit Abmessungen von nur 4,35 × 7,85 × 10,84 mm3 und der 5 µF-Typ mit Abmessungen von 13,25 × 14,26 × 9,35 mm3 sind besonders kompakt und lassen sich sehr nahe und niederinduktiv am Halbleiter platzieren.

Abbildung 2: TDK SMD CeraLink zur Integration in IGBT-Module

CeraLink Low Profile 1 µF-Variante (links) und der 5 µF-Typ (rechts). Die Kondensatoren prädestinieren sich aufgrund der geringen Abmessungen und hohen Temperaturverträglichkeit von bis zu 150 °C für das Embedding in IGBT-Modulen.

Temperaturschutz in IGBT-Module einbetten

Um eine möglichst hohe Effizienz von IGBT-Modulen in Invertern zu erzielen, werden sie an ihrem oberen Temperaturlimit betrieben. Um dabei eine Schädigung der Halbleiter auszuschließen, ist die exakte Überwachung der Betriebstemperatur erforderlich. Allerdings sind bislang eingebettete, Standard-Chip-NTC-Thermistoren nur bedingt geeignet, da sie nicht alle Halbleiter-Fertigungsprozesse überstehen. Dazu gehören insbesondere das Hochtemperatur-Löten und das Silber-Sintern unter Druck.

Um dieses Problem zu lösen, wurde ein Wafer-basierter Herstellungsprozess für EPCOS Chip-NTC-Thermistoren entwickelt (Abbildung 3). Diese neuen Bauelemente können jetzt dem thermischen und mechanischen Stress der Halbleiterprozesse standhalten. Darüber hinaus sparen sie Platz, weil keine speziellen Pads für das Löten auf dem Halbleitersubstrat nötig sind.

Abbildung 3: Wafer und EPCOS NTC-Thermistor mit horizontaler Kontaktierung

Kompletter NTC-Wafer mit Träger (links) und vereinzelter EPCOS NTC-Chip (rechts). Die Kontaktflächen liegen horizontal und nicht, wie üblich, vertikal.

Bei NTC-Thermistoren, die aus Wafern gefertigt werden, ist die Anordnung der elektrischen Kontaktierungen horizontal und nicht vertikal. Deshalb wird mit dem unteren Anschluss eine direkte und sehr plane Kontaktierung auf dem Halbleitersubstrat unter Verwendung herkömmlicher Halbleiterprozesse ermöglicht. Der obere Anschluss wird über konventionelles Bonden kontaktiert, so wie es bei IGBT-Modulen üblich ist. Wahlweise sind die Kontaktflächen auch in vergoldeter oder versilberter Ausführung erhältlich, um bestmögliche Ergebnisse beim Bonden zu erzielen.

Weitere Vorteile sind die sehr geringen elektrischen und thermischen Toleranzen dieser Chip-NTC-Thermistoren. Erzielt wird diese Genauigkeit mit Hilfe einer speziellen Prozesstechnologie: Vor dem Vereinzeln der Bauelemente wird der Gesamtwiderstand des Wafers bestimmt, bezogen auf eine Nenntemperatur von 100 °C. Daraus wird die Größe der zu vereinzelnden Thermistoren berechnet. Somit ist sichergestellt, dass das Toleranzfeld der einzelnen Bauelemente im Vergleich zu Standard-NTC-Thermistoren, die sich auf eine Nenntemperatur von 25 °C beziehen, sehr eng bemessen ist (Abbildung 4).

Abbildung 4: Präzisionsvergleich von NTC-Technologien

Im Temperaturbereich bei 120 °C, der für Halbleiter kritisch ist, weist der Chip-NTC-Thermistor eine hohe Messgenauigkeit von ±1,5 K auf. Die Standard-Variante, die sich auf eine Nenntemperatur von 25 °C bezieht, hat dagegen eine Streuung von >±5 K.

Wegen der engen Toleranz von nur ±1,5 K bei 100 °C können IGBT-Module ohne frühzeitiges Derating bei Temperaturen sehr nahe der Leistungsgrenzen betrieben und damit besser genutzt werden. Diese Lösung ist auch für neue Halbleitergenerationen etwa auf Basis von SiC und GaN geeignet.

3D-Integration mit LTCC

Smartphones und andere tragbare Elektronik müssen immer mehr Bänder bedienen und Funktionen erfüllen. Um die Geräte handlich zu halten, ist neben der Miniaturisierung der einzelnen Bauelemente ein Höchstmaß an Integration erforderlich. Die LTCC-Technologie (Low Temperature Co-fired Ceramic) ist hier seit Jahren etabliert. Dabei werden zwischen dünnen Keramiklagen die Funktionen passiver Bauelemente wie Induktivitäten, Kapazitäten und Widerständen eingebettet. Da der Sinterprozess hierbei aber immer noch bei Temperaturen >500 °C abläuft, können hitzeempfindliche Bauelemente wie etwa Halbleiter nur im Piggyback-Verfahren nach dem Sintern auf der Oberseite der Module montiert werden. Trotzdem bietet diese Technologie je nach Integrationsgrad eine Platzersparnis von bis zu über 80 Prozent im Vergleich zu diskreten Lösungen. Neben der Miniaturisierung sind eine hohe Zuverlässigkeit sowie deutlich reduzierte Logistikaufwände entscheidende Kriterien für den Einsatz dieser Technologie. Hauptsächlich HF-Module für Smartphones werden mit LTCC-Technologie gefertigt.

Halbleiter-Integration mit SESUB

Ein neuer Ansatz für die Integration ist die TDK Substrattechnologie SESUB (Semiconductor Embedded in Substrate). Die Gesamthöhe des SESUB-Substrats beträgt einschließlich der integrierten Halbleiter-Chips nur 300 µm (Abbildung 5)

Abbildung 5: Schnitt durch ein TDK SESUB-Substrat

Die vier mikro-strukturierten Substratlagen sind – einschließlich aller Verbindungen und Vias – nur 300 µm hoch. Selbst ICs mit zahlreichen Fine-Pitch-I/Os lassen sich in das TDK SESUB-Substrat einbetten. Zusätzlich erforderliche, diskrete passive Bauelemente können auf der Oberfläche des Substrats bestückt werden.

Zusätzlich erforderliche, diskrete passive Bauelemente können auf der Oberfläche des Substrats bestückt werden. Um die Integrationsdichte noch weiter zu erhöhen, sollen in einem nächsten Schritt dünne passive Bauelemente auch in das Substrat eingebettet werden. Dadurch, dass die dritte Dimension für die Integration genutzt wird, sinkt je nach Design der Flächenbedarf um 50 bis 60 Prozent, verglichen mit diskreten Lösungen.

Durch die kurzen Leiterführungen in den Modulen ergeben sich sehr gute elek­trische Eigenschaften, da parasitäre Effekte minimiert werden und durch schirmende Lagen die EMV verbessert wird. Zudem bietet SESUB ein überragendes thermisches Verhalten: Weil der IC vollständig eingebettet und auf allen Seiten vom Substrat umgeben ist, wird die Abwärme des Halbleiters über die gesamte Oberfläche abgeführt. Die Substratlagen selbst wiederum beinhalten mikro-strukturierte Leitungswege aus Kupfer, die die Abwärme homogen und effizient verteilen. Mit diesem herausragenden thermischen Verhalten bieten sich SESUB-Module insbesondere für das Energiemanagement, als Sende- und Empfangseinheit, für Prozessoren oder als Leistungsverstärker an – kurz gesagt: für alle wesentlichen Komponenten eines Smartphones.

Typisches Beispiel eines SESUB-Designs ist das extrem kompakte TDK Bluetooth Low Energy Modul, entwickelt für die Blue­tooth 4.0 Low Energy (LE) Spezifikation, die im Markt als Bluetooth Smart bekannt ist (Abbildung 6 links). Mit einer Grundfläche von nur 4,6 × 5,6 mm2 und der geringen Bauhöhe von 1 mm ist das neue SESUB-PAN-T2541 Bluetooth 4.0 LE Modul das derzeit kleinste seiner Art für Bluetooth-Smart-Geräte. Das Modul eignet sich dank seiner kompakten Baugröße sehr gut für Wearable Devices.

Abbildung 6: Platzsparende TDK SESUB-Module

Links: Weltweit kleinstes Bluetooth Low Energy Modul, entwickelt für die Bluetooth 4.0 Low Energy (LE) Spezifikation mit Abmessungen von nur 4,6 × 5,6 mm2. Im TDK Power-Module (rechts) ist das komplette Power-Management eines Smartphones integriert.

Auch für das Power-Management in Smartphones ist SESUB sehr gut geeignet: Bei den neuen Modulen (Abbildung 6 rechts) konnte erstmals der IC zum Management der Stromversorgung direkt in das Substrat eingebettet werden. Dieser Innovationsschritt versetzt Hersteller von Endgeräten in die Lage, ihre Entwicklungskosten und -zeiten weiter zu senken. In Kombination mit neu entwickelten Kondensatoren und Leistungsinduktivitäten in SMD-Ausführung betragen die Modulabmessungen nur 11,0 × 11,0 × 1,6 mm3. Enthalten sind dabei eine hoch effiziente Tiefsetzsteller-Stromversorgung in 5-Kanal-Konfiguration mit einem Ausgangsstrom von bis zu 2,6 A sowie rausch- und verlustarme Spannungsregler für bis zu 23 Kanäle und eine äußerst effiziente Ladeschaltung für Lithium-Ionen-Akkus.

Integrationspotenziale von Leiterplatten nutzen

Viellagige Leiterplatten sind längst nicht mehr ausschließlich Träger von Bauelementen. Um hier Integrationspotenziale besser zu nutzen, arbeitet TDK gemeinsam mit Partnern an der Weiterentwicklung von Technologien für das Embedding aktiver und passiver elektronischer Bauelemente. Unter anderem soll dabei die Standardisierung der Integrationstechnologien, die bei der Realisierung stark miniaturisierter Module eine entscheidende Rolle spielen, vorangetrieben werden.

Speziell bei den MLCCs, die nahezu in jeder Schaltung zur Pufferung und Rauschunterdrückung benötigt werden, bieten sich Potenziale zur Integration und damit Platzersparnis. TDK hat die MLCC-CU-Serie entwickelt, die sich in die Leiterplatten einbetten lassen. Sie haben keine verzinnten Elektroden wie herkömmliche MLCCs, sondern Kupferelektroden und werden direkt in die Laminatlagen der Leiterplatten eingebracht. Diese MLCCs zeichnen sich durch ihre extrem geringen Bauhöhen zwischen 0,11 mm und 0,25 mm aus (Tabelle).

Tabelle: TDK MLCC-CU-Serie für das Embedding in Leiterplatten

TypCUA1CUA2
Kapazität max. [µF]0,221
Form
Länge [mm]    0,61,0
Breite [mm]0,30,5
Höhe max.[mm]0,11 bis 0,220,11 bis 0,25
Anschlussbreite [µm]230350

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