Embedded Component Technology Zukunftsweisende Lösungen

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1 Embedded Component Technology Zukunftsweisende Lösungen

2 Embedded Component Technology Zukunftsweisende Lösungen Ihre Referenten heute Jürgen Wolf Forschung und Entwicklung Michael Matthes WITTENSTEIN electronics GmbH Arndt Bär Moderator Seite 2

3 WITTENSTEIN AG eins sein mit der Zukunft Mit weltweit rund Mitarbeitern und einem Umsatz von 241 Mio. (2012/13) steht die WITTENSTEIN AG national und international für Innovation, Präzision und Exzellenz in der Welt der mechatronischen Antriebstechnik. Die Unternehmensgruppe umfasst acht innovative Geschäftsfelder mit jeweils eigenen Tochtergesellschaften: Servogetriebe, Servoantriebssysteme, Medizintechnik, Miniatur-Servoeinheiten, innovative Verzahnungstechnologie, rotative und lineare Aktuatorsysteme, Nanotechnologie sowie Elektronik- und Softwarekomponenten für die Antriebstechnik. Darüber hinaus ist die WITTENSTEIN AG ( mit rund 60 Tochtergesellschaften und Vertretungen in etwa 40 Ländern in allen wichtigen Technologie- und Absatzmärkten der Welt vertreten. Seite 3

4 Embedded Component Technology: Zukunftsweisende Lösungen Embedded Component Technology ECT Motivation ECT µvia ECT Flip Chip Bauelemente und Bestückung Aktives Implantat mit ECT Designanforderung Zusammenarbeit Umsetzung EDA-Tools Leiterplattenumsetzung ECT Zuverlässigkeit Seite 4

5 Embedded Component Technology: Zukunftsweisende Lösungen Embedded Component Technology ECT Motivation ECT µvia ECT Flip Chip Bauelemente und Bestückung Aktives Implantat mit ECT Designanforderung Zusammenarbeit Umsetzung EDA-Tools Leiterplattenumsetzung ECT Zuverlässigkeit Seite 5

6 Embedded Component Technology ECT Welche Vorteile bieten vergrabene Bauelemente? Miniaturisierung Performance/ Funktion Zuverlässigkeit Gehäuseersatz Einsparung von Bestückfläche auf den Außenlagen Integrierte Schirmung Kurze Signalwege Plagiatsschutz Schutz vor Umwelteinflüssen Vollflächige Fixierung Wärmemanagement Seite 6

7 Embedded Component Technology: Zukunftsweisende Lösungen Embedded Component Technology ECT Motivation ECT µvia ECT Flip Chip Bauelemente und Bestückung Aktives Implantat mit ECT Designanforderung Zusammenarbeit Umsetzung EDA-Tools Leiterplattenumsetzung ECT Zuverlässigkeit Seite 7

8 Embedded Component Technology ECT ECT µvia: Aktive und passive Komponenten ECT-µVia Produktion Bestückung (Kleben/Sintern/Löten) Seite 8

9 Embedded Component Technology ECT ECT µvia: Aktive und passive Komponenten Bestückung (NCA-Kleben) auf Kupferfolie Beispiel: Aufsicht bestückte Folie Kondensatoren mit Cu-Terminierung Widerstände mit Cu-Terminierung ASIC als Nacktchip mit NiPd-Metallisierung Seite 9

10 Embedded Component Technology ECT ECT µvia: Aktive und passive Komponenten ECT-µVia Produktion Bestückung (Kleben/Sintern/Löten) Multilayer pressen Seite 10

11 Embedded Component Technology ECT ECT µvia: Aktive und passive Komponenten ECT-µVia Produktion Bestückung (Kleben/Sintern/Löten) Multilayer pressen Microvias und Vias bohren Seite 11

12 Embedded Component Technology ECT ECT µvia: Aktive und passive Komponenten Eingebetteter Kondensator mit Kupferterminierung nach dem Öffnen der Kontaktflächen Seite 12

13 Embedded Component Technology ECT ECT µvia: Aktive und passive Komponenten ECT-µVia Produktion Bestückung (Kleben/Sintern/Löten) Multilayer pressen Microvias und Vias bohren Metallisieren und Strukturieren Seite 13

14 Embedded Component Technology ECT ECT µvia: Aktive und passive Komponenten 50 µm Aufsicht eingebetteter IC Microvia Verbindung auf IC Pad 200 µm Eingebetteter IC mit Microvia-Verbindung vor der Cu-Strukturierung Seite 14

15 Embedded Component Technology: Zukunftsweisende Lösungen Embedded Component Technology ECT Motivation ECT µvia ECT Flip Chip Bauelemente und Bestückung Aktives Implantat mit ECT Designanforderung Zusammenarbeit Umsetzung EDA-Tools Leiterplattenumsetzung ECT Zuverlässigkeit Seite 15

16 Embedded Component Technology ECT ECT Flip Chip: Eingebettete aktive Komponenten ECT-Flip Chip Produktion Kern mit Footprint für Flip Chip Bestücken (Flip Chip ACA) Multilayer pressen Weitere Leiterplattenprozesse Seite 16

17 Embedded Component Technology ECT ECT Flip Chip: Eingebettete aktive Komponenten ECT-Flip Chip chip first / face down Eingebetteter Nacktchip-ASIC Seite 17

18 Embedded Component Technology: Zukunftsweisende Lösungen Embedded Component Technology ECT Motivation ECT µvia ECT Flip Chip Bauelemente und Bestückung Aktives Implantat mit ECT Designanforderung Zusammenarbeit Umsetzung EDA-Tools Leiterplattenumsetzung ECT Zuverlässigkeit Seite 18

19 Embedded Component Technology ECT Verfügbarkeit von Bauelementen Passive Komponenten mit Kupferterminierung Widerstände 150 µm 330 µm Bauform 0402 Dicken von 150 µm bis 300 µm Kondensatoren 150 µm 330 µm Siliziumchips mit prozess-kompatibler Metallisierung ECT µvia Pads Cu NiPd Üblicherweise als Beistellung ECT Flip Chip Pads Wirebond Au Stud-Bumps Wafer-level Au-Bumps Seite 19

20 Embedded Component Technology ECT Bestückung bei einem Leiterplattenhersteller? Paradigmenwechsel Bestückung von Komponenten, die eingebettet werden, beim Leiterplattenhersteller ESD Bauelementelager / -bevorratung / -logistik / Schutzatmosphäre Seite 20

21 Embedded Component Technology: Zukunftsweisende Lösungen Embedded Component Technology ECT Motivation ECT µvia ECT Flip Chip Bauelemente und Bestückung Aktives Implantat mit ECT Designanforderung Zusammenarbeit Umsetzung EDA-Tools Leiterplattenumsetzung ECT Zuverlässigkeit Seite 21

22 Aktives Implantat mit ECT Designanforderungen Entwicklung eines robusten und zuverlässigen Prototypen-Designs Aktives Implantat sehr begrenzter Bauraum mit komplexen Störkonturen Bestehende Steckverbindungen mussten auf Grund des Volumenbedarfs eliminiert werden Kritische EMV, da verschiedene HF-Quellen (drahtloser Energie- & Datenübertragung) onboard Direkter Anschluss unterschiedlicher Aktoren & Sensoren Entwicklung einer geeigneten Teststruktur Seite 22

23 Aktives Implantat mit ECT Vorarbeiten Funktionsmuster mit Standard -Multilayeraufbau ASIC und µcontroller noch in gehäuster Variante verbaut Bestückung mit SMD-Komponenten Seite 23

24 Aktives Implantat mit ECT Vorarbeiten Funktionsmuster mit Multilayer und Kavität auf erste Innenlage ASIC µcontroller Bestückung mit Flip Chip-Komponenten auf 1. Innenlage Seite 24

25 Aktives Implantat mit ECT Entscheidung für Einbetttechnologie bei Wittenstein Vorteile von Embedded Components Reduzierung des Volumens Erhöhung der Robustheit Verbesserung der thermischen Performance durch optimierte Wärmeleitung Seite 25

26 Embedded Component Technology: Zukunftsweisende Lösungen Embedded Component Technology ECT Motivation ECT µvia ECT Flip Chip Bauelemente und Bestückung Aktives Implantat mit ECT Designanforderung Zusammenarbeit Umsetzung EDA-Tools Leiterplattenumsetzung ECT Zuverlässigkeit Seite 26

27 Embedded Component Technology ECT Zusammenarbeit in der Entwicklung Sehr enge Zusammenarbeit bereits in der Konzeptions- und Designphase für den Erfolg absolut notwendig Produkte mit ECT Produktidee Design Entwicklung Optimierung Konzept Entwurf Prototypen Serie Seite 27

28 Aktives Implantat mit ECT Zusammenarbeit in der Konzeptionsphase Einbetten von aktiven und passiven Bauelementen: Erste Design-Projektbesprechung, welche Möglichkeiten bestehen? Seite 28

29 Embedded Component Technology: Zukunftsweisende Lösungen Embedded Component Technology ECT Motivation ECT µvia ECT Flip Chip Bauelemente und Bestückung Aktives Implantat mit ECT Designanforderung Zusammenarbeit Umsetzung EDA-Tools Leiterplattenumsetzung ECT Zuverlässigkeit Seite 29

30 Aktives Implantat mit ECT Umsetzung in EDA-Tools am Beispiel von Cadence Allegro Umsetzung am Beispiel von Cadence Allegro im Flexbereich, Ältere Tools waren nur in der Lage Bauteile auf Top und Bottom zu setzen. Mittlerweile können Bauteile auf jeder Lage platziert werden. Spezielle DRCs überwachen die benötigten Fertigungsvorschriften. in offenen Kavitäten oder verpresst auf Innenlagen oder in Kernen. Seite 30

31 Aktives Implantat mit ECT Umsetzung in EDA-Tools am Beispiel von Cadence Allegro Lagendefinition Lage als embedded definieren Ausrichtung vorgeben Body Down Body Up Durchstoßen erlauben Protruding In benachbarten Lagen Kontaktierungsart Direkt Indirekt Seite 31

32 Aktives Implantat mit ECT Umsetzung in EDA-Tools am Beispiel von Cadence Allegro Bauteile Platzieren Quickplace Bauteile schnell & grob auf vordefinierte Lagen vorplatzieren Embedded_Pla Optional Anschließend nur noch verschieben Filterung von Embedded Components Board Layer als Auswahl für alle als Embedded gekennzeichneten Lagen Seite 32

33 Aktives Implantat mit ECT Umsetzung in EDA-Tools am Beispiel von Cadence Allegro Bauteile Platzieren DFA Support Abstandsregeln und online DRC Abstand zwischen einzelnen Bauteilen x-, y-richtung z-richtung S:E S:S E:E E:S side-end side-side end-end end-side Seite 33

34 Aktives Implantat mit ECT Umsetzung in EDA-Tools am Beispiel von Cadence Allegro Bauteile Platzieren Placement Replication Unterstützt Gruppen (Funktionsmodule) von embedded und normalen Bauteilen Embedded Components Seite 34

35 Aktives Implantat mit ECT Umsetzung in EDA-Tools am Beispiel von Cadence Allegro Substrate Cavities Geschlossene Kavität Aufgefüllte Aussparung Mögliche Höhen Zwischen 2 Lagen Über mehrere Lagen Offene Kavität Vertiefung in die Bauteile platzieren Mögliche Tiefe Über mehrere Lagen Trichter über Treppenstufen am Rand Seite 35

36 Aktives Implantat mit ECT Umsetzung in EDA-Tools am Beispiel von Cadence Allegro Manufacturing Output Leiterplattenquerschnitt Manufacturing Cross Section Chart Drill Legende Unterstützt Kavitäten Start:Stop Lagen Anzahl der Komponenten Artwork Film Records ODB++ Version 9.1 zukünftig IPC 2581 Seite 36

37 Embedded Component Technology: Zukunftsweisende Lösungen Embedded Component Technology ECT Motivation ECT µvia ECT Flip Chip Bauelemente und Bestückung Aktives Implantat mit ECT Designanforderung Zusammenarbeit Umsetzung EDA-Tools Leiterplattenumsetzung ECT Zuverlässigkeit Seite 37

38 Aktives Implantat mit ECT Umsetzung der Designanforderungen Leiterplattenaufbau Buried Vias ECT-µVia in den Kernen 40 µm Iso-Abstände auf Innenlagen für Flip Chip ECT-Flip Chip Microvias von Vorderund Rückseite (HDI-Aufbau 1-2b-2b-1) Starr-Flex 1F-5Ri Halboffene Durchkontaktierungen am Rand Seite 38

39 Aktives Implantat mit ECT Umsetzung der Designanforderungen Entwicklung eines robusten, zuverlässigen Prototypen-Designs Umsetzung durch Einsatz von Embedded Components (Nacktchip und Widerstände) Seite 39

40 Aktives Implantat mit ECT Umsetzung der Designanforderungen Da es sich um ein aktives Implantat handelt, ist der Bauraum sehr begrenzt. Umsetzung: Realisierung nur durch komplexe Abgrenzungen möglich Konstruktion der Baugruppe im 3D-Bauraum Seite 40

41 Aktives Implantat mit ECT Umsetzung der Designanforderungen Entwicklung der Starrbereiche an die Störkonturen angepasst. Design der Flexbereiche an geeigneten Positionen der Konstruktion, so dass Abwicklung zur 2D-Baugruppe entstehen kann. Seite 41

42 Aktives Implantat mit ECT Umsetzung der Designanforderungen Abwicklung der im 3D-Raum konstruierten Baugruppe Seite 42

43 Aktives Implantat mit ECT Umsetzung der Designanforderungen Verwendete Bauelemente ASIC als Nacktchip mit Au Stud-Bumps Passive Bauelemente Eingebetteter ASIC Eingebetteter Widerstand Seite 43

44 Aktives Implantat mit ECT Umsetzung der Designanforderungen Abtrennbare Teststruktur nach Programmierung, Test und Inbetriebnahme. Nach erfolgter Inbetriebnahme werden die Kontaktstrukturen abgetrennt. Trennstellen werden im Produkt vergossen. Seite 44

45 Aktives Implantat mit ECT Umsetzung der Designanforderungen Vergleich der Simulation und der bestückten Leiterplatte Seite 45

46 Aktives Implantat mit ECT Umsetzung der Designanforderungen Direkter Anschluss unterschiedlicher Aktoren & Sensoren Umsetzung: Wegfall weiterer Anschlussstecker durch direkte Kontaktierung an Leiterplattenkanten Seite 46

47 Embedded Component Technology: Zukunftsweisende Lösungen Embedded Component Technology ECT Motivation ECT µvia ECT Flip Chip Bauelemente und Bestückung Aktives Implantat mit ECT Designanforderung Zusammenarbeit Umsetzung EDA-Tools Leiterplattenumsetzung ECT Zuverlässigkeit Seite 47

48 Embedded Component Technology ECT Zuverlässigkeit ECT Flip Chip 5x Lötprozess bleifrei Zyklen - 40 C / C + Laminationsprozess + 5x Lötprozess bleifrei Kein Änderung des Widerstands in der Daisy Chain! C 15 min Keine Risse Keine Separation - 40 C 40 C bei 90 % rel. Luftfeuchte 200 / 500 / 1000h 125 C Wärme 200 / 500 / 1000h Seite 48

49 Embedded Component Technology ECT Zuverlässigkeit ECT µvia ECT-µVia Temperatur-Wechseltests Testpunkte Zyklen End-Of-Life Z6 Z5 Z4 Y6 Y5 Y4 X6 X5 X4 Seite 49

50 Embedded Component Technology: Zukunftsweisende Lösungen Zusammenfassung / Fazit Technologien zum Einbetten von aktiven und passiven Bauelementen Zusammenarbeit enorm wichtig für den Erfolg und bereits schon in der Planungsphase Vorserienmuster abgeschlossen Serie in Planung Seite 50

51 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Das Webinar wurde Ihnen präsentiert von Seite 51