Embedded Component Technology Zukunftsweisende Lösungen

Embedded Component Technology Zukunftsweisende Lösungen

Embedded Component Technology Zukunftsweisende Lösungen Ihre Referenten heute Jürgen Wolf Forschung und Entwicklung juergen.wolf@we-online.de +49 7955 388807-152 Michael Matthes WITTENSTEIN electronics GmbH michael.matthes@wittenstein.de +49 7931 493-10384 Arndt Bär Moderator arndt.baer@we-online.de Seite 2

WITTENSTEIN AG eins sein mit der Zukunft Mit weltweit rund 1.800 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 (www.wittenstein.de) mit rund 60 Tochtergesellschaften und Vertretungen in etwa 40 Ländern in allen wichtigen Technologie- und Absatzmärkten der Welt vertreten. Seite 3

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Embedded Component Technology ECT Zuverlässigkeit ECT Flip Chip 5x Lötprozess bleifrei + 1.000 Zyklen - 40 C / + 125 C + Laminationsprozess + 5x Lötprozess bleifrei Kein Änderung des Widerstands in der Daisy Chain! + 125 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

Embedded Component Technology ECT Zuverlässigkeit ECT µvia ECT-µVia Temperatur-Wechseltests Testpunkte 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Zyklen End-Of-Life Z6 Z5 Z4 Y6 Y5 Y4 X6 X5 X4 Seite 49

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

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