Das Jahrzehnt der Systemintegration Heterogene Integrationstechnologien werden sich zunehmend durchsetzen

Die Heterointegration vereint alle Komponenten für Sensorik, elektrische Signal- und Datenverarbeitung, drahtlose Kommunikation und Stromversorgung zu einem Mikrosystem. Die Voraussetzung für die multifunktionalen Systeme, die sich schon in mittleren Volumen günstig produzieren lassen ist, dass Materialien, Aufbautechnik sowie Fertigungsausrüstung optimal zusammenspielen.

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Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM

Die Mikroelektronik wurde bislang eindeutig von der Fortentwicklung der Mikroprozessor- und DRAM-Technologien geprägt. Richtung: More than Moore. Aufgrund neuer Herausforderungen der Anwendermärkte und ökonomischer Restriktionen hat die europäische Halbleiterindustrie den weiteren Ausbau der CMOS-Technologie jedoch mehrheitlich zugunsten einer intelligenten Systemintegration zurückgestellt. Anstelle von Massenanwendungen setzen die europäischen Halbleiterhersteller allen voran Infineon, ST Microelectronics und NXP mit wachsendem Erfolg auf kundenspezifische, multifunktionale Systeme.

Allerdings verlangen diese Systeme die Integration von zusätzlichen Funktionen, wie Sensoren und Aktuatoren, Antennen und passiven Bauelementen auf der Basis einer höchstflexiblen Integrationstechnologie, die auch bei mittleren Volumina preiswert beherrscht werden kann. Hier setzen sich heterogene Integrationstechnologien, bei denen Komponenten unterschiedlichster Fertigungstechniken auf kleinstem Raum integriert werden, mehr und mehr durch. Ein weiterer Vorteil der Heterosystemintegration liegt in der kürzeren Umsetzungszeit bei gleichzeitiger Flexibilität und Nutzung vorhandener Peripherie und Fertigungsinfrastruktur.

Die Erhöhung der Zuverlässigkeit, die Integration von Sensoren und Aktoren sowie die Miniaturisierung und Anpassung an vorgegebene Bauräume werden weiterhin im Mittelpunkt der Arbeiten zur Systemintegration stehen. Breiteren Raum wird die Integration von Leistungselektronik im Zuge der Initiativen in Richtung Elektromobilität erlangen.

Anforderungen an die Systemintegration

Technologisch sind die 3D-Integration auf Wafer-Ebene, System in Package–Konzepte bei der Modulintegration und Embedding-Technologien im Baugruppenbereich sowie die Zuverlässigkeit weiterhin zentrale Themen.

Auch hinsichtlich der Zusammenarbeit zwischen Kunden und Elektronikanbieter einerseits sowie Forschung und Industrie andererseits steht die Heterointegration an der Schwelle zu einer neuen Arbeitsauffassung. Schneller als früher müssen heute anwendungsorientierte und produzierbare Lösungen geschaffen werden, die zudem auch bei kleinen und mittleren Volumina preiswert zu realisieren sind.

An Bedeutung zunehmen werden in diesem Zusammenhang Aktivitäten im Bereich der Produkt- und Fertigungsqualifizierung einschließlich der Entwicklung entsprechender Teststrategien. Das Fraunhofer IZM beispielsweise treibt diese Thematik für die 3D-Waferlevel-Integration mit einer 300mm-Wafer-Linie in Dresden und mit einer Linie für multifunktionale Substrate in Berlin voran. Parallel dazu wird das Angebot im Bereich der Zuverlässigkeitsforschung in Richtung kombinierter Belastungen (etwa Feuchte, Vibration und Temperaturwechsel) und der Lebensdauervorhersage ausgebaut.

Ändern wird sich zumindest in Teilen der Systemansatz. Stand in der Vergangenheit die Bereitstellung von Stand-Alone-Systemen, die gleichsam wie eine Komponente nachträglich in das aufnehmende System (Auto, Implantat, Smart Phone etc.) integriert werden, im Vordergrund, ist in der Zukunft ein Verschmelzen der Multifunktionselektronik mit dem aufnehmenden System zu erwarten. Damit einher geht die Forderung nach einer gemeinsamen, konsequent an den Applikationsanforderungen ausgerichteten Entwicklungsarbeit.

Darüber hinaus muss auch die Systemintegration den Übergang vom Mikro- in den Nanobereich so wie bei integrierten Schaltkreisen auch bei Sensoren,Aktuatoren passiven Bauelementen sowie bei der entsprechenden Aufbau- und Verbindungstechnik beherrschen.

Integrationstechnologien für spezifische Systeme

Zur Erfüllung der im vorangegangenen Abschnitt aufgezeigten Anforderungen an zukünftige elektronische Systeme und die entsprechenden Integrationstechnologien ist eine optimierte Wechselwirkung zwischen Materialeigenschaften, Aufbautechnologie und Fertigungsequipment im Mikro- und Nanobereich notwendig. Da das Gesamtsystem oft nur noch Abmessungen von wenigen Millimetern besitzt, sind Komponentenausmaße von einigen hundert Mikrometern an der Tagesordnung, was z.B. für Verdrahtungsstrukturen, Kontakte, Funktionsschichten die Beherrschung von Prozessen im Nanometerbereich bedeutet.

Dabei ist nicht nur die technologische Handhabung, sondern auch ein Verständnis der physikalischen Effekte (Spezifika von Materialeigenschaften, Gerätemerkmale, Prozessparametern, Ausfallmechanismen, etc. unter funktionalen Gesichtspunkten) unabdingbar. Erschwerend kommt hinzu, dass sich aufgrund der Komplexität und engen Verknüpfung unterschiedlicher Systempartner eine partielle Mess- und Prüftechnik meist nicht realisieren lässt. So sind erfolgreiche Entwicklungen eigentlich nur durch von Beginn an gemeinsame Abstimmung zwischen funktionalem Systementwurf, Material- und Technologieoptimierung, Geräte- und Prozessentwicklung sowie Design for Reliability möglich.

Zur Verdeutlichung der genannten Aspekte sollen im Folgenden die für die zukünftige Mikro-Nano-Integration äußerst bedeutsamen Technologiebereiche dargestellt werden.

Integrationstechnologien auf Wafer-Ebene

Um gerade die elektrische Performance zu erfüllen, werden heute bei den Dünnfilmtechnologien auf dem prozessierten CMOS-Wafer Umverdrahtung, integrierte Passive und gedünnte Aktive (Dicke: <20 µm) sowie Bumping kombiniert. Multilayer aus Polymer (z.B: Polyimid, BCB) und Metall (z.B. Al, Cu) bilden die Basis innerhalb des BEOL-Stadiums. Der Basischip wird als aktives Substrat genutzt. Die gedünnten Chips werden auf einem Carrier-Wafer prozessiert, gesägt und auf dem Basischip fixiert.

Eine vielfach einsetzbare Technologie für die dreidimensionale Modularisierung sind so genannte Interposer mit Durchkontaktierungen. Diese Interposer sind als passive Substratträger (z.B. aus Silizium, Glas, Keramik) besonders für die Systemintegration geeignet, da nur sie sehr flexibel den Erfordernissen bezüglich Verdrahtungsdichte, Komponenten-Layout und Anwendungsanpassung entsprechen, wie sie z. B. für den Aufbau multifunktionaler Sensorsysteme notwendig sind. Darüber hinaus spielt der Interposer als passiver Verdrahtungsträger für die Integration von Komponenten wie Widerständen, Kapazitäten, Induktivitäten, Filtern und Antennen eine entscheidende Rolle. Dies ermöglicht neben den Vorzügen eines geringen Formfaktors auch eine bessere elektronische Performance, speziell für Wireless-Komponenten im Kommunikationsbereich. Nicht zuletzt kann zukünftig der Interposer auch für Kühlkonzepte, optische Interconnects oder für die integrierte Energieversorgung eingesetzt werden.

Einbetttechnologien auf Basis polymerer Substrate

Bei der Einbetttechnik werden digitale wie auch nicht-digitale Funktionen (z.B. analog, MEMS) in das Substrat (starr oder flex) integriert. Sowohl passive (z.B. Filter, Antennen,) als auch aktive Komponenten (gedünnte ICs, Sensorschichten, etc.) können realisiert werden. Dieser Ansatz verspricht neben höheren Integrationsdichten bessere funktionale Eigenschaften (z.B. HF) sowie eine verbesserte Zuverlässigkeit. In Abhängigkeit vom speziellen Aufbau und einer optimierten Prozesskette sind auch günstigere Fertigungskosten realisierbar.

Hierzu werden die aktiven und passiven Bauelemente (oft gedünnt) oberflächenbündig oder in Kavitäten mit der freigestellten aktiven Seite auf dem Polymersubstrat bestückt und mittels Laminieren oder anderer Multilayer-Beschichtungstechnologien (Dielektrikum, Metall) verdrahtet. Ein anschließendes Kontaktieren weiterer Komponenten auf der Oberfläche ermöglicht ein 3D-Stacking. Spezielle Moldingprozesse sorgen für die dauerhafte, präzise Ausrichtung der Komponenten und einen hinreichenden Schutz gegen äußere Einwirkungen. Entsprechende Anforderungen zum Einsatz derartiger Technologien gibt es verstärkt aus Anwendungsbereichen der Identifikation (z.B. Smart Cards, Dokumentenechtheit) oder der Sicherheitstechnik.

Übergang vom Mikro- zum Nano-Packaging

Der Übergang von Mikro- zu Nanoabmessungen der an der Aufbautechnik beteiligten Partner (Komponenten, Packages, Substrate, Anschlusstrukturen, etc.) muss so gestaltet werden, dass die technologische Lösung hinsichtlich Form, Funktionalität (elektrisch, optisch, mechanisch, etc.) und Zuverlässigkeit des Systems (z.B. Hochtemperatur, Harsh Environment) nicht zum begrenzenden Faktor wird.

Neue Strukturierungs- und Kontaktierungsmethoden (z.B. durch den Einsatz von Nanomaterialien und -technologien oder auf Basis von gedünnten Komponenten und sehr dünnen Schichten) ermöglichen hier sehr kleine, leichte und multifunktionale Systemformate (z.B. durch 3D Waferlevel-Integration oder durch das Die- und Package-Stacking).

Dem Rechnung tragend werden Forderungen nach Forschung und Entwicklung für die Aufbau- und Verbindungstechnik mittelfristig verstärkt im unteren Mikro- und Submikrobereich, langfristig im Nanobereich angesiedelt sein. Schwerpunkte sind in erster Linie die technologische Realisierung und die Charakterisierung von Submikro-Verbindungsstrukturen (z.B. Schichten, Kontakte, Interfaces), der Einsatz von neuen Materialien und Prinzipien (Nanomaterialien, Nano-Oberflächenmodifikationen, Nano-Verbindungselemente, Low-Temperature-Bonding) sowie die Randbedingungen und Einsatzgrenzen hinsichtlich funktionaler Anforderungen (z.B. Hochfrequenz, Optoelektronik, Sensorik, Power-Elektronik).

Fazit: Produzierbare Lösungen für mittlere Volumen

Die Heterointegration ist auf dem Weg, zur treibenden technologischen Kraft im Bereich mikroelektronischer Systeme zu werden. Verbesserte Zuverlässigkeit, Integration von Sensoren und Aktoren und Miniaturisierung sind weiterhin zentrale Entwicklungspunkte. Stärker im Fokus als bisher werden anwendungsorientierte, produzierbare Lösungen, die auch bei mittleren Volumina preiswert zu realisieren sind, sowie die Geräte-, Produkt- und Fertigungsqualifizierung einschließlich Design- und Teststrategien stehen.

* * Dr.-Ing. Dr. sc. techn. Klaus-Dieter Lang ist kommissarischer Leiter des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM in Berlin. Arbeitsschwerpunkte sind Integrationstechnologien für Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik auf Wafer-, Modul- und Leiterplattenebene.

* Dipl.-Ing. Harald Pötter leitet am Fraunhofer IZM das Applikationszentrum Smart System Integration, das Unternehmen beim Einstieg in die Mikrosystemtechnik unterstützt. Darüber hinaus ist er für den Bereich Marketing und Öffentlichkeitsarbeit des Fraunhofer IZM verantwortlich.

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