Advanced Packaging in der Halbleiterfertigung Nanometergenaue Bewegung: Präzisionssteuerung als Schlüsseltechnologie

Die Trennlinien zwischen Waferfertigung und Gehäuseintegration verschwinden. Mit dem Aufstieg von Advanced Packaging wird das Backend zur Hochpräzisionsdomäne – und damit zum strategischen Schlüsselfaktor in der Halbleiterproduktion. Aerotech trägt mit hochpräziser Motion-Control-Technologie zur Effizienzsteigerung und Weiterentwicklung moderner Advanced-Packaging-Prozesse bei.

Die Grenzen zwischen Front-End- und Back-End-Prozessen in der Halbleiterfertigung verschwimmen zunehmend. Was früher zwei getrennte Welten waren, wächst mit dem Aufkommen des Advanced Semiconductor Packaging zu einem hochintegrierten Fertigungsprozess zusammen. Neue Architekturen wie Fan-Out Wafer-Level-Packaging (FOWLP), 2.5D/3D-IC-Stacks, heterogene Integration oder System-in-Package (SiP) verlangen ein Maß an Präzision, das bisher ausschließlich der Front-End-Lithografie vorbehalten war. Für die Hersteller bedeutet das: Nur wer seine Prozesse konsequent automatisiert und bis in den Nanometerbereich beherrscht, kann in der neuen Generation der Chipfertigung bestehen.

„Diese neuen Methoden und Architekturen erfordern ein Maß an Präzision, das bisher ausschließlich dem Front-End vorbehalten war“, erklärt Justin Bressi, Business Development Manager beim Motion-Control-Spezialisten Aerotech. „Der Packaging-Prozess ist heute ein integraler Bestandteil der Systemleistung und -funktionalität. Damit er wirtschaftlich skalierbar bleibt, braucht es hochentwickelte Automatisierungssysteme mit exakter Bewegungssteuerung.“

Advanced Packaging als Antwort auf neue Integrationsanforderungen

Lange galt das Packaging als reine Schutz- und Verbindungsschicht – eine finale, vergleichsweise robuste Stufe der Chipproduktion. Mit dem Siegeszug datenintensiver Anwendungen, Hochleistungsrechner (HPC), KI-Systeme, IoT-Geräte und der Automobil-Elektronik hat sich das verändert. Advanced Semiconductor Packaging ermöglicht es, mehrere Dies – also einzelne, aus einem Silizium-Wafer ausgeschnittene Halbleiterchips – aus unterschiedlichen Prozessknoten in einem einzigen, funktional abgestimmten Gehäuse zu integrieren. Dadurch werden Engpässe im elektrischen Design beseitigt, die Energieeffizienz gesteigert und die Fertigungskosten gesenkt.

Damit rücken Toleranzen, die einst im Mikrometerbereich lagen, in den Nanometerbereich. Prozesse wie das Hybridbonden oder die Die-to-Interposer-Montage verlangen eine sechsdimensionale Ausrichtung – in X, Y, Z sowie auf den drei Rotationsachsen. Schon kleinste Abweichungen können die elektrische Performance beeinträchtigen oder ganze Chargen unbrauchbar machen.

„In vielen Fällen reichen einfache, wenig präzise Bestückungsroboter nicht mehr aus“, sagt Justin Bressi. „Hersteller benötigen hochentwickelte Systeme, die dynamische Steuerung und Positionsstabilität auf Nanometerebene ermöglichen.“ Nur so lasse sich der Spagat zwischen Präzision und Durchsatz bewältigen – eine zentrale Voraussetzung, um wirtschaftliche Erträge und Prozesssicherheit in Einklang zu bringen.

Taiwan als Epizentrum des Wandels

Kaum eine Region steht so sehr für die Transformation des Packagings wie Taiwan. Der weltgrößte Foundry-Betreiber TSMC treibt die Entwicklung mit seiner Chip-on-Wafer-on-Substrate-Technologie (CoWoS) maßgeblich voran. Jahrzehntelang lag der Fokus taiwanesischer Hersteller auf der Front-End-Produktion – das Packaging war ausgelagert an OSAT-Dienstleister (Outsourced Semiconductor Assembly & Test).

Mit den neuen Architekturen hat sich das geändert: Um Qualität, Ertrag und Performance besser zu kontrollieren, bringen die führenden Produzenten zunehmend Packaging-Kompetenz ins eigene Haus. „Dieses zunehmende Maß an vertikaler Integration ermöglicht eine bessere Kontrolle über die gesamte Lieferkette“, so Justin Bressi. „Das ist entscheidend, um die anspruchsvollen Spezifikationen moderner Chips für HPC, KI und hochintegrierte Module zu erfüllen.“

Diese Verlagerung eröffnet zugleich Raum für Innovationen. Da es für viele neu entstehende Prozesse noch keine standardisierten Anlagen gibt, arbeiten Foundrys und lokale Maschinenbauer eng zusammen, um maßgeschneiderte Werkzeuge und Subsysteme zu entwickeln. Aerotech ist in diese Zusammenarbeit eingebunden und liefert präzise Bewegungssteuerungssysteme, die in Reinräumen und Ultrahochvakuumumgebungen (UHV) zuverlässig arbeiten.

Präzision, Dynamik und Stabilität – Schlüsselanforderungen an die Bewegungssysteme

Die Kernanforderung des Advanced Semiconductor Packaging ist eine Positioniergenauigkeit im Nanometerbereich, kombiniert mit hoher Dynamik und mechanischer Stabilität. Das Hybridbonden beispielsweise erfordert die präzise Kontrolle von Kräften im Bereich weniger Millinewton, um eine zuverlässige Verbindung zu gewährleisten, ohne empfindliche Strukturen zu beschädigen.

„Diese Prozesse sind ohne Geräte, die sich auf hochmoderne Motion-Control-Systeme für kritische Prozessschritte verlassen, einfach nicht möglich oder skalierbar“, betont Justin Bressi.

Zur Realisierung dieser Präzision setzt Aerotech auf Technologien wie luftgelagerte Achsen, vibrationsoptimierte Servoantriebe und kraftgeregelte Feedback-Schleifen, die geometrische Fehlerbewegungen nahezu eliminieren. Durch integrierte Sensorik und aktive Kompensation lassen sich Positionsabweichungen von wenigen Nanometern erreichen (Abb. 1+2).

Gleichzeitig spielt die Bewegungsdynamik eine entscheidende Rolle. In hochvolumigen Packaging-Linien muss das System schnelle Schritt- und Ausgleichsbewegungen ausführen, ohne Präzision einzubüßen. Fortschrittliche Controller – etwa Aerotechs Bewegungssteuerungsplattform Automation1 – bieten dazu aggressive Servoabstimmungen und modellbasierte Vorsteuerungen, die dynamische Fehler bei hohen Beschleunigungen minimieren (Abb.3).

Ein weiteres Kriterium ist die Kraftregelung. Gerade beim Stapeln von Dies oder beim Wafer-to-Wafer-Bonding entscheidet die exakte Einhaltung der Anpresskraft über den Erfolg der Verbindung. Durch integriertes Force-Feedback kann die definierte Kraft präzise nachgeführt werden, wodurch Ausschussraten sinken und Prozesswiederholbarkeit steigt.

Robuste Systeme für anspruchsvolle Umgebungen

Neben Präzision und Dynamik müssen die Systeme den besonderen Bedingungen der Halbleiterfertigung standhalten. Reinräume und Vakuumkammern verlangen nach schwingungsarmen, partikelarmen und thermisch stabilen Komponenten. Aerotech kombiniert hierzu passive und aktive Isolationssysteme mit thermischen Kompensationsstrategien. So lassen sich interne Wärmelasten reduzieren und unerwünschte Driftbewegungen ausgleichen.

Damit werden Präzisionsbewegungssysteme zu missionskritischen Subsystemen innerhalb der Prozesswerkzeuge – sie tragen direkt zur Ausbeute, Prozesssicherheit und Anlagenverfügbarkeit bei. „Präzisionsbewegung ist keine Hilfsfunktion mehr“, ist sich Justin Bressi sicher. „Sie ist eine Kerntechnologie, die die Leistungsfähigkeit der gesamten Produktionslinie bestimmt.“

Kooperation als Innovationsmotor

Da viele Packaging-Prozesse neu und nicht standardisiert sind, kommt der strategischen Zusammenarbeit zwischen Chipproduzenten und Ausrüstern eine Schlüsselrolle zu. Wer Packaging-Kapazitäten ins eigene Haus holt, verkürzt seine Feedback-Schleife zwischen Design, F&E und Fertigung – ein entscheidender Vorteil in einem Umfeld, das sich technologisch permanent wandelt.

„Durch enge Zusammenarbeit mit Apparateherstellern können Chipproduzenten gemeinsam maßgeschneiderte Werkzeuge und Prozesse entwickeln, die für neue Technologien benötigt werden, für die es bisher noch keine Standardlösungen gibt“, erklärt Justin Bressi. Aerotech ist als Partner in solche Entwicklungsprojekte eingebunden und liefert die Bewegungsplattformen, die den Prozess präzise steuerbar machen.

Der Nutzen liegt auf beiden Seiten: Die Hersteller profitieren von spezifisch angepassten Systemen, während Aerotech frühzeitig Einblick in neue Prozessanforderungen erhält – ein Wissensvorsprung, der wiederum in die Produktentwicklung einfließt.

Motion Control als Enabler der nächsten Halbleitergeneration

Das Advanced Semiconductor Packaging verschiebt die Grenzen des Machbaren in der Halbleiterfertigung. Angesichts der Verlangsamung des Moore’schen Gesetzes ist es der zentrale Hebel, um Rechenleistung, Energieeffizienz und Integrationsdichte weiter zu steigern. Doch mit wachsender Komplexität der Chips steigt auch die Bedeutung präziser, stabiler und reproduzierbarer Bewegungsabläufe.

„Advanced Packaging erweitert die Grenzen dessen, was in der Halbleiterfertigung möglich ist“, fasst Justin Bressi zusammen. „Um diese Chancen zu nutzen, müssen Chiphersteller eng mit ihren Technologiepartnern zusammenarbeiten – und Motion Control ist dabei ein unverzichtbarer Bestandteil des Erfolgs.“

Glossar: Wichtige Begriffe

• 2.5D/3D-IC: Mehrlagige Chip-Architekturen, bei denen Halbleiterchips entweder nebeneinander auf einem Interposer (2.5D) oder übereinandergestapelt (3D) werden.

• Advanced Semiconductor Packaging (ASP): Sammelbegriff für moderne Packaging-Technologien, die mehrere Chips in einem Gehäuse integrieren, um Leistung, Energieeffizienz und Integrationsdichte zu steigern.

• CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate): Von TSMC entwickelte Packaging-Technologie, bei der Chips auf Wafern platziert und anschließend auf ein Substrat montiert werden.

• Die / Dies: Einzelne Halbleiterchips, die aus einem Wafer herausgeschnitten werden. Mehrere Dies können gemeinsam in einem Gehäuse integriert oder gestapelt werden, um komplexe Systemfunktionen zu ermöglichen.

• FOWLP (Fan-Out Wafer-Level Packaging): Packaging-Verfahren, bei dem ein Chip bereits vor der Wafer-Vereinzelung um zusätzliche I/O-Verbindungen erweitert wird.

• Heterogene Integration: Kombination von Chips mit unterschiedlichen Technologien, Prozessknoten oder Materialien in einem einzigen Gehäuse.

• Hybridbonden: Präzisionsverfahren zum direkten Verbinden von Chips oder Dies auf Substraten mit äußerst hoher Genauigkeit und kontrollierter Anpresskraft.

• SiP (System-in-Package): Integration mehrerer elektronischer Funktionen – etwa Prozessor, Speicher und Sensoren – in einem gemeinsamen Gehäuse.

• Wafer: dünne, scheibenförmige Siliziumplatte, auf der integrierte Schaltkreise gefertigt werden. Nach der Bearbeitung werden einzelne Dies aus dem Wafer herausgetrennt.

 (sb)

* Wolfram Wiese ist PR-Fachredakteur bei PRX Agentur für Public Relations in Stuttgart.

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