Großartige Miniaturtechnik

Bei der Herstellung von Kameramodulen auf Basis von Image-Sensoren werden „nackte“ CMOS-Sensoren mit der Chip-on-Board-Technologie direkt auf die Leiterplatte geklebt und anschließend gebondet. Auch viele andere Geräte lassen sich heute nur noch mit derartigen Technologien realisieren und verkleinern. Doch das sehr spezielle Know-how ist bei den Herstellern oft rar, die notwendige Ausrüstung teuer und bei (Anfänger-)Fehlern summieren sich die Kosten schnell. Besser ist oft, was selbst große Unternehmen tun: einen erfahrenen Dienstleister mit diesen Packaging-Aufgaben zu betrauen.

Mikroelektronik hat in Dresden Tradition: Schon 1961 wurde hier die Arbeitsstelle für Molekularelektronik geschaffen. (Anm. d. Red.: Laut Wikipedia ging daraus später der das Zentrum Mikroelektronik Dresden hervor, das in den 1980er Jahren als Herzstück der DDR-Mikroelektronik-Forschung galt. 1988 produzierte das ZMD den ersten Ein-Megabit-Speicherchip der DDR. 1993 wurde die ZMD GmbH gegründet und 2001 in eine AG umgewandelt.)

Im Jahr 2000 wurde in Dresden der Silicon Saxony e. V. gegründet als Netzwerk der Halbleiter-, Elektronik- und Mikrosystemindustrie. Die Firma Microelectronic Packaging Dresden (mpd) gehört zu den Gründungsmitgliedern. Das Unternehmen spezialisierte sich auf Dienstleitungen für Aufbau- und Verbindungstechnik – kurz AVT – von Mikroelektronischen Komponenten und Module. Eine zentrale Technologie ist dabei das Chip-on-Board-Packaging (COB). Das 1996 als Spin-Off des ZMD gegründete Unternehmen gehört seit 2005 zur börsennotierten Silicon Sensor International AG und beschäftigt 140 Mitarbeiter. Viele davon können auf jahrzehntelange Erfahrung im Bereich der AVT von Mikroelektronik zurückblicken. Damit kann der Packaging-Dienstleister ereits in der Entwicklungsphase eines neuen Produktes sein über die Jahre erlangtes Know-how einbringen und die für den Kunden beste Lösung finden. Gleichzeitig hat das Unternehmen eine moderne Produktion mit 2.690 Quadratmeter Reinräumen der Klassen 100.000, 10.000 und 100. Alles wird hier gefertigt – vom Prototyp über Muster, kleine und mittlere Serien bis zu Großserien von mehreren Millionen Stück pro Jahr.

Chip on Board

Die Packaging-Experten kommen aber nicht erst in der Produktionsphase ins Spiel. „Die Produktentwicklung selbst ist natürlich Sache des Kunden, das Erstellen des elektronischen Schaltkreises beispielsweise ist ja eine Kernkompetenz, die er nicht aus der Hand geben mag,“ erläutert Thomas Ruf, Sales Manager bei Microelectronic Packaging Dresden. „Trotzdem können wir schon in der Entwicklungsphase beratend eingreifen und in Zusammenarbeit mit dem Kunden zum Beispiel das Leiterplattenlayout optimieren und geeignete Werk- und Klebstoffe vorschlagen. Wenn es der Kunde will, kümmern wir uns auch um den kompletten Prozessfluss von der Entwicklung der Aufbau- und Verbindungstechnik, der Materialbeschaffung und Logistik zur Herstellung eines miniaturisierten Moduls nach den Kundenvorgaben. Dabei können wir unser Wissen der spezifischen Qualitätsnormen einbringen, zum Beispiel aus dem Bereich Automotive oder der Medizintechnik. Und schließlich bauen wir die einzelnen Komponenten zusammen.“

Die COB-Montage ist eine Hauptkompetenz der Dresdener. „Wir bauen zum Beispiel auch Drucksensoren, Mikrofonmodule, Multichipmodule oder passen bereits vorhandene Standardsensoren an individuelle Verpackungsbedürfnisse an,“ so Ruf weiter. „Somit haben wir über die Jahre in sehr unterschiedlichen Projekten Erfahrungen mit der Chip-on-Board-Technologie sammeln können. Das in einer Anwendung erworbene Wissen lässt sich oft auf ein Projekt aus einem völlig anderen Bereich übertragen.“

Präzision

Hohe Anforderungen an das Packaging stellen beispielsweise Image-Sensoren. Sie werden unter strengsten Reinraumbedingungen verarbeitet, denn bereits ein einziges Staubkorn kann den optischen Chip unbrauchbar machen. Außerdem werden die Sensoren oft unter rauen Umgebungsbedingungen eingesetzt. So müssen sie mancherorts mit Spritzwasser, Vibrationen oder Temperaturunterschieden von Minus 45 bis plus 150 Grad Celsius klarkommen. Während es in den meisten Fällen reicht, einen Chip „irgendwie“ auf der Leiterplatte oder einem Keramiksubstrat zu positionieren, sind bei optischen Chips die Toleranzen für Position und Kippwinkel äußerst eng.

Besonders wichtig ist, die Folgen von Temperaturänderungen im späteren Betrieb zu berücksichtigen. Leiterplatten und Chips dehnen sich unterschiedlich aus; das stresst die Komponenten und Verbindungsstellen. Nach der Montage wird über den Image-Sensor beispielsweise ein Spritzgussgehäuse mit M12-Innengewinde für das Kameraobjektiv gesetzt. Das Objektiv wird eingeschraubt und zusätzlich verklebt, um das Eindringen von Staub und Verschmutzungen zu vermeiden. Auch hier muss man die unterschiedlichen Werkstoffe und deren verschiedene Ausdehnungsverhältnisse kennen. „Die eingesetzten Werkstoffe bestimmen in entscheidendem Maß die Qualität und Zuverlässigkeit der Aufbauten“ meint Ruf. „COB hängt wesentlich von der Boardqualität ab. Aber auch die eingesetzten Klebstoffe müssen gut ausgewählt sein. Welche Klebstoffe für welche Materialien und Umgebungsbedingungen eingesetzt werden müssen, damit die Klebeverbindung auch über Jahre hinweg dicht bleibt, das wissen wir nicht nur aus irgendwelchen Datenblättern, sondern wirklich aus dem praktischen Einsatz.“
Weil die Dresdener neben sehr großen Stückzahlen zudem in kurzer Zeit Prototypen fertigen können, sind sie auch in verschiedene Forschungsprojekte eingebunden. Ein Beispiel ist das Projekt „Fahrerinformationssystem der nächsten Generation“ in der Automobilbranche. „Bei der Prototypenfertigung braucht es schon etwas mehr Handarbeit als in der Großserienfertigung,“ erklärt Thomas Ruf. „Trotzdem sind wir in der Lage, in einem sehr frühen Entwicklungs- oder Forschungsstadium Prototypen in Originalgröße zu erstellen.“ Somit können die Packaging-Experten all jene unterstützen, die Chip-on-Board-Lösungen als Prototypen, Muster, in Kleinst- oder Größtserien benötigen aber im eigenen Haus nicht herstellen können oder wollen. Nora Crocoll, Dietrich Homburg