Viele technische Geräte oder Module werden heute immer kleiner. Solche Hightech-Lösungen müssen nicht nur entwickelt, sondern auch produziert werden. Die Miniaturisierung setzt bei der Herstellung aber deutlich mehr Know-how voraus als ehemals zum einfachen Bestücken einer Platine nötig war. Ein Beispiel ist die Herstellung von Kameramodulen auf Basis von Image-Sensoren. Hier 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 auf Basis solcher Technologien realisieren und verkleinern, Grund genug, einen erfahrenen Dienstleister mit diesen Packaging-Aufgaben zu betrauen.
Forschung und Entwicklung rund ums Thema Mikroelektronik hat in Dresden Tradition. Schon 1961 wurde hier die Arbeitsstelle für Molekularelektronik geschaffen, und nicht umsonst gründete man in Dresden im Jahr 2000 den Silicon Saxony e.V. als Netzwerk der Halbleiter-, Elektronik- und Mikrosystemindustrie. Die Microelectronic Packaging Dresden, kurz mpd (Bild 1), gehört zu den Gründungsmitgliedern. Das Unternehmen hat sich auf Dienstleistungen für Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) von Mikroelektronischen Komponenten und Modulen spezialisiert. Eine zentrale Technologie ist dabei das Chip-on-Board (COB)-Packaging. Das 1996 als Spin-off des ZMD (Zentrum Mikroelektronik Dresden) gegründete Unternehmen gehört seit 2005 zur börsennotierten Silicon Sensor International und beschäftigt 140 Mitarbeiter. Viele davon können auf jahrzehntelange Erfahrung im Bereich der AVT von Mikroelektronik zurückblicken. Damit kann der Packaging-Dienstleister bereits in der Entwicklungsphase eines neuen Produktes sein über die Jahre erlangtes Wissen einbringen und die für den Kunden ideale Lösung finden. Gleichzeitig hat das Unternehmen eine moderne Produktion mit 2690 m² Reinräumen der Klassen 100.000, 10.000 und 100. Alles – vom Prototyp über Muster, kleine und mittlere Serien bis zu Großserien von mehreren Millionen Stück pro Jahr – wird hier gefertigt.
Von der Idee zum fertigen Produkt
Die COB-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, sagt Thomas Ruf (Bild 2), 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, beispielsweise 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.“
Höchste Anforderung an 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 – 45 °C bis sogar + 150 °C 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 (Bild 3). Besonders wichtig ist es, 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 (Bild 4). 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. Hier wissen wir aus Erfahrung, welche Klebstoffe für welche Materialien und Umgebungsbedingungen eingesetzt werden müssen, damit die Klebeverbindung auch über Jahre hinweg dicht bleibt. Und das wissen wir nicht nur aus irgendwelchen Datenblättern, sondern wirklich aus dem praktischen Einsatz.“ Da 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“, so Ruf dazu. „Trotzdem sind wir in der Lage, in einem sehr frühen Entwicklungs- oder Forschungsstadium Prototypen in Originalgröße zu erstellen.“ Somit können die Packaging-Experten all die unterstützen, die Chip-on-Board-Lösungen als Prototypen, Muster oder in Kleinst- beziehungsweise Großserien benötigen, aber im eigenen Haus nicht herstellen können oder wollen.
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