30 años de AVT en microelectrónica

El Instituto Fraunhofer de Fiabilidad y Microintegración IZM celebró su 30 aniversario en septiembre. Organizó el simposio internacional "Cruzando fronteras en microelectrónica", seguido de una ceremonia y un encuentro.

El Instituto Fraunhofer de Fiabilidad y Microintegración IZM tiene su sede en un edificio histórico de BerlínElinstituto de investigación, que hoy emplea a más de 400 personas en tres sedes, fuefundadopor un grupo de 21 científicos de Alemania. En 1987, el profesor Herbert Reichl asumió la Cátedra de Tecnologías Microperiféricas de la Universidad Técnica de Berlín. Por aquel entonces, las tecnologías microelectrónicas también se desarrollaban rápidamente en Alemania, pero la brecha entre circuitos cada vez más pequeños y envases ineficaces era muy grande. Por tanto, era necesario centrarse más en la tecnología de envasado y reunir a los fabricantes de chips y las aplicaciones industriales. Así nació la idea de crear el Instituto Fraunhofer de Fiabilidad y Microintegración IZM.

La historia: construir, conectar e integrar

Bajo la dirección de Herbert Reichl, un grupo de científicos de TU y HU Berlín y de la Academia de Ciencias de Chemnitz se unieron y consiguieron reunir la investigación de Alemania Occidental y Oriental en diciembre de 1993. El Instituto Fraunhofer de Investigación sobre Fiabilidad y Microintegración se puso en marcha con la misión de desarrollar una tecnología de envasado e interconexión competitiva para la industria. Esto debía lograrse mediante tecnologías que aún no existían en Europa y que abrirían campos de aplicación industrial completamente nuevos para los fabricantes de chips. El objetivo era convertir a Alemania en un centro científico de la microelectrónica. El primer acuerdo de cooperación se firmó con el centro de investigación "Tecnologías microperiféricas" de la TU de Berlín, y el instituto también colaboró estrechamente con la universidad en términos de personal.

El primer éxito se logró en el año de fundación

Por primera vez en Europa, se investigó el uso de placas de circuito impreso de polímero de bajo coste para el montaje de flipchips con el fin de lograr una producción más rentable. En el montaje de flipchips, los chips semiconductores sin alojar se voltean y se conectan a un sustrato con toda la cara de contacto activa mediante protuberancias en lugar de conexiones de cables. Este proceso reduce significativamente el coste de las obleas individuales y el espacio necesario en el chip. Sólo dos años después, los científicos pusieron en marcha la primera línea de montaje de flipchips en Europa y colaboraron con los principales fabricantes de equipos y dispositivos para demostrar las posibilidades de esta tecnología. Debido a su gran éxito en la industria y la ciencia, al IZM se le concedió el estatus de instituto oficial y quedó así plenamente establecido dentro de la Fraunhofer-Gesellschaft.

Destacados participantes siguieron la ceremonia

Primera aplicación destacada de la tecnología flipchip

La primera aplicación destacada de la tecnología flipchip tuvo lugar en 1997 a través de la investigación sobre el uso de detectores de píxeles en aceleradores de partículas y ha sido la base de la colaboración entre el CERN y el IZM hasta el día de hoy. En aquel momento, los empleados produjeron un demostrador de un módulo detector basado en la tecnología flipchip, que luego se utilizó en el CERN. La línea flipchip demostró que la tecnología de IZM podía integrarse en una línea de producción de tecnología de montaje superficial (SMT) y, por tanto, estaba lista para su introducción en la industria. Gracias a este excelente ejemplo, muchas PYME se convirtieron en clientes del instituto.

Diversas ubicaciones, personal y volumen de negocio

Expertos de la AVT debaten durante la pausa para el caféEnlas distintas sedes, no sólo se creó personal, sino también nuevas áreas temáticas: en 1998, se estableció un departamento y una sucursal en Teltow que ampliaron la cartera del instituto para incluir materiales poliméricos y compuestos. Ese mismo año se fundó un grupo de proyectos en Paderborn en colaboración con la universidad de esa ciudad y se reforzó la cooperación con la Universidad Politécnica de Chemnitz, lo que dio lugar a la creación de un departamento en el campo de la tecnología de microsistemas y microsensores, que es independiente desde 2008. Del mismo modo, a partir de 2002, el IZM desarrolló su sucursal de Múnich hasta tal punto con las tecnologías rollo a rollo y oblea 3D que desde entonces se ha convertido en un instituto independiente.

En sólo diez años, IZM ha pasado de tener poco menos de 20 empleados a tener más de 200, y su facturación ha pasado de 1,4 millones de marcos en su año de fundación a 27,3 millones de euros en 2004.

Integración de aplicaciones en electrónica

A partir de 2003, la atención se centró cada vez más en la integración de aplicaciones en la electrónica. En la actualidad se siguen probando nuevos materiales más elásticos y flexibles. Así nació el mercado de los wearables y los textiles inteligentes, que sigue siendo un pilar importante del instituto hasta hoy. En IFA 2005, los empleados presentaron por primera vez prendas con sistemas de comunicación integrados. Entre ellas, una solución para mensajeros en bicicleta que integra el procesamiento de pedidos, la localización y la navegación.

El instituto siguió desarrollándose en función de las aplicaciones y se integró en sectores como la automoción y la electrónica industrial, la tecnología médica, las TIC y los semiconductores. En 2010 se fundó en Dresde el centro All Silicon System Integration Dresden (ASSID), que sigue existiendo en la actualidad. El departamento, en el que colaboran empleados de Berlín y Dresde, dispone en ambas sedes de salas blancas y laboratorios con equipos de última generación compatibles con la producción. Además de una especial flexibilidad en el procesamiento de distintos tamaños de oblea, ambas líneas de proceso se caracterizan por poder adaptarse individualmente a condiciones de proceso específicas. En 2010, esto permitió el desarrollo de una microcámara que no es más grande que la sal molida gruesa y, por tanto, encaja perfectamente en la punta de un endoscopio. Este gran avance en tecnología médica se debió a una ingeniosa tecnología de ensamblaje en la que la integración de la óptica y el sensor sigue teniendo lugar a nivel de oblea.

Start-A-Factory: una línea de prototipos única

Tras 20 años de existencia, más crecimiento continuo y ahora bajo la dirección del profesor Klaus-Dieter Lang, IZM fundó en 2017 la Start-A-Factory, la línea de prototipos única de Berlín que consiste en una infraestructura de dispositivos y un entorno de trabajo diseñado específicamente para satisfacer las necesidades de las nuevas empresas de hardware y el desarrollo de sus prototipos.

Fiabilidad y sostenibilidad desde el principio

El IZM también aborda la cuestión de la sostenibilidad y la escasez de recursos en el proyecto a gran escala en curso denominado "Green ICT" con el fin de optimizar la sostenibilidad de las tecnologías de la información y la comunicación (TIC), por lo que la experiencia en evaluaciones del ciclo de vida y estudios de sostenibilidad ha formado parte del nombre del instituto desde el principio. La fiabilidad no sólo es sinónimo de cooperación estable entre investigación e industria, sino también de electrónica duradera diseñada para ser sostenible desde la fase de producción. Por eso, los expertos en sostenibilidad del IZM llevan años colaborando con las principales empresas de TIC y también han contribuido al desarrollo del Fairphone, el smartphone que apuesta por la longevidad en lugar de comprar uno nuevo tras la siguiente actualización.

En la actualidad, más de 400 empleados bajo la dirección del profesor Martin Schneider-Ramelow afrontan nuevos retos como la escasez de chips, el aumento de la velocidad de transmisión de datos, la crisis energética y muchos más. Están desarrollando procesos y tecnologías para la electrónica cuántica, 6G, electrónica de consumo cero y sistemas de alto rendimiento en aplicaciones poco habituales y para condiciones ambientales adversas.

Los científicos y el equipo administrativo han conservado una cosa: El espíritu de querer descubrir cosas nuevas y superar los límites físicos en el proceso. El simposio con motivo del 30 aniversario debe entenderse enteramente con este espíritu: Bajo el título "Cruzando fronteras en microelectrónica", los investigadores muestran qué límites quieren hacer desaparecer en las próximas décadas.

El simposio muestra hacia dónde se dirigen los avances

La Dra. Tanja Braun, del Fraunhofer IZM, pronunció el discurso de bienvenida en calidad de moderadora. Hizo un breve repaso de los orígenes del histórico edificio en el que tiene su sede el IZM en Berlín.

A continuación, la Dra. Isabelle Ferain, de GlobalFoundries, explicó el punto de vista de las fundiciones de semiconductores sobre la integración heterogénea. Las asociaciones con un ecosistema de I+D y el desarrollo de personal son importantes para seguir avanzando. Utilizando el ejemplo de los chips fotónicos de Si y los de GaN para la electrónica de potencia, ilustró lo que se necesita para la integración heterogénea 3D en términos de materiales, componentes, procesos y funciones. Entre ellos figuran los intercaladores, los TSV y la unión de matriz a oblea.

El Dr. Michael Schiffer, de Fraunhofer IZM, analizó el envasado avanzado para el área de aplicación de la informática de alto rendimiento, empezando por los retos. El desarrollo va de la CPU a la GPU, pasando por la TPU. Para la implementación pueden considerarse estructuras SoC o, más favorablemente, chiplet. Se están investigando nuevas tecnologías para TSV, interposers y unión de paso ultrafino, incluidas las microesferas basadas en oro nanoporoso.

El Dr. Stefan Ruebenacke, de Bosch Sensortec, informó sobre los sistemas de sensores para aplicaciones de consumo de vanguardia. Con una producción diaria de 4 millones de MEMS en su planta de Reutlingen, Bosch es líder del mercado de sensores inteligentes. Éstos tienen propiedades favorables para muchas aplicaciones, como ilustran ejemplos típicos que van desde audífonos hasta drones.

El Dr. Michael Kaiser y la Dra. Julia-Marie Köszegi, del Instituto Fraunhofer IZM, presentaron soluciones de integración para la electrónica de comunicación modular de quinta y sexta generación basadas en opciones generales de diseño de módulos en el IZM. Las antenas integradas, que se realizan como módulos antena-en-paquete (AiP) basados en la incrustación en PCB o en molde, son una solución para las ondas milimétricas y las frecuencias por debajo de los THz. El diseño del trayecto de la señal y la caracterización de los materiales suponen un reto especial para estas frecuencias. El proyecto europeo SERENA ha desarrollado una plataforma para sistemas de nueva generación que ofrece mejoras significativas en términos de eficiencia energética, costes y funcionalidad.

Karsten Schischke mostró las posibilidades de reducir_{la huella de CO2} de la electrónicaEl profesorFriedel Gerfers, de la Universidad Técnica de Berlín,habló desistemas microelectrónicos altamente integrados y energéticamente eficientes para futuras aplicaciones ópticas y móviles. Se centró en cómo lograr la necesaria mejora de la eficiencia energética y enumeró proyectos relevantes. La tendencia es pasar de los módulos QSFP a la óptica coempaquetada (COBO) por razones de gestión térmica.

El profesor Eckart Hoene, de Fraunhofer IZM, habló de las tendencias tecnológicas en electrónica de potencia. Se buscan nuevas soluciones para una electrónica de conmutación cada vez más rápida. Reducir el consumo de material de cada unidad de electrónica de potencia es la clave de la eficiencia de recursos y la competitividad de costes. Las placas de circuito impreso y los embalajes basados en el moldeo son prometedores para la producción en serie.

Robert Giertz, de AEMtec, mostró el camino que va de la viabilidad a un envase avanzado comercializable. Presentó su empresa, que colabora estrechamente con el IZM, y su gama de servicios y equipos. A continuación se pondrá en marcha el sistema UBM de la propia empresa. También se transferirá el empaquetado Fan-out a nivel de oblea, que debería ser interno en 2025, con la excepción de RDL.

En respuesta a la pregunta: "¿Nos situará la microintegración en la senda de los 1,5°?", Karsten Schischke, de Fraunhofer IZM, utilizó ejemplos para ilustrar la situación actual y las posibles mejoras. Por ejemplo, el 40% de la_{huella de CO2} de las encimeras de laboratorio procede de los semiconductores utilizados en ellas. Esto supone un reto para los fabricantes de HL. Karsten Schischke también abordó la cuestión de la economía circular con el nivel cada vez más alto de integración de productos, que es favorable para la_{huella de CO2}. Esto se debe a que existen interacciones entre la reparabilidad, la vida útil y el consumo de energía (etiquetado energético). Se pueden conseguir mejoras con el empaquetado y la incrustación de SoC. La microintegración y la electrónica, así como la digitalización, pueden permitir la reducción de los gases de efecto invernadero en las aplicaciones, pero dependiendo del caso de uso, una solución tecnológica puede ser desventajosa o ventajosa. Se recomienda aprovechar el potencial del envasado para lograr un mejor rendimiento con un menor uso de semiconductores.

Ceremonia con agradecimientos, una mención de honor, una lista de puntos destacados y una perspectiva

Tras el discurso de bienvenida, el Profesor Martin Schneider-Ramelow, Fraunhofer IZM, repasó la historia del instituto, así como sus proyectos y desarrollos clave. Terminó su discurso con elogios y agradecimientos por los muchos años de buena y fructífera cooperación con clientes, patrocinadores y socios de otros institutos.

A continuación pronunciaron unas palabras de bienvenida:

• Prof. Axel Müller-Groeling, Director de Infraestructuras de Investigación y Digitalización de la Fraunhofer-Gesellschaft
• Dr. Henry Marx, Secretario de Estado de Ciencia e Investigación, Berlín
• Dr. Roland Krüppel, Departamento de Electrónica y Conducción Autónoma; Supercomputación del Ministerio Federal de Educación e Investigación
• Prof. Geraldine Rauch, Presidenta de la Universidad Técnica de Berlín
• Dr. Axel Kaschner, Vicepresidente Senior de Investigación Corporativa, Tecnologías Avanzadas Robert Bosch

Para concluir, el Prof. Martin Schneider-Ramelow habló de los éxitos del IZM, entre ellos la metalización de Ni-Under Bump, la incrustación, la microcámara y los sistemas de sensores inteligentes, antes de referirse a la misión futura del instituto: Con la Ley de Chips, también se necesita una plataforma para la integración de hetero y chiplets. La visión del IZM en este sentido es el envasado de alto rendimiento.

Como la pandemia impidió celebrar el traspaso de la dirección del instituto del Prof. Klaus-Dieter Lang al Prof. Martin Schneider-Ramelow, el honor se ha concedido ahora a posteriori.

Antes de la reunión, el Centro Fraunhofer IZM All Silicon System Integration Dresden (ASSID) también obsequió al anfitrión con una oblea especialmente diseñada para conmemorar el aniversario como agradecimiento por la colaboración.

Las fotos

Todas las fotos: Gustl Keller