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Montag, 23 Januar 2023 10:59

Effiziente Designlösung für Powermodule

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Geschätzte Lesezeit: 3 - 6 Minuten
Abb. 1: Beispiel für die möglichen Bondarbeiten im  Advanced Packaging Design Studio Abb. 1: Beispiel für die möglichen Bondarbeiten im Advanced Packaging Design Studio Bild: CSA Catapult

Der japanische EDA-Software-Hersteller Zuken und die britische Forschungseinrichtung Compound Semiconductor Applications (CSA) Catapult haben in einem Gemeinschaftsprojekt optimierte Werkzeuge zur Erstellung von 3D-Modellen von Powermodulen entwickelt. Ziel der Forschungs- und Entwicklungskooperation war es, eine Entwicklungsumgebung für moderne Verbund-Halbleiterprodukte bereitzustellen.

Abb. 2: Beispiel für das 3D-Design eines Power Moduls, in welchem die Fähigkeit von CR-8000 Design Force zur Erfassung von Ribbon Bond Drähten und Hochstrom-Metallklemmen zum Einsatz kommtAbb. 2: Beispiel für das 3D-Design eines Power Moduls, in welchem die Fähigkeit von CR-8000 Design Force zur Erfassung von Ribbon Bond Drähten und Hochstrom-Metallklemmen zum Einsatz kommtCSA Catapult ist eine von der britischen Regierung finanzierte Non-Profit-Organisation mit Sitz in Südwales, die gegründet wurde, um Großbritannien dabei zu helfen, weltweit führend auf dem Gebiet der Halbleiter-Verbindungstechnik zu werden. CSA Catapult arbeitet sowohl mit großen Unternehmen als auch mit Start-ups zusammen und entwickelt und vermarktet neue Anwendungen der Halbleitertechnik. Die Organisation konzentriert sich auf drei Technologiebereiche:

  • Leistungselektronik
  • Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik
  • Photonik

Neben diesen drei Technologiebereichen arbeitet CSA Catapult auch im Bereich Advanced Packaging für das Gebiet der Hochstromtechnik. Im Rahmen letzterer fanden die gemeinsamen Arbeiten von Zuken Deutschland und CSA Catapult statt. [1] Während Zuken als führender Anbieter von EDA-Softwarelösungen für das Elektronikdesign seine Chip-, Package- und Leiterplatten-Co-Design-Software CR-8000 Design Force beisteuerte, stellte CSA seine Technologieerfahrungen im Design komplexer Powermodule zur Verfügung, dabei insbesondere von modernen Verbund-Halbleiterprodukten.

Design für hochintegrierte Halbleiterprodukte

Gegenstand der Zusammenarbeit zwischen Zuken und CSA Catapult war ein Projekt, bei dem es darum ging, das Konzept eines Power-Moduls von einer grafischen Skizze in ein fertigungsgerechtes 3D-Modell zu überführen. Dabei wurde eine Reihe von Anforderungen und Weiterentwicklungen für ein effizientes Co-Design von mechanischem und elektrischem Design für Komponenten der Leistungselektronik identifiziert und im Rahmen von CR-8000 Design Force durch Zuken implementiert. In Verbindung mit integrierten Industrie-Standard-Simulationswerkzeugen konnte so eine Entwicklungsumgebung bereitgestellt werden, die es ermöglicht, den Designrahmen für neue hochintegrierte Halbleiterprodukte in einem iterativen Verfahren effizient auszuloten.

Das Ergebnis der Zusammenarbeit ist eine intuitiv bedienbare Funktionalität zur Erstellung der Verbindungsstrukturen zwischen Chips und Kupferschichten auf einem Substrat oder einer Leiterplatte sowie eine Exportfunktion für ein CAD-Modell in einem Format, das mit FEM-Software kompatibel ist (Abb. 2, 3). Diese fortschrittlichen Funktionen helfen den Entwicklern, den Zeitaufwand für die Erstellung eines 3D-Modells des Substrats, des Chip-Layouts und der Chip-zu-Chip- sowie der Chip-zu-Kupfer-Verbindungen eines Power Moduls erheblich zu verringern.

Abb. 3: Package Rule Editor für die Clip-Gestaltung in PowermodulenAbb. 3: Package Rule Editor für die Clip-Gestaltung in Powermodulen

Zu den Fortschritten der Forschungs- und Entwicklungskooperation erklärte Dr. Alejandro Villarruel Parra, Senior Power Electronics Engineer bei CSA Catapult: “Die Erstellung eines 3D-Modells von Substrat, Chip-Layout und Chip-Verbindungen ist ein wichtiger Teil der frühen Phase des Designprozesses von Leistungsmodulen. Die fortschrittlichen Designlösungen von Zuken haben dazu beigetragen, eine Vorschau auf die Leistung des Moduls zu erhalten, und das beschleunigt unseren Entscheidungsprozess beim Vergleich mehrerer Entwurfskonzepte. Nach der Festlegung auf ein Implementierungskonzept bieten sie wertvolle Hilfestellungen für die Feinabstimmung der geometrischen Strukturen des Moduls.”

Die neue Funktion ist im Release 2022 von CR-8000 Design Force enthalten.

Advanced Packaging Design Studio

Partner von Zuken seitens CSA Catapult war das Advanced Packaging Design Studio. Dieses wurde gegründet, um die Montage- und Verpackungsherausforderungen bei der Entwicklung von Verbindungshalbleitermodulen und -systemen anzugehen. Seine Aufgabe kann so kurz umrissen werden:

  • Innovative Packaging-Lösungen erarbeiten durch Packaging-Design und -modellierung, Mikromontage und Rapid Prototyping
  • Ermöglichung der Entwicklung von Integrationstechnologien der nächsten Stufe, die Design und fortschrittliche Verbindungen kombinieren

Die Aufgaben des Studios innerhalb der Forschungseinrichtung werden symbolisch in Abbildung 4 dargestellt.

Abb. 4:  Arbeitsmäßige  Einordnung des Design Studios in das Tätigkeitsfeld von CSA Catapult

Ein Reinraum der ISO-Klasse 7 bietet dabei die optimale Umgebung für Halbleiter-Montageprozesse in kleinen Stückzahlen, Produktentwicklung und Scale-up-Services (Abb. 5). Die Advanced Packaging-Ingenieure konzentrieren sich derzeit auf Verpackungslösungen für Leistungselektronik, HF-Module und Photonik. Das Fachwissen der Ingenieure soll Kundenideen in Proof of Concepts/Prototypen umwandeln und dabei helfen, sie effektiv und schnell auf den Markt zu bringen. Webinars dienen dazu, das erarbeitete Wissen gezielt an die Industrie weiterzuleiten.

Zum Modellierungs-Equipment des Studios gehören folgende Tools:

  • Comsol und Ansys
  • Solidworks
  • Zuken CR-8000

Aufgabe von Comsol und Ansys ist die multiphysikalische Simulation von Gehäusemodulen über integrierte mechanische, elektrische, photonische und thermische Testszenarien, um beim ersten Mal richtige Prototypen zu erhalten.

Solidworks dient zur 3D-Erfassung des mechanischen Designs von Verpackungskomponenten und -baugruppen. Sie ist integriert in Multiphysik-Software für einen effizienten Design-Simulationsprozess.

Die Aufgabe von CR-8000 ist das Chip-Package-Board-Co-Design für Power, Photonics und RF. Das EDA-Tool arbeitet im Kontext mit den beiden anderen genannten Werkzeugen.

EDA-Tool CR-8000

Abb. 5: Der Reinraum ist mit modernster Technik ausgestattetAbb. 5: Der Reinraum ist mit modernster Technik ausgestattetCR-8000 ist ein umfassendes PCB Design Software System, welches die Entwicklung elektronischer Baugruppen vom Konzept bis zur Fertigung unterstützt. Der durchgängig integrierte Entwurfsablauf von CR-8000 reicht von der initialen Systemplanung, bei der grundlegende Entscheidungen über Partitionierung, Komponentenauswahl, Form, Passform und Funktion des Produkts oder Systems getroffen werden, über die Erstellung detaillierter Schaltpläne und das Layout von Einzel- und Mehrplatinen-Leiterplattensystemen bis hin zur Fertigungsoptimierung. Eine modulare, objektorientierte Architektur gewährleistet die Konsistenz aller Daten und Versionen vom Konzept bis zur Fertigung.

Es ist die einzige PCB-Design-Software, die durch eine Datenverwaltungsfunktionalität ergänzt wird, welche ein umfassendes Bibliotheks-, Modul-, Konfigurations- und Release-Management ermöglicht.

Equipment-Ausstattung

Um einen genaueren Einblick in die technischen Arbeitsmöglichkeiten des Packaging Design Studios zu erhalten, soll noch ergänzend ein Blick auf die Laborhardware geworfen werden. Zur Technikausstattung gehören:

  • Form 3 3D-Printer für das Drucken von Polymeren
  • Hesse BJ653 Manual/Semi-Automatic Mehrzweck-Drahtbonder
  • Tresky T-3003-Pro + Hochdruck-Sinteraufsatz
  • Nordson-Dage Prospector Universal Mikromaterial-Testsystem

Das Hesse-Bondsystem ermöglicht manuelles und automatisiertes Draht-/Bandbonden für Drahtstärken von 12,5 µm Gold oder Aluminium bis 600 µm Aluminiumdraht sowie bis zu 2 mm breites Bandbonden, um eine Vielzahl von RF-, Photonik- und Power-Packaging-Anforderungen zu erfüllen.

Die Tresky-Ausrüstung ermöglicht manuelles Die-Attach/Die-Bonden für Experimente und den Bau von Prototypen in kleinen Stückzahlen. Es erlaubt Hoch-/Niederdrucksintern, Eutektikum, Ultraschallbonden sowie Epoxid-Die-Attach. Es unterstützt auch Flip-Chip- und Clip-Bonding mit hochgenauer Ausrichtungsfähigkeit bis zu +/- 1 Mikron.

Das Nordson-System ermöglicht erweiterte Bindungs- und Materialtests, Schertests bis 200 kg, Zugtests bis 100 kg und Drucktests bis 50 kg. Es führt auch hochpräzise optische Inspektionen, Belastungs- (Biege-) Tests, Kratztests, Biege- und Verdrehungs-, Kriech- und thermische Belastungstests zur vollständigen Baugruppencharakterisierung durch.

Beachten Sie hierzu das einleitende Bild des Artikels (Abb. 1), welches die Möglichkeiten des Studios demonstrieren soll und mit Hilfe von CR-8000 realisiert werden kann.

www.csa.catapult.org.uk, www.zuken.com/de/

Referenzen

[1] www.csa.catapult.org.uk/advanced-packaging/

Weitere Informationen

  • Ausgabe: 1
  • Jahr: 2023
  • Autoren: Dr. Hartmut Poschmann

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