Dr. Ing. Jan Kostelnik studerade elektroteknik med inriktning på finmekanik vid universitetet i Dresden. Han doktorerade 1995 och därefter började han på Würth Elektronik. Idag är han ansvarig för forskning och utveckling av mönsterkort. Den här e-postadressen skyddas mot spambots. Du måste tillåta JavaScript för att se den.

Heyje Park studerade materialteknik i Osnabrück och i Coventry. Sedan 1997 arbetar han hos Würth Elektronik med forskning och utveckling. Idag är han ansvarig för att understödja olika kundorienterade projekt som i huvudsak rör framtida mönsterkortsteknologier. Den här e-postadressen skyddas mot spambots. Du måste tillåta JavaScript för att se den.

Integrering av funktioner i mönsterkort får allt större betydelse. Tekniken har redan skapat sig en position i litteraturen och i praktiken genom begreppet ”inbäddade komponenter”.

Inom ramen för projektet ChiP (Chip i Polymer) forskar Würth Elektronik kring morgondagens lösningar. Rön från tidigare forskningssamarbeten tillämpas idag inom mikroviateknik, styva/flexibla mönsterkort och vid användning av polymerteknik för funktionsomkopplare och inbäddade motstånd.

Mot bakgrund av pågående forskning ska vi här ge en överblick över de utmaningar som uppstår i samband med integrering av aktiva komponenter. Med hjälp av ledarmönster och kretslösningar från vår löpande tillverkning ska vi visa vilka möjligheter som finns att redan i masstillverkning integrera de mest skilda funktioner på och i mönsterkort. Vi diskuterar tekniska och funktionsmässiga krav, liksom produktionskonsekvenser.

Den drivande kraften bakom systemintegrering på mönsterkort ligger i ökad funktionalitet. I det ideala fallet kan alla elektriska, mekaniska, termiska och andra funktioner realiseras med fullständigt mönsterkortkompatibla processer och material. Men inom industri- och fordonselektronik förekommer speciella prestandakrav och minimiparametrar, krav som idag inte alltid kan uppfyllas med billiga polymermaterial. Trots dessa svårigheter går det redan nu att till rimlig kostnad integrera konventionella diskreta komponenter i mönsterkortprocessen.

Tyngdpunkten i dagens utvecklingsarbete ligger på integrering av passiva funktioner. Integrering av andra funktioner befinner sig på utvecklingsstadiet.

Tidigare utnyttjade integreringsmöjligheter förutsåg inte möjligheterna till inbäddning och direktkontaktering av okapslade komponenter.

En av de viktigaste drivkrafterna är trenden mot miniatyrisering och ökande komplexitet hos den elektroniska produkten som helhet. Plana och delvis överlappande mönster gör det nödvändigt att utföra själva komponenterna så platta som möjligt. Detta medför med nödvändighet att de konventionella kiselchipen, hittills med en typisk tjocklek på 300 µm, måste tunnas ner till under 50 µm. Endast på detta sätt kan alla fördelar med integrering på ett mönsterkort utnyttjas.

För att mönsterkortkompatibla processer ska kunna användas är det dessutom nödvändigt att anpassa chipytor och chipkonstruktioner till mönsterkortsvärlden. Redan simuleringen av en sådan uppbyggnad visar att en ickeoptimerad konstruktion leder till höga spänningar som i sin tur skulle kunna orsaka fel.

Baserat på arbetet med aktiva konstruktionselement utkristalliserar sig bland annat följande uppgifter:

- chipkonstruktionen måste vara kompatibel med mönsterkortsprocesserna

- stor vikt måste läggas på utveckling av tunnare chip

- först måste hela konstruktionen och uppbyggnaden anpassas till de olika utvidgningskoefficienterna, så att det inte uppstår några spänningsbrott i polymer eller chip

- chipet måste fixeras mot innerlagret utan blåsor

- mikroviaprocessen måste optimeras

så att kontakteringen av chipkontaktytorna blir väl definierad

För att verifiera tekniken för inbäddade kretsar har ett demonstrationsobjekt realiserats inom projektet ChiP. I BGA-modulen, med storlek 37,5 5 37,5 mm och tjockleken 1,6 mm har 16 tunna minneschips integrerats på innerlagret. Utgående från de totalt sex lagren på BGA-modulerna har två mikrovialager realiserats för chipkontaktering. Mikroviorna mellan lager två och lager tre är utförda såväl på chipet som på innerlagret intill chipet. Mikroviakontakteringen från lager ett till lager två möjliggör ytterligare kopplingar. [1]

Fördelarna för kunden är:

- mera tillgängligt utrymme i layouten

- inga lödförbindelser

- kortare signalvägar

- bättre HF-egenskaper

- mindre test- och logistikarbete för kunden

Resulterande förändringar, risker och möjligheter:

- omfattande test hos mönsterkorttillverkaren

- ökade logistikkostnader för mönsterkortstillverkarna

- ändringar i process- och förädlingskedjan (kan avbildas som samverkan)

Ytterligare ett område i stark tillväxt är inbäddning av plana spolar. Dessa komponenter kännetecknas av hög strömbelastbarhet och/eller hög kopparfyllnadsgrad.

Några fördelar med plana spolar är:

- snabb realisering

- kan staplas i många lager

- liten storlek

- hög tillförlitlighet

- god reproducerbarhet

- mönsterkorttypisk tillverkningsprocess

Med Faltflex-lösningar går det att uppnå induktanser på några mH, vid en resistans på cirka 15 Ohm.

Genom sin komplexitet och höga integration kommer framtida högintegrerade system att skilja sig kraftigt från dagens standardmönsterkort. Detta kommer att ställa tillverkarna inför nya utmaningar. Här ingår även inbäddning av passiva komponenter som ferritkärnor, kapacitanser, kylkanaler, värmeledare, batterier och ackumulatorer.

Förtillverkade mönsterkortsbaserade system kommer att slå sig in på marknaden tack vare sin förutsägbarhet sett till prestanda, pris och leveranstid.

Källor: [1] Verbundprojekt: Systemintegration in polymere Schaltungsträger - Chip In Polymer; FZ Karlsruhe, gefördert durch das BMBF; 2000-2003.