Warum der ganze Aufwand?

Aber weshalb werden Halbleiter überhaupt auf solche kompliziert herzustellenden Platinchen gesetzt? Sie kommen doch später noch auf eine größere Platine, beispielsweise ein Mainboard. Hintergrund ist, dass die Montage eines Silizium-Dies aufgrund seiner kleinen Kontaktflächen mit Kantenlängen von weniger als hundert Mikrometern sehr aufwendig ist. Das Substrat oder Gehäuse bringt sie auf eine größere Fläche, nur so können sie wirtschaftlich auf einer Platine wie einem Mainboard montiert werden.

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Genaue Werte veröffentlicht kaum ein Hersteller, in einem Dokument von Maxim Integrated (PDF) werden Kantenlängen von etwa 87 und 102 μm angegeben, die vermutlich übertragbar sind. Die Platzierung eines Dies muss also sehr genau erfolgen, die Leiter, die er kontaktiert, dünn sein und eng beieinander liegen. Die Fertigung eines entsprechenden PCB ist aufwendig und teuer. Zudem kann das empfindliche Silizium mit einem Plastik- oder Metalldeckel geschützt werden.

Anstelle von Substraten werden auch Gehäuse aus Kunststoff oder Keramik verwendet - bis vor etwa zwanzig Jahren waren sie der Standard. In diese sind Leiter eingelegt, die zu Kontakten am Rand oder unterhalb des Gehäuses führen. Sie enden um einen rechteckigen Bereich, in den das Die eingesetzt wird. Dessen Kontakte werden mittels feiner Drähte, oft aus Gold, mit den im Gehäuse eingelassenen Leitern verbunden. Für komplexe Halbleiter wie Prozessoren werden auch Gehäuse mit mehreren Leiterebenen verwendet.

Ab dem Ende der 1990er stießen diese Gehäuse allerdings an ihre Grenzen. Immer mehr Kontakte mussten vom Die auf die Hauptplatine geführt werden. Zudem sollten Komponenten kleiner werden, um die Packungsdichte zu erhöhen. Für die steigenden Taktraten, mit denen zumindest ein Teil der Leitungen Daten übertragen sollte, sind die klassischen Gehäuse ebenfalls schlecht geeignet.

  • ABF kommt als unauffällige Rolle zum Kunden. (Quelle: Ajinomoto Group)
  • Querschnitt eines mehrlagigen Substrats für Flip-Chip-Montage (Quelle: Ajinomoto Group)
  • Package eines Pentium MMX mit zwei Leiterebenen: Die goldenen Kontakte um das Die führen zu den Pins. Am Rand die Pins für den Kontakt zum Sockel (Quelle: Intel/Montage: Golem.de)
Package eines Pentium MMX mit zwei Leiterebenen: Die goldenen Kontakte um das Die führen zu den Pins. Am Rand die Pins für den Kontakt zum Sockel (Quelle: Intel/Montage: Golem.de)

Flexibler mit Substrat

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Die vielen möglichen Ebenen eines Substrats ermöglichen wesentlich flexiblere Leiterführungen. Kontakte können auf der gesamten Unterseite der Platine angeordnet werden, bei Gehäusen wird der Bereich des Dies und der Leiterkontaktflächen üblicherweise ausgespart. Gehäuse mit besonders enger Packung der Kontakte wie das Ball Grid Array (BGA), bei dem Lotkugeln große Teile der Unterseite bedecken, sind mit Substraten einfach zu realisieren. Außerdem können etablierte Techniken des Hochfrequenzentwurfs wie Masseebenen einfach übertragen werden.

Substrate funktionieren zudem gut mit der Flip-Chip-Montage des Dies. Hierbei werden Lotkugeln auf die Kontakte aufgebracht, das Die auf die Platine aufgelötet und der Hohlraum zwischen Die und Platine mit Epoxidharz verfüllt. Bei vielen Kontakten ist das wesentlich einfacher und schneller zu bewerkstelligen als die klassische Anbindung mit Drähten. Das Verfahren hat sich daher von einer Nischenanwendung zum Standard für komplexe oder besonders kleine Bauteile entwickelt.

Die Golem-PCs bei Dubaro

Neue Techniken für noch kompaktere Chips

Und die Miniaturisierung geht weiter: Bei einigen Halbleitern wird ganz aufs Gehäuse verzichtet und das blanke Silizium aufgelötet. Wie bereits angesprochen, wird durch dünnere Glasfaserkerne oder Substrate rein aus Build-up-Film die Gehäusedicke reduziert. Das ist besonders nützlich, wenn Chips gestapelt werden, sowie für besonders flache und kompakte Packages, die kaum größer sind als das Die.

Damit rücken die mechanischen Eigenschaften noch mehr in den Vordergrund. Denn der Glasfaserkern gibt dem kompletten Aufbau Stabilität. Fällt er weg, muss der Build-up-Film dies allein schaffen - daher werden die Produkte ständig weiterentwickelt, um ihre Eigenschaften zu verbessern (PDF). Auch gibt es Ideen für neue Fertigungstechniken, bei denen beispielsweise in das Package eines Funkchips die Antenne mit integriert ist (gezeigt in dieser Präsentation (PDF)).

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FlashBFE 13. Apr 2022 / Themenstart

Ja, das ist aber eben eine normale Folge dieser Nische, wie der Artikel auch richtig...

FlashBFE 13. Apr 2022 / Themenstart

+1 Dieser super Artikel hätte durchaus noch eine besser "klickende" Überschrift verdient...

countzero 12. Apr 2022 / Themenstart

Das sehe ich, gerade in Deutschland, anders. Es gibt hunderte mittelständische...

Kaiser Ming 11. Apr 2022 / Themenstart

ich redete von Hefeflocken ;)

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