Hightech-Platinen: Ohne Platine wären Chips nur teurer Sand
Bei Prozessoren, Grafikkarten, Speichern und Mainboard-Chipsätzen steht immer das Silizium im Mittelpunkt, die Platinen, auf denen die Chips montiert sind, erregen hingegen die Aufmerksamkeit der wenigsten Menschen. Vollkommen zu Unrecht, denn erst mit der Platine wird der Chip nutzbar. Hannes Voraberger, Forschungsleiter bei AT&S, hat uns erklärt, weshalb die Platinentechnik maßgeblich zur Leistungssteigerung unserer Computer und der Miniaturisierung von Geräten beiträgt. Das österreichische Unternehmen AT&S zählt in diesen Bereichen zu den Weltmarktführern.
Voraberger unterscheidet dabei zwischen den klassischen Leiterplatten oder Platinen und sogenannten Substraten. "Das Grundprinzip ist das gleiche: die mechanische und elektrische Verbindung von allen Komponenten in einem elektronischen System."
Beim Substrat, auf das Silizium-Dies im Flip-Chip-Verfahren montiert werden, sind die Anforderungen allerdings deutlich höher: "Im Bereich Substrat haben wir bis zu 100.000 Kontaktstellen pro Chip, die muss man auf engstem Raum verdrahten und dabei den geringsten elektrischen Verlust generieren." Besonders herausfordernd sind Multi-Die-Packages, also Substrate, auf denen mehrere Silizium-Plättchen montiert und durch Tausende Leiter verbunden werden.
Elektronische Systeme werden immer komplexer
Die vielen Kontakte und Verbindungen bedeuten, dass Leiterbahnen viel feiner sein müssen, gleichzeitig werden Chips bei gleicher Größe leistungshungriger, mehrere 100 Watt elektrische Leistung sind keine Seltenheit. Da die Versorgungsspannung aktueller Hochleistungshalbleiter unter einem Volt liegt, bedeutet das Hunderte Ampere an Strom, die einem oder mehreren Chips zugeführt werden müssen. Das mit möglichst geringen Verlusten zu schaffen, sei, so Voraberger, derzeit eine der größten Herausforderungen.
Auch abseits der Stromversorgung erfordere der Entwurf moderner Elektronik mehr Systemverständnis: "Früher wurden Einzelkomponenten genommen und Designer haben versucht, daraus die besten Systeme zu machen. Wir sind mittlerweile so weit, dass die Komplexität des Systems, das Zusammenspiel der Einzelkomponenten und die Wechselwirkung untereinander große Einflüsse haben. Ich muss eigentlich das Gesamtsystem und das Zusammenspiel zwischen den einzelnen Komponenten simulieren."
Grenzen zur Halbleitertechnologie verschwimmen
Immer mehr Leiter auf engem Raum bedeutet: Die Leiter müssen immer kleiner werden und enger zusammenrücken, die aktuelle Generation von Substraten erlaubt Leiterbahnen mit gerade einmal 10 μm Breite und Abstand, 2 μm befinden sich in der Entwicklung. Das sind Größenordnungen, mit denen einst Prozessoren gefertigt wurden, Intels 80286 etwa entstand in einem Prozess mit 1,5 μm Half-Pitch(öffnet im neuen Fenster) , also der Hälfte der Summe von Breite und Abstand der Leiterbahnen(öffnet im neuen Fenster) .
Damit werden auch die gleichen Werkzeuge wie in der Halbleiterfertigung erforderlich, erklärt Voraberger: "In der Feinstleitertechnik müssen Chrom-Glas-Master(öffnet im neuen Fenster) verwendet werden, wie man sie aus dem Halbleiterbereich kennt, natürlich ein bisschen einfacher. Ansonsten verwenden wir Laser Direct Imaging."
Geätzt wird (fast) nicht mehr
Die feinen Leiterbahnen lassen auch sich nicht mehr konventionell fertigen, indem auf eine Kupferschicht eine Negativ-Fotomaske aufgetragen und die nicht maskierten Bereiche weggeätzt werden, erklärt Voraberger: "Ätzen ist ein isotroper Prozess, er wirkt in alle Richtungen gleich. Wenn ich eine gewisse Höhe der Kupferbahnen haben will, die ich herunterätzen muss, werde ich auch in die Breite gleich weit ätzen."
Um auch bei wenigen Mikrometern Abstand zwischen den Leiterbahnen eine ausreichend starke Kupferschicht zu ermöglichen, wurde der Prozess umgebaut: Die Kupferschicht wird nicht in ihrer vollständigen Stärke aufgebracht und geätzt. Stattdessen wird mit einer sehr dünnen Schicht gestartet, auf die eine Positiv-Fotomaske aufgetragen wird. Die künftigen Leiterbahnen sind so nicht maskiert, an diesen Stellen wird nun galvanisch Kupfer aufgewachsen. Ist die gewünschte Dicke erreicht, müssen nur noch der verbleibende Fotolack und die von ihm zuvor bedeckten Kupferschichten entfernt werden, damit nicht mehr alle Leiter verbunden sind. Dazu wird noch immer geätzt, wobei jedoch wesentlich weniger Kupfer abgetragen werden muss.
Aber nicht nur die Leiterbahnen rücken immer weiter zusammen, auch die einzelnen Komponenten. Einige verschwinden sogar in der Platine.
Den Raum optimal nutzen
Um die Anforderungen an die Spannungsversorgung der Chips und die Miniaturisierung von Geräten zu erfüllen, werden Substrate und Platinen immer komplexer. Einige Komponenten, etwa Transistoren und Controller für Spannungswandler, sind in den vergangenen Jahren ins Innere der Platinen gewandert. So lassen sich die Leiterlängen zwischen einzelnen Komponenten verkürzen, was zu geringeren Widerständen und entsprechend geringeren Verlusten führt.
"Die Leistungselektronik, und dort speziell natürlich die Elektromobilität, ist ein starker Treiber. Wir sehen jetzt neue Lösungen, die wirkliche Effizienzsteigerungen bringen mit den Wide Band Gap Devices ." So habe man etwa einen Inverter mit einem Wirkungsgrad von 98 Prozent herstellen können und damit die Verluste halbiert. Um Komponenten in die Platine hineinbringen zu können, müssen dort Hohlräume (Kavitäten) hergestellt werden. Davon profitiert auch ein anderer Teilbereich der Elektronik: die Hochfrequenztechnik(öffnet im neuen Fenster) . Auch hier geht es um möglichst geringen Verlust.
Bei aktuellen 5G-Systemen genügen Luftkammern in der Platine, für kommende Mobilfunkgenerationen werden Mikrowellenleiter entwickelt, die in der Platine gefertigt werden. Dabei handelt es sich um mit Metall ausgekleidete Hohlräume(öffnet im neuen Fenster) . Sie bilden eine Röhre, welche die hochfrequenten elektromagnetischen Wellen - für 6G sollen Frequenzen von über 100 GHz genutzt werden - sehr verlustarm vom analogen Frontend zur Antenne überträgt. Solche Hohlräume in einer Platine herzustellen, ist eine Herausforderung, da die Platine schichtweise aus einem Laminat aufgebaut wird. Die einzelnen Schichten werden unter Hitze zusammengepresst, wobei der Hohlraum erhalten bleiben muss.
Diese speziellen Hochfrequenzplatinen mit Kavitäten fänden, so Voraberger, allerdings vorerst nur in der Infrastruktur der Netzbetreiber, etwa Basisstationen, Verwendung. Doch auch der Privatbereich wird immer anspruchsvoller: Grafikkarten und andere Steckkarten mit PCIe-5.0-Schnittstelle können nicht mehr(öffnet im neuen Fenster) mit dem sonst üblichen FR-4-Platinenmaterial(öffnet im neuen Fenster) gefertigt werden. Stattdessen sind teurere Hochfrequenzmaterialien erforderlich, um die 32-GHz-Signale sauber übertragen zu können.
Gefaltete Platinen für kleinere Geräte
Während die aufwendigen Hochfrequenzplatinen mit Hohlräumen mindestens noch einige Jahre dem professionellen Bereich vorbehalten bleiben, findet sich eine andere Neuentwicklung besonders im Privatbereich: sogenannte 2,5D-Platinen, bei denen gezielt Material entfernt wird, um sie biegen und damit in eine räumliche Struktur bringen zu können. So kann die Platine etwa um eine Akkuzelle herum gefaltet werden, was ein kleineres Gehäuse ermöglicht.
Entwicklungstreiber bei der Verkleinerung von Geräten waren Mobiltelefone, mit den gleichen Techniken werden aber auch andere Geräte kompakter: "Wir haben über die Mobiltelefonie sehr gut gelernt, Dinge klein zu machen. Mittlerweile haben wir diese Technologien in jedem Herzschrittmacher, in jedem Hörgerät drinnen. Deswegen gibt es plötzlich Hörgeräte, die man gar nicht mehr sieht."
Angesichts der komplexen Fertigungstechniken stellt sich die Frage: Gibt es auch Dinge, die sich nicht realisieren lassen?
Unmöglich ist fast nichts
Grundsätzlich, sagt Hannes Voraberger, sei fast jeder Kundenwunsch umzusetzen, das könne allerdings enorme Kosten bedeuten: "Es gibt sicher Dinge, die nicht gehen, aber wo man eher an die Grenzen stößt, ist: Wie kann ich das wirklich in einem ökonomisch sinnvollen Umfeld gestalten?" Das Hauptgeschäft zielt auf Stückzahlen im Millionenbereich, aber auch Sonderlösungen entwickle man mit Kunden: "Man kann vieles machen, bei Speziallösungen für die Spitzenforschung etwa ist es egal, wie viel eine einzelne Platine kostet, man benötigt nicht viele davon. Da kriegt man immer was hin."
Die Wünsche der Kunden spielen auch eine Rolle bei der Entwicklung neuer Technologien: "Mit unseren wichtigsten, technologisch treibendsten Kunden haben wir regelmäßig Gespräche und wir unterhalten uns, wie die nächsten fünf bis sieben Jahre aussehen werden." Viele Entwicklungen überlege man sich jedoch auch selbst: "Wir versuchen zu verstehen, was Systeme brauchen und warum, um dann daraus ableiten zu können, ob wir mit Änderungen, etwa anderen Materialien, die Funktionalität verbessern können."
Auch der Kontakt zu den Zulieferern spielt eine wichtige Rolle, um technologisch weiter zu den Spitzenunternehmen zu gehören – nur vier bis sechs andere Unternehmen weltweit, so schätzt Voraberger, könnten ähnliche Lösungen anbieten wie AT&S. Daher arbeite man eng mit Materiallieferanten und Maschinenbauern zusammen: "Wir befinden uns technologisch in einem Bereich, der absolutes cutting edge darstellt – für die nächsten Generationen gibt es einfach noch keine Lösungen." Die könne man nur mit den Partnern zusammen entwickeln.
Was bringt die Zukunft?
Für die kommenden Jahre erwartet Voraberger weitere interessante Neuerungen. Neben dem hohen Bedarf an leistungsfähigen Platinen gibt es einen weiteren Grund: Es wird viel investiert. Einerseits durch Staaten und Regionen, die mit verschiedenen Chips Acts nach mehr technologischer Souveränität streben, andererseits auch seitens der Industrie. Die habe durch die Chipkrise gemerkt, dass sie mehr in die eigene Hand nehmen müsse.
Speziell Multi-Die-Packages werden in den kommenden Jahren ein Entwicklungstreiber sein. Auch Intel setzt nach AMD vermehrt auf Multi-Die-Packages , bei Grafikkarten kommen sie mittlerweile im Consumer-Bereich an . Wo heute oft noch teure Silizium-Interposer zum Einsatz kommen, werden zukünftig vermehrt Substrate Verwendung finden, die günstiger herzustellen sind und bei der Leistung aufholen.
Auch viele Schaltungssysteme können von neuen Fertigungstechniken profitieren, das zeigte AT&S(öffnet im neuen Fenster) bereits im Rahmen EU-geförderter Forschungsprogramme(öffnet im neuen Fenster) . Die Platine setzt also ihre Entwicklung von einer bloßen Platte zum Verbinden einzelner Komponenten zu einem komplexen Hightech-Produkt fort.