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Harte Schale, Halbleiterkern - Gehäuse für die Elektronik

Aus der simplen Verdrahtungstechnik von einst ist eine hochspezialisierte Technologie geworden, die zwar meist im Schatten der Mikroelektronik bleibt, doch die Integration von kompletten Systemen auf kleinstem Raum erst ermöglicht.


Computer und Maschinensteuerung, Mikrowellenherd und Waschmaschine, Telephon und Handy, Airbag-Auslösung und ABS – nichts davon wäre ohne Elektronik denkbar. Diese vollständige Durchdringung der Lebens- und Arbeitswelt mit elektronischen Schaltungen erscheint heute selbstverständlich, obwohl die Erfindung des Transistors gerade mal 50 Jahre zurückliegt. Die Grundlagen dieser Entwicklung sind allgemein bekannt: Fortschritte in der Halbleiterfertigung ermöglichen immer kleinere Chips, die mehr leisten und dabei preisgünstiger herzustellen sind.

Doch ist das nur eine Seite der Medaille. So wie jeder Wissenschaftler auf eine gut funktionierende Infrastruktur angewiesen ist, die bei den Räumlichkeiten beginnt, über Personal und Geräte bis hin zu den Möglichkeiten der Kommunikation von Forschungsergebnissen reicht, muß auch ein elektronisches Bauteil in ein System integriert, elektrisch versorgt und gegen schädliche Einflüsse von außen geschützt werden. Die erforderlichen Aufbau- und Verbindungstechniken wurden im Laufe der Jahrzehnte ebenfalls immer aufwendiger und komplexer, fanden aber in der Öffentlichkeit kaum Beachtung.

Erste kommerzielle Transistoren kamen 1954 auf den Markt, sechs Jahre nach der Entdeckung, daß es möglich ist, mit einem Halbleiterkristall wie mit einer Elektronenröhre elektrische Signale zu verstärken (Spektrum der Wissenschaft, März 1998, Seite 80). Eingeschmolzen in ein Glasröhrchen, gekapselt in ein Metallgehäuse oder einfach nur von einer Kunststoffmasse umhüllt, wurde der Kristall mit drei angelöteten Anschlußdrähten – entsprechend den erforderlichen elektrischen Spannungen zwischen Emitter, Basis und Kollektor – zu einem leicht handhabbaren Bauelement (siehe Bild).

Mit der Erfindung des integrierten Schaltkreises (IC: Integrated Circuit) 1958 durch Jack Kilby von Texas Instruments und Robert Noyce von Fairchild ließen sich funktionale Einheiten, anfänglich aus einigen wenigen, heute jedoch aus einigen Millionen Transistoren bestehend, mit einem einzigen Halbleiterplättchen, dem Chip, realisieren. Schon die einfachste Schaltung benötigte mindestens vier Anschlüsse für Eingangs- und Ausgangssignal sowie die beiden Pole der Versorgungsspannung. Je mehr Transistoren in einem IC enthalten sind, desto mehr solcher Verbindungen zur elektronischen Außenwelt sind erforderlich. So müssen etwa bei Mikroprozessoren hunderte aus dem Gehäuse des Chips herausgeführt werden.

Was für den kostbaren Inhalt gilt, gilt um so mehr für die Verpackung: Ein Gehäuse muß preisgünstig herzustellen sein und eine einfache Handhabung des Bauteils ermöglichen. Mit dem Transistor kamen auch Leiterplatten genannte, gedruckte Schaltungen als Träger elektronischer Systeme auf. Meist waren sie mit einem Raster von Bohrungen versehen, durch die man elektrische Anschlüsse von Widerständen, Kondensatoren und eben auch Transistoren und Chips führte; sie wurden auf der Rückseite verlötet. Galvanisch aufgebrachte Kupferbahnen verbanden die Komponenten elektrisch.

Für die Logikschaltungen der digitalen Datenverarbeitung wurde in den sechziger Jahren eine Aufbautechnik entwickelt, die ihre Massenfertigung ebenso unterstützte wie eine automatisierte Bestückung der Leiterplatten: Aus dünnen Blechbändern wurden spinnenförmige Gebilde (Spider) gestanzt, die Chips darauf gelötet oder geklebt, ihre Anschlüsse mittels dünner Drähte mit den Spinnenbeinen verbunden (Drahtbonden, englisch wire bonding) und schließlich mit Kunststoff umspritzt. Das Resultat: schwarze, käferartige Gehäuse, aus denen in zwei Reihen die nach unten abgebogenen Anschlüsse wie Nadeln (englisch pins) herausragten; man sprach deshalb von Dual-In-Line-Gehäusen.

Allerdings verteuerten die Bohrungen in den Kunststoffträgern die Herstellung der Leiterplatten. Eine Alternative entstand aus der Dickschichttechnik, bei der mittels Siebdruck Widerstände und Leitungen als Pasten auf keramischen Schaltungsträgern aufgebracht und dann durch Erhitzen verfestigt werden. Dererste kommerzielle IC, der 1960 vorgestellte "Solid Circuit" von Texas Instruments, war in einem rechteckigen flachen Gehäuse mit 10 seitlich herausragenden Anschlüssen untergebracht.

Dieses "Flat Pack" wurde auf die Ober-fläche des mittels Dickschichttechnik strukturierten Trägers aufgelötet. Diese Oberflächenmontage (SMT: Surface Mount Technology) hat sich heute weitgehend durchgesetzt. In den siebziger Jahren wurden dafür zunächst die Anschlußpins der Dual-in-Line-ICs gebogen, so daß sie auf den Leiterbahnen aufliegen konnten (Bild Seite 93 unten); zudem hat man ihre Abstände auf 1,27 Millimeter halbiert, um die Gehäuseabmessungen zu reduzieren. So konnten mehr Chips und andere elektronische Elemente auf einer Platte untergebracht werden, die Komplexität der Baugruppen nahm zu.

Zugleich gelang es, immer feinere Strukturen auf die Silicium-Wafer zu schreiben, das Innenleben der ICs gestaltete sich ebenfalls aufwendiger. Dementsprechend wuchs die Anzahl der benötigten Anschlüsse von anfänglich 14 auf 24, 48 oder gar 64. Damit war das Potential der Dual-in-Line-Gehäuse allerdings ausgereizt, denn bedingt durch die rechteckige Bauform wurden die innenliegenden Leitungen zu den Gehäuseecken so lang, daß sich die Laufzeiten hochfrequenter Signale deutlich unterschieden.



Flache Chips, nackte Chips



Um die Leitungen insgesamt zu verkürzen und dabei in etwa gleich lang zu halten, ging man zu quadratischen Formen über. Gleichzeitig kam mit Laptops und Handies die mobile Elektronik auf, die noch kleinere und flachere Bauelemente benötigte. So entstanden in Anlehnung an das erste IC-Gehäuse zunächst die Quad-Flat-Packs und nach Verzicht auf herausragende Pins die LLCC-Gehäuse (LLCC: Leadless Chip Carrier), die anliegende Metallstreifen hatten, die mit den Leiterbahnen verlötet wurden.

Da die Abstände der Anschlüsse immer enger wurden, ordnete man sie bei komplexen ICs wie etwa Prozessoren schließlich in mehreren Reihen auf der Unterseite an; Gehäuse für die Durchsteckmontage erhielten die Bezeichnungen Pin Grid Array (PGA), solche für Oberflächenmontage Ball Grid Array (BGA), weil man bei diesem Typ ganz auf die "Beinchen" verzichtet und statt dessen auf der Unterseite ein Raster von Lotkugeln für die Verbindung mit der Leiterbahn vorsieht.

Schon 1960 versuchte Computerhersteller IBM Chips ohne Gehäuse zu verarbeiten. Sie wurden dazu umgedreht und direkt auf keramische Schaltungsträger gelötet. Diese Flip-Chip-Technik war aber für den breiten Einsatz zu teuer. Außerdem traten mechanische Verspannungen zwischen Chip und Schaltungsträger beim Erwärmen auf. Neue Löt- und Klebetechniken ermöglichen heute, diese Materialprobleme unter Kontrolle zu halten beziehungsweise zu kompensieren. Mittlerweile wird dieses sehr zuverlässige Verfahren bevorzugt für die mehrere ICs umfassenden Multi-Chip-Module eingesetzt; ein Beispiel ist der Mikroprozessor Pentium II von Intel. Die Technik hat aber auch ihre Nachteile. So ist eine optische Inspektion der Lötstellen im Rahmen der Qualitätssicherung nicht möglich. Außerdem müssen nackte ICs verarbeitet werden, die erst ganz zum Schluß mit einer Vergußmasse geschützt werden.

Konventionell führt man Leiterbahnen etwa von einem Transistoranschluß des ICs noch im Chip zu seiner Außenkante; Drahtbonds verbinden sie dann mit dem Gehäuse, von wo Leiterbahnen weiter zu den Pins führen. So ergeben sich entlang der Chip-Peripherie mitunter Anschlußabstände von deutlich weniger als ein Zehntel Millimeter. Eine Alternative sind Chip-Sized-Packages. Dabei werden die Anschlüsse des ICs auf einen Chip-großen und sehr dünnen Zwischenträger geführt – umverdrahtet – und so gleichmäßig auf der Fläche, statt entlang der Peripherie verteilt (siehe Photo links). Von diesem Träger aus erfolgt dann direkt die Kontaktierung mit der Leiterplatte mittels Lotkugeln. Die Abstände der Anschlüsse lassen sich größer und für die Montage leichter handhabbar gestalten, der Zwischenträger schützt den Halbleiterkristall und ersetzt somit ein Gehäuse. Die Umverdrahtung kann sogar bereits unmittelbar nach der Chip-Fertigung auf dem Wafer erfolgen (Wafer-Scale Packaging); nach dessen Zerteilung liegen Schaltkreise ohne weiteren Arbeitsgang in optimal kleinen Gehäusen vor.

Die Mikrosystemtechnik schlug ein weiteres Kapitel in der Aufbau- und Verbindungstechnik auf. Denn sie erweitert die Elektronik beispielsweise um optische, mechanische oder chemische Funktionen. Elektrische Anschlüsse, aber auch andere Medien wie Gase und Flüssigkeiten, müssen zu den unterschiedlichsten Sensoren geführt werden. Gleichzeitig sind Controllerbausteine, Signalprozessoren und Speicher in das System zu integrieren. Es entstehen dementsprechend auch völlig neue Klassen von Gehäusen. Weil nur geringe Stückzahlen benötigt werden, sind Mikrosysteme aber derzeit teuer. Deshalb bemüht man sich um die Entwicklung standardisierter Module, die sich für verschiedene Anwendungen eignen und somit in ausreichender Menge – also kostengünstig – gefertigt werden können.

In enger Zusammenarbeit mit dem Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbauer (VDMA) ist am Berliner Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM ein keramisches Spezialgehäuse entwickelt worden, das in Verbindung mit einem kompletten System aus standardisierten Komponenten den genannten Anforderungen gerecht wird. Es beruht im Prinzip auf einem Ball-Grid-Array-Gehäuse und trägt auf seiner Oberseite als Gegenstück zum Raster der Lotkugeln eines aus kleinen Metallflächen; beide sind über einen genormten internen Datenbus miteinander verbunden. Der Gehäuseboden enthält zusätzlich eine mehrlagige Verdrahtungsebene, die diesen Bus an die Kontakte des Chips heranführt. Des weiteren gibt es Kanäle, durch die zu untersuchende Medien, Licht oder auch eine Kühlflüssigkeit zu dem entsprechenden Baustein geführt werden können.

Ein solches Top-Bottom-Ball-Grid-Array-Gehäuse läßt sich mit konventioneller SMD-Technik auf einen Träger montieren, aber auch auf ein anderes, gleichartiges Modul, wobei die mikrosystemtechnischen Komponenten über den genormten Bus automatisch richtig miteinander verdrahtet werden. So lassen sich mit einfachsten Mitteln komplette, anwendungsspezifische Mikrosysteme aufbauen (siehe Photo).

In der Vergangenheit hat die Elektronik mit ihren eigenen Normen und Standards die Bauformen elektronischer Geräte und Komponenten geprägt. Heute kommen aber auch viele Anforderungen an die Gehäusetechnik vom Endnutzer. So entstand als Seitenzweig der Aufbautechnik die Mikromechatronik, die elektronische Systeme und Komponenten an die mechanischen Anforderungen der Anwendung anpaßt und die Integration der verschiedenen Komponenten unterstützt. Beispielsweise kann eine Motorregelung zusammen mit der nötigen Leistungselektronik, Diagnose- und Überwachungshardware durch ein angepaßtes Gehäuse in das Motorgehäuse integriert werden; externe Elektronik ist dann nicht mehr erforderlich. Beliebige Baugruppen des klassischen Maschinen- und Anlagenbaus lassen sich für den Anwender unsichtbar mit Intelligenz ausstatten. Die Glühbirne, die sich selbst überwacht, die Zündkerze, die ihre Zündspannung selbst erzeugt, sind mögliche Anwendungen.



Vom Multichip-Modul zur Systemintegration



Das genannte Top-Bottom-Ball-Grid-Array-Gehäuse, das mit gleichartigen vertikal zu kombinieren ist, läßt sich in diesem Zusammenhang ebenfalls gut einsetzen. Damit läßt sich ein mikromechanischer Drucksensor mit seiner Auswerteelektronik und den nötigen Controller- beziehungsweise Schnittstellenbausteinen in einem Sensorgehäuse unterbringen, wie es schon seit Jahren im Anlagenbau verwendet wird. Äußerlich nicht von rein mechanischen Varianten unterscheidbar, ist ein solcher Baustein in gewohnter Weise zu montieren.

Heute noch neue und ungewohnte Anwendungen hingegen benötigen oft keine Gehäuse im klassischen Sinne mehr. Die Chips werden auf einem Träger aufgebracht, der aus ungewohnten Materialien bestehen kann: Die Ansteuerelektronik eines Flachbildschirms wird direkt auf das Deckglas montiert; flexible Polymermaterialien bilden die Grundlage für biegsame oder gar faltbare Leiterplatten. Das bekannteste Beispiel für die Verwendung von gehäuselosen Chips sind die intelligenten Chipkarten. Die ICs werden direkt auf das Trägermaterial aufgebracht, mit Epoxidharz vergossen und mit einer schützenden Deckschicht überzogen.

Neue, innovative Produkte werden diese Entwicklung weiter vorantreiben. Displays als Systemträger statt als bloße Komponente eines Computers, intelligente elektronische Assistenten für das tägliche Leben und die Ausstattung von gewöhnlichen Gebrauchsgegenständen wie etwa einer Waschmaschine mit elektronischer Identität sind Anwendungen, die heute diskutiert und entwickelt werden. Diese Anwendungen werden zukünftige Entwicklungen in der Systemintegration und in der damit verbundenen Gehäusetechnik maßgeblich prägen.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 1 / 1999, Seite 93
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
1 / 1999

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 1 / 1999

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