Embedded Components

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Allgemeines zur Einbettung von Bauelementen

Der Trend in der Technik geht heute zu kleineren und kompakteren Geräten und Baugruppen. Erreicht wird dieses durch Ersatz von Bauteilen, die auf den Leiterplatten angeordnet sind, durch in die Leiterplatte integrierte Bauelemente. Fast 50% der Leiterplattenfläche werden nur durch passive Bauelemente besetzt. Neben der Platzersparnis der Technologie ist auch der Vorteil kürzerer Verbindungsstrukturen gegeben und damit ein wesentliche Verbesserung der Signalintegrität und der EMV-Eigenschaften. Weiterhin können Bestückungskosten eingespart und die Zuverlässigkeit der Baugruppe gesteigert werden.

Im Herstellungsprozess für die Integration der Bauteile sind unterschiedliche Technologien notwendig. Einmal das Herstellen der Bauelemente durch Siebdruck von Polymerpasten und zum anderen durch Einbringen von Chips in die Leiterplatte.

Druck von Polymerpasten ( Carbon-Pasten )

Bereits im Jahre 2000 befassten sich mehrere Firmen mit der Herstellung von gedruckten passiven Bauteilen mit Polymerpasten. Mit dem heutigen Stand der Herstellungstechnik ist der Abstand zur Hybridtechnologie wesentlich verringert worden. Widerstände, Taster, Schalter und Potentiometer und Kondensatoren können mit dieser Technologie serienmäßig hergestellt werden. Die Vorteile der Paste sind neben dem kostengünstigen Herstellungsverfahren:

  • hohe Konstanz des erzielten Leitwerts
  • gute Haftung auf Kupfer, Laminat und Lötstopplacken
  • hohe Abriebfestigkeit
  • gute Gleiteigenschaften
  • hohe chemische Beständigkeit
  • hohe Feuchtebeständigkeit
  • gute Hitzebeständigkeit
  • elastischer Aufbau (je nach Paste)
  • gute Lagerfähigkeit
  • gute Verarbeitbarkeit, daher tauglich für Klein- und Großserien

Der Einsatz von Widerständen ist sowohl auf den Bestückungseiten der Leiterplatte, wie auch in den Innenlagen von Multilayern möglich. Allerdings ist durch die Siebdrucktechnik eine Begrenzung der Größe gegeben. Die Toleranz der Widerstände bewegt sich in den Grenzen von +/- 30% bis +/- 25%, mit Laserabgleich können +/- 5% erreicht werden. Besonders geeignet sind die Widerstände zur Entladung von Kondensatoren (Impulswiderstände) und finden in letzter Zeit besonderes Interesse. Durch die kurzen Impulszeiten muss der Widerstand nicht sehr viel Gesamtenergie aufnehmen, die Wärmeleistung aber schnell aufnehmen und über die Widerstandsschicht gleichmäßig verteilt wieder abgeben. Eine weitere Anwendung findet sich in der Sensortechnik. So kann z.B. ein gedruckter Widerstand auf einer Leiterplatte mit entsprechender Struktur durch Einwirkung von Druck auf die Oberseite und Unterseite in Einbindung in eine Brückenschaltung als Biegebalken eingesetzt werden.

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Einbettung aktiver Komponenten

Um den Anforderungen nach Miniaturisierung von Geräten und Baugruppen in der Elektronik nachzukommen reicht es nicht aus nur die passiver Bauelemente in die Leiterplatte zu integrieren, sondern auch aktive Bauteile müssen eingebracht werden. Hierbei können bessere Hochfrequenzeigenschaften und thermo-mechanischen Zuverlässigkeiten als zusätzliche Qualitätsverbesserungen erreicht werden. Zur Untersuchung und Forschung an dieser Technologie hat die EU die Projekte SHIFT und HIDING DIE gefördert. Die Integration von aktiven Bauteilen kann nicht durch die Siebdrucktechnik erreicht werden, sondern der komplexe Chip- oder auch Flip-Chip-Baustein wird in die Leiterplatte eingebettet. Um eine geringe Höhe zu erreichen muss der Chip vorbehandelt, d.h. gedünnt werden. Für diesen Vorgang stehen spezielle Dienstleistungsfirmen zur Verfügung. Die Anschlüsse können vorher einem Bondverfahren hergestellt werden und werden so mit der strukturierten Innenlage der Leiterplatte verbunden. In einem anderen Verfahren wird die Chip direkt auf die strukturierte Innenlage geklebt und durch eine darüber gelegte RCC-Folien abgedeckt und verpresst. Die elektrischen Verbindungen werden durch lasergebohrte Mikrovias von der Außenlage zur Innenlage hergestellt. In Europa, USA und Fernost werden Forschungsinitiativen für diese Technologie ausgebaut. Die Zusammenarbeit zwischen dem Technologen und dem Designer ist von wesentlicher Bedeutung. Nach Schätzungen geht man davon aus, dass bereits 2012 eine größere Anzahl von Multilayerleiterplatten in dieser Technologie am Markt zu finden sein wird. Smart-Card-Module und komplexe Sensormodule sind bereits in der Anwendung.

Einen anderen Weg geht der Leiterplattenhersteller Hofmann mit seiner AML-Technik. Die zum Patent angemeldete Technik beruht auf das Einbetten von Bauteilen durch Nutzung der Fließeigenschaften der Prepregs. Dünne Leiterplattenfolien werden beidseitig bestückt und später wie ein Multilayer mit anderen Strukturlagen verpreßt. Vias aller Art, auch Durchkontaktierungen, werden wie in einem normalen Multilayer realisiert. Die Dicke der Leiterplatte wird durch die eingebetteten Bauteile bestimmt. Vorteile bietet diese Technik durch die Komplexität und damit Verkleinerung der Leiterplatte und durch die Einbettung werden die Bauteile gegen Feuchtigkeit und Vercshmutzung geschützt. Der ausführliche Artikel über die AML-Technologie ist in der productronik 6/7 2008 erschienen und kann unter diesem Link heruntergelden werden.

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