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Science
02/10/2020

Neuer Adapter für Leiterplatten hilft beim Stromsparen

Wie die Leiterplatte, das Herzstück für elektronische Bauteile, Hürden in der Mikroelektronik überwinden kann.

von Andreea Iosa

Bei Hightech-Anwendungen wie autonomes Fahren oder Virtual Reality (VR) wird eine enorm hohe Datenmenge in Echtzeit verarbeitet. Das stellt elektronische Systeme vor großen Herausforderungen: Neben einer höheren Rechenleistung sind auch kürzere Reaktionszeiten notwendig. Bis 2025 werden wir laut Statista acht Mal so viel Volumen bewegen als noch im Jahr 2017.

Bauteile, wie Prozessoren und Mikrochips, die diese Datenflut leitbar machen, werden zudem kleiner. Denn eine schnellere Datenverarbeitung braucht kürzere Strecken. Stichwort: Miniaturisierung. „Was vor 10 Jahren noch 3 bis 5 getrennte Chips benötigte, ist nun auf einem kleinen Chip zu finden. Mitunter werden auch mehrere Chips in einem Gehäuse übereinandergestapelt und verbunden“, weiß Holger Arthaber vom Institute of Electrodynamics, Microwave and Circuit Engineering an der TU Wien.

Adapter für Leiterplatten

Damit das gesamte elektronische System funktioniert, müssen Chips, Mikroprozessoren oder Sensoren mit einer Leiterplatte, dem zentralen Stück nahezu jedes elektronischen Gerätes, verbunden werden. „Leiterplatten bringen Rechenbausteine, Speicher, Display, Kamera etc. zum Kommunizieren und versorgen sie auch mit Strom. Sie sind sozusagen das Nerven- und Blutsystem der Elektronik“, sagt Hannes Voraberger, Forschungschef beim steirischen Leiterplattenhersteller AT&S.

Um die inzwischen zu kleinen Halbleiter-Bauteile aber überhaupt auf der Leiterplatte platzieren zu können, braucht es neue Verbindungstechnologien. Die Lösung: ein Adapter, auch als IC-Substrat bekannt. Den hat AT&S mit einer neuen  Kernlage – Substratcore genannt – ausgestattet, die  noch kleinere Lochgrößen und feinere Leiterzugsbreiten ermöglicht. Dieser Adapter führt die Kontaktpunkte ganz kleiner Einheiten mit jenen einer normalen Leiterplatte zusammen, um eine Verbindung zu den anderen Komponenten herzustellen.

Kurzum: Die Infrastruktur von Chips und Prozessoren im Nanobereich wird mit jener von Leiterplatten im Mikrobereich verbunden. Die Rechenknoten bei Chips sind Voraberger zufolge 7 Nanometer groß – das sind ungefähr 70 Atome. Bei den Leiterplatten seien es 30 bis 70 Mikrometer, was ungefähr der Dicke eines Menschenhaars entspricht. Laut Holger Arthaber ist bei den Chips zudem eine Dichte von 500 Kontaktstellen pro Quadratzentimeter üblich. „Aktuelle Entwicklungen gehen hin zu über 1.000 Kontaktstellen pro Quadratzentimeter.“ Dies erfordere immer dünnere Leiterbahnen, um alle Kontaktstellen zwischen den Chips verbinden zu können.

Weniger Stromverlust

Bei der Entwicklung standen die Forscher vor zwei großen Herausforderungen: „Wir mussten eine hohe Zuverlässigkeit erreichen, was wir auch geschafft haben. Die Kernlage gibt der Trägerschicht die nötige Stabilität, um den Siliziumchip aufzubringen. Diese Schicht darf sich weder verziehen noch durch ändernde Temperaturen ausdehnen“, so der AT&S-Forschungschef. Da auf diesen Adapter die Komponenten des gesamten elektronischen Systems positioniert werden, sei es wichtig, dass die richtigen Verbindungen in das Substrat kommen.

Zusätzlich musste eine Lösung gefunden werden, mit der Strom gespart werden kann. „Es können über bessere Prozessoren Stromverluste nicht nur signifikant reduziert werden, sondern auch über die Stromversorgung und die Signalleitung durch den Adapter“, erklärt er. Bei diesen Signalleitungen handle es sich um Größen von einem Zehntel einer Haaresbreite: „Das sind derart feine Strukturen, die wir exakt fertigen müssen.“ Vor allem in der Elektromobilität würde die  Energie gebraucht, um etwas anzutreiben und nicht, um etwas warm zu machen.

Neue Konzepte

Primäres Einsatzgebiet der Adapter, die von AT&S in den vergangenen Jahren entwickelt wurden, sind Prozessoren in Servern, Computern oder Notebooks im Hightech-Segment. „Im Rahmen diverser Digitalisierungsprojekte, von Virtual Reality bis zum autonomen Fahren, benötigt man sehr hohe Rechenleistungen, weil alles in Echtzeit funktionieren muss. Das schaffen nur sehr starke Server und in denen arbeitet unsere Technologie“, sagt Hannes  Voraberger. Auch auf 5G lege das Unternehmen ein  großes Augenmerk. „Sobald diese Technologie im Millimeter-Wellenbereich ankommt, werden wir mit neuen Lösungen punkten, damit die Signale noch besser werden.“

Wien forscht an Kernstück

Mit der fortschreitenden Digitalisierung steigen die Anforderungen an Leiterplatten. Und die sind vielfältig: Während bei Mobiltelefonen die Miniaturisierung im Vordergrund steht, ist es bei Internet-der-Dinge-Anwendungen meist der Preis, weiß Holger Arthaber von der Technischen Universität (TU) Wien. „Im Automobilbereich stehen wiederum hohe Temperaturen und eine sehr hohe Zuverlässigkeit im Vordergrund, während bei 5G die Herausforderung im höheren Frequenzbereich von derzeit bis zu 26 GHz liegt.“ Dies erfordere spezielle Leiterplattenmaterialien und  geeignete Leitungsstrukturen. Doch nicht nur die Produktion der Leiterplatte selbst muss betrachtet werden: „Lötprozesse müssen weiterentwickelt werden und vor allem der Leiterplattenentwurf selbst wird zunehmend komplexer“, erklärt Arthaber.

An der TU Wien werde eine Vielzahl von Forschungsfragen behandelt, welche für die Leiterplattenindustrie von Interesse sind. „Das Thema ist interdisziplinär und umfasst Bereiche der Chemie, der Materialwissenschaften, der Elektrotechnik und viele andere“, meint  TU-Forscher Arthaber. An der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik werden unter anderem die angesprochenen neuartigen Lötprozesse für Leistungshalbleiter untersucht. Auch thermische Simulation von Leiterplatten mit integrierten Bauteilen werden durchgeführt oder Galvanikprozesse (elektrochemische Abscheidung metallischer Überzüge) in der Herstellung auf ihre Eignung im Frequenzbereich 60-110 GHz untersucht. „Durch gemeinsame Projekte der TU Wien mit den großen Leiterplattenherstellern, finden sich viele der erzielten Forschungsergebnisse bereits in der Leiterplatten-Serienproduktion wieder“, betont Arthaber.

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