Multi-Funktionale Boards MFB mit embedded Components

2015-03-19 Würth Elektronik – Research & Development 1998 – 2015 © Kostelnik 18. EE Kolleg – Sant Jordi – Design for Manufacturing

18. EE-Kolleg – Design for Manufacturing

Multi-Funktionale Boards

– MFB –

mit embedded

Components

Würth Elektronik

Research & Development

Dr. Jan Kostelnik

18. EE-KollegSaint Jordi, 19.03.2015

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Inhalt

Zurück in die Zukunft

Das Multifunktionale Board - MFB

Ausblick und Zusammenfassung

Applikationen aus der MFB - Welt

Einführung

Innovation-Inside

R&D

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Die Entdeckung des Higgs-Boson(Nobel-Preis 2013)

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Q: CERN / ITN


Funktions- und Systemintegration

20152000t

Hard + Software

Multi-Functional Board

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Das Multifunktionale Board (MFB)

Das Konzept

MultiFunctional Board (MFB) / MultiFunctional Package (MFP) / MultiFunctional Circuit (MFC)

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mechanisch

elektrisch

thermisch

optisch

fluidisch

induktiv

…


MFB

Lösungen

Gehäuse mit ECT

Hochstrom mit Wirelaid

Wärmemanagement mit TWINflex

Wireless Energieübertragung mit EMI

Funktionen

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MFB, ECT, EMI, Wirelaid und TWINflex sind Produkt- und Technologie-Namen der jeweiligen Eigner und in Verwendung bei Würth ElektronikMFB: Multi-Functional Board; ECT: Embedded Component Technology; EMI: Embedded Multilayer Inductance; Wirelaid®, TWINflex®



Die Vorteile

Schutz vor Umwelteinflüssen

– Hermetische Verkapselung der Bauelemente Schutz vor Feuchtigkeit, Öl, Staub, Gasen, usw.

Vibration, Stoß oder Druck

– Bauteile komplett mit Harz umschlossen unempfindlicher gegenüber Vibration und Schock

EMV

– Durch Kanten- und Außenlagenmetallisierung gute Schirmungseigenschaften Entfall von weiteren Schirmungsblechen etc.

Kurze Signalwege

– Blockkondensatoren können näher an Bauteile gebracht werden

Gehäuseersatz

– Kostenersparnis durch integriertes Gehäuse

Miniaturisierung

– Einsparung von Bestückfläche auf den Außenlagen

Plagiatsschutz

– Komponenten können blickdicht im Aufbau „versteckt“ werden

– Reengineering der Schaltung erschwert

Wärmemanagement

– Bessere Wärmeverteilung von Harz vgl. mit Luft (Faktor 10) Bauelement kann näher an Wärmesenken (z.B. Aluminium-Heatsink)

gebracht werden

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2006 bis heute - Weiterentwicklungen


MFB

=

Leiterplatte +

Bestückung Drucken Ätzen, Fräsen …

Induktivitäten / Kapazitäten /

gefaltete Aufbauten /

Wellenleiter / Kanäle

Eingebettet / versenkt:

diskrete R, C, L,

MEMRistor(ReRAM), IC, Ferrit,

Wellenleiter,

Energiespeicher,

Heatsinks/-pipes, …

Polymerpastendruck:

R, C, L, Ferrit, Wellenleiter,

Energiespeicher

Treiber => Funktionen:

elektrisch, mechanisch,

thermisch, optisch, fluidisch

R,C,L, … Schalter/Transistoren

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Q: WE, UNI Heidelberg/CERN

Ein Beitrag zum Nachweis des Higgs-Boson (Nobel-Preis 2013)

Das ATLAS-Projekt und TWINflex®

PPrMCM – PreProcessor zur Datenvorverarbeitung

Entwicklung 1996 gestartet

hohe Verdrahtungs-Dichte

niedriger thermischer Widerstand, keine Probleme mit unterschiedlichen CTEs -> durch Integration eines optimierten Wärmemanagements

TWINflex® 4 Layer-All-MicroVia auf Cu-Heatsink

Entdeckung der Higgs Teilchen

nur möglich mit TWINflex ?

Q: CERN / ITN

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TWINflex® für Hoch-Temperatur Automotive

Applikation

hohe Komponenten-Dichte, hohe Verdrahtungs-Dichte,

niedriger thermischer Widerstand

- 40°C to +125°C Umgebungsbedingung, mit Heatsink zur Wärmeabfuhr

Entwicklung 1995 gestartet

Gearbox control, Serie in 2000 hochgefahren auf 20K/anno

TWINflex® 4 Layer-All-MicroVia, 140 x 185 mm² auf Al-Heatsink

Bilder: WABCO, WE - ©1998

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FlipChip Kontakt (Quelle: GMM-FA 5.5)

Die größte Herausforderung

Hinweis: Technologie-Roadmap -Stressarme-MST-

Packages des ZVEIhttp://www.zvei.org/Verband/Publikationen/Seiten/Technologie-Roadmap-Stressarme-MST-Packages.aspx

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Zuverlässigkeit

Haupteinflussfaktoren

konstruktiv materialspezifisch

Leiterplattendicke (↓) Feuchteaufnahme (↓)

Bohrdurchmesser Ausdehnungskoeffizient in Z-Richtung (↓)

Kupferdicke in der Hülse (↑) Temperaturbeständigkeit (↑)

Layout (Anschlusskonfigurationen)

BE- Platzierung (Wärmeverteilung)materialschonende Verfahren

Eliminierung von zusätzlichen Kontaktstellen/Verbindungen - Lötstellen

Hier ist der Ansatz für MFB und Embedding


Hier ist der Ansatz für MFB und Embedding

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Zuverlässigkeit

0

5

10

15

5001000

15002000

An

zah

l T

estp

un

kte

Thermische Zyklen - End Of Life (Stand: 02-2010)

Temperatur-Wechsel - CHIP+ Testvehikel

Z4

Y6

Y5

Y4

X6

X5

X4

Biegeradius: 30 mm

Quellen: Projekte KRAFAS / ULTIMUM BOSCH / IZM / WE


Neue AVT für integrierte Bauelemente

Chip In Polymer (CiP)

Funktionsmuster 2002

Foto: WE

Würth Elektronik – Innovation: Chip in Polymer – TechnologieEntwicklung zusammen mit dem Fh-IZM in Berlin

erste embedded / integratedSolid State Disk (iSSD) aus dem Jahre 2002 (16MB)

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3D Systemintegration - MFB

Diehl, FhG-IZM, WÜRTH ELEKTRONIK

ATLAS-Projekt UNI Heidelberg - WE

Sican - WE

TFX - WE

20122004t

R+D

Produktion

1998 2000 2008

eSSD

SolidStateDrive

2015

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Beispiel ECT (Embedded Component Technology) -

eingebettete aktive und passive Bauteile – Implantat

Bestückte Leiterplatte inkl.

Bestückrahmen

Entwicklung eines robusten, zuverlässigen

und hoch verfügbaren Prototypen-Designs

Aktives Implantat sehr begrenzter Bauraum mit

komplexen Störkonturen

Kritische EMV, da verschiedene

HF-Quellen (drahtlose Energie- &

Datenübertragung) onboard

Realisierte Baugruppe ohne zusätzl.

KomponentenReal-3D Design und Layoutprozess

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Beispiel ECT (Embedded Component Technology) –

Umsetzung in einem Layout-System

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Beispiel ECT (Embedded Component Technology) –

Design-Regeln V1.1


Ausblick MFB und ECTR&D

gedünnte IC‘s mittels Niedrigtemperatur-Sintern mit

Leiterplattenstrukturen elektrisch verbunden

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Technologietrends – MFB

Funktions- und Systemintegration

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20152000t

MFB

Hard + Software

DC


Bilder: Daimler, FESTO, WABCO, WE


Herausforderung


MFB

=

Leiterplatte +

Diskrete Komponenten Gedruckte Komponenten

LP-strukturierte Komponenten

(geätzte, gefräste …

Strukturen)

In den Zuständigkeiten

und in der Wertschöpfung

In der Fertigung /

Prozessabfolge

In der Logistik /

Beschaffung

Treiber => Funktionen:

elektrisch, mechanisch,

thermisch, optisch, fluidisch

R,C,L, … Schalter/Transistoren

siehe auch PLUS-Ausgabe 11-2008 - Editorial

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Modulares Sensorsystemkonzept – Selbstjustage

Selbstjustage:

Modul auf Modul

Selbstjustage:

PMMA auf Modul für

optische Linsen

R&D

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Bilder: Fh-IZM, WE


Systemverschmelzung

Zusammenfassung:

Systemintegration auf Leiterplattenbasis

Eingebettete

Spulen

Integrierte Energie-

Harvester/-Speicher

Eingebettete IC‘s

Multi-Funktionales-Board MFB

Futureboard

Eingebettete

Widerstände,

Kapazitäten,

LEDs…

Q: FESTO + Projekt ORFUS

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Kontakt:

Dr. Jan Kostelnik

Würth Elektronik GmbH & Co. KG

Circuit Board Technology

Leiter Forschung und Entwicklung

Rudolf-Diesel-Straße 10

74585 Rot am See

Tel.: +49 (0) 79 55 38 88 07 - 151

[email protected]

"Die Technik entwickelt sich vom Primitiven über das Komplizierte zum Einfachen."

(Antoine de Saint-Exupery)

R&D

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