Geschichten aus der Fertigung#08
Die Umsetzung von Visionen, Hingabe und TechnikIC-Gehäuseentwicklung
Mit technischer Innovation zu schnelleren Gehäuselösungen
Ingenieure analysieren ein auf einem Monitor dargestelltes thermisches Simulationsbild.
Im Büro der Abteilung für IC-Gehäuseentwicklung am ROHM-Hauptsitz in Kyoto diskutiert das Entwicklungsteam über IC-Gehäuse, die sich derzeit in der Design- und Validierungsphase befinden. Grundlage der Diskussion bilden Simulationsdaten, die die während des Fertigungsprozesses auf das Gehäuse wirkenden mechanischen Spannungen abbilden. Die Auswertung dieser Daten führte zu einem intensiven fachlichen Austausch, in dem die Teammitglieder unterschiedliche Ansätze und Optimierungsvorschläge einbrachten.
Auch die Simulationsdaten entstehen intern.
Die Möglichkeit, den inneren Aufbau des Gehäuses detailliert zu visualisieren und teamübergreifend auszuwerten, trägt wesentlich zur Vertiefung des technischen Know-hows und zur Steigerung der Modellierungsgenauigkeit bei.
Durch die umfassende Integration von Simulationstechnologie in den Design- und Entwicklungsphasen konnte der Nacharbeitsaufwand erheblich reduziert und die Entwicklungsgeschwindigkeit deutlich gesteigert werden.
Gleichzeitig wurde erkannt, dass eine präzise Steuerung der vorgelagerten Entwicklungsstufen ebenfalls maßgeblich zur Qualitätsverbesserung beiträgt."
Technical Development Seg., LSI Business Unit
Taro Nishioka
ROHM fertigt etwa 900 verschiedene IC-Gehäuse.
Die konsequente Gewährleistung von Qualität und Zuverlässigkeit für jedes einzelne Produkt ist die zentrale Aufgabe der Abteilung für IC-Gehäuseentwicklung.
Wie Herr Nishioka betont, hat der technologische Fortschritt in den letzten Jahren zu bemerkenswerten Beschleunigungen in der IC-Entwicklung geführt.
Dementsprechend muss auch die Gehäuseentwicklung in Bezug auf Entwicklungszeit und Kosten mitziehen – und das im Rahmen der Anforderungen des Marktes.
Natürlich müssen auch Herausforderungen wie
▶ Durchbruchspannung,
▶ Wärmeableitung und
▶ Störfestigkeit
adressiert werden, die sich aus aktuellen Entwicklungen wie
▷ der Miniaturisierung von ICs,
▷ höherer Integrationsdichte und
▷ steigenden Betriebsspannungen
ergeben.
Darüber hinaus entwickeln sich Funktionalität und Leistungsfähigkeit von Halbleiterbauelementen stetig weiter, um den Anforderungen in der Entwicklung von Automobilkomponenten für EVs und HEVs sowie von ICs mit KI-Funktionalität gerecht zu werden.
Das Ziel besteht darin, das Potenzial dieser fortschrittlichen Halbleiterbauelemente maximal auszuschöpfen und gleichzeitig deren präzisen und zuverlässigen Betrieb in Kundenanwendungen über viele Jahre sicherzustellen.
Die Anforderungen an IC-Gehäuse haben in letzter Zeit nahezu grenzenlos zugenommen, wobei die Erwartungen an die Gehäuseentwickler kontinuierlich steigen.
Flip-Chip-Struktur
Ermöglicht die direkte Verbindung zum Rahmen ohne Drahtbonden.
Erreicht eine hohe Bestückungsdichte und verbesserte Signalübertragungsgeschwindigkeit.
Ag-Sintern-Technologie
Erreicht eine hohe elektrische Leitfähigkeit bei gleichzeitig ausgezeichneter Wärmeableitung durch den Einsatz von Silber-(Ag)-Sintern für das Chip-Bonding.
Herr Nishioka, Leiter der Expertenabteilung für IC-Gehäuseentwicklung mit rund 40 Mitarbeitenden, äußerte sich mit großem Engagement zu den Herausforderungen, denen sich das Team stellt.
Nishioka:
„Schnelligkeit ist in diesem Bereich ohne Zweifel essenziell. Doch unser Fokus liegt nicht nur darauf, ein qualitativ hochwertiges Produkt zu entwickeln, sondern auch darauf, den Entwicklungsprozess genau zu verstehen – warum bestimmte Ergebnisse erzielt wurden und ob diese nachvollziehbar und sinnvoll sind. Ich bin überzeugt, dass genau dieser Ansatz entscheidend für das zukünftige Wachstum unseres Unternehmens sein wird.“
ROHMs einzigartige Stärken nutzen
ROHM verfolgt das Ziel eines nachhaltigen Wachstums, wobei neben dem Ergebnis auch der Entwicklungsprozess selbst im Fokus steht. Dieses Prinzip ist eng mit der besonderen Struktur der Abteilung für IC-Gehäuseentwicklung verknüpft.
Nishioka:
„Ein wesentliches Merkmal der Gehäuseentwicklung bei ROHM ist, dass jeder Entwicklungsingenieur als ‚Generalist‘ über ein breites Spektrum an Wissen und Fähigkeiten verfügt. In der Vergangenheit verfolgte ROHM einen arbeitsteiligen Ansatz, um Experten in ihren jeweiligen Fachgebieten auszubilden. Um die Kommunikation effizienter und konsistenter zu gestalten, kehrten wir zu dem heutigen System zurück, bei dem ein einzelner Ingenieur den gesamten Prozess begleitet – von Design und Entwicklung bis zur vollständigen Umsetzung der Serienproduktion."
Besonders hervorzuheben ist an dieser Stelle die Aussage von Herrn Nishioka: „Konsequente Kommunikation ist unerlässlich.“
Dies verdeutlicht die enge Verzahnung mit dem von ROHM implementierten IDM-System (Integrated Device Manufacturing) sowie die umfangreichen Verantwortungsbereiche, die jedem Gehäuseentwickler übertragen werden.
IDM-System und kontinuierliche Kommunikation
Das untenstehende Diagramm veranschaulicht den Ablauf der IC-Produktion und zeigt eine der wesentlichen Stärken von ROHM: ein vertikal integriertes Entwicklungs- und Produktionssystem.
Um eine hohe Qualität und eine stabile Versorgung sicherzustellen, werden alle Prozesse intern oder durch Tochtergesellschaften durchgeführt. Dabei wird deutlich, dass die Gehäuseentwicklung in allen Phasen des Prozesses, von den vorgelagerten bis zu den nachgelagerten Schritten, eine entscheidende Rolle spielt.
Design mit Fokus auf Qualität
Die Aufgaben eines Gehäuseentwicklers umfassen nicht nur den Montageprozess, sondern auch maßgeblich die Qualitätsüberwachung während der Fertigung.
Eine enge Kommunikation mit den Verantwortlichen einzelner Prozessschritte ist entscheidend, um die Ursachen bestimmter Ergebnisse zu verstehen und deren Logik nachzuvollziehen. Vor diesem Hintergrund wird ROHMs Ansatz deutlich, bei dem ein einzelner Ingenieur den gesamten Prozess begleitet
Nishioka:
„Letztendlich konnten wir die Qualität verbessern, indem wir jeden Entwicklungsschritt vom Anfang der Fertigung an Schritt für Schritt verfeinert haben. Wir setzen bewusst darauf, Qualität direkt im Design zu schaffen, um so optimale Ergebnisse bereits vor der Produktion sicherzustellen."
Herr Nishioka bevorzugt es im Team zu arbeiten und nutzt gerne die Stärken der Teammitglieder.
Sein Traumjob wäre Baseball-Trainer.
Der Front-Loading-Ansatz von ROHM verbindet die Fertigung eng mit der abteilungsübergreifenden Koordination. Dieses bewährte Konzept gibt es schon seit Langem.
Nishioka:
„Wir haben heute einen großen Schatz an Fachwissen, den wir seit unserer Gründung aufgebaut haben – darunter die interne Entwicklung von Produktionssystemen und Wafern. Dieses Wissen nutzen wir gezielt, um mutig den Herausforderungen der Zeit zu begegnen und ein echtes Team aus hochqualifizierten Fachleuten zu sein."
Das Wichtigste: die Erfahrung im Arbeitsumfeld
Wir haben die Perspektiven und Sichtweisen der im Team tätigen Ingenieure eingeholt.
Sumitomo:
„Mein ursprüngliches Fachgebiet war Angewandte Wissenschaft, aber ich habe die Prinzipien und Funktionsweisen von Fertigungsanlagen Schritt für Schritt im Berufsalltag erlernt. Die Ähnlichkeit zur Angewandten Chemie erleichterte mir den Einstieg, auch wenn ich zunächst etwas Einarbeitungszeit brauchte."
Mit 18 Jahren Erfahrung in diesem Bereich schätzt Frau Sumitomo heute besonders den Vorteil, in alle Prozessschritte tief eingebunden zu sein – denn so lässt sich eine ganzheitliche Optimierung in der Fertigung deutlich leichter erreichen. Besonders im Wire-Bonding-Prozess ist sie eine wertvolle Stütze, da sie mit ihrem fundierten Fachwissen und ihren Fähigkeiten zahlreiche Entwicklungsprojekte leitet.
LSI Package Development Div., Technical Development Seg., LSI Business Unit
Kaori Sumitomo
Für sie ist eine offene und anpassungsfähige Einstellung der Schlüssel, um unterschiedlichsten Anforderungen gerecht zu werden.
Sie hat eine optimistische Herangehensweise und begegnet Herausforderungen mit positiver Energie.
Die Anzahl der Parameter, die im Draht-Bonding eingestellt werden müssen, kann durchaus 100 überschreiten.
Nii:
„Die Abstimmung mit unterschiedlichen Abteilungen und deren Anforderungen ist anspruchsvoll, bietet aber die Möglichkeit, das eigene Können gezielt einzubringen.
Auch wenn der Weg dorthin viel technisches Wissen und Ausdauer erfordert, ist das Erfolgserlebnis am Ende umso größer – das fertige Produkt fühlt sich fast wie ein persönliches Werk an."
LSI Package Development Div., Technical Development Seg., LSI Business Unit
Akinori Nii
Mit dem Ziel, Physiker zu werden, studierte er Physik. Bis heute verspürt er Vorfreude, wenn die Nobelpreisverleihung naht.
Herr Nii betont die Bedeutung des „Three Realities Principle" (Genba [=tatsächlicher Ort], Genbutsu [=konkretes Produkt], Genjitsu [= realer Zustand]). Trotz der Herausforderungen bei Besuchen von Produktionsstandorten im Ausland bemüht er sich, möglichst vieles selbst vor Ort zu beobachten und direkt mit dem lokalen Personal zu sprechen.
Nii:
„Im Rahmen einer Verlagerung einer Fertigung, habe ich zwei Monate in einer Fabrik in Thailand verbracht. Die gesamte Zeit arbeitete ich alleine und analysierte Produkte."
Eine Prototypenlinie in einer testweise nach Produktionsstandards ausgestatteten Anlage. Die Zukunft entsteht durch konsequente Prüfung und Forschung.
Im Bereich IC-Gehäuseentwicklung wurde ein Analyselabor eingerichtet. Präzise Analysen sind essenziell für die moderne Halbleiterentwicklung.
Herr Nii und andere Ingenieure betonen oft „Genba, Genbutsu" – den tatsächlichen Ort und das konkrete Produkt. Trotz technischer Fortschritte weicht die Praxis in der Fertigung oft von der Theorie ab. Ihre Erfahrung berücksichtigt diese Unterschiede und zeigt, wie stark die Halbleiterproduktion von der physischen Umgebung und äußeren Einflüssen beeinflusst wird.
Im Folgenden wird geschildert, wie das Team gemeinsam eine große Herausforderung meisterte.
Die Herausforderung, bahnbrechende Technologie zu entwickeln
2016 entwickelte ROHM als weltweit erster Hersteller isolierte Gate-Treiber-ICs in Automobilqualität und brachte sie in Serie. Diese ICs steuern Leistungshalbleiter in Motorantriebsinvertern und isolieren dabei die Niederspannungsversorgung der MCU von der Hochspannungsversorgung des Motors. Statt eines optischen Kopplers kommt ein magnetischer IC-Spulenchip zum Einsatz, was die Integration in ein Gehäuse ermöglicht.
Ein IC, der zur Steuerung von Leistungshalbleitern in Motoren von Elektro- (EV) und Hybridfahrzeugen (HEV) entwickelt wurde. Im Vergleich zu herkömmlichen Methoden mit mehreren ICs werden eine drastische Miniaturisierung und schnellere Reaktionszeiten erreicht.
Kikuchi:
„Das Produkt besteht aus drei Bauteilen und zeichnet sich besonders durch eine hohe Spannungsfestigkeit von mehreren Tausend Volt aus, die durch die Kombination eines Isolierungselements mit dem umgebenden Vergussharz erreicht wird. Da Automobilkomponenten strengen Sicherheitsanforderungen genügen müssen und es sich um ein völlig neues Produkt ohne Vorbild handelte, wurden umfangreiche Tests zur Sicherstellung der Langzeitzuverlässigkeit durchgeführt."
Technical Development Seg., LSI Business Unit
Tomohira Kikuchi
Während seines Studiums der Dünnschichtabscheidung und Analyse entwickelte er auch handwerkliche Fähigkeiten im Club für menschbetriebene Flugzeuge.
Isolierte Gate-Treiber-ICs sind zentrale Bauteile der Mobilität der Zukunft. Die LSI-Geräteentwicklung arbeitete mit ROHM Hamamatsu, zuständig für Front-End-Prozesse, zusammen, um neue Technologien zu integrieren. Details finden Sie unter #04 Prozess der Wafer-Herstellung.
Weiterführende Links
Geschichten aus der Fertigung #04 Prozess der Wafer-Herstellung
https://www.rohm.de/company/about/stories-of-manufacturing/wafer-production
Stetiges Streben nach fehlerfreier Produktion
Kunden reagierten während der Entwicklungsphase mit Zurückhaltung und Kritik.
Da Fahrzeuge extremen Bedingungen wie Temperatur, Feuchtigkeit und Vibration ausgesetzt sind, müssen elektronische Komponenten dauerhaft zuverlässig funktionieren.
Besonders bei sicherheitsrelevanten Produkten wie diesem ist ein minimales Ausfallrisiko über die gesamte Lebensdauer entscheidend.
Es gab zwei große Herausforderungen, beide im Bereich des Molding – einem entscheidenden Schritt im Montageprozess.
Beim Molding wird der fertige Chip mit einem Schutzmaterial, meist Epoxidharz, vergossen. Dies stellt sicher, dass Chip, Rahmen, Drähte und weitere Komponenten zuverlässig eingeschlossen und vor äußeren Einflüssen wie Stößen, Feuchtigkeit und Chemikalien geschützt sind.
Molding trägt wesentlich zur Wärmeableitung und Temperaturstabilität des Chips bei.
Gerade bei Automobilkomponenten ist eine gute Wärmeabfuhr entscheidend für die Zuverlässigkeit.
Das tablettenförmige Epoxidharz wird im Topf geschmolzen, durch einen Plunger nach oben gedrückt und in die linken und rechten Formen eingespritzt.
Kikuchi:
„Die erste Herausforderung bestand darin, die Menge an Fremdpartikeln im Gehäuse möglichst nahe null zu reduzieren."
Fremdpartikel und Hohlräume im Produkt können zu Isolationsdurchschlag, Delamination, Rissen und Drahtbruch führen. Aufgrund der Anlagenbegrenzungen ist ihre vollständige Vermeidung im Molding-Prozess schwer, weshalb Reinigung und Prüfungen üblich sind. Ein Kunde stellte jedoch die Frage, ob eine vollständige Eliminierung wirklich unmöglich ist – diese Herausforderung war unser erster großer Test.
Kikuchi:
„Zur Eliminierung von Fremdpartikeln verbesserten wir die Fertigungsprozesse und arbeiteten eng mit Material-, Formen- und Anlagenherstellern zusammen. So gelang eine umfassende Neuentwicklung der Rahmenstruktur und eine Optimierung der Formmechanismen."
Mit den neu entwickelten Stempeln auf den Fertigungsanlagen der Testeinrichtung fertigten wir wiederholt Prototypen an und führten umfassende Analysen und Überprüfungen durch.
Während der Entwicklung des isolierten Gate-Treiber-ICs wurden über 50 Patente und Designanmeldungen eingereicht, von Materialeigenschaften bis zu Fertigungsmechanismen. Die daraus entstandene Technologie erfüllt nicht nur Kundenanforderungen, sondern bietet auch großes Potenzial für zukünftige Anwendungen.
Das noch nie Dagewesene beweisen
Kikuchi:
„Die zweite Herausforderung war, Isolationsdurchschlag auch nach langer Nutzung zu verhindern."
Ein elektronisches Bauteil, das über Jahrzehnte mehreren Tausend Volt standhält und dabei kompakte 8 mm² misst, war bahnbrechend. Hersteller waren anfangs skeptisch, daher war viel Aufwand nötig, um Vertrauen und Anerkennung zu gewinnen.
Konkret konzentrierte sich dieser Aufwand darauf, die Möglichkeit eines Isolationsdurchschlags im Harzbereich des Chips (zwischen den Inseln) auszuschließen.
![[Fallstudie]Isolationsdurchschlag zwischen Inseln durch Anlegen hoher Spannung >20.000 Vrms](/o/adaptive-media/image/15119187/Thumbnail-300x300/som-pkg-16.webp?t=1751872408678)
[Fallstudie]
Isolationsdurchschlag zwischen Inseln durch Anlegen hoher Spannung
>20.000 Vrms
Kikuchi:
„Es gab kein Harz, das dauerhaft Tausende Volt aushält, und keine Belege für dessen Zuverlässigkeit. Deshalb entwickelten wir eine eigene isolierte Testumgebung und prüften bewusst hergestellte Prototypen mit Fremdpartikeln und Hohlräumen durch Dauertests."
Innerhalb einer Versuchsanlage wurde eine Testumgebung zur Lebensdauerprüfung der Isolation aufgebaut.
Die Einrichtung wurde gründlich überprüft, bevor Tests mit Ultrahochspannung durchgeführt wurden.
Kikuchi:
„Nach vielen Versuchen entwickelten wir eine Isolations-Theorie und schufen ein Produkt, dem Kunden vertrauen können."
Durch wiederholte Tests unter verschiedenen Bedingungen konnten wir die Zuverlässigkeit des Produkts im Rahmen einer Isolations-Theorie bestätigen.
Wie Tomohira Kikuchi erwähnte, halten ROHMs isolierte Gate-Treiber-ICs inzwischen etwa 60 %* des Weltmarktanteils.
(*Stand 2024, kapazitive und magnetische Typen für Traktionsinverter / ROHM-Studie)
Rückblickend auf den Entwicklungsweg wird deutlich, dass solche Erfolge nicht über Nacht erreicht wurden. Entwicklungsgeschwindigkeit und Kosten sind nur eine Seite – entscheidend ist die über Zeit gewachsene innere Stärke der Organisation.
Kikuchi:
„Ein Gehäuseentwickler entwickelt nicht nur Produkte, sondern erwirbt auch Technologien und Fachwissen für den nächsten Schritt. Jeder Tag bringt neue Herausforderungen und Chancen."
ROHMs Fertigungsgeist lebt in der jungen Generation.
Möge dieser Einblick Ingenieur*innen als Kompass für neue Wege dienen.
Nishioka:
„Erst in den letzten fünf bis sechs Jahren haben wir begonnen, Simulationsdaten in diesem Umfang vollständig zu nutzen.
Zuvor basierte das Gehäusedesign weitgehend auf umfangreicher Erfahrung und über Jahre hinweg aufgebautem Expertenwissen. Halbleiterbauelemente sind äußerst empfindlich, und der Fertigungsprozess ist äußerst komplex. Infolgedessen war ein erheblicher Anteil an Nacharbeiten unvermeidlich – typischerweise bestehend aus:
▶ Prototypenerstellung
▶ Fehleridentifikation
▶ Fehleranalyse
▶ Umsetzung von Gegenmaßnahmen