In 2021 stelde Europa zich een ambitieus doel om de productie van halfgeleiders weer binnen haar grenzen te halen, met als doel 20% van de wereldwijde halfgeleiderwaardeketen te veroveren tegen 2030. Aanvankelijk richtte deze inspanning zich vooral op frontend-technologieën zoals waferfabricage. In zijn recente rapport, “The Future of European Competitiveness” (2024), benadrukte Mario Draghi echter dat backend-technologieën, met name ‘advanced chip packaging’, ook in deze visie moeten worden opgenomen en in de komende jaren meer aandacht moeten krijgen.

De groeiende interesse in advanced packaging, als een sleuteltechnologie voor het voortzetten van de Wet van Moore, komt voort uit de toenemende complexiteit van halfgeleiders en de verschuiving naar hogere niveaus van chipintegratie (d.w.z. het combineren van verschillende halfgeleider- en zelfs fotonica frontendtechnologieën in één package). Dit betekent dat het ontwerp en de productie van zowel de ‘chip’ als de ‘package’ gezamenlijk moeten gebeuren. Een goed voorbeeld hiervan is de komende golf van 6G-radiochips, zoals die ontwikkeld worden door NXP, waarbij de antenne-eisen zo streng zijn dat ze direct in de package van de chip moeten worden geïntegreerd. Om deze reden onderzoeken belangrijke halfgeleider-frontendspelers zoals TSMC en Intel of ze geavanceerde chip packaging weer intern kunnen ontwikkelen. Zoals BCG het stelt: “De verpakking zal een innovatiedriver worden, een differentiatiepunt dat cruciaal is voor de systeemprestaties.”

Als Europa serieus is over het behouden van een concurrentievoordeel in de productie van halfgeleiders, moet het ook investeren in het ontwikkelen van expertise in ‘advanced packaging’. Dit is de reden waarom binnen het chipNL-plan, advanced packaging een van de drie pijlers is. En ook waarom advanced packaging waarschijnlijk een cruciale rol zal spelen in het aankomende ChipAct2-initiatief.

Het SP ‘Advanced Chip Packaging’ is afgeleid van het chipNL-plan en sluit nauw aan bij de overall doelstellingen van chipNL:

• Duurzaamheid: Zorg voor circulariteit in de waardeketen, een lager energieverbruik en het minder toepassen van schadelijke grondstoffen, zoals PFAS.
• Efficiëntie: Realiseer productiviteitsverhoging middels technologische innovaties en maak zo de benodigde groei binnen een krappe arbeidsmarkt mogelijk.
• Waardecreatie: Creëer toekomstgerichte nieuwe producten en bedrijven.
• Duurzaamheid: Zorg voor circulariteit in de waardeketen.

Looptijd programma: 3 jaar | 2025 - 2027

Vraagstelling

Traditionele en advanced packaging

Sterk versimpeld bestaat traditionele packaging als uit een aantal proces-stappen. In een eerste stap wordt een (of meerdere) integrated circuit(s) (ICs) op een leadframe of substraat gepositioneerd middels assembly. In een tweede stap worden deze ICs elektrisch aangesloten. In een derde stap wordt het geheel omsloten met een kunststof behuizing en tot slot voorzien van afgewerkte contactpunten.

In de overstap naar ‘advanced packaging’ zal deze process flow in grote lijnen gevolgd worden maar additioneel zullen er technologische uitdagingen ontstaan omdat de complexiteit van het chip package omhoog zal gaan. Denk hierbij bijvoorbeeld aan het opkomende veld van geintegreerde fotonica. Hierdoor zullen er packages ontwikkeld moeten worden waarin fotonische en electrische componenten gecombineerd moeten worden. Maar ook 6G communicatie zal uitdagingen met zich mee brengen op het gebied van packaging. Er zal een nood zijn om complexe antennestructuren direct in het package te integreren (in plaats van op de PCB) omdat anders de juiste performance niet gehaald kan worden.

Impact op kosten en op het milieu

Traditioneel worden voor het produceren van leadframes en substraten etsprocessen gebruikt, waarbij overtollig materiaal wordt verwijderd om tot de halffabricaten te komen. Dit ets-proces is zeer milieuonvriendelijk omdat het gebruik maakt van agressieve chemicaliën en bovendien komt er proportioneel maar heel weinig materiaal daadwerkelijk in het eindproduct. Voor het omsluiten met kunststof wordt vrijwel altijd gebruik gemaakt van (compressie)-molding, waarbij een thermo-hardende kunststof in een mal om de producten heen wordt gegoten. De gebruikte mallen zijn duur en bovendien zijn de gebruikte kunststoffen niet te recyclen. Voor het aansluiten van het IC op het leadframe wordt vaak gebruik gemaakt van wirebonding. Dit is een tijdrovend proces, omdat hier draad voor draad moet worden aangesloten op het leadframe. Wire-bonding is daardoor een grote kostenpost in het productieproces. Enerzijds is er dus een trend van traditionele naar advanced packaging, waarbij er meer functionaliteit in het package geïntegreerd moet worden. Anderzijds heeft de huidige manier van packaging een kostenstructuur en milieu-impact die niet aantrekkelijk is voor Europa en daarmee ook Nederland. Om dit te doorbreken zijn er in het huidige voorgestelde programma een drietal centrale problemen gedefinieerd, die opgelost moeten worden.

Probleem 1: Hoge kostenstructuur
De drempel om een eerste chip te verpakken is hoog vanwege de enorme initiële kosten. Het vereist flinke investeringen in apparatuur, maar er zijn ook hoge kosten per chip design, bijvoorbeeld voor speciale molding-mallen. Dit is vooral problematisch bij kleine series, waar de marges kleiner zijn en elke extra kostenpost zwaarder weegt. Deze initiële kosten moeten uiteindelijk worden terugverdiend, wat moeilijker is bij kleinere productieseries, omdat de kosten over minder eenheden worden verdeeld. Het optimaliseren van de productiekosten in Europa vereist een holistische benadering, waarin co-design van chip en package centraal staat. Het combineren van equipment, materialen en processen en het toepassen van methoden zoals Design for Test (DfT), Design for Reliability (DfR) en Design for Inspection (DfI) zal helpen om de kosten te beheersen. Ontwikkelings- en engineeringkosten (NRE) kunnen met deze benadering aanzienlijk worden gereduceerd, vooral bij kleinere productieseries.

Probleem 2: Hoge ecologische footprint
De packaging-industrie kent een behoorlijke ecologische voetprint, waaronder het hierboven omschreven etsproces. De ecologische impact komt voornamelijk door het gebruik van gespecialiseerde materialen en complexe productieprocessen. Doordat de packages de chips moeten beschermen tegen fysieke schade, vocht en elektrostatische ontlading, worden plastics, metalen en andere niet-biologisch afbreekbare materialen toegepast. Daarnaast vereist de productie ervan veel energie, natuurlijke hulpbronnen en grondstoffen, met een hoge uitstoot van broeikasgassen tot gevolg. Bovendien zijn de packages vaak moeilijk te recyclen vanwege de combinatie van verschillende materialen en de noodzaak om de integriteit van de chips te waarborgen. Na gebruik belanden veel van deze packages op stortplaatsen, waar ze bijdragen aan milieuvervuiling en de ophoping van afval. Het ontwikkelen van duurzamere packaging oplossingen en het verbeteren van recyclingmethoden zijn cruciale stappen om de ecologische impact van de halfgeleiderindustrie te verminderen en een duurzamere toekomst te bevorderen.

Probleem 3: Noodzaak tot nieuwe processen en materialen
De overgang van traditionele packaging naar advanced packages brengt nieuwe uitdagingen met zich mee. Nieuwe materialen en processen zullen ontwikkeld moeten worden om nieuwe functionaliteit aan de package toe te voegen. Voorbeelden daarvan zijn: nieuwe assemblage/interconnect-technologieën, integratie van microfluïdische functionaliteit en nieuwe encapsulatie-methodes. Maar ook de combinatie van electronica en fotonica in een enkel package. Deze nieuwe technologieën en processen moeten produceerbaar, betrouwbaar en kostencompetitief zijn. Nederland is een belangrijke leverancier voor de rest van de wereld voor nieuwe machines en materialen en kan daarmee opwaartse waarde creëren voor de packaging industrie.

Doelstelling

Het SP ‘Advanced Packaging’ heeft tot doel om een impuls te geven aan de hierboven genoemde problemen. Om dit te bereiken wordt publiek-private samenwerking gestimuleerd ten behoeve van doorbraken in advanced chip packaging, onderverdeeld in de volgende 4 gebieden:

1. Gebruik van additieve technologieën voor (advanced) chip packaging

Nederland is sterk in additive manufacturing (2D/3D printing) en apparatuurontwikkeling. De combinatie van deze twee levert een unieke en gouden kans om voor de hierboven genoemde problemen een oplossing te bieden. Additive manufacturing heeft het potentieel om de packaging kosten aanzienlijk te verlagen, terwijl de milieu-impact wordt verminderd. Enerzijds zal dit advanced packaging in Europa weer haalbaar maken, met name voor EU-relevante chips in de medische, energie- en automobielsector. Anderzijds zal het gebruik van additieve technologieën nieuwe apparatuur vereisen die ontwikkeld moet worden – een specifiek sterktegebied van Nederland. Mogelijk vereist dit ook de ontwikkeling van nieuwe processtappen en eventueel zelfs ook nieuwe materialen. Enkele goede en recente voorbeelden hiervan zijn de Holst Centre startups FononTech, de op LIFT (laser induced forward transfer) gebaseerde assembly technology ontwikkeld bij ITEC en de eerste geprinte packaging concepten die zijn gerealiseerd bij CITC in Nijmegen.

1. Verlagen van de milieu-impact van (advanced) chip packaging

Adcanced chip packaging legt een hoge druk op het milieu. Dit vormt een barrière om in Nederland/Europa weer te gaan produceren. Om hier iets aan te doen, wordt in dit thema gezocht naar het volgende type PPS-projecten:

• Vervangen van milieuonvriendelijke materialen in bestaande/nieuwe chip packages. Bijvoorbeeld: eliminatie van het gebruik van de toxische materialen Pb-soldeer (mengsel van tin en lood), PFAS en thermohardende molding materialen.
• Ontwikkeling van nieuwe (milieuvriendelijke) materialen voor chip packaging. Bijvoorbeeld: nieuwe chip attach materialen.
• Modelleren, testen en simuleren van (advanced) chip packaging
  Op basis van ontwerp en materiaaleigenschappen kan een model van de component/chip worden opgebouwd, waarna het kan worden gesimuleerd om te beoordelen of de functionaliteit en betrouwbaarheid zal gaan voldoen voor de toepassing. Tijdens de werking van de chip zullen wegens de hoge stromen en schakelsnelheden thermo-mechanische eigenschappen een belangrijke rol spelen, die vervolgens het elektrisch gedrag sterk beïnvloeden. Daarmee wordt het energieverbruik drastisch verhoogd en mogelijkerwijs de betrouwbaarheid verminderd. Dit vergt speciale ontwerpen en/of nieuwe materialen voor koeling bijvoorbeeld, maar ook voor de elektrische verbindingen. Om met dergelijke ontwerpen te komen moeten er onder andere multi-physics eindige-elementen methode (FEM) modellen ontwikkeld worden en simulaties daarmee uitgevoerd worden. Deze resultaten moeten gevalideerd worden door middel van speciale teststructuren/methodieken om uiteindelijk met nauwkeurige resultaten te komen ter optimalisatie. Afhankelijk van de toepassing of type schakeling dienen er dan op basis van de geoptimaliseerde ontwerpen van de systemen (fysisch gebaseerde) compacte modellen ontwikkeld te worden ontwikkeld. Deze modellen en test-methodieken kunnen vervolgens voorspellend gebruikt worden. Voor geintegreerde fotonica gelden nog additionele uitdagingen. Fotonische geïntegreerde schakelingen (PIC's) moeten worden geïntegreerd met elektronica om een systeem te vormen, daarom zijn een set wereldwijde ontwerprichtlijnen belangrijk (poortafstand, roosterskoppler-ontwerpen). Bovendien, voor systeemtoepassingen en miniaturisatie is het belangrijk om optische en elektronische componenten op een enkel substraat te verpakken. PIC's met elektronische IC's kunnen last hebben van thermische crosstalk, wat kan leiden tot uitlijningproblemen in de PIC, daarom moet een gedetailleerd thermisch analysemodel worden ontwikkeld om toleranties in optische packages te definiëren.

1. Ontwikkeling van nieuwe functionaliteiten voor advanced chip packaging

Een van de verschillen tussen traditionele en advanced packaging is dat er meer functionaliteit ín het package gestopt moet gaan worden. Bijvoorbeeld antenne-structuren, optische structuren voor geïntegreerde optocouplers voor galvanische isolatie of detectie, maar bijvoorbeeld ook microfluïdische structuren om chip koeling mogelijk te maken bij vermogens-elektronica. Er wordt hier gezocht naar PPS-projecten waar specifieke nieuwe (advanced) chip packaging functionaliteiten ontwikkeld en getest worden in bestaande of nieuwe (advanced) chip packages.

Relatie met urgente transities, KIA's en technologieën

Urgente transities

Het strategisch programma ‘Advanced Chip Packaging’ zet primair in op de transitie sleuteltechnologieën, in het bijzonder ‘semiconductor technologies’. Binnen semiconductor technologies richt dit programma zich in het bijzonder op het ‘verpakken’ van chips (‘chip packaging’). De groeiende interesse in advanced packaging, als een sleuteltechnologie voor het voortzetten van de Wet van Moore, komt voort uit de toenemende complexiteit van halfgeleiders en de verschuiving naar hogere niveaus van chipintegratie (d.w.z. het combineren van verschillende halfgeleider- en zelfs fotonica frontendtechnologieën in één component). Dit betekent dat het ontwerp en de productie van zowel de ‘chip’ als de ‘package’ gezamenlijk moeten gebeuren. Zoals de Boston Consulting Group (BCG) het stelt: “De verpakking zal een innovatiedriver worden, een differentiatiepunt dat cruciaal is voor de systeemprestaties.” (“Advanced Packaging Is Reshaping the Chip Industry”). Het voorgestelde programma is een implementatie van een deel van de derde pilaar van het chipNL plan.

KIA's

De Energietransitie en Duurzaamheid KIA bestaat uit zes (5) missies, die zelf dertien “Meerjarige Missiegedreven Innovatie Programma’s” (MMIPs: Meerjaren Missiegedreven Innovatieprogramma’s) omvatten. Het pad naar het behalen van deze missies zal in belangrijke mate worden ondersteund door de vroege beschikbaarheid van innovaties in micro-elektronica. In het bijzonder zijn de duurzame en emissievrije energiesystemen van de toekomst, vaak aangeduid als slimme netten, cyber-fysieke systemen (CPS’s) die fysieke dynamica (sensoren en actuatoren) integreren met computationele, controle- en communicatiefuncties (netwerken). In dergelijke systemen os nieuwe elektronica alomtegenwoordig. Bijvoorbeeld, om hernieuwbare energie te verwerken, zijn micro-elektronische oplossingen voor energie nodig, terwijl om fysieke dynamica te integreren, sensoren en actuatoren nodig zullen zijn. Besturingssoftware zal draaien op nieuwe (vaak energiezuinige, lage spanning en AI-ondersteunde) hardwareplatformen, en nieuwe communicatietechnologie (5G en verder) zal nodig zijn om te voldoen aan de strikte vereisten op het gebied van latentie en doorvoer die nodig zijn in een Internet of Energy (IoE)-omgeving.

Gezondheid & Zorg

Innovatie in elektronica zal een sleutelrol spelen in het mogelijk maken van de zorgsystemen van de toekomst, zodat zij de uitdagingen kunnen aangaan die verband houden met de vijf missies die in deze KIA zijn gedefinieerd. Van bijzonder belang zijn innovaties die leiden tot efficiënte en betaalbare apparaten voor diagnostiek, monitoring en behandeling van patiënten. De belangrijkste technische uitdagingen voor chip/actuator packages zullen bestaan uit het verbeteren van de sensorkwaliteit, het verkleinen van de vormfactor (miniaturisatie van componenten en systemen), het verminderen van het energieverbruik, biocompatibiliteit en het bereiken van betrouwbare communicatie.

Circulaire economie

Traditioneel worden voor het produceren van leadframes en substraten etsprocessen gebruikt, waarbij overtollig materiaal wordt verwijderd om tot de halffabricaten te komen. Dit ets-proces is zeer milieuonvriendelijk omdat het gebruik maakt van agressieve chemicaliën en bovendien komt er proportioneel maar heel weinig materiaal daadwerkelijk in het eindproduct. Voor het omsluiten met kunststof wordt vrijwel altijd gebruik gemaakt van (compressie)-molding, waarbij een thermo-hardende kunststof in een mal om de producten heen wordt gegoten. De gebruikte kunststoffen zijn niet te recyclen. Het Programma Advanced Chip Packaging beoogt nieuwe materialen en processen te zullen ontwikkelen om nieuwe functionaliteit aan de package toe te voegen.

Maatschappelijk verdienvermogen

Het SP Advanced Chip Packaging sluit aan bij de visie van economische autonomie waarbij gezamenlijke belangen tegenover andere grootmachten zetten. De toenemende complexiteit van halfgeleiders en de verschuiving naar hogere niveaus van chipintegratie betekent dat het ontwerp en de productie van zowel de ‘chip’ als de ‘package’ gezamenlijk moeten gebeuren. Om deze reden onderzoeken belangrijke halfgeleider-frontend-spelers of ze geavanceerde chip packages weer intern kunnen ontwikkelen om zich zo te onderscheiden en de technologie terug te halen naar het westen. Zoals BCG het stelt: “De verpakking zal een innovatiedriver worden, een differentiatiepunt dat cruciaal is voor de systeemprestaties.”

Veiligheid

Door de recente geopolitieke trends en ernstig verslechterende veiligheids-situatie wordt de versterking van onze defensie steeds belangrijker. Kennis en kunde op het gebied van Advanced Packaging is een cruciaal element hier in en bijvoorbeeld Thales was dan ook een deelnemers in de packaging pilaar in chipNL.

Technologieën

Innovaties in advanced chip packaging voor micro-elektronica maken transities mogelijk in verschillende toepassingsgebieden. De roadmap Electronics is de fundamentele roadmap waarin onderzoeksorganisaties en particuliere bedrijven de nieuwe micro-elektronica ontwerptechnologieën en de vereiste packaging opties zullen ontwikkelen. De roadmap Hoogwaardige materialen is belangrijk voor nieuwe materialen, terwijl nanotechnologie, halfgeleiderapparatuur en fotonica de gebieden exemplificeren die zullen profiteren van vooruitgangen in advanced packaging voor micro-elektronica.