Wo FreeCAD in der Package-Entwicklung sinnvoll eingesetzt werden kann
Bei der Entwicklung moderner Halbleiter-Packages stehen heute weniger die eigentlichen Chips im Mittelpunkt als vielmehr die mechanische Integration aller Komponenten. Die Herausforderungen liegen in der Unterbringung mehrerer Dies, der Integration von Substraten, Heatspreadern, Kühlkörpern, Underfill-Materialien und Verbindungstechnologien innerhalb eines möglichst kompakten Gehäuses.
Während elektrische und thermische Simulationen meist in spezialisierten EDA-Werkzeugen erfolgen, entsteht in vielen Projekten parallel die Notwendigkeit, mechanische Package-Konzepte zu entwickeln, Baugruppen zu visualisieren oder kundenspezifische Varianten zu erstellen. Genau hier kann FreeCAD eine interessante Ergänzung zum klassischen Halbleiter-Toolstack darstellen.
Herausforderungen moderner Package-Architekturen
Die Entwicklung von Chip-Packages hat sich in den letzten Jahren stark verändert. Statt einzelner Dies dominieren zunehmend:
- Chiplet-Architekturen
- 2.5D-Packages
- 3D-Packages
- HBM-Integrationen
- Heterogeneous Integration
- Co-Packaged Optics
Dadurch steigt die Komplexität der mechanischen Package-Struktur erheblich. Bereits kleine Änderungen an Die-Abmessungen, Substratgrößen oder Kühlkonzepten können Auswirkungen auf das gesamte Package haben.
Für Entwicklungsteams wird deshalb die Beherrschung von Varianten und Iterationen immer wichtiger.
Parametrische Entwicklung von Package-Plattformen
Ein typisches Problem in der Package-Entwicklung ist die Vielzahl ähnlicher Varianten. Ein Package kann beispielsweise in mehreren Ausführungen existieren:
- unterschiedliche Die-Größen
- verschiedene Ball-Grid-Layouts
- unterschiedliche Heatspreader
- alternative Kühlkörper
- mehrere Substratversionen
Hier eignet sich der Sketcher zusammen mit Part Design besonders gut. Kritische Package-Parameter wie Die-Größe, Substratabmessungen, Bump-Abstände oder Gehäusehöhen können zentral definiert werden. Daraus lassen sich unterschiedliche Varianten ableiten, ohne das gesamte Modell neu aufzubauen.
Gerade in frühen Entwicklungsphasen können verschiedene Package-Konzepte dadurch wesentlich schneller bewertet werden.
Mechanische Integration von Kühlkonzepten
Ein aktueller Entwicklungsschwerpunkt vieler High-Performance-Packages ist die Wärmeabfuhr. Moderne AI-Beschleuniger und HPC-Prozessoren erreichen Leistungsdichten, die klassische Kühlkonzepte an ihre Grenzen bringen.
In diesem Umfeld wird die mechanische Integration von:
- Heatspreadern
- Vapor Chambers
- Cold Plates
- Direct-to-Chip Cooling
- Flüssigkeitskühlungen
zunehmend wichtiger.
Mit der Assembly Workbench lassen sich unterschiedliche Kühlkonzepte als vollständige Baugruppen aufbauen und hinsichtlich Bauraum, Montagezugänglichkeit und Integration bewerten. Gerade bei der Zusammenarbeit zwischen Package-, Thermal- und Mechanical-Engineering-Teams kann dies die Kommunikation deutlich vereinfachen.
Entwicklung von Prüf- und Montagekonzepten
Ein Bereich, der in vielen Package-Projekten unterschätzt wird, ist die Entwicklung der benötigten Peripherie.
Neue Package-Designs erfordern häufig:
- Pick-and-Place-Aufnahmen
- Alignment-Tools
- Montagehilfen
- Burn-In-Trays
- Testadapter
- Prüfvorrichtungen
Da diese Komponenten oft parallel zum eigentlichen Package entwickelt werden müssen, kann FreeCAD als gemeinsame Plattform für mechanische Entwicklungsteams dienen.
Besonders die Kombination aus Part Design und Assembly ermöglicht es, das Package direkt mit den späteren Fertigungs- und Testvorrichtungen zu verknüpfen.
Typischer FreeCAD-Workflow für Package-Projekte
Ein möglicher Workflow in der Halbleiterentwicklung könnte folgendermaßen aussehen:
Sketcher
Definition der Package-Grundparameter:
- Die-Abmessungen
- Substratgröße
- BGA-Raster
- Montageflächen
- Kühlzonen
Part Design
Erstellung einzelner Komponenten:
- Package Body
- Heatspreader
- Interposer
- Kühlkörper
- Montageelemente
Assembly
Zusammenführung aller Komponenten zu einer vollständigen Package-Baugruppe.
Dabei können unterschiedliche Varianten von Dies, Substraten oder Kühlsystemen verglichen werden.
TechDraw
Erstellung von Fertigungszeichnungen für:
- Prototypengehäuse
- Testadapter
- Montagehilfen
- Vorrichtungen
Python-Integration
Automatische Erzeugung von Package-Varianten auf Basis definierter Parameter wie:
- Die-Größe
- Anzahl der Chiplets
- Bump-Layout
- Package-Höhe
Warum FreeCAD für Package-Entwickler interessant sein kann
FreeCAD wird die etablierten EDA-Systeme der Halbleiterindustrie nicht ersetzen. Die eigentliche Chip-, Substrat- und Signalintegritätsentwicklung bleibt weiterhin Aufgabe spezialisierter Werkzeuge.
Interessant wird FreeCAD dort, wo mechanische Entwicklung, Package-Architektur, Kühltechnik und Fertigungsintegration zusammenkommen. Besonders bei der Entwicklung neuer Package-Plattformen, der Bewertung mechanischer Konzepte und der Erstellung von Test- und Montagevorrichtungen bietet die Software einen flexiblen und anpassbaren Ansatz.
Für Teams, die regelmäßig neue Gehäusevarianten, Kühlkonzepte oder Package-Plattformen entwickeln, kann FreeCAD daher eine wertvolle Ergänzung zur bestehenden Halbleiter-Toolchain sein.
