Mit 400 Millionen Euro fördert die Bundesregierung die Entwicklung der Mikroelektronik in Deutschland. Dies hat das Bundeskabinett am 18. Februar 2016 beschlossen.

Mit 400 Millionen Euro fördert die Bundesregierung die Entwicklung der Mikroelektronik in Deutschland. Dies hat das Bundeskabinett am 18. Februar 2016 beschlossen. BMBF

Das Programm unterstützt insbesondere die Entwicklung von Industrie 4.0, von Elektromobilität und automatisiertem Fahren, einer nachhaltigen und effizienten Energieversorgung sowie intelligenter Medizintechnik. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) finanziert das Programm bis zum Jahr 2020 mit rund 400 Mio. Euro.

Intelligente und sichere Elektronik- und Mikrosysteme, energieeffiziente und kompakte Leistungselektronik sowie der Chip- und Systementwurf komplexer Systeme zählen zu den Stärken der Mikroelektronikindustrie in Deutschland. Auch in Produktionstechnologien und im Anlagenbau für die Halbleiterherstellung sind deutsche Unternehmen und Forschungseinrichtungen erfolgreich.

Ein Ziel dieses Rahmenprogramms ist es, diese Stärken auszubauen und neue Kompetenzen zu entwickeln. Dies soll in fünf strategischen Forschungsschwerpunkten im Bereich der Technologien erfolgen, die im Folgenden dargestellt werden. Um die Chancen der Fortschritte der Naturwissenschaften zu nutzen, werden auch die Grundlagen künftiger Technologien erforscht, wie in Kapitel „Künftige technologische Gurndlagen erschließen“ erläutert wird. Zugleich ist es wichtig, die vorhandenen Technologien insbesondere dort zu fördern, wo sie direkt die Innovationkraft von Anwenderbranchen in Deutschland stärken, was in Kapitel  „Mit Mikroelektronik Zukunftsaufgaben angehen“ ausgeführt wird.

„Die Mikroelektronik ist entscheidend für die gesellschaftliche Entwicklung: Kein Computer, kein Auto, keine Industrieproduktion, kein Personalausweis kommt heute ohne diese Technologie aus. Daher brauchen wir mehr Innovationen und Arbeitsplätze in der digitalen Wirtschaft. Genau das wollen wir mit unserer neuen Initiative erreichen und unsere digitale Souveränität stärken“, sagte Bundesforschungsministerin Johanna Wanka nach dem Kabinettsbeschluss in Berlin.

Elektroniksysteme mit vielfältigen Funktionen

Zukünftige Elektroniksysteme werden durch eine starke Miniaturisierung geprägt sein und zugleich hohe Anforderungen an Funktionalität, Autonomie, Vernetzungsfähigkeit, Zuverlässigkeit, Sicherheit und Energieeffizienz erfüllen müssen. Solche multifunktionalen Systeme vereinen viele Bestandteile – zum Beispiel Komponenten zur Datenverarbeitung und Kommunikation, Sensoren und Bausteine zur Energiegewinnung oder für das Energiemanagement. Dieses Kombinieren von digitalen, analogen und mikroelektro-mechanischen Komponenten, zum Teil auf einem Chip, wird in Fachkreisen als „More than Moore“-Trend bezeichnet – in Abgrenzung zum Fortschritt durch immer weitere Verkleinerung von Chipstrukturen („More Moore“). Forschungsthemen sind unter anderem:

  • neuartige Systemintegrationstechnologien auf Wafer- und Substrat-Ebene sowie deren Kombination für hochintegrierte, energieoptimierte und hochwertige Elektroniksysteme,
  • Heterointegrationstechnologien und Bauteilkonzepte für multifunktionale Elektroniksysteme, die beispielsweise zur Integration verschiedener Funktionen und Chiptechnologien und zur Integration heterogener Systeme auf und in Folien geeignet sind,
  • innovative Sensorkonzepte und deren Implementierung auf Halbleiterbasis,
  • Embedding-Technologien und Mikro-Nano-Kontaktiertechnologien,
  • Strategien zur Optimierung und Verbesserung von Gehäusetechnologien und -materialien für elektronische Schaltkreise und Module,
  • innovative Testverfahren und Simulationsmodelle zum Systemverhalten,
  • Modelle zum Verständnis und zur Vorhersage von technologischer und funktionaler Zuverlässigkeit und Langzeitstabilität hochintegrierter Elektroniksysteme,
  • fertigungsorientierte Mess- und Prüfverfahren für hochintegrierte Elektroniksysteme,
  • Modularisierung und Standardisierung von hochintegrierten Elektroniksystemen bei großer Anwendungsbreite.

Leistungselektronik für die effiziente Energienutzung

Stand der Technik sind heute leistungselektronische Systeme auf Basis von Siliziumhalbleitern. Einerseits wird deren Integrationsdichte weiter steigen, andererseits hat die Forschung vielversprechende neue Ausgangsmaterialien hervorgebracht, mit denen ein großer Effizienzsprung bei der Wandlung elektrischer Energie und bei der Miniaturisierung möglich wird. Forschungsthemen sind unter anderem:

  • neuartige schaltungstechnische Lösungen für effiziente Gesamtsysteme auf Basis neuer Leistungshalbleitermaterialien,
  • neue Ansätze für die Aufbau- und Verbindungstechnik und das Thermomanagement, um die Potenziale neuer Materialien zu nutzen, beispielsweise für höhere Schaltfrequenzen und andere Arbeitstemperaturen,
  • Modellbildung für Fehlermechanismen und Optimierung der Zuverlässigkeit auf Bauteil- und Systemebene,
  • die stärkere Vernetzung und Systemintelligenz für hochintegrierte Lösungen auf Basis aller Materialklassen.

Innovative Werkzeuge für den Chip- und Systementwurf

Auch um komplexe Chips oder elektronische Systeme zu planen und zu entwerfen, sind hoch entwickelte Computeralgorithmen und aufwändige Simulationen nötig – sei es für „More Moore“, sei es für „More than Moore“. Diese Werkzeuge für die Designautomatisierung und -validierung stellen die Funktion der Chips und Systeme sicher und berücksichtigen zum Beispiel physikalische Wechselwirkungen oder durch Fertigungsprozesse gegebene Randbedingungen. Nur durch die Weiterentwicklung und den kreativen Einsatz dieser Werkzeuge sowie ein umfassendes Technologieverständnis ist die wachsende Komplexität innovativer (Mikro-)Elektroniksysteme überhaupt beherrschbar.

Die Effektivität, der Automatisierungsgrad und die Qualität des Designs bestimmen die Entwicklungszyklen der Industrie und damit den immer wichtiger werdenden Zeitfaktor beim Marktzugang. Forschungsthemen sind unter anderem:

  • komplexe Designregeln für immer kleinere Strukturbreiten, bei denen physikalische Effekte eine immer größere Rolle spielen, die sich bei größeren Strukturbreiten nicht ausgewirkt haben,
  • Einbeziehung nicht-funktionaler Aspekte wie Leistungsverbrauch, Robustheit oder Alterungseffekte,
  • hochautomatisierter Entwurf von „Mixed-Signal-Schaltungen“, bei denen analoge Komponenten (z. B. in drahtlosen Kommunikationsschnittstellen) und digitale Schaltungen in ein System integriert werden,
  • Einbeziehung der Aufbau- und Verbindungstechnik für 3D-integrierte, hochkompakte Systeme,
  • Test- und Verifikationsmethoden für gemischte analog-digitale Systeme und 3D-integrierte Systeme, sowie
  • Erweiterung der rechnergestützten Entwurfsumgebung über die gesamte Wertschöpfungskette zur Absicherung des Gesamtsystems schon frühzeitig vor Produktionsbeginn.

Sichere Chips für die digitale Gesellschaft

Chipbasierte Sicherheitstechnologien und -funktionen sind der Schlüssel zu einer sicheren Digitalisierung auf Hardwareebene. Fälschungs- und manipulationsresistente Chipkarten werden bereits zur vertrauenswürdigen Identifikation hoheitlicher Dokumente – wie Ausweise oder Pässe – eingesetzt.

Durch die hohe Vernetzungsdynamik in Anwendungen wie Industrie 4.0, Energieversorgung, Mobilität und Bezahlsystemen sowie durch die steigende Verbreitung mobiler Endgeräte wird der Bedarf an sicheren Chips weiter wachsen. Flankiert wird diese Entwicklung durch ein immer höheres Aufkommen an Echtzeitdaten, die durch in immer mehr Geräten verbaute intelligente Sensorik bereitgestellt werden. Eine sichere und effiziente Nutzung dieses „Internets der Dinge“ und der darauf basierenden Dienste wird nur dann möglich, wenn die hohe Entwicklungskompetenz für chipbasierte Sicherheitstechnologien in Deutschland weiter ausgebaut wird und diese wettbewerbsfähig gefertigt werden. Sicherheitschips sind eine Stärke der Mikroelektronikindustrie in Deutschland und Europa. Allerdings werden auch in diesem Feld stets neue Angriffsmethoden entwickelt, die existierende Schutzmechanismen umgehen. Daher ist es nötig, chipbasierte Sicherheitstechnologien stetig zu verbessern und neuartige Methoden in der Chipfertigung umzusetzen. Forschungsthemen sind unter anderem:

  • Methoden zur eindeutigen Identifizierbarkeit von Chips – beispielsweise durch Implementierung von physikalischen Fingerabdrücken unter Verwendung sogenannter „Physikalisch unklonbarer Funktionen (PUF)“ und zum Nachweis sowie zur Validierung vorgegebener Sicherheitsniveaus,
  • schaltungstechnische Maßnahmen zum Schutz von Chips gegen externe Angriffe sowie
  • die Implementierung eines herstellerseitigen Authentizitätsschutzes, zum Beispiel zur Manipulationsverhinderung während der Produktion bei einem Auftragshersteller (Foundry).

Um existierende und künftige Herausforderungen zu meistern, müssen vorhandene Kompetenzen in der chipbasierten Sicherheitstechnik gesteigert und erweitert werden. Durch die Herstellung kostengünstiger und sicherer Chips lässt sich die führende Position Deutschlands als Mikroelektronik-Anbieter langfristig sichern und ausbauen. Chipbasierte Sicherheitstechnologien werden vorwiegend auf Basis des Forschungsrahmenprogramms „Selbstbestimmt und sicher in der digitalen Welt 2015-2020“ der Bundesregierung gefördert.

Elektronik-Produktionstechnologien und -Produktion für die Zukunft

Um die Wertschöpfungskette vom Halbleiter bis zum Endprodukt zu schließen, ist es erforderlich, die Kompetenzen in der Elektronik-Produktionstechnik weiter zu stärken. Die Entwicklung neuer Produktionstechnologien erfordert eine Gesamtbetrachtung von Prozess, Materialien und Anlagen/Ausrüstung.

Dies gilt nicht nur für Standardbauelemente, sondern umso mehr für multifunktionale Komponenten. Deutsche Zulieferer im Material- und Gerätebereich sind hier wesentlich an der Entwicklung beteiligt, wie zum Beispiel bei der Lithografie mit extrem ultravioletter Strahlung (EUV-Lithografie) zur Fertigung besonders kleiner Chipstrukturen. Auch viele Prozesse zur Herstellung mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) wurden in Deutschland entwickelt. Unabhängigkeit bei der elektronischen Innovationsfähigkeit und nicht zuletzt die Versorgungssicherheit für die Anwender zu wettbewerbsfähigen Konditionen sind weitere wichtige Gründe für die Weiterentwicklung fortgeschrittener Fertigungstechnologien. Für Elektronik-Produktionstechnologien sind in besonderem Maße europäische Wertschöpfungsketten relevant, weshalb die Förderung bevorzugt im europäischen Verbund erfolgen wird. Forschungsthemen sind unter anderem:

  • die weitere Automatisierung der Fertigung,
  • Anlagen und Prozesse für die hochpräzise, zuverlässige und kostengünstige Verarbeitung kleinster und unterschiedlichster Bauteile zu komplexen elektronischen und multifunktionalen Baugruppen und Systemen sowie
  • Mess- und Prüftechnik zur Unterstützung schneller Innovationszyklen und hoher Qualitätsanforderungen.

Forschung zur Nachhaltigkeit und Ressourceneffizienz der Produktionsverfahren wie auch zu den Herausforderungen bei der Entsorgung und Rohstoffrückgewinnung fördert die Bundesregierung in den BMBF-Programmen „Forschung für Nachhaltige Entwicklung – FONA³“ und „Vom Material zur Innovation“ (Maßnahmen „Materialien für eine ressourceneffiziente Industrie und Gesellschaft“ oder „Sicherer Umgang mit synthetischen Nanomaterialien“) wie auch in der Ressortforschung des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit. Den strategischen Rahmen bildet das „Deutsche Ressourceneffizienzprogramm (ProgRess)“ der Bundesregierung.