In dem Forschungsprojekt ‚Intelligent Reliability 4.0‘ werden unter anderem Methoden der Ultraschall-Mikroskopie zur Fehlerdiagnostik an elektronischen Bauteilen und Systemen genutzt. Sie dient zur zerstörungsfreien Detektion von dünnen Schichten, Rissen und Delaminationen. (Bild: Fraunhofer IMWS)
Frank Altmann vom Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS nährt hohe Erwartungen an dieses Projekt: „Dass gar keine Defekte mehr auftauchen, ist leider eher unrealistisch. Aber wir halten es für ein machbares Ziel, im Rahmen dieses Großprojekts beispielsweise die operative Lebensdauer von Elektronik in Automobilen um den Faktor 10 zu erhöhen.“ Mit der zunehmenden Miniaturisierung von Bauteilen wird es allerdings immer schwieriger, „dort noch einzelne Komponenten zu untersuchen oder kleinste Fehler aufspüren zu können“, sagt Altmann, der das zugehörige Teilprojekt innerhalb von IREL 4.0 leitet. Dies sei nur mit einer Weiterentwicklung der entsprechenden Verfahren möglich“, aber dazu reichten „kleine Verbesserungen dieser Technologien nicht mehr aus“. Altman: „Wir brauchen große Fortschritte und neue Ansätze, beispielsweise durch den Einsatz von Künstlicher Intelligenz und Maschinellem Lernen.“
Versagensmodelle für spezifische Zuverlässigkeitsrisiken
Die Hallenser entwickeln dabei Versagensmodelle für spezifische Zuverlässigkeitsrisiken und innovative Methoden für die Materialcharakterisierung und physikalische Analyse, stets bezogen auf die Anforderungen neuer Fehlermodi und Degradationsmechanismen. Gemeinsam mit Partnern ist das Institut in mehreren der insgesamt sechs Arbeitspakete von IREL 4.0 aktiv und bringt vor allem seine Expertise und methodischen Kompetenzen in der Materialcharakterisierung, Modellierung, hochauflösenden Mikrostrukturanalyse und physikalischen Fehlerdiagnostik ein. Dieses tiefgehende Verständnis durch ‚Physics of Failure‘ ist unabdingbar, wenn man dem Ideal von vollkommen fehlerfreien Anwendungen möglichst nahekommen will.
Ergebnisse der Fehlererkennung durch Independent Component Analysis (ICA). Oben links: Gewichtungsmatrix des Bauteils, die für defekte Bumps charakteristisch ist. Oben rechts: Klassifikationsmaske, abgeleitet von den Gewichtungsfaktoren der Fehlersignatur. Unten: Klassifizierungsmaske (rot) über einer Aufnahme per akustischer Mikrographie für eine vereinfachte visuelle Beurteilung. Gelbe Kreise zeigen an, wo defekte FC-Kontakte durch Querschnitt und SEM-Bildgebung überprüft wurden. SEM-Untersuchungen wurden nur an den Spalten drei und vier (von der rechten Seite des Bilds) durchgeführt, die mit gelben Pfeilen oben markiert sind. Fraunhofer IMWS
Altmann und sein Team forschen vor allem auf dem Gebiet der Halbleitertechnologien auf Basis von Galliumnitrid (GaN). Diese ermöglichen höhere Schaltfrequenzen als Silizium-basierte Lösungen, höchste Wirkungsgrade bei der Energieumwandlung und eine hohe Miniaturisierung auf Systemebene. Beim Einsatz von GaN gilt es aber auch, mögliche neue Degradationsprozesse und Fehlerrisiken zu untersuchen und schließlich zu beherrschen. Im Projekt werden Degradationsmodelle für GaN-Bauelemente erarbeitet, mit denen sich die Ursachen und der zeitliche Verlauf für elektrische, thermische und mechanisch spannungsinduzierte Defekte beziehungsweise solche, die im Herstellungsprozess entstehen können, bewerten lassen.
Auswirkungen von Materialkontaminationen auf Zuverlässigkeitsrisiken beim Waferbonding
Zudem erforscht das Fraunhofer IMWS die Auswirkungen von Materialkontaminationen aus der Chip- und Packaging-Ebene auf Zuverlässigkeitsrisiken beim Waferbonding. Dabei sollen verbesserte Methoden zur Detektion von durch Verunreinigungen verursachten Defekten entwickelt werden. Das Forschungsteam untersucht auch, wie sich Feuchtekorrosion, Kontaminationen und Durchschlagsfestigkeit von Kunststoff-Verkapselungsmaterialien der Leistungselektronik auf die Zuverlässigkeit auswirken und entwickelt dafür notwendige neue Analyseverfahren und Versagensmodelle.
Über das Forschungsprojekt Intelligent Reliability 4.0
Technologien wie das autonome Fahren, das Internet der Dinge, die Elektromobilität oder intelligente Lösungen für Energieeffizienz und Medizintechnik benötigen immer leistungsfähigere elektronische Bauelemente und Systeme. Durchsetzen werden sie sich nur, wenn die Anwender auf die Robustheit der eingesetzten Elektronik vertrauen können. Deshalb arbeitet ein großes Konsortium daran, die Zuverlässigkeit von elektronischen Komponenten und Systemen zu verbessern, indem die Fehlerrate entlang der Wertschöpfungskette vermindert wird. Es geht darum, den gesamten Prozess der Elektronik-Entwicklung vom Wafer/Chip über Gehäuse und Board bis hin zum System im Hinblick auf Zuverlässigkeit und Lebensdauer zu optimieren. Dazu arbeiten 79 Partner aus 14 europäischen Ländern unter der Federführung von Infineon Technologies zusammen. Das Forschungsprojekt läuft bis 31. Mai 2022.
(dw)
