Forschende am National Institute of Standards and Technology (NIST) haben einen begutachteten Perspektivartikel veröffentlicht, in dem sie zentrale Defizite in der Polymerwissenschaft für Advanced Semiconductor Packaging benennen und ein messgetriebenes Framework vorschlagen, um diese Lücken zu schließen - mit direkten Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit von Fahrzeugsensoren und Electronic Control Units (ECUs) in rauen automobilen Einsatzumgebungen.
Hintergrund
Da die Transistorskalierung an physikalische Grenzen stößt, sieht sich die Branche mit zentralen Herausforderungen im Packaging konfrontiert - von mechanischen Spannungen und Verformungen über elektrische Störeinflüsse bis hin zu Umwelteinwirkungen und Ausfallmechanismen. Polymerbasierte Verpackungsmaterialien, die lange Zeit lediglich als Hülle für den Chip galten, erweisen sich heute als entscheidende Stellschrauben für Zuverlässigkeit, Performance und Kosten moderner Elektronikgehäuse.
Die Fahrzeugumgebung setzt diese Materialien besonders starken Belastungen aus. Bauteile im Fahrzeug müssen extremen Temperaturen von -40 °C bis +150 °C, dauerhaften Vibrationen, Feuchtigkeit und sehr langen Einsatzdauern standhalten. Alterungs- und Degradationsmechanismen in der Elektronik für raue Umgebungen im Automobil lassen sich in thermische, elektrische, mechanische, chemische, elektromagnetische, Strahlungs-, Feuchte- und Staubbelastungen einteilen. Dabei sind vor allem hohe Temperaturen, Feuchtigkeit und mechanische Vibrationen relevant - jede dieser Belastungen verändert das thermische, mechanische, elektrische und chemische Verhalten der Verpackungsmaterialien und beeinflusst damit die Performance und Lebensdauer eines elektronischen Bauteils.
Auf Polymerebene sind die Versagensmodi gut dokumentiert. Der thermische Ausdehnungskoeffizient (Coefficient of Thermal Expansion, CTE) und dessen Fehlanpassung zwischen polymerbasierten Packaging-Materialien wird weithin als Hauptursache für temperaturinduzierte Drifteffekte in Sensorgehäusen anerkannt. Experimentelle Untersuchungen zeigen zudem, dass Feuchteeintrag an der Gehäuseoberfläche bzw. im Interface zu plastischen Verformungen in diesen Materialien führen kann - und damit nichtlineare Drift des Langzeit-Offsets weiter verschärft. Diese Degradation äußert sich in erster Linie in Delamination, Ausfällen von Bonddrähten sowie Rissbildung in Substraten, Vergussmassen und Lötstellen. Kombinierte thermische und Feuchtebelastungen führen zusätzlich zu Adhäsionsversagen von Moulding Compounds sowie zum sogenannten "Popcorning"-Effekt in elektronischen Packages.
Details
Die NIST-Perspektive - entstanden aus dem Workshop "Materials and Metrology Needs for Advanced Semiconductor Packaging Strategies", der am 5. September 2024 auf dem 35. Electronics Packaging Symposium in Binghamton, NY, stattfand - skizziert zentrale Herausforderungen und Chancen rund um polymerbasierte "weiche" Materialien im Advanced Semiconductor Packaging. Im Fokus stehen dabei Polymerwissenschaft, Messwissenschaft (Metrologie) und die strategische Entwicklung von Research-Grade Test Materials (RGTMs).
Der Artikel wurde von Forschenden von NIST, der North Carolina State University, dem National Renewable Energy Laboratory, ASE, Intel, Innocentrix und der Binghamton University gemeinsam verfasst. Er erschien als R. Tao et al., "Material Needs and Measurement Challenges for Advanced Semiconductor Packaging: Understanding the Soft Side of Science", in IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, Vol. 15, Nr. 10, S. 2071-2082, 2025 (DOI: 10.1109/TCPMT.2025.3603484).
Herzstück des Frameworks ist das RGTM-Konzept. NIST entwickelt sogenannte Research-Grade Test Materials (RGTMs) - offene, nicht proprietäre Polymersysteme, die als Referenzmaterialien dienen. Sie ermöglichen es Forschenden aus Industrie, Wissenschaft und Behörden, Ergebnisse zu vergleichen, Reproduzierbarkeit zu erhöhen und belastbare Daten in Simulations- und Computermodelle einzuspeisen. "RGTMs sind der Schlüssel", betont Christopher Soles, Materialwissenschaftler bei NIST und Co-Projektleiter. "Indem wir geteilte, transparente Materialien bereitstellen, können wir Innovation im gesamten Ökosystem beschleunigen."
Der Artikel hebt außerdem die Bedeutung prädiktiver Modellierung hervor. "Modeling ohne Metrologie ist reine Vorstellungskraft", sagt Koautor William Chen, Chair der IEEE Heterogeneous Integration Roadmap für Halbleiter. Reproduzierbare Daten werden als essenziell beschrieben, um verlässliche Simulationen aufzubauen und Digital Twins in der duroplastischen Fertigung zu ermöglichen. Robuste Metrologie erlaubt ein schnelleres Screening von Materialien und unterstützt die Überführung neuer Werkstoffe von der Forschung in die Produktion - ein Aspekt, der auch für Verpackungslösungen für die Automobilindustrie besonders relevant ist.
Diese Aktivitäten, die vom NIST-CHIPS-Team koordiniert werden, sollen das grundlegende Verständnis der Zusammenhänge zwischen Struktur, Eigenschaften und Prozessierung vertiefen, standardisierte Richtlinien und innovative Methoden zur Materialcharakterisierung voranbringen und die Notwendigkeit enger Zusammenarbeit zwischen Materialwissenschaftler:innen, Prozessingenieur:innen und Metrologie-Expert:innen unterstreichen - ebenso wie sektorübergreifende Partnerschaften zwischen Industrie, Wissenschaft und öffentlichen Einrichtungen.
Die betrachteten Polymertypen decken die Kernmaterialien ab, die in Elektronikgehäusen der Automobilklasse zum Einsatz kommen. Epoxide, Silikone und Polyimide kapseln Chips ein, verbinden sie mit Leiterplatten und stellen den zuverlässigen Betrieb sicher. Mit dem Umstieg der Branche auf 3D Heterogeneous Integration, bei der mehrere Chips in drei Dimensionen gestapelt oder verschaltet werden, steigen die Anforderungen an diese Materialien rapide. Anders als Metalle oder Keramiken reagieren Polymere jedoch zeit- und temperaturabhängig, nehmen Feuchtigkeit auf und verändern unter mechanischer Belastung ihre Form. Das kann dazu führen, dass Chips sich verziehen, Signale degradieren oder Verbindungen im Laufe vieler Betriebsjahre ausfallen - mit direkten Auswirkungen auf Fahrzeugsensoren, Sensorgehäuse und ECUs in der Elektronik für raue Umgebungen.
Ausblick
Da einige neue Packaging-Materialien 10 bis 25 Jahre benötigen, um von der Entwicklung in die Serienfertigung zu gelangen, betonen die Autor:innen, wie wichtig frühe, kollaborative Forschungsarbeit ist - und dass die Überbrückung der Lücke zwischen Polymerwissenschaft und Halbleitertechnik Innovation beschleunigen und zugleich die Resilienz der Lieferketten stärken kann. Speziell für die Automobilindustrie, in der AEC-Q100-Qualifikationsstandards bereits Temperaturwechseltests, Feuchteempfindlichkeitsprüfungen und mechanische Belastungstests vorschreiben, könnte die Mess- und Dateninfrastruktur von NIST die validierten Materialdaten liefern, die nötig sind, um zukünftige Verguss- und Encapsulation-Materialien gegen diese Protokolle zu qualifizieren.
Klassische Packaging-Materialien, von denen viele sich seit Jahrzehnten kaum verändert haben, sehen sich inzwischen neuen Leistungsanforderungen gegenüber - etwa in 5G/6G-Kommunikation, Künstlicher Intelligenz und High-Performance Computing. Diese Anforderungen spiegeln jene sehr deutlich wider, die moderne ADAS-Systeme und elektrifizierte Antriebsstränge in heutigen Fahrzeugen stellen. Entsprechend wächst der Bedarf an robusten, messgetrieben optimierten Verpackungslösungen für die Automobilindustrie, um die Zuverlässigkeit von Fahrzeugsensoren, ECUs und anderen Elektronikgehäusen über den gesamten Fahrzeuglebenszyklus hinweg abzusichern.
