Das National Institute of Standards and Technology (NIST) hat kritische Lücken bei Messmethoden und Standardisierung für polymerbasierte Halbleiter-Gehäusetechnologien identifiziert - mit direkten Folgen für die Zuverlässigkeit von automobilen Sensoren und elektronischen Steuergeräten (ECUs). Diese Erkenntnis veranlasst die Behörde, neue Prüfwerkstoffe, Metrologie-Protokolle und offene Datenframeworks voranzutreiben, während die Automobilzulieferkette aufmerksam hinschaut.
Hintergrund
Die NIST-Initiative geht auf ein Perspektivpapier zurück, das 2025 in den IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology erschienen ist und auf einem von der Behörde organisierten Workshop beim 35. Electronics Packaging Symposium in Binghamton, New York, am 5. September 2024 aufbaut. Das Papier, verfasst von Forschenden des NIST, der North Carolina State University, des National Renewable Energy Laboratory, von Intel, ASE und der Binghamton University, beschreibt nach Ansicht der Autorinnen und Autoren systemische Defizite darin, wie Polymer-Vergussmaterialien für Advanced-Packaging-Anwendungen charakterisiert, qualifiziert und modelliert werden.
Die Relevanz für Automobilelektronik ist besonders hoch. Polymerwerkstoffe - Epoxide, Silikone und Polyimide - sind die dominierenden Verguss- und Kapselmaterialien für Steuergeräte (ECUs), ADAS-Sensoren und verwandte Module. Kunststoffgehäuse haben inzwischen über 99 % Marktanteil an der gesamten Elektronikverkapselung und haben damit hermetische Keramik- und Metallgehäuse verdrängt, die in den 1960er-Jahren noch rund 80 % Marktanteil hielten. Dennoch zeigt eine 2025 in Frontiers in Electronics veröffentlichte Studie, dass mechanische Vibrationen im automobilen Einsatzumfeld zu Lastwechseln führen, die Ermüdungsschäden wie Delamination und Rissbildung an der Grenzfläche zwischen Vergussmasse und Die verursachen, ebenso wie Lötstellenermüdung durch akkumulierte plastische Verzerrungen auf Leiterplattenebene.
Bestehende Qualifikationsrahmen für Automobilelektronik - darunter AEC-Q100 für integrierte Schaltungen, AEC-Q101 für diskrete Bauelemente, AEC-Q200 für passive Komponenten sowie ISO 16750-3, die Vibrationsprüfprofile für fahrzeugmontierte Elektronik bis 2.000 Hz festlegt - definieren überwiegend Systemgrenzen und Funktionsanforderungen. Sie liefern jedoch keine standardisierten Protokolle, um grundlegende polymere Materialeigenschaften zu charakterisieren, etwa Aushärtungskinetik, Eigenspannungen, Feuchteaufnahme-Dynamik und viskoelastisches Verhalten, die für die Langzeitintegrität des Gehäuses entscheidend sind. Genau hier entsteht eine Zuverlässigkeitslücke, die mit Blick auf Normen für Automobilelektronik zunehmend kritisch gesehen wird.
Details
Die vom NIST geführte Initiative, die im Rahmen des CHIPS-Metrologieprogramms der Behörde läuft, konzentriert sich auf zwei parallele Arbeitspfade. Der erste besteht in der Entwicklung fortschrittlicher Metrologiemethoden - darunter Rheologie, Spektroskopie sowie in-situ-Spannungsmessverfahren -, mit denen sich nachvollziehen lässt, wie Polymervergussmassen während der Fertigung aushärten, schrumpfen und sich verformen. Nach Angaben des NIST-CHIPS-Teams zielen diese Arbeiten darauf ab, das grundlegende Verständnis der Zusammenhänge zwischen Struktur, Eigenschaften und Prozessführung zu vertiefen und standardisierte Leitlinien für die Materialcharakterisierung zu etablieren.
Der zweite Arbeitspfad fokussiert sich auf die Entwicklung von Research-Grade Test Materials (RGTMs): offene, nicht-proprietäre Polymersysteme, die als Benchmarks dienen und es Forschenden in Industrie, Wissenschaft und Behörden ermöglichen, Ergebnisse zu vergleichen, die Reproduzierbarkeit zu erhöhen und belastbare Datensätze für Simulations- und Rechenmodelle zu erzeugen. Im Unterschied zu kommerziell beschafften "Black-Box"-Vergussmassen - deren Rezepturen vertraulich sind und nachgelagerten Anwendern oft verborgen bleiben - sollen RGTMs Resultate liefern, die sich organisationsübergreifend und zwischen verschiedenen Simulationsplattformen übertragen lassen. Für Hersteller von Kunststoffen für die Automobilindustrie eröffnet dies die Möglichkeit, ihre Materialien gezielter gegen transparente Referenzsysteme zu benchmarken.
"Modeling without metrology is imagination", betonte William Chen, Vorsitzender der IEEE Heterogeneous Integration Roadmap für Halbleiter und Mitautor der NIST-Perspektive. Die Aussage bringt eine Problematik auf den Punkt, die Polymerexpertinnen und -experten in der Automobilindustrie nur zu gut kennen: Digitale Zwillinge für das Package-Verhalten von Steuergeräten sind immer nur so zuverlässig wie die gemessenen Polymerdaten, mit denen sie gespeist werden. Mit dem Übergang der Branche zu 3D Heterogeneous Integration, bei der mehrere Chips stapel- oder 3D-verbunden werden, steigen die Anforderungen an Verguss- und Kapselpolymere rasant.
Hinzu kommt die besondere Belastung durch das automobile Einsatzumfeld. Kombinierte Vibrations- und Temperaturwechseltests gemäß IEC 60068-2 setzen Leiterplattenbestückungen gleichzeitigen Schwinganregungen und Temperaturzyklen zwischen -40 °C und 125 °C aus und bilden damit typische Bedingungen im Motorraum nach. Unter solchen Beanspruchungen nehmen polymere Packaging-Materialien Feuchtigkeit auf und ändern unter mechanischer Last ihre Form - Verhaltensweisen, die über Jahre zu Verzug an Chips, Signalverschlechterungen oder Kontakt- und Verbindungsfehlern führen können.
Ausblick
Der vom NIST entwickelte Rahmen hat bislang keinen regulatorischen Status innerhalb von automobilen Qualifikationspfaden wie IATF 16949 oder der AEC-Q-Normenreihe, und die Behörde hat noch kein spezifisches Testpaket ausschließlich für die Automobilbranche angekündigt. Dennoch dürfte der Vorstoß, gemeinsame RGTMs und offene Datenbanken für Polymereigenschaften zu etablieren, künftige Überarbeitungen sowohl der AEC-Qualifikationsstandards als auch der OEM-spezifischen Materialfreigabeprozesse beeinflussen.
Akteure der Branche werden genau beobachten, ob sich die Metrologie-Ergebnisse des NIST - insbesondere Protokolle zur Messung von Eigenspannungen und Datenbanken zur Aushärtungskinetik - bei Normungsorganisationen wie JEDEC, IEC oder SAE International als Referenzgrundlagen für nächste Generationen von Zuverlässigkeitsspezifikationen in der Automobilelektronik durchsetzen. Entwickelnde und Anwender von Kunststoffen für die Automobilindustrie könnten damit künftig verbindlichere Leitplanken für Design, Simulation und Qualifikation ihrer Packaging-Lösungen erhalten.
