Das National Institute of Standards and Technology (NIST) hat eine fachliche Stellungnahme zu Messstandards und Materialqualifikationskriterien für polymerbasierte Halbleitergehäuse veröffentlicht - mit direkten Auswirkungen auf Zulieferer von automobilen Sensoren und elektronischen Steuergeräten (ECUs), die mit immer strengeren Zuverlässigkeitsanforderungen konfrontiert sind.
Veröffentlicht in IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology im Jahr 2025, beschreibt die von dem NIST-CHIPS-Team gemeinsam mit Forschenden von Advanced Semiconductor Engineering, der North Carolina State University und dem National Renewable Energy Laboratory verfasste Stellungnahme zentrale Herausforderungen und Chancen im Umgang mit polymerbasierten "weichen" Materialien in der fortgeschrittenen Halbleiterverpackung, mit einem Schwerpunkt auf Polymerwissenschaft, Messtechnik und der strategischen Entwicklung von Research-Grade Test Materials (RGTMs).
Hintergrund
Polymere wie Epoxide, Silikone und Polyimide bilden das strukturelle und schützende Rückgrat von automobilen Halbleitergehäusen. Sie kapseln Chips ein, verbinden diese mit Leiterplatten und sichern die elektrische Integrität über die gesamte Lebensdauer eines Fahrzeugs. In ECU- und Sensoranwendungen müssen diese Materialien anspruchsvolle Umweltprofile überstehen: Automobilkomponenten werden gemäß etablierten Qualifikationsprotokollen wie ISO 16750 und AEC-Q100 thermischen Zyklen zwischen -40 °C und 125 °C, Vibrationsprüfungen mit Frequenzen bis 200 Hz sowie Feuchtebelastungen zur Prüfung der Korrosionsbeständigkeit ausgesetzt.
Die Zuverlässigkeitsanforderungen sind hoch. Ein einziger Ausfall in einer ECU kann zu schwerwiegenden Folgen führen, darunter Unfälle oder kostspielige Rückrufe, und automotive Bauteile müssen Betriebstemperaturen von -40 °C bis 150 °C sowie dauerhafte Vibration, mechanische Schocks und Feuchtigkeit über eine Lebensdauer ertragen, die häufig mehr als 15 Jahre beträgt. Entsprechend rücken Themen wie Zuverlässigkeitstest Automobil immer stärker in den Fokus von OEMs und Zulieferern.
Trotz dieser Anforderungen sind die Polymermaterialien, die die Verpackung von ECUs und Sensoren tragen, weitgehend unverändert geblieben. NIST stellte fest, dass traditionelle Materialien, von denen sich viele seit Jahrzehnten kaum verändert haben, nun mit neuen Leistungsanforderungen konfrontiert sind, getrieben durch Fahrzeugelektrifizierung, die Verbreitung von Advanced Driver-Assistance Systems (ADAS) und den Übergang zur 3D-heterogenen Chipintegration.
Ein zentrales Ausfallmechanismus in der Sensorverpackung ist die Fehlanpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE). Wenn Silizium-Chip, Substrat und Polymer-Moulding-Compound miteinander verbunden und thermischen Zyklen ausgesetzt werden, ziehen sie aneinander und erzeugen erhebliche mechanische Spannungen an den Grenzflächen. Diese Spannungen können zu Chiprissen, Ermüdung von Lötverbindungen oder Delamination führen - mit unmittelbaren Auswirkungen auf die Feldausfallraten und das Gewährleistungsrisiko.
Details
Die NIST-Stellungnahme entstand aus einem Workshop mit dem Titel "Materials and Metrology Needs for Advanced Semiconductor Packaging Strategies", der am 5. September 2024 im Rahmen des 35. Electronics Packaging Symposium in Binghamton, New York, stattfand. Sie etabliert ein strukturiertes Framework, um Messlücken anzugehen, die bislang die Lieferantenqualifikation und den branchenübergreifenden Datenaustausch erschwert haben.
Im Zentrum des Frameworks steht die Einführung 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, Reproduzierbarkeit zu erhöhen und verlässliche Daten in Computermodelle einzuspeisen. Im Gegensatz zu proprietären "Black-Box"-Formulierungen sind RGTMs darauf ausgelegt, transparent und verifizierbar zu sein - ein praktisch bedeutender Unterschied für Automotive-Tier-Zulieferer, die unter Normen wie IATF 16949 Materialrückverfolgbarkeit nachweisen müssen.
NIST entwickelt neue Messtechniken, darunter fortgeschrittene Rheologie- und spektroskopische Verfahren zur Spannungsmessung, mit denen sich verfolgen lässt, wie Polymere während der Fertigung aushärten, schrumpfen und sich verformen - Faktoren, die direkt die Zuverlässigkeit der Bauteile beeinflussen. Das Framework fordert außerdem gemeinsame Datenbanken für Materialeigenschaften und Fortschritte bei Messstandards - Prioritäten, die von den Workshop-Teilnehmenden aus Industrie, Hochschulen und staatlichen Laboren gemeinsam identifiziert wurden.
William Chen, Vorsitzender der IEEE Heterogeneous Integration Roadmap für Halbleiter und Mitautor der Stellungnahme, brachte die Bedeutung der Messtechnik auf den Punkt: "Modeling without metrology is imagination" - eine Formulierung, die den Fokus des Frameworks auf messtechnisch validierte Simulation als Voraussetzung für eine belastbare Materialqualifikation widerspiegelt.
Christopher Soles, Materialwissenschaftler bei NIST und Co-Projektleiter, erläuterte die Idee hinter offenen Testmaterialien: "By providing shared, transparent materials, we can accelerate innovation across the entire ecosystem".
Zu den angestrebten Ergebnissen des Frameworks gehören quantitative Messmethoden, Open-Source-Materialdaten, Frameworks für die Modellkalibrierung sowie prädiktive Modellierungswerkzeuge, die das Engineering-Design fortschrittlicher Packaging-Systeme unterstützen sollen. NIST betonte, dass diese Ergebnisse mit der Halbleiterindustrie geteilt werden, um Verbesserungen in der Polymer- und Gehäusekonstruktion voranzutreiben.
Ausblick
Da manche neuen Verpackungsmaterialien 10 bis 25 Jahre benötigen, um in die Serienproduktion zu gelangen, heben die Autorinnen und Autoren hervor, wie wichtig frühe, kollaborative Entwicklungsarbeit ist. Dieser Zeithorizont macht ein langfristiges Risiko für Einkaufsabteilungen in der Automobilindustrie deutlich, die sich auf Verpackungspolymer-Lieferanten mit begrenzter Transparenz bei der Qualifikation verlassen.
Während OEMs den Anteil von ECUs und Sensoren pro Fahrzeug - insbesondere in batterieelektrischen und softwaredefinierten Plattformen - weiter ausbauen, wird das NIST-Framework voraussichtlich in die nächste Überarbeitung von Lieferantenfreigabeprozessen und Anforderungen an die Materialcharakterisierung in bestehenden Normungsgremien wie SAE International und dem ISO Technical Committee 22 einfließen.
