Forschende am National Institute of Standards and Technology (NIST) haben ein umfassendes Framework für die Weiterentwicklung polymerbasierter Packaging-Materialien für Halbleiter veröffentlicht - mit direkten Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit von automobilen Sensoren und Electronic Control Units (ECUs), die in rauen Umgebungen im Motorraum und an exponierten Außenpositionen betrieben werden.
Hintergrund
Polymerbasierte Packaging-Materialien, die früher vor allem als Mittel zum Verguss oder zum Fügen von Chips galten, haben sich zu zentralen Stellgrößen für Zuverlässigkeit, Performance und Kosten entwickelt. Dieser Wandel ist besonders relevant für die Automobilindustrie: Die Verbreitung elektrifizierter Antriebsstränge und sensorintensiver ADAS-Architekturen treibt die Nachfrage nach Packaging-Materialien, die breitere Temperaturbereiche, Vibrationen und chemische Belastungen sicher bewältigen. Gerade für Elektronik für raue Umgebungen wird das Verständnis von Polymerstruktur und Materialverhalten damit zum Schlüsselfaktor.
Mit dem Übergang zur 3D-heterogenen Integration - bei der mehrere Chips in drei Dimensionen gestapelt oder verbunden werden - steigen die Anforderungen an diese Materialien rasant. Im Gegensatz zu Metallen oder Keramiken reagieren Polymere zeit- und temperaturabhängig, nehmen Feuchtigkeit auf und ändern unter Belastung ihre Form. Diese Effekte können über die Betriebsdauer dazu führen, dass Chips sich verziehen, Signale degradieren oder Verbindungen ausfallen.
Zuverlässige, hochentwickelte mikroelektronische Packaging-Technologien sind damit zu einer Priorität in mehreren wachstumsstarken Halbleitermärkten geworden, darunter Automotive, industrielle Anwendungen und cloudbasierte Rechenzentren. Im automobilen Kontext sind ECUs im Motorraum typischerweise Bedingungen ausgesetzt wie Betriebstemperaturen von deutlich über 125 °C an Unter-der-Motorhaube-Positionen, kombiniert mit wiederholten Kaltstart-Temperaturzyklen, mechanischer Vibration sowie dem Kontakt mit Hydraulikflüssigkeiten, Ölen und Reinigungsmitteln. Für die Sensorlebensdauer und die allgemeine Zuverlässigkeit im Automobilbereich ist robustes Wärmemanagement und Packaging-Design daher essenziell.
Zentrale Inhalte des Frameworks
Die NIST-Perspektive baut auf Erkenntnissen eines von NIST organisierten Workshops "Materials and Metrology Needs for Advanced Semiconductor Packaging Strategies" auf, der am 5. September 2024 im Rahmen des 35. Electronics Packaging Symposium in Binghamton, New York, stattfand. Sie beschreibt zentrale Herausforderungen und Chancen im Umgang mit polymerbasierten "weichen" Materialien im Advanced Semiconductor Packaging, mit Fokus auf Polymerwissenschaft, Messtechnik (Metrologie) und die strategische Entwicklung von Research-Grade Test Materials (RGTMs).
Diese Arbeiten, getragen vom NIST-CHIPS-Team, sollen das grundlegende Verständnis der Beziehungen zwischen Struktur, Eigenschaften und Verarbeitung (structure-property-processing relationships) vertiefen, standardisierte Leitlinien und innovative Methoden zur Materialcharakterisierung etablieren und die Entwicklung, Qualifizierung und Einführung der nächsten Generation von Packaging-Materialien beschleunigen. Für NIST-Polymere stehen insbesondere reproduzierbare, quantitativ erfassbare Materialkennwerte im Vordergrund, die direkt in Entwicklungs- und Simulationsprozesse einfließen können.
NIST treibt zudem die Entwicklung von RGTMs voran: offene, nicht proprietäre Polymersysteme, die als Referenzen dienen. Im Gegensatz zu kommerziellen "Black-Box"-Materialien ermöglichen RGTMs Forschenden aus Industrie, Hochschulen und Behörden, Messergebnisse zu vergleichen, die Reproduzierbarkeit zu verbessern und belastbare Daten in Simulations- und Rechenmodelle einzuspeisen.
NIST-Materialwissenschaftler Christopher Soles, Co-Projektleiter, erklärte laut NIST-Mitteilung: "Indem wir gemeinsam nutzbare, transparente Materialien bereitstellen, können wir Innovation im gesamten Ökosystem beschleunigen".
Das Framework adressiert etablierte Konstruktionspolymere - darunter Epoxide, Silikone und Polyimide -, die in Chip-Packages als Vergussmassen, Underfills und strukturelle Klebstoffe dienen. Verguss- und Kapselmaterialien müssen chemisch stabil, hydrophob, thermomechanisch geeignet, elektrisch isolierend, thermisch stabil und hinsichtlich ihrer dielektrischen Eigenschaften auf die jeweilige Anwendung abgestimmt sein. Für Sensor- und ECU-Packaging in Automotive-Qualität verschärfen sich diese Anforderungen zusätzlich durch die Notwendigkeit, von AEC-Q100 geforderte Temperaturzyklen von -40 °C bis +125 °C (Grade 1) oder -40 °C bis +150 °C (Grade 0) in sicherheitskritischen Anwendungen zu überstehen.
Elektronische Baugruppen enthalten eine breite Palette an Materialien - Metalle, Verbundwerkstoffe, Polymere und Keramiken -, wodurch sich thermische Ausdehnung als dauerhafte Schadensquelle erweist. Ein typisches Beispiel ist Schubverformung in Lötstellen, bei der mechanische Spannungen aus Unterschieden in den Wärmeausdehnungskoeffizienten (Coefficient of Thermal Expansion, CTE) benachbarter Materialien resultieren. Der Fokus des NIST-Frameworks auf die Beziehungen zwischen Struktur, Eigenschaften und Verarbeitung soll Formulierern von Polymerwerkstoffen quantitative Werkzeuge an die Hand geben, um Polymersysteme mit reduziertem CTE zu entwickeln, die auch bei Kaltstarts und langen Temperaturzyklen dimensionsstabil bleiben und so Packaging-Zuverlässigkeit und Sensorlebensdauer verbessern.
Ausblick
Da einige neue Packaging-Materialien 10 bis 25 Jahre benötigen, um die Serienreife zu erreichen, betonen die Autorinnen und Autoren die Bedeutung frühzeitiger, kollaborativer Entwicklungsarbeit. Die im Framework formulierte Forderung nach gemeinsamen Materialdatenbanken und standardisierten Metrologie-Protokollen ist besonders zeitkritisch, da Automobilhersteller ihre Elektrifizierungsprogramme beschleunigen und domänen- bzw. zonenbasierte E/E-Architekturen einführen, die sowohl die Anzahl als auch die thermische Belastung der Halbleiter-Packages pro Fahrzeug erhöhen. Elektronik für raue Umgebungen rückt dadurch noch stärker in den Fokus von Design, Test und Qualifizierung.
Zu den von NIST identifizierten Prioritäten zählen der Wiederaufbau US-basierter Lieferketten für Packaging-Materialien, der Aufbau gemeinsamer Datenbanken für Materialeigenschaften sowie die Weiterentwicklung von Mess- und Prüfstandards. Die Perspektive fasst zudem zentrale Erkenntnisse einer Paneldiskussion mit Industrieexperten zusammen und unterstreicht die Notwendigkeit enger Zusammenarbeit zwischen Materialwissenschaftler:innen, Prozessingenieur:innen und Metrologie-Spezialist:innen. Darüber hinaus hebt sie die Bedeutung sektorübergreifender Partnerschaften zwischen Industrie, Wissenschaft und staatlichen Institutionen hervor, um dringende Herausforderungen bei Packaging-Materialien und -Prozessen systematisch anzugehen.
Es wird erwartet, dass Tier-1-Automobilzulieferer und Hersteller von Polymer-Compounds verstärkt mit dem RGTM-Programm von NIST zusammenarbeiten, um Qualifizierungszeiten für neue Hochtemperatur-Vergussmassen und Underfill-Formulierungen zu verkürzen. Die dabei entstehenden, nachvollziehbaren Compliance-Pfade dürften künftige Überarbeitungen von AEC-Q100 und verwandten Industriestandards mitprägen und so langfristig die Zuverlässigkeit im Automobilbereich verbessern - vom ECU-Design über das Wärmemanagement bis hin zur Auswahl geeigneter NIST-Polymere und optimierter Polymerstruktur im Packaging.
