Eine richtungsweisende Fachperspektive des National Institute of Standards and Technology (NIST) und seiner Partner legt zentrale Mess- und Materiallücken in polymerbasierten Halbleiter-Gehäusen offen - Defizite, die die langfristige Zuverlässigkeit von automobilen Sensoren und Motorsteuergeräten (ECUs) direkt gefährden. Der Beitrag mit dem Titel "Material Needs and Measurement Challenges for Advanced Semiconductor Packaging: Understanding the Soft Side of Science" erschien im August 2025 in den IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology. Er geht auf einen von NIST organisierten Workshop im Rahmen des 35th Annual Electronics Packaging Symposium in Binghamton, New York, am 5. September 2024 zurück.
Hintergrund
Da das klassische Transistorscaling an physikalische Grenzen stößt, verschärfen sich die Herausforderungen im Packaging - von mechanischen Spannungen und Verzug über elektrische Störeinflüsse bis hin zu Umweltbelastungen und Ausfallmechanismen. Polymerbasierte Packaging-Materialien, lange Zeit eher als Klebstoffe oder einfache Vergussmassen für Chips betrachtet, haben sich zu entscheidenden Stellhebeln für Zuverlässigkeit, Performance und Kosten entwickelt.
Polymere wie Epoxide, Silikone und Polyimide kapseln Chips ein, verbinden sie mit Leiterplatten und ermöglichen den Langzeitbetrieb. Mit dem Übergang zur 3D-heterogenen Integration - also gestapelten oder in drei Dimensionen verbundenen Chips - steigen die Anforderungen an diese Materialien rasant. Themen wie Wärmemanagement im Automobilbereich und der zuverlässige Einsatz von Feuchtigkeitssperre Materialien rücken dabei immer stärker in den Fokus.
ISO 26262, die internationale Norm für funktionale Sicherheit in Straßenfahrzeugen, wurde 2011 erstmals veröffentlicht und 2018 überarbeitet. Sie gilt für alle Fahrzeugsysteme - inklusive Hardware, Software und Mensch-Maschine-Interaktion - und stellt sicher, dass Sicherheit von der Konzeptphase bis zur Stilllegung berücksichtigt wird. Automobiltaugliche Packaging-Polymere müssen daher sowohl hohe Anforderungen an die Langzeitzuverlässigkeit erfüllen als auch die strengen Sicherheitsklassifizierungen für ECU- und Sensorbaugruppen einhalten. Für Entwicklungsabteilungen, die Automotive Normen für Elektronik erfüllen müssen, wird das Materialverhalten damit zum kritischen Nachweisfaktor.
Details
Das Kernproblem liegt, wie die von NIST geführten Autor:innen darlegen, im physikochemischen Verhalten von Polymer-Gehäusen unter realen automobilen Betriebsbedingungen. Anders als Metalle oder Keramiken reagieren Polymere zeit- und temperaturabhängig, nehmen Feuchtigkeit auf und verändern unter Belastung ihre Form, so NIST. Diese Effekte können dazu führen, dass Chips sich verziehen, Signale degradieren oder Verbindungen über Jahre hinweg ausfallen.
Im Automobilbereich sind die Risiken besonders kritisch. Fahrzeuge bleiben in der Regel 10 bis 15 Jahre im Einsatz; Chip-Designer müssen deshalb nachweisen, dass Systeme für autonomes Fahren und Fahrerassistenz über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs faktisch ausfallfrei funktionieren. Diese Service-Life-Anforderung prallt auf die dokumentierte Instabilität von Duroplasten, Underfill-Materialien und Epoxid-Vergussmassen unter Temperaturwechselbelastung, Feuchtigkeitsaufnahme und mechanischer Vibration - alles typische Belastungen für Sensoren und ECUs im Motorraum oder am Fahrwerk.
Das NIST-CHIPS-Team adressiert diese Themen über drei miteinander verknüpfte Workstreams. Erstens beschreibt die Initiative die zentralen Herausforderungen und Chancen im Umgang mit polymerbasierten "Soft"-Materialien in Advanced Semiconductor Packaging - mit Fokus auf Polymerwissenschaft, Messtechnik (Metrologie) und die strategische Entwicklung von Research Grade Test Materials (RGTMs). Ziel ist es, das grundlegende Verständnis von Struktur-Eigenschaft-Prozess-Beziehungen zu vertiefen, standardisierte Guidelines und innovative Charakterisierungsmethoden voranzutreiben und so Entwicklung, Qualifizierung und Einsatz der nächsten Generation von Packaging-Materialien zu beschleunigen.
Zweitens entwickelt NIST fortgeschrittene Metrologie-Verfahren, darunter Advanced Rheology, Spektroskopie und Spannungsmessungen, um gezielt zu verfolgen, wie Polymere während der Fertigung aushärten, schrumpfen und sich verformen - Faktoren, die die Gerätezuverlässigkeit direkt beeinflussen. Je stärker die Branche auf Digital Twins und prädiktives Design setzt, desto unverzichtbarer werden präzise Messdaten. Co-Autor William Chen, Chair der IEEE Heterogeneous Integration Roadmap für Halbleiter, bringt es auf den Punkt: "Modeling without metrology is imagination."
Drittens etabliert NIST Research Grade Test Materials (RGTMs): offene, nicht-proprietäre Polymersysteme, die als Referenz dienen. Anders als kommerzielle "Black Box"-Materialien ermöglichen RGTMs es Forschungsteams aus Industrie, Hochschulen und Behörden, Ergebnisse besser zu vergleichen, Reproduzierbarkeit zu verbessern und belastbare Daten in Simulations- und Designmodelle einzuspeisen.
Der Beitrag benennt zudem wesentliche Herausforderungen im Automotive-Packaging, die durch das neue Framework adressiert werden. Siliciumdioxid-basierte Füllstoffe in Epoxid-Vergussmassen verringern die Feuchtigkeitsaufnahme und entschärfen den großen Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten (Coefficient of Thermal Expansion, CTE) zwischen Silizium-Die (2-3 ppm/°C) und Epoxidharz (über 80 ppm/°C) und tragen so zur Begrenzung von Verzug bei. Für ECU- und Sensor-Gehäuse im Hochtemperatureinsatz ist dieser CTE-Mismatch ein zentraler Treiber für Interconnect-Fatigue und Feldausfälle.
Laut Hamed Gholami Derami, Strategic Technologist für Advanced Semiconductor Packaging bei Brewer Science, wird "Panel warpage fundamentally driven by thermo-mechanical CTE mismatch and stiffness imbalances across the stack." Er weist darauf hin, dass in ein und demselben Stack mehrere Polymertypen mit unterschiedlichen Glastemperaturen koexistieren und dass das Überschreiten der Glasübergangstemperatur (Tg) einer beliebigen Schicht zu einem abrupten Abfall des Moduls und einer Erhöhung des CTE führt - was den Verzug massiv verstärkt. Auch die Aushärte-Schrumpfung von Polymeren wird als Quelle von Eigenspannungen identifiziert, die Warpage zusätzlich verstärken.
Die branchenübergreifenden Implikationen sind erheblich. Die Perspektive geht auf einen NIST-Workshop zurück, bei dem Expert:innen aus Industrie, Hochschulen und Regierungslaboren zentrale Prioritäten definierten - darunter der Wiederaufbau in den USA ansässiger Lieferketten für Packaging-Materialien, der Aufbau gemeinsamer Datenbanken für Materialkennwerte und die Weiterentwicklung von Messstandards. Diese Prioritäten betreffen gleichermaßen die Verpackung von Medizingeräten, leistungsstarke Compute-Module in Rechenzentren und Consumer Electronics - überall dort, wo polymerverkapselte Halbleiterkomponenten in thermisch oder feuchtigkeitskritischen Umgebungen eingesetzt werden und wo zuverlässige Feuchtigkeitssperre Materialien sowie kontrolliertes Wärmemanagement im Automobilbereich und anderen Sektoren entscheidend sind. Das NIST CHIPS NAPMP hat im Rahmen seiner ersten Notice of Funding Opportunity zu Advanced Substrates und Materialforschung Förderzusagen in Höhe von 300 Millionen US-Dollar abgeschlossen, unter anderem an Absolics Inc., Applied Materials Inc. und die Arizona State University - ein Hinweis auf die Größenordnung der staatlichen Investitionen hinter dem Framework.
Ausblick
Da einige neue Packaging-Materialien 10 bis 25 Jahre bis zur Serienreife benötigen, betonen die NIST-Autor:innen, wie wichtig frühe, kollaborative Entwicklungsarbeit ist, um die von Automotive-OEMs vorgegebenen Zuverlässigkeits- und Qualifizierungszeiträume einhalten zu können. Die vom NIST-CHIPS-Team initiierten Aktivitäten zielen darauf ab, Entwicklung, Qualifizierung und Markteinführung der nächsten Generation von Packaging-Materialien deutlich zu beschleunigen.
Automobilzulieferer und Polymercompounder, die ihre Materialqualifizierungsprogramme frühzeitig am NIST-RGTM-Framework ausrichten, werden besser aufgestellt sein, um die Nachweisanforderungen der ISO 26262 zu erfüllen und neue Beschaffungsspezifikationen von Tier-1- und OEM-Kunden zu adressieren. Formale Standardisierungsdokumente und öffentlich zugängliche, gemeinsame Datenbanken für Materialeigenschaften gelten als die nächsten erwarteten Ergebnisse des CHIPS Metrology Program - und als wichtige Grundlage, um zukünftige Automotive Normen für Elektronik fundiert mit Material- und Messdaten zu hinterlegen.
