Eine von Fachgutachtern geprüfte Stellungnahme des National Institute of Standards and Technology (NIST) und eines Konsortiums aus Industrie- und Hochschulpartnern rückt polymerbasierte "weiche" Materialien als kritische - und bislang deutlich unterentwickelte - Schlüsseltechnologie im Halbleitergehäuse in den Fokus. Die Ergebnisse haben direkte Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit von Automobilelektronik, das Thermomanagement sowie die Resilienz der Lieferketten, insbesondere bei Elektroauto Komponenten.
Hintergrund
Die Fachveröffentlichung mit dem Titel "Material Needs and Measurement Challenges for Advanced Semiconductor Packaging: Understanding the Soft Side of Science" wurde von Forschenden bei NIST, North Carolina State University, dem National Renewable Energy Laboratory, ASE, Intel, Innocentrix und der Binghamton University verfasst. Sie baut auf Erkenntnissen eines von NIST organisierten Workshops auf, der im September 2024 im Rahmen des 35. Electronics Packaging Symposium in Binghamton, NY, stattfand, und erschien 2025 in IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology.
Polymerbasierte Materialien im Halbleitergehäuse galten lange Zeit lediglich als Klebstoffe oder reine Umhüllung von Chips. Inzwischen ist klar: Sie sind zentrale Stellgrößen für Zuverlässigkeit, Performance und Kosten. Polymere wie Epoxide, Silikone und Polyimide kapseln Chips ein, verbinden sie mit Leiterplatten und sichern die Betriebszuverlässigkeit. Mit dem Übergang zur 3D-heterogenen Integration - also dem Stapeln oder dreidimensionalen Verschalten mehrerer Chips - steigen die Anforderungen an diese Polymere Werkstoffe rasant.
Die Automobilbranche steht genau an diesem Schnittpunkt. Dynamischer Direktzugriffsspeicher (DRAM) ist unverzichtbar für Infotainment, digitale Kombiinstrumente, ADAS-Funktionen und Systeme in Elektrofahrzeugen. Mit dem Trend zu softwaredefinierten Architekturen und zentralisierten Rechnerplattformen wird der DRAM-Bedarf weiter steigen. Parallel nimmt die Leistungsdichte zu: Effiziente Wärmeabfuhr bleibt eine zentrale Herausforderung, die Leistung, Zuverlässigkeit und Lebensdauer unmittelbar beeinflusst. Hochleistungselektronik auf Basis von Wide- und Ultrawide-Bandgap-Halbleitern erreicht Leistungsdichten von über 10 kW/cm² - ein Vielfaches klassischer Digitaltechnik - und verlangt nach neuen Wärmeleitmaterialien und durchdachten Thermomanagement-Konzepten.
Zentrale technische Entwicklungen
Die von NIST geführte Arbeit konzentriert sich auf drei typische Versagensmechanismen von Polymeren, die für Automotive-geeignete Bauteile besonders kritisch sind. Anders als Metalle oder Keramiken sind Polymere zeit- und temperaturempfindlich, nehmen Feuchtigkeit auf und verändern unter mechanischer oder thermischer Belastung ihre Form. Diese Effekte können über die Betriebsdauer zu Chipverzug, Signaldegradation oder Kontaktversagen führen. In automobilen Anwendungen mit großen Temperaturwechselbereichen und geforderten Einsatzzeiten von mehreren Jahrzehnten verschärfen sich diese Versagensmodi zusätzlich.
Die Publikation beschreibt Messverfahren in der Entwicklung - von fortgeschrittener Rheologie und Spektroskopie bis hin zu Spannungsmessungen -, mit denen sich verfolgen lässt, wie Polymere während der Fertigung aushärten, schrumpfen und sich verformen. Diese Größen stehen in direktem Zusammenhang mit der Zuverlässigkeit des späteren Bauteils. NIST entwickelt zudem offene, nicht-proprietäre Polymersysteme, sogenannte Research-Grade Test Materials (RGTMs). Sie dienen als Referenzwerkstoffe für Industrie, Wissenschaft und Behörden, um Messergebnisse vergleichbar zu machen und belastbare Daten in Simulations- und Rechenmodelle einfließen zu lassen.
"Modeling without metrology is imagination", wird William Chen, Vorsitzender der IEEE Heterogeneous Integration Roadmap für Halbleiter, in dem Beitrag zitiert. Das unterstreicht die wachsende Abhängigkeit der Branche von validierten Materialmodellen - insbesondere, da Automobilzulieferer zunehmend digitale Zwillinge (Digital Twins) für Design, Absicherung und Qualifikation von Modulen einsetzen und sich dabei an NIST Normen orientieren.
Thermal Interface Materials (TIMs) bilden einen weiteren Engpass im Thermomanagement. Typische TIM2-Materialien für Leistungselektronik in Elektrofahrzeugen weisen Anfang 2025 eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 4 W/mK auf - ein Wert, der künftig deutlich steigen muss. Der Wechsel zu Siliziumkarbid-(SiC-)MOSFETs in EV-Invertern treibt die Sperrschichttemperaturen auf 175 °C und mehr - gegenüber bis zu 150 °C bei Silizium-IGBTs - und erhöht so den Bedarf an Hochleistungs-TIMs und optimierten Die-Attach-Materialien. Laufende Forschungsarbeiten zielen darauf ab, die Wärmeleitfähigkeit durch hoch wärmeleitfähige Füllstoffe in Polymermatrix-Systemen zu steigern.
Auf Ebene der Gehäusearchitektur platziert 3D-Packaging aktive Dies direkt übereinander. Diese vertikale Integration verspricht erhebliche Performancegewinne, führt aber gleichzeitig zu deutlich größeren Herausforderungen bei Leistungsdichte und Thermomanagement - mit unmittelbarem Einfluss auf die Zuverlässigkeit der Automobilelektronik.
Dimension Lieferkette
Die Materialproblematik überschneidet sich mit wachsenden geopolitischen Risiken in der Versorgung mit Automotive-tauglichen Chips. Ende September 2025 übernahm die niederländische Regierung die Kontrolle über Nexperia, einen chinesisch geführten Chipproduzenten, der weltweit Schlüsselkomponenten für Autohersteller liefert. Wenige Tage später reagierte China mit Exportbeschränkungen für die chinesischen Nexperia-Standorte. Automobilhersteller warnten umgehend vor gravierenden Produktionsstörungen in Europa und potenziell auch in den USA - ein weiterer Höhepunkt im Thema Chipmangel Automobilindustrie. Der Verband der europäischen Automobilhersteller meldete, die OEMs stünden kurz davor, Fertigungslinien zu stoppen - die zweite schwere Chipkrise innerhalb von vier Jahren.
Nach Einschätzung der NIST-Forscher benötigen manche neue Verpackungsmaterialien 10 bis 25 Jahre, bis sie in die Serienproduktion gelangen. Frühe, kooperative Materialentwicklung ist daher entscheidend, um die langfristige Resilienz der Lieferketten im Bereich Halbleitergehäuse zu sichern. Während des pandemiebedingten Chipmangels war ein weniger beachteter Engpass der Mangel an BT-Harz-Substraten - Substrate, die für die Verpackung von Halbleitern unverzichtbar sind, aber wegen hoher Investitionskosten nur von wenigen Anbietern produziert werden. Der von NIST vorgeschlagene Ansatz offener Referenzmaterialien soll solche Single-Point-of-Failure-Risiken in der Materialversorgung für Halbleitergehäuse reduzieren.
Ausblick
IDTechEx prognostiziert, dass der weltweite Markt für Thermal Interface Materials bis 2036 ein Volumen von über 7 Milliarden US-Dollar erreichen wird - rund 2,6-mal so viel wie 2026. Zu den wichtigsten Wachstumstreibern zählen Advanced Semiconductor Packaging, Rechenzentren, ADAS-Systeme und Leistungselektronik in Elektrofahrzeugen. Für den gesamten TIM-Markt wird zwischen 2026 und 2036 eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate von über 10 % erwartet.
Für Automobilzulieferer eröffnen das Metrologie-Framework von NIST und die RGTM-Referenzen einen Weg, die Qualifikation neuer Polymerformulierungen und Verbundwerkstoffe zu beschleunigen. Dies ist eine Grundvoraussetzung, um ambitionierte Leistungsziele, stringentes Thermomanagement und immer strengere funktionale Sicherheitsanforderungen in EV- und ADAS-Plattformen zu erfüllen und gleichzeitig die Versorgungssicherheit in der Automobilelektronik zu stärken.
