Ein koordinierter Vorstoß unter Leitung des National Institute of Standards and Technology (NIST), der Leistungsdefizite von Polymeren in der Advanced-Semiconductor-Packaging-Technologie adressiert, hat direkte Folgen für den Automobilsektor. Dort müssen Sensorgehäuse, Motorsteuergeräte (ECUs) und angrenzende Elektronik in immer härteren thermischen, mechanischen und chemischen Umgebungen zuverlässig funktionieren.
Hintergrund
NIST-Forschende haben gemeinsam mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der North Carolina State University, des National Renewable Energy Laboratory, von Intel, Advanced Semiconductor Engineering (ASE) und der Binghamton University im August 2025 einen Perspektivartikel in IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology veröffentlicht. Darin identifizieren sie zentrale Defizite bei der Charakterisierung und Qualifizierung polymerbasierter Packaging-Materialien in der Industrie. Der Beitrag mit dem Titel "Material Needs and Measurement Challenges for Advanced Semiconductor Packaging: Understanding the Soft Side of Science" baut auf Ergebnissen eines vom NIST organisierten Workshops auf, der am 5. September 2024 im Rahmen des 35. Electronics Packaging Symposium in Binghamton, New York, stattfand.
Im automobilen Kontext verstärken sich diese Fragestellungen. Polymerkapselmaterialien - darunter Epoxid-Molding-Compounds (EMCs), Silikone, Polyimide und Underfill-Harze - machen inzwischen über 99 % des Elektronik-Packaging-Markts aus und haben hermetische Keramik- und Metallgehäuse in den vergangenen drei Jahrzehnten weitgehend verdrängt. In Fahrzeuganwendungen müssen diese Werkstoffe Halbleiter über Einsatzzeiten von 10 bis 15 Jahren zuverlässig schützen - und dies unter starken Temperaturschwankungen, Vibrationen sowie dem Kontakt mit typischen Betriebs- und Reinigungsflüssigkeiten im Automobil.
Bestehende Qualifizierungsrahmen, darunter AEC-Q100 für integrierte Schaltungen und ISO 16750 für elektrische und elektronische Bauteile, schreiben Belastungstests vor, in denen Bauteile thermischen Zyklen zwischen -40 °C und 125 °C, Vibrationsprüfungen mit Frequenzen bis 200 Hz sowie definierten Feuchtebelastungen ausgesetzt werden. Die AEC-Q100-Qualifizierung der Grade-Stufe 0 verlangt 2.000 Temperaturzyklen und 1.000 Stunden High-Temperature-Operating-Life-Test - ein Niveau, das die harten Einsatzbedingungen im Motorraum oder am Fahrwerk widerspiegelt. Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) und zonenbasierte E/E-Architekturen in konventionellen wie batterieelektrischen Fahrzeugen erhöhen die Komplexität zusätzlich, indem sie die Rechenleistung in weniger, dafür leistungsstärkere Packaging-Konfigurationen bündeln.
Details
Der vom NIST geführte Rahmen beschreibt eine strukturelle Lücke zwischen dem Wissen der Polymerwissenschaft und dessen Umsetzung im Halbleiter-Packaging-Engineering. Laut Hauptautor Ran Tao gilt: "Polymerwissenschaft ist für Polymerwissenschaftler faszinierend, aber dieses grundlegende Wissen fehlt in der Packaging-Welt oft". Der Artikel hebt hervor, dass Polymere - anders als Metalle oder Keramiken - zeit- und temperaturabhängig reagieren, Feuchtigkeit aufnehmen und sich unter Belastung verformen; Verhaltensweisen, die zu Verzug der Chips, Signalverschlechterung oder Ausfall von Verbindungen führen können.
Für automobile Elektronik sind die Ausfallmechanismen zwar gut dokumentiert, aber auf Materialebene nicht ausreichend standardisiert. CTE-Mismatch in polymerbasierten Packaging-Materialien wird weithin als einer der Haupttreiber temperaturbedingter Drifteffekte in Sensoren anerkannt, während Feuchteeintritt an Package-Grenzflächen plastische Verformungen hervorrufen kann und so die nichtlineare Drift des Langzeit-Offsets verstärkt, wie eine ergänzende Studie in Frontiers in Materials vom Juli 2025 berichtet. Besonders ausgeprägt sind diese Degradationsmechanismen bei MEMS-basierten Inertial- und Drucksensoren, die in Fahrdynamik- und Navigationssystemen eingesetzt werden.
Im Zentrum des NIST-Ansatzes steht die Entwicklung von Research-Grade Test Materials (RGTMs): offenen, nicht proprietären Polymersystemen, die es Forscherinnen und Forschern in Industrie, Hochschulen und öffentlichen Einrichtungen erlauben, Ergebnisse zu vergleichen, Reproduzierbarkeit zu verbessern und verlässliche Daten in prädiktive Simulations- und Computermodelle einzuspeisen. Co-Projektleiter Christopher Soles betont, dass geteilte, transparente Materialien entscheidend sind, um Innovation entlang der gesamten Lieferkette zu beschleunigen. Die Autorinnen und Autoren des Artikels weisen darauf hin, dass sich manche neuen Packaging-Materialien erst nach 10 bis 25 Jahren in der Produktion wiederfinden - und dass frühe, gemeinschaftliche Standardisierungsarbeit daher unerlässlich ist.
Auf der Metrologie-Seite entwickelt NIST Messmethoden von hochentwickelter Rheologie über Spektroskopie bis hin zu Spannungsmessungen, um zu verfolgen, wie Polymere während der Fertigung aushärten, schrumpfen und sich verformen - alles Faktoren, die unmittelbar die Zuverlässigkeit der Bauteile beeinflussen. Koautor William Chen, Chair der IEEE Heterogeneous Integration Roadmap, bringt es auf den Punkt: "Modeling ohne Metrologie ist Vorstellungskraft" - und unterstreicht damit, wie stark Digital-Twin-Ansätze auf verifizierte physikalische Daten angewiesen sind.
Der übergeordnete politische Rahmen verstärkt den Handlungsdruck. Das CHIPS National Advanced Packaging Manufacturing Program (NAPMP) hat im Januar 2025 Förderzusagen in Höhe von 1,4 Milliarden US-Dollar finalisiert, um die inländische Advanced-Packaging-Infrastruktur zu stärken - mit Material- und Substratforschung als einem zentralen Baustein der Investitionen.
Ausblick
Während die Automobilindustrie auf Domain- und zonenbasierte E/E-Architekturen mit höherer Siliziumdichte pro Modul und kompakteren Bauformen umstellt, geraten bestehende Qualifikationsprotokolle für Polymere zunehmend unter Beobachtung. OEMs und Tier-1-Zulieferer überprüfen ihre Materialauswahl und Kriterien für die Lieferantenqualifizierung entsprechend. Die Betonung des NIST-Rahmens auf gemeinsamen Materialdatenbanken, standardisierten Charakterisierungsmethoden und offenen Testmaterialien weist auf einen Weg hin zu überarbeiteten Qualifikationsbenchmarks, die die bestehenden AEC- und ISO-Standards für Polymere in der automobilen Elektronikverpackung ergänzen oder erweitern könnten. Die Resonanz der Industrie auf den Aufruf des Frameworks nach frei zugänglichen Charakterisierungsdaten dürfte sich in einer fortlaufenden Zusammenarbeit zwischen dem NIST-CHIPS-Team, Normungsgremien und Halbleiter-Packaging-Anbietern mit Automotive-Fokus konkretisieren.
