Eine wegweisende Fachperspektive des CHIPS-Teams des National Institute of Standards and Technology (NIST) sorgt derzeit in der Fahrzeugelektronik-Branche für Aufmerksamkeit - insbesondere bei Zulieferern, die mit Polymerverpackungs-Ausfällen in Fahrzeugsensoren und Electronic Control Units (ECUs) zu kämpfen haben. Der Beitrag, veröffentlicht 2025 in den IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, macht deutlich: Messlücken bei polymerbasierten Verpackungsmaterialien sind kein theoretisches Randthema mehr - sie sind als konkretes Risiko für Bauteile in realen Fahrzeugumgebungen dokumentiert.
Hintergrund
Polymerbasierte Verpackungsmaterialien, lange Zeit eher als einfache Klebstoffe oder Vergussmassen für Chips betrachtet, haben sich zu entscheidenden Stellgrößen für Zuverlässigkeit, Performance und Kosten entwickelt. Dieser Bedeutungswandel ist im Automotive-Bereich besonders scharf spürbar: ECUs und Fahrzeugsensoren müssen extreme Temperaturen, Feuchtigkeitseintrag und mechanische Vibrationen über Einsatzdauern von zehn bis zwanzig Jahren und länger schadlos überstehen.
Die NIST-Perspektive baut auf Erkenntnissen aus dem Workshop "Materials and Metrology Needs for Advanced Semiconductor Packaging Strategies" auf, der am 5. September 2024 im Rahmen des 35. Electronics Packaging Symposium in Binghamton, NY, stattfand. Sie beschreibt Herausforderungen und Chancen rund um polymerbasierte "weiche" Materialien in der Advanced-Semiconductor-Packaging-Welt - mit Fokus auf Polymerwissenschaft, Messtechnik (Metrology) und den strategischen Aufbau von Research-Grade Test Materials (RGTMs). Diese Forschungswerkstoffe sollen ein tieferes Verständnis der Zusammenhänge zwischen Struktur, Eigenschaften und Prozessen ermöglichen und die Qualifizierung der nächsten Generation von Packaging-Materialien beschleunigen.
Bereits heute setzen automobiltypische Qualifikationsregime hohe Hürden. ISO 16750 definiert, wie elektrische und elektronische Komponenten im Fahrzeug zu testen sind, damit sie realen Einsatzbedingungen standhalten - und Bauteile wie Sensoren, ECUs, Leitungen und Steckverbinder nicht durch Hitze, Kälte, Vibration, Feuchtigkeit oder Spannungsschwankungen ausfallen. Normen wie AEC-Q100, ISO 26262 und IATF 16949 erzwingen Temperaturwechsel-, EMV- und Stresstests. Dennoch argumentiert NIST, dass die zugrunde liegenden Polymereigenschaften vieler Komponenten vor Beginn der Qualifikationstests nach wie vor nicht ausreichend charakterisiert sind. Genau hier setzt der neue Metrologie-Rahmen an - mit direkter Relevanz für nist normen, die in der Fahrzeugelektronik zunehmend als Referenz für Materialcharakterisierung herangezogen werden.
Details
Das zentrale Problem, das die NIST-Forschenden identifizieren, liegt in Messlücken auf Materialebene. Metrologie-Herausforderungen in der US-Halbleiterindustrie haben einen kritischen Punkt erreicht: Die meisten polymeren Materialien für organische Laminate, Underfills, Epoxid-Moulding-Massen, Build-up-Filme und Klebstoffe werden im Ausland hergestellt. Inländische Produzenten und Packaging-Hersteller erhalten jedoch oft nicht die Materialdaten, die sie benötigen, um Prozessabläufe zu entwickeln oder die thermomechanischen Eigenschaften der eingehenden Rohmaterialien verlässlich zu verifizieren.
Für Vergussmassen und Encapsulants in Sensoren und ECUs sind die Ausfallmechanismen klar beschrieben. Während der Aushärtung entstehen thermische Eigenspannungen durch den Mismatch im Wärmeausdehnungskoeffizienten (Coefficient of Thermal Expansion, CTE) zwischen den verschiedenen Materialien im Halbleitergehäuse. Mit immer dünneren Packages nimmt die Biegesteifigkeit ab - Verzug (Warpage) ist die Folge dieser Eigenspannungen. Derart verformte Packages können dünne Siliziumchips beschädigen, zu Rissen im Gehäuse führen, Delamination an der Schnittstelle zwischen Chip und Gehäuse auslösen und die Wahrscheinlichkeit von Lötstellenbrüchen zwischen Package und Leiterplatte deutlich erhöhen. All das schlägt direkt auf die Sensorzuverlässigkeit und damit auf die Funktionssicherheit moderner Fahrzeugsensoren durch.
NIST entwickelt neue Messmethoden - von hochentwickelter Rheologie über Spektroskopie bis hin zu innovativen Spannungsmessverfahren -, um den Aushärtungsprozess von Polymeren sowie deren Schrumpfung und Verformung während der Fertigung nachzuverfolgen. Genau diese Parameter beeinflussen die Zuverlässigkeit von Bauteilen im Feld. "Modeling without metrology is imagination", betont Koautor William Chen, Chair der IEEE Heterogeneous Integration Roadmap für Halbleiter.
Parallel dazu treibt NIST die Entwicklung von RGTMs voran - offenen, nicht-proprietären Polymersystemen, die als Benchmark dienen. Im Gegensatz zu kommerziellen "Black-Box"-Materialien ermöglichen sie es Forschenden aus Industrie, Hochschulen und Behörden, Ergebnisse direkt miteinander zu vergleichen, die Reproduzierbarkeit zu verbessern und belastbare Daten in Simulations- und Modellierungsansätze einzuspeisen.
Die Überschneidung mit der automobilen Qualifikation ist unmittelbar. Die aktuelle AEC-Q100 Revision J für Flip-Chip Ball Grid Array (FC-BGA) Packages legt Testprotokolle fest, die reale Fahrbedingungen über Temperaturwechsel, Feuchtebelastung und mechanische Stressprüfungen abbilden. FC-BGA-verpackte Komponenten in modernen Fahrzeugsystemen müssen langfristige Zuverlässigkeit nachweisen - insbesondere in sicherheitsrelevanten Domänen wie Advanced Driver Assistance Systems (ADAS). Revision J trägt dem steigenden Bedarf an Prozessknoten von 14 Nanometer und darunter Rechnung, der von ADAS-Funktionen und weiterer Hochleistungs-Fahrzeugelektronik getrieben wird. Tier-1-Zulieferer, die mit diesen fortgeschrittenen Nodes arbeiten, benötigen Polymereigenschaftsdaten mit einer Genauigkeit, die bisherige Qualifikationsprotokolle in dieser Form oft nicht gefordert haben.
Ausblick
Das CHIPS-Team von NIST verfolgt das Ziel, standardisierte Leitlinien und innovative Methoden für die Materialcharakterisierung zu etablieren und so die Einführung neuer Packaging-Materialien zu beschleunigen. Erkenntnisse aus Industriepanels unterstreichen den Bedarf an enger Zusammenarbeit zwischen Materialwissenschaftlern, Prozessingenieuren und Metrologie-Experten sowie die Bedeutung sektorenübergreifender Partnerschaften zwischen Industrie, Wissenschaft und Behörden.
Fortschritte in der Thermoanalyse, bei Warpage- und Spannungsmessungen sowie im Modelling werden voraussichtlich die Fähigkeit der Branche deutlich verbessern, nächste Generationen elektronischer Bauteile zielgerichtet zu designen und zu verpacken. NIST möchte der Halbleiterindustrie Werkzeuge und Datensätze an die Hand geben, um Eigenschaften eingehender Rohmaterialien zu bewerten und einheitliche Prüfmethoden zu etablieren - in enger Anlehnung an nist normen und Anforderungen aus der Automotive-Qualifikation.
Für Lieferanten von Fahrzeugsensoren und ECUs ist die praktische Konsequenz klar: Polymereigenschaftsdaten, die im Rahmen des RGTM-Ansatzes erzeugt werden, könnten künftig direkt in AEC-Q-Qualifikationsdossiers einfließen. Damit ließen sich Requalifikationszyklen verkürzen, wenn Encapsulant-Materialien geändert oder aus mehreren Quellen bezogen werden - bei gleichzeitig höherer Sensorzuverlässigkeit im Feld.
