Das National Institute of Standards and Technology (NIST) hat ein grundlegendes Perspektivpapier veröffentlicht, das zentrale Defizite in polymerbasierten Materialien identifiziert, die für das Packaging von Halbleitern in automobilen Sensoren und elektronischen Steuergeräten (ECUs) eingesetzt werden. Das Papier beschreibt ein Framework, mit dem diese Lücken über standardisierte Testmaterialien, neue Metrologie-Methoden und gemeinsam genutzte Materialdatenbanken adressiert werden sollen.
Das Papier "Material Needs and Measurement Challenges for Advanced Semiconductor Packaging: Understanding the Soft Side of Science" wurde 2025 in den IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology veröffentlicht. Autor:innen sind Forschende von NIST, der North Carolina State University, dem National Renewable Energy Laboratory, Intel, ASE Group und der Binghamton University. Die Arbeit baut auf einem von NIST organisierten Workshop auf, der am 5. September 2024 im Rahmen des 35. jährlichen Electronics Packaging Symposium in Binghamton, New York, stattfand. Dort definierten Expert:innen aus Industrie, Wissenschaft und Behörden gemeinsame Prioritäten für Polymermaterialien und Messtechnik in der Advanced-Semiconductor-Packaging-Welt.
Hintergrund
Polymerbasierte Packaging-Compounds - darunter Epoxide, Silikone und Polyimide - machen inzwischen mehr als 99 % des weltweiten Markts für Elektronikverpackungen aus und haben seit den 1970er-Jahren hermetische Keramik- und Glasgehäuse weitgehend verdrängt. In automobilen Anwendungen müssen diese Materialien ihre Performance über Lebensdauern von mehr als 15 Jahren hinweg unter extremer Temperaturwechselbelastung, Vibration und Feuchtebelastung zuverlässig aufrechterhalten - Anforderungen, die deutlich über denen von kommerzieller oder Consumer-Elektronik liegen.
Automotive-Halbleiter müssen typischerweise in einem Temperaturbereich von -40 °C bis 150 °C sicher arbeiten, und Qualifikationsstandards wie AEC-Q100 (für integrierte Schaltungen) schreiben umfangreiche Stresstests vor, um mehrjährige Einsatzbedingungen im Fahrzeug zu simulieren. Der Wandel hin zu elektrifizierten Antrieben und Plattformen für automatisiertes Fahren verschärft diese Anforderungen zusätzlich, da ECUs und Sensorcluster massiv zunehmen und immer sicherheitskritischere Funktionen übernehmen. Da das Transistorscaling physikalische Grenzen erreicht, stellt die Branche zunehmend auf 3D Heterogeneous Integration um - also das Stapeln oder Verbinden mehrerer Chips in drei Dimensionen -, was die mechanischen und thermischen Anforderungen an Polymervergussstoffe weiter erhöht. Gerade bei Halbleitergehäusen im Automobilbereich treten diese Effekte besonders deutlich zutage.
Details
Das NIST-Papier benennt mehrere miteinander verknüpfte Ausfallmechanismen in polymerbasierten Packaging-Lösungen, die speziell in rauen automobilen Umgebungen relevant sind. Anders als Metalle oder Keramiken reagieren Polymere zeit- und temperaturabhängig, nehmen Feuchtigkeit auf und verändern unter Belastung ihre Form. Dieses Verhalten kann im Laufe der Jahre dazu führen, dass Chips sich verziehen, Signale degradieren oder Verbindungen ausfallen.
Auf Materialebene steht vor allem der Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten (Coefficient of Thermal Expansion, CTE) zwischen Siliziumchips und Epoxid-Moulding-Compounds im Fokus. Der CTE von Silizium liegt typischerweise zwischen 2 und 3 ppm/°C, während der von ungefüllten Epoxidharz-Systemen über 80 ppm/°C betragen kann - ein Gefälle, das bei wiederholten Temperaturwechseln zu Verzug und Ermüdung der Interconnects führt. Studien belegen zudem, dass Feuchteeintritt an Grenzflächen der Polymerverpackung plastische Verformungen im Vergussmaterial auslösen kann und so die nichtlineare Drift des Langzeit-Sensor-Offsets verstärkt.
Um diese Lücken zu schließen, entwickelt das NIST-CHIPS-Team Research-Grade Test Materials (RGTMs): offene, nicht-proprietäre Polymersysteme, die als transparente Benchmarks für sektorübergreifende Vergleiche dienen. "Indem wir gemeinsame, transparente Materialien bereitstellen, können wir Innovation im gesamten Ökosystem beschleunigen", sagt Christopher Soles, Materialwissenschaftler am NIST und Co-Projektleiter der Initiative. Das Papier hebt außerdem hervor, dass neue Metrologie-Werkzeuge - von fortgeschrittener Rheologie und Spektroskopie bis zu In-situ-Spannungsmessung - weiterentwickelt werden, um zu verfolgen, wie Polymere während der Fertigung aushärten, schrumpfen und sich verformen. All dies wirkt sich direkt auf die Langzeitzuverlässigkeit von Bauteilen und Halbleitergehäusen aus. "Modeling ohne Metrology ist Fantasie", betont Koautor William Chen, Chair der IEEE Heterogeneous Integration Roadmap für Halbleiter.
Das Framework benennt drei Prioritäten, auf die sich der Workshop 2024 verständigt hat: den Wiederaufbau von in den USA ansässigen Lieferketten für Packaging-Materialien, die Schaffung gemeinsamer Datenbanken zu Polymereigenschaften als Grundlage für prädiktives Digital-Twin-Modeling sowie die Weiterentwicklung von Mess- und Prüfstandards, die reproduzierbare und organisationsübergreifend vergleichbare Ergebnisse ermöglichen.
Ausblick
Der Weg von der grundlagenorientierten Polymerforschung bis hin zu serienreifen automobilen Packaging-Materialien ist lang. Die NIST-Autor:innen weisen darauf hin, dass manche neuen Packaging-Materialien 10 bis 25 Jahre benötigen, um die Volumenfertigung zu erreichen - frühe und enge Zusammenarbeit zwischen Industrie, Wissenschaft und öffentlicher Hand ist daher entscheidend. Auf der Infrastrukturseite soll die CHIPS for America National Advanced Packaging Manufacturing Program (NAPMP) Advanced Packaging Piloting Facility - mit 1,1 Milliarden US-Dollar im Januar 2025 gefördert und voraussichtlich im Arizona State University Research Park in Tempe, Arizona, angesiedelt - bis 2028 den Betrieb aufnehmen. Sie wird eine produktionsähnliche F&E-Umgebung bereitstellen, um neue Polymermaterialien und Packaging-Architekturen zu testen. Für Tier-1-Zulieferer der Automobilindustrie und Einkaufsteams der OEMs signalisiert das NIST-Framework einen bevorstehenden Wandel hin zu standardisierten Qualifikationsprotokollen für Polymere, der Material-Spezifikationen in der Beschaffung sowie Programme zur langfristigen Lieferantenqualifikation nachhaltig verändern dürfte.
