Zuverlässigkeit von Halbleitersystemen sichern: Über Analyse, Test und Fehlerdiagnostik von heterogenen Systemen

Wie lassen sich komplexe Halbleitersysteme zuverlässig in die Anwendung bringen und welche Rolle spielt dabei die Qualitätssicherung? Im Gespräch erläutert Frank Altmann vom Fraunhofer IMWS, warum Charakterisierung, Test und Zuverlässigkeitsbewertung bereits in frühen Entwicklungsphasen eine zentrale Rolle spielen, um Ausfallrisiken zu reduzieren und Entwicklungszeiten zu verkürzen – insbesondere bei der Integration unterschiedlicher Chips und Halbleitertechnologien. Er erklärt zudem, wie die CTR-Plattform innerhalb der APECS-Pilotlinie diese Aufgaben adressiert und stellt die Bedeutung der Plattform für industrielle Anwendungen und für die Wettbewerbsfähigkeit Europas heraus.

Herr Altmann, Sie sind am Fraunhofer IMWS Leiter des Geschäftsfelds »Werkstoffe und Bauelemente der Elektronik« Womit beschäftigen Sie sich im Rahmen Ihrer Arbeit?

Wir analysieren vor allem prozessbedingte Defektausprägungen und anwendungsspezifische Versagensmechanismen in elektronischen Bauelementen und Systemen. Unser Ziel ist es, die Ursachen für Ausfälle zu verstehen und der Industrie gezieltes Feedback zur Verbesserung ihrer Herstellungstechnologien und für Bauteil-Designs zu geben, um eine hohe funktionelle Zuverlässigkeit sicherzustellen.

Im Geschäftsfeld »Werkstoffe und Bauelemente der Elektronik« betrachten wir die gesamte Bandbreite von nanometerskaligen Transistortechnologien über integrierte Schaltkreise bis hin zu elektronischen Bauelementen, Leiterplatten und ganzen elektronischen oder mechatronischen Systemen. Hierbei liegt ein zentraler Schwerpunkt auf der Automobilelektronik, insbesondere in der Zusammenarbeit mit Zulieferern und großen Industrieunternehmen in Deutschland. Hier gibt es besonders anspruchsvolle Fragestellungen wegen der sehr hohen Qualitätsansprüche und harschen Umgebungen, in der die Elektronik im Einsatz zuverlässig funktionieren muss.

Seit diesem Jahr übernehme ich zudem die administrativen Aufgaben des Instituts als stellvertretender Institutsleiter.

Was macht das Fraunhofer IMWS und vor allem Ihre Abteilung im Bereich Fehlerdiagnostik und Zuverlässigkeitsforschung besonders?

Das Institut hat historisch eine sehr hohe Expertise im Bereich der Elektronenmikroskopie aufgebaut – einer hochauflösenden Mikroskopietechnik, die es erlaubt, bis in die atomare Struktur von Materialien hineinzuschauen. Mittlerweile ist unser Methodenspektrum allerdings deutlich breiter. Wir verfügen über zahlreiche Analysetechniken zur mikroskopischen Lokalisierung von Defekten, aufeinander abgestimmte Präparationstechniken, mikroskopische Abbildungstechniken samt Bestimmung von Elementzusammensetzungen bis hin zur Spurenanalytik. Das Portfolio wird ergänzt durch zahlreiche mikromechanischen Prüfverfahren und abgerundet mit Simulationskompetenzen zur Modellierung von Bauteilverhalten und Versagensmechanismen.

Eine Besonderheit des Instituts im Verbund der FMD ist, dass wir im Bereich der Elektronik selbst keine Technologien entwickeln, sondern die Technologieentwicklung anderer Forschungsinstitute und Industriepartner begleiten. Vorrangig betreiben wir Fehlerdiagnostik, um zu verstehen, warum Bauteile in der praktischen Anwendung ausfallen. So analysieren wir beispielsweise Elektronikkomponenten in Fahrzeugen, wenn durch deren Fehlfunktion das Fahrverhalten beeinträchtigt ist.

Unsere Arbeit hat dabei auch international eine hohe Sichtbarkeit. Wir veranstalten schon seit vielen Jahren einen Industrie-Workshop im Bereich Fehlerdiagnostik, der stets zahlreiche Teilnehmer:innen aus ganz Europa anzieht.

Eine Besonderheit ist zudem: Obwohl das Institut selbst nur eine Abteilung mit Fokus auf die Mikroelektronik hat, sind wir seit kurzem Teil der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD). Hier sind wir mit unserer Abteilung natürlich sehr aktiv und bringen unsere geballte Expertise im Bereich Zuverlässigkeitsforschung und Fehlerdiagnostik ein.

Zuverlässigkeit ist das Thema, über das wir heute im Detail sprechen wollen – vor allem mit Blick auf die CTR-Plattform. Können Sie kurz erklären, worum es bei dieser Plattform genau geht?

Die CTR-Plattform steht für Characterization, Test und Reliability – also Charakterisierung, Test und Zuverlässigkeit. Sie legt einen starken Fokus auf die Analyse und die Bewertung von Bauelementen und greift dabei auf Methoden zurück, die unser Institut bereits in anderen Bereichen einsetzt.

Charakterisierung umfasst dabei eine Vielzahl von Methoden. Bauelemente müssen während der gesamten Prozessentwicklung schrittweise untersucht werden, um sicherzustellen, dass sie die gewünschten Funktionen und Performances liefern. Dazu gehören elektrische Funktionstest auf Wafer- und Bauelementebene – je nach Anwendung auch bis in den Hochfrequenzbereich – sowie mikroskopische Analyseverfahren, die dazu dienen, Prozessabweichungen zu untersuchen, zu verstehen und abzustellen. Die Prozesscharakterisierung erfolgt innerhalb oder nahe der Fertigungslinien. Wir unterstützen die Prozessentwicklung und -qualifizierung mit zusätzlichen, insbesondere sehr hochauflösenden Techniken, die in den Technologie-Instituten oder der Industrie nicht verfügbar sind.

Das elektrische Testen bezieht sich auf die Überprüfung der Funktionalität und Performance der Bauelemente. Entsprechende Tests beginnen bereits auf der Ebene einzelner Teststrukturen und Chips unter Verwendung von Kontaktstiften und Prüfkarten. Zusätzlich wird nach der Kontaktierung und Verhausung das gesamte Bauelement getestet, was bei komplexen 3D-integrierten Bauelementen sehr aufwendig werden kann, insbesondere wenn z.B. noch photonische Komponenten dazu kommen. Diese Tests, insbesondere auf Waferebene, erfordern einen hohen Durchsatz, was sehr hohe Anforderungen an die Kontaktierungstechnik und Messtechnik mit sich bringt.

Die Gewährleistung der Zuverlässigkeit schließlich betrifft die Absicherung der Funktionalität über die spezifizierte Lebensdauer der Bauteile, besonders unter anwendungsrelevanten Einsatzbedingungen. Besonders deutlich wird das im Automobilbereich: Elektronische Komponenten müssen in Fahrzeugen zuverlässig funktionieren, auch wenn sie wechselnden Temperaturen, Feuchtigkeit oder mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Um dies zu bewerten, werden beschleunigte Zuverlässigkeitstests mit entsprechend festgelegten Belastungsparametern durchgeführt, um Lebensdauervorhersagen zu treffen und Alterungsprozesse zu untersuchen. Anschließend werden entsprechende Degradationsmechanismen der Bauelemente hochauflösend analysiert, um deren Ursachen auf die Spur zu kommen. Hier spielt auch die Fehlerdiagnostik eine zentrale Rolle, die am Institut intensiv betrieben wird und direkt Rückschlüsse auf die Verbesserung von Bauteil-Designs und die Optimierung von Herstellungsprozessen erlaubt.

Wie reiht sich die Plattform in die APECS-Pilotlinie ein?

Bei der APECS-Pilotlinie geht es um die Entwicklung sehr komplexer heterogener Bauelemente, die verschiedene Technologievarianten und Chips miteinander in einem Package verbinden. Ein Schlüssel für die Attraktivität der CTR-Plattform für die Industrie ist, dass die gesamte Herstellungskette bis hin zur Qualitätssicherung umfassend mit einer sehr hohen Kompetenz und hochmodernen Ausstattung im Bereich der Charakterisierung, Tests und Fehlerdiagnostik unterstützt wird. So können z.B. bereits frühzeitig die Herausforderungen für die Zuverlässigkeit identifiziert und bewertet werden, die später in der Anwendung auftreten könnten. Dadurch werden Qualitäts- und Zuverlässigkeitsfragen gleich zu Beginn der technischen Entwicklung berücksichtigt. Das reduziert Qualitätsrisiken, beschleunigt die erfolgreiche Markteinführung und schafft damit Wettbewerbsvorteile für die europäische Industrie.

Die CTR-Plattform ist dabei für alle Technologieblöcke innerhalb von APECS relevant, denn die heterogene Integration ist auch im Hinblick auf Fehlerdiagnostik besonders anspruchsvoll. Unterschiedliche Technologien werden in sehr kompakten, komplexen Bauelementen miteinander verbunden. Dabei entstehen zahlreiche Kontaktflächen, etwa für Signalwege zwischen Chips, und die eingesetzten Materialien müssen optimal zusammenspielen. Aufgrund dessen ergeben sich besondere Herausforderungen an Qualitätssicherung und Zuverlässigkeit, ebenso werden noch effizientere Test- und Analyse-Methoden nötig.

Wie sehen diese Herausforderungen konkret aus?

Durch das Stapeln von Chips – also die 3D-Integration – testet man nicht mehr nur einen einzelnen Chip, der anschließend in einem Gesamtpackage noch einmal funktional geprüft wird. Stattdessen werden verschiedene Chips oder standardisierte Chip-Lösungen, sogenannte Chiplets, miteinander verbunden und gemeinsam in einem Bauelement integriert.

Dabei kommen auch neue Herstellungsverfahren zum Einsatz, etwa das hybride Waferbonden. In diesem Prozess muss sichergestellt werden, dass eine sehr große Anzahl von mikrometerskaligen Kontaktpunkten zwischen den einzelnen Chips zuverlässig realisiert wird – insbesondere bei Hochleistungsanwendungen mit hoher Funktionsdichte. Allein das erhöht die technologische Komplexität erheblich.

Hinzu kommt, dass bei der Heterointegration nicht nur Siliziumchips mit vergleichbarer Technologie kombiniert werden. Vielmehr werden ganz unterschiedliche Halbleiterbauelemente in einem Package zusammengeführt. Beispielsweise ein in Siliziumtechnologie gefertigter Controller für die Steuerung, ein MEMS-Sensor oder auch Galliumnitrid-Bauelemente für die Hochfrequenzsignalverarbeitung. Diese Material- und Technologievielfalt innerhalb eines einzigen hochintegrierten Systems stellt eine besondere Herausforderung dar und bringt zusätzliche Zuverlässigkeitsrisiken mit sich, die gezielt untersucht und bewertet werden müssen.

Das Fraunhofer IMWS arbeitet nicht allein innerhalb von APECS an der CTR-Plattform. Wie ist das Thema aufgeteilt?

Im Bereich Testen und Zuverlässigkeit sind vor allem das Fraunhofer ENAS – mit dem European Test and Reliability Center – und das Fraunhofer IMWS vertreten. Wir teilen uns hier auch die Projektleitung und bringen unsere jeweiligen Kompetenzen in die Plattform ein. Das Fraunhofer EMFT ist ein wichtiger Partner im Bereich der Zuverlässigkeitsprüfung bezüglich elektrostatischer Entladungen (ESD).

Darüber hinaus spielt auch das Thema Testen auf Hardwaresicherheit eine wichtige Rolle. Dabei geht es um die funktionale Sicherheit von Bauelementen gegenüber gezielten Angriffen, etwa durch Hardware-Trojaner oder das gezielte Auslesen von Daten. Für diese Fragestellungen gibt es spezielle Prüf- und Analysemethoden, die vom Fraunhofer AISEC eingebracht werden. Auch dieser Aspekt ist ein zentraler Bestandteil der CTR-Plattform.

Darüber hinaus sind viele weitere Institute mit spezifischen Charakterisierungskompetenzen für die eigenen Technologielinien beteiligt.

Welche konkreten Vorteile ergeben sich für Unternehmen aus diesen Ansätzen und aus der Arbeit der CTR-Plattform innerhalb von APECS?

Wenn Bauelemente auf den Markt kommen, müssen sie klar definierten Qualitätsanforderungen entsprechen und hinsichtlich möglicher Risiken so umfassend wie möglich analysiert worden sein. Idealerweise werden potenzielle Schwachstellen bereits vor dem Markteintritt identifiziert und entsprechende Optimierungen im Design oder in den Herstellungsprozessen vorgenommen. Gleichzeitig ist es in der Praxis kaum möglich, alle Zuverlässigkeitsrisiken vollständig im Voraus aufzudecken – insbesondere bei hochkomplexen Systemen. In solchen Fällen treten Probleme oft erst während der Anwendung, quasi im Feld auf. Das können beispielsweise Ausfälle von Steuergeräten im Fahrzeug oder Defekte in leistungselektronischen Komponenten sein. Insbesondere bei sicherheitsrelevanten Anwendungen wie z.B. in der Automobilelektronik sind solche Feldausfälle sehr kritisch und kostenintensiv, wenn man an Rückrufaktionen denkt. Hier besteht ein hoher Druck, die Ausfallursachen schnell und tiefgreifend aufzuklären. Besser ist es jedoch, schon vor der Markteinführung alles dafür zu tun, dass die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Bauelementen im jeweiligen Anwendungsfeld abgesichert sind.

Hier setzt das Angebot von APECS und der CTR-Plattform an. Wir unterstützen Industriepartner auf international anerkanntem Niveau. Dafür setzen wir sehr ausgereifte und hochentwickelte Test- und Analysemethoden ein, die wir kontinuierlich weiterentwickeln und gezielt für neue Herstellungstechnologien und Bauelement-Designs adaptieren. Das konkrete Angebot an die Industrie besteht darin, Entwicklungsprozesse und Technologielinien fundiert zu begleiten und belastbare Aussagen zur Einsatztauglichkeit und Zuverlässigkeit von elektronischen Bauelementen abzuleiten. Auf diese Weise können Unternehmen Ausfallrisiken minimieren, Entwicklungszeiten verkürzen und die Qualität ihrer Produkte gezielt absichern.

Lassen Sie uns abschließend noch einen Blick auf die Bedeutung von APECS für die Wettbewerbsfähigkeit Europas im Bereich Halbleitertechnologien werfen.

Europa ist gerade in dem Feld der Leistungselektronik und komplexen hochintegrierten elektronischen Systeme stark und genau hier liegt auch weiteres Ausbaupotenzial. Bei speziellen Technologien, etwa in der Silizium-Chiptechnologie, ist die Situation allerdings differenzierter zu betrachten. Im internationalen Vergleich ist deutlich zu sehen, dass Europa in der Massenfertigung von Halbleitern oft nicht wettbewerbsfähig ist. Große Volumen werden vor allem in den USA und in Asien gefertigt.

Mit APECS und den Pilotlinien verfolgen wir deshalb bewusst das Ziel, Bereiche zu stärken, in denen Europa einen echten Mehrwert bieten kann: die 3D- und Heterointegration, die Beherrschung sehr hoher Technologie- und Materialkomplexität und die Realisierung multipler Funktionalitäten auf kleinstem Raum, wie zum Beispiel die Integration von Sensorik-, Hochfrequenz oder Photonik-Technologien. Hier wollen wir Innovationen gemeinsam mit der Industrie vorantreiben und einen Marktvorsprung für Europa erarbeiten.

Aus meiner Sicht liegt der entscheidende Hebel auf der Systemebene: hohe Kompaktheit, hohe Funktionsdichte, gepaart mit der Fähigkeit, solch komplexe Systeme bis zur Marktreife entwickeln zu können und nicht zuletzt die Zuverlässigkeit im Anwendungsumfeld zu beherrschen. Das ist ein Ansatz, der auf bestehende, sehr breite Technologiekompetenzen der FMD setzt und nun im Rahmen der APECS-Pilotlinie gezielt weiterentwickelt wird. Natürlich sind wir mit diesem Vorhaben nicht allein. Ähnliche Initiativen gibt es auch in Japan oder in den USA. Ich bin aber überzeugt, dass wir hier in Europa derzeit ein gutes Stück voraus sind.

Ich denke, dass auch unsere vorausschauende Herangehensweise, z. B. Qualitätssicherung als integralen Bestandteil von Technologieentwicklung zu begreifen, eine besondere Stärke der FMD ist und ein Aushängeschild für Europa sein kann. Sie ist damit auch ein wesentlicher Baustein für Wettbewerbsfähigkeit der europäischen Elektronikindustrie. Genau hier setzt die CTR-Plattform auch strategisch an.

Das vollständige Interview finden Sie im FMD-Newsroom.

Die Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD) als Kooperation von 13 Fraunhofer-Instituten mit den Leibniz-Instituten FBH und IHP ist der direkte Ansprechpartner für alle Fragestellungen rund um die mikro- und nanoelektronische Forschung und Entwicklung in Deutschland und Europa. Als One-Stop-Shop verbindet die FMD wissenschaftlich exzellente Technologien und Systemlösungen ihrer kooperierenden Institute zu einem kundenspezifischen Gesamtangebot.

Unter dem virtuellen Dach der FMD entstand somit 2017 einer der größten Zusammenschlüsse dieser Art mit inzwischen mehr als 5400 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern und einer einzigartigen Kompetenz- und Infrastrukturvielfalt.

Als Vorreiter für standort- und technologieübergreifende Zusammenarbeit geht die FMD die aktuellen und künftigen Herausforderungen der Elektronikforschung aktiv an und sorgt somit für den Erhalt und Ausbau der technologischen Resilienz Deutschlands und Europas. Die FMD bringt sich als strategischer Dialogpartner aktiv in die deutsche und europäische Forschungsagenda ein und gibt dabei wichtige Impulse zur Entwicklung von elementaren Innovationen für die Welt von morgen.