Forschungsinitiative iRel40

Produktionsverbesserung entlang der Wertschöpfungskette

Wie ein europaweites Forschungsprojekt unter der Federführung von Infineon die Zuverlässigkeit von Elektroniksystemen steigern will.

Unterwegs im Reinraum einer Halbleiterfabrik.

Die Anwendungsfelder für elektronische Systeme werden immer komplexer, die Produktionsprozesse werden dabei auf eine harte Probe gestellt. Um den Anforderungen gerecht zu werden, braucht es dafür zuverlässige mikroelektronische Komponenten auch unter rauen Bedingungen und verlässliche Monitoring-Tools. Diese zu entwickeln erfordert eine enge Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Wirtschaftspartnern – und vor allem gegenseitiges Verständnis. Die europaweite Forschungsinitiative Intelligent Reliability 4.0 (iRel40) arbeitet genau in diese Richtung. Das Projekt soll die Zuverlässigkeit von Elektroniksystemen und mikroelektronischen Komponenten steigern.

Mit der Infineon Technologies AG als Federführer bündeln fünfundsiebzig Wissenschafts- und Wirtschaftspartner aus dreizehn Ländern ihre Kräfte. Das Ziel ist es, die Zuverlässigkeit mikroelektronischer Systeme entlang der gesamten Wertschöpfungskette zu optimieren. Angefangen beim Wafer, über den Chip und das Gehäuse bis hin zum System und damit der eigentlichen Anwendung. Fehlerraten sollen so reduziert werden, während die Qualität und Langlebigkeit von Produkten steigen. Dazu werden unterschiedliche Methoden aus der Materialforschung und Fehleranalyse, sowie Modellierung und Simulation herangezogen. 

Komplexe Anwendungen – komplexes Material

Während elektronische Systeme empfindlicher und kleiner werden, wachsen die Bereiche, in denen sie benötigt werden, stetig – sowohl zahlenmäßig als auch in Bezug auf deren Komplexität. Im Gegensatz zu den einzelnen Komponenten. 

White Paper zum Thema

„Chips und Strukturen werden immer kleiner, mittlerweile bewegen sich ihre Größen im Nanometerbereich. Dadurch kommen immer mehr Materialien auf engem Raum zusammen und diese Materialien müssen schlichtweg miteinander können – salopp gesagt. Daher ist es unbedingt notwendig die Wechselwirkungen und Grenzflächen besser zu verstehen“, sagt Klaus Pressel, der Projektkoordinator von iRel40. 

Um hier voran zu kommen, ist es wichtig die unterschiedlichen Materialien besser zu verstehen. Silizium, Metalle, Plastik – all das muss zusammenspielen. Gerade bei der IC-Herstellung und der dazugehörigen Gehäusetechnologie ist das ein großes Thema, vor allem in Bezug auf die unterschiedliche thermische Ausdehnung der verschiedenen Komponenten. Hier muss, beispielsweise, dafür gesorgt werden, dass das Molding Compound auf dem Silizium hält und sich die einzelnen Komponenten nicht durch Spannungen voneinander lösen.

Intelligente Reliabilität

Chip-Hersteller müssen also genau wissen, welche Anwendungen ermöglicht werden und unter welchen Einflüssen sie stattfinden sollen. Sie müssen schließlich unter teils extremen Bedingungen funktionieren. Die Elektronik muss dabei in jedem Fall stabil genug sein, um Klima, Wetter, Druck, Salz, Sand etc. standzuhalten. Darum wurden auch verschiedenste Anwendungsbereiche in das Projekt iRel40 aufgenommen, um unterschiedliche Zuverlässigkeitsanforderungen zu testen. Piloten gibt es deshalb unter anderem in den Bereichen Eisenbahn, Flugverkehr, Automobilbranche, Radarsysteme, Beleuchtungstechnik und Consumer-Produkte. Die Kompetenzen aus verschiedenen Bereichen und Industrien und vor allem ihre jeweiligen Anforderungen müssen verstanden werden, damit das Zusammenspiel der unterschiedlichen Komponenten funktioniert. 

„Man muss sehr viele Daten haben, um eventuell auftretende Fehler in der Produktion zurückverfolgen zu können, um die Fehlerquelle bei den vielen Prozessen zu finden.“, so Klaus Pressel. „Dazu braucht man ein ganzes Spektrum unterschiedlicher Kompetenzen.“ Beispielsweise jene von IT-Spezialisten, Chemikern, Physikern, Materialwissenschaftlern, Elektrotechniker etc. Die letztendlichen Anwendungsbereiche umfassen schließlich auch ein sehr breites Feld und vor allem sehr unterschiedliche Materialien. Aber nicht nur die Anwendung der Elektronik-Systeme kann dadurch verbessert werden, sondern vor allem auch deren Produktionsprozess.

Prozess-Monitoring – Ich sehe was, was du nicht siehst

Gerade im Bereich der Halbleitertechnologie kann die Verbesserung und Sensibilisierung von optischen Sensoren einen Effekt erzielen. Optische Sensoren funktionieren meist durch den Einsatz von hochsensiblen Spezialkameras oder Lasern, die die Werkstücke abscannen oder ausleuchten. Anhand dieser optischen Methoden wird zwischen den einzelnen Produktionsprozessen geprüft, ob sich einzelne Partikel auf der Oberfläche befinden. Im nächsten Prozess würde dieser Partikel schließlich miteingebaut werden und stören. Dabei können selbst kleinste Verunreinigungen und Defekte aufgespürt werden. Das ist vor allem in Halbleiterfabriken von großer Bedeutung. Obwohl auf mehrere Kubikzentimeter Luft meist nur ein Partikel in der Größe von einem Mikrometer kommt, würde dieser eine Partikel einiges an Schaden anrichten und Komponenten, wie beispielsweise Wafer, unbrauchbar machen. Stichwort Wafer: auch etwaige Verbiegungen außerhalb des Toleranzbereichs können durch das Abscannen mithilfe eines Laserstrahls detektiert werden. Darüber hinaus lässt sich mittels optischer Sensoren auch sicherstellen, dass sich alle Leiterbahnen auf diesen sehr kleinen Strukturen treffen.

Das Projekt iRel40 soll bis zum Jahr 2023 laufen und lässt Neuerungen erwarten, die – ausgehend von der Elektronik – einen branchenübergreifenden Effekt auf die Verbesserung von Produktionsprozessen haben werden. Weitere Informationen zum Projekt finden Sie hier.