Zuverlässigkeit durch Materialprüfung | Über Charakterisierung und Schadensanalyse in der Mikroelektronik
Die Zuverlässigkeit moderner Mikro- und Leistungselektronik hängt stark vom Verhalten der Materialien ab. Hochintegrierte Strukturen müssen unter thermischen, mechanischen und teils korrosiven Belastungen dauerhaft funktionieren. Gerade deshalb ist die präzise Charakterisierung von Materialien ein entscheidender Baustein in der Mikroelektronikbranche. Falk Naumann vom Fraunhofer IMWS erklärt im Interview, wie sein Team Materialverhalten auch in heterogenen Strukturen charakterisiert, Schadensursachen in elektronischen Bauteilen analysiert und Zuverlässigkeitsrisiken bereits in frühen Entwicklungsphasen bestimmt.
Herr Naumann, Sie leiten das Team »Mikromechanische Charakterisierung und Simulation« im Geschäftsfeld »Werkstoffe und Bauelemente der Elektronik« am Fraunhofer IMWS. Was ist die zentrale Aufgabe Ihres Teams?
Das Team beschäftigt sich im Kern mit der mikro-mechanischen Bewertung und Zuverlässigkeitsanalyse von Materialien und Strukturen, wie sie in der Mikro- und Leistungselektronik als auch MEMS-Anwendungen eingesetzt werden.
Wir untersuchen dabei insbesondere sehr kleine Strukturen, dünne Schichten und komplexe Materialsysteme. Hierbei versuchen wir, deren mechanisches Verhalten sowohl experimentell als auch simulativ zu beschreiben. Ziel ist es, Aussagen über Zuverlässigkeiten und mögliche Ausfallmechanismen zu treffen.
Wie sieht ein typischer Arbeitstag aus? Können Sie uns ein Beispiel für eine Analyse aufzeigen?
Unser Alltag ist stark durch Kundenanfragen geprägt. Dabei unterscheiden wir zwischen reaktiven und proaktiven Fragestellungen.
Reaktive Fälle sind klassische Schadensanalysen. Wenn zum Beispiel ein Bauteil im Automotive-Bereich ausfällt und erforscht werden soll, warum das passiert ist, wird es häufig vom Hersteller an unsere Abteilung übergeben. Wir beginnen dann mit einer strukturierten Analyse, oft im Stil vergleichbar einer forensischen Untersuchung.
Zunächst wird der Fehler lokalisiert, anschließend werden Hypothesen zur Ausfallursache entwickelt. Darauf aufbauend wählen wir geeignete Charakterisierungsmethoden, um Materialeigenschaften oder Festigkeitskennwerte zu bestimmen. Diese Ergebnisse fließen häufig auch in Simulationen ein. Am Ende geht es immer darum, die Ausfallursache möglichst eindeutig einzugrenzen. Lag es am verwendeten Prozess, an der Bauteilgestaltung, an Werkstoffabweichungen oder äußeren Randbedingungen?
Die proaktive Seite unserer Arbeit ist stärker entwicklungsorientiert. Hier kommen Partner bereits in frühen Designphasen auf uns zu, um mögliche Fehlerrisiken abzuschätzen. Materialauswahl und Design sind in diesen Fällen so abzusichern, dass spätere Ausfälle vermieden werden können. Hierfür liefern wir sowohl experimentelle Daten als auch Materialmodelle für Designoptimierungen oder Zuverlässigkeitssimulationen.
Der direkte Nutzen für die Forschungspartner oder Industrieanwender liegt dabei sowohl in der Zeitersparnis als auch in der Kostenreduktion und einer besseren Absicherung von zukünftigen Entwicklungsentscheidungen.
Was ist Charakterisierung?
Unter Materialcharakterisierung versteht man die gezielte Untersuchung von Materialien und Bauteilstrukturen zur Bestimmung ihrer Eigenschaften, ihres Verhaltens unter definierten Einsatzbedingungen sowie potenzieller Schwachstellen. In der Mikro- und Leistungselektronik dient sie dazu, die Zusammenhänge zwischen Material, Fertigungsprozess und späterer Bauteilzuverlässigkeit im Betrieb unter komplexen Lasten zu verstehen.
Mit welchen Materialien arbeiten Sie und welche Methoden setzen Sie für Ihre Analysen ein?
Wir arbeiten mit einer sehr breiten Palette an Materialien aus der Mikro- und Leistungselektronik. Dazu gehören Halbleitermaterialien, Polymere für das Packaging sowie Metallverbindungen für Kontakte. Für verschiedene Materialien gibt es unterschiedlich geeignete Charakterisierungsmethoden.
Auf der makroskopischen Ebene nutzen wir klassische Prüfmaschinen, mit denen wir thermo-mechanische Materialeigenschaften beispielsweise unter verschiedenen Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen untersuchen.
Wenn wir in kleinere Dimensionen gehen, setzen wir mikromechanische Prüfmethoden ein. Diese sind häufig kundenspezifisch angepasst, da wir nicht mehr standardisierte Proben, sondern reale Bauteilstrukturen untersuchen. Im Bereich von Halbleitern oder MEMS arbeiten wir dann teilweise im einstelligen Mikrometerbereich. Hier charakterisieren wir also nur wenige Mikrometer große Proben, Strukturen und dünne Schichten und übertragen die gewonnenen Materialparameter in Simulationsmodelle.
Unser Testspektrum reicht von quasi-statischen mechanischen Eigenschaften über thermo-mechanisches Verhalten bis hin zu Ermüdungs- und Alterungseffekten. Unser Ziel ist es, das Materialverhalten unter Betriebsbedingungen möglichst realitätsnah zu beschreiben und so die Ursache von Ausfällen bestmöglich zu identifizieren. Für Partner und Kund:innen ist dies aus verschiedenen Gründen relevant – angefangen bei der Frage, ob ein Produkt weiterhin ausgeliefert werden kann, bis hin zur Klärung der Verantwortlichkeit im Schadensfall.
Wo sehen Sie die besondere Stärke des Fraunhofer IMWS?
Ein wichtiger Vorteil am Fraunhofer IMWS ist die enge Verzahnung verschiedener Kompetenzen: Fehlerlokalisierung, Präparation, mechanische Charakterisierung und Simulation greifen stark ineinander.
Gerade die Kombination aus experimenteller Analyse und simulativer Bewertung ermöglicht es uns, Materialverhalten und Zuverlässigkeitsrisiken sehr umfassend zu betrachten und so ein breites Feld der Mikrostrukturbewertung abzudecken.
Wir haben einen sehr hohen methodischen Anspruch, denn häufig haben wir auch nur sehr wenige, stark limitierte Proben zur Verfügung. Diese müssen präzise vorbereitet und untersucht werden.
Lassen Sie uns auch ein paar Herausforderungen beleuchten. Welche Themen beschäftigen Sie aktuell besonders?
Ein Thema, das in der Mikroelektronik gerade sehr relevant ist, ist die sogenannte Hybrid-Bonding-Technologie, ein modernes Fügeverfahren für hochintegrierte 3D- und Chiplet-Strukturen. Hierbei treffen sehr komplexe Materialsysteme aufeinander, deren mechanische und elektrisches Verhalten exakt verstanden werden muss. Die Kombination aus Probenpräparation, Oberflächen-, Kontaminationsanalyse und mechanischer Charakterisierung ist dabei entscheidend.
In Zusammenarbeit mit Partnern aus der Fraunhofer-Gesellschaft und internationalen Einrichtungen werden diese Prozesse von uns detailliert bewertet, um die Zuverlässigkeit zukünftiger Integrationskonzepte sicherzustellen.
Da wir gerade bei Trendthemen sind: Welche Entwicklungen sehen Sie generell in Ihrem Arbeitsfeld?
Ein klarer Trend sind die deutlich kürzer werdenden Innovationszyklen bei Partnern und Kund:innen. Dadurch bleibt weniger Zeit für klassische Testzyklen, was die Anforderungen an schnelle und zuverlässige Bewertung erhöht. Gleichzeitig gewinnen simulationsgestützte Entwicklungsprozesse stark an Bedeutung. Materialmodelle und zuverlässige Charakterisierungsdaten werden immer wichtiger, um Bauteile virtuell auslegen zu können.
Eine zentrale Herausforderung ist zudem die zunehmende Miniaturisierung. Strukturen werden kleiner, werkstoffseitige Sicherheitsreserven geringer und Materialsysteme komplexer.
Hinzu kommt, dass sich immer mehr physikalische Effekte überlagern. Thermische Belastung, mechanische Spannung, Feuchtigkeit, Materialdegradation oder elektrische Migrationseffekte treten oft gleichzeitig auf. Dadurch wird die Fehleranalyse deutlich komplexer.
Kommen aktuelle Methoden mit dieser Komplexität noch mit?
Bei diesem Thema spielt unter anderem die Zusammenarbeit in Initiativen wie der APECS-Pilotlinie eine wichtige Rolle. Durch das Fraunhofer IMWS werden hier unter anderem Verfahren adaptiert, um die lokale Materialcharakterisierung direkt in hochauflösenden Systemen wie Rasterelektronenmikroskopen durchzuführen. Beispielsweise lassen sich so mittels In-situ-Nanoindentation sehr kleine Strukturen gezielt lokal untersuchen und Materialparameter bestimmen.
Was ist Nanoindentation?
Bei der Nanoindentation wird eine mikroskopisch kleiner Eindringkörper (Indenterspitze aus Diamant) kontrolliert in ein Material gedrückt, um das Eindringverhalten und somit Materialeigenschaften präzise zu messen.
Zusätzlich wird an der Kombination experimenteller Methoden mit Finite-Elemente-Simulationen, also numerischen Modellen zur Berechnung des Material- und Bauteilverhaltens, gearbeitet, um über rein analytische Ansätze der Parameteridentifikation hinauszugehen. Auch KI-basierte Methoden gewinnen dabei zunehmend an Bedeutung. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Untersuchung von Materialien unter realistischen Umgebungsbedingungen, um die multiphysikalischen Kopplungen besser zu verstehen. Insbesondere durch APECS und deren gerätetechnische Erweiterungen am Institut können wir hier gezielt weiteres Know-how aufbauen.
Wie funktioniert die Zusammenarbeit mit den anderen Instituten innerhalb der APECS-Pilotlinie?
Im Rahmen von APECS arbeiten viele Partner an Themen wie der 3D- und quasimonolithischen Integration. Dabei entstehen sehr heterogene Materialsysteme, deren Wechselwirkungen für die Zuverlässigkeit entscheidend sind. Wir unterstützen diese Entwicklungen in verschiedenen Work Packages und Demonstratoren. Unser Ziel ist es hier, sowohl eine Prozessoptimierung zu ermöglichen als auch Zuverlässigkeitsrisiken frühzeitig zu identifizieren.
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