{"id":33899,"date":"2026-06-05T08:52:00","date_gmt":"2026-06-05T06:52:00","guid":{"rendered":"https:\/\/fmd-insight.de\/?p=33899"},"modified":"2026-07-21T11:59:14","modified_gmt":"2026-07-21T09:59:14","slug":"zuverlassigkeit-durch-materialprufungschadensanalyse-in-der-mikroelektronik","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/fmd-insight.de\/de\/news\/interviews\/zuverlassigkeit-durch-materialprufungschadensanalyse-in-der-mikroelektronik\/","title":{"rendered":"Zuverl\u00e4ssigkeit durch Materialpr\u00fcfung<\/strong> | \u00dcber Charakterisierung und Schadensanalyse in der Mikroelektronik"},"content":{"rendered":"\n
©<\/span>Adobe Stock | Vitte Yevhen <\/div><\/div><\/div>\n
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Im Interview: Falk Naumann vom Fraunhofer IMWS<\/strong><\/p>\n<\/div><\/div><\/div> \n <\/div>\n\n \n <\/div>\n\n\n

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Die Zuverl\u00e4ssigkeit moderner Mikro- und Leistungselektronik h\u00e4ngt stark vom Verhalten der Materialien ab. Hochintegrierte Strukturen m\u00fcssen unter thermischen, mechanischen und teils korrosiven Belastungen dauerhaft funktionieren. Gerade deshalb ist die pr\u00e4zise Charakterisierung von Materialien ein entscheidender Baustein in der Mikroelektronikbranche. Falk Naumann vom Fraunhofer IMWS erkl\u00e4rt im Interview, wie sein Team Materialverhalten auch in heterogenen Strukturen charakterisiert, Schadensursachen in elektronischen Bauteilen analysiert und Zuverl\u00e4ssigkeitsrisiken bereits in fr\u00fchen Entwicklungsphasen bestimmt.<\/strong><\/p>\n\n <\/div>\n <\/div>\n \n <\/div>\n\n\n

Herr Naumann, Sie leiten das Team \u00bbMikromechanische Charakterisierung und Simulation\u00ab im Gesch\u00e4ftsfeld \u00bbWerkstoffe und Bauelemente der Elektronik\u00ab am Fraunhofer IMWS. Was ist die zentrale Aufgabe Ihres Teams?<\/p>\n<\/div>

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Das Team besch\u00e4ftigt sich im Kern mit der mikro-mechanischen Bewertung und Zuverl\u00e4ssigkeitsanalyse von Materialien und Strukturen, wie sie in der Mikro- und Leistungselektronik als auch MEMS-Anwendungen eingesetzt werden.<\/p>\n

Wir untersuchen dabei insbesondere sehr kleine Strukturen, d\u00fcnne Schichten und komplexe Materialsysteme. Hierbei versuchen wir, deren mechanisches Verhalten sowohl experimentell als auch simulativ zu beschreiben. Ziel ist es, Aussagen \u00fcber Zuverl\u00e4ssigkeiten und m\u00f6gliche Ausfallmechanismen zu treffen.<\/p>\n<\/div>

Wie sieht ein typischer Arbeitstag aus? K\u00f6nnen Sie uns ein Beispiel f\u00fcr eine Analyse aufzeigen?<\/p>\n<\/div>

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Unser Alltag ist stark durch Kundenanfragen gepr\u00e4gt. Dabei unterscheiden wir zwischen reaktiven und proaktiven Fragestellungen.<\/p>\n

Reaktive F\u00e4lle sind klassische Schadensanalysen. Wenn zum Beispiel ein Bauteil im Automotive-Bereich ausf\u00e4llt und erforscht werden soll, warum das passiert ist, wird es h\u00e4ufig vom Hersteller an unsere Abteilung \u00fcbergeben. Wir beginnen dann mit einer strukturierten Analyse, oft im Stil vergleichbar einer forensischen Untersuchung.<\/p>\n

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Zun\u00e4chst wird der Fehler lokalisiert, anschlie\u00dfend werden Hypothesen zur Ausfallursache entwickelt. Darauf aufbauend w\u00e4hlen wir geeignete Charakterisierungsmethoden, um Materialeigenschaften oder Festigkeitskennwerte zu bestimmen. Diese Ergebnisse flie\u00dfen h\u00e4ufig auch in Simulationen ein. Am Ende geht es immer darum, die Ausfallursache m\u00f6glichst eindeutig einzugrenzen. Lag es am verwendeten Prozess, an der Bauteilgestaltung, an Werkstoffabweichungen oder \u00e4u\u00dferen Randbedingungen?<\/p>\n

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Die proaktive Seite unserer Arbeit ist st\u00e4rker entwicklungsorientiert. Hier kommen Partner bereits in fr\u00fchen Designphasen auf uns zu, um m\u00f6gliche Fehlerrisiken abzusch\u00e4tzen. Materialauswahl und Design sind in diesen F\u00e4llen so abzusichern, dass sp\u00e4tere Ausf\u00e4lle vermieden werden k\u00f6nnen. Hierf\u00fcr liefern wir sowohl experimentelle Daten als auch Materialmodelle f\u00fcr Designoptimierungen oder Zuverl\u00e4ssigkeitssimulationen.<\/p>\n

Der direkte Nutzen f\u00fcr die Forschungspartner oder Industrieanwender liegt dabei sowohl in der Zeitersparnis als auch in der Kostenreduktion und einer besseren Absicherung von zuk\u00fcnftigen Entwicklungsentscheidungen.<\/p>\n<\/div><\/div>\n\n\n

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Was ist Charakterisierung?<\/strong><\/p>\n

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 Zusammenh\u00e4nge zwischen Material, Fertigungsprozess und sp\u00e4terer Bauteilzuverl\u00e4ssigkeit im Betrieb unter komplexen Lasten zu verstehen.<\/p>\n<\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n\n\n

Mit welchen Materialien arbeiten Sie und welche Methoden setzen Sie f\u00fcr Ihre Analysen ein?<\/p>\n<\/div>

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Wir arbeiten mit einer sehr breiten Palette an Materialien aus der Mikro- und Leistungselektronik. Dazu geh\u00f6ren Halbleitermaterialien, Polymere f\u00fcr das Packaging sowie Metallverbindungen f\u00fcr Kontakte. F\u00fcr verschiedene Materialien gibt es unterschiedlich geeignete Charakterisierungsmethoden.<\/p>\n

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Auf der makroskopischen Ebene nutzen wir klassische Pr\u00fcfmaschinen, mit denen wir thermo-mechanische Materialeigenschaften beispielsweise unter verschiedenen Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen untersuchen.<\/p>\n

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Wenn wir in kleinere Dimensionen gehen, setzen wir mikromechanische Pr\u00fcfmethoden ein. Diese sind h\u00e4ufig 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 gro\u00dfe Proben, Strukturen und d\u00fcnne Schichten und \u00fcbertragen die gewonnenen Materialparameter in Simulationsmodelle.<\/p>\n

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Unser Testspektrum reicht von quasi-statischen mechanischen Eigenschaften \u00fcber thermo-mechanisches Verhalten bis hin zu Erm\u00fcdungs- und Alterungseffekten. Unser Ziel ist es, das Materialverhalten unter Betriebsbedingungen m\u00f6glichst realit\u00e4tsnah zu beschreiben und so die Ursache von Ausf\u00e4llen bestm\u00f6glich zu identifizieren. F\u00fcr Partner und Kund:innen ist dies aus verschiedenen Gr\u00fcnden relevant \u2013 angefangen bei der Frage, ob ein Produkt weiterhin ausgeliefert werden kann, bis hin zur Kl\u00e4rung der Verantwortlichkeit im Schadensfall.<\/p>\n<\/div>

Wo sehen Sie die besondere St\u00e4rke des Fraunhofer IMWS?<\/p>\n<\/div>

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Ein wichtiger Vorteil am Fraunhofer IMWS ist die enge Verzahnung verschiedener Kompetenzen: Fehlerlokalisierung, Pr\u00e4paration, mechanische Charakterisierung und Simulation greifen stark ineinander.<\/p>\n

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Gerade die Kombination aus experimenteller Analyse und simulativer Bewertung erm\u00f6glicht es uns, Materialverhalten und Zuverl\u00e4ssigkeitsrisiken sehr umfassend zu betrachten und so ein breites Feld der Mikrostrukturbewertung abzudecken.<\/p>\n

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Wir haben einen sehr hohen methodischen Anspruch, denn h\u00e4ufig haben wir auch nur sehr wenige, stark limitierte Proben zur Verf\u00fcgung. Diese m\u00fcssen pr\u00e4zise vorbereitet und untersucht werden.<\/p>\n<\/div>

Lassen Sie uns auch ein paar Herausforderungen beleuchten. Welche Themen besch\u00e4ftigen Sie aktuell besonders?<\/p>\n<\/div>

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Ein Thema, das in der Mikroelektronik gerade sehr relevant ist, ist die sogenannte Hybrid-Bonding-Technologie, ein modernes F\u00fcgeverfahren f\u00fcr hochintegrierte 3D- und Chiplet-Strukturen. Hierbei treffen sehr komplexe Materialsysteme aufeinander, deren mechanische und elektrisches Verhalten exakt verstanden werden muss. Die Kombination aus Probenpr\u00e4paration, Oberfl\u00e4chen-, Kontaminationsanalyse und mechanischer Charakterisierung ist dabei entscheidend.<\/p>\n

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In Zusammenarbeit mit Partnern aus der Fraunhofer-Gesellschaft und internationalen Einrichtungen werden diese Prozesse von uns detailliert bewertet, um die Zuverl\u00e4ssigkeit zuk\u00fcnftiger Integrationskonzepte sicherzustellen.<\/p>\n<\/div>

Da wir gerade bei Trendthemen sind: Welche Entwicklungen sehen Sie generell in Ihrem Arbeitsfeld?<\/p>\n<\/div>

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Ein klarer Trend sind die deutlich k\u00fcrzer werdenden Innovationszyklen bei Partnern und Kund:innen. Dadurch bleibt weniger Zeit f\u00fcr klassische Testzyklen, was die Anforderungen an schnelle und zuverl\u00e4ssige Bewertung erh\u00f6ht. Gleichzeitig gewinnen simulationsgest\u00fctzte Entwicklungsprozesse stark an Bedeutung. Materialmodelle und zuverl\u00e4ssige Charakterisierungsdaten werden immer wichtiger, um Bauteile virtuell auslegen zu k\u00f6nnen.<\/p>\n

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Eine zentrale Herausforderung ist zudem die zunehmende Miniaturisierung. Strukturen werden kleiner, werkstoffseitige Sicherheitsreserven geringer und Materialsysteme komplexer.<\/p>\n

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Hinzu kommt, dass sich immer mehr physikalische Effekte \u00fcberlagern. Thermische Belastung, mechanische Spannung, Feuchtigkeit, Materialdegradation oder elektrische Migrationseffekte treten oft gleichzeitig auf. Dadurch wird die Fehleranalyse deutlich komplexer.<\/p>\n<\/div>

Kommen aktuelle Methoden mit dieser Komplexit\u00e4t noch mit?<\/p>\n<\/div>

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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 hochaufl\u00f6senden Systemen wie Rasterelektronenmikroskopen durchzuf\u00fchren. Beispielsweise lassen sich so mittels In-situ-Nanoindentation sehr kleine Strukturen gezielt lokal untersuchen und Materialparameter bestimmen.<\/p>\n<\/div><\/div>\n\n\n

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Was ist Nanoindentation?<\/strong><\/p>\n

Bei der Nanoindentation wird eine mikroskopisch kleiner Eindringk\u00f6rper (Indenterspitze aus Diamant) kontrolliert in ein Material gedr\u00fcckt, um das Eindringverhalten und somit Materialeigenschaften pr\u00e4zise zu messen.<\/p>\n<\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n\n\n

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Zus\u00e4tzlich wird an der Kombination experimenteller Methoden mit Finite-Elemente-Simulationen, also numerischen Modellen zur Berechnung des Material- und Bauteilverhaltens, gearbeitet, um \u00fcber rein analytische Ans\u00e4tze 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 ger\u00e4tetechnische Erweiterungen am Institut k\u00f6nnen wir hier gezielt weiteres Know-how aufbauen.<\/p>\n<\/div>

Wie funktioniert die Zusammenarbeit mit den anderen Instituten innerhalb der APECS-Pilotlinie?<\/p>\n<\/div>

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Im Rahmen von APECS arbeiten viele Partner an Themen wie der 3D- und quasimonolithischen Integration. Dabei entstehen sehr heterogene Materialsysteme, deren Wechselwirkungen f\u00fcr die Zuverl\u00e4ssigkeit entscheidend sind. Wir unterst\u00fctzen diese Entwicklungen in verschiedenen Work Packages und Demonstratoren. Unser Ziel ist es hier, sowohl eine Prozessoptimierung zu erm\u00f6glichen als auch Zuverl\u00e4ssigkeitsrisiken fr\u00fchzeitig zu identifizieren.<\/p>\n<\/div><\/div>\n\n\n

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