Schwerpunkte

EU-Forschungsprojekt iREL 4.0

Fraunhofer IMWS erarbeitet neue Methoden für die Fehleranalyse

02. Dezember 2020, 16:00 Uhr   |  Ralf Higgelke

Fraunhofer IMWS erarbeitet neue Methoden für die Fehleranalyse
© Fraunhofer IMWS

Im Projekt iREL4.0 werden unter anderem Methoden der akustischen Mikroskopie zur Fehlerdiagnostik genutzt.

Mehr Zuverlässigkeit von elektronischen Komponenten und Systemen durch Reduzierung der Fehlerrate entlang der Wertschöpfungskette: Dieses Ziel haben 79 Partner aus 14 europäischen Ländern im Forschungsprojekt Intelligent Reliability 4.0 zusammen. Auch das Fraunhofer IMWS ist beteiligt.

Zukunftstechnologien wie autonomes Fahren, Internet der Dinge, Elektromobilität oder intelligente Lösungen für Energieeffizienz und Medizintechnik benötigen immer leistungsfähigere elektronische Bauelemente und Systeme. Durchsetzen werden sie sich nur, wenn die Anwender auf die Robustheit der eingesetzten Elektronik vertrauen können.

Dazu will das bis 31. Mai 2022 laufende europäische Forschungsprojekt Intelligent Reliability 4.0, kurz iRel40, einen entscheidenden Beitrag leisten. Weltweit führende Experten aus Industrie und Wissenschaft unter der Federführung von Infineon haben sich darin zusammengeschlossen, um den gesamten Prozess der Elektronikentwicklung vom Wafer bzw. Chip über Gehäuse und Board bis hin zum System im Hinblick auf Zuverlässigkeit und Lebensdauer zu optimieren.

»Schon heute sind die Herausforderungen beträchtlich. Der Trend zur Miniaturisierung sorgt dafür, dass immer mehr Funktionen in ein immer kleineres Volumen gepackt wird. Dort noch einzelne Komponenten untersuchen oder kleinste Fehler aufspüren zu können, ist nur mit einer Weiterentwicklung der entsprechenden Verfahren möglich«, beschreibt Frank Altmann die Herausforderung. Er leitet das Teilprojekt des Fraunhofer-Instituts für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS und ergänzt: »Für die künftigen, noch komplexeren Anforderungen reichen kleine Verbesserungen dieser Technologien nicht mehr aus. Wir brauchen große Fortschritte und neue Ansätze, beispielsweise durch den Einsatz von Künstlicher Intelligenz und Maschinellem Lernen. Genau das will das Konsortium mit geballtem Wissen aus Physik, Chemie, Materialwissenschaft und Elektronik erreichen.«

Versagensmodelle erarbeiten

Das Fraunhofer IMWS in Halle wird im Rahmen dieses Vorhabens Versagensmodelle für spezifische Zuverlässigkeitsrisiken und innovative Methoden für die Materialcharakterisierung und physikalische Analyse entwickeln, stets bezogen auf die Anforderungen neuer Fehlermodi und Degradationsmechanismen. Gemeinsam mit Partnern ist das Fraunhofer IMWS in mehreren der insgesamt sechs Arbeitspakete von iREL 4.0 aktiv und bringt insbesondere seine Expertise und methodischen Kompetenzen in der Materialcharakterisierung, Modellierung, hochauflösenden Mikrostrukturanalyse und physikalischen Fehlerdiagnostik ein.

»Dieses tiefgehende Verständnis durch ‚Physics of Failure‘ ist unabdingbar, wenn man dem Ideal von vollkommen fehlerfreien Anwendungen möglichst nahekommen will. Dass gar keine Defekte mehr auftauchen, ist leider eher unrealistisch. Aber wir halten es für ein machbares Ziel, im Rahmen dieses Großprojekts beispielsweise die operative Lebensdauer von Elektronik in Automobilen um den Faktor Zehn zu erhöhen«, glaubt Altmann.

Fraunhofer IMWS, iREL4.0, Reliability
© Fraunhofer IMWS

Ergebnisse der Fehlererkennung durch Independent Component Analysis (ICA). Links oben: Klassifikationsmaske, abgeleitet von den Gewichtungsfaktoren der Fehlersignatur. Links unten: Gewichtungsmatrix des Bauteils, die für defekte Bumps charakteristisch ist. Rechts: Klassifizierungsmaske (rot) über einer Aufnahme per akustischer Mikrografie für eine vereinfachte visuelle Beurteilung. Gelbe Kreise zeigen an, wo defekte FC-Kontakte durch Querschnitt und SEM-Bildgebung überprüft wurden. SEM-Untersuchungen wurden nur an den Spalten drei und vier (von der rechten Seite des Bilds) durchgeführt, die mit gelben Pfeilen oben markiert sind.

Mit seinem Team beschäftigt er sich dabei insbesondere mit Halbleitertechnologien auf Basis von Galliumnitrid (GaN). Diese ermöglichen höhere Schaltfrequenzen als siliziumbasierte Lösungen, zusammen mit höchsten Energieumwandlungswirkungsgraden und einer hohen Miniaturisierung auf Systemebene. Beim Einsatz dieses neuen Materials gilt es aber auch, mögliche neue Degradationsprozesse und Fehlerrisiken zu untersuchen und schließlich zu beherrschen. Im Projekt werden Degradationsmodelle für GaN-Bauelemente erarbeitet, mit denen sich die Ursachen und der zeitliche Verlauf für elektrische, thermische und mechanisch spannungsinduzierte Defekte beziehungsweise solche, die im Herstellungsprozess entstehen können, bewerten lassen.

Auswirkungen von Kontaminationen erforschen

Zudem erforscht das Fraunhofer IMWS die Auswirkungen von Materialkontaminationen aus der Chip- und Packaging-Ebene auf Zuverlässigkeitsrisiken beim Wafer-Bonding. Dabei sollen verbesserte Methoden entwickelt werden, um Defekten zu detektieren, die durch Verunreinigungen verursacht werden. Das Forschungsteam untersucht auch, wie sich Feuchtekorrosion, Kontaminationen und Durchschlagsfestigkeit von Kunststoff-Verkapselungsmaterialien der Leistungselektronik auf die Zuverlässigkeit auswirken und entwickelt dafür notwendige neue Analyseverfahren und Versagensmodelle.

»Für all diese Fragestellungen können wir auf eine erstklassige Analytik-Technik sowie umfangreiche Vorkenntnisse zurückgreifen, sei es zu Galliumnitrid, akustischer Mikroskopie, der Analyse und Bewertung von Korrosionsprozessen mikroelektronischer Komponenten oder der physikalischen und chemischen Spurenanalyse. Wir freuen uns deshalb auf die Zusammenarbeit mit vielen namhaften Partnern und sind sicher, hier einen signifikanten Beitrag leisten zu können«, so Altmann.

In weiteren Arbeitspaketen werden im Projekt, das zum europäischen Entwicklungsvorhaben ECSEL (Electronic Components and Systems for European Leadership) gehört, beispielsweise die Möglichkeiten durch neue Sensoren erschlossen, um sich anbahnende Fehler in Systemen vorherzusagen. Das ist Voraussetzung für Konzepte wie »Smart Maintenance« und die Echtzeitüberwachung von Prozessschritten. Zugleich ermöglichen solche Daten ein digitales Abbild der Materialien, Komponenten und Systeme (Digitaler Zwilling), das weitere Optimierungen möglich macht und dazu beitragen kann, zugrundeliegende Effekte schneller zu verstehen, zielgerichtet zu beeinflussen und somit Zuverlässigkeit und Lebensdauer zu steigern.

Auf Facebook teilenAuf Twitter teilenAuf Linkedin teilenVia Mail teilen

Das könnte Sie auch interessieren

Galliumoxid für vertikale Leistungshalbleiter vorantreiben
Leistungsmodule der Zukunft
»Neue Fehler tauchen immer wieder auf«
Zuverlässige Umrichter für die Energiewende
EU-Projekt für robuste Elektronik in rauen Umgebungen

Verwandte Artikel

Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS, Europäische Kommision