Fraunhofer IMWS im Interview: Heterogene Halbleitersysteme stellen Test und Diagnostik vor neue Hera
Heterogen integrierte Halbleitersysteme verschärfen die Anforderungen in der Entwicklung, weil Test, Analyse und Zuverlässigkeitsbewertung mit der steigenden Komplexität deutlich aufwendiger werden. Das geht aus einem im März veröffentlichten Interview mit dem stellvertretenden Institutsleiter am Fraunhofer IMWS, Frank Altmann, hervor. Altmann beschreibt darin, wie das Institut Fragen rund um Charakterisierung, Test und Fehlerdiagnostik bei komplexen, heterogen aufgebauten Halbleitersystemen angeht. Der Aufwand wächst, weil in solchen Systemen immer mehr unterschiedliche Chips, Technologien und Kontaktstellen auf engem Raum zusammenspielen.
CTR-Plattform rückt Test und Fehlerdiagnostik an den Anfang der Entwicklung
Mit der CTR-Plattform, kurz für Characterization, Test and Reliability, sollen in der APECS-Pilotlinie Analyse, Test und Zuverlässigkeitsbewertung enger an die Entwicklung neuer Bauelemente angebunden werden. Ziel ist es, Bauteile bereits während der Entwicklung schrittweise zu charakterisieren, elektrisch zu prüfen und ihre Belastbarkeit unter anwendungsnahen Bedingungen zu bewerten.
Frank Altmann, Leiter des Geschäftsfelds „Werkstoffe und Bauelemente der Elektronik“ am Fraunhofer IMWS, erklärte: „Wir analysieren vor allem prozessbedingte Defektausprägungen und anwendungsspezifische Versagensmechanismen in elektronischen Bauelementen und Systemen.“
Altmann zufolge reicht das Spektrum von elektrischen Funktionstests auf Wafer- und Bauelementebene bis in den Hochfrequenzbereich über mikroskopische Analysen von Prozessabweichungen bis hin zu beschleunigten Zuverlässigkeitstests. Die Fehlerdiagnostik soll klären, warum Bauteile ausfallen und welche Rückschlüsse sich daraus für Herstellungsprozesse und Bauteil-Designs ziehen lassen. Das Fraunhofer IMWS bringt diese Expertise in die Technologieentwicklung anderer Forschungsinstitute und Industriepartner ein.
In der APECS-Pilotlinie begleitet das Fraunhofer IMWS komplexe heterogene Bauelemente
Die APECS-Pilotlinie der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland zielt auf die Entwicklung komplexer heterogener Bauelemente, in denen verschiedene Chips und Technologievarianten in einem Package zusammenkommen. Dafür bringt das Fraunhofer IMWS seine Kompetenzen innerhalb der CTR-Plattform in die Pilotlinie ein, um Charakterisierung, Test und Qualitätssicherung eng an die Entwicklung zu koppeln. So sollen mögliche Zuverlässigkeitsprobleme früh sichtbar werden.
Für APECS müssen laut Altmann Kompetenzen aus mehreren Instituten über standardisierte Abläufe, klare Schnittstellen und eine gemeinsame Datenbasis zusammengeführt werden. Zugleich ist die Pilotlinie mit anderen europäischen Linien wie CEA-Leti und imec vernetzt, deren Chips oder Chiplets in APECS zu komplexeren Systemen integriert werden können.
Heterointegration verlangt tiefere Fehleranalysen bis in den Chip-Stapel
Laut Altmann wird die Fehlerdiagnostik vor allem dort aufwendig, wo Chips gestapelt, Chiplets kombiniert und unterschiedliche Halbleiterbauelemente in einem System zusammengeführt werden. Dann müssen neben einzelnen Chips auch Kontaktflächen, Signalwege sowie das Zusammenspiel verschiedener Materialien und Technologien untersucht werden. Als Beispiele nennt er hybride Waferbondprozesse mit vielen mikrometergroßen Kontaktpunkten sowie Packages, in denen siliziumbasierte Controller, MEMS-Sensoren, photonische Komponenten oder Galliumnitrid-Bauelemente zusammenkommen.
Wie tief die Analyse dabei gehen muss, zeigt ein von Altmann beschriebenes Fehlerszenario: Kurze Hochspannungspulse können Kurzschlüsse in Isolationsschichten und Leckströme auslösen. Die entstehenden Hotspots lassen sich mit mikroskopischen Wärmebildtechniken lokalisieren. Bei dreidimensionalen Chip-Aufbauten muss die Defektstelle dabei auch in der Tiefe des Stapels präzise bestimmt werden. Anschließend folgen die Freilegung der Schadstelle, etwa mit Laser- oder Ionenstrahltechnik, und die hochauflösende Analyse bis hin zur Elektronenmikroskopie.
Frühe Tests sollen Ausfallrisiken für Unternehmen senken
Für Unternehmen liegt der Vorteil der CTR-Plattform darin, mögliche Schwachstellen elektronischer Bauelemente früh vor dem Markteintritt zu erkennen und ihre Zuverlässigkeit belastbarer bewerten zu können. Das ist vor allem bei Anwendungen wichtig, in denen Ausfälle im Feld hohe Kosten verursachen oder sicherheitskritisch werden können, etwa in der Automobil- oder Leistungselektronik. Nach Angaben Altmanns richtet sich das Angebot dabei auch an Industriepartner und umfasst unter anderem Funktionstests mit hohem Durchsatz, Prüfungen der elektrostatischen Festigkeit, anwendungsspezifische Stresstests, Fehlerdiagnostik und Verfahren zur Überprüfung der Hardwaresicherheit. Unternehmen sollen damit Ausfallrisiken verringern und Qualitätsanforderungen gezielter absichern können.
APECS soll Europas Stärken bei hochintegrierten Systemen ausbauen
Europa ist nach Darstellung Altmanns vor allem dort gut aufgestellt, wo Leistungselektronik und komplexe hochintegrierte elektronische Systeme gefragt sind. Weniger stark sei der Standort dagegen in der Massenfertigung von Halbleitern; große Volumina würden vor allem in den USA und in Asien gefertigt. Mit APECS soll deshalb genau in den Feldern angesetzt werden, in denen Europa seine Wettbewerbsfähigkeit ausbauen kann: bei 3D- und Heterointegration, beim Umgang mit hoher Technologie- und Materialkomplexität und bei der Zusammenführung mehrerer Funktionen auf kleinstem Raum, etwa aus Sensorik, Hochfrequenztechnik oder Photonik. Die CTR-Plattform soll dafür die qualitätssichernde Basis liefern und dazu beitragen, dass solche Systeme zuverlässig bis zur Marktreife entwickelt werden können.
Erste Analysegeräte laufen, nun soll der Ausbau in Richtung Industrie weitergehen
Gut ein Jahr nach dem Start wird bei APECS sichtbar, was die Pilotlinie bislang aufgebaut hat und wohin der nächste Schritt führt. Laut Altmann lag der Schwerpunkt zunächst auf dem Aufbau der nötigen Analyse- und Testinfrastruktur. Dafür prüften die Beteiligten Verfahren, legten Geräteparameter fest und stießen die Beschaffung an. Inzwischen sind erste Systeme installiert und in Betrieb, darunter ein neues hochauflösendes analytisches Transmissionselektronenmikroskop mit neuer Detektorgeneration. Parallel dazu laufen bereits erste Analysen, weitere Verfahren entstehen an den beteiligten Instituten, und die Zusammenarbeit mit den Technologieplattformen innerhalb von APECS gewinnt an Fahrt.
Als Nächstes soll die Infrastruktur gemeinsam weiter ausgebaut und für anwendungsnahe Qualitätssicherungsaufgaben in der Industrie geöffnet werden. Nach Darstellung Altmanns geht es nun darum, die Verfahren systematisch so verfügbar zu machen, dass sie über das Forschungsumfeld hinaus auch von Industriepartnern genutzt werden können.
