iRel40: Gesundheitscheck für Mikrochip-Systeme

Tagtäglich nutzen wir Anwendungen, die unser Leben einfacher, sicherer und umweltfreundlicher machen: von sicherheitsrelevanten Assistenzsystemen im Auto, der effizienten Mobilität mit Straßenbahnen, Zügen oder E-Fahrzeugen, Roboter- und KI-Systemen in der Industrie, energiesparenden Haushaltsgeräten, dem kontaktlosen Bezahlen, digitalen Lernplattformen, modernster Medizin- und Gesundheitstechnik, der schnellen, digitalen Kommunikation, oder bei Solar- und Windenergie – in all diesen Bereichen sind Leistungshalbleiter und elektronische Systeme zentrale Bausteine. 

In der Entwicklung dieser hochkomplexen Systeme geht es vor allem um höchste Präzision, kleinere Bauformen und eine effektive Systemintegration. Dabei soll die Funktionalität im Chip, im Gerät oder System erhöht und gleichzeitig die Energieeffizienz und Sicherheit verbessert werden. Das bringt auch Herausforderungen in der Konzeption, dem Design über die Tests und Validierung bis hin zur Produktion mit sich und beeinflusst den gesamten Produktlebenszyklus.

Für viele Anwendungen können unzuverlässige Elektroniksysteme das vorzeitige Aus oder ein enormes Sicherheitsrisiko bedeuten. Insbesondere die Gewährleistung der Zuverlässigkeit und der Qualität der hochintegrierten Systeme stellen die Entwickler und Hersteller vor enorme Aufgaben, auch in Hinblick auf die immer extremeren Belastungen die Halbleiter in kritischen Umgebungen wie z.B. bei extremen Temperaturen oder korrosive Chemikalien ausgesetzt sind. Die Zuverlässigkeit ist daher eine der wichtigsten Anforderungen an Halbleiter und insbesondere für Halbleiter „Made in Europe“ ein wichtiges Qualitätsmerkmal. 

Das Projekt iRel40 – intelligent Reliability 4.0

Ziel des Projektes ist es, die Zuverlässigkeit von elektronischen Komponenten und Systemen zu erhöhen, indem die Fehlerrate entlang der gesamten Wertschöpfungskette als auch über den gesamten Lebenszyklus hinweg reduziert wird. Kurz: Vom Wafer zum Chip, über das Package bis hin zum Anwendungssystem. Dazu müssen die zugrunde liegenden Mechanismen und Prozesse, welche zu einem Versagen von Komponenten und/oder System führen, tiefgehend analysiert und verstanden werden. 

iRel40 fokussierte sich auf die Entwicklung innovativer, auf Künstlicher Intelligenz (KI) basierender Prognose- und Health Monitoring Methoden, die auf Machine Learning und digitalen Zwillingen basieren, um die Lebensdauer elektronischer Komponenten oder Systeme besser vorhersagen zu können. Ziel war es, die Nutzungsdauer bzw. die zukünftige Zuverlässigkeit eines Produkts unter normalen Betriebsbedingungen genauer zu bestimmen. Gerade bei unterschiedlichen  Halbleiteranwendungen müssen Bedürfnisse und Anforderungen exakt definiert werden, um eine Vorhersage und eine Verbesserung der Zuverlässigkeit entlang der Wertschöpfungskette zu ermöglichen. Dies beinhaltet auch die frühzeitige Erkennung unerwarteter qualitätsrelevanter Ereignisse entlang der Wertschöpfungskette durch fortschrittliche und innovative Kontrollkonzepte.

Die Projektpartner von iRel40 haben bedeutende Fortschritte in folgenden Bereichen erzielt:

• Weitere Reduzierung der Ausfallraten und damit Steigerung der Zuverlässigkeit und Lebensdauer elektronischer Komponenten und Systeme
• Die Entwicklung neuer, innovativer Analysemethoden und die Verbesserung bestehender Testverfahren zur Gewährleistung der Komponentenzuverlässigkeit. Diese Fortschritte berücksichtigten auch neue Anforderungen an Design und Fertigung, die auf kalibrierten Modellen und validierten numerischen Simulationen basieren.
• Verkürzte Markteinführungszeit durch schnellere Lernkurven in Entwicklung und Produktions Ramp-up. 

Zuverlässigere elektronische Komponenten und Systeme tragen wesentlich zu einer nachhaltigeren und stärkeren Wettbewerbsfähigkeit der europäischen Mikroelektronikindustrie bei. Die verbesserte Zuverlässigkeit elektronischer Anwendungen haben aber nicht nur technische und ökonomische, sondern auch sozioökonomische und gesellschaftliche Auswirkungen. Durch die Verlängerung der Produktlebensdauer können Kosten für die Herstellung und den Ersatz von Geräten reduziert werden, was wiederum zu einer Steigerung der Wirtschaftseffizienz führt. Darüber hinaus kann die nachhaltigere Nutzung elektronischer Geräte auch maßgeblich zu einer Reduzierung der Umweltbelastung wie z.B. Abfall und Ressourcenverbrauch und damit einer Verbesserung der Lebensqualität der Menschen beitragen.

Die Rolle der österreichischen Partner

Die österreichischen Projektpartner im Konsortium sind:

• Infineon Technologies Austria AG (IFAT)
• AT&S Austria Technologie & Systemtechnik AG (AT&S)
• Materials Center Leoben Forschung GmbH (MCL)
• AMS AG (AMS)
• AVL List GmbH (AVL)
• Infineon Technologies IT-Services GmbH (IFKL)
• Kompetenzzentrum Automobil- und Industrieelektronik GmbH (KAI)
• Technische Universität Graz (TU Graz)
• Technische Universität Wien (TU Wien)
• Virtual Vehicle Research GmbH (VIF) 

Die Ergebnisse des österreichischen Konsortiums umfassen verschiedene Methoden und Ansätze um die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von elektronischen Komponenten und Systemen vorherzusagen und zu erhöhen wie z.B. thermische Alterungstests, neue Charakterisierungsmethoden, Lebendsauermodellierungen, innovative simulationsbasierte Modelle sowie den Einsatz von neuen Materialien. 

Drei österreichische Projektpartner übernahmen zusätzlich zu den F&E-Tätigkeiten leitende Aufgaben im iRel40 Konsortium.  IFAT übernahm die Rolle des Co-Koordinators im Projekt und war zusätzlich Leiter des Arbeitspaketes „Production & Development Excellence“. IFAT als Halbleiterhersteller konzentrierte seine technische Forschungsarbeit auf die Einführung neuer Materialien, zuverlässigerer Prozesse und KI-gesteuerter Methoden zur Verbesserung von Leistungshalbleiter- und MEMs-Technologien. Ebenfalls im Fokus standen Methoden zur frühzeitigen Erkennung unerwarteter qualitäts- und zuverlässigkeitsrelevanter Ereignisse entlang der internen Halbleiter-Wertschöpfungskette.

Die Partner AT&S und MCL leiteten das Arbeitspaket „Advanced and Functional Materials and Interfaces“. AT&S als Leiterplattenhersteller fokussierte sich im Projekt auf die Entwicklung und Implementierung effizienterer und virtueller Designoptimierungsprozesse um die Zuverlässigkeit der Produkte und eine schnellere Time to Market durch das „first time right-Prinzip“ zu ermöglichen. Der neue virtuelle Prototyping-Prozess garantiert die beste Kombination aus Design, Aufbau und Materialien im Hinblick auf die Zuverlässigkeit der Produkte. 

Das MCL als wissenschaftlicher Partner konnte seine weitreichenden Kompetenzen im Bereich Advanced Materials hinsichtlich des Verhaltens von spezifischen Materialien und deren Zuverlässigkeit in elektronischen Anwendungen erweitern. Zusätzlich entwickelte MCL neue Charakterisierungsmethoden im Bereich Thermisch-elektrische Analyse von Materialübergängen und eine Methode zur Bewertung des Alterungsverhaltens von Verbindungstechnologien. 

Der Mehrwert eines EU-Projekts

Das Projekt iRel40 wurde als eine kohärente Projektinitiative für Chips, Gehäuse und Systeme einschließlich heterogener Systemintegration in Europa gestartet und brachte erstmalig weltweit führende Zuverlässigkeitsexperten und europäisches Halbleiter-Fertigungs-Know-how zusammen. Die Schlüsselergebnisse wurden im Buch „Recent Advances in Microelectronics Reliability“ veröffentlicht.

iRel40 ist ein beispielgebendes Projekt für ein ausgewogenes und multidisziplinäres Konsortium, mit insgesamt 75 Partnern aus Industrie und Wissenschaft aus 13 EU-Mitgliedsstaaten und assoziierten Staaten. Das iRel40-Konsortium wurde so strukturiert, dass es die gesamte vertikale Lieferkette und verschiedene industrielle Bereiche abdeckt. Es umfasst alle relevanten Kompetenzen, von der Automobilindustrie über die Transportindustrie, die Halbleiterindustrie, die Consumer-Industrie bis hin zu halbleiterorientierten Forschungsinstitutionen und Universitäten. Durch diese Zusammenarbeit entstanden neue Kollaborationen und langjährigen Beziehungen konnten intensiviert werden.