TU Wien: Forschung für bessere Haltbarkeit von Elektronik

Elektronik hält nicht ewig. Wenn Mikrochips ihr Lebensende erreichen, kann das unterschiedliche Ursachen haben. Es kann zu Brüchen kommen, verschiedene Materialien, aus denen der Chip aufgebaut ist, können sich im Lauf der Zeit voneinander lösen.

An der TU Wien wurde nun ein Christian-Doppler-Labor (CD-Labor) eröffnet, in dem die Lebensdauer und die Haltbarkeit von Schichtsystemen in der Elektronik untersucht werden. Unterstützt wird das CD-Labor vom Bundesministerium für Wissenschaft, Forschung und Wirtschaft (BMWFW), vom Halbleiterhersteller Infineon und von F&S Bondtec, es ist das erste CD-Labor mit einer vom BMWFW kofinanzierten CD-Stiftungsleitung. Offiziell eröffnet wurde das Labor am 9. Dezember 2015, die Forschungsarbeit hat bereits begonnen.

BMWFW fördert High-Tech

„Die komplexer werdende Technik stellt auch an die unterstützende Elektronik immer größere Anforderungen. Durch die enge Zusammenarbeit von Wissenschaft und Wirtschaft können neue innovative Produkte entstehen und direkt in der unternehmerischen Praxis getestet werden.  Mit diesem Labor schaffen wir ein weiteres High-Tech-Kompetenzzentrum, von dem die involvierten Partner und langfristig auch der Standort profitieren" , so  Wissenschafts-, Forschungs- und Wirtschaftsminister Dr. Reinhold Mitterlehner. 

„Dieses CD Labor ist das erste an der TU Wien mit einer Frau als Leiterin“, sagt Prof. Johannes Fröhlich, Vizerektor für Forschung und Innovation an der TU Wien. „Es fügt sich mit Verankerung im Forschungsschwerpunkt „Materials and Matter“ perfekt in die TUW-Forschungsmatrix ein.“

Härtetests für verschiedene Materialien

Niemand kann in der Elektronikindustrie ein Produkt jahrelang testen, bevor es auf den Markt kommt. Man braucht daher Methoden, mit denen man in möglichst kurzer Zeit feststellen kann, ob elektronische Bauteile viele Jahre lang halten werden. Im neuen CD-Labor an der TU Wien müssen sich die Halbleitermaterialien und elektronischen Bauteile einiges gefallen lassen: Sie werden mechanisch belastet, an Stromkreise angeschlossen, erhitzt und abgekühlt – und das bis zu einige tausend Mal in der Sekunde. „Durch diese Art der Belastung schaffen wir es, die Materialien innerhalb von Stunden altern zu lassen“, sagt Golta Khatibi, die Leiterin des neuen CD-Labors.

Wenn sich etwa zwei aneinandergeklebte Schichten  bei steigender Temperatur in unterschiedlichem Maß ausdehnen, kann es passieren, dass sich die einzelnen Schichten voneinander lösen, man spricht von Delamination.

Ob freilich eine Million mechanische Belastungszyklen, die innerhalb weniger Stunden durchlaufen werden, auch tatsächlich denselben Effekt haben wie eine Million Belastungszyklen, die sich in der alltäglichen Anwendung über mehrere Jahre verteilen, muß abgesichert sein. „Um vom einen Fall auf den anderen schließen zu können, muss man das Verhalten der Materialien im Detail verstehen, und genau daran werden wir hier in den nächsten Jahren arbeiten“, sagt Khatibi.

Die physikalischen Eigenschaften von Metallen oder Halbleitern sind eigentlich gut bekannt – allerdings werden sie normalerweise anhand von größeren Materialproben bestimmt. Diese Werte lassen sich auf der Miniatur-Größenskala der Mikroelektronik nicht mehr direkt verwenden. „Der Zusammenhang zwischen der mechanischen Belastung und der Dehnung des Materials, die Härte, das Ermüdungsverhalten – viele physikalische Größen sind auf Mikrometerskala ganz anders als bei großen Materialproben“, erklärt Golta Khatibi. „Wir müssen die Materialeigenschaften genau auf der Größenskala bestimmen, auf der sie in der Halbleitertechnik auch wirklich eingesetzt werden.“

Der Kooperationspartner Infineon wird bei den geplanten Projekten eine wichtige Rolle spielen: Von dort werden unterschiedlichste, gezielt hergestellte Strukturen kommen, die an der TU Wien dann getestet werden. F&S Bondtec bringt hier seine Expertise auf dem Gebiet Verbindungs- und Prüftechnik ein. Wichtig für das CD-Labor ist auch die umfangreiche Ausstattung im Bereich der Materialwissenschaft, die an der TU Wien bereits besteht – etwa im Bereich verschiedener bildgebender Verfahren, mit denen man die Mikrostruktur der Proben analysieren kann.

BMWFW fördert anwendungsorientierte Grundlagenforschung

Das Christian Doppler Labor für „Lebensdauer und Zuverlässigkeit von Grenzflächen in komplexen Mehrlagenstrukturen der Elektronik“  läuft bereits seit September 2015, nun fiel bei einer Eröffnungsfeier an der TU Wien der offizielle Startschuss. In Christian Doppler Labors wird anwendungsorientierte Grundlagenforschung auf hohem Niveau betrieben, hervorragende WissenschafterInnen kooperieren dazu mit innovativen Unternehmen. Für die Förderung dieser Zusammenarbeit gilt die Christian Doppler Forschungsgesellschaft international als Best-Practice-Beispiel. Christian Doppler Labors werden von der öffentlichen Hand und den beteiligten Unternehmen gemeinsam finanziert. Wichtigster öffentlicher Fördergeber ist das österreichische Bundesministerium für Wissenschaft, Forschung und Wirtschaft (BMWFW).