Advanced Packaging

Die Automobilindustrie benötigt zunehmend leistungsstarke, energieeffiziente und integrierte elektronische Systeme, die eine hohe Funktionalität auf begrenztem Raum und unter anspruchsvollen Umweltbedingungen bieten. Advanced Packaging ermöglicht eine höhere Integration und Leistung von Halbleitern, insbesondere in Systemen wie ADAS oder autonomen Fahrzeugen. Technologien wie Chiplets, 2.5D/3D-Integration und SiP (System-in-Package) bieten Platzersparnis, mehr Rechenleistung und bessere thermische Kontrolle. Für Automobilanwendungen bieten sie verbesserte Zuverlässigkeit und größere Robustheit, was wiederum die Entwicklung komplexerer Systeme unterstützt.

Dabei kommen zahlreiche neue Ansätze zum Tragen, von Packaging-Technologie wie Chiplets, 3D-Integration und Wafer-Level Packaging über den Einsatz von Materialien wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) bis hin zu neuen Verarbeitungsschritten wie Silber-Sintern und Wafer-Bonding. Die damit einhergehenden Fragestellungen und Risiken für Materialverhalten, Bauteilzuverlässigkeit und Prozessoptimierung erfordern ein tiefgründiges Werkstoffverständnis. Materialdiagnostik und präzise Zuverlässigkeitstests zur frühzeitigen Fehlererkennung sind entscheidend, um langfristig robuste Systeme zu garantieren. Damit die enormen Potenziale von Advanced-Packaging-Technologien für die Effizienzsteigerung und Robustheit elektronischer Automotive-Systeme sich entfalten können, unterstützen wir unsere Auftraggeber kontinuierlich durch verbesserte Materialien und Tests.

Mikroelektronik ermöglicht leistungsfähige, energieeffiziente und kompakte Systeme für industrielle Automatisierung, Medizintechnik, Mobilität, Kommunikation, Rechenzentren sowie sicherheitskritische Anwendungen. Für die Halbleiterindustrie ist sie nicht nur Kern des Wertschöpfungsprozesses, sondern zugleich Innovationstreiber für neue Produkte, Architekturen und Fertigungstechnologien.

Mit steigenden Anforderungen an Rechenleistung, Miniaturisierung, Energieeffizienz und Funktionsintegration stoßen klassische Skalierungsansätze auf Chip-Ebene zunehmend an technische und wirtschaftliche Grenzen. Damit gewinnt die Gehäuse- und Verbindungstechnik entscheidend an Bedeutung: Advanced Packaging wird zu einem zentralen Hebel, um die Leistungsfähigkeit mikroelektronischer Systeme weiter zu steigern und neue Systemkonzepte wirtschaftlich umzusetzen.

Advanced Packaging erweitert die Funktion des klassischen Gehäuses deutlich. Es schützt den Chip nicht nur, sondern übernimmt zentrale Aufgaben für elektrische Performance, thermisches Management, mechanische Stabilität und Systemintegration. Dadurch entstehen neue Möglichkeiten für die Entwicklung leistungsfähiger und anwendungsspezifischer Systeme. Ein wesentliches Potenzial liegt in der heterogenen Integration. Unterschiedliche Chips oder Chiplets – etwa Speicher, Sensorik, HF-Komponenten oder Leistungshalbleiter – können in einem gemeinsamen Package kombiniert werden. Dies ermöglicht kürzere Signalwege, höhere Bandbreiten, geringere Latenzen und eine verbesserte Energieeffizienz. Gleichzeitig lassen sich Entwicklungszeiten und Kosten optimieren, da nicht mehr alle Funktionen auf einem einzelnen monolithischen Chip realisiert werden müssen.

Darüber hinaus unterstützt Advanced Packaging eine höhere Integrationsdichte. Damit können kompaktere Bauformen, bessere Systemleistung und neue Produktdesigns realisiert werden. Für Industriekunden eröffnet dies Vorteile in Form von leistungsstarken, robusten und miniaturisierten Modulen, die auf spezifische Anforderungen zugeschnitten werden können. Besonders relevant ist dies für Anwendungen in KI-Beschleunigern, Edge Computing, Automatisierungstechnik, Automotive, Luft- und Raumfahrt sowie Telekommunikation.

Technologien wie Chiplet-Architekturen, Prozessschritte wie  Hybrid Bonding oder die Entwicklung hin zu feineren Strukturgrößen, höheren I/O-Dichten, besseren thermischen Eigenschaften und materialseitig optimierten Schnittstellen steigern die Komplexität von Advanced-Packaging-Lösungen. Damit wächst die Bedeutung einer fundierten Materialcharakterisierung und systematischen Zuverlässigkeitsbewertung. Unterschiedliche Werkstoffe mit teils stark abweichenden thermischen, mechanischen und elektrischen Eigenschaften treffen in einem Package unmittelbar aufeinander. Dies führt zu Herausforderungen wie thermomechanischen Spannungen, Delamination, Rissbildung, Elektromigration, Korrosion oder Ermüdung von Lötverbindungen.

Die Materialcharakterisierung ist deshalb eine wesentliche Voraussetzung für die Auslegung robuster Packages. Die am Fraunhofer IMWS verfügbaren Methoden und Zuverlässigkeitstests können das Verhalten unter realen und beschleunigten Belastungsbedingungen absichern. Für Industriekunden sind diese Tests entscheidend, um Ausfallrisiken zu minimieren, Lebensdauern vorherzusagen und die Eignung für anspruchsvolle Einsatzumgebungen nachzuweisen.

Mikroelektronik ist die zentrale Grundlage moderner Kommunikationstechnologien. Ob 5G/6G, Glasfaserkommunikation, Edge-Computing, Radar, WLAN, Rechenzentrumsvernetzung oder Satellitenkommunikation – Leistungsfähigkeit, Energieeffizienz, Signalintegrität und Miniaturisierung hängen unmittelbar von mikroelektronischen Komponenten und deren Integration ab.

Mit steigenden Datenraten, höheren Frequenzen, geringeren Latenzanforderungen und wachsendem Energiebedarf steigen auch die Anforderungen an die Aufbau- und Verbindungstechnik. Klassische Gehäusekonzepte reichen für viele Hochfrequenz- und Hochleistungsanwendungen nicht mehr aus. Advanced Packaging wird deshalb zu einem entscheidenden Enabler für Kommunikationssysteme der nächsten Generation, da es elektrische, thermische und mechanische Funktionen auf Systemebene optimiert.

Erhebliche Potenziale eröffnen sich insbesondere dort, wo hohe Bandbreiten, kompakte Bauformen und zuverlässiger Betrieb unter anspruchsvollen Bedingungen gefordert sind. Ein zentraler Vorteil liegt in der heterogenen Integration: Unterschiedliche Funktionen wie Hochfrequenzbausteine, Signalverarbeitung, Speicher, Photonik, Sensorik oder Leistungsverstärker können in einem gemeinsamen Package zusammengeführt werden. Dadurch entstehen kürzere Signalwege, geringere parasitäre Verluste und verbesserte HF-Eigenschaften.

Für Kommunikationsanwendungen ist dies besonders relevant, weil mit steigender Frequenz jede zusätzliche Übergangsstelle, Leitungslänge oder Materialinhomogenität die Signalqualität beeinträchtigen kann. Advanced Packaging unterstützt daher die Realisierung hochintegrierter Frontends, Antennenmodule, optoelektronischer Baugruppen und Netzwerkprozessoren mit hoher Performance und geringem Energieverbrauch.

Das Ziel, diese Potenziale zu heben sowie die steigende Bedeutung verlustarmer Materialien, feinster Interconnects und thermisch hochbelastbarer Package-Architekturen stellt neue Herausforderungen an der Materialdiagnostik und Qualitätssicherung. Die Leistungsfähigkeit eines Packages ist auch bei Kommunikationssystemen eng mit den verwendeten Materialien und deren Verhalten unter Betriebsbedingungen verknüpft. Bereits geringe Abweichungen bei dielektrischen Eigenschaften, Oberflächenrauheit, Wärmeausdehnung oder Grenzflächenhaftung können die Signalintegrität, HF-Performance und Lebensdauer deutlich beeinflussen. Deshalb ist die Materialcharakterisierung ein zentraler Bestandteil der Entwicklung und Industrialisierung von Advanced-Packaging-Lösungen. Nur mit einer genauen Materialkenntnis, präziser Messung von Parametern und robusten Empfehlungen für deren Abstimmung lassen sich stabile elektrische Eigenschaften, geringe Dämpfung und hohe mechanische Zuverlässigkeit sicherstellen.

Zuverlässigkeitstests sind für Industriekunden von besonderer Bedeutung, da Kommunikationsinfrastrukturen oft dauerhaft, unter hohen Lasten und in anspruchsvollen Umgebungen betrieben werden. Das Fraunhofer IMWS bietet die relevanten Prüfungen sowie Lebensdaueruntersuchungen unter realitätsnahen Betriebsprofilen.

Mikroelektronik bildet als zentrale Schlüsseltechnologie der modernen Medizintechnik die Grundlage für diagnostische, therapeutische und überwachende Systeme in Bereichen wie bildgebender Diagnostik, In-vitro-Diagnostik, Patientenmonitoring, Wearables, Implantaten, Lab-on-a-Chip-Systemen und robotergestützten Anwendungen. Leistungsfähigkeit, Miniaturisierung, Energieeffizienz und Zuverlässigkeit medizinischer Geräte hängen maßgeblich von der Qualität und Integration mikroelektronischer Komponenten ab.

Neben dem eigentlichen Halbleiterbauelement hat dabei die Aufbau- und Verbindungstechnik erhebliche Bedeutung. Advanced Packaging eröffnet der Medizintechnik erhebliche Potenziale, da es die funktionale Integration auf kleinem Raum verbessert und gleichzeitig elektrische, thermische und mechanische Anforderungen optimiert. Mit heterogener Integration können Sensoren, ASICs, Speicher, Funkmodule, Mikrofluidik-Komponenten oder Leistungselektronik in einem gemeinsamen Package kombiniert werden. Dadurch entstehen stark miniaturisierte, leistungsfähige und anwendungsspezifische Systeme mit kurzen Signalwegen und hoher Funktionalität.

Auch der aktuelle Trend für die zunehmende Verbindung von Mikroelektronik, Sensorik, Mikrofluidik und Funkkommunikation in hochintegrierten Modulen zeigt, wie entscheidend die maximale Absicherung von Materialien und Packaging-Prozessen in der Medizintechnik ist – schließlich erfüllen viele Systeme sicherheitsrelevante Funktionen oder kommen direkt mit dem menschlichen Körper in Kontakt. Die Materialcharakterisierung und die präzise Bestimmung thermischer, mechanischer, chemischer, elektrischer und biologischer Eigenschaften sind daher eine wesentliche Voraussetzung für die Entwicklung robuster und zulassungsfähiger Produkte.

Unterschiedliche Werkstoffe im Package können durch Temperaturwechsel, Feuchtigkeit, mechanische Belastung oder chemische Einflüsse Spannungen, Delamination, Korrosion oder Funktionsverluste verursachen. Zuverlässigkeitstests dienen dazu, diese Risiken frühzeitig zu erkennen und die Eignung eines Packaging-Konzepts nachzuweisen.

Der Ausbau erneuerbarer Energien, die Elektrifizierung von Industrie und Mobilität, intelligente Stromnetze sowie steigende Anforderungen an Effizienz, Verfügbarkeit und Sicherheit erhöhen die Bedeutung leistungsfähiger mikroelektronischer Systeme in der Energiebranche deutlich. Mikroelektronik ist heute eine Schlüsseltechnologie für die Erzeugung, Umwandlung, Übertragung, Verteilung und Nutzung elektrischer Energie, etwa für Leistungselektronik in Wechselrichtern und Konvertern, Steuer- und Sensorsysteme für Netzinfrastruktur, Batteriemanagementsysteme, Ladeinfrastruktur, Schutztechnik, Zustandsüberwachung sowie Kommunikationsmodule für Smart Grids.

Neuen Möglichkeiten in der Gehäuse- und Integrationstechnologie haben deshalb für die Branche strategische Bedeutung. Advanced Packaging ermöglicht es durch die Integration von Halbleitern, Passiven, Sensoren und weiteren Funktionskomponenten in hochleistungsfähigen Modulen oder Systemen, elektrische, thermische und mechanische Anforderungen gezielt aufeinander abzustimmen und damit die Leistungsfähigkeit moderner Energiesysteme wesentlich zu steigern.

Ein zentraler Vorteil liegt in der Verbesserung der elektrischen Performance. Kürzere Verbindungswege, reduzierte parasitäre Induktivitäten und optimierte Strompfade verbessern das Schaltverhalten insbesondere in leistungselektronischen Anwendungen. Dies ist relevant für Wechselrichter, DC/DC-Wandler, Netzteile, Umrichter in Wind- und Solaranlagen sowie Schnellladesysteme. Auch für die thermische Optimierung, höhere Integrationsdichte und die Zuverlässigkeit unter rauen Einsatzbedingungen bietet Advanced Packaging signifikante Potenziale.

Der Einsatz neuer Halbleitermaterialien wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN), angepasste Architekturen und weiterentwickelte Produktionsverfahren erfordern den Aufbau passender Methoden zur Qualitätssicherung, sowohl in FuE als auch während der Fertigung und beim Einsatz im Feld. Materialcharakterisierung und Zuverlässigkeitstests ermöglichen die präzise Kenntnis der eingesetzten Werkstoffe und ihrer Wechselwirkungen. Sie sind deshalb keine nachgelagerten Prüfschritte, sondern ein zentraler Bestandteil der Technologieentwicklung und Produktqualifikation. Gerade im Advanced Packaging treffen unterschiedliche Materialien mit teils stark abweichenden Eigenschaften aufeinander. Ohne genaue Kenntnis dieser Materialparameter steigt das Risiko für Delamination, Rissbildung, Kontaktdegradation oder thermisch induzierte Ausfälle. Die am Franhofer IMWS verfügbaren und kontinuierlich für neue Packaging-Technologien weiterentwickelten Tests helfen, Schwachstellen frühzeitig zu identifizieren, Lebensdauer realistisch zu bewerten, Entwicklungsrisiken zu reduzieren und die Ausfallsicherheit im Feld zu steigern.