Neue Einblicke in Elektroniksysteme: Fraunhofer IWM gewinnt Hugo-Junkers-Preis des Landes Sachsen-Anhalt

Mikroelektronische Bauelemente in höchster Qualität – das ist das Ziel der Arbeiten von Frank Altmann. Ein Forscherteam des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM in Halle unter seiner Leitung hat gemeinsam mit Kollegen des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik eine neue Wärmebildtechnik bis zur Marktreife entwickelt, um elektrische Defekte beispielsweise in Speicherchips und USB-Sticks schnell und sicher aufspüren zu können. Diese Arbeiten werden heute mit dem Hugo-Junkers-Preis in der Kategorie »Innovativste Allianz« geehrt. Auch mit weiteren Projekten war das Fraunhofer IWM beim Innovationspreis des Landes Sachsen-Anhalt erfolgreich.

 

Die Mikroelektronik ist einer der wichtigsten Innovationstreiber der heutigen Zeit. Schaltkreise ermöglichen nicht nur Computer oder Internet, sondern helfen auch bei der Steuerung von Autos, Flugzeugen oder medizinischen Geräten. Die Elektronikkomponenten müssen dafür sicher und fehlerfrei funktionieren. Mit jeder neuen Technologie-Generation werden die Schaltungsstrukturen kleiner und leistungsfähiger. Hochintegrierte Schaltkreise enthalten bis zu einige Milliarden von Einzeltransistoren mit zugehörigen Kontaktierungen. Hinzu kommt, dass die Bauelemente zunehmend aus mehreren übereinander gestapelten Schaltkreisen bestehen, um die Leistungsfähigkeit zu erhöhen und die Bauteilgröße zu minimieren. Die komplexe Architektur macht es immer schwieriger, Fehlstellen in der Verschaltung aufzuspüren: Dies ist aber notwendig, um Fehlerursachen zu verstehen und eine zuverlässige Funktionalität im Einsatz sicherstellen zu können.

Um elektrische Defekte in solchen hochkomplexen Bauteilen auffinden zu können, hat das Team um Frank Altmann eine mikroskopische Wärmebildtechnik gezielt weiterentwickelt und in Kooperation mit dem Gerätehersteller DCG Systems (USA) in den Weltmarkt eingeführt. Weltweit führende Halbleiterhersteller wie Intel, Globalfoundries und Infineon setzen das neu entwickelte Verfahren bereits ein.

Die Fehlerdetektion mittels Lock-in-Thermographie beruht darauf, dass elektrische Defekte meist mit einem lokal erhöhten Widerstand verbunden sind. Bei Stromdurchfluss wird an der Defektstelle eine erhöhte Verlustwärme abgegeben, mit der die Fehlstelle geortet werden kann. Mit dem neuen Verfahren können Temperaturunterschiede im Millionstel Kelvin-Bereich sichtbar gemacht und mikrometergenau innerhalb des Bauteils zugeordnet werden. Mit einem eigens patentierten Verfahren kann über die Phaseninformation sogar auf die Defekttiefe im Bauteil geschlossen werden. Für die Fehlersuche in 3D-gestapelten Aufbauten spart dies enorm Zeit und Analyseaufwand bei der Fehlersuche.

Die Grundlagen des Verfahrens wurden von Dr. Otwin Breitenstein vom Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik Halle gelegt. Altmann und seinen Kollegen Falk Naumann und Christian Große vom Fraunhofer IWM haben das Verfahren für die Anwendung an mikroelektronischen Bauteilen weiterentwickelt. »Wir sind sehr stolz, dass wir nach über 15 Jahren gemeinsamer Entwicklungszeit endlich auch den kommerziellen Durchbruch erreicht haben. Heute wird die Lock-in-Thermographie in vielen Analyselaboren weltweit für die Qualitätssicherung eingesetzt«, sagt Altmann.

Das Fraunhofer IWM war beim Hugo-Junker-Preis, für den es in diesem Jahr insgesamt 75 Bewerbungen gab, auch mit zwei weiteren Projekten erfolgreich. Prof. Dr. Mario Beiner belegte den zweiten Platz in der Kategorie »Innovativste Allianz«. Gemeinsam mit Partnern aus der Industrie hat er eine Methode gefunden, die Laufeigenschaften runderneuerter Lkw-Reifen durch den Einsatz von Gummirecyclaten zu verbessern und damit sowohl Kautschuk als auch Treibstoff einzusparen. Andreas Krombholz erreichte das Finale des Sonderpreises »Chemie und Bioökonomie«. Er hat gemeinsam mit Industriepartnern einen leistungsfähigen Verbundwerkstoff entwickelt, der zu 100 Prozent aus nachwachsenden Rohstoffen besteht und deutlich leistungsfähiger ist als übliche Holz-Polymer-Compounds.