Bei der aktuellen Hardware-Entwicklung in der Mikroelektronik sind zwei Trends kennzeichnend: Erstens werden elektronische Schaltungen weiterhin immer kompakter, kleiner und leistungsfähiger. Und zweitens übernehmen elektronische Schaltungen verstärkt auch sicherheitsrelevante Aufgaben. Für beide Entwicklungstendenzen aber wird ein Faktor zunehmend wichtiger: die Alterungsprozesse der Chips. Wie Schaltungsentwickler ihre Entwürfe mit Lebensdauerprognosen absichern können, erläutert Dr. André Lange vom Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS.

Hallo Herr Dr. Lange, am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS, Institutsteil Entwicklung Adaptiver Systeme EAS arbeiten Sie verstärkt auch als »Altersforscher«. Denn je wichtiger die Funktionen werden, die elektronische Schaltungen übernehmen, desto zuverlässiger und nachhaltiger müssen sie arbeiten. Welche Bedeutung hat die Langzeit-Funktionsfähigkeit kommender Chip-Generationen?

Dass Chips immer kleiner werden, ist nichts Neues. Mikro- und nanoelektronische Strukturen sind heute bereits teils nur noch wenige Millionstel Millimeter groß. Damit verbunden ist aber auch eine einschneidende Konsequenz: Mögliches Funktionsversagen aufgrund von Alterungsprozessen wird wahrscheinlicher und die Folgen gravierender. Grund dafür sind unter anderem die lokal auftretenden Stromdichten und Feldstärken innerhalb einer Schaltung, die umso eher kritische Werte erreichen, je kleiner die Strukturen sind. Anders ausgedrückt: Bei der Halbleiterfertigung im Nanobereich muss immer mehr »auf Kante« geplant werden. Um jetzt und in Zukunft sicherzustellen, dass die Bausteine elektronischer Systeme auch nach Jahren noch zuverlässig funktionieren, ist eine detaillierte Analyse der Alterungsprozesse und ihrer Folgen entscheidend für die Qualität und Zuverlässigkeit der Chips.

Aber es sind nicht nur die kleinen Strukturgrößen der elektronischen Schaltungen, die Lebensdauerprognosen immer wichtiger machen?

Das stimmt. Neben der Miniaturisierung bringt die fortschreitende Digitalisierung auch fundamentale Veränderungen in den Anforderungen, die elektronische Schaltungen erfüllen müssen. Funktioniert ein Smartphone oder eine Spielekonsole nach ein paar Jahren Nutzung nicht mehr, ist das ärgerlich. Steuern die Schaltungen aber sicherheitskritische Systeme, hätte ein Ausfall unter Umständen schwerwiegende Folgen. Immer mehr elektronische Systeme übernehmen aber genau solche Aufgaben. Das sicherheitsrelevante Anwendungsspektrum der Elektronikbauteile reicht zum Beispiel im Automobilbereich heute von den gesamten Sicherheits- und Assistenzsystemen bis zur absolut zuverlässigen Steuerung der selbstfahrenden Fahrzeuge von morgen. In diesen Bereichen erwarten Gesetzgeber und Gesellschaft gleichermaßen eine maximal hohe Zuverlässigkeit. Was hinzu kommt, ist der – im Vergleich zu Konsumgütern – relativ lange Zeithorizont, in dem die Schaltungen zu 100 Prozent funktionieren müssen. Während ein Smartphone nach wenigen Jahren heute auch technisch bereits wieder veraltet ist, ist bei Fahrzeugen etwa eine Nutzungsdauer von deutlich mehr als zehn Jahren Usus. Alterungsprozesse elektronischer Schaltungen kommen hier also in erheblich höherem Umfang zum Tragen.

Die Elektronik entwickelt sich aber doch so rasch, dass die zu untersuchenden Komponenten und Systeme in der Regel noch ganz neu sind. Wie lässt sich fundiert vorhersehen, was bei einer entworfenen Schaltung in einigen Jahren passiert?

Realtests über so lange Nutzungszeiten lassen sich natürlich nicht durchführen. Trotzdem können wir den Einfluss von Alterungsprozessen sehr fundiert analysieren und damit auch prognostizieren. Ausgangspunkt dabei sind reale Stresstests mit den einzelnen Transistoren bei erhöhten Spannungen oder Temperaturen. Sie geben Aufschluss, wie sich die Transistoren in Zuständen jenseits des Idealbetriebs, aber auch unter normalen Nutzungsbedingungen verhalten. Daraus leiten wir Simulationsmodelle für die Transistoralterung ab, in die das Wissen über die physikalischen Vorgänge sowie die aufgenommenen Messwerte einfließen. Das Verhalten einer Schaltung wird im Entwurf durch Simulationen untersucht. Auf der Schaltungsebene ist dabei die Betrachtung von Betriebsfällen innerhalb einiger Millisekunden sinnvoll. Aus diesen Ergebnissen kann mit Hilfe unserer Alterungsmodelle prognostiziert werden, wie sich die Transistoren und damit die komplette Schaltung durch den Betrieb verändern. 

Mit den am Fraunhofer IIS entwickelten Alterungsmodellen für Transistoren, können Schaltungsentwickler schon im Entwurfsstadium Zuverlässigkeit und Lebensdauer überprüfen. Bild: Fraunhofer IIS/EAS

Von Sekundenbruchteilen lässt sich aber doch noch lange nicht auf das Verhalten nach einer Nutzungszeit von vielen Jahren schließen?

Doch. Die Alterungsmodelle sind mathematisch so formuliert, dass sie aus Simulationen des Betriebs über Sekundenbruchteile auf Lebensdauern im Bereich von Jahren extrapoliert werden können. Aus der Simulation der Schaltung und dem Alterungsmodell wissen wir, welcher Transistor sich durch den Betrieb wie verändert. In einer erneuten Simulation mit entsprechend angepassten Parametern wird dann auf das Verhalten der kompletten Schaltung nach Alterung geschlossen. Dadurch wird das Wissen über die physikalischen Zusammenhänge genutzt, um die möglichen Veränderungen von Schaltungen über der Zeit – auch nach mehreren Jahren – einzuschätzen.

Wie können Entwickler elektronischer Schaltungen von Ihren Forschungen profitieren?

Werkzeuge für Prognosen zu Zuverlässigkeit und Lebensdauer sind in den unterschiedlichen Arbeitsumgebungen für Entwickler von integrierten Schaltungen vorhanden. Nutzer müssen also meist keine zusätzlichen, speziellen Anwendungen einsetzen. Um den Einfluss von Alterungsprozessen bereits im Entwurfsstadium realistisch abschätzen und berücksichtigen zu können, sind jedoch aussagekräftige Alterungsmodelle erforderlich. Und genau diese fehlen bislang sehr oft. Unsere Modelle ändern das. Und sie lassen sich in die unterschiedlichsten Entwurfsumgebungen einbinden. Schaltungsentwickler können damit die Zuverlässigkeit ihrer Entwürfe noch vor dem Schritt in die kostspielige Fertigung absichern, ohne wesentliche Änderungen an ihrem Arbeitsablauf vornehmen zu müssen. Zudem ist es möglich, Kosten zu sparen, weil erforderliche Sicherheitspuffer besser abgeschätzt und Margen oft verringert werden können.

(stw)

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André Lange
  • Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS
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