Mikroelektronik in Deutschland – Ihre Beteiligung ist erwünscht!

Chipdesign bezeichnet alle Entwurfsprozesse, die der eigentlichen Fertigung eines Mikrochips vorausgehen. Es umfasst die Planung eines mikroelektronischen Systems von der Konzeption über die Auslegung, Simulation und Verifikation seiner Schaltkreise bis hin zur Erstellung der Maskenlayouts, also der Produktionsdaten. All diese Schritte werden dabei mit spezialisierter Entwurfssoftware umgesetzt, sogenannter Electronic Design Automation (EDA) Software. Zur Kommunikation, Systemsteuerung, etc. benötigen Mikrochips zudem häufig anwendungsunspezifische Schaltungsblöcke, die als sogenannte IP-Blöcke (Intellectual Property) erwerb- oder lizenzierbar sind.
Die Stärkung des deutschen Chipdesign Ökosystems ist auch in Zukunft von zentraler Bedeutung.  Der Chipentwurf wird durch neue Halbleitertechnologien, heterogene Integration und steigende Anforderungen aus der Anwendung stetig anspruchsvoller. Gleichzeitig gilt es Chancen, wie die Integration von KI, zu nutzen und die hohen Einstiegshürden für Ausbildung, Forschung und Industrie zu senken.

Mikroelektronik begegnet uns in zahllosen Alltagssituationen, im Privaten und in der Arbeitswelt: ob als eingebettete Mikrocontroller in Kleinstgeräten, als Prozessoren in Maschinen oder als massenweise zusammengeschaltete Höchstleistungsprozessoren in der Cloud. Eine moderne Gesellschaft ist auf Computing angewiesen.

Binäre Logik und die Integration von immer mehr Transistoren pro Chip haben die Leistungsfähigkeit dieser Rechenhardware weit gebracht und werden dies auch zukünftig tun. Die exponentielle Steigerung von Leistungsfähigkeit und Effizienz über die letzten 60 Jahre und in Zukunft gilt als Normalzustand. Trotz aller Erfolge der Forschung und Innovation gibt es Anwendungen wie Künstliche Intelligenz, die nach sehr viel schneller steigender Leistungsfähigkeit von Rechenhardware verlangen. Der Druck im Bereich der Energieeffizienz steigt ebenso dramatisch. Gleichzeitig stoßen Technologieentwicklungspfade in der Miniaturisierung absehbar an Grenzen der Forschung. Grundlegend neue Ansätze, wie z.B. analoges, neuromorphes, optisches oder Reservoir-Computing, rücken damit in den Fokus.

Sensoren bilden die Schnittstelle zwischen der analogen und der digitalen Welt. Ohne Sensoren kann es keine Digitalisierung geben – und das gilt nicht nur für Industrieautomatisierung oder Logistik, sondern auch für viele Bereiche unseres Alltags.
Sensoren unterliegen einem extremen Wandel: Wurden Sensoren bisher als reine Aufnehmer einer physikalischen Messgröße (z.B. Druck, Temperatur, Abstand) definiert, beinhalten sie heute eigene digitale Signalauswertungen und Kommunikationsmodule. Diese smarten Sensoren (SmartX) bewerkstelligen die komplette Signalaufbereitung und -verarbeitung in einem Gehäuse. Aus dem reinen Sensor ist ein System geworden, das Daten nicht nur erfassen, sondern am Ort der Aufnahme verarbeiten und kommunizieren kann. Forschung wird weiterhin neue Sensorprinzipien ermöglichen, Systeme robuster, intelligenter und trotzdem preiswerter machen und so die führende Stellung deutscher Akteure in diesem Gebiet stärken.

Mikroelektronik wird häufig mit Digitaltechnik gleichgesetzt, Dabei sind analoge und gemischte Systeme eigentlich die Regel. Entsprechende Hochfrequenzelektronik ist zum Beispiel ein zentraler Baustein der Digitalisierung, unter anderem für die Kommunikationstechnik im Mobilfunkbereich oder Sensorik für Assistenzsysteme in Fahrzeugen oder in der Robotik. Alle genannten Anwendungsfelder sind von besonderer Bedeutung für Deutschland und Europa, da sie entweder strategisch wichtige Infrastruktur oder Schlüsselbranchen der deutschen Wirtschaft betreffen.
Einen zentralen Forschungspfad stellt die Erhöhung der Frequenz dar. Dieser ermöglicht größeren Datenraten in der Kommunikation und eine stetige Verbesserung von Sensoren. Klassische Materialien der Elektronik und der Optik stoßen inzwischen aber an ihre Grenzen und werden steigenden Anforderungen nicht gerecht werden. Weitere Forschungsbedarfe ergeben sich auf Komponenten und Systemebene im Zuge der Miniaturisierung und zunehmenden Verschmelzung analoger und digitaler Systemteile.

Leistungselektronik ist überall zu finden wo elektrische Energie gewandelt oder gesteuert wird: vom Mikrocontrollersystem im Bereich von Milli- oder Mikrowatt über Motorsteuerungen in Elektrofahrzeugen von einigen Kilowatt bis in Leistungsbereiche von Mega- oder Gigawatt im Infrastrukturbereich. Die Vielfalt ist enorm. Von der Materialebene über effizientere Leistungselektronikmodule bis zu intelligenteren Steuerungen von Leistungselektronischen Systemen – überall besteht Forschungsbedarf. Industrie, Verkehr und immer mehr Aspekte unseres Lebens werden elektrifiziert. Die Anforderungen an Effizienz, Robustheit und Preis von Leistungselektronik steigen stetig. Innovationen in diesem Bereich sind von erheblicher strategischer Bedeutung, um die führenden deutschen Forschungseinrichtungen und Unternehmen zu stärken und einen entscheidenden Beitrag zur Dekarbonisierung der Wirtschaft zu leisten.

Die Halbleiter- und Elektronikfertigung ist extrem abhängig von vielen Materialien, die zum Teil in absehbarer Zukunft nicht mehr uneingeschränkt zur Verfügung stehen werden – sei es aus Gründen der Nachhaltigkeit oder wegen geopolitischer Verwerfungen. Ziel ist es darum, von derartigen Materialien unabhängiger zu werden und Produktionsverfahren ressourcenschonender und umweltunbedenklicher zu gestalten.
Änderungen von Materialien oder Prozessen sind in der Halbleiterproduktion extrem schwierig umzusetzen, da es sich um eine hoch optimierte Abfolge unzähliger empfindlicher Einzelprozesse handelt. Bereits kleinste Abweichungen in den Prozessen können die Halbeliterproduktion unrentabel machen. Neue Ansätze in Lithographie, Beschichtung bis hin zum Plasmaätzen gibt es stetig. Eine erheblich ausgebaute Forschungsinfrastruktur an Universitäten bis hin zu Pilotlinien an Forschungsinstituten bietet neue Chancen, Forschungsergebnisse in die Industrie zu transferieren. Von Innovationen gehen Impulse nicht nur für Halbleiterhersteller aus, sondern auch für den Spezialmaschinenbau, die Automatisierungstechnik und die Metrologie. 

Im Zentrum moderner Elektronikkomponenten befinden sich kleine, komplex strukturierte Halbleiterstücke. Diese müssen durch Verkapselung gegen Umwelteinflüsse geschützt und durch zahlreiche elektrische Kontakte im System verschaltet werden. Die Verfahren zur Verkapselung und Verschaltung von Halbleiterelementen werden unter dem Begriff Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) zusammengefasst. 
Moderne Verfahren, sogenanntes Smart Packaging, Advanved Packaging und heterogene Integration, ermöglichen es nicht nur, immer komplexere Chips mit immer mehr Kontakten aufzubauen, sondern auch Halbleiterbausteine unterschiedlicher Funktion aus verschiedenen Halbleitertechnologien in einem einzelnen, kompakten Chip zu integrieren. Neue leistungsfähige Chips können so durch die Kombination von separat entwickelten und gefertigten Halbleiterbausteinen aufgebaut werden. Ein leistungsfähiges Ökosystem für heterogene Integration bringt dabei nicht nur technologische Impulse. Es eröffnen sich auch neue Chancen für auf einzelne Systemaspekte spezialisierten Akteure. Mit der APECS Pilotlinie verfügt Deutschland über eine einzigartige Forschungsinfrastruktur in diesem Bereich, deren Potential es zu heben gilt.

Im Bereich der Mikroelektronik gibt es viele wichtige Technologiebereiche. Jeder davon wird durch kontinuierliche Forschung vorangebracht. Es gibt jedoch auch Querschnittsthemen, die in viele Technologien hineinreichen oder die sich aus der Kombination der Technologien ergeben. Beispiele sind die Adaption neuer Materialien für die Mikroelektronik, die Effizienzsteigerung und Ressourcenschonung im Allgemeinen sowie Test und Fehleranalyse im Speziellen. Auch ergeben sich in Anwendungen oft neue Herausforderungen durch Wechselwirkungen einzelner Komponenten und Technologien, die durch unabhängige Betrachtung der Einzelteile nicht gelöst werden können. Auch für die Zukunft gilt es, wichtige Querschnittsthemen zu identifizieren und zu bearbeiten, um mit gezielter Forschung das Mikroelektronikökosystem als Ganzes voranzubringen.