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17. Januar 2022

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Die Zuverlässigkeit elektronischer Bauteile

Die Zuverlässigkeit elektronischer Bauteile© Markus Jech/TU Wien

Der diesjährige Resselpreis der TU-Wien geht an den Elektrotechniker Markus Jech. Seine Modelle ermöglichen die richtige Einschätzung von Fehlern und Haltbarkeit winziger Elektronik-Bauteile.

(red/mich) Vom Smartphone bis zum Computerchip in der Waschmaschine: Menschen sind jeden Tag darauf angewiesen, dass unzählige winzige elektronische Bauteile zuverlässig funktionieren. Diese Garantie ist jedoch eine schwierige Aufgabe: Immer kleiner werden die Transistoren für moderne Chips und so können bereits winzige Fehler auf atomarer Skala das Verhalten des Transistors maßgeblich beeinflussen.

Markus Jech untersucht am Institut für Mikroelektronik der TU Wien, wie Zuverlässigkeit und Fehlerverhalten elektronischer Bauteile berechnet und verbessern werden kann. Für seine von Tibor Grasser betreute Dissertation erhielt er nun den diesjährigen Ressel-Preis der TU-Wien.

Kleinere Bauteile ergeben andere Gesetze
„Wenn ein Bauteil relativ groß ist, dann kann man statistisch abschätzen, mit wie vielen Fehlern dort zu rechnen ist. Und daraus kann man dann ableiten, welche Auswirkungen die Fehler für das elektronische Verhalten des Bauteils haben“, erklärt Markus Jech. Dafür gibt es gut erprobte Berechnungsmethoden, die von Chipherstellerfirmen seit Jahren verwendet werden.

Die zunehmende Miniaturisierung der Bauteile macht die Sache nun komplizierter: Transistoren auf modernen Chips sind nur wenige Nanometer groß und wenn dieser nur noch aus einer relativ kleinen Zahl von Atomen besteht, dann kann es eine große Rolle spielen, wie viele Materialfehler welcher Art an welcher Stelle eingebaut sind. Das elektronische Bauteil kann nicht mehr einfach durch seine Geometrie und Materialeigenschaften beschreiben, man muss es auf atomarer Skala untersuchen.

Die Brücke zwischen Quantenphysik und makroskopischen Methoden
Markus Jech hat in seinen Computermodellen daher eine Brücke gebaut zwischen den quantenphysikalischen Methoden zur Beschreibung einzelner Atome und makroskopischen Methoden für die großen Objekte. „Wichtig ist das vor allem auch, um die Haltbarkeit elektronischer Bauteile vorhersagen zu können“, erläutert Jech. Um abschätzen zu können, wie lange die Bauteile im normalen Betrieb ihre Aufgabe erfüllen werden, werden sie im Experiment extremen Bedingungen ausgesetzt, etwa erhöhten Spannungen oder Temperatur.

Aber wie erfolgt aus den Ergebnissen solcher Experimente der Schluss auf die Lebensdauer des Bauteils unter Normalbedingungen? „Auch dafür braucht es wieder unsere Computersimulationen“, sagt Markus Jech. „Nur durch sie kann man verstehen, welche Parameter welche Rolle für zuverlässige Schlussfolgerungen spielen.“ Jech studierte Physik an der TU-Wien und wechselte nach seinem Abschluss an die Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, wo er seit 2015 am Institut für Mikroelektronik forscht. Für seine Dissertation erhält er nun den mit 13.000 Euro dotierten Resselpreis.

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red/mich, Economy Ausgabe Webartikel, 02.12.2021