Hoe heterogener, hoe uitdagender

Olaf van der Sluis werkte meer dan twintig jaar als materiaalkundige bij Philips (CFT, Applied Technologies, Research). Daar hield hij zich bezig met het analyseren en optimaliseren van uiteenlopende elektronicaproducten, van integrated circuits (ic’s) en packages tot flexibele elektronica en hoogvermogen-leds. Sinds 2010 combineerde hij dat met een deeltijdaanstelling in de vakgroep Mechanics of Materials, faculteit Werktuigbouwkunde van de TU Eindhoven (TUE). Begin dit jaar kreeg hij er een voltijdsaanstelling als associate professor. ‘Ik wilde terug naar het fundamentele onderzoek en de halfgeleidertoepassingen. Verder wilde ik me nog meer gaan bezig houden met het coachen van studenten en junior-onderzoekers, zoals promovendi.’

Multimateriaal, multischaal

De grootste uitdaging is voor Van der Sluis dat in veel devices verschillende materialen worden gecombineerd. ‘Dus heb je ook verschillende grensvlakken binnen één product. Al die materialen en grensvlakken (interfaces) kunnen zich verschillend gedragen: bros of taai, lineair of niet-lineair, tijd- en temperatuurafhankelijk, enzovoort. Dat samenspel van eigenschappen zorgt dat je van tevoren het gedrag op de verschillende relevante schalen goed moet kunnen voorspellen voor het ontwerpen van betrouwbare producten en complexe productieprocessen.’ En dan gaat het niet alleen om het mechanische gedrag, maar ook om de fysische verschijnselen, de chemische samenstelling en de elektronische eigenschappen.

Voor hightechsystemen wordt kennis van materiaalgedrag steeds belangrijker, wil Van der Sluis maar zeggen, vanwege de eisen die worden gesteld aan betrouwbaarheid, levensduur en nauwkeurigheid. ‘Thermische problemen zijn bijvoorbeeld een hot topic, onder meer doordat hoge vermogens zorgen voor grote temperatuurgradiënten. In een ct-scanner of een kernfusiereactor worden kritische componenten met temperaturen van duizenden Kelvins belast, wat voor ongewenste slijtagemechanismen zorgt. Mri-systemen en elektronenmicroscopen werken juist deels onder cryogene omstandigheden; dat is weer een heel ander temperatuurgebied.’

‘We weten gewoon nog te weinig hoe materiaalgedrag verandert over een groot temperatuurbereik’, vervolgt Van der Sluis. ‘Ook op tijd- en lengteschalen hebben we met een groot bereik te maken, van nanometers tot meters, en van verschijnselen die in picoseconden optreden tot levensduurafschattingen over jaren.’

Faalmechanismen

Dit alles geldt voor producten in gebruik maar ook tijdens de voorafgaande productiestappen, waarin bijvoorbeeld verschillende temperaturen kunnen optreden. ‘Dat kan zorgen voor restspanningen die weer leiden tot veranderingen in materiaalgedrag op microschaal. Producten kunnen kromtrekken, er kan degradatie of breuk optreden of lagen laten los. En hoe verandert bijvoorbeeld de warmteoverdracht op een interface tussen verschillende materialen als gevolg van een veranderende microstructuur? Daar weten we nog niet veel van.’

Een aantal jaren geleden werd deze kennislacune pijnlijk duidelijk toen Philips startte met de productie van nieuwe ultrageluidtransducers. ‘Die bleken niet te voldoen aan de performance-eisen en dat werd onder meer veroorzaakt door restspanningen in ultradunne lagen die we niet begrepen. Onze bestaande modellen schoten tekort, we hadden meer kennis nodig. Daarom werd een onderzoeksproject gestart met onder meer Philips en TUE.’

Meten aan die faalmechanismen mag dan allang mogelijk zijn, dat geeft nog geen begrip van hoe ze ontstaan in het productieproces, stelt Van der Sluis. ‘Tot voor kort noemde ik deze aspecten secundaire functionaliteit, omdat producten ontworpen worden op grond van hun primaire functie, zoals rekensnelheid of beeldkwaliteit. Echter, om de genoemde redenen vind ik het de hoogste tijd om materiaal- en grensvlakkunde onderdeel te maken van ontwikkel- en ontwerpprocessen voor hightechsystemen. Alleen zo komen we snel tot een optimaal ontwerp van het product en het productieproces.’

Door materiaalkennis op te bouwen, kan volgens Van der Sluis worden voorkomen dat faalmechanismen nog optreden. ‘Als je het echt goed snapt, kun je zelfs besluiten om bepaalde faalmechanismen te accepteren. Afhankelijk van de toepassing kun je bepalen wanneer je ze gecontroleerd laat optreden. Want aan de ene kant wil je falen voorkomen, maar aan de andere kant is dat niet altijd nodig. Daarvoor kun je digitale tweelingen inzetten. Je kunt daarmee interactief het product controleren tijdens gebruik, bijvoorbeeld om te kijken wat de temperatuur doet en die dan zo nodig in de hand te houden.’

Alternatief interconnectmateriaal

Als concreet voorbeeld van onderzoek noemt Van der Sluis het project dat vorig jaar is gestart met het Chip Integration Technology Center (CITC) in Nijmegen. ‘Daar kijken we naar een niet-giftig interconnectmateriaal als alternatief voor loodhoudend soldeer. Vanuit Europese regelgeving (RoHS, ter beperking van gevaarlijke stoffen in elektr(on)ische apparatuur, red.) mag dit in een aantal semiconapplicaties al niet meer worden gebruikt, maar voor bijvoorbeeld powerpackages geldt nog uitstel.’

Het gaat om zilverkorrels, in grootte variërend van tientallen nanometers tot enkele micrometers, die zijn ingebed in een epoxymatrix. Die korrels worden gesinterd tot een materiaal dat bijvoorbeeld een chip met een metalen leadframe verbindt. ‘Het sinteren beïnvloedt de microstructuur van het interconnectmateriaal en dat geeft momenteel nog adhesieproblemen. De hechting tussen de materialen is onvoldoende. Wij proberen de relatie te leggen tussen de microstructuur, op de kleinst mogelijke schaal die relevant is, en het resulterende breuk- en adhesiegedrag. Hierdoor zullen we uiteindelijk in staat zijn om een materiaal te ontwerpen met de gewenste eigenschappen.’

De uitdaging ligt in de complexe 3D-structuur en het niet-lineaire materiaalgedrag. ‘We zoeken naar een product dat qua levensduur en betrouwbaarheid voldoet aan de hoge eisen. Daarvoor kijken we nu bijvoorbeeld naar toevoegingen aan het zilvermateriaal, zoals grafeenvlokjes of polymere microbolletjes. Kunnen die op de kleine schaal het gedrag veranderen zodat we de gewenste eigenschappen krijgen? Dit onderzoeken we aan de hand van zowel experimenten als theorie en computermodellen. Deze gecombineerde aanpak leidt tot begrip. Ook proberen we door gerichte structuren in de oppervlakken aan te brengen de hechting tussen de verschillende lagen te verbeteren.’

De samenwerking blijft niet beperkt tot het CITC. ‘We praten ook met materiaalleveranciers, want uiteindelijk moeten zij de nieuwe materialen ontwikkelen en produceren.’

Heterogene integratie

Een belangrijke ontwikkeling is heterogene integratie, schetst Van der Sluis het brede perspectief. ‘De afgelopen decennia is in de halfgeleiderindustrie een enorme miniaturisatie gerealiseerd. De atomaire schaal is bijna bereikt en het wordt steeds moeilijker om de exponentiële groei vast te houden. Een van de opties is heterogene integratie: verschillende chips, met verschillende functies, combineren in een package of product, bijvoorbeeld rekenchips en geheugenchips, of fotonische ic’s en elektronische ic’s.’

De koppeling van verschillende materialen leidt tot verschillende grensvlakken, verklaart Van der Sluis. ‘Dat vormt een uitdaging voor de betrouwbaarheid, voorspelbaarheid, produceerbaarheid en nauwkeurigheid van producten. Al die aspecten vallen binnen ons onderzoeksgebied. Tien jaar geleden heette dit system-in-package, nu is het nog complexer. Daarom moeten de verschillende groepen en faculteiten van de TUE samenwerken. Binnen Philips realiseerde ik me dat al. Ik werk als werktuigbouwkundige graag samen met fysici, chemici en elektrotechnici. Die samenwerking is precies waar het HTSC voor staat. Het wordt almaar heterogener en dus steeds leuker.’

Impact in industrie

Van der Sluis is onderdeel van een breed onderzoeksconsortium dat momenteel wordt gevormd. ‘Door het wegvallen van het Nationaal Groeifonds kijken we naar nieuwe mogelijkheden voor financiering.’ Hij legt de lat hoog. ‘Ik ben ervan overtuigd dat dit een groot onderzoeksgebied gaat worden. Het is bijvoorbeeld een van de focusgebieden in de strategische samenwerking tussen de TU Eindhoven en ASML, en past in het Future Chips flagship-initiatief van de TU Eindhoven.’

Zijn ambitie is het om een groeiende onderzoeksgroep op te zetten die heel sterke samenwerkingen met de industrie heeft om een grote impact in die richting te kunnen hebben. ‘Niet alleen interessant academisch onderzoek doen, maar zorgen dat het landt bij de industrie, dat heb ik als deeltijder aan de TU Eindhoven al jaren gedaan. Echte samenwerking, met draagvlak binnen de bedrijven.’

Van fenomenologisch naar fundamenteel

Wereldwijd wordt er natuurlijk al vele jaren onderzoek gedaan naar de betrouwbaarheid en voorspelbaarheid van elektronicaproducten, zegt Van der Sluis tot slot. ‘Maar wij voegen iets unieks toe doordat we naar de microstructuur kijken en naar de combinatie van materialen en hun interactie op de interfaces. Hierdoor ontstaat begrip.’

Deze aanpak is in de industrie nog niet gangbaar. ‘Men onderzoekt en test pure materialen en producten die uit één materiaal zijn gemaakt. Begrijp me niet verkeerd, dat moet je blijven doen en blijft complex. Maar we zitten met z’n allen al twintig jaar na te denken over mogelijke faalmechanismen. Daarvoor moeten we nu juist meer de link leggen met kennis van de microstructuur, de combinatie van materialen en de productieprocessen. Inderdaad, dan gaan we van fenomenologisch naar fundamenteel.’

Dit artikel kwam tot stand in nauwe samenwerking met het High-Tech Systems Center (HTSC) van de TU Eindhoven.